基于单片机的直流稳压电源

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文

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常州信息职业技术学院

学生毕业设计（论文）报告

系别：电子与电气工程学院

专业：应用电子技术

班号：应电091

学生姓名：陈爱云

学生学号：0906043145

设计（论文）题目：基于单片机的直流稳压电源

指导教师：罗锦宏

设计地点：常州信息职业技术学院

起迄日期：2011.9.5~2011.11.5

毕业设计（论文）任务书

专业应用电子技术班级应电091姓名陈爱云

一、课题名称：基于单片机的直流稳压电源

二、主要技术指标：(1)交流输入电压198<u<242V50Hz

(2)直流输入电流I=1A

(3)直流输出电压14.25V<U<15.75V

(4)交流纹波<5mV

DAC的主要技术指标：（1）分辨率：分辨率用输入二进制的有效比特数表示

（2）转换速度：用完成一次转换所需的时间来衡量

（3）转换精度：转换精度是指输出模拟电压的实际值与理论值之间的值三、工作内容和要求：本课题设计一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。该电源采用键盘，对输出电压及报警阈值进行设置，输出由单片机通过D/A，控制驱动模块输出一个稳定电压。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LED显示，多种显示模式间，由键盘控制进行动态逻辑切换。课题要求为：（1）硬件电路的设计(采用Protel99SE画原理图)（2）系统软件的设计（对各部分程序进行编译且画出流程图、原理图）

(3)系统调试及误差分析：输出误差≤0.1V额定输出电流≥500mA

四、主要参考文献：[1]陈其纯.电子线路[M].北京:高等教育出版社，2006

[2]童诗白,华成英,模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2001

[3]李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础（第3版）[M].北京:北京航空大学出版社，2006.7[4]吴清平，张慧敏，沈凯，夏莹，王迅.电子技术与项目训练——模拟部分[M].常州信息职业技术学院，2009

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

基于单片机的直流稳压电源

选题的背景和意义：

直流稳压电源是电子技术常用的仪表设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行试验操作和科学研究不可缺少的电子仪器。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低、复杂度高，而基于单片机控制的直流稳压电源就较好地解决以上传统稳压电源的不足。

课题研究的主要内容：

直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。针对此问题，设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。该电源采用键盘，对输出电压及报警阈值进行设置，输出由单片机通过D/A，控制驱动模块输出一个稳定电压。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LED显示，多种显示模式间由键盘控制进行动态逻辑切换。

主要研究（设计）方法论述：

方案一：采用单片机的方法

传统稳压电源由于受电子产品性能、研发条件等影响，普遍存在装置整体功能简单、输出误差大、抗干扰能力弱、内部接线多而复杂等多方面问题。而采用单片机的数字稳压电源则是将数字电路和单片机很好地结合在一起，不但能够达到数字电路的效果，而且能够大大地简化复杂的纯数字电路。采用单片机后，还可以用软件实现保护功能，要扩展其他的功能也非常容易。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

2011.9.5~2011.9.11

根据相关资料选择所要设计的课题，并写好相应的课题任务书

2011.9.12~2011.9.18

先确定即将要做的课题内容，然后再做好与之有关的开题报告

2011.9.19~2011.9.25

完成系统整体设计方案的编制

2011.9.26~2011.10.11

确定硬件电路的设计过程，按照要求完成硬件电路的设计

2011.10.12~2011.10.24

完成软件电路的设计

2011.10.25~2011.11.1

完成电路的系统调试

2011.11.2~2011.11.5

总结

五、指导教师意见：

指导教师签名：年月日

六、系部意见：

系主任签名：年月日

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院毕业设计论文

基于单片机的直流稳压电源

目录

摘要

Abstract

前言

第1章概述…………..………………..1

1.1直流稳压电源的基本介绍………….…………...1

1.2直流稳压电源的发展过程………….…………...1

1.3研究背景及其意义…………….……………….2

1.4直流稳压电源的优点…………….……….…….2

1.5直流稳压电源的技术指标…………….….…….3

1.6系统研究方向…………….……………….……3

第2章系统硬件电路的设计…………………..……………….…...4

2.1系统总体结构………….….…….4

2.2AT89S51最小系统…………….…………..…5

2.3单元电路设计与分析…………….……….……..6

2.3.1电源电路…………….…………………62.3.2键盘接口电路…………….………………8

2.3.3D/A转换电路…………….……………9

2.3.4稳压输出电路…………….………………..11

2.4LED显示电路…………….…………………12

2.4.1数码管显示简介…….……………….…….12

2.4.2数码管编码表…….………………….…….13

2.5系统总电路图…………….……………….…13

第3章系统软件设计…………..…………….…14

3.1主程序………………..…….…..14

3.2过流保护程序…………..….…..15

3.3键盘子程序…………..….……...16

3.4软件部分…………..……….…...16

第4章总体调试………………..……………17

4.1系统调试………………..……17

4.1.1系统测试……………..…17

4.1.2系统误差分析………..…..17

第5章结束语……………18

5.1总结……………………...……18

5.2展望……………………...……19

参考文献

答谢辞

附录1（总程序）

附录2（系统总原理图）

附录3（Proteus软件仿真图）

摘要

直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。传统稳压电源由于受电子产品性能、研发条件等影响，普遍存在装置整体功能简单、输出误差大、抗干扰能力弱、内部接线多而复杂、体重笨重等多方面问题。由于当时电力电子技术研发水平的局限。传统稳压电源通常常用粗调的方式来完成输出电压的调节，不能在较小的范围内调节，大大降低了直流稳压电源的使用范围。

随着单片机技术的不断成熟，利用单片机结合高性能的电力电子器件来开发直流稳压电源系统已成为目前发展的项目。对于此问题，设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。该电源采用键盘，对输出电压及报警阈值进行设置，输出由单片机通过D/A，控制驱动模块输出一个稳定电压。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LED显示，多种显示模式之间则由键盘控制进行动态逻辑的切换。

关键词：单片机；直流稳压电源；LED显示

Abstract

DCpowersupplyisthemostcommonlyusedequipment,inscientificresearchandexperimentsareessential.Thetraditionalregulatedpowersupplyduetotheperformanceofelectronicproducts,researchanddevelopmentconditions,prevalenceofintegralfunction,simpledeviceoutputerror,weakanti-jammingability,internalwiringismorecomplex,theheavyweightetc.Needleduetotheresearchanddevelopmentofpowerelectronicstechnologylevellimitation.Thetraditionalpowersupplyusuallyusedcoarsewaytocompletetheoutputvoltageisregulated,notinthesmallerrangeofregulation,greatlyreducestheuseofDCpowersupply.

Withthesingle-chiptechnology,theuseofmicrocomputerwithhighperformanceofpowerelectronicdevicestothedevelopmentofDCpowersupplysystemhasbecomethedevelopmentoftheproject.Tothisproblem,designedakindofsinglechipmicrocomputerasthecoreofintelligenthighprecisionsimpleDCpowersupply,toovercomethetraditionalshortcomingsofDCvoltagesource,hastheveryhighapplicationvalue.Thispowersupplyusesthekeyboard,theoutputvoltageandthealarmthresholdsettings,outputfromthechipthroughtheD/A,controldrivingmoduletooutputastablevoltage.Intheworkprocess,regulatedpowersupplyworkingstate(outputvoltage,currentandotherworkingstate)bytheMCUoutputdisplaydriverLED,avarietyofdisplaymode,controlledbythekeyboardfordynamiclogicswitching.

Keywords:Singlechipmicrocomputer；DCpowersupply；LEDdisplay

前言

单片机是计算机技术、大规模集成电路技术和控制技术的综合产物。经过30多年的发展过程，单片机应用已十分广泛和深入。根据Motorola公司统计，1990年，平均每辆汽车使用12个单片机，而到了2000年就增加到35个。所以可以毫不夸张地说，任何设备和产品的自动化、数字化和智能化都离不开单片机。现在，凡是电脑控制的设备和产品，必有单片机嵌入其中，这一切表明，单片机已成为人类生活中不可或缺的助手。

单片机应用系统设计不但要熟练掌握单片机程序设计语言和编程技术，而且还要具备扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。另外，考虑到当今使用最多的是8位单片机，所以在本次论文中则着重突出以AT89S51为代表的8位单片机的基础地位。设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

整篇论文共有5章。第1章是对直流稳压电源相关内容的基本介绍以及其发展过程的叙述。第2章则着重偏向于直流稳压电源硬件电路的设计（电源电路、键盘接口电路、稳压输出电路等）和总体电路图的设计。而第3章是对其软件电路方面的设计(主程序、过流保护程序)及总程序的编译。首先初始化系统，即AT89S51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短路，若短路则启动中断保护。从数模转换电路转换出的信号，一路经过流检测电路，把检测到的信号，送入单片机最小系统进行处理，若过流，则蜂鸣器鸣叫。第4章是对整个电路进行总体调试以及系统误差的分析。最后一章则是对论文的总结和展望。

在论文的设计过程中，我参考了一些有关单片机方面的著作和资料，除此之外，就是利用网络功能搜寻了直流稳压电源的相关内容及其介绍，希望能够达到预期所设定的效果。

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第1章概述

1.1直流稳压电源的介绍

直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。

直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多、效率低(常低于40％～60％)；后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。这类电源功耗小，效率可达85％左右，但缺点是纹波大、相互干扰大。从工作方式上可分为：①可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。②斩波型。输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。③变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。

目前使用的可控直流电源大部分是点动的，利用分立器件，体积大，效率低，可靠性差，操作不方便，故障率高。随着电子技术的发展，各种电子，电器设备对电源的性能要求提高，电源不断朝数字化，高效率，模块化和智能化发展。

以单片机系统为核心而设计的新一代——数控直流电源，它不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能优越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对数据进行各种计算，从而可排除和减少模拟电路引起的误差，输出电压和限定电流采用键盘输入方式，电源的外表美观，操作使用方便，克服了传统直流电压源的缺点，具有较高的使用价值。

直流稳压电源可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。

1.2直流稳压电源发展过程

从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功率的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中交流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的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及中间母线结构，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于劣势，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、遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。

1.3研究背景及意义

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、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)及细调(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范围内改变时(如1.02～1.03V)，困难就较大；另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。

（2）稳压方式均是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、宽调整范围的高压电源，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、宽调整范围的电源。

1.4直流稳压电源的优点

数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

电源采用数字控制，具有以下明显优点：

（1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

（2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

（3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

（4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过MODEM远程操作。

（5）系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

（6）易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯)，从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

1.5直流稳压电源的技术指标

在直流稳压电源电路的设计中，电源的转换效率要高，稳压电路对输入电压的波动适应性要好，输出直流电的纹波要小等指标。

1.特性指标

特性指标指表明稳压电源工作特性的参数，例如：输入、输出电压及输出电流、电压可调范围等。

2.质量指标

质量指标指衡量电源稳定性能状况的参数，如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。下面分别说明如下：

（1）稳压系数r：指通过负载的电流和环境温度保持不变时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。

（2）输出电阻r0：指当输入电压和环境温度不变时，输出电压的变化量与输出电流变化量之比。（r0输出电阻越小，带负载能力越强，对其它电路影响越小）

（3）纹波电压S：指稳压电路输出端中含有的交流分量，通常用有效值峰值表示。（S值越小越好，否则影响正常工作，如在电视接收机中表现“嗡嗡”声和光栅在垂直方向呈现S形扭曲）

（4）温度系数St：指在输入电压和负载电流都不变的情况下，单位温度变化所引起的输出电压的变化。（St越小，漂移越小，稳压电路受温度影响越小）

稳压器就是用来提供负载电流，能够稳定电压的设备。稳压器通过误差放大器的连接和对反方向输入端的分压电阻进行采样，最终使同相输入端连接到一个参考电压上。

对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压脉动的抑制能力。在规定的负载电流变化值条件下，通常以单位输出电压变化值的百分率表示，或以输出电压变化的绝对值表示；

1.6系统研究方向

直流稳压

\o"电源"

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、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．但均存在以下问题：输出电压是通过粗调（波段

\o"开关"

开关

)及细调(电位器)来调节。这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时（如1.02~1．03V)，困难就较大。另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。常常通过硬件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。本文设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。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8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、降低了直流稳压电源的损耗，从而提高了该类稳压电源的效率。

第2章系统硬件电路的设计

硬件电路在整个设计中起到非常重要的作用，它是将所要做的电路进行实体化，易于检测、观察，也方便与之后软件系统的编译。

2.1系统总体结构

本系统是以AT89S51单片机为核心控制器，具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和预置的电压信号可同时显示的数控直流电源，系统由AT89S51控制电路、键盘电路、电源电路、D/A电路、功放电路、短路保护及报警电路、稳压输出电路、LED显示电路八部分组成。系统通过“开关”、“+”、“-”三个按键来控制预置电压的升降，并通过数码管显示。AT89S51单片机送出相应的数字信号，在D/A转换之后输出电流，经集成运放转换、三极管放大、RC网络滤波，最终稳定，同时由LED数码管显示输出电压。

系统总原理框图如图2.1所示：

“+”“—”按键

显示电路

AT89S51最

小

系

统

电源电路

DAC0808

基准电压

电流放大

短路保护

稳压输出

图2.1系统总原理框图

本电路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P0口的8位数据线传输给D/A转换电路转换成模拟电压值，通过模拟放大器将电压放大后送给稳压电路最终输出。

各部分功能：

单片机：只要是起到控制作用

显示电路：用来显示预置电压

按键单元：对预置电压的改变

D/A转换：将数字电压转换成为模拟电压

控制电路：对稳压电路起到了控制作用

稳压电路：输出恒定的电压

2.2AT89S51最小系统

AT89S51最小系统结构框图如图2.2所示

图2.2AT89S51最小系统结构图

（1）电源

单片机的工作电源是+5V，40脚接VCC，20脚接GND。

（2）时钟电路

AT89S51单片机的时钟电路是在18脚和19脚外接6MHz的晶振，和内部的高增益反相放大器构成自激振荡电路，振荡频率取决于晶体的频率。C1、C2是补偿电容，起频率微调和稳定的作用。

（3）复位电路

单片机系统都必须有上电复位功能，第9脚由电阻R和C构成AT89S51单片机的上电复位电路，R和C组成微分电路。

复位的条件：高电平复位。

复位后：从头开始执行。

（4）第31引脚/EA接高电平。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51的引脚如图2.3所示：

图2.3AT89S51引脚图

管脚说明如下：

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。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

I/O口：作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

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地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2.3单元电路设计与分析

2.3.1电源电路

电源部分输入220V、50Hz交流电，输出全机所需的三种电压：+5V、+15V、-5V，主要供数控部分和D/A转换芯片使用；+15V作为运放的正电源，同时也是稳压输出电路的主电源。该电源模块部分拓展了-5V的负电压，同时作为运放的负电源。

电源电路如图2.4所示：

图2.4电源电路图

把交流电压经过变压器变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电压，再经稳压器得到稳定电压。

电源方框及波形如图2.5所示:

图2.5电源方框及波形图

其中：

（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2-5所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。

直流稳压电源除了主电源，一般都有两组辅助电源。第一辅助电源由整流器和稳压器组成，其输出电压也相当稳定；第二辅助电源与主电源电路相似，也由整流滤波电路和串联型稳压电路组成，其输出电压很稳定。第一辅助电源的输出电压一方面作为保护电路的电源电压，另一方面与主电源的输出电压和第二辅助电源的输出电压正向串联后，作为主电源比较放大电路末级差动放大管的电源电压，为比较放大电路提供一个具有较高电压的稳压电源，使其增益较大，这样，就提高了主电源串联型稳压电路的调整灵敏度，进一步提高了其输出电压的稳定度。第二辅助电源的输出电压一方面作为主电源比较放大电路差动放大管的电源电压，另一方面通过分压电路输出稳定的电压，作为主电源比较放大电路的基准电压。

用LM78/LM79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78或LM79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7805表示输出电压为+5V，LM7909表示输出电压为-9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常使用。

LM7805引脚图如图2.6所示：

图2.6LM7805引脚图

为了获得大的负载电流，可调稳压部分使用了最大输出电流为1A的LM7805三端集成稳压块。LM7805原本是输出固定电压为5V的集成稳压块，但可以外接电路来改变输出电压值，设运放理想。这时，可认为运放输入电压很小。即：

Vout=Vin+5

2.3.2键盘接口电路

键盘是有无数个按键组成的开关矩阵，它是一种廉价的输入设备。一个键盘通常包括数据键，字母键以及一些功能键。操作人员可以通过键盘向计算机输入数据、地址、指令或其它的控制命令，实现简单的人机对话。

用于计算机系统的键盘通常有两种：一类是编码键盘，即键盘上闭合键的识别有专用硬件识别；另一类是非编码键盘，即键盘上键入及闭合键的识别由软件实现。

键盘接口应具有的功能：

（1）键扫描功能，即检测是否有键按下。

（2）键识别功能，确定被按下键所在的行列的位置，产生相应的键的代码，消除按键抖动及对付多键串键。

当测试到有键闭合后，需要进行去抖动处理。由于按键闭合时的机械弹性作用，按键闭合时不会马上稳定接通，按键断开时也不会马上断开。由此在按键闭合与断开的瞬间会出现电压抖动，键盘抖动的时间一般为5~10ms，抖动现象会引起CPU对一次键操作进行多次处理。

去抖动的方法有硬件与软件两种：

（1）硬件方法是加去抖动电路，如可通过RS触发器实现硬件去抖动。

（2）软件方法是在第一次检测到键盘按下后，执行一段10ms的延迟子程序后再确认该键是否确实按下，躲过抖动，将信号稳定之后，再进行键扫描。在应用过程中通常采用软件去抖动方法。键盘接口电路如图2.7所示：

图2.7键盘接口电路图

如上图所示，键盘设计由三个按键控制即：“开关”键、“+”键、“-”键，并外接三个上拉电阻控制键盘去抖。此三键分别连接到单片机的P3．5、P3．6、P3．7接口进行控制。

2.3.3D/A转换电路

D/A转换基本原理：

将输入的数字编码，按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表个位的模拟量相加，所得的总模拟量与数字量成正比，即实现了从数字量到模拟量的转换。D/A转换电路如图2.8所示：

图2.8D/A转换电路图

DAC即数/模转装换器，一种将数字信号转换成模拟信号的装置。DAC的位数越高，信号失真就越小。声音也更清晰稳定。

传统的音频压缩技术，基于人耳听觉模型，这种理论的依据是在一定的频率附近，大声音压过小声音，从而可以删去小声音；如一声巨响会让你听不到其他声音。事实上，人听不到小的声音，但可以分辨出这个小的声音，细听还是有的。所以DAC创造了自己的自然声学模型，保证了所有声音的分辨感觉。

DAC格式具有以下特点：支持AC-3、DTS同一级别的高质量音频压缩算法；支持频率从22K-1M；支持通道数从1-32通道，包括5.1和7.1；支持16位到32位；每通道独立编码，无干扰、串扰问题；每通道位率为75、100、120、150Kbps等等。DAC格式具有以下优势：低码率时DAC压缩的大小与MP3差不多，但声音不发沙，定位感依然存在，与原始无损压缩相比只是会发现截止频率以上的声音有些小差别；中等码率时DAC音质与AC-3差不多，截止频率越过了人耳的范围，从仪器中可以测出；高码率时DAC音质与CD的差别是人耳几乎分辨不出来，只能从仪器中的波形进行比较才能分出差别；DAC的效率绝对不会发沙，因为它不删去频率，它不认为人耳听不到；也不会发闷，因为它不针对低质量的音频进行处理。

DAC的主要技术指标：

（1）分辨率：分辨率用输入二进制的有效比特数表示。

（2）转换速度：用完成一次转换所需的时间来衡量。

（3）转换精度：转换精度是指输出模拟电压的实际值与理论值之间的差值。

DAC0808引脚如图2.9所示：

图2.9DAC0808引脚图

管脚说明如下：

VCC：正电源电压

GND：地线输入端

VEE：负电源电压

NC：逻辑电源输入

Io：互补电流输出

A1～A8：8比特数字信号输入，输入无锁存

Com：补偿端，利用外接电容，对基准变化后DAC的频率特性进行补偿

Vref(+)，Vref(-)：精密参考电源输入端

2.3.4稳压输出电路

目前，集成稳压电源已经大量应用到电子系统中，使得整个电源部分工作更加可靠，体积大大减小，在电路图中用到了LM317、LM7805、LM7812、LM7912三端稳压器。作为此电源设计不可缺少的一部分，因此，应该对其功能、结构、参数、性能、工作条件进行更的深入的了解。

这是一种很常用的稳压器，其外型不同于普通的小功率三极管，LM317稳压块的输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压的LM317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。LM317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。由于LM317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。

所以本课题中直流稳压电源稳压输出部分是将控制部分送来的电压控制字数据转换成稳定的电压输出。它由转化器（DAC0808）、集成运放、晶体三极管、基准电压源（+15V）、过流检测电路组成。稳压输出模块包括过流检测电路，当电源过流时，过流检测电路输出为低电平，送到CPU的INT0申请中断，CPU接收后，延迟5ms。稳压输出电路如图2.10所示：

图2.10稳压输出电路图

TL082是一通用的J-FET双运算放大器。其特点有：较低的输入偏置电压和偏移电流；输出设有短路保护；输入级具有较高的阻抗；内建频率补偿电路；较高的压摆率。最大工作电压为±18V。

TL082引脚如图2.11所示：

图2.11TL082引脚图

管脚说明如下：

1脚：输出1

2脚：反向输入1

3脚：正向输入1

4脚：负电源

5脚：正向输入2

6脚：反向输入2

7脚：输出2

8脚：正电源

2.4LED数码管显示电路

2.4.1LED数码管显示简介

数码管LED串口显示模块通常有两种显示方法:动态显示和静态显示。

动态显示：连接方法是将每个二极管的同名端连在一起，而每个显示器的公共极COM各自独立的接受I/O线控制，CPU向字段输出端口输出字型码，所有显示器接受到相同的字符，而要使用哪个显示器要取决于他们的COM的电平，而这段是由I/O端控制的，由单片机输出。动态扫描时连续的动态扫描，只是肉眼暂留现象，乃发光二极管的余辉效应，给人的感觉是一组稳定的显示数据。

静态显示：静态显示显示效果好，但是功耗大，但不占用端口，只需两个串口线输出，变成较为简单。而且采用静态显示需要的驱动器件多，硬件成本相对更高。

比较以上两种方案，方案一硬件简单程序复杂，方案二硬件复杂程序简单，考虑到实惠和对自己的编程锻炼，选择方案动态显示。

动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段（a—g和dp）同名端连在一起，而每个显示器的公共极COM各自独立的接受I/O线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受到相同的字型码，但究竟使用哪个显示，则取决于公共极COM端，而这一端是由/WR和/RD控制的，由单片机决定何时显示哪一位。动态扫描用分时的方法去轮流控制各个显示的COM端，时各个显示器轮流亮。在轮流点亮扫描过程中，每为显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的于辉效应，给人的印象就时一组稳定的显示数据。

数码管显示电路如图2.12所示：

图2.12数码管显示电路

2.4.2数码管编码表

7段数码管可以包括小数点的0～9的数字和部分的英文字母，为了获得不同的字符，数码管各段所加的电平也不同，编码也不一样。共阴极数码管的字型，字段和编码的关系如下表2.1所示：

表2.1数码管编码表

十六进制数

hgfedcba

显示代码

0

００１１１１１１

0x3f

1

０００００１１０

0x06

2

０１０１１０１１

0x5b

3

０１００１１１１

0x4f

4

０１１００１１０

0x66

5

０１１０１１０１

0x6d

6

０１１１１１０１

0x7d

7

０００００１１１

0x07

8

０１１１１１１１

0x7f

9

０１１０１１１１

0x6f

.

１０００００００

0x80

2.5系统总原理图（见附录2）

第3章系统软件设计

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显示、电流报警等功能。

3.1主程序

首先初始化系统，即AT89S51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短路，若短路则启动中断保护，否则，实现稳压输出。

主流程图如图3.1所示：

开始

系统初始化

系统初始化

按键扫描

是否有键按下

调用显示处理程序

D/A转换

Y

N

图3.1主程序流程图

3.2过流保护程序

从数模转换电路转换出的信号，一路经过流检测电路，把检测到的信号，送入单片机最小系统进行处理，若过流，则蜂鸣器鸣叫。

在串联型稳压电路中，当过载时，特别是在输出端短路的情况下，输入直流电压几乎全都落在调整管的两端，这种过载现象即使时间很短，也会使调整管和整流二极管立即烧毁。因此，必须采取快速动作的过程自动保护电路。当过载短路时，通过保护电路使调整管截止，这时，输出电压和电流基本都下降为零，起到保护作用。这种保护电路称为截止式保护电路。

过流保护程序流程图如图3.2所示：

有电流？

过流？

蜂鸣处理

结束

N

N

Y

Y

图3.2过流保护程序流程图

3.3键盘子程序

键盘子程序流程图如图3.3所示

开始

按键扫描

有键

按下?

？

N

Y

Y

返回键值

返回

图3.3键盘子程序流程图

3.4软件部分（开发工具介绍）

单片的使用除了硬件，同样也要软件的使用，我们写汇编程序编程CPU可执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，一种是机器汇编。机器汇编通过汇编软件变为机器码，用于MSC-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从使用普通汇编语言到高级语言的不断发展，Keil是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。Keilc51汇编，PLM语言和C语言的程序设计，界面友好。Keil是美国keilsoftware公司出品的52系列兼容单片机c语言开发系统。用过汇编语言后再使用C语言来开发，体会更加深刻。

KeilC51软件提供丰富的库，与汇编相比，C语言在功能上，结构上，可读性，可维护性上有明显的优势，因而易学易用函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生产的汇编代码，就能体会到KeilC51DE生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

第4章总体调试

硬件和软件完成以后，就是对整体电路的测试，观测电路的各项技术指标是否与原先设定的值相等，若不相等的话，分析误差为多少。

4.1系统调试

判断单片机芯片及时钟系统是否正常工作有一个简单的方法，就是用万用表测量单片机晶振引脚（18、19脚）的对地电压，以正常工作的单片机用数字万用表测量为例：18脚对地约2.24V，19脚对地约2.09V。对于怀疑是复位电路故障而不能正常工作的单片机也可以采用模拟复位的方法来判断，单片机正常工作时第9脚对地电压为0，可以用导线短时间和+5V连接一下，模拟一下上电复位，如果上电复位，单片机就不能正常工作了，说明这个复位电路有问题。

调试LED显示：编制简单的显示小程序验证正常。

按键测试：用程序验证。

DAC测试：调Vref(+）/Vref(-）的基准电压使输入220V时输出电压15V。用软件测试输出。

4.2系统测试

系统功能测试：系统操作符合设计提出的基本功能及提出的部分发挥功能。

系统指标测试：当输出端接空载时，测量仪器数据如表4.1所示：

表4.1测量仪器数据

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

预置电压/V

0.0

1.0

2.0

5.0

6.0

8.0

9.0

10.0

12.0

14.0

15.0

输出电压/V

0.0

1.0

2.0

5.0

6.0

8.0

9.0

10.0

12.0

14.0

15.0

实测电压/V

0.00

1.01

2.00

5.01

6.03

8.02

9.01

10.01

12.03

14.01

15.02

4.3系统分析

从电路的原理框图可以看出，系统的误差主要是：

0808的量化误差；

放大器放大的线性失真引起的误差，以及经过0点的调零误差；

基准电压温漂引入的误差；

误差调整：

（1）可以采用精度更高的DAC，采用线性度较好的的放大器，增加系统正负放大器电源供电电压等。

（2）采用了查表法，在256个值中选取最接近所需电压的值。

第5章结束语

5.1总结

通过这次论文的设计，巩固了我两年来所学习过的专业知识，也使我把理论与实践从真正意义上相结合了起来，考验了我借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力，从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足之处。在软件方面我还是有些薄弱环节，有些地方还是常会出现一些小错误，对于一些指令还是有点不熟悉，所以在这次课程设计中也使我更加巩固了以前所学的知识。对于这些薄弱地方，我会在日后的学习中更加注意。此外，通过使用电路CAD软件Protel99se，也让我们了解到计算机辅助设计(CAD)的优势，有利于提高工作效率。

基于单片机的直流稳压电源是以单片机为核心设计的一种智能稳压电源，电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越。所研制的智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。输出电压采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。在这次设计中，我将所学模拟电子技术、数字电子技术和单片机等基础课程的知识，运用在电子制作中的软硬件中，我深刻的体会到理论联系实践的重要性，明白了指导实践和服务于实践的内涵，只有灵活的掌握知识，才能真正的应用于实践，同时理论知识与实践还是有差距，理论设计能实现的电路原理，实际调试运行时不一定行得通——需要考虑各种误差产生的因素。动手能力得到了锻炼和提高，每一个出现的问题都需要认真分析找出原因。

总而言之，在论文的设计过程中，我学到了很多知识，跨越了传统方式下的教与学的体制束缚，在论文的写作过程中，通过查阅资料和搜集的文献，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动地寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我可能只会记住一些书本知识，但是通过毕业论文的设计，我学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好地处理知识和实践相结合的问题。

首先，收集相关资料。一方面利用学校图书馆资源，另一方面利用网上资源。

其次，提高设计效率，遇到不懂的疑惑与其他同学及时沟通，以迅速解决设计中遇到的问题。

再其次，尽早落实工作，剩下时间专心致志做好毕业设计。

最后，同学之间相互学习、沟通、鼓励、支持。

5.2展望

基于单片机的数控直流稳压电源，完全改变了传统直流稳压电源的设计，具有新颖性、独创性和先进性。它不仅能作为常规的电子产品和科研实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比。与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高以及其输出电压大小采用数码显示的特点。与市场上普通的继电器调压式直流电源相比，具有精度高，波纹小，稳定性极高的特点。电压电流值从零至额定值连续可调，恒压恒流自动转换在确定范围内任意选择且限制保护点。

随着科学技术的发展，直流稳压电源等仪表数字化、智能化、网络化将是发展方向。高精度数控直流稳压电源的研制对准了这个发展方向，加上计算机技术的迅速发展，使之具有非常广阔的发展空间。本次关于简易数控直流稳压电源的设计在辅导老师的精心指导下，和同组内其他成员的共同交流下才得以顺利完成。

经过这次毕业论文的设计，将我大学两年来所学的理论知识转化为实际应用，既锻炼了我们的实际操作能力，又使理论知识得以加强和升华，激发了创新意识。

再次感谢各位老师和同学们的帮助！

参考文献

[1]李光弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础（第3版）[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.6

[2]吴青萍，王迅，张慧敏等.电子技术与项目训练——模拟部分[M].常州信息职业技术学院,2006

[3]陈其纯.电子线路[M].北京:高等教育出版社,2006

[4]

/view/3ca76a0016fc700abb68fca5.html

[5]马忠梅,籍顺心.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.5

[6]张景路,于京,马泽民.51单片机项目教程[M].北京：人民邮电出版社，2010.3

[7]夏路易，石宗义.电路原理图与电路板设计教程Protel99SE[M].北京：北京希望电子出版社，2002.6

答谢辞

在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师罗锦宏表示衷心的感谢并致以最真挚的敬意！

在论文工作中，一直得到罗锦宏老师的亲切关怀和悉心指导，罗锦宏老师以其严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印象，我将终生难忘。再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为我们学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助!值此论文完成之际，谨向罗锦宏老师致以最真挚的谢意!此外，在论文设计过程中，很感谢我们班同学的帮助，在软、硬件设计过程中，我都已经忘记了一些有关硬件方面的知识，幸好有同学的提点和帮助，才得以完成相关硬件内容的设计。

在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢!

在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人及同学给予我的全力支持！即使在我遇到困难时，不畏困难，继续向前努力！

最后，再次衷心地感谢在论文设计过程中帮我过的所有老师和同学！

附录1总程序

#include<reg52.h>

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

unsignedcharcodeziku[20]=

{

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,//0,1,2,3,4,

0x92,0x82,0xD8,0x80,0x90,//5,6,7,8,9,

0x88,0x83,