基于单片机直流稳压电源的设计与实现

1、2020摘 要随着电力电子技术的不断发展，稳压电源在各类实际工程中得到了广泛的应用， 大大提高了电气设备及其控制系统的工况特性，达到了设备节能降耗的Ll的。本设讣 利用STC12C54IOAD单片机为主控制器，用其PwM输出经过简单电路实现DAC功能，可 通过键盘技术来设置输出电压值，并有数码显示实际输出电压值。关键词：稳压电源；单片机；PwM安敬新华于銘实弱ft于皆瑾戏迄20安敬新华于銘实弱ft于皆瑾戏迄20ABSTRACTWith the development Of electronic technology, regulated POWer SUPPly has been Widely

2、 applied in all kinds Of PraCtiCal engineering. The electrical equipment and the StatUS Of COntrOl SyStemS have been greatly improved, and the energy has been SaVing y USing the regulated POWer SUPPly. MUC WaS USed as the main COntrOner Of the system, WhOSe PWM OUtPUt Can be USed as DAC through SimP

3、Ie circuit. The VOItage OUtPUt Can be Set by USing the keys, and the PraCtiCal VOltage WaS displayed through digital tubeKey WOrds： regulated POWer supply; MCU; PWM它敬新华学毓实黛找寻酋玮点. 20它敬新华学毓实黛找寻酋玮点c10IOOPF图2由于图2电路输出的电压固定不变，不能实现对输出电压的步进可调，所以为了能使输出电压步进可调,必须加以相关的电路来实现其功能电路图如图3oIN OUT图3这样，电路2实现对单片机所需工作电压的供

4、给，而电路3既可实现稳定的电压输 出，而且输出电压可以步进可调，所以本设计采用电路2与电路3的结合。2.3系统框图的设计经过对稳压电源基本原理的分析，基本对电路有了一个大概的设计。系统由各个模 块组成，各个模块组成的系统框图如图4。本设汁通过按键设置数字电压值并且在数码管上显示，而设置的电压值通过单片机 的PwM输出经RC滤波电路转换成模拟电圧值，通过模拟放大器将电压放大后送给控制 7805得到稳压输出。各部分功能：单片机：起到控制作用显示电路：用来显示预置电压电源电路：对单片机和稳压电路进行供电按键控制：对预置电压进行改变RC电路：将PWM方波信号转换成模拟电压值稳压电路：输出恒定的电压3硬

5、件电路设计3.1器件选择1. 1 STC12C5410AD 单片机STC12C5410AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片札 是 高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快 8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM, 8路高速10位A/D转换,针对电机 控制，强干扰场合OSTCI2C2052AD系列只有2路PWM, 8路高速8位A/D转换OSTCI2C54IOAD 基本结构框图如图5,引脚功能如表IoSTC12C5410AD 主要特性：增强型8051 CPU, IT,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统805

6、1：它酸糅华*靈实驹ft学腎瑋織足 20它酸糅华*靈实驹ft学腎瑋織足 2020工作电压：5. 5V - 3. 5V （5V 单片机）/ 3. 8V- 2. 2V （3V 单片机）：工作频率范围：O - 35 MHz,相当于普通8031的0420MHz；用户应用程序空间IK / 2K / 4K / 6K / 8K / IOK / 12K字节片上集成512字节RAM；通用I/O 口（27/23/15个），复位后为：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输 入/高阻，开漏；7时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器，用户在下载用户程序时，可选择 使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内

7、部R/C振荡器频率为：5. 2MHZ 6. SMHz ；共6个16位定时器/计数器，两个专用16位定时器TO和TI再加上PCA模块可再实 现4个16位定时器；外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,POWer DoWn模式可由外部中断唤醒；PWM（4路）/PCA （可编程计数器阵列,4路），5410系列是4路，可用来当4路D/A 使用，也可用来再实现4个定时器，还可用来再实现4个外部中断（上升沿中断/下降沿 中断均可分别或同时支持）；A/D转换，10位精度ADC,共8路。ICII0P3. .TWll/YCl i/ClrI/Ti/53. 5!2.2 2. 3EST JP3.0 IiIP3.L

8、112 mIinr 3/氏 13C3T2- |?2. 5 IGnd.Sini 3 4 IllITi. 7SCUAlCT n.6m4ic6 n. 5KSIIICS |?1. iSSIDC ?1. 3/JUC S 2/1IC27i.afa(A?3. 7CIITTinD IT 2. I)SOF28 一lkdifi28 ()1/11ICI表1管脚说明P0. 0标准I/O 口PO. 1标准I/O 口P0. 2标准I/O 口P0. 3标准I/O 口Pl. 0ADC0CLKOUTOPl. 0标准I/O 口ADCOADC输入通道-0CLKOUTO定时器、计数器0的时钟输出Pl.1ADC1CLKOUTIPl.

9、1标准I/O 口ADCIADC输入通道TCLKOUTI定时器、计数器1的时钟输出Pl. 2/ADC2Pl. 2标准I/O 口ADC2ADC输入通道-2Pl. 3/ADC3Pl. 3标准I/O 口ADC3ADC输入通道-3Pl.4/ADC4/SSPl. 1标准I/O 口ADC4ADC输入通道-4SSSPI同步串行接口的从机选择信号Pl.5ADC5MOSIPl.5ADC5MOSIPl. 5标准I/O 口ADC5ADC输入通道-5MOSlSPI同步串行接口的主出从入Pl.6ADC6MISOPl. 6标准I/O 口ADC6ADC输入通道-6MlSOSPI同步串行接口的主入从出Pl.7/ADC7/SCL

10、KPl. 7标准I/O 口ADC7ADC输入通道-7SCLKSPI同步串行接口的时钟信号P2.0PCA2PWM2P2. 0标准I/O 口PCA2可编程阵列输出2PWM2脉宽调制输出2P2. 1标准I/O 口P2.2标准I/O 口P2. 3标准I/O 口P2. 4PCA3PW3P2. 4标准I/O 口PCA3可编程阵列输出3PWM3脉宽调制输出3P2. 5标准I/O 口P2. 6标准I/O 口P2. 7标准I/O 口P3. 0RxDP3. 0标准I/O 口RXD串口数据接收端P3.1/TxDP3. 1标准I/O 口TXD串口数据发送端P3. 2/1NTOP3. 2标准I/O 口INTO外部中断0

11、,下降沿中断或低电平中断P3. 3/1NTIP3. 3标准I/O 口INTl外部中断1,下降沿中断或低电平中断P3. 4/T0/EC1P3. 4标准I/O 口P3. 4/T0/EC1TO定时器/计数器0的外部输入ECIPCA计数器的外部脉冲输入脚P3. 5T1PCA1PWIP3. 5标准I/O 口TI定时器/计数器1的外部输入PCAl可编程阵列输出1PwMl脉宽调制输出1P3. 7PCA0PWOP3. 7标准I/O 口PCAO可编程阵列输出0PwMO脉宽调制输出0RST复位脚XTALI内部时钟电路反相放大器输入端，外部接晶振的一个引 脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输 入端。X

12、TAL2内部时钟电路反相放大器输入端，外部接晶振的一个引 脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚可悬空。VCC电源正极GND接地3.1.2四位一体数码管本设计采用四位一体共阳极数码管战。由于把4个数码管做在一起了，减少了接正、负电源的引出端脚，能简化电路，使得焊接电路更加简单、方便。其原理与一般1位数咬2017:2017:20妄Si猱华学靈实驹ft爭蓉理点定20码管相同。数码管是山发光二极管构成的,亦称半导体数码管。将条状发光二极管按照 共阴极或共阳极的方法连接,组成8字，再把发光二极管另一电极作笔段电极,就构成 了数码管。若按规定使某些笔段上的发光二极管就能显示从O9的系列数字。常见数码管的结构

13、如图6(a)所示。图6(b)属于共阳极结构，图6(C)采用共阴极结 构。ag是7个笔段电极，DP为小数点。* +A +A +S * * *+a +S *3 幺 幺 *幺图 6 (b)图 6 (C)为了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。a,b,c,d, e,f, g,h (h为小数点)，哪个段码给低电平哪段就会点亮。例如O是要让 a, b, c, d, e, f段亮，输入的显示码为IIOOOOOOB十六进制为OCOH,以此类推一到九也是 这样算。共阴码就是把共阳码取反。求得数码管共阴极、共阳极字形或符号的编码如表 2叭表2字符显不共阴极段码共阳极段码显TF字符共阴

14、极段码共阳极段码O3FHCOHb7CH83H106FHF9HC39HC625BHA4Hd5EHAlH34FHBOe79H86H466H99Hf71H84H56DH92HP73H82H67DH82Hr31HCEH7O7HF8Hy6EH91H87FH8OH40HBFH96FH90H8OH7FHa77H88H熄灭OOHFFH3.2单元电路3. 2. 1 STC12C5410AD 主控模块单片机STC12C5410AD是稳压电源系统的控制核心曲，原理图如图7,其主要作用有 以下三点：1通过控制P3.7 口 PWM的输出信号的占空比从而控制DAC输出电压；2.产生正确的数码管显示段码传送给四位数码管，从

15、而显示所控制的电压值；3根据键盘的输出指令，完成输出电压的增大或减小。-T-IOuF13P2.2VCCP23RSTWC7/P1.7P3ORxDADC6 P 1.6P3.1TxDADC5/P1.5ADC4P1.4ADC3, Pl 3X2ADCzFl.2ADCbPLlXlADCO/PLOP3.2INTOP33INT1P 2.1P3.4TO2P2.0P3.5TIrPwMlP2.7P2.4PV7M3P2.6P2.5GNDPWMoP 3.71UlSTC12C54LCLW2825242322IT2019TS2726Ts. 20. 2020主控电路中包括STC12C54IOAD X作的基本电路：复位电路和晶

16、振电路，还有两个 按键：S2键和S3键，这两个按键用于控制输出电压的增加与减小。3. 2. 2 PWM的电压输出DAC模块DAC是整个系统的纽带，连接着单片机控制部分与稳压部分。本设计釆用 STC12C5410AD单片机提供的PwM输出功能，应用STC12C54IOAD单片机的PW输出经过 简单的变换电路实现DAC,这大大降低电子设备的成本，减少体积，并且容易提高精度。 应用PWM实现DAC的原理如下比PwM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号。图8是一种在电路 经常遇到的PwM波。该PWM的高低电平分别为ViI和孔，理想的情况VL等于0,但是实际 中一般不等于0,这往往是应用中

17、产生误差的一个主要原因。图8的PWM波形可以用分 段函数表示为： VH kNT t nT + kNTf(t)JVL kNT + nTt NT + kNT其中：T是单片机中计数脉冲的基本周期，N是PwM波一个周期的计数脉冲个数，n是 PWM波一个周期中高电平的计数脉冲个数，VJI和VL分别是PwM波中高低电平的电压值， k为谐波次数，t为时间。把(1)所表示的函数展开成傅里叶级数，得到(2)式： / =2( VH- v-0+ vJ+ 2sin(卞)cos( Wt -牛 k)N N NT NJLV -V 2 n HZ X+V sin(k)cos(KT-k)(2)小NNT NPWMrlf 度 MVH

18、 VL tOnTNT图8从(2)式可以看出，式中第一项为直流分量，第二项为一次谐波，第三项为高次谐 波分量。式(2)中的直流分量与n成线性关系，并随着n从0到N,直流分量从VL到之间变化，这正是电压输出的DAC所需要的。因此，只要把式(2)中除直流分量的谐波 过滤掉，则可以得到从PwM波到电压输出DAC的转换，转换电路图如图9。PWMR15R17DAC输出IOKIOKT104图93.2.3串联稳压模块串联稳压部分是本设计实现的核心用，电路图如图10, DAC电压输出电压决定稳压 电路的输出。该稳压电路山稳压器LM7805和运算放大器U3A组成，并且用A将稳压器与采样电 阻隔离。图中DAC输出电

19、压V。(即V+)为稳压电路的参考电压,运算放大器U3A的输出电 压为Vo,稳压器LM7805的输出电压为VI (V1=5V),串联稳压电路的输出为VoUt,其输 出与DAC电压VO成比例。当调节电位器的动端位置时，稳圧电路输出电压VOUt随之变化何，当VoUt下降时, 电位器由于串联分压使运放U3A的V-减小，从而使Vo增大，由于VOUt=Vl+Vo,所以乂 有VOUt增大。当VOUt增大时，V-增大，使Vo减小,由于VoUt二Vl+Vo,所以又有VOUt 减小。从而维持VoUt基本稳定。其稳定过程可简单表示如下：Voutf V VoQ but JVOUQ Vl Vct rout U2LM78

20、05图103. 2. 3显示部分模块显示电路是对系统输出电压进行显示，使得系统输出的电压值一目了然，由于只显 示输出的电压，所以本设计显示器件采用四位一体数码管，电路图如图11。I11C-COO二IMklP二离 O5g914软件设计1主程序流程图20A妄Si获华学靈实驹ft爭蓉理点定:20妄Si获华学靈实驹ft爭蓉理点定:204. 2键盘输入流程图2020开始初女台化显示II结束5测试结果与误差分析5. 1测试结果数据测试Ll的在于研究分析输出电压与设定值之间的误差。测试的结果如表3 表3次数设定值(V)输出电压(V)绝对误差(V)相对误差(%)16. 306. 320. 020. 3126.

21、 786. 780037. 507. 490.010. 1347. 957. 970. 020. 2558.438. 440.010. 1169. 129. 150. 030. 3279. 609. 620. 020. 20810. 0510. 100. 050. 50910. 5310. 570. 040. 381011.2511. 280. 030. 27其中设定值是通过数码管直接显示出来的电压值，输出电压则是通过万用表测量串 联稳压电路的输出VOUt得到的电压值。从表2中可以看出设定值与输出电压的误差并 不大，在能接受的误差范围内。2误差分析经分析，系统产生误差的原因主要体现在以下3个方

22、面叫PW方波并不是理想的方波，它的低电平并不等于零，这就导致了 PwM信号在转 换成DAC电压时存在着一定的误差，乂因为DAC输出电压为稳压电路的参考电压，所以 系统的输出电压必然存在误差。PWM信号为8位输出，其分辨率为0.0196 (5/255),精确度为0. 02V,所以系统 的输出电压存在着误差。在用万用表测量输出电压的过程中，不可避免的会出现测量或读数的误差，所 以设定值与测量值之间存在着误差。妄Si获华学靈实驹ft爭蓉理点定 20妄Si获华学靈实驹ft爭蓉理点定 20参考文献张友徳等.单片微型机原理、应用与实验M.复旦大学出版社，2006, 12180.刘琳,薛智宏，杨国福.STC

23、89C52单片机的智能型稳压电源的设J.江苏电器.2008.伍乾永.一种数控直流电源的设计J科技信息.2010.王增刚，苏淑靖，贾成伟.宽范用可调稳压电源的设i-J.自动化与仪表，2010.胡亚琦.单片机原理及应用系统设汁M.四安电子科技大学岀版社，2010.李建忠.单片机原理及应用M .西安电子科技大学出版社，2002.秦健.一种基于PWM的电压输出DAC电路设计.现代电子技术.2004.王春梅.实验室简易数控直流稳压电源的设汁.技改与创新.2011.李曼，王立红.数控直流稳压可调电源.山西电子技术.2011.康光华.电子技术基础.髙等教育岀版社.2005.20$ 20附录系统源程序#includeSdefine UChar UnSigned CharSdefine Uint UnSigned intSbit keyl=P34;Sbit key2=P35;UChar temp, A;Uint DA;UChar COde table = 0 xc0, 0 xf9, 0 xa4, OxbO, 0 x99, 0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;VOid delay(Uint n)Wh