数字式可调稳压电源

1、 . . . 职业技术学院电子信息系毕业论文 数字式可调稳压电源 学生： 王文婷 学 号： 0902030213 专 业：应用电子技术 年 级： 0902班 指导老师： 王大为 15 / 18摘 要数字式可调稳压电源由于原理简单、稳定性好、精度高、成本低、易实现等诸多优点而受到越来越广泛的重视。其性能优于传统的可调直流稳压电源 ，操作方便 ，非常适合一般教学和科研使用。本文通过对一个数控稳压电源系统的设计，详细介绍了AT89S52 单片机应用中的键盘扫描原理、数码管动态显示原理、定时中断原理,同时还介绍了利用PCB板的设计制作。系统由模拟电源、控制电路、数模转换电路、放大电路、显示电路等部分构

2、成，能输出0V24V电压围，步进值为0.1V的直流电源，并且具有掉电存储等功能。首先，本文将概述数字式可调稳压电源的基本原理。其次，本文将详述数字式可调稳压电源系统的硬件电路设计。最后，本文将介绍数字式可调稳压电源系统的软件设计。 关键词：单片机；直流稳压；PCB板的设计制作目录1 绪论12 数字式可调稳压电源原理介绍22.1 单片机AT89S52介绍22.2 矩阵式键盘扫描原理32.3 数码管动态显示原理43 数字式可调稳压电源硬件电路设计53.1稳压电源数字部分电路53.1.1 单片机外围接口电路53.1.2 数字部分电路PCB设计73.2 稳压电源模拟部分电路73.2.1 电源部分电路8

3、3.2.2 输出电压控制单元电路84 数字式可调稳压电源软件设计94.1 系统程序介绍10总结14参考文献15 绪论在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到关键性的作用。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，因此电源的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也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,人们对它的要求也越来越高,要想为现代人工作、科研，生活、提供更好的，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。本题采用单片机和其它元器件与外围电路，开发一个数

4、字式可调稳压电源。能够设定输出电压值、电压值输出显示、存储等功能。通过此系统的设计，让开发者更深刻的掌握单片机基本原理，并熟悉一些外围电路的扩展，以与进一步提高C语言的硬件编程能力。 当前在国外电源产业中，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。而产品价格、性能指标、品牌效应与使用寿命一直是用户最关心的问题。这就促使国外电源生产商朝着应用技术数字化、硬件结构模块化、产品性能绿色化智能化的方向发

5、展。对我们学生而言，在大学的实验室里和课程设计里面，有一个稳定可调的直流电源是很有必要的。因传统的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关与细调电位器来调节的，并由电压表指示电压值的大小。这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电路构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数字式可调稳压电源能较好地解决了以上问题。 数字式可调稳压电源原理介绍本设计采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，利用4×4键盘输入数字量，通过控制单元输出数字信号，再经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，最后经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着输出功率管的基极

6、电压的变化，间接地改变输出电压的大小。2.1单片机AT89S52介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：1、与MCS-51单片机产品兼容；2、8K字节在系统可编程Flash存储器；3、1000次擦写周期；4、全静态操作：

7、0Hz33Hz；5、三级加密程序存储器；6、32个可编程I/O口线；7、三个16位定时器/计数器；8、八个中断源；9、全双工UART串行通道；10、低功耗空闲和掉电模式；11、掉电后中断可唤醒；12、看门狗定时器；13、双数据指针；14、掉电标识符。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚结构如图2.1图2.1 AT89S52引脚结构 2.2 矩阵式键盘扫描原理键盘是由若干按键所组

8、成的开关矩阵，它是微型计算机最常用的输入设备，用户可以通过键盘向计算机输入指令，地址和数据。通常单片机系统采用非编码键盘。非编码键盘通过软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单、使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。4×4矩阵式键盘（如图2.2）的按键识别方法：行扫描法又称逐行扫描查询法，是一种常用的按键识别方法，其过程如下：为判断键盘是否有键按下，将全部列线置为低电平，全部行线置为高电平，然后读行线的状态7。只要有一行的电平为低电平，则表明键盘中有按键按下。然后依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它行线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后逐行检测各列的电平状态

9、。若某列线为低电平，则该列线与置低电平的行线相交叉处的按键就是闭合键。图2.2 4×4矩阵式键盘2.3 数码管动态显示原理如图2.3, 共阴LED 数码管由7只发光二极管共阴连接并按8字形结构排列而成。这样，我们将这些二极管的正极接高低不同的电位，把所有的负极接地，当正极为高电位时相应的二极管就会导通而发光，从而使数码管呈现不同的字符。共阳LED数码管，即选通位接高电平，a,b,c,d,e,f,g,h端接高或低电平，如想让数码管显示“0”，就必须使g，h和选通位为高电平，其他引脚均为低电平。在设计电路时，可将数码管这几个引脚分别接到单片机的引脚上，还要加上限流电阻，这样就可由程序控制

10、数码管的工作情况了。图2.3 LED数码管结构图3数字式可调稳压电源硬件电路设计本系统的硬件电路设计主要围着AT89S52单片机作为整机的控制单元用PROTEL 99SE设计软件来布线的，其中还用到了模数转换芯片DAC0832、外部存储芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩阵式键盘、数码管等其他器件。总体框图考虑到各个元件的电气特性，例如元器件之间的干扰问题，接地问题，布线问题等，本系统将硬件电路设计分为数字部分和模拟部分。3.1稳压电源数字部分电路稳压电源数字部分电路即单片机外围接口电路主要包括：DAC0832数模转换电路、EEPROM接口电路、键盘接口电路、扬声器接口电路

11、、复位电路、晶振电路与数码管显示部分电路。3.1.1 单片机外围接口电路单片机AT89S52与外围器件的接口总电路如图3.1所示，为了将各部分电路介绍的更加清楚，下面就单片机外围接口电路作一个扼要介绍。图3.1AT89S52与外围器件的接口总电路如图3.2所示，AT89S52的P0、P2.5P2.7接数码管输出显示部分电路，其中P0口用来输出字段码；P2.5P2.7用来输出数码管选通位信号；P2.0、P2.2分别接外部存储芯片24C01的数据线（SDA）和时钟线（SCL）；P2.3接扬声器电路，为执行部程序指令，EA/VPP必须接VCC.图3.2AT89S52部分接口电路一如图3.3所示，AT

12、89S52的P1口与数模转换芯片DAC0832相连接，用来输出数字量信号；RST为复位脚，用来输入复位信号，同时它还与P1.5P1.7一起用作ISP下载端口；P3口用做键盘信号输入端口，XTAL1、XTAL2接晶振电路。图3.3AT89S52部分接口电路二3.1.2 数字部分电路PCB设计本系统中，数字部分电路PCB采用Protel 99se 软件进行设计，其设计步骤是: 1、画电路原理图；2、电路元件封装；3、生成报表（ERC表、网络表、元件列表）；4、创建一个PCB工程文件，将网络表导入该工程；5、自动布局，自动布线后通过手工调整布线完成整个PCB版图的设计。系统设计中，数字部分电路PCB

13、如图3.4所示。图3.4数字部分电路PCB图3.2 稳压电源模拟部分电路稳压电源模拟部分电路主要包括电源部分电路，由运放LM324、达林顿管TIP127等构成的输出电压控制单元电路。这一部分采用普通万能板来完成，主要是由于模拟部分电路的可变性大，随时都有可能更改电路。另外，模拟部分电路属于高压部分，稳压管和达林顿管发热量比较大，要带散热片；同时须将它与5V低压工作的数字部分电路分开，这样可有效地防止元件的损坏。3.2.1 电源部分电路在系统设计中考虑到单片机与其他器件的电源供电问题，采用一个变压器将220V交流电降压再经电桥整流，获得25V左右的平稳电压，然后用稳压管78L24、78L12、7

14、8L05进行三次稳压，分别获得24V、12V和5V的稳定电压，24V提供的是运算放大器LM324和达林顿管TIP127的工作电压，5V是AT89S52单片机和DAC0832的工作电压。图3.5所示，图中电容起滤波作用。在硬件电路的实际设计中，由于电源工作时的发热量比较大，因此对稳压管要外加散热片。 图3.5电源供电部分电路3.2.2 输出电压控制单元电路系统中，矩阵键盘输入数字信号经AT89S52处理后输出给DAC0832,数字信号经过数模转换后输出的是电流量，因此必须将电流量接电阻后接反馈放大电路以实现稳压输出。本设计的模拟部分利用了LM324作为放大器，采用二级放大电路，第一级为同相比例放

15、大电路，第二级为闭环反馈放大电路。下面就将一级放大电路做详细的介绍。同相比例运算放大电路如图3.6所示，根据集成运放的"虚短"和"虚断"2个重要概可得式（3.1）、（3.2），又由式（3.1）、（3.2）、（3.3）可推出式（3.4），式（3.4）即为同相比例放大器增益的计算公式。U+=U- (3.1)UI=U+ (3.2)U-/Uo=R/(R+Rf) (3.3)Uo(1Rf/R)UI (3.4)Uo=Ri(1+Rf/R1) (3.5)图3.6同相比例运算电路在本系统设计中，需要数模转换输出一个电压围为010V的基准电压Ur，即数模转换输出的电压值，由于

16、DA转换芯片DAC0832输出的是电流信号，将它作用在电阻R上变成电压，然后用同相比例放大器放大电压到010V作为基准电压，同相比例放大器满足式（3.5），其中i是DAC0832的IO1脚输出的电流，R1为同相端的接地电阻，Rf为反馈电阻，Rf选用5k的微调电阻，R1选用100的电阻，R选用1K，将各值代入式（3.5），这时同相比例放大器的最大放大系数为： A51，满足输出基准电压Ur的要求，如图3.7所示。图3.7 第一级放大电路4 数字式可调稳压电源软件设计本系统软件设计要实现的功能是：键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，处理后的数据送位共阳数码管，再送到8位数模转换芯片（D

17、AC0832）,以实现数字量对电压的控制。系统中的主程序主要完成键盘扫描、判断、处理和数码显示。而电压值输出显示和输出音响提示在中断处理程序中完成。4. 系统程序介绍C语言在单片机的应用中，由于其逻辑性强，可读性好，比汇编语言灵活，简练，目前越来越多的人从普遍使用汇编语言到逐渐使用C语言开发，市场上几种常见的单片机均有其C 语言开发环境。因此，在本系统中，考虑到汇编语言的这些缺点，采用了C语言作为软件设计语言。1、输入、控制、转换显示模块的编程系统采用4×4矩阵键盘作为输入模块，因此在编程中必须通过扫描键盘的行和列，读出其值，然后通过AT89S52单片机控制键盘值散转，给各个键盘编写

18、相应的处理程序实现其相应的功能，在此过程中用AT89S52单片机/定时器TR0作为中断处理显示，用定时器TR1作为中断处理提醒，开音响。（1）初始化硬件例如对P3口作为键盘输入口的定义：#define key_point P3；对标志位的定义：static bit select=0，即在开始还没按下“设定键”时，标志位select为“0”；在主程序中，初始化部分程序如下：void main(void)speaker=1; /蜂鸣器不响WDTRST=0x1E;WDTRST=0xE1; /初始化看门狗TMOD=0x11; /初始化定时器 TH0=(65536-5000)/256; /T0置初值TL

19、0=(65536-5000)%256;TH1=(65536-50000)/256;/T1置初值TL1=(65536-50000)%256;EA=1;/开总中断ET0=1;/开T0中断ET1=1;/开T1中断TR0=1;/启动T0TR1=0; /关闭T1DA=0; /初始化DA转化当中用到了看门狗定时器（WDT）、定时器0和定时器1。为了激活WDT，用户必须向WDTRST寄存器（地址为0A6H的SFR）依次写入01EH和0E1H。当WDT激活后，用户必须一定时间周期性地向WDTRST写入01EH和0E1H喂狗来避免WDT溢出。因为当计数达到8191(1FFFH)时，13 位计数器将会溢出，这将会

20、复位器件。定时器0计时满5毫秒时产生定时中断，进入中断处理显示子程序；同理定时器1计时满50毫秒产生定时中断，进入相应的中断处理程序。定时器0中断处理程序如下：void disp(void) interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;/对T0重置初值TL0=(65536-5000)%256;dispbuf0=num1;/数码值送显示缓冲区dispbuf1=num2;dispbuf2=num3;ledwork();/显示函数显然，进入中断处理程序时，须对定时器0重置初值，然后数码值送输出显示缓冲区，最后通过显示程序部分将数码转换成数码代码输出显示。（2）单片机执行控制功能，

21、判断键盘值，转入键盘处理程序。其中判断有键按下后须紧跟着延时程序，以去掉键盘的机械抖动，键盘延时时间约10毫秒：void delay10ms(void) /延时程序 unsigned char i,j;for(i=10;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-);具体的键盘判断处理程序在这里就不做一一介绍了，详情可以参考附录程序清单。（3）输出显示并将数字量送DA。数码的输出显示部分程序主要围绕着十位、个位、十分位何时选通，送数字代码显示来进行编程（程序可参考附录程序清单）。将数字量送DA显示是通过按“确定"键来最终实现的，其“确定”部分程序如下：case 0x7

22、b: select=0; /确定键read_bit=0;if(num1<3)if(num1!=2|num2<5)temp=num1; num=temp*100;temp=num2;num+=temp*10;temp=num3; num+=temp;temp=num;DA=buchang(temp);/整体数码值送DAspeaker=0; fengmin=1;cancel();break; 其中DA=buchang(temp)指令即数字量送DA。 2、存储模块编程在本系统中实现一个存储电压值，掉电永久保存的功能，需要一个外部存储芯片（24C01），因此在编程中运用到了I2C总线技术。

23、I2C总线是一种用于IC(Integrated Circuit)器件之间连接的二进制总线。它通过SDA（串行数据线）与SCL（串行时钟线）在连至总线的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。如图4.1所示，SCL为高电平时,SDA由高电平向低电平跳变,开始传送数据；SCL为高电平时,SDA由低电平向高电平跳变,结束传送数据。SDA 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定数据线的高或低电平状态（数据有效），只有在SCL 线的时钟信号是低电平时才能改变,见图4.2。系统先通过发送开始信号开始数据转送，然后传送写从地址信号，最后从外部存储器地址读数据到单片机或写数据到外部存储器。系统对SCL时钟的编程如下：void clock() /I2C总线时钟 unsigned char i=0;scl=1; somenop();while (sda=1)&&(i<255)i+; scl=0; somenop();其中somenop()函数为延时函数，其余部分的程序可以参照附录程序清单。图4.1开始/结束定时信号图4.2数据线的变化示意图3、软件补偿编程系统如果通过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对