毕业设计（论文）-单片机直流稳压电源设计.doc

泉 州 师 范 学 院 毕业论文（设计） 题目直流稳压电源 物理与信息工程 学院 电子信息科学与技术 专业 2007 级学生姓名 学号 070303026 指导教师 职称 讲师 完成日期 2011年4月 教务处 制直流稳压电源物理与信息科学学院 电子信息科学与技术 指导老师 【摘 要】随着电子技术的不断提高，对电源的要求不断提高。一个可调电压的直流稳压电源，并能显示输出电压数值，能方便人们的生活需要。将电网输出的220V电压经变压器，整流桥，滤波电容，稳压器输出稳定的直流电压。单片机连接TLC549芯片对输出电压进行采集，通过LCD液晶显示屏显示输出电压的数值。 【关键词】电源；变压器；稳压器；单片机引言4第1章 稳压电源的设计41.1 设计要求41.2 设计思路41.3变压电路51.4 整流电路及滤波电路51.5 稳压电路51.6 发光二极管电路7第2章 测量电路的设计82.1设计要求82.2设计思路82.3.主要元件介绍82.4 A/D转换原理112.5电路设计112.6 性能分析12第3章 系统测试123.1稳压电源部分的测试123.2测量部分的测试143.3 系统实现的功能14第4章 总结144.1 作品总结144.2 自我总结14参考文献15Abstract15附录1 主要元器件清单16附录2 作品原理电路图17附录3 作品PCB电路图18附录4 作品的实物图18附录5 完成的源程序19引言随着人们生活水平的不断提高，各种随身听，MP4，手机充电器成了我们居家旅行的必备物品。随着电子技术的不断提高，对这些电子设备的电源要求也越来越高。除了少数低电压低功耗的电子设备使用干电池外，大多数电子设备都需要一个稳定的直流电源。稳压电路部分将电网供给的220V交流电通过变压器进行降压，再通过整流桥输出带纹波的直流电，通过电容滤波器滤除纹波，变成纹波小的电压，最后通过稳压芯片7805，7812，LM317输出+5V，+12V和0-20V正可调的直流电压。测量电路部分通过单片机连接TLC549芯片进行电压采集，采集到的电压数值通过LCD1602液晶显示屏显示出来。第1章 稳压电源的设计1.1 设计要求 可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳压电源输出：12V/1A，5V/1A，一组可调正电压0-20V/1A。 具有过流，过压保护功能。 可调电压分辨率小于0.1V。变压电路整流电路滤波电路电源指示部分220V交流输入稳压电路直流电压输出1.2 设计思路稳压电源部分由变压电路，整流电路，滤波电路，稳压电路组成。变压电路是将电网220V的交流电压变成所需要的电压值。整流电路是将交流电压变成脉动的直流电压。滤波电路：由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。稳压电路：在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。 1.3变压电路 电网输入的是220V的交流电压，最后输出的是低压直流电。所以先要一个电源变压器将220V的交流电变为低压交流电。选用一个双18V/25W的电源变压器，中间带抽头，可接地。将输入的220V交流电压U1转变为整流电路所需要的交流电压U2。1.4 整流电路及滤波电路整流电路将交流电压U2通过单向桥式全波整流桥，经整流后变为单方向的直流电。单向桥式整流桥可选用集成整流芯片。由于U2max=1.414×18=25.38V，额定工作电流I=1A，所以集成整流桥芯片选择KBP307。1。图1单相桥式整流电路经过整流桥后输出的电压含有较大的纹波，需要通过滤波电路滤去电路中的纹波电压。滤波电路采用电容滤波器，电容在电路中有储能的作用，当电源供给的电压增大时，电容能把能量存储起来；当电源供给电压减少时，电容能把能量释放出来。使得输出电压比较平滑，也就是电容具有平波的作用【10】。电路中滤波电容承受的最高电压1.414×18=25.38V,所以选择电容的耐压值应该大于50V，所以选择2200uF/50V的电解电容。2200uF电解电容为大容量电解电容。大容量电解电容有一定的绕制电感分布，易引起自激振荡，形成高频干扰。可以在2200uF电容后面并入瓷质小容量电容来抵消电解电容的电感效应和线路的杂波，抑制高频干扰，这里选用334瓷质电容，另外在其后也需并联一个104瓷质电容。为了更好的消除纹波，在输出端前再并入一个470uF电解电容。【2】保险丝是用来防止电流过大而设计的，保险丝起到过流保护作用，允许通过的最大电流为2A。1.5 稳压电路由于输出地直流电压会随着负载和温度的变化而变化，所以，为了维持输出直流电压稳定不变，还要加上稳压电路，以提供更加稳定的直流电源。由于电源要求的输出功率较小，为了简化电路并提高电路的稳定性，因此选择集成稳压器。【3】集成稳压器在使用中普遍使用的是三端稳压器，可以分为固定式和可调式。其中可调电源端选用LM317芯片。LM317芯片可以输出可调正电压，它的可调范围为1.237V，最大输出电流为1.5A。图2 LM317实物图+输出端+U1输入端启动电路基准电源调整管放大电路保护电路采样电路U0图1.2三端集成稳压器的组成 可调电源端电路如图所示。输出电压U0可通过精密电位器RP2来调节，在忽略调整端电流Ia（一般为0.005-0.1mA）时，U0与RP2的关系为 ：式中1.25是LM317输出端与调整端之间的固定参考电压UREF。【4】此电压作用于电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压来调节电位器RP2，电阻R1取值220欧姆，与RP2并联电容C2可进一步减小输出电压的纹波。为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。RP2的值，可通过输出电压最大值Uomax和最小值Uomin，根据式Uo=1.25（1+RP2/R1）分别求出RPmax和RPmin而确定，一般选用精密电位器。【5】 图3 LM317应用电路固定式的集成稳压器选用78XX系列芯片，78XX系列芯片组成稳压电压所需的外围器件比较少，电路内部还有过流，过热和调整管的保护电路，使用起来可靠方便，而且78XX系列芯片价格便宜，芯片耐久可用不易烧坏。图4 78XX系统芯片实物图78XX系列芯片在使用过程中，要求输入电压U1比输出电压U0大2-3V，芯片前面并入电容来消除输入端接线较长时的电感效应，以防止自激振荡，还可减小输入端的高频脉冲干扰。5V电源端采用7805芯片，12V电源端采用7812芯片，通过的最大电流都为1A。由于集成稳压芯片在温度上升时稳压性能变差，甚至烧坏，所以芯片上面要接足够大的散热器，如果是小功率工作可以不用。1.6 发光二极管电路发光二极管可以起到电源指示的作用，将发光二极管串联进电路中。发光二极管正常工作电流为5mA-10mA，压降为1-2V。可在可调电压部分发光二极管后串联2K电阻，5V电源部分发光二极管后串联0.5K电阻，12V电源部分发光二极管后串联1K电阻。 图5 直流稳压电源部分电路原理图第2章 测量电路的设计2.1设计要求 可以显示0-20V的电压值 显示器可以是LCD也可以是LED 测量精度达0.1V 测量系统具备复位功能2.2设计思路测量电路部分由单片机，A/D转换电路，LCD显示电路组成。单片机控制TLC549芯片采集电压在LCD显示屏显示电压数值。2.3.主要元件介绍 2.3.1 STC89C52功能介绍STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，它具有较大的程序存储空间，并且其数据存储空间也能够满足用户的需要，它还易于实现功能拓展，AT89S52 支持串口直接下载程序，这就省去了专用的程序焼写器，从而提高了它的性价比。STC89C52系列单片机与AT89C52相比，增加了一些新的功能，且价格更便宜，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成专用复位电路，内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失，还增加了两级中断优先级。【6】图6 STC89C52引脚图图7 STC89C52实物图 2.3.2 TLC549引脚及功能介绍 TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATA OUT三条口线进行串行接口。具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17s，TLC549允许的最高转换速率为40000次/s。总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于较小信号的采样。TLC549是8位开关电容逐次逼近模数转换器，有8根引脚，引脚的功能简要说明如下：(1)电源引脚Vcc,8脚:正电源端,一般接+ 5V 。GND ,4 脚:地，REF + ,1 脚: 正基准电压端, 一般接+5V REF-,3脚:负基准电压端,一般接地。(2)控制引脚Cs,5脚:片选端, 由高到低有效, 由外部输入。I/ O CLOCK,7 脚:控制输入输出的时钟,由外部输入。(3)模拟输入引脚AIN,2脚:输入电压范围：0.3V-5V+0.3V(4)转换数据输出引脚DATE OUT,6脚：A/D转换结果输出的3 态串行输出端。图8 TLC549的引脚图2.3.3 LCD1602引脚及功能介绍(1)1602LCD主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm(2)引脚功能说明：LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下所示:第1脚：VSS为电源地。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。图9 lcd1602实物图2.4 A/D转换原理A/D转换电路由集成电路TLC549及一些外围电路组成，TLC549有片内系统时钟，该时钟与I/O CLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。当片选CS为高时， 数据输出(DATA OUT)端口处于高阻状态， 此时I/O CLOCK不起作用。 这种片选CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/O CLOCK， 以减少多路(片) A/D并用时的I/O控制端口。一组通常的控制时序为：(1)将片选CS 置低。 内部电路在测得片选CS 下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位(D7)位输出到DATA OUT端上。【11】(2)前四I/O CLOCK 周期的下降沿依次移出第2,3,4位和第5个位（D6、D5、D4、D3）， 片上采样保持电路在第4个I/O CLOCK下降沿到来时开始采样模拟输入。(3)接下来的3个I/O CLOCK 周期的下降沿将移出第6、7、8个转换位。(4)最后，片上采样保持电路在第8个 I/O CLOCK 周期的下降沿将移出第6、7、8个转换位。 保持功能将持续4个内部时钟周期， 然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。第8个I/O CLOCK 后，片选CS必须为高， 或 I/O CLOCK保持低电平， 这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。如果片选CS为低时I/O CLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O 时序失去同步；若片选CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。【7】2.5电路设计测量电路选用STC89C52单片机进行控制，LCD1602显示数码输出口接单片机P0口，LCD1602液晶接口接P2.5，P2.6，P2.7。TLC549时钟接P2.4，数据输出接P2.3，片选接P2.2。单片机采用前面稳压输出5V电源进行供电。 图10 电路原理图2.6 性能分析由于单片机为8位处理器，输入电压为+5V时，输出数据为255FFH，可以计算出单片机的最小分辨率为0.02V，又因为本测量电路需测量0-20V电压，所以显示最小分辨率为0.08V。TLC549是8位A/D转换器，满足需求，所以采用TLC549芯片。【8】测量值一般都会与实际值有偏差，这可以通过校正TLC549的基准电压来解决，稳压输出5V电源端不一定是准的5V电压，存在一定偏差。另外还可以通过修改程序来校正电压值。【9】第3章 系统测试3.1稳压电源部分的测试 3.1.1测试仪器 （1）双跟踪示波器 （2）数字万用表 3.1.2测试指标 （1）特性指标 稳压电源的特性指标指允许的输入电压，输出电压，输出电流和输出电压调整范围。 （2）质量指标 稳压电源的质量指标指用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括电流调整率，纹波电压等。 纹波电压指的是叠加在输出电压U0上的交流分量，可以用双跟踪示波器观测其峰-峰值，其值一般为毫伏量级。 电流调整率指的是输出电流从零变到最大值时产生的输出电压相对变化值。表1 稳压输出端空载情况下测试表输出端空载电压值（V）5V5.112V12.0可调端0-20V表2 5V输出端带负载情况下稳压系数测试表带负载值输出电压值（V）纹波电压（mV）电流调整率50欧姆5.028.41.96%1000欧姆5.125.60%表3 12V输出端带负载情况下稳压系数测试表带负载值输出电压值（V）纹波电压（mV）电流调整率50欧姆11.825.61.67%1000欧姆11.86.61.67%表4 可调输出端带50欧姆负载情况下稳压系数测试表输出电压值（V）纹波电压（mV）5.0239.310.0840.515.2241.219.8641.3表5 可调输出端带1000欧姆负载情况下稳压系数测试表输出电压值（V）纹波电压（mV）5.0226.810.0828.115.2228.619.8630.13.2测量部分的测试 3.2.1 测试仪器：数字万用表表6 LCD显示电压与实测电压的偏差LCD显示电压（V）实测电压/V误差/V00.0000.0004.995.020.0310.0610.040.0214.9714.920.0520.0819.990.09 3.3.2 误差分析：电压采集小的时候误差比较大，是由于采样电压的分辨率不高。这时可以通过修改程序软件编辑，提高采样电压的次数求平均值，提高分辨率，从而减小相对误差。另外如果电源提供的电压不稳定，也会导致采集到的电压存在一定的误差。3.3 系统实现的功能系统实现的功能有：（1）固定输出电压5V，12V；（2）输出可调稳定电压，电压调节范围为0V-20V，并可显示输出电压数值；（3）具有过流及短路保护功能。第4章 总结4.1 作品总结本系统以三端集成稳压器为核心，结合单片机采集电压显示电路。以电源变压器、整流桥、滤波电路和稳压电路等技术，实现可稳定输出固定电压和可调电压功能的电源；以TCL549采集电压，LCD1602显示数值，实现了显示输出电压数值，最终完成了毕业设计。4.2 自我总结经过自己的努力和导师的点拨终于完成了直流稳压电源的设计。在刚选这个题目时我敢到很自信，以为很容易，很快就能做好，因为原理和程序都学过。但真正自己去做的时候，才发现很多细节的地方根本没考虑到，一时觉的很茫然。细心的想想，都是以前学的理论知识拿去扩展下，用于实践就行。在写程序时候，以为就以前学的5V电压表程序就能用，结果不可以，慢慢熟悉了采集电压的原理，知道每个程序设计流程都相当复杂。在做电源时候，老是在考虑电容上发愁，后来才知道太大或太小的电容对纹波影响都比较大。在这次毕业设计中，我结合了理论实际，锻炼了我的动手能力和分析，解决问题的能力，积累了经验。同时也发现自己的很多不足，看问题时眼高脚低，做事缺乏耐心，没能把学习到的知识灵活运用。这样的实践机会在学习生涯中是很难得的，为以后步入社会工作打下一定的基础。参考文献1 黄智伟，王文光，朱卫华全国大学生电子设计竞赛训练教程M科学出版社，20052 王安，黄俊电力电子技术电子工业出版社，第四版3 曲学基，王福稳定电源电路设计手册M科学出版社4 孙德刚，刘越强烈电磁干扰情况下车内传感器信号的检测M计算机自动测量与控制，2000，57595 王九州，电源电路实用设计手册M沈阳：辽宁科学技术出版社，2002年,第一版6 段法能. 单片机原理及应用.电子工业出版社.20057 王曦，董燕程序与控制微计算机信息，20068 许得章，安权单片机分频电路设计自动化与仪器仪表,20019 杨帮文，实用电源电路集锦北京：电子工业出版社，1998年,第一版10Roger S Pressman. Software Engineering:A Practitioners Approach. Fifth Edition.McGraw-Hill,200111Shari L Pfleeger. Software Engineering Theory and Practice. Second Edition. Prentice Hall, 2000DC Power SupplyCollege of Physics and Information Science Electronic Information Science and Technology 070303026 Huang ningning Instructor Wu zhiwei Lecturer显示对应的拉丁字符的拼音 字典 - 查看字典详细内容 Abstract As electronic technology continues to improve, increasing demands for power. An adjustable voltage DC power supply, and can display the output voltage value, to facilitate the people's living needs.220V output voltage of the power grid through the transformer, rectifier bridge, filter capacitor, the regulator output stable DC voltage. TLC549 chip microcontroller connected to the output voltage for the collection, through the liquid crystal display LCD display of the output voltage values.Key wordsPower; transformer; regulator;one chip computer 附录1 主要元器件清单序 号名称型号、规格数 量1电容瓷片-0.11个2瓷片-0.333个3瓷片-1004个450V-22001个550V-4701个6电阻2201个71K5个84.7K2个9稳压器LM78051个10LM78121个11-LM3171个12发光二极管4个13二极管IN40011个16整流桥Kbp3071个17变压器220V/40V 50W1个18保险丝2A3个19单片机STC89C521个20A/D转换芯片TLC5491个21显示器LCD16021个附录2 作品原理电路图附录3 作品PCB电路图附录4 作品的实物图附录5 完整的源程序#include <reg52.h> / 引用标准库的头文件#include <intrins.h>#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); /延时#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define disdata P0 /显示数据码输出口uchar code dis = "dian ya" /显示数组unsigned int temp; / 存放转换后数据sbit IOCLK = P24; / 输入输出时钟I/O CLKsbit DATAOUT = P23; / 数据输出DATA OUTsbit CS = P22; / 片选信号sbit LCD_RS = P25; /定义液晶接口sbit LCD_RW = P26;sbit LCD_EN = P27;void lcd_wdat(uchar dat); /定义写数据子函数void lcd_wcmd(uchar cmd); /定义写命令子函数void AD_ZH(); /定义AD转换子函数bit lcd_busy(); /检测LCD状态void disp_line(uchar address,uchar *bmp);/*-延时函数-*/void delay(int a) uchar i; while(a-) for(i=0;i<250;i+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /* -TLC549 AD转换子程序- */uchar TLC549_ADC(void) /TLC549转换函数uchar i, tmp;CS = 1; /CS置高，片选无效IOCLK = 0;CS = 0; /CS置低，片选有效 ，同时DO输出最高位_nop_();_nop_(); /适当延迟时间1.4us 等待启动（大概需要内部系统时钟的两个上升沿和其后的下降沿）for(i = 0; i < 8; i+) /串行数据移位输入 tmp <<= 1; tmp |= DATAOUT; IOCLK = 1; /在CLK的下降沿读取数据 _nop_(); /CLK保持低电平一段时间等待数据读出 IOCLK = 0; CS = 1; /CS置高，DO处于高阻状态，且CLK禁止 （转换完成系统必须马上把CS置高for(i = 17; i != 0; i-) _nop_(); /转换周期最大17usreturn (tmp);/* AD 读数转十进制函数 */void Data_Conversion(void)uchar AD_Data;AD_Data = TLC549_ADC();temp = 5.0 / 256* AD_Data * 400; /扩大4000倍以输出小数/*LCD初始化设定*/void lcd_init() delay(15); lcd_wcmd(0x38); /16*2显示，5*7点阵，8位数据 delay(5); lcd_wcmd(0x38); delay(5); lcd_wcmd(0x38); delay(5); lcd_wcmd(0x0c); /显示开，关光标 delay(5); lcd_wcmd(0x06); /移动光标 delay(5); lcd_wcmd(0x01); /清除LCD的显示内容 delay(5);/*-检查LCD忙状态-*/*lcd_busy为1时，忙，等待。lcd-busy为0时,闲，可写指令与数据.*/bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result = (bit)(P0&0x80); LCD_EN = 0; return(result);/*写显示数据到LCD*/*RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据。 */void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P0 = dat; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0;/*-写指令数据到LCD-*/*RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=指令码。*/void lcd_wcmd(uchar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0;/*-数组显示-*/void disp_line(uchar address,uchar *bmp)lcd_wcmd(0x80+address);while(*bmp != '0') lcd_wdat(*bmp); bmp+;/*-主函数-*/void main()lcd_init();delay(20);disp_line(0x00,dis); /显示dian yalcd_wcmd(0x80+0x07); /显示冒号lcd_wdat(0x3a);lcd_wcmd(0x80+0x0a); /显示小数点lcd_wdat(0x2e);lcd_wcmd(0x80+0x0e); /显示Vlcd_wdat(0x56);while(1)TLC549_ADC();Data_Conversion();lcd_wcmd(0x80+0x08);lcd_wdat(temp/1000+0x30); /显示十位lcd_wcmd(0x80+0x09);lcd_wdat(temp/100)%10+0x30); /显示个位lcd_wcmd(0x80+0x0b);lcd_wdat(temp/10)%10+0x30); /显示十分位lcd_wcmd(0x80+0x0c);lcd_wdat(temp%10+0x30); /显示百分位delay(150);23