数字式可调稳压电源的设计说明

1、 . . . 电子机械高等专科学校成教院毕 业 设 计（论 文）论文题目：数字式可调稳压电源的设计教 学 点： 科创职业学院指导老师： 忠雨 职 称： 讲师学生： 向俊华 学 号: 专 业： 应用电子技术电子机械高等专科学校成教院制2012 年 3 月 9 日电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文）任务书题目： 数字式可调稳压电源的设计任务与要求：利用单片机实现数字式可调稳压电源，原理简单，精度高，成本 低，易实现，其性能好，操作方便。时间：2011年 12 月 15 日 至 2012 年 3 月 15 日 共 12 周教 学 点： 科创职业学院学生： 向俊华 学 号： 专业： 应用电子技术

2、指导单位或教研室： 科创职业学院指导教师： 忠雨 职 称： 讲师电子机械高等专科学校成教院制18 / 24毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 容执 行 情 况指导教师签 字12月15日至12月25日选题12月26日至1月2日论文提纲写作1月3日至2月15日初稿写作2月16日至2月29日二稿写作3月1日至3月10日定稿并上交论文的电子文稿3月10日至3月15日做好论文评阅准备教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。摘 要单片机实现的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

3、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,从而了解单片机相关指令在各方面的应用，同时还介绍了数模转换芯片DAC0832与存储芯片24C01的工作原理。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。 在附录中，本文还

4、将给出系统的程序清单，供参考之用。关键词：数控、单片机、直流稳压、数模转换AbstractDigital adjustable power supply which is controlled by the MCU（micro controller unit）attracts much attention for its particular advantages,such as simple principle, good stability, high accuracy and low cost, easy to implement and so on1. Its performance

5、is superior to the traditional adjustable DC(direct current) power supply. It is convenient for operation and very suitable for the general teaching and research using. This paper is about an NC（numerical control）regulators power system design. By the design,this paper introduces the keyboard scanni

6、ng principle ,the digital tube dynamic display principle and the timer interrupt principle in AT89S52 Single-Chip Microcomputer applications , then we can understand the correlation instruction in various application2.It also introduces work principle of digital-to-analog converter chip DAC0832 and

7、memory chip 24C01. The system includes some important parts : the analog power, the control circuit, the digital-to-analog converter circuit, the amplifier circuit, the display circuit，it provides 0V to a 24V output voltage range, stepping value of 0.1V DC power supply, and the power off and storage

8、 function. Firstly, I will describe the digital adjustable power supply the basic principle.Secondly,I will detail the digital adjustable power supply system circuit design of the hardware and software design.Finally, I will introduce the digital adjustable power supply system software design .At th

9、e supplement, I will also give a list of procedures for reference only.Key words:NC, MCU, DC regulators, Digital-to-analog converter目 录第一章绪论1第一节研究目的与意义1第二节研究方法2第三节论文构成与研究容2第二章数字式可调稳压电源原理介绍3第一节总体设计原理介绍3第二节单片机AT89S52介绍3第三节矩阵式键盘扫描原理5第四节数码管动态显示原理6第三章数字式可调稳压电源硬件电路设计7第一节稳压电源数字部分电路8第二节稳压电源模拟部分电路14结束语16辞17参

10、考文献18第一章 绪论本章将简单介绍系统设计的目的与意义，国外电源技术的发展状况，系统的研究方法，论文构成与系统的研究容。第一节 研究目的与意义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。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。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

11、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。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

12、地解决了以上问题。本题采用单片机和其它元器件与外围电路，开发一个数字式可调稳压电源。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。第二节 研究方法此次毕业设计我从一开始选题就目的明确，在毕业设计课题确定下来后，通过运用大学四年所学的专业知识和查阅参考了一系列的资料完成的。针对题目的要求，首先对整个设计思路进行规划，例如：要用到什么模块，模块应该怎样分布，怎么协调好这些模块。然后针对方案的可行性进行反复的参照对比，敲定最终设计方案，在敲定方案之后，查阅参考相关资料进行硬件电路的各

13、个模块的设计，同时软件模块也同步进行，经过不断的检测，编译，将正确的代码下载到硬件电路中，最后一次次的调试系统，通过不断的修改来完善系统。第三节 论文构成与研究容 本论文总体概括了单片机实现数字式可调稳压电源的原理、着重介绍了单片机实现数字式可调稳压电源的硬件电路设计和软件设计。在各章节中，突出讲述了各功能模块的设计思路，具体设计情况，以与模块之间的联系。本系统主要研究数字式可调稳压电源如何实现数控、稳压、掉电存储和输出电压显示，其中包含一些必要的硬件设计和软件设计。第二章 数字式可调稳压电源原理介绍在实验室里通常所用到的直流电源都是用调节电位器来达到调节电压的目的，由于电位器的温漂较大，使得

14、输出的电压会有所漂移，而且用电位器调节电压操作起来不是很方便。本文所介绍的数字式可调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。它由单片机AT89S52、4×4键盘、数码管、数模转换芯片DAC0832、存储芯片24C01、放大电路等部分构成，能实现输出电压显示、设定、存储与音响提示操作等功能，其原理包括键盘扫描原理、数码管动态显示原理、模数转换原理与I2C总线原理，在本章，主要介绍在设计过程中所涉与到的原理。第一节 总体设计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（D

15、A0832）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电压的变化，间接地改变输出电压的大小。第二节 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

16、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：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

17、脚结构如图图2-1 AT89S52引脚结构第三节 矩阵式键盘扫描原理键盘是由若干按键所组成的开关矩阵，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。组成键盘的按键有触点式和非触点式两种，单片机中的按键一般由机械触点构成。按键的读取容易引起误操作，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为510ms,为了使CPU能正确读出口线的状态，对于每一次按键只做一次响应，这就必须考虑如何去抖动。常用的去抖动方法有两种：硬件法和软件法，单片机通常采

18、用软件法去抖动。由于键盘的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的方法来避开抖动，延时时间10ms.4×4矩阵式键盘的按键识别方法：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。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。若某列线为低电平，则该列线与置低电平的行

19、线相交叉处的按键就是闭合键。图2-2 4×4矩阵式键盘第四节 数码管动态显示原理如图2.4, 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7。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数码管的工作情况了。所谓数码管动态显示，

20、就是逐位地轮流点亮各位数码管（扫描）。对于每一位数码管而言，每隔一段时间点亮一次。数码管的点亮既与点亮的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高，较为稳定的显示，同时可减小工作电流。此次设计中用4位共阳数码管作为显示输出电压值，采用多路复用显示，这是指对于每个显示只驱动1/4时间。因为只要在20HZ50HZ之间循环所有显示，由于人眼存在视觉残留，在这样的显示方式下，数码管看起来是同时点亮的。图2-3 LED数码管结构图第三章 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

21、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。第一节 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、复位电路、晶振电路与数码管显示部分电路。一 单片机外围接口电路1、单片机外围接口总电路。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

22、楚，下面就单片机外围接口电路作一个扼要介绍。图3-1 AT89S52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。如图3.3所示，AT89S52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，XTA

23、L1、XTAL2接晶振电路。图3-2 AT89S52部分接口电路一图3-3 AT89S52部分接口电路二2、单片机外围电路接口电路具体介绍。下面对单片机与其它外围器件的接口电路作一一介绍。数码转换芯片DAC0832与单片机AT89S52接口电路。此设计中利用模数转换芯片DAC0832将键盘输入数字量转换成模拟量（电流），以实现数控功能。DAC0832是一种电流型芯片，在前文第2章2.5节简单介绍了它的工作原理，数字式可调稳压电源的设计中，采用了该芯片的直通工作方式（即CS、WR1、IOUT2、AGND、WR2、XFER接地；ILE、VREF接5V电源），它的数据输入口D0D7分别与单片机的P1

24、.0-P1.7相连，从IOUT1引脚输出模拟量（电流）接同相比例放大电路。如图图3-4 DAC0832与AT89S52接口电路存储芯片24C01与单片机AT89S52接口电路。存储芯片24C01是AT24C系列E2PROM，它支持I2C总线数据传送规则。数字式可调稳压电源设计中利用它存储电压输出值，实现掉电保存当前电压值的功能。其硬件接法如下图3.5所示，引脚1、2、3、4、7接地；8脚接5V；5脚与6脚分别接单片机的P2.0、P2.2的同时接5.1K上拉电阻后再接5V（因连接总线的器件的输出端必须是集电极或漏极开路，以具备线“与”功能）。图3-5 24C01硬件接法4×4矩阵键盘接

25、口电路。在本设计课题中利用4×4矩阵键盘来实现电压输入值的设定、步进、按键存储、复位、确定等功能以实现数控，其硬件连接图如图3-6，实现功能如表3-1。图3-6 4×4矩阵键盘电路表3-1 4×4矩阵键盘功能表键盘号功能功能描述键盘号功能功能描述S13数字键S91数字键S27数字键S105数字键S3确定确定键S119数字键S4复位复位键S12步进加0.1V键S52数字键S130数字键S66数字键S144数字键S7设定设定键S158数字键S8存储存储键S16步进减0.1V键扬声器电路、AT89S52单片机复位电路与外部晶振电路。扬声器电路如图3-7，利用它实现输出电

26、压值提醒。单片机AT89S52 的P2.3脚通过限流电阻R2与PNP管与蜂鸣器相连，当单片机引脚P2.3输出低电平时，PNP导通，蜂鸣器发出声音。复位电路如图3-8，晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位，当键盘S0按下时通过电阻R1将电平拉高，同时R1,C4还起到滤波作用，去键盘抖动。晶振电路如图3.8，X1:振荡器反相放大器和部时钟发生电路的输入端。X2:振荡器反相放大器的输出端。图3-7 扬声器电路本设计中显示部分采用四位共阳数码管，8550PNP三极管作驱动，如图3.9所示，I 、II、III 、IV是选通位，当B8低电平，B9、B10、B11为高电平时，I位由于三

27、极管的导通而被拉至电源5V端，第一个数码管选通，其他三个没有被选通。其中100欧的电阻为限流电阻，1K电阻为上拉电阻，将选通位电平拉高。因根据设计要求，只需要三位数码管即可实现在输出电压值围的显示，在设计中用到低三位数码管，单片机引脚与四位共阳数码管脚的对应关系如表表3-2 AT89S52引脚与四位数码管脚对应表 AT89S52四位数码管AT89S52四位数码管P0.0 aP0.6cP0.1 fP0.7 gP0.2 bP2.7IP0.3 eP2.6IIP0.4 dP2.5IIIP0.5 hP2.4IV 图3-8 数码管显示电路二 数字部分电路PCB设计本系统中，数字部分电路PCB采用Prote

28、l 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。第二节 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

29、的损坏，这也是系统为什么将电路设计分为数字部分和模拟部分的原因。一、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、78L05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3.11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3-10 电源供电部分电路二、输出电压控制单元电路系统

30、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大电路，第二级为闭环反馈放大电路。下面就将二级放大电路做详细的介绍。图3-11 第一级放大电路反馈稳压放大电路如图所示：图3-12 反馈稳压放大电路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)Vo25v-Uce (3.6)Uo=(1/C1*R1)

31、(U2-U1)dt+U2 (3.7)U2Ur (3.8)Uo=(1/C1*R1)(Ur-U1)dt+Ur (3.9)Uo=(Ur-U1)*t/(C1*R1)+Ur (3.10)图中DA端是单片机数模转换得到的基准电压Ur，这里采用运放构成积分器对R2和R3进行采样，采样电压U1和基准电压Ur进行比较，比较其差值进行放大得到Uo，通过Uo控制处于放大区Q1的Uce,又由式（3.6）可知，进而控制输出电压Vo。分析积分器，它满足式（3.7），由运放的虚短与虚断可得式（3.8），将式（3.8）代入式（3.7）整理可得式（3.9）。在很短的时间，U1保持不变，即Ur-U1=C (C是常数) ，这时有式（3.10），由式（3.10）