(完稿)1070207014013_张辉(多路开关直流稳压电源设计)

1、分类号： TP密 级： 一般单位代码： 107学 号：1070207014013 本科毕业论文（设计）题 目： 多路开关直流稳压电源设计专 业： 电子信息工程姓 名： 张 辉指导教师： 白泽生职 称： 教 授答辩日期：二一一年六月三日多路开关直流稳压电源设计摘 要：随着时代的发展，数字电路技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域。本设计以直流电压源为核心，STC89C52RC单片机为主控制器，单片机系统是数控电源的核心。它通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能。通过数字键盘来设置直流电源的输出电压，输出电压范围为09.9V，最大电流为300mA，并可由液晶屏LCD1602显

2、示实际输出电压值。本设计由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟量，再经过运算放大器LM324隔离放大,最后输出各种设备所需要的电压。关键字：直流稳压电源；单片机；数控；DAC0832DC Power Supply Design Base On Multi-switchAbstract: With the development, digital circuit technology has spread to our lives, work, research and other fields.This system to dc-voltage source as

3、 the core, mainly STC89C52RC SCM, SCM system is the numerical power of the core. It is through the software.Run to control the work of the whole apparatus, thus completing the set of functions through the matrix keyboard controller to install dc-power supply output voltage, the range of 0-9.9 V, the

4、 maximum current of 300mA, and can show the actual pipe by digital LCD1602 output voltage values. This system consists of microcontroller program output digital signal, through D/A converter (DAC0832) output analog amplifier, after another op amp- lm324 isolation amplifier. Finally the output voltag

5、e of equipment needed.Keywords: regulated power supply of direct current; single chip microcomputer; digital control;DAC08320 引 言随着人们生活水平的不断提高，数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便是不可否定的，其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子，但人们对它的要求也越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好、更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压

6、表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。 尤其是在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。目前，市场上各种直

7、流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等1。本设计将单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节。本文所介绍的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示，可用于要求电源精度比较高的设备，或科研实验电源使用，并且此设计，用到了单片机微处理器，D/A 转换器，译码显示，稳压模块等电路；具有控制精度高，制作比较容易等优点。从组成上，本设计硬件电路主要由单片机、变压器、整流电路、滤波电路、稳压输出电路、D/A转换电路、显示电路等组成。利用D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技

8、术设计数控电源更显示出其优越性。数控电源既能方便输入，具有较高精度和稳定性，而且在0.0V到9.9V可以任意设定输出电压，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。 另外，单片机的数控直流稳压电源，与传统直流稳压电源相比，具有新颖性、独创性和先进性。它不仅能作为常规的电子产品和科研实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比2。电源采用数字控制，具有以下明显优点：1.采用先进的智能控制策略和控制方法，体现出电源模块的高程度智能化，更加完美性能。 2.系统升级方便，控制比较灵活，只需修改控制算法，而不必改动硬件线路

9、。 3. 提高控制系统的可靠性，更容易实现标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用相同的控制板，而只需对软件控制部分做一些调整便可。 4.系统电压输出的一致性比较好，成本低廉，方便量产。1 系统总体方案根据题目的要求，是要设计一种能够实现输出多路开关直流稳压电源所要求的功能，为实现设计所要求的功能，本系统选用微控制器STC89C52RC单片机作为核心，由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟量，再经过运算放大器LM324隔离放大,最后输出各种设备所需要的电压。系统设计具体可以分为以下模块：微处理器模块、电源模块、D/A转换模块、键盘设定模块、数据采集模块

10、、LCD显示模块、稳压输出电路。其原理图如图1所示：图1 方案原理图2 系统的硬件电路设计2.1主控制器模块本设计采用PDIP封装的STC89C52RC芯片为主控制器，如图2所示。该芯片正常工作电压为5V，支持的最高时钟频率为80MHz，Flash程序存储器为8KB,RAM数据存储器为512B,内置看门狗电路，支持ISP/IAP3。本单片机具有以下优点：1.超低功耗(1)掉电模式：典型功耗为0.5uA,由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。(2)空闲模式：典型功耗为2mA。(3)正常工作模式：典型功耗为4mA-7mA。2.超强抗干扰(1)I/O口、电源、时钟、看门狗、复位电路都是经过特殊

11、处理。(2)宽电压，不怕电源抖动，工作电压范围为3.46V。(3)高抗静电（高ESD保护），轻松过2000V。图2 STC89C52RC芯片引脚图控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用STC89C52RC单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。电路图如图3所示。图3 单片机控制部分2.2 D/A转换模块2.2.1 D/A转换芯片DAC0832介绍4图4 D/A转换DAC0832引脚CS: 片选信号, 低电平有效ILE: 输入锁存允许信号, 高电平有效WR1: 写信号1(低电平有效)WR2: 写信号2(低电平有效),输入锁存器将8位数据传输到DA

12、C寄存器IOUT1： 模拟电流输出端1。当输入数字为：全”1”时, 输出电流最大，约为255VREF/256REB全”0”时, 输出电流为0IOUT2： 模拟电流输出端2， IOUT1 + I OUT2 = 常数RFB： 反馈电阻引出端, 此端可接运算放大器输出端VREF： 参考电压, -10V+10VVcc ： 芯片电源电压,+5V+15VAGND： 模拟信号地DGND： 数字信号地DI7DI0：数字量输入信号， 其中: DI0为最低位，DI7为最高位42.2.2 D/A转换控制部分系统设置D/A转换接口，采用8位模数转换器DAC0832。其电路如图5所示。D/A转换部分的输出电压作为稳压输

13、出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。8位的D/A数据口分别与单片机的P0口相连，DAC0832的片选信号和写信号分别由单片机的P32脚和P36脚控制，8位字长的D/A转换器具有256种状态。其时序图如图6所示。图5 D/A转换控制部分原理图图6DAC0832数模转换时序图Clk为时钟端，Data为输入数据，LOAD为输入控制信号。每路电压输出值的计算： REF为参考电压，data为输入8位的比特数据；本设计用的REF为-5v。2.3 稳压输出模块2.3.1稳压控制芯片LM324LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，

14、除电源共用外，四组运放相互独立5。每一组运算放大器可用图7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图8所示。 图7 LM324同向输入与反向输入 图8 LM324引脚图2.3.2 稳压输出原理与电路此部分将经过D/A转换后的初始电压转换成设备所需要的特定电压。从DAC0832的IOUT2引脚输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压电

15、路输出的电压大小与DAC0832的IOUT2输出参考电压成比例。稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图9），在电路中， U5ALM324为比较放大器，U5BLM324 为运算放大器， D/A转换电路的输出电压OUT2接到 U5A LM324的同向端（LM324的第2脚），U5ALM324运放的输出端（LM324的第5脚）输出的电压一边送到运放U6A LM324的同向端（LM324的第1脚），一边反馈回DAC0832的RFE1基准电压。变位器R5作为U6A LM324反馈电路中的反馈电阻。经运放比较放大后，在经过U6A-LM324的电压放大与调整，使得输出的电压与LCD1602显示的电压保

16、持一致6。图 9 串联式反馈稳压电路2.3.3 稳压输出模块仿真图通常，直流稳压电源是用可变电阻来实现输出电压的调节，那么要在直流稳压电源的基础上实现数字控制的话，实际上我们只要用数字控制部分来代替可变电阻，就能实现数控直流稳压电源这一课题。所以，首先要做的，就是选择合适的稳压输出电路并对其可行性进行了仿真。如图10所示，用LM324的比较放大作用很容易就验证了此稳压输出电路的可靠性7。图10 稳压电路仿真图2.4 按键控制模块按键控制模块如图11所示。本设计中，采用独立按键K1-K9对单片机核心芯片STC89C52RC进行输入控制。各按键分别一端接地，一端接单片机引脚。实现功能：按键K1-K

17、9为对应的数字0-9，K00表示位选择键（十位或各位）,K11是确定键。选择电压后，按确定键，便可输出所需的电压。图11 键盘控制电路图按键的具体意义如表1：表1 按键的定义0123位选择456确认7892.5液晶显示模块2.5.1 LCD1602主要管脚介绍8 显示模块为本设计的重点模块，用于实时显示输出电压值。这里采用1602液晶显示屏，其主要参数为：显示容量（16*2个字符），芯片工作电压（4.5-5.5V），工作电流（2.0mA），模块最佳工作电压（5.0V）。LCD1602共有16个引脚，各管脚的功能表2所示。表2 LCD1602管脚功能介绍表引脚图符号状态功能1VSS电源地2Vdd

18、电源+5V3V0对比度控制端4RS输入寄存器选择5R/W输入读、写操作6E输入使能信号7DB0三态数据总线（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地说明：V0: 液晶显示器对比度调整端，接正电源的对比度最弱，接地电源是对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。RS: 寄存器选择，高电平时选择数据存储器；低电平时选择指令寄存器。R/W：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平进行写操作

19、。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平，R/W为低电平时可以写入数据。E： 使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。2.5.2 液晶显示程序设计1.读操作时序：图12 读操作时序2.写操作时序：图13 写操作时序2.5.3 读写控制时序如表3所示表3 读写控制时序表RSR/WE功能00下降沿写指令代码01高电平读忙标志和AC码10下降沿写数据11高电平读数据2.5.4 1602LCD的一般初始化过程1延时15mS2写指令38H3写指令08H：显示关闭4写指令01H：显示清屏5写指令06H：显示光标移动设置6写指令0CH：显示开及光标设置2.5.5

20、 LCD1602与单片机连接图单片机与液晶显示模块之间的连接如图14所示。图14 LCD1602与单片机连接图数据线DB0-DB7连接单片机的P0口； RS、R/W、E3条控制线分别接单片机的P1.4、P1.5、P1.6口。电阻R3用来设置背光的亮度。2.6 振荡电路设计模块单片机的工作是在统一的脉冲控制下的进行的。这个脉冲就是由单片机控制器的时钟电路发出的，即时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时钟电路用于产生单片机工作的时钟信号。而时钟电路又各分为两种，即内部时钟方式和

21、外部时钟方式。本文设计采用内部时钟方式此种方式时，单片机内接一个高增益反向放大器构成内部振荡器。引脚XTAL1和XTAL2分别此放大器的输入端和输出端。同时在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器构成稳定的自激振荡器，其发出的脉冲信号直接送入到内部时钟发生器。电容C1和C2通常选择为（30或10）pf左右；外接陶瓷谐振器时则选为47pf左右。电容C1和 C2对频率有微调作用。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器可靠地工作，谐振器和电容应安装得与单片机芯片尽可能的近。内部时钟发生器实际上是一个二分频的触发器，该二分频为单片机提供一个二相的时钟信号即相位信号1（P1）和相位信号2（P2），驱

22、动CPU产生执行指令功能的机器周期。这里我们采用的是12MHz晶振，也就时说单片机的时钟周期为1/12uS，指令周期为1uS。晶体振荡器的频率越高9，振荡频率就越高，如图15所示。图15 振荡电路2.7 复位电路设计模块2.7.1 CPUA内部复位电路因为 MCS-51系列单片机采用高电平复位方式，其内部复位电路如图16所示，高电平复位脉冲RST引脚输入到内部施密特触发器整形后，送CPU内部复位电路。CPU在每一个机器周期的S5P2相采样施密特触发器的输出端，若为高电平，则强迫机器进入复位状态。为了保证CPU内部各个单元电路可靠复位，RST引脚复位脉冲高电平维持时间必须大于等于2个机器周期（即

23、24个振荡周期）10。 图16 内部复位电路2.7.2 外部复位电路可以使用RC分立元件或微处理器监控芯片构成MCS-51单片机的外部复位电路11。本设计中采用RC分立元件构成MCS-51外部复位电路，电路如图17所示。图17 外部复位电路从图可看17出，按下复位按键K20时，电容C3通过R1放电，当电容放电结束后，RST引脚电位由R1、R2分压比决定。由于R2R1,因此RST引脚为高电平，CPU进入复位状态。松开复位按键后，电容C3充电，RST引脚电位下降，使CPU脱离复位状态12。R1的作用在于限制复位按钮瞬间电容C3的放电电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。单片机的复位都是靠外部电路实

24、现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位13。2.8 辅助电源设计利用三端稳压器7805、7812产生所需的电源电压以供集成芯片和单片机使用。辅助电源原理图如图18所示。变压器产生15V左右的辅助交流电，辅助电源的输入端电源由15V变压器的辅助线圈提供，经过整流桥D整流后经电容C1滤成平稳的12V作为三端稳压器LM7812的输入电源，输出端经过电容C3滤波后就可得到平稳的幅值为12V的直流电。产生的12V直流电压

25、给LM324的正电源端供电。LM7805的输入电源直接由LM7812产生的12V直流电提供，其输出电压也是通过电容C4、C8进行滤波。输出的5V电压作为单片机的供电电源。图18中D1，D2是保护二极管，发光二极管为LM7805正常工作指示信号。利用三端稳压器7905产生-5V的电压作为DAC0832的基准电压和LM324的负电源端电压。图18 辅助电源3 系统硬件设计电路系统主板电路图如下：图19 整体电路图4. 系统软件设计方案此系统中用到STC89C52单片机的部分功能：键盘扩展，程序中断，I/O控制。主程序基本没什么是可做，但因键盘扫描时通过程序查询的方式来实现的，所以在主程序中要调用键

26、盘扫描程序。主程序流程图如图19所示，写电压子程序流程图如图20所示，键盘扫描处理子程序如图21所示。 图20 写电压子程序流程图图19 主函数流程图图21 键盘扫描处理子程序参考文献：1 冯泽虎,朱相磊,滕春梅.基于单片机的可编程直流稳压电源设计J.中国高新技术企业,2009(21):36-37.2 高松.基于单片机的数控直流稳压电源J.陶瓷研究与职业教育,2008(2):43-44.3 Dave Garza .The 8051 MicrocontrollerM. America:Library of Congress Cataloging-in-Publication4 DAC0830/DAC0832 EB/OL. 5 李洪明.LM324四运放的应用J.无线电,1