毕业设计《数字式可调稳压电源》.doc

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本科毕业设计（论文）

单片机实现数字式可调稳压电源

学院　　　　　信息工程学院　　　　　　

专业　　信息工程（电子信息工程方向）　　

年级班别　信息工程（电子信息工程方向）0305　

学号　3103005534　　

学生姓名卓加兴　　　　　

指导教师　刘喜英　　　　　　　

2007年6月5日

摘要

单片机实现的数字式可调稳压电源由于原理简单、稳定性好、精度高、成本低、易实现等诸多优点而受到越来越广泛的重视。

其性能优于传统的可调直流稳压电源，操作方便，非常适合一般教学和科研使用。

本文通过对一个数控稳压电源系统的设计，详细介绍了AT89S52单片机应用中的键盘扫描原理、数码管动态显示原理、定时中断原理,从而了解单片机相关指令在各方面的应用，同时还介绍了数模转换芯片DAC0832及存储芯片24C01的工作原理。

系统由模拟电源、控制电路、数模转换电路、放大电路、显示电路等部分构成，能输出0V－24V电压范围，步进值为0.1V的直流电源，并且具有掉电存储等功能。

首先，本文将概述数字式可调稳压电源的基本原理。

其次，本文将详述数字式可调稳压电源系统的硬件电路设计。

最后，本文将介绍数字式可调稳压电源系统的软件设计。

在附录中，本文还将给出系统的程序清单，供参考之用。

关键词：

数控，单片机，直流稳压，数模转换

Abstract

DigitaladjustablepowersupplywhichiscontrolledbytheMCU（microcontrollerunit）attractsmuchattentionforitsparticularadvantages,suchassimpleprinciple,goodstability,highaccuracyandlowcost,easytoimplementandsoon[1].ItsperformanceissuperiortothetraditionaladjustableDC（directcurrent）powersupply.Itisconvenientforoperationandverysuitableforthegeneralteachingandresearchusing.

ThispaperisaboutanNC（numericalcontrol）regulatorspowersystemdesign.Bythedesign,thispaperintroducesthekeyboardscanningprinciple,thedigitaltubedynamicdisplayprincipleandthetimerinterruptprincipleinAT89S52Single-ChipMicrocomputerapplications,thenwecanunderstandthecorrelationinstructioninvariousapplication[2].Italsointroducesworkprincipleofdigital-to-analogconverterchipDAC0832andmemorychip24C01.Thesystemincludessomeimportantparts:

theanalogpower,thecontrolcircuit,thedigital-to-analogconvertercircuit,theamplifiercircuit,thedisplaycircuit，itprovides0Vtoa24Voutputvoltagerange,steppingvalueof0.1VDCpowersupply,andthepoweroffandstoragefunction.

Firstly,Iwilldescribethedigitaladjustablepowersupplythebasicprinciple.

Secondly,Iwilldetailthedigitaladjustablepowersupplysystemcircuitdesignofthehardwareandsoftwaredesign.

Finally,Iwillintroducethedigitaladjustablepowersupplysystemsoftwaredesign.

Atthesupplement,Iwillalsogivealistofproceduresforreferenceonly.

Keywords:

NC,MCU,DCregulators,Digital-to-analogconverter

目　　　录

1绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外发展状况 1

1.3研究方法 2

1.4论文构成及研究内容 2

2数字式可调稳压电源原理介绍 3

2.1方案选择及总体设计原理介绍 3

2.2单片机AT89S52介绍 4

2.3矩阵式键盘扫描原理 5

2.4数码管动态显示原理 6

2.5DAC0832及24C01使用介绍 7

3数字式可调稳压电源硬件电路设计 10

3.1稳压电源数字部分电路 10

3.1.1单片机外围接口电路 10

3.1.2数字部分电路PCB设计 15

3.2稳压电源模拟部分电路 16

3.2.1电源部分电路 16

3.2.2输出电压控制单元电路 17

4数字式可调稳压电源软件设计 20

4.1系统软件流程图 20

4.2系统程序介绍 22

结论 26

参考文献 27

致谢 28

附录 29

1　绪论

本章将简单介绍系统设计的目的及意义，国内外电源技术的发展状况，系统的研究方法，论文构成及系统的研究内容。

1.1研究目的及意义

在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到关键性的作用。

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

电力电子技术是电能的最佳应用技术之一[3]。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，因此电源的数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,人们对它的要求也越来越高,要想为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。

对我们学生而言，在大学的实验室里和课程设计里面，有一个稳定可调的直流电源是很有必要的。

因传统的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电压表指示电压值的大小。

这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电路构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数字式可调稳压电源能较好地解决了以上问题。

本题采用单片机和其它元器件及外围电路，开发一个数字式可调稳压电源。

能够设定输出电压值、电压值输出显示、存储等功能。

通过此系统的设计，让开发者更深刻的掌握单片机基本原理，并熟悉一些外围电路的扩展，以及进一步提高C语言的硬件编程能力。

1.2国内外发展状况

电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电源技术属于电力电子技术的范畴[3]。

电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。

迄今为止，电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业，从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，其发展趋势为高频、高效、高密度化，低压、大电流化和多元化。

同时，封装结构、外形尺寸日趋接

近国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。

　当前在国内外电源产业中，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。

而产品价格、性能指标、品牌效应及使用寿命一直是用户最关心的问题。

这就促使国内外电源生产商朝着应用技术数字化、硬件结构模块化、产品性能绿色化智能化的方向发展。

1.3研究方法

此次毕业设计我从一开始选题就目的明确，在毕业设计课题确定下来后，通过运用大学四年所学的专业知识和查阅参考了一系列的资料完成的。

针对题目的要求，首先对整个设计思路进行规划，例如：

要用到什么模块，模块应该怎样分布，怎么协调好这些模块。

然后针对方案的可行性进行反复的参照对比，敲定最终设计方案，在敲定方案之后，查阅参考相关资料进行硬件电路的各个模块的设计，同时软件模块也同步进行，经过不断的检测，编译，将正确的代码下载到硬件电路中，最后一次次的调试系统，通过不断的修改来完善系统。

1.4论文构成及研究内容

本论文总体概括了单片机实现数字式可调稳压电源的原理、着重介绍了单片机实现数字式可调稳压电源的硬件电路设计和软件设计。

在各章节中，突出讲述了各功能模块的设计思路，具体设计情况，以及模块之间的联系。

本系统主要研究数字式可调稳压电源如何实现数控、稳压、掉电存储和输出电压显示，其中包含一些必要的硬件设计和软件设计。

2　数字式可调稳压电源原理介绍

在实验室里通常所用到的直流电源都是用调节电位器来达到调节电压的目的，由于电位器的温漂较大，使得输出的电压会有所漂移，而且用电位器调节电压操作起来不是很方便。

本文所介绍的数字式可调稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点。

它由单片机AT89S52、4×4键盘、数码管、数模转换芯片DAC0832、

存储芯片24C01、放大电路等部分构成，能实现输出电压显示、设定、存储及音响提示操作等功能，其原理包括键盘扫描原理、数码管动态显示原理、模数转换原理及I2C总线原理，在本章，主要介绍在设计过程中所涉及到的原理。

2.1方案选择及总体设计原理介绍

1、方案分析与选择

方案一：

数控部分用单片机带动数模转换芯片提供线性稳压电压的参考电压。

优点：

对于单片机，系统工作在开环状态，对数模转换的精度要求较高，设计成本低。

缺点：

功耗较大，LED数码管输出显示不是系统的精确输出电压，须对它进行软件补偿。

方案二：

数控部分用AVR单片机的PWM组成开关电源，再利用AVR的AD转换对输出电压进行实时转换，利用软件进行电压调整以达到稳压[4]。

系统框图如图2.1

AVR单片机

A/DPWM

PWM

开关管

波动电压

稳定电压

采样

图2.1方案二框图

优点：

硬件简单，稳压的大部分工作由软件完成，对单片机的运行速度要求很高，利用手头的ATmaga16L单片机最高8MHz工作频率很难达到速度要求。

对软件要求较高，功耗小。

缺点：

输出纹波电压较大，对硬件的要求很高。

方案三：

用AVR单片机控制PWM芯片组成开关电源。

优点：

降低了对单片机的运行速度要求。

缺点：

电路较复杂（该方案很快被否定）。

方案二简单的电路结构起初对设计者很吸引，但是后来了解到AVR单片机的PWM的精度用于开关电源比较勉强，而且开关电源有个通病：

纹波电压大，考虑到设计目标对电源的功耗要求不是很严，同时为了保证纹波足够小也鉴于自身对于51单片机和线性电源较为熟练，故选择方案一。

2、总体设计原理

本设计采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，利用4×4键盘输入数字量，通过控制单元输出数字信号，再经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，最后经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着输出功率管的基极电压的变化，间接地改变输出电压的大小。

2.2单片机AT89S52介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[5]。

AT89S52具有以下标准功能[5]：

1、与MCS-51单片机产品兼容；

2、8K字节在系统可编程Flash存储器；

3、1000次擦写周期；

4、全静态操作：

0Hz～33Hz；

5、三级加密程序存储器；

6、32个可编程I/O口线；

7、三个16位定时器/计数器；

8、八个中断源；

9、全双工UART串行通道；

10、低功耗空闲和掉电模式；

11、掉电后中断可唤醒；

12、看门狗定时器；

13、双数据指针；

14、掉电标识符。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[6]。

其引脚结构如图2.2

图2.2AT89S52引脚结构

2.3矩阵式键盘扫描原理

键盘是由若干按键所组成的开关矩阵，它是微型计算机最常用的输入设备，用户可以通过键盘向计算机输入指令，地址和数据。

通常单片机系统采用非编码键盘。

非编码键盘通过软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单、使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统[7]。

组成键盘的按键有触点式和非触点式两种，单片机中的按键一般由机械触点构成。

按键的读取容易引起误操作，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms,为了使CPU能正确读出口线的状态，对于每一次按键只做一次响应，这就必须考虑如何去抖动。

常用的去抖动方法有两种：

硬件法和软件法，单片机通常采用软件法去抖动[7]。

由于键盘的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如

不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的方法来避开抖动，延时时间10ms.

4×4矩阵式键盘（如图2.3）的按键识别方法：

行扫描法又称逐行扫描查询法，是一种常用的按键识别方法，其过程如下：

为判断键盘是否有键按下，将全部列线置为低电平，全部行线置为高电平，然后读行线的状态[7]。

只要有一行的电平为低电平，则表明键盘中有按键按下。

然后依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它行线为高电平。

在确定某根行线位置为低电平后逐行检测各列的电平状态。

若某列线为低电平，则该列线与置低电平的行线相交叉处的按键就是闭合键。

图2.34×4矩阵式键盘

2.4数码管动态显示原理

如图2.4,共阴LED数码管由7只发光二极管共阴连接并按8字形结构排列而成。

这样，我们将这些二极管的正极接高低不同的电位，把所有的负极接地，当正极为高电位时相应的二极管就会导通而发光，从而使数码管呈现不同的字符。

共阳LED数码管，即选通位接高电平，a,b,c,d,e,f,g,h端接高或低电平，如想让数码管显示“0”，就必须使g，h和选通位为高电平，其他引脚均为低电平[7]。

在设计电路时，可将数码管这几个引脚分别接到单片机的引脚上，还要加上限流电阻，这样就可由程序控制数码管的工作情况了。

所谓数码管动态显示，就是逐位地轮流点亮各位数码管（扫描）。

对于每一位数码管而言，每隔一段时间点亮一次。

数码管的点亮既与点亮的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。

调整电流和时间参数，可实现亮度较高，较为稳定的显示，同时可减小工作电流。

此次设计中用4位共阳数码管作为显示输出电压值，采用多路复用显示，这是指对于每个显示只驱动1/4时间。

因为只要在20HZ－50HZ之间循环所有

显示，由于人眼存在视觉残留，在这样的显示方式下，数码管看起来是同时点亮的[7]。

图2.4LED数码管结构图

2.5DAC0832及24C01使用介绍

DAC0832是以CMOS工艺制造的8位D/A转换芯片，它的分辨率为8位，即从1/255到1。

其特点：

8位并行、中速（建立时间1us）、电流型、价格低廉、接口简单，在单片机控制系统中得到了广泛的应用[8]。

图2.5所示是它的内部结构图。

图2.5DAC0832内部结构

从图2.5中可见，DAC0832由两个寄存器和一个8位D/A转换器组成，它的引脚功能如下：

1、Vcc：

芯片电源电压,+5V～+15V；

2、VREF：

参考电压,-10V～+10V；

3、RFB：

反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端；

4、AGND/DGND：

模拟信号地/数字信号地；

5、DI7~DI0：

数字量输入信号；

6、ILE：

输入锁存允许信号,高电平有效；

7、CS：

片选信号,低电平有效；

8、WR1：

写信号1，低电平有效；

9、WR2：

写信号2，低电平有效；

10、XFER：

转移控制信号，低电平有效；

11、IOUT1、IOUT2：

电流输出引脚。

DAC0832属电流输出型，两输出电流之和是常数。

当要得到与输入数字成正比的电压，可把此两引脚输出的电流信号转换为电压形式。

DAC0832的工作方式有三种：

1、直通方式：

/LE1和/LE2均为1，外来数据直接通过两级锁存器到达D/A转换器。

2、单缓冲方式：

一个寄存器工作于直通状态，一个工作于受控锁存器状态。

3、双缓冲方式：

两个寄存器均工作于受控锁存器状态。

在此设计中，考虑到所需转换的数据量不大，DAC0832采用直通方式的硬件接法。

它的引脚结构如图2.6所示：

图2.6DAC0832引脚结构

24C01是一个1K位串行CMOSE2PROM，内部含有128个8位字节，CATALYST

公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，24C01有一个8字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能，其引脚结构如图2.7[9]。

图2.724C01引脚结构

管脚功能：

A0、A1、A2：

器件地址选择，SDA：

串行数据/地址，SCL：

串行时钟，WP：

写保护，VCC/VSS：

电源/地。

24C01从器件地址：

在I2C总线的开始信号之后，所送出的第一字节数据用来选择从器件地址，其中前7位为地址码（高4位“1010”为厂商给定的24C01型号地址，器件地址中的低3位为引脚地址A2、A1、A0），第8位为为方向位（R/W）。

方向位“0”表示发送，即主器件把信息写至所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息，器件地址如图2.8所示：

图2.8器件地址

3　数字式可调稳压电源硬件电路设计

本系统的硬件电路设计主要围着AT89S52单片机作为整机的控制单元用PROTEL99SE设计软件来布线的，其中还用到了模数转换芯片DAC0832、外部存储芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩阵式键盘、数码管等其他器件。

总体框图考虑到各个元件的电气特性，例如元器件之间的干扰问题，接地问题，布线问题等，本系统将硬件电路设计分为数字部分和模拟部分。

3.1稳压电源数字部分电路

稳压电源数字部分电路即单片机外围接口电路主要包括：

DAC0832数模转换电路、EEPROM接口电路、键盘接口电路、扬声器接口电路、复位电路、晶振电路及数码管显示部分电路。

3.1.1单片机外围接口电路　

1、单片机外围接口总电路。

单片机AT89S52与外围器件的接口总电路如图3.1所示，为了将各部分电路介绍的更加清楚，下面就单片机外围接口电路作一个扼要介绍。

图3.1AT89S52与外围器件的接口总电路

如图3.2所示，AT89S52的P0、P2.5－P2.7接数码管输出显示部分电路，其中P0口用来输出字段码；P2.5－P2.7用来输出数码管选通位信号；P2.0、P2.2分别接外部存储芯片24C01的数据线（SDA）和时钟线（SCL）；P2.3接扬声器电路，为执行内部程序指令，EA/V