基于单片机的可调直流稳压电源设计说明.docx

初步整流稳压局部、单片机控制局部、DAC稳压局部和显示局部组 成。该稳压电源可步进调节、实时显示，弥补了传统稳压电源的缺乏， 其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后稳压模块的输出。利用单片机控制数模转换芯片 DAC0832输出电压作为稳压电路的参 考电压；单片机通过键控改变DAC0832勺输出电压，作为参考电压发 生改变，稳压电路调整管的压降也会相应地发生变化， 从而改变输出 电压。目录1. 引言42. 设计任务与要求42.1设计目的42.2设计容43 电源设计方案与论证53.1设计方案分析53.2 D/A数字模拟转换模块63.3稳压模块63.4按键控制模块73.5显示模块73.6电源模块74 电源系统硬件介绍74.1单片机模块74.1.1 单片机介绍74.1.2 单片机外围电路介绍94.2 D/A 模块104.2.1 DAC0832T 作原理104.2.2 DAC083%其外围电路114.2.3 D/A转换的计算124.3 LED数码管显示模块14数码管结构14数码管工作原理14数码管连接电路图154.4直流电源15整流滤波、初步稳压155. 电源硬件电路仿真图166. 电源硬件电路原理图177. 硬件电路PCB图178. 硬件电路实物图19设计心得参考文献附录1引言随着电力电子技术的迅速开展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。 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。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以 上传统稳压电源的缺乏。2设计任务与要求2.1 设计目的1. 学习根本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路结 合单片机设计电路的根本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。2. 学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法，稳固单 片机的学习应用。3. 培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。2.2 设计容设计数显式直流稳压电压源，要求完成以下主要技术指标：1. 当输入交流电压为220v时，输出电压连续可调；2. 使用按键调节电压，调整围在012V可调，调整幅度为0.1V ； 初试电压置为5.0V3. 显示设定电压和测量电压，显示精度为0.1V，显示方式数码 管显示。2.3 设计步骤1. 查阅有关资料，完成总体设计框图2. 完成设计框图各个局部的详细设计，并选择适宜参数的电子元器件完成各局部电路，绘制电路原理图。统计所有元器件的参数和 数量，购置元器件。3. 将元器件依照电路原理图焊接至电路板上，完成电源的实物 制作。4. 调试电路，根据需要调节元件参数，必要时，替换个别元件。5. 完成设计报告。3电源设计方案论证 3.1设计方案分析分析此题，根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图如图 1:显示电路调整电路按键控制电源电路STC89C51单片机比拟电路rDAC输出 稳压 电路图1系统框图3.2 D/A数字模拟转换模块方案一：采用MX7541是高速高精度12位数字/模拟转换器芯片， 功耗低，而且其线性失真可低达 0.012%,特别适合于精密模拟数据 的获得和控制。方案二：采用DAC0832 DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟 转换芯片。本系统是基于51单片机的数控电源的设计，8位的单片机，而 MX7541是12位数字输入的，因此须用锁存器。而此数控电源要求单 步0.1V，012V, DAC0832完全可以到达，应选择常用的 DAC08323.3稳压模块稳压局部是系统的实现核心，DAC模块输出的模拟信号决定最终 的输出电压，电路如图2所示。图2稳压电路稳压电路中电阻R1和R3组成取样电路，对输出电压进行取样，运放TLC082构成比拟电路，对采样电压与数模转换输出的电压进行比拟 以控制调整电路，三极管Q1和Q2构成调整电路，调整电路通过改变 三极管Q2的管压降来调整输出电压。3.4按键控制模块方案一：采用矩阵键盘，由于按键多可实现电压值的直接键入。 方案二：采用一般的电平判键按钮，实现方法很简单，但一个端 口最多只实现8个按键。由于本数控电源需要用的按键不多，要实现步进为1V的设计要求，只需用一个“ +和一个“-按键。2个按键就可实现此题的设计要求，固采用方案二。3.5显示模块方案一：选用数码管显示，用普通的数码管显示简单的数字、符 号、字母。方案二：选用液晶显示，显示的容更加的丰富。此系统显示的只是最终电源输出的 10位和个位电压值，只需显 示出两个数字，数码管更加的实惠，故我选择了方案一。3.6电源模块220V交流电经过降压、整流，然后使用LM7805 LM7815 LM7915 芯片进行稳压，分别为系统提供+5V、+15V -15V工作电压，使单片 机芯片、显示模块、稳压模块、DAC莫块等正常工作。4电源系统硬件介绍4.1单片机模块STC89C5是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压， 高性能COMOS8微处理器。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器 制造技术制造，与工业标准的 MCS-5指令集和输出管脚相兼容。单片机介绍CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运 算和控制操作，CPU由运算器和控制器两局部电路组成。a. 运算器电路运算器电路包括ALU算术逻辑单元、ACC累加器、B存放 器、状态存放器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算 术运算和逻辑运算。b. 控制器电路控制器电路包括程序计数器 PC PC加 1存放器、指令存放器、指 令译码器、数据指针 DPTR堆栈指针SR缓冲器以与定时与控制电 路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各局部正常工作。c. 定时器/计数器MCS 52单片机片有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时 器1。它们可以用于定时控制、延时以与对外部事件的计数和检测等。d. 存储器MCS 52系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其 主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。e. 并行I/O 口MCS 52单片机共有4个8位的I/O 口 P0 P1、P2和P3,每 一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8 个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电 路。f. 串行I/O 口MCS 521单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行 通信接口，可以同时发送和接收数据。g. 中断控制系统8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中 断1个。h. 时钟电路MCS 52芯片部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。 时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率围为1.2MHz12MHz典型取值为6MHzi. 总线以上所有组成局部都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的 单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的， 总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。 选用单片机的结构：1 一个8位算术逻辑单元2 32个I/O 口4组8位端口可单独寻址3两个16位定时计数器4全双工串行通信5 6个中断源两个中断优先级6 128字节置RAM7独立的64K字节可寻址数据和代码区每个8051处理周期包括12个振荡周期每12个振荡周期用来完成一 项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12取倒数然后指令执行所须的周期数因此如果你的系统时钟是11.059MHz除以12后就得到了每秒执行的指令个数为921583条指令取倒数将得到每 条指令所须的时间1.085ms。STC89C5的管脚图如图3:图 3 STC89C52管 脚图单片机外围电路介绍电源引脚Vcc和VssVcc :电源端，接+ 5V。Vss :接地端。时钟电路引脚XTAL和XTAL2XTAL1 :接外部晶振和微调电容的一端，在片它是振荡器倒相放 大器的输入，假设使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。XTAL2 :接外部晶振和微调电容的另一端，在片它是振荡器倒相 放大器的输出，假设使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。地址锁存允许ALE系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存 P0口输出的低8位地 址，从而实现数据与低位地址的复用。P0口与数码管相连，P1 口的P1.0P1.3作为位选端。P1 口的P1.6,P1.7和键盘相连，作为整个系统的输入局部。和 P1.6,P1.7相接的分别是“ +，“ - 号键。P2口和DAC083的输入相接，作为 D/A模块的输入。4.2 D/A模块421 DAC0832工作原理直流稳压电源的数模转换采用通用芯片 DAC0832 DAC0832的原 理框图如图4所示。DAC0832主要由8位输入存放器、8位DAC存放 器、8位D/A转换器以与输入控制电路四局部组成。8位输入存放器 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，由加以 控制；8位DAC存放器用于存放待转换的数字量，由加以控制；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个存放器的选通或锁存状态。DI0DI7ILE8位输入存放器LE1LE28位D/A转换器CSWRWR2_ &XFER- 一8位DAC存放器VrefIout2 loutl Rfb,AGNDVCC DGND4 DAC0832原理框图Vcc芯片电源电压，+5V + 15VVREF参考电压，-10V+10VRFB反应电阻引出端，此端可接运算放大器输出端AGND模拟信号地DGND数字信号地DI7 DI0数字量输入信号 其中：DI0为最低位，DI7为最高 位。当WR莉XFER同时有效时，8位DAC存放器端为高电平“ 1，此时DAC存放器的输出端Q跟随输入端D也就是输入存放器Q端的电 平变化；反之，当端为低电平“ 0时，第一级8位输入存放器Q端的状态那么锁存到第二级8位DAC存放器中，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DAC存放器的输入 端到输出端直通，只有第一级8位输入存放器置成可选通、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5所示。图5 DAC单极性输出电路4.2.2 DAC0832与其外围电路本系统是基于单片机的数控电源的设计， 而MX7541是12位数字 输入的，因此须用锁存器。而此数控电源要求单步1V, 215.0V只需区分14个点，DAC0832完全可以到达，应选择常用的 DAC0832当 其与单片机进行相连时，电路也简单，只需把单片机的数据线与 DAC0832勺输入端直接相连即可，程序也很简单，只需向其送数据即 可。DAC0832的管脚图如图6所示:VI3YDD恋XLXFEF.TOWEF工mCT4IOLTTlom丄DJLZCS31LOJ图6 DAC0832管脚图其各个引脚的连接与外围图:Jfc图7 D/A模块电路互(V)256;10位 DAC5的分辨率为21051024(V)。可见,DAC勺位数越高,分辨率越小。423 D/A 转换的计算D/A转换器DAC输入的是数字量，经转换输出的是模拟量。DAC 的技术指标很多，如：分辨率、满刻度误差、线性度、绝对精度、相 对精度、建立时间、输入/输出特性等。分辨率：DAC勺分辨率反映了它的输出模拟电压的最小变化量。其定义为输出满刻度电压与2n的比值，其中n为DAC勺位数。如：85位DAC勺满刻度输出电压为5V,那么其分辨率为28建立时间：是描述DAC专换速度快慢的参数。其定义为从输入数12 LSB 最低有效位所需的时间。咼字量变化到输出到达终值误差 速DAC勺建立时间可达1us。接口形式：在DAC输入/输出特性之一。包括输入数字量的形式， 十六进制式BCD输入是否带有锁存器等。DAC083为8位D/A转换器。单电源供电，围为+5V+ 15V,基准 电压围为10V。电流的建立时间为1us。CMOS：艺功耗20mw输入设有两级缓冲锁存器电压的计算方式：该数模转换电路采用的是DAC0832单极性输出方式，输出Vo=-B*Vref/256 ,其中B的值为D0D7组成的8位二进制，取值围为0255, Vref是参考电压，该电压有电阻 R2、R10和可变电阻RV1分 压所得，通过调节可变电阻可以改变参考电压Vref。数字量取0256, B取16, Vref取-8V,即数字量每步进16,模 拟量0.03125V，要到达步进0.1V，必须放大2倍，用运放即可。运算放大器的原理如以下列图：.Ifwssv11学 嘉腭二xV巧SY图8运算放大电路输出的电压V,再从Vi输入，经过电容滤波再输入，I Vi V V V。R4R3V V 0ViVoR4 R3R3Vo3 ViR4输出的Vo值的大小为输入Vi的R3 R4倍，只需调节可调电阻 R3的阻值到达所需的电压放大倍数即可，输出的电压 Vo通过电压跟 随，再用于控制LC082的输出。4.3 LED数码管显示模块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AF、HL、P、R U、Y、符号“ 与小数点“。共阳数码管的外 型结构如图9所示。AlaAS A3 b图9外型结构432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， 那么该端所连接的字 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 与段导通电流来确定相应的限流电阻。433数码管连接电路图图10数码管连接电路图4.4直流电源整流滤波、初步稳压整流就是把交流电变成脉动的直流电的过程，整流的根本器件是 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直流 电，桥式整流电路如图11所示。图11整流滤波电路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)n型滤波等滤波形式。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， 那么电压变化也越慢，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12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。图12三端稳压电路5电源硬件电路仿真图采用Proteus仿真，电路图如下:6电源硬件电路原理图采用Protel 2004绘制的原理图如下：1IIfl.-JL'rp F:"FSF-阵斧氣.-MM 兰:;41-7 A r- r 丹 FrJMR Hi-lJ-JJ-IJ71.44-1 1Fk l iV n* l 丙>心i r! F X 1Cxs£s97NJ 1 J,! >T HtL血3 :厂j- BiZJi*E=ri 目nItKU !-PdTl!'w"hth V yJlirni图13开关电源电路原理图7.硬件电路PCB图根据原理图来硬件电路的设计，最后生成的PCB板图如下:11J lbLOOa0CplL_.1亠P6VR2ClC8C9C2P30 0C5 a图14开关电源电路PCB图8 硬件电路实物图设计心得本次设计共5周时间，分别进行了可调直流电源电路原理图的设 计，电路仿真图的设计以与实物电路板的焊制几个过程。经过这次的课程设计，我们不仅加深了对Protel 2004软件的应用和Proteus仿真软件的了解和使用，还学到了许多课本上没有涉与知识，练习了电路原理图的设计和仿真运行，同时对以前学习的单片机课程进行了 一次全面的复习和稳固，收益很大。第一阶段是对稳压开关电源电路原理图设计，刚开始感觉有一定 的难度，主要是对Protel 2004软件与功能的不了解。整个设计的过 程就是一个学习的过程。因为在设计的过程中，我们必须熟悉电路原 理与器件的使用特点，这些都是对课本知识复习和稳固。这次设计让我对单片机有了进一步的了解，而且对Proteus仿真软件的有了一定了解。体会到了 Proteus仿真软件的强大。这次设计 能够很大程度上的把我们从课堂上以与外出实习所学的东西应用出 来，是对自己能力的一个很好的证明。从中我们发现自己的缺乏之处， 比方，对单片机的端口选择，对整体效果的影响，对各个元件的功能 以与圭寸装没有进行很彻底的了解，导致线路存在问题等等。通过本次设计，能够使我们熟练掌握单片机控制电路的设计、程 序编写和整体焊接与系统调试，从而全面地提高我们对单片机的软 件、硬件等方面的理解，进而增强我们在实践环节的动手操作能力。 譬如，我们可以根据实验指导书的要求，完成开关电源电路的硬件设 计、电路器件的选择、单片机软件的运行、以与整体系统调试，并写 出完善的设计报告。在进行设计之时，也是对我们所学的数字电路、 模拟电路、电路根底、微机原理、电力电子和单片机等相关课程的知 识的一种复习与稳固，为以后的工作打好一定的根底。参考文献1乔恩明.开关电源工程设计快速入门.中国电力.2021.42康华光.电子技术根底模拟局部.高等教育.20023倪晓军.单片机原理与接口技术教程.:清华大学，2021 .44广弟，单片机根底：航空航天大学,.19944康华光.电子技术根底数字局部.高等教育.20025 王兆安，进军.电力电子技术第五版.：机械工业.2021.56 周灵彬，靖武.PROTEU的单片机教学与应用仿真J.单片机与嵌入式系统应用.2021年01期附录基于单片机的直流可调电源的设计程#in clude<reg51.h>#defi ne uchar un sig ned char/管脚定义sbit jia=P1A6;sbit jian=卩1八7;sbit LED仁P1A0；sbit LED2=P1A1；sbit LED3=P1A2;/函数声明void delay(void); void key(void);void add01(void);void dec01(void); void shuchu(void);void DA(void);sbit LED4=P1A3;/延时/按键/步进加0.1/步进减0.1/显示输出和电压调节/模数转换uchara10=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90; uchar bw=0,sw=0,gw=5,dw=0;void ma in (void)/ 主程序while(1)key(); shuchu();DA()；void delay(void) /延时程序un sig ned char i,j;for(i=10;i>0;i-)for(j=248;j>0;j-);void key(void)/ 按键uchar k;P仁 0xff;k=P1;if(k=0xff)return;delay();k=P1;if(k=0xff)return;while(P1!=0xff)delay();switch(k)case 0xbf:add01();break;case 0x7f:dec01();break;void add01(void) / 步进加 0.1if(dw<9&&!(sw=1 &&gw=2) dw+;else if(dw=9)if(sw=1 &&gw<2)| (sw=0&&gw<9)gw+；dw=0;else if(sw=0&&gw=9)sw+;gw=0；dw=0;void decOI(void) / 步进减 0.1if(dw>0) dw_;else if(dw=0&&gw>0) gw-; dw=9;else if(dw=0&&gw=0&&sw>0) sw-;gw=9;dw=9;void shuchu(void)/修改显示数值与电压输出LED2=0;LED3=0;LED4=0;P0=abw;LED1=1;delay();LED3=0;LED4=0;LED1=0;P0=asw;LED2=1;delay();LED1=0;LED2=0;LED4=0;P0=agw+0x80;LED3=1;delay();LED1=0;LED2=0;LED3=0;P0=adw;LED4=1;delay();void DA(void) / 模数转换 un sig ned char temp,dia nya; temp=sw*100+gw*10+dw; dia ny a=temp*2.13;P2=dia nya;