基于单片机的智能电源设计说明

1、0 / 40毕业论文（设计）基于单片机的智能电源设计学 生 姓 名： 汤妍 指导教师： 高泉 讲师 专业名称： 电子信息工程 所在学院： 信息工程学院 2012 年 6 月目 录摘要 .ABSTRACTABSTRACT .1 / 40第一章前言 11.1 研究目的和意义 11.2 直流稳压电源的国外发展现状以与发展方向 11.3 课题研究方法 3第二章主要元器件介绍 42.1 AT89C51 单片机 42.2 DAC0832 芯片 62.3 数码管显示原理 82.4 ADC0809 芯片介绍 102.5 TD07(OP07) 低噪声高精度运算放大器介 122.6 74LS164 芯片介绍 12

2、第三章设计原理与硬件电路 143.1 智能稳压电源的整体电路框图 143.2 部电路与原理分析 14第四章稳压电源的软件设计 244.1 软件流程图的设计 244.2 程序运行原理 24第五章结论 285.1 数据测试与分析 285.2 结论 28致 30参考文献 31附录 322 / 40摘 要众所周知，许多科学实验都离不开电，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以与动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以与一定的智能化，那么就省去了许多不精确的人为操作，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的就是在实验开始前对一些参数进行预设。这

3、将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。因此，直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力现数控化、多功能化与智能化。 本文介绍了一种基于单片机的智能稳压电源的设计方案，其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后的稳压电源模块的输出。该系统由整流滤波、初步稳压部分、单片机控制部分、DA 转换部分和显示部分组成，该稳压电源能连续步进可调，并且可实时显示，弥补了传统稳压电源的不足。本设计研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以与模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。数字化主要是指系统输

4、出电压通过 7 段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。关键词关键词：单片机，稳压电源， ADC ， DAC， 过压过流检测 3 / 40AbstractAbstractAs is known to all, many scientific experiments need electricity, and all these experiments are usually in a special demand of live time, magnitude of voltage and current as we

5、ll as dynamic index 。Therefore, if power supply not only has good experimental power output quality but also the multi-function and intelligence, then it will save many imprecise artificial operation, with the precise microcomputer control at the same time , and what we should do is to preset some p

6、arameters before the start of the experiment。 This will provide the experimental in research fields with different degrees of convenience and efficiency。 Therefore, one goal of dc power of future development is not only the performance of high efficiency, low noise, high harmonics with low energy an

7、d an anti-interference environment but also to realize the function in the numerical control, more functional and intelligent。This paper introduces a single-chip microcomputer-based Intelligent Power Supply Design program, its core technology through the MCU to control digital-to-analog converters t

8、o change the voltage regulator module subsequent output。 The system consists of rectifier filter preliminary regulator of the MCU control of the DAC and display components, the power supply can be continuously adjustable stepper, and can be real-time display, made up for the shortcomings of traditio

9、nal voltage regulator power supply。This research mainly aims at the dc voltage stabilizer with intelligent, digital and modular characteristics。 Intelligence mainly refers to the system which has programmable module and can control system intelligently。 Digital mainly refers to the system output vol

10、tage by seven digital displayers, and give output voltage continuous stepping digital adjustment through the tube buttons。 Modular refers to the system which is made up with each related modules so that it can improve the reliability of the system。KeyKey wordswords： Single chip, Constant voltage pow

11、er supply, ADC, DAC, Pressure flow testing1 / 40第一章 前言1.1 研究目的和意义直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域，传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、受干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多， 但均存在以下二个问题： 1) 输出电压是通过粗调(波段开关) 与细调(电位器)来调节。这样， 当输出电压需要精确输出， 或需要在一个小围改变时(如 1.05 1. 07V ) ，困难就较大。另外， 随着使用时间的增加， 波段开关与电位器难免接触不良， 对输出会有影响。2) 稳压方式均是

12、采用串联型稳压电路， 对过载进行限流或截流型保护， 电路构成复杂，稳压精度也不高。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。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，并由电压表指示电压值的大

13、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。随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的突飞猛进，现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整围的高压电源，特别是在一些高能物理领域，急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整围的电源。这就促使人们不断的去研究设计，从而改进其性能，使其具有智能稳压的作用。1.2 直流稳压电源的国外发展现状以与发展方向1.2.1 研究现状从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在 80

14、年代，第一代分布式供电系统开始转向到 20 世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以与中间母线结构，交流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。早在 90 年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体2 / 40生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。 现今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信

15、、遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪 60 年代中期开始形成，到了 90年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品；目前国还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足：在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水

16、平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为 10-15 年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国在这两方面研究比较多的是电子科技大学和华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。国厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来，国直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.2.2 发展方向智能化智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的测

17、量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表” 。智能仪器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源” ，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点： 操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以与显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的

18、全部自动化。具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断与量程自动转换等。系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以与测量数据的处理结果与时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。网络管理能力。随着互联网技术应用日益普与和信息处理技术的不断发展，直流稳压电源通3 / 40过RS232 接口实现与上位 PC 机通信，从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技

19、术参数；网络技术人员可通过网络定时开关电源，实现远程开关机等功能。数字化数字化在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。模块化模块化电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的模块化。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄

20、生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。极大的提高系统可靠性，即使出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作。 绿色化绿色化电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准，如 IEC555，IEC917，IECI00

21、0 等。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为 21 世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础1。1.3 课题研究方法直流稳压电源是最常用的仪器设备， 在科研与实验中都是必不可少的。针对以上问题， 设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。输出由单片机通过 D/A 转换模块， 控制驱动模块输出一个稳定电压。同时稳压方法采用单片机闭环控制， 单片机通过 A/D 采样输出电压， 与设定值进行比较， 若有偏差则调整输出， 越限则输出报警信号。工作过程中， 稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态) 均由单片机输出驱动 L ED 显示。4 / 40本设计研究的直流稳压电源主

22、要是符合智能化、数字化以与模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。数字化主要是指系统输出电压通过 7 段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。5 / 40第二章 主要元器件介绍2.1 AT89C51 单片机 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS8 位单片机，片含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和 128 bytes 的随机数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51

23、指令系统，片置通用 8 位中央处理器(CPU)和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机可应用于高性价比的应用场合，也可灵活应用于各种控制领域。因此，在这里我选用 AT89C51 单片机来完成本次设计。主要性能参数主要性能参数与 MCS-51 产品指令系统完全兼容4K 字节可重擦写 Flash 闪存存储器1000 次擦写周期全静态操作：0HZ-24HZ三级加密程序存储器128x8 字节部 RAM32 个可编程 I/O 口线2 个 16 位定时/计数器6 个中断源可编程串行 UART 通道低功耗空闲和掉电模式AT89C51AT89C51 存空间存空间部程序存储器（FLASH）4

24、K 字节。外部程序存储器（ROM）64K 字节。部数据存储器（RAM）256 字节。外部数据存储器（RAM）64K 字节。AT89C51AT89C51 引脚功能介绍引脚功能介绍： VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时6 / 40P0 外部必须被拉高。P1 口：P1 口是一个部提供上拉电阻的 8 位

25、双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被部上拉为高电平，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个部带上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出

26、地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：P3 口管脚是 8 个带部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，是由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL） ，这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3 口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断 0）P3.

27、3 /INT1（外部中断 1）P3.4 T0（记时器 0 外部输入）P3.5 T1（记时器 1 外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外

28、部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置0。此时，ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令时才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期/PSEN 两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间访问外部程序存储器（0000H-FFFFH） ，不管是否有部程序存储器。注意在加密方式 1 时，/EA 将部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平

29、时，此间访问部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。7 / 40振荡器特性：XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2图 2.1 AT89C51 引脚图2.2 DAC0832 芯片直流稳压电源的数模转换模块采用通用芯片 DA

30、C0832。DAC0832 的原理框图如图 2.2 所示。DAC0832 主要由 8 位输入寄存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换器以与输入控制电路四部分组成。8 位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由输入控制电路加以控制；8 位 DAC 寄存器用于存放待转换的数字量，由输入控制电路加以控制；8 位 D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制 2 个寄存器的选通或锁存状态。8 / 40+5VDAC0832VccILEVrefRfbIout1Iout2AGNDDGNDAVoutDI 7-0CSXFERWR1WR27

31、4LS3738051P0 P2.7P2.7WRALEGDI0DI78DAC8D/A8.&ILECSWR1WR2XFERLE1LE2Iout1Iout2VrefRfbAGNDDGNDVCC图 2.2 DAC0832 原理框图当 WR2 和 XFER 同时有效时，8 位 DAC 寄存器端为高电平“1” ，此时 DAC 寄存器的输出端 Q跟随输入端 D 也就是输入寄存器 Q 端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级 8 位输入寄存器 Q 端的状态则锁存到第二级 8 位 DAC 寄存器中，以便第三级 8 位 DAC 转换器进行 D/A转换。一般情况下为了简化接口电路，使第二级 8 位

32、DAC 寄存器的输入端到输出端直通，第一级8 位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。 特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式。DAC 单极性输出方式如图 2.3 所示。图 2.3 DAC 单极性输出电路 引脚功能： DI0DI7：数据输入线，TLL 电平。ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。CS：片选信号输入线，低电平有效。WR1：为输入寄存器的写选通输入线。XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。9 / 4010 9 8 7 6g f GND a b1 2 3 4 5dp.e d GND c dpabcdefgDD+5VWR2：为 DAC

33、 寄存器写选通输入线。Iout1：电流输出线。当输入全为 1 时 Iout1 最大。Iout2： 电流输出线。其值与 Iout1 之和为一常数。Rfb：反馈信号输入线，芯片部有反馈电阻。Vcc：电源输入线 (+5v+15v) 。Vref：基准电压输入线 (-10v+10v) 。AGND：模拟地，摸拟信号和基准电源的参考地。DGND：数字地，两种地线在基准电源处共地比较好3 。图 2.4 DAC0832 引脚图2.3 数码管显示原理2.3.1 数码管结构输出电压采用 7 段数码管进行显示。数码管由 8 个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字 0 9、字符 A F、H、L、

34、P、R、U、Y、符号“-”与小数点“.” 。数码管的外型结构如图 2.5（a）所示。数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图2.5（b）和图 2.5（c） 所示。10 / 40 (a)外型结构(b)共阴极(c) 共阳极图 2.5 数码管结构图2.3.2 数码管工作原理共阳极数码管的 8 个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源） ，其它管脚接段驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源与额定段导通电流来确定相应

35、的限流电阻。共阴极数码管的 8 个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地） ，其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源与额定段导通电流来确定相应的限流电阻。2.3.3 数码管字形编码要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。对照图2.5（a）字型码各位定义如下：数据线 D0 与 a 字段对应，D1 字段与 b 字段对应，依此类推。如使用共阳极数码管，数据为 0 表示对应字段亮，数

36、据为 1 表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为 0 表示对应字段暗，数据为 1 表示对应字段亮。如要显示“0” ，共阳极数码管的字型编码应为：11 / 4011000000B（即 C0H） ；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（即 3FH） 。依此类推可求得数码管字形编码如表 2.1 所示。4表 2.1 数码管字型编码表共 阳 极共 阴 极显示字符字形dpgfedcba字型码Dpgfedcba字形码0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H01001

37、1114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB1000001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139HDD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000

38、100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH1000000080H熄灭灭11111111FFH0000000000H12 / 402.4 ADC0809 芯片介绍2.4.1 ADC0809 特性1）8 路输入通道， 8 位 AD 转换器，即分辨率为 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间

39、为 100s。4）单个5V 电源供电。 5）模拟输入电压围 05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度围为 -4085 摄氏度。 7）低功耗，约 15mW。2.4.2 ADC0809 引脚功能 IN7IN0模拟量输入通道。ALE地址锁存允许信号。对应 ALE 上跳沿，A、B、C 地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START 上升沿时，复位 ADC0809；START 下降沿时启动芯片，开始进行 A/D 转换；在 A/D 转换期间，START 应保持低电平。本信号有时简写为 ST。A、B、C地址线。 通道端口选择线，A 为低地址，C 为高地址，引脚图中为 ADDA，ADDB 和

40、ADDC。CLK时钟信号。ADC0809 的部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500KHz 的时钟信号。EOC转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0 为最低位，D7 为最高。OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。Vcc +5V 电源。 Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基

41、准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V， Vref(-)=-5V) 。13 / 40图 2.6 ADC0809 引脚图2.4.3 ADC0809 的工作过程首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8 路模拟输入之一到比较器。 START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD 转换完成， EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。2.5 TD07(OP07) 低噪声

42、高精度运算放大器的介绍2.5.1 特点 低的输入噪声电压幅度0.35 VP-P (0.1Hz 10Hz) 极低的输入失调电压10 V 极低的输入失调电压温漂0.2 V/ 具有长期的稳定性0.2 V/MO 低的输入偏置电流 1nA 高的共模抑制比126dB 较宽的共模输入电压围14V 较宽的电源电压围 3V 22V14 / 40 可替代725、108A、741、AD510 等电路应用简介应用简介TD07 高精度运算放大器具有极低的输入失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度与长期稳定等特点。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器与微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工与要求微型化、高可靠的

43、精密仪器仪表中。TD07构成的模拟放大电路如下图：图 2.6TD07 构成的模拟放大电路2.574LS164 芯片介绍：2.6.1 74LS164 的电特性74LS164 为 8 位移位寄存器，其主要电特性的典型值如下：(1)54/74LS164 185mW 54/74LS164 80mW(2)当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QAQH）均为低电平。 串行数据输入端（A，B）可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下 Q0 为低电平。当 A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 CLOCK 上升沿作用下决定 Q0 的状

44、态。2.6.2 74LS164 的引脚功能 CLOCK ：时钟输入端 CLEAR： 同步清除输入端（低电平有效）15 / 40 A，B ：串行数据输入端 QAQH： 输出端 图 2.7 74LS164 引脚图16 / 40第三章 设计原理与硬件电路3.1 智能稳压电源的整体电路框图变变 压压 器器整整流流滤滤波波整整流流滤滤波波稳稳压压输输出出+5v稳稳压压输输出出 15VD/A 转转换换输输出出电电压压控控LM31故故障障检检测测AT89C51单单片片机机指指示示灯灯报报警警键键盘盘显显示示电电路路0-10V图 3.1 系统整体框图3.1.1 AT89C51 单片机控制直流电压输出电路图本系

45、统由模拟稳压电源电路、显示电路、控制电路、数模转换电路、放大电路等模块儿组成。准确说就是模拟电源提供各个芯片电源、数码管、放大器所需电压；显示电路用于显示电源输出电压的大小。其中采用 AT89C51 单片机作为整机的控制单元，通过改变 DAC0832 的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以将输出电压经过 ADC0809 进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理5。图见论文结尾的附录部分。3.2 部电路与原理分析3.2.13.2.1 整流滤波、初步稳压电路0-10V键盘显示

46、电路键盘显示电路指示灯报警指示灯报警AT89C51单片机单片机故障检测故障检测输出电压控制输出电压控制D/A 转换转换稳压输出稳压输出+5v变变 压压 器器整整流流滤滤波波整整流流滤滤波波稳稳压压输输出出+5v稳稳压压输输出出 15VD/A 转转换换输输出出电电压压控控LM31故故障障检检测测AT89C51单单片片机机指指示示灯灯报报警警键键盘盘显显示示电电路路0-10VLM317稳压输出稳压输出 15V滤波滤波整流整流滤波滤波整流整流变压器变压器17 / 40图 3.2 整流滤波电路整流就是把交流电变成脉动的直流电的过程，整流的基本器件是二极管，利用二极管的单向导电性即可把交流电转换成脉动的

47、直流电，桥式整流电路如图 3.2 所示6。滤波是为了降低输出电压的脉动成分，得到较为平滑的直流电源，常有的滤波电路有电容滤波、RC（LC）型的滤波形式。电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压 UC=Q/C。在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而电荷改变的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量，经过滤波后，输出电压的纹波减小，直流成分得到提高；固定三端稳压器稳压电路如图 3.3 所示，在输入与公共端之间、输出端与公共端之间分别接了0.33uf、0.1uf 的电容，可以防止自激振荡7。 18

48、 / 40图 3.3 三端稳压电路3.2.2 数模转换电路D/A 转换电路主要由 AT89C51（单片机） 、数/码转换器 DAC0832 与 TD07 高精度运算放大器等芯片组成。AT89C51 的 P0 口作为数据端口与 DAC0832 的 8 位数据线相连。AT89C51 含 4K 字节的 ROM，无需外部存储器，因此选用它可使电路得到简化。本系统中，因为 CPU 的工作任务是单一的，而且数据传送的目的地址也是单一的，因此，DAC0832 采用直通的工作方式，芯片的CS/(低电平有效)、WR1/、XFER/、WR2/四个使能端均与地相接处于效状态，这个工作方式不需要给 DAC0832 分

49、配地址空间，CPU 的 P0 口的数据变化直接反映到 DAC0832 的输出端。 DAC0832 是一种典型的 8 位转换器，部为双缓冲寄存器即输入寄存器和 DAC 寄存器，WR1/、WR2/、分别为该两寄存器的写信号输出端，ILE 为输入锁存使能端，高电平有效，CS/为片选端，XFER/为传输控制端，它和 WR2/共同控制 DAC 寄存器的工作状态。DAC0832 有两个接地端 AGND（模拟电路接地端）和 DGND（数字信号）接地端，一般情况下，这两个地端均并联接地。DAC0832 的 D/A 转换电路为倒 T 型 R-2R 电阻网络，故有 IOUT1 和 IOUT2 两个电流输出端，根据

50、不同的电路组成，该芯片可以有两种输出模式，一种为电流输出模式，这种模式基准电压加在VREF 端，由 IOUT1，IOUT2 输出的电流经运算放大器相加后输出；另一种为电压输出模式，这种模式基准电压加在 IOUT1 和 IOUT2 之间，模拟电压加从 VREF 端输出。本电路采用后一种模式，其基准电压通过电阻和 2.5V 稳压管组成的稳压电路提供，其基准电压为 2.5V，最后经过放大器TD07 放大到 12.5V，作为电路设计的程序设计编码基准电压。由于 DAC0832 为 8 位转换器，所以采取把 12.5V 电压等分 256 份，得出每 0.1V 的步进为 2.048。即：12.5/256=

51、0.1/，2.048。这样就可以得出 DAC0832 的 Dn 的 TAB1 对应的值。由于采用了2.5V 的稳压二极管作为基准电压，所以必须经过放大器放大一定倍数达到 12.5V。19 / 40图 3.4 数模转换电路3.2.3 稳压电路方案一：采用 LM78XX 系列三端稳压器稳压，电路如图 3.5(a)(a) 三端稳压器稳压电路图 3.5 稳压电路方案二：采用 LM317 系列可调三端稳压器稳压，电路如图 3.5(b)20 / 40(b) 可调三端稳压器稳压电路图 3.5 稳压电路方案三：由运放以与 LM317 可调三端稳压器组成的稳压电源，电路如图 3.5(c)(c) 集成运放稳压电路

52、图 3.5 稳压电路方案一与方案二都可实现稳定的电压输出，而且电路结构简单，但方案一电压输出固定，方案二虽然电压可调但很难实现步进调节。方案三既可实现稳定的电压输出，而且输出电压连续步进可调，满足设计要求。在方案三中用到了运算放大器、单片机 AT89C51、数模转换芯片DAC0832，这些器件都需要稳定的工作电压，因此系统最终的选择方案一与方案三相结合，采用21 / 40方案一实现系统的工作电压稳定输出，采用方案三实现系统稳压电源的连续步进可调8。3.2.4 键盘和 LED 显示电路（a）LED 显示电路图 3.6 键盘和 LED 显示电路该系统的显示电路由三个数码管组成：一个具有小数点一位、

53、个位和十位的显示器。这三个数码管为带小数点的七段 LED 数码管。驱动这三位数码管，至少需要 21 条驱动线，为了节省CPU 的 I/O 口线，显示电路采用 CPU 的串行口 RXD 和 TXD 通过 74LS164 进行输出口线扩展。74LS164 是串入并出的 8 位移位寄存器，在脚所加脉冲的上升沿作用下，把、脚（一般并联使用）输入的串行数据锁存在并行输出端，通过这些并行口线驱动数码管的各字段。数码管选用共阳的-5101（BHBD15） ，当 74LS164 的输出端口某线为低电位时，对应的字段被点亮。22 / 40(b) 键盘接口电路图 3.6 键盘和 LED 显示电路 键盘接口电路如图

54、 3.6(b)所示。键盘设计由两个按键控制即：“+”键、 “-”键， 并外接两个上拉电阻控制键盘去抖。这两个键分别连接到单片机的 P1.0、P1.1 接口进行输入控制9。3.2.5 检测电路过电压对于电源来说是一个非常有害的信号。雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入远程终端设备则会影响其电源模块的正常工作，同时使各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块烧坏元器件 IC。典型过电压形成的冲击电压脉冲如下图所示。 为了使智能稳压电源能可靠、安全地工作，本系统设置了周密的监测系统，主要包括过流监测和过压监测。单片机系统通过电压检测电路和电流检测电路输出的脉冲信号，输入到单

55、片机中，与基准电压相比，若超出基准电压，则单片机的报警指示电路工作，指示灯亮，从而起到一个报警、保护电路的作用10。23 / 40图 3.7 过电压冲击脉冲(a) 电压检测电路图 3.8 检测电路24 / 40(b) 电流检测电路图 3.8 检测电路3.2.6 模数转换电路25 / 40图 3.9 模数转换电路从电压检测电路和电流检测电路输出的模拟信号，要想受到单片机的控制，必须先经过 A/D模数转换电路转换成数字信号输入到单片机中，才能进行下一步比较检测。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小。故任何一个模数转换器都

56、需要一个参考模拟量作为转换的标准，比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器最重要的参数是转换的精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能够准确输出的数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D 转换一般要经过采样、保持、量化与编码 4 个过程。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中是同时实现的。26 / 40第四章 稳压电源的软件设计4.1 软件流程图的设计软件控制程序由主程序和过流保护程序两部分，其主要实现步进加减、D/A 转换、键盘扫描、LED

57、 显示、过压过流检测等功能。程序流程图见附录部分。 4.1.1 主程序 首先初始化系统，即 AT89C51 单片机系统的初始化，再对系统时间进行设置 ，调用按键处理子程序，判断是否有按键按下，若有就调用显示处理程序，显示处理程序在数码管上显示预置电压，由单片机控制的信号经 D/A 转换后，通过检测电路判断是否过流和过压，若出现过流或者过压的情况，则报警指示电路开始工作。否则，实现稳压输出。主流程图如附录图 1 所示。4.1.2 过压过流检测程序从数模转换电路转换出的信号，一路经过流检测电路，一路经过过压检测电路，把检测到的信号，送入单片机进行处理，若过流或者过压，则报警指示灯亮。过流过压检测程

58、序的流程图如附录图 2 所示。4.2 程序运行原理程序运行原理 在本电路中由于 CPU 的工作任务是单一的，因此，源程序的工作过程为：系统上电复位后，默认输出 9 伏电压，然后扫描 K1，K2 键，当 K1 或 K2 键有按下时，程序跳转至相应的按键处理子程序，经按键子程序处理后，再嵌套调用显示子程序，完成显示与输出操作后返回主程序，继续扫描此两键。程序设计需要考虑的主要问题有两个方面。一方面要找出数字量 Dn 与输出电压的关系，这是程序设计的依据；另一方面要建立显示值与输出电压值的对应关系，这是程序设计是否成功的标志。程序代码ORG 30HSTART：MOV R1，#64H ；输出电压初使化

59、MOV 40H，#0 ；设定为 5VMOV 41H，#527 / 40MOV 42H，#0DL： P1.0，DL1 ；+键按键处理 LCALL DELAY CJNE R1， #0F0H， DL3 JMP DL2DL3： INC R1 ；输出电压增加 0.1VINC R1 INC 42H MOV R5， 42H CJNE R5， #0AH， DL2 MOV 42H， #0 INC 41H MOV R5， 41H CJNE R5， #0AH， DL2 MOV 41H， #0 INC 40H JMP DL2DL1： P1.1，DL2 ；-键按键处理 CALL DELAY CJNE R1， #03CH

60、， DL4 JMP DL2DL4： DEC R1 ；输出电压减少 0.1V DEC R1 DEC 42H MOV R5， 42H CJNE R5， #0FFH， DL2MOV 42H， #9 DEC 41H MOV R5， 41H CJNE R5， #0FFH， DL2 MOV 41H， #9 DEC 40H MOV R5， 40H CJNE R5， #0FFH， DL2 MOV 40H， #0DL2： MOV P0，R1 ；数据显示 CALL DISP JMP DL28 / 40DELAY：MOV R4，#02H ； 延时DELAY3： MOV R3，#0FFHDELAY1： MOV R2， #04