直流稳定稳压稳流电源毕业设计

1、 摘要I摘摘 要要本设计分别用 LM317 三端稳压芯片设计直流稳压电源，利用三极管输出特性设计直流稳流电源。通过相关知识计算出各电路中各个元器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调整率，电流调整率，负载调整率，纹波电压等各项指标。本设计的拓展功能就是基于单片机的 LCD 显示电路，其原理是稳定电源所输出的稳定电压、电流经 A/D 转换电路，将模拟量转变成数字量，再经由 AT89S52 单片机构成的主控电路，单片机控制后面的液晶显示电路，最后电压值、电流值以数字的形式直观的显示出来。关键词：稳压，稳流，调整率，单片机 AbstractIIAbstractThis design LM317

2、three-terminal regulator chip design power supply, the transistor output characteristics design stabilized power supply. Calculated through the knowledge of the various components in the various circuit parameters, so that the performance of the circuit design requirements for the voltage regulation

3、, current regulation, load regulation, ripple voltage indicators. Stable output voltage, current through the A/D converter circuit, the analog into digital, and then enter the main control circuit constitted by the microcontroller AT89S52 SCM control behind the LCD circuit, the final voltage value i

4、n digital form, the current the value of intuitive display out.Key words: energy supply，voltage regulator，steady flow，SCM 目 录III目目 录录摘 要.ABSTRACT .II目 录.第一章 绪论.11.1 课题的背景和意义.11.2 设计过程工艺要求.11.3 国内外的研究现状.2第二章 稳压电路系统方案论证.3第三章 稳流电路系统设计方案.6第四章 系统总体设计原理框图.94.1 稳定电源工作原理和整体电路.104.1.1 稳压部分的工作原理.104.1.2 稳流部分的

5、工作原理.10第五章 硬件单元电路设计.125.1 整流电路.125.2 滤波电路.145.3 稳压电路.175.4 稳流电路.205.5 单元电路的参数选择与计算.25第六章 外围显示电路的设计.276.1 单片机主控电路.276.2 A/D 转换电路.376.3 液晶显示电路.38第七章 系统软件设计.39结论.40参考文献.41致谢及声明.42附录 软件编程.43第一章 绪 论- 1 -第一章第一章 绪论绪论1.1 课题的背景和意义课题的背景和意义伴随着现代科学技术的不断发展，多种多样的电子设备、电气设备已经广泛应用于教育、科研、生活等各个方面，电源是所有电子设备中必不可少的基础部分，需

6、求在逐渐增加，作为电子设备的供电部分，对其稳定性、可靠性、实用性也有更高的指标。对于电源的设计开发已经发展为一项新的技术，推动了科学技术的发展。越来越多的电子产品充斥着生活中的各个部分，我们对电子产品的依赖也越来越深，而更多的问题也逐渐突出，因为各种电子产品离不开驱动电源，所以驱动电源成为必不可少的一部分，对于其指标要求也更高、更专业化。本设计有两个部分组成，一是稳压电源，一是稳流电源。稳压电源采用线性整流滤波再通过可调式集成稳压器件 LM317 稳压来达到稳压目的；稳流电源利用三极管的输出特性设计稳流电源。1.2 设计过程工艺要求设计过程工艺要求1稳压电源条件：输入 220v、50Hz 正弦

7、交流电，电压变化范围+15%-20%。（1）输出直流电压调节范围为 912V；（2）最大输出电流为 1.5A； （3）电压调整率0.2%（输入 220v、50Hz 交流电，电压变化范围+15%-20%，满载） ； （4）负载调整率1%（最低输入电压下，空载到满载） ； （5）纹波电压（峰-峰值）5mV（最低输入电压下，空载到满载） ； （6）效率40%（输出电压 9V、输入电压 220V，满载） ； （7）具有过滤及短路保护功能。第一章 绪 论- 2 -2稳流电源条件：输入电压固定为直流 12V。（1）输出电流 420mA 可调； （2）负载调整率1%（输入电压 12V、负载电阻由 20030

8、0 变化，输出电流为 20 mA 时的相对变化率） ；3扩充功能 （1）排除短路故障后，自动恢复为正常状态； （2）过热保护； （3）防止开、关机时产生的“过冲” 。1.3 国内外的研究现状国内外的研究现状随着科学技术的发展，电子产品的更新换代速度更是快速，但几乎所有的电子产品都需要稳定的直流电作为驱动电源，现在国内主要有两大类驱动电源，开关驱动电源和线性驱动电源。其中线性驱动电源又可称做串联式调整驱动电源，它的输出波纹比较小，稳压效果也好，但是也存在一些缺点，重量体积都比较大。而开关驱动电源的重量轻，体积小，效率很高，存在的缺点是电磁干扰大，波纹也比较大。第二章 稳压电路系统方案论证- 3

9、-第二章第二章 稳压电路系统方案论证稳压电路系统方案论证方案一：集成三端稳压块 78xx 系列稳压电路 如图 2.1 所示，利用指标性能都完善的集成三端稳压块 78xx 系列稳压，本身就具备过流短路保护。输出电压 U。=9+Vd=9+n*0.75V。通过改变该电路的二极管数量即可得到所要的输出电压。缺点是不方便调节输出电压，对 9-12V之间的固定电压比较适应。图 2 .1方案二：串联型线性稳压电源该方案利用降压器变压得到合适电压，再通过整流、滤波电路，将交流电转变成直流电，最后通过可调式的集成稳压器件 LM317 芯片的稳压得到较稳定的输出电压。可调式集成稳压器 LM317，如果输入电压固定

10、，它能该电压差范围内调节输出电压。这种电路的特点是：电路比较简单，很容易调试，另一个优点就是经过线性稳压电源整流出的电压纹波比较小；不仅如此，该稳压电源的效率约为 40%-65%左右。稳压流程图如下所示第二章 稳压电路系统方案论证- 4 -变压器整流交流电220V/50HZ稳压方案三：利用单极开关稳压电源该方案由 220V 交流降压整流后经过开关电源输出，但此方案所产生的直流电压纹波大，在以后的几级电路中很难抑制掉，很有可能造成设计的失败和超出题目所要求的技术性能指标。方案四：简单的并联型稳压电源此方案由 220V 的交流电降压后在经过整流电路整流后，将并联的稳压源的调整器件和负载并联，所以有

11、很低的输出电阻，电路动态特性很好，而且电路简单，并且有电路自动保护功能；当负载发生短路故障时调整管截止，因而可靠性高，但是缺点是效率低，特别是在弱电流时调整管需要承受很大的电流，损耗变大，所以此方案不可靠。最后，我采用了第二种设计方案，利用 LM317 稳压芯片来设计直流稳压电路，因为此方案比较简单，只需要两个电阻在芯片外按特定方式连接起来就可以调整输出电压。除此之外，该芯片的负载调整率以及线性调整率都比固定的稳压器件好。LM117/LM317 内部含有过载保护等多种保护电路。一般来说 LM117/LM317 可以不用外接电容，如果输入的滤波电容到 LM117/LM317 输入端口的连线大于

12、6 英寸（约 14 厘米） 。采用输出电容能改变其电路的瞬态响应。如果调整端口采用滤波电容能得到纹波抑制比要比标准的三端稳压器高的多。LM317 系列的稳压器件能输出可调且连续的正电压，范围为 1.237V，输出电流最大为 1.5A。所以满足设计的需求。下图中的 R1，R2，以及电位器 Rp构成了电压输出的调节电路，其中电容 C1 为滤波电容，电容 C2 和电位器采用并联方式构成了输出滤波电容，减小了输出端口的纹波电压。二极管 D5 是防止输出端与大地发生短路现象时时，电容 C2 两端的电压会损坏稳压器。滤波第二章 稳压电路系统方案论证- 5 -LM317 集成稳压电路电路图如 2-2：图 2

13、-2 LM317 集成稳压电路电路图第三章 稳流电路系统方案论证- 6 -第三章第三章 稳流电路系统设计方案稳流电路系统设计方案方案一： 用 LM7812 三端稳压器来设计稳流电源固定式 LM7812 三端稳压电源的组成包括输出引脚 Vo,输入引脚 Vi 和接地端口 GND 组成,其稳压值为+12V,归类为 LM78xx 系列的稳压器,它的输入端口可以外接电容，进一步的提升滤波效果,把电容接到电路输出端可以改变负载的瞬态响应,电路的稳定性也会提高,只能采用漏电流比较小的钽电容,而不能采用电解电容，因为它的电容量要比其它的电容大十倍，不能调节输出稳定的直流电源;所以此方案不可靠.方案二：用 TL

14、431 来设计稳流电源（上一方案的改进型）该方案中温流电源的固定电压是由 LM7812 三端稳压器提供的，通过电位器和调整管 9013 的配合即可得到符合要求的温流电源。TL431 芯片内部有2.5V 的基准参考电压源和一个高增益的比较放大器（66dB） ，参考端典型电流值为 1.8uA。 ，利用采样电阻 Rw 和 R1 将采样电压和芯片内部的基准电压作比较，它的误差电压先进行放大，再去控制调整管 9013 的输出电流，这样就把采样电压稳定在了基准电压附近，进而获得了稳定的电流。电路如 3-1 所示。方案三：利用三极管的输出特性作为稳流电路的设计方案电路如图 3-2，D1，D2,R1 用来构成

15、三极管 T 的偏置稳压电路，通过二极管的稳压效果，三极管 T 能输出稳定的偏执电流 Ib，三极管 T 的集电极电流为Io=Ic=Ib。其中 Ic 的值不会因负载电阻的变化和输入电压而受到影响。该三极管工作在放大区，也就是线性区。此方案组成简单，所需的原器件比较小，当满足输入电压为 12V 时，输出的可调电流范围为 4-20mA，也满足负载调整率为 1%的要求。第三章 稳流电路系统方案论证- 7 -图 3-1 方案二电路图 图 3-2 稳流电路第三章 稳流电路系统方案论证- 8 -方案四：利用 LM317 芯片来设计稳流电路电路如下图 3-3图 3-3 LM317 集成稳流电路最后我决定采用第三

16、种设计方案，即采用电阻，二极管，三极管 2SC1815来制作稳流电源，主要是该电路结构简单，所需原器件比较小，安全可靠，又能达到题目所需要的设计要求。第四章 系统总体设计框图- 9 -第四章第四章 系统总体设计框图系统总体设计框图总体设计流程图如 4-1 所示图 4-1 整机设计流程图第四章 系统总体设计框图- 10 -4.1 稳定电源稳定电源的工作原理和整体电路的工作原理和整体电路最终经过方案反复论证，我决定采用下面的电路制作稳流稳压电源，如图4-2 所示。 图 4-2 整体设计的电路4.1.1 稳压部分的工作原理稳压部分的工作原理本稳压电路采用了 LM317 芯片构成了可调节的稳压电路，首

17、先先将 220V交流电经降压变压器的到 15V 的交流电压，再经过全波桥式整流电路输出脉动的直流电压，再经滤波电容后得到波纹较小的直流电压，最后再经过 LM317稳压器件得到稳定的 1.25V 带隙电压，再凭 R1 固定电流，用 Rp，R2 调节输出端的电压值，最后便可以得到输出可调的稳定电压了。4.1.2 稳流部分的工作原理稳流部分的工作原理该电路利用上一级产生的稳定的 12 v 电压转变成 4-20mA 比较稳定的输出电流。通过稳压源供电，并利用三极管的输出特性，其中的 D6,D7,R4 组成了第四章 系统总体设计框图- 11 -三极管的偏置稳压电路，再通过二极管的稳压效果便可以得到稳定的

18、偏置电流Ib，集电极电流也是稳定的，Ic=Ib,从而负载电阻和输入电压不会影响集电极电流，最后便得到了稳定的而且可以调节的输出电流。第五章 硬件单元电路的设计- 12 -第五章第五章 硬件单元电路设计硬件单元电路设计5.1 整流电路整流电路整流电路作用：该电路的主要功能就是把上下波动的直流电信号转变成稳定的直流电信号。整流电路、变压器、滤波电路等组成了整流电路的基本部分。它在发电机的励磁调节、直流电动机的调速、电镀以及电解等场合应用的很广泛。主电路、滤波器和变压器为整流电路的主要部分。其中主电路一般都会采用硅二极管以及晶闸管等构成。负载和主电路之间连接起了滤波电路，该电路的功能就是完成交流电转

19、变成直流电。变压器是将大幅的的交流电降压为小幅的交流电，以便后面的整流滤波电路能够输出匹配的直流信号，变压器另一个功能是实现了交流和整流两者之间的电隔离。整流电路的基本形式可分为三种即半波整流、桥式整流和全波整流，除此之外倍压整流这种形式的电路通常整流其他的交流信号，例如发光二极管里面的电平显示电路就是用该整流电路对特殊音频信号的处理。 整流电路它所输出的脉动单向直流电的性质有差别，其中半波整流这种电路所输出的电压值仅有 0.5 周，因此单向的直流电仍然是 50Hz，所以它输入的交流电的频率为50Hz，而半波整流这种形式的电路是去掉了交流电的半周，并没有改变该信号中的交流成分的频率；桥式和全波

20、整流电路相同，相同之处就是都采用了交流电信号电压的正负半周并且将该信号的频率增大到了 100HZ，因而这种单向的脉动性直流电压中的交流成分主要是 100Hz 的，因为在整流后的信号都是同一个极性，相比原来的交流信号频率增加了一倍，其优点是增强了滤波电路的滤波效果。其中在电源电路里的三种整流电路形式里面，对于全波整流电路来说，它要求变压器的次级线圈要有抽头，另外两种整流电路对抽头没有要求。除此之外，桥式整流电路用到了四个二极管，相比全波整流电路多了两个二极管，而半波整流电路只有一个二极管。依据上述两个特点，可以很方便的分出三种整流电路的类型，要想准确的认出该整流电路的形式，就需要采用变压器有无抽

21、头的方法，这样就能准确无误的分辨出此电路的类型。在半波整流电路里，如果二极管处于截止状态时，那么交流电的峰值会全部加在二极管的两端，容第五章 硬件单元电路的设计- 13 -易把二极管烧坏。对于全波整流电路来说也会是这样，一个二极管截止，另一个处于导通状态，交流电的峰值也会加在二极管两端，也容易烧坏二极管。不论是半波整流电路还是全波整流电路，这两种形式的电路对于二极管能承受反向电压的能力要求很高。而对桥式整流电路对本电路中的整流二极管所能承受的反向峰值的电压能力要求相对比较低，因为当两个二极管处于导通状态，另外两个二极管处于截止状态时，它们采用串联方式连接起来时所承受的反向峰值电压，是在每个二极

22、管的两端有反向峰值电压的 0.5 倍。如果对对输出的直流电压有相同要求时，对于全波整流电路而言，其电源变压器的次级线圈抽头到上、下两端的交流电压值会相等，并且等于桥式整流电路里面的电源变压器次级线圈的输出电压，因而在全波整流电路中的电源变压器等于环绕了两组次级线圈。在桥式以及全波整流电路中，他们都把输入的交流电压负半周转变成正半周或者把正半周转变成负半周，这点跟半波整流电路不相同，半波整流电路中，是将输入交流电压的一个半周去掉。在整流电路中，所输入的交流电压的峰值远大于二极管的导通的压降，因此可以把整流二极管的管压降忽略掉。对于倍压整流电路而言，该电路的优点是能输出很大的直流电，但是其缺点就是

23、输出能力很差，所以这种电路具有弱电流，强电压的输出特性。一般利用二极管的单向导电特性来分析上述的整流电路，该电路所输入的交流电压给整流二极管提供了导通电压。 5-1 半波整流电路第五章 硬件单元电路的设计- 14 - 5-2 全波整流电路 5-3 桥式整流电路5.2 滤波电路滤波电路 滤波电路的作用为：滤波电路是用来最大限度的的减小脉动的直流电压里面的交流部分，而保留其中的直流分量，最终使其输出的电压纹波系数变低，从而使波形变得更趋于平滑。在信号处理中，滤波是一个重要概念。滤波可以分为现代滤波以及经典滤波。其中经典滤波的概念，是在傅里叶变换和分析的基础上所提出的一个工程概念。依据高等数学的理论

24、，任意满足特定条件的信号，都可以把它们看做是第五章 硬件单元电路的设计- 15 -由无数正弦波信号所叠加而来的。那么换句话说，所有不同频率的正弦波通过线性叠加而组成了工程信号。其中所组成的信号的不同的频率的正弦波称作谐波成分信号或者频率成分。而只能允许特定频率范围内的信号或成分正常通过，并且阻止其它的部分频率通过的电路，通常称作为经典滤波器或滤波电路。滤波电路的工作原理：当流过电感里面的电流变化的时候，其线圈里产生的感生电动势定会阻止电流的变化。如果电感线圈里的电流逐渐变大时，其线圈里产生的自感电动势必定跟电流的方向相反，就会阻止电流的增加，与此同时将其中的部分电能转变为磁场能量存储在了电感里

25、；如果通过电感线圈里的电流值变小，那么自感电动势必定跟电流的方向相同，将会阻止电流的减小，然后释放出它所存储的能量，以此补偿电流的减小。所以通过电感滤波作用后，负载电流以及电压的脉动成分都会减小，波形也会变得平滑，并且整流二极管的导通角也会增大。如果电感线圈不变，负载电阻愈小，那么输出的电压的交流分量会愈小。只有当 RLL 时才能获得、取好的滤波效果。其中 L 愈大，滤波效果会愈好。另外，因滤波电感电动势的作用，会使二极管的导通角接近于 ，减小了二极管中的冲击电流，从而平滑了流过二极管中的电流，最终会延长整流二极管的寿命。其中常用的滤波电路分为无源滤波跟有源滤波两个大类。如果滤波电路里的元件仅

26、仅由无源的器件（即电阻、电感、电容）构成，那么称为无源滤波电路。无源滤波电路一般分为电容滤波电路、复式滤波电路和电感滤波电路(其中包括倒 L 型、LC 型滤波、LC 滤波和 RC 型滤波等电路)。如果滤波电路不仅是由无源元器件，还存在有源器件（即双极型管、集成运放、单极型管）构成，那么称为有源的滤波电路。其中有源的滤波电路的主要形式为有源 RC 滤波电路，也称做电子滤波器。其中无源滤波电路的电路结构相对比较简单，便于设计，但是它的通带放大倍数以及截止频率都会因负载的变化而变化，所以不适用于对信号处理要求高的场景。其中无源滤波电路一般用在功率较大的电路中，例如直流电源整流后的滤波电路，以及大电流

27、负载时所采用的 LC（即电容、电感）电路滤波电路。第五章 硬件单元电路的设计- 16 -对于有源滤波电路，负载不会影响该电路中的滤波特性，所以本电路一般用于对信号处理要求不是很高的场景。其中有源滤波电路它一般是由 RC 网络跟集成运放所构成的，因此必须要在合适的直流的电源供电的场合下才能正常使用，还存在放大作用。可是电路的构成以及电路的设计都相对复杂。有源滤波电路一般不能适用于高电压大电流的电路场合，它只能适用于信号处理电路。依据滤波器的特点可以知道，依据电压放大倍数的幅频特性能够准确的判别该电路是属于低通、高通、带通、带阻滤波器，所以如果能够定性的分析出阻带和通带是处于哪一个频率段，就能够确

28、定出滤波器的类型。分辨滤波器的办法为：如果信号频率接近零时有特定的电压放大倍数，而且信号频率也接近无穷大时，它的电压放大倍数趋近零，那么就是低通滤波器；反之，如果信号的频率接近无穷大时有确定的电压放大倍数，并且当信号频率趋于零时其电压放大倍数趋于零，则称作高通滤波器；如果信号频率接近零和无穷大时的电压放大倍数均都接近零，那么为带通滤波器；反之，如果信号的频率接近零以及无穷大时电压放大倍数同时有相同的确定值，并且在某一频率的范围中电压的放大倍数接近零，那么为带阻滤波器。稳定电源的第一级功能便是整流滤波电路，它的主要作用是把220V，50HZ 的交流电经过整流滤波电路后变为不是很平滑的直流电压，在

29、本设计中的电路采用了容性负载式整流电路。电路如图 5-4 所指。第五章 硬件单元电路的设计- 17 -图 5-4 整流滤波电路图本设计中的电路为桥式整流电路，220V/12V 降压变压器将交流电转变成合适的交流输入电压，四个二极管组成了桥式整流电路，并采用 2200/25V 的F电解电容作为滤波电容。5.3 稳压电路稳压电路稳压电路又叫做集成稳压器，作用是把不稳定的直流电转变成稳定的直流电压，由分立元件构成的稳压源，具有适应性强、输出功率大的特点，缺点是稳定性不高，因为应用范围受到了限制，现今集成式的稳压电源已经得到了广泛的应用，作为小功率的稳压源中的三端式串联型稳压器件应用最为广泛，集成的稳

30、压器件一般分为开关稳压型和线性稳压型，线性稳压器件还分为一般压差集成的稳压器和低压差稳压器；开关型集成稳压器包括升压型集成稳压器、降压型集成稳压器，输入与输出极性相反的集成稳压器。集成稳压器的使用有着多重要求，一，使用它时，要焊接的牢固稳定。对一般的要求增加散热装置的，那么必须加装符合尺寸要求的散热装置。二，为了能扩大输出的电流，要使三端集成稳压器允许并联使用。三，保证输出电压的稳定性，应确保最小输人输出电压差。例如三端集成稳压器的最小电压差约第五章 硬件单元电路的设计- 18 -为 2v，一般使用时的压差应该保持在 3v 以上。还有就是注意最大输人输出输入电压差范围不能超出规定的范围。四，在

31、接人电路之前，确保要分清引脚及它们的作用，避免接错线路时损坏集成块。输出的电压大于 6v 的三端集成稳压器的输人、输出端一般需接保护二极管，这样可以防止输入的电压突然降低到一个很小值时，输出的电容能迅速放电并引起三端集成稳压器的损坏。五，集成稳压器的品种很繁多，其中从调整方式上有线性的，以及开关式的；而从输出方式分类上有固定和可调式的。所以三端稳压器优点是使用操作都很方便，选用时应该优先考虑。集成稳压器按照出线端子的多少大体可以分为多端可调式、二端可调式和三端固定式和单片开关式等多种。多端可调式属于早期的集成稳压器产品，它的输出功率较小，引出端子多，使用不是很方便，但是它的精度高，价格而且便宜

32、。二端的固定式集成稳压器是把补偿电容、取样电阻、保护电路、大功率调整管等元器件都集成在同一个芯片上，使整个集成电路中只有输人、输出以及公共端 3 个引出端，它的使用非常方便简单，因此获得了广泛应用。但是它的缺点为输出电压固定，因此必须制造各种电流规格、输出电压的系列产品，其代表产品是 78xx 和 79xx。三端的可调式集成稳压器使用简单方便，只需外接两个电阻即可获得各种各样的输出电压。产品有 lm317/lm337 等。开关式的集成稳压源是近几年发展来的一种稳压源，它的效率特别高。其工作原理和上面的 3 种类型稳压器有所不同 ，它是由直流电变交流电（高频） ，然后变直流电的变换器。一般有脉冲

33、宽度调制跟脉冲频率调制两种，它输出电压是可调的。 其中以 an5900，ha17524，tlj494 等为代表系列，其中目前它们广泛应用在电视机、微机、测量仪器等各种设备中。LM317 是一种输出电压可以调节的集成三端稳压芯片，具有使用方便、应用广泛等优点。317 系列的稳压芯片的型号有很多：比如 LM317HVH、W317L等。其中稳压电源的输出电压可以用下面的公式计算，即 Vo=1.25（1+R2/R1） 。从该公式看，R1、R2 的阻值是能够随便设定的。但是作为稳压电源输出电压的计算公式而言，这两个电阻值是不能随便设定的。317 稳压芯片的输出电压的变化范围为 Vo=1.25V37V（其

34、中高输出电压的 317 稳压芯片比如第五章 硬件单元电路的设计- 19 -LM317HVA 等，它们的输出电压变化范围为 Vo=1.25V45V） ，因此 R2/R1 的比值区间只能是 028.6。再者 317 稳压芯片一般都会有一个最小的稳定工作电流，也称作最小输出电流，或叫做最小泄放电流。其中最小的稳定工作电流一般而言是 1.5mA。但是因为 317 稳压块芯片的生产厂家不同以及型号也不尽不同，它们的最小稳定工作电流也不同，但通常不会大于 5mA。如果 317 稳压芯片所输出的电流值小于其最小稳定的工作电流，317 稳压芯片的工作就会不正常。若 317 稳压芯片的输出电流大于它的最小稳定工

35、作电流，317 稳压芯片就能够输出比较稳定的直流电压。使用 317 稳压芯片制作稳压源时，如果没注意到 317 稳压芯片的最小稳定工作电流，最终你所做的稳压源就可能出现以下不正常的问题：稳压源所输出的空载电压跟有载电压差别会比较大。因此在实际的应用时，为了是电路能稳定的工作，通常情况，还要接个二极管用来作保护电路，防止电路中的电容放电，把芯片烧坏。LM317 是可调的 3 端正电压稳压器，当输出电压为 1.2V 至 37V 时它能够提供超过 1.5 安的电流，因此该稳压器易于使用。其特性主要有，一，具有调整管安全工作区保护功能；二，过流、过热保护；三，输出短路保护；四，可调整输出电压低到 1.

36、2V，保证 1.5A 输出电流；五，典型线性调整率 0.01%，典型负载调整率 0.1%。将整流滤波电路与可调集成稳压芯片 LM317 线性连接成为稳压电路，其中的 Rp，R1，R2 用来调节电压，电路如下图 5-5 所指。第五章 硬件单元电路的设计- 20 - 图 5-5 稳压电路5.4 稳流电路稳流电路该电路利用上一级产生的稳定的 12V 电压转变成 4-20mA 比较稳定的输出电流。通过稳压源供电，并利用三极管的输出特性，其中的 D6,D7,R4 组成了三极管的偏置稳压电路，再通过二极管的稳压效果便可以得到稳定的偏置电流Ib，集电极电流也是稳定的，Ic=Ib,从而负载电阻和输入电压不会影

37、响集电极电流，最后便得到了稳定的而且可以调节的输出电流。下面介绍下稳流电路中所用到的三极管及其的相关特性以及选取时注意的事项首先，三极管的输人特性 如果 Uce的值不变时，输入回路里面的电压 Ube和电流 IB间的关系曲线叫做输入特性， 如果 Uce=0，通过三极管的输入回路来看，发射极跟基极间类似于两个 PN 结即集电结与发射结)的并联，图 (b)所示。因此，如果 b、e 两端有正向的电压时，那么三极管的输入特性就是两个二极管采取并联连接方式后的正向伏安特性曲线， 当 Uce=0 时，图 a 为三极管的输入回路。 第五章 硬件单元电路的设计- 21 -当 Uce大于 Ube，此时三极管发射结

38、处于正向偏置状态，集电结处于反向偏置状态，此时三极管具有放大作用。而且发射区所发散出的电子只有一部分在基区跟空穴结合，成为电流，大多数的电子都流向集电极，转变成为电流。因此，跟 Uce=0 时相比较，在 Ube相同的情况下，电流会变的更小，导致输入特性曲线右移，如图 1 中右边一条曲线。如果 Uce变得更大时，那么输入特性曲线应继续右移。然而，如果增大到某一数值(比如 1V )后，在特定的的 Ube下，集电极两端的反向偏置电压能够把基极电子全部收集到集电极，纵使 Uce继续变大，的减小量也会很小。所以，当超过某一数值后，不同的 Uce输入特性曲线会变得很密集，将近重合在起，因此，通常采用 Uc

39、e大于 1V 时的这条输入特性曲线(比如 Uce2V 时)用来代表 Uce更加高的场合。一般在实际情况下 Uce一般大于 0，所以大于 1V的情况更加实际。其输入特性图如图 5-6 所示。第五章 硬件单元电路的设计- 22 - 图 5-6 输入特性图:其次，三极管的输出特性 如果不变化，那么输出回路里面的电压 UCE跟电流间的关系曲线称作输出特性。其中输出特性曲线，能够划分成三个区域：即截止区、饱和区以及放大区。输出特性图如图 5-7 所示，下面对这三个区做具体介绍。 第五章 硬件单元电路的设计- 23 -图 5-7 三极管的输出特性图 1.1. 截止区截止区通常把 Ib 小于等于 0 的区域

40、叫做截止区，在上面的图中即0 的一条曲线下面的区域此时集电结跟发射结都是反向偏置的，的值接近为零。由于三极管的各集电极电流都是 0，所以此时处于截止状态，不存在放大作用。然而如果=0 时，集电极中回路的电流值不是真正的为零，而是存在一个很小的穿透电流即。通常硅三极管的穿透电流值很小，一般小于 1A，因此在输出持性曲线上没法描述出来。而锗三极管的穿透电流相对来说较大，大约为几十到几百微安。可以看做如果发射结处于反向偏置状态时，发射区不会再向基区投入电子，那么此时三极管就处在了截止状态。因此，处在截止区时，三极管的集电结跟发射结都处在反向的偏置状态。2饱和区饱和区在上图中靠近纵坐标的区域，每条输出

41、特性曲线的上升部分都是三极管的饱和区，如图中纵坐标附近区域虚线左方的部分。在该区域，不同的电流 IB的值的各条特性曲线将近重叠在了块。即如果此时 UCE比较小时，三极管里的第五章 硬件单元电路的设计- 24 -电流 IC基本上不会因基极电流 IB的值变化而变化，通常把这种现象叫做饱和。处在饱和区时，三极管此时没有放大作用，就不能用放大区里的来讲述 IB和IC的关系。一般来说，如果 Uce=Ube，也就是 UCB0 时，三极管此时达到了临界的饱和状态。如果 Uce小于 Ube，那么称作过饱和。三极管处于饱和状态时，其管压降用 UCES来表示，通常小功率的硅三极管饱和状态时的管压降 UCES小于0

42、.4V。当三极管工作在饱和区时，集电结和发射结都处于正向的偏置状态。3放大区放大区放大区中，每条输出特性曲线都相对平坦，将近为水平的直线，即如果 Ib一定，那么 Ic的值就不会不随 Uce的变化而变化。然而当基极的电流有个微小变化量即时，那么集电极电流会得到一个较大的电流变化，比放大BIcIBI了倍， 共射接法 共基接法 该公式即表现出了三极管的电流放大作用。在放大区中，三极管发射极处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。上述介绍了三极管的输出特性和输入特性。选用三极管时组要是根据其输第五章 硬件单元电路的设计- 25 -入特性跟输出特性。不同型号的三极管的特性曲线都能从半导体手册中查询到

43、。如果想测试某个特定三极管的特性曲线，不仅可以逐点测试，还能利用专用的的晶体管特性图示仪来测试，因为它能在荧光屏上显示出三极管的特性曲线。5.5 单元电路的主要参数选择与计算单元电路的主要参数选择与计算（公式 1）（公式 2）（公式 3）（公式 4） 1选取二极管 （公式5）电流的平均值： （公式6） 能承受的最高反向电压 （公式7）选二极管需满足：IF (2 3) ID （公式8）可选：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流桥，该电路中选取 2A、100V 的整流桥，可以满足设计要求。2. 选取滤波电容L2OD45. 0RUII2RM2UUV 5

44、 .122 . 1152 . 1O2UUA 0.37520 15212121LOODRUIIV 2422RMUU2RM2UU 0 2O)(d)sin(221ttUU245. 0U)sin(222tUu第五章 硬件单元电路的设计- 26 - （公式 9） （公式 10）次级输出交流电压为 15V，电容 C 的耐压值15（1+15%） 1.414=24.39V本设计选：2200 F，耐压 50 V 的电解电容作为滤波电容。3电位器和稳压源电阻的选取 Uo = 1.25 1+ (R2+Rp1）/R1 （公式11)根据要求的输出直流电压 UO max= 12（V） ，利用公式 11 便得到 UO mi

45、n= 9（V）Rp1=0 时， 9 = 1.251+ (R2+0）/R1 当 Rp1 取最大值时， 12 = 1.251+ (R2+Rp1max）/R1 一般选取 R1=240可得： R2 = 1488 取 R2 = 1.5K Rp1 = 576 取 Rp1= 680s 02. 05011fTs 04. 024 LTCR取F 0001 40s 0.04 C第六章 外围数字显示电路的设计- 27 -第六章 外围数字显示电路的设计6.1 单片机主控电路设计主控电路就是一个 51 系列单片机的最小系统，单片机选用的 AT89S52，主控电路图如图 6.1 所示。AT89S52 的参数：（1）可以与

46、MCS-52 产品指令系统可以完全兼容；（2）内置了 4K 字节得可以重复擦写的 Flash 闪存存储器；（3）擦写周期为 1000 次；（4）可以全静态操作的频率范围是：0hz-24hz；（5）内置了可以三级加密的程序存储器；（6）1288 字节内部 RAM，可编辑空间大；（7）还含有 32 个可编程的 I/O 口接线；（8） 还有 2 个 16 位的定时/计数器；（9）内置了 6 个中断源；（10）还有可编程串行的 UART 通道；（11）还具有低功耗空闲和掉电模式的功能。 AT89S52 的内部参数：1、内部的程序存储器（FLASH）大小是 4K 字节；2、外部的程序存储器（ROM）大小

47、是 64K 字节；3、内部的数据存储器（RAM）大小是 256 K 字节；4、外部的数据存储器（RAM）大小是 64K 字节。第六章 外围数字显示电路的设计- 28 -图 6.1 单片机主控电路GNDVCCSW110KR1VCCGND10uFC312Y112M30pFC430pFC5GND1234567816151413121110910KR2P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.789s52小小小小小小1P1.02P1.13P1.24P1.35P1.46P1.57P1.68P1.79RST10P3.011P3.112P3.213P3.314P3.415P3.516P3

48、.617P3.718XTAL219XTAL120GND21P2.022P2.123P2.224P2.325P2.426P2.527P2.628P2.729NA30ALE31EX_LVD32P0.733P0.634P0.535P0.436P0.337P0.238P0.139P0.040VCC89s52*Component_1VCC第六章 外围数字显示电路的设计- 29 -本课题采用 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机作为控制系统的核心。AT89S52 是一个低功耗、高性能 CMOS 8 位单片机，引脚图如图 6.2 所示。图 6.2 AT89S52 引脚图1.主要功能特性：兼容 MCS-

49、51 指令系统；32 个双向 I/O 口；3 个 16 位可编程定时/计数器；全双工 UART 串行中断口线；2 个外部中断源；中断唤醒省电模式；看门狗（WDT）电路；灵活的 ISP 字节和分页编程；8k 可反复摖写（1000 次）ISP Flash ROM；4.5-5.5V 工作电压；P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728P3.0/RX D10P3.1/TX D11P3.2/INT 012P3.3/INT 113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16p3.7/RD17XT AL118XT AL219RST9VC C40

50、P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732EA /VPP31PSE N29P1.78P1.67P1.56P1.45P1.34P1.23P1.12P1.01AT 89S52AL E/PR OG30GN D20第六章 外围数字显示电路的设计- 30 -时钟频率 0-33MHz；2568bit 内部 RAM；低功耗空闲和省电模式；3 级加密位；软件设置空闲和省电功能；双数据寄存器指针。AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电

51、模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP、和 PLCC 三种封装式，以适应不同产品的需求。2.引脚功能说明(1)主电源引脚VCC：+5V 电源端GND：接地端(2)输入/输出引脚P0 端口(P0.0P0.7)：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 可用作多路复用的低字节地址/数据总线。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在对 flash 存储器行编程时，P0口用于接收指令字节

52、；在程序校验时，输出指令字节；这时需要外部上拉电阻。P1 端口(P1.0P1.7)：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作输为入使用时，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流 IIL。此外，P1.0 和 P1.1 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入第六章 外围数字显示电路的设计- 31 -（P1.1/T2EX） ，具体如表 7.2 所示。在 flash 编程和校验时，P1 口接收低 8

53、位地址字节。表 3.1 P1 端口第二功能口线第二功能信号名称P1.0T2定时器/计数器 T2 的外部计数输入，时钟输出P1.1T2EX定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制P1.5MOSI在系统编程用P1.6MISO在系统编程用P1.7SCK在系统编程用P2 端口：P2 口也是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流 IIL。在访问外部程序存储器或用 16 位地读取外部数据存储器（

54、例如执行 MOVXDPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器内容。在 flash 编程和校验时，P2口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 端口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被输入信号拉低的引脚由于内部上拉电阻的原因，将输出电流 IIL。P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用

55、，如表 6.3 所示。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。第六章 外围数字显示电路的设计- 32 -表 6.3 P3 端口第二功能口线第二功能信号名称P3.0RXD串行输入P3.1TXD串行输出P3.2INT0外部中断 0P3.3INT1外部中断 1P3.4T0定时器 0 外部输入P3.5T1定时器 1 外部输入P3.6WR外部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通(3)控制信号引脚RST：复位输入端。晶振工作时，RST 引脚的输入高电平有 2 个机器周期就会对单片机复位。看门狗计时完成后，RST 引脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR(地址

56、8EH)上的 DISRTO 位可以使此功能无效。DISRTO 默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址锁存控制信号。存取外部程序存储器时，这个输出信号PROG用于锁存低 8 位地址。在对 flash 存储器编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用作外PROG部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，会跳过一个 ALE 脉冲。在需要时，可以将地址为 8EH 的 SFR 寄存器的第 0 位置为“1” ，从而屏蔽 ALE 的工作。而只有在 MOVX 或 MOVC 指令执行时 ALE 才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对

57、 ALE 屏蔽位置“1”并不起作用。：外部程序存储器选通信号。当 AT89S52 从外部程序存储器执行外PSEN部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN的两次激活会被跳过。PSEN第六章 外围数字显示电路的设计- 33 -/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 FFFFH 的外EA部程序存储器读取指令，必须接 GND。为了执行内部程序指令，应该EAEA接 VCC。在 flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电压。(4)振荡器引脚XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.时

58、钟电路及复位电路AT89S52 中有一个构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是该放大器的输入和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图 3.2 a 图所示。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容 C1，C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外电容 C1，C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作稳定性、起振的难易程度及温度的稳定性。如果使用石英晶体，电容使用 30pFl0pF，如果使用陶瓷谐振器，电容使用 40pFl0pF。用户也可以使用外部时钟。采用外部时钟的电路

59、如图 3.2 b 图所示。在这种情况下，外部时钟脉接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2端悬空。由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的额定要求。第六章 外围数字显示电路的设计- 34 -本课题用到的晶振频率为 12MHz。本课题所用的时钟电路如图 6.4 a 图所示。a 内部振荡电路 b 外部振荡电路图 6.4 AT89S52 振荡电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是将程序计数器 PC 初始化为0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序

60、。在运行中，外界干扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或跑飞。为摆脱困境，可将单片机复位，以重新启动。复位也使单片机退出低功耗工作方式而进入正常工作状态。RST 引脚是复位信号的输入端，高电平有效。其有效时间应持续 24 个振荡周期(即两个机器周期)以上。振荡周期就是晶振的振荡周期。a 传统复位电路 b 改进复位电路图 6.5 复位电路图从原理上讲，一般采用上电复位电路。这种电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于时短路，于是 RESET 引脚上为高电平，然后电源通过电阻对电容充电，RESET 端电压慢慢下降，降到一定程度，即为低电平，单片机开始XT AL2XT AL1GN DXT AL2X