基于stc89c52rc单片机的数控直流稳压电源设计.docx
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基于stc89c52rc单片机的数控直流稳压电源设计
摘要
本设计以直流电压源为核心，STC89C52RC单片机为主控制器，单片机系统是数控电源的核心。
它通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能。
通过数字键盘来设置直流电源的输出电压，输出电压范围为0V—10V，最大电流为1A，并可由液晶屏LCD1602显示实际输出电压值。
本设计由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟量，同时输出采用ADC0832对采样的电压、电流转换为数字信号，再经过运算放大器LM324隔离放大,最后通过单片机实现闭环控制输出各种设备所需要的电压。
实际测试结果表明，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。
关键词：
直流稳压电源，STC89C52RC单片机，数控，DAC0832
ABSTRACT
Thissystemtodcvoltagesourceasthecore,mainlySTC89C52RCSCM,SCMsystemisthenumericalpowerofthecore.Itisthroughthesoftware.Runtocontroltheworkofthewholeapparatus,thus忽略pletingthesetoffunctionsthroughthematrixkeyboardcontrollertoinstalldcpowersupplyoutputvoltage,therangeof0V-10V,themaximumcurrentof1A,andcanshowtheactualpipebydigitalLCD1602outputvoltagevalues.Thissystemconsistsofmicrocontrollerprogramoutputdigitalsignal,throughD/Aconverter（DAC0832）outputanalogamplifier,whiletheoutputvoltageregulator,currentuseofanalog-to-digitalconverterADC0832chipsamplingofvoltageandcurrenttodigitalsignals,afteranotheropamplm324isolationamplifier.Finallythroughthesingle-chipclosed-loopcontroltoachieveoutputvoltageofequipmentneeded.Testresultsshowthatthissystemapplicationinneedofhighstabilityofsmallpowerconstant-voltagesourcefields.
Keywords:
regulatedpowersupplyofdirectcurrent，（MCU）micro忽略puterSTC89C52RC，digitalcontrol，DAC0832
第一章绪论
1.1研究目的背景及意义
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。
1.2国内外发展状况及相关领域的应用
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中直流/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21世纪初更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/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。
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
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。
1.3课题研究设想及方法
目前，市场上各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等。
本设计将单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节。
从组成上，本设计硬件电路主要由单片机、变压器、整流电路、滤波电路、稳压输出电路、D/A转换电路、A/D转换电路、显示电路等组成。
利用D/A转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计数控电源更显示出其优越性。
数控电源既能方便输入，具有较高精度和稳定性，而且在0V到10V可以任意设定输出电压，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。
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。
针对以上问题,我们设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。
该电源采用薄膜轻触键盘,可对输出电压进行设置,输出由单片机通过D/A,A/D电流电压取样等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LCD显示,多种显示模式间,由键盘控制进行动态逻辑切换。
第二章总体设计方案
2.1系统设计要求
此次设计的直流稳压源要求如下：
●输出电压范围0V～10V步进可调，步进间隔为0.1V。
●最大输出电流1A。
●电压调整率≤0.2%（输入电压220V变化范围+10%～-20%，输出满载10V）
●负载调整率≤1%（输入电压220V，输出电压10V）。
●输出纹波电压≤5mV（输入220V，输出10V，满载）。
●效率≥40%（输入220V，输出10V，满载）。
●有过流及短路保护功能，短路解除后，能自动恢复输出。
●可用键盘设定输出电压值，也可步进调节输出电压。
●用数码管或LCD显示输出电压和输出电流的大小。
***描述输入交流电压变化对输出电压影响的技术指标如下：
***
（1）最大输出电流
输出电流是指负载中流过的电流。
最大输出电压供给负载的最大平均电流。
（2）电压调整率
电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化士10%时，稳压电源输出电压的相对变化量（百分数）一般直流稳压电源的电压调整率为1%，0.1%，0.01%等。
有的也可以用绝对值表示。
（3）负载调整率（也称电流调整率）
在交流电源额定电压的条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量。
（4）纹波电压（现称周期和随机漂移，用PARD表示）
最大纹波电压：
在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波（包括噪声）电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。
（5）效率
电源效率是指稳压电源的整机电能利用率，也就是稳压电源输出有功功率和输入有功功率两者之的比值。
这个数值和稳压电源电源设计线路有密切的关系，高效率的电源可以提高电能的使用效率。
2.2系统设计方案及方案论证
图2-1所示220V的市电输入到电路中，经过变压、桥堆整流、滤波电路；经稳压调整模块数据采集后输出系统所需电压，同时单片机通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能。
通过数字键盘来设置直流电源的输出电压，通过A/D转换、并可由液晶屏LCD1602显示实际输出电压值。
由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟量，再经过运算放大器LM324隔离放大,最后输出各种设备所需要的电压。
图2-1系统总体设计框图
直流稳压电源的基本原理：
在电子电路中，通常都需要电压稳压的直流电源供电。
日常生活中也需要将交流电转变成直流电，形成直流稳压电源。
直流稳压电源的基本原理直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。
电源变压器的作用是将电网220V的交流电压变成整流电路所需要的电压U2。
整流电路的作用是将交流电压U2，变换成脉动的直流Uo，它主要有半波整流、全波整流方式，可以由整流二极管构成整流桥堆来执行，常见的整流二极管有1N4007、1N5148等，桥堆有RS210等。
滤波电路作用是将脉动自流U2滤除纹波，变成纹波小的Uo，常见的电路有RC滤波、LC滤波、等，常用的选RC滤波电路。
其中它们的关系为：
Ui=nU1其中，n为变压器的变化。
U2=（1.1~1.2）U1每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压URM=
U1；对于桥式整流电路中，每只二极管的平均电流ID（AV）=1/2IR==0.45U1/R。
RC滤波电路中，C的选择应适应下式，即RC放电时间常数应满足RC=（3~5）T/2式中，T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
常用的整流滤波电路如图2-3；图2-4所示为桥式整流滤波电路。
图2-3桥式整流、电容滤波电路
图3-4交流电压U的波形
2.2.1控制方案比较
方案一：
采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。
本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。
方案二：
采用STC89C52单片机作为这个系统的控制单元，可以通过DAC0832的数据采样和LM324的电压调整可以改变系统输出电压的大小。
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DAC0832进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及送LCD1602显示。
显示的电压值便是输出的电压大小。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的大小控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
比较以上两种方案的优缺点，方案一中CPLD可编程逻辑器件控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差；在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能，也便于系统功能的扩展。
2.2.2稳压输出方案比较
方案一采用线性调压电源。
以改变其基准电压的方式使输出不仅增加/减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响。
方案二使用运算放大器对电压的比较放大
由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以大大减小输出端的纹波电压。
在方案一中输出的电压很难跟踪电压的快速变化，而方案二中的输出电压波形与DAC0832的输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成产生波形的量化数据，便可以输出多种波形，使系统产生的信号源有一定的驱动能力。
2.2.3显示部分比较
方案一：
使用数码管显示
使用多位数码管显示，显示不灵活。
方案二：
使用LCD1602液晶显示
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。
本方案采用LCD1602，它具有两行显示，每行显示16个字符，采用单+5V供电，外围电路简单，价格便宜，具有很高的性价比。
而数码管虽然便宜，但显示单调。
占用过多的I/O。
第三章系统的硬件电路
3.1控制器模块
控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，主要部分包括键盘和STC89C52RC单片机，而STC89C52RC单片机实现控制功能是关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。
3.1.1主控制STC89C52RC
STC89C52为八位单片机，程序存储器为8K，外部可扩展至64K，内部RAM为512B,可扩展至64K,正常工作电压5V，支持最高时钟频率为80MHz，内置看门狗电路，支持ISP/IAP。
图3-1STC89C52RC引脚图
STC89C52RC主要引脚功能说明：
VCC（40引脚）：
电源电压;VSS（20引脚）：
接地
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
RST（9引脚）：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE（30引脚）：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在Flash编程时，此引脚也用作编程输入脉冲。
XTAL1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
3.1.2时钟振荡子系统
单片机的工作是在统一的脉冲控制下经行的，这个脉冲就是单片机控制器的时钟电路发出的，即时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，为保证同步工作方式的实现，所以采用内部时钟方式此种方式时，单片机内接一个高增益反向放大器构成内部振荡器。
如图3-2振荡电路所示引脚XTAL1和XTAL2分别此放大器的输入端和输出端。
同时在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器构成稳定的自激振荡器，其发出的脉冲信号直接送入到内部时钟发生器。
电容C1和C2通常选择为（30＋或－10）pf左右；外接陶瓷谐振器时则选为33pf左右。
电容C1和C2对频率有微调作用。
为了减少寄生电容，更好地保证振荡器可靠地工作，谐振器和电容应安装得与单片机芯片尽可能的近。
内部时钟发生器实际上是一个二分频的触发器，该二分频为单片机提供一个二相的时钟信号即相位信号1（P1）和相位信号2（P2），驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。
这里我们采用的是12MHz晶振，也就时说单片机的时钟周期为1/12uS，指令周期为1uS。
晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。
图3-2振荡电路
3.1.3复位子系统
因为MCS-51系列单片机采用高电平复位方式，高电平复位脉冲RST引脚输入到内部施密特触发器整形后，送CPU内部复位电路。
CPU在每一个机器周期的S5P2相采样施密特触发器的输出端，若为高电平，则强迫机器进入复位状态。
为了保证CPU内部各个单元电路可靠复位，RST引脚复位脉冲高电平维持时间必须大于等于2个机器周期（即24个振荡周期），因此可以使用RC分立元件或微处理器监控芯片构成MCS-51单片机的外部复位电路。
复位电路如图3-3所示。
图3-3复位电路
从图3-3复位电路可看出，按下复位按键K20时，电容C3通过R1放电，当电容放电结束后，RST引脚电位由R1、R2分压比决定。
由于R2>>R1,因此RST引脚为高电平，CPU进入复位状态。
松开复位按键后，电容C3充电，RST引脚电位下降，使CPU脱离复位状态。
R1的作用在于限制复位按钮瞬间电容C3的放电电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。
只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。
3.1.4键盘控制子系统
键盘控制子系统如图3-4所示。
本设计中，采用独立按键K1-K9对单片机核心芯片STC89C52RC进行输入控制。
各按键分别一端接地，一端接单片机引脚。
实现功能：
按键K1-K9为对应的数字0-9，K00表示位选择键（十位或各位）,K11是确定键。
选择电压后，按确定键，便可输出所需的电压。
图3-4键盘控制电路图
按键的具体意义如表3.1所示：
表3.1按键说明
00
1
2
3
位选择
4
5
6
确认
7
8
9
3.2D/A转换模块
DAC0832引脚图如3-5所示
图3-5D/A转换DAC0832引脚
CS:
片选信号,低电平有效
ILE:
输入锁存允许信号,高电平有效
WR1:
写信号1（低电平有效）
WR2:
写信号2（低电平有效）,这个信号结合XFER，输入锁存器将8位数据传输到DAC寄存器
IOUT1：
模拟电流输出端1。
当输入数字为：
全”1”时,输出电流最大，约为255VREF/256REB全”0”时,输出电流为0
IOUT2：
模拟电流输出端2，IOUT1+IOUT2=常数
RFB：
反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端
VREF：
参考电压,-10V～+10V
Vcc：
芯片电源电压,+5V～+15V
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
图3-6D/A转换部分
系统设置D/A转换接口，采用8位模数转换器DAC0832。
其电路如图3-6所示。
D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压输出电路的输出与参考电压成比例。
8位字长的D/A转换器具有256种状态。
其时序图如图3-7所示。
图3-7DAC0832数模转换时序图
Clk为时钟端，Data为输入数据，LOAD为输入控制信号。
每路电压输出值的计算：
Vs=REF×2Data/256,REF为参考电压，data为输入8位的比特数据；设计用的REF为-5V。
3.3运放LM324
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图3-8所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3-9。
图3-8LM324同向输入与反向输入
图3-9LM324引脚图
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
稳压数次此部分是将经过D/A转换后的初始电压转换成设备所需要的特定电压。
从DAC0832的IOUT2引脚输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压电路输出的电压大小与DAC0832的IOUT2输出参考电压成比例。
稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图3-10），在电路中，U5A—LM324为比较放大器，U5B—LM324为运算放大器，D/A转换电路的输出电压OUT2接到U5A—LM324的同向（LM324的第2脚），U5A—LM324运放的输出端（LM324的第5脚）输出的电压一边送到运放U6A—LM324的同向端（LM324的第1脚），一边反馈回DAC0832的RFE1基准电压。
其中DAC0832的基准电压VREF来源是通过调节LM7812基准源，控制器STC89C52RC的P1口和DAC0832的数据口直接相连，DA的第8脚接参考电压，通过调节变位器R5作为U6A—LM324反馈电路中的反馈电阻。
经运放比较放大后，在经过U6A-LM324的电压放大与调整，使得输出的电压
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