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基于单片机的直流稳压电源设计

课程设计论文

设计题目：

单片机控制直流稳压电源设计

学校：

院系：

专业：

年级：

2013级

姓名学号：

指导教师

单片机控制的直流稳压电源设计

摘要：

本系统以AT89S52单片机作为系统的核心，由D/A数字模拟转换模块、按键、LED串口显示模块等模块组成一个数控电源。

该系统实现了输出电压：

范围2～＋15.0V，步进1V，纹波不大于10mV；输出电流：

500mA；输出电压值由数码管显示；由“＋”、“－”两键控制输出电压步进增减。

输入模块的按键按下之后，对单片机就有了一个输入，单片机将输入的数字一方面给显示模块，让它们在数码管中显示出来；另一部分输给DAC0832，让它转化为模拟量电流输出，通过运算放大器将这模拟量转化为相应的电压，这电压经过放大后控制LM317的控制端，从而实现输出电压的控制。

关键词：

AT89S52单片机,数控电源,D/A,直流电源

1

2

3

1直流稳压电源的发展方向

1智能化

目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器的。

以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。

智能仪器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。

直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。

2数字化

在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。

在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。

但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:

便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力）、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。

3模块化

电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化;其二是指电源单元的模块化。

模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。

大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。

极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作。

4绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:

首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能（或少）对电网产生污染，国际电工委员会（IEC对此制定了一系列标准，如工EC555,IEC917,IECI000等。

20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。

2系统设计

2.1方案论证

2.1.1控制器部分

应用STC89C52作为控制器。

51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。

它的处理对象不是字或字节而是位。

它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运

4

算，其功能十分完备，使用起来得心应手。

51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。

而且，51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。

当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。

低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。

2.1.2显示部分

使用LED显示。

优点：

可视角度宽，价格便宜。

缺点：

显示的内容少，介面呆板，而且占用较多的IO口资源。

2.2电路特点

本电路使用了最基本数字电子芯片，运用了单片机等可编程芯片，电路原理简单，易于理解。

显示部分用了两个四位一体数码管，这样使得显示更加清晰易懂。

3电路设计

3.1总体方框图如图1.1所示

图1.1

3.2工作原理

单片机将根据按键锁进行的操作增加或减小A/D转换电路的输入数值，Ｄ／Ａ转换器将数字量按比例转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制调整输出级输出

5

所需的稳定电压。

4各主要电路及部件工作原理

4.1AT89C52单片机介绍

本设计中采用宏晶科技公司的STC89C52单片机作为控制芯片。

STC89C52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的微处理器。

该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

下面对设计中使用到的单片机组成部分进行简要介绍。

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寄存器、状态寄存器、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寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。

控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。

c.定时器/计数器

MCS－52单片机片内有两个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、延时以及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芯片内部有时钟电路，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，振荡器的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。

i.总线

以上所有组成部分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。

6

选用单片机的结构：

1一个8位算术逻辑单元

232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

56个中断源两个中断优先级

6128字节内置RAM

7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。

AT89C52的管脚图如图1.2所示。

图1.289CS52管脚图

4.2MAX7221芯片简要说明

4.2.1MAX7221功能介绍

MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。

其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。

MAX7221是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。

其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。

一个方便的四

7

线串行接口可以联接所有通用的微处理器。

每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。

MAX7221同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。

MAX7221芯片管脚如图1.3所示。

图1.3MAX7221芯片管脚图

4.2.2MAX7221引脚介绍

1.Din脚，串行数据输入端，数据存入内部16位移位寄存器。

2.DIG0-DIG7脚，8位共阴极数码管的控制输入端，显示关闭时输出高电平。

3.GND脚，接地段，4和9脚都要接地。

4.CS脚，片选输入端，当CS=0时，串行数据存入移位寄存器，当CS为上升沿时锁存最后16位数据。

5.CLK脚，串行时钟输入端，最高频率10MHz，在时钟上升沿数据移位存入内部移位寄存器，当时钟下降沿时，数据由Dout输出，CLK输入仅当CS=0是有效。

6.SEGA-SEGG,SEGDP脚，数码管七段驱动和小数点驱动端，关闭显示时各段驱动输出为高电平。

7.Iset脚，连接到Vdd的电阻连接端，用来模拟设定各段驱动电流。

8.Vdd脚，5v正电压输入端。

9.Dout脚，串行数据输入端，数据由Din输入，经16.5个时钟延迟后由Dout引脚输出，此引脚用来扩展MAX7221。

4.3DAC0832芯片简要说明

4.3.1引脚及其功能

DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。

能完成数字量输入到模拟量（电流）输出的转换。

图为DAC0832的引脚图和内部结构图。

其主要参数如下：

分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误

8

差为±1LSB，参考电压为（+10?

/span>-10）V，供电电源为（+5～+15）V，逻辑电平输入与TTL兼容。

从图中可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。

若需要相应的模拟信号电压信号，可通过一个高阻抗线性运算放大器实现。

运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可以外接。

DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机连接。

DAC0832引脚图如图1.4所示。

图1.4DAC0832芯片管脚图

图中，当ILE为高电平，片选信号/CS和写信号/WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。

此后，当/WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。

对第二级锁存来说，传送控制信号/XFER和写信号/WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当/WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。

图中其余各引脚的功能定义如下：

1.DI7～DI0：

8位的数据输入端，DI7为最高位。

2.IOUT1：

模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。

3.IOUT2：

模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。

9

4.RFB：

反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。

5.VREF：

参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为（+10～-10）V。

VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。

6、Vcc：

芯片供电电压，范围为（+0～15）V。

7、AGND：

模拟量地，即模拟电路接地端。

8、DGND：

数字量地。

4.4ADC0804芯片简要说明

4.4.1ADC0804转换原理

ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换，这种类型的A/D转换速度快，分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。

ADC0804芯片管脚图如图1.5所示：

图1.5ADC0804芯片管脚图

它的主要电气特征如下：

1.工作电压：

+5v

2.模拟输入电压范围：

0～+5v

3.分辨率：

8位

10

4.转换时间：

100μs

5.转换误差：

1LSB

6.参考电压：

2.5v

4.5数码管显示

4.5.1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09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。

数码管的外型结构如图4.5（a）所示。

数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图4.5（b）和图4.5（c）所示。

（a）外型结构（b）共阴极（c）共阳极

图1.6数码管结构图

4.5.2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，则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，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），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高电平时，则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，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

11

4.5.3数码管字形编码

要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。

对照图4.4（a），字型码各位定义如下：

数据线D0与a字段对应，D1字段与b字段对应……，依此类推。

如使用共阳极

数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。

如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：

11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：

00111111B（即3FH）。

依此类推可求得数码管字形编码如表1.1所示。

表1.1数码管字型编码表

显示字符

字形

共阳极

共阴极

dp

g

f

e

d

c

b

a

字型码

dp

g

f

e

d

c

b

a

字形码

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

C0H

0

0

1

1

1

1

1

1

3FH

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

F9H

0

0

0

0

0

1

1

0

06H

2

2

1

0

1

0

0

1

0

0

A4H

0

1

0

1

1

0

1

1

5BH

3

3

1

0

1

1

0

0

0

0

B0H

0

1

0

0

1

1

1

1

4FH

4

4

1

0

0

1

1

0

0

1

99H

0

1

1

0

0

1

1

0

66H

5

5

1

0

0

1

0

0

1

0

92H

0

1

1

0

1

1

0

1

6DH

6

6

1

0

0

0

0

0

1

0

82H

0

1

1

1

1

1

0

1

7DH

7

7

1

1

1

1

1

0

0

0

F8H

0

0

0

0

0

1

1

1

07H

8

8

1

0

0

0

0

0

0

0

80H

0

1

1

1

1

1

1

1

7FH

9

9

1

0

0

1

0

0

0

0

90H

0

1

1

0

1

1

1

1

6FH

A

A

1

0

0

0

1

0

0

0

88H

0

1

1

1

0

1

1

1

77H

B

B

1

0

0

0

0

0

1

1

83H

0

1

1

1

1

1

0

0

7CH

C

C

1

1

0

0

0

1

1

0

C6H

0

0

1

1

1

0

0

1

39H

D

D

1

0

1

0

0

0

0

1

A1H

0

1

0

1

1

1

1

0

5EH

E

E

1

0

0

0

0

1

1

0

86H

0

1

1

1

1

0

0

1

79H

F

F

1

0

0

0

1

1

1

0

8EH

0

1

1

1

0

0

0

1

71H

H

H

1

0

0

0

1

0

0

1

89H

0

1

1

1

0

1

1

0

76H

L

L

1

1

0

0

0

1

1

1

C7H

0

0

1

1

1

0

0

0

38H

P

P

1

0

0

0

1

1

0

0

8CH

0

1

1

1

0

0

1

1

73H

R

R

1

1

0

0

1

1

1

0

CEH

0

0

1

1

0

0

0

1

31H

U

U

1

1

0

0

0

0

0

1

C1H

0

0

1

1

1

1

1

0

3EH

Y

Y

1

0

0

1

0

0

0

1

91H

0

1

1

0

1

1

1

0

6EH

1

0

1

1

1

1

1

1

BFH

0

1

0

0

0

0

0

0

40H

.

.

0

1

1

1

1

1

1

1

7FH

1

0

0

0

0

0

0

0

80H

熄灭

灭

1

1

1

1

1

1

1

1

FFH

0

0

0

0

0

0

0

0

00H

显示部分电路如图1.7所示

图1.7数码管显示电路

4.6整流滤波、初步稳压

图1.8

（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

13.

a、单相半波整流电路

单相半波整流电路是最简单的整流电路，图1.9是单相半波阻性负载的整流电路

图1.9

电路中，T为变压器，其作用是将市电220V的交流电压变成所需要的直流电压，VD是整流二极管，其作用是方向变化的交流电变为单相的脉动直流。

输出直流电压的平均值，即直流电压V0可按下式求出

（2-1）

半波整流电路的优点是结构简单，使用的元器件少。

但缺点是输出的波形脉动大，直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。

所以只能用在输出功率较小、负载要求不高的场合。

b、单向全波整流电路

单向全波整流电路如图1.10所示。

图1.10单相全波整流电路

全波整流电路接入滤波电容C，其充放电过程与半波整流相同，但由于V21和V22轮流通过VD1和VD2向电容C充电，所以输出电压的脉动比半波整流时小。

14

c、桥式整流电路

图1.11桥式整流电路

桥式整流电路的电压可作如下估算。

整流元件仍认为是理想的，在纯电阻负载条件下，电压的顺时值为：

（2-2）

负载直流电压平均值为

每个二极管截止时的反向电压相同，为V2的幅值。

即：

（3-4）

导通二极管的电流平均值为负载电流平均值的一半，最大值与负载电流最大值相同。

综上，桥式整流电路的特点是：

与半波整流电路相比，在V2,RL相同的条件下，输出的直流电压提高了一倍；电流脉动程度减小；变压器正负半周都有对称电流流过，既得到充分利用，又不存在单向磁化的问题。

所以它的应用较为广泛。

但是需要4个整流二极管，线路稍复杂。

以上简单介绍了几种整流电路，根据其优缺点的判断，所以在我的设计中采用了桥式整流电路。

一方面，能使电能得到充分利用，另一方面，由于有现成的整流桥集成元件，设计起来也比较方便。

（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。

交流电经整流电路后可变为脉动直流电流，其中含有较大的交流分量，为了使设备能用上纯净的直流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成份。

滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联上电容器C，或在负载中串联上电感器L，或由电容，电感组合而成的各中复式滤波电路。

a、电容滤波电路

电容滤波就是在整流电路后面,用大量的电解电容与负载并联例如以桥式电路为例,整流滤波电路如图1.12所示:

15

图1.12电容滤波电路

电容滤波电路简单，制作方便。

但是它的输出电流不宜太大，而且要求输出电压的脉动成分较小时，必须增加电容器的容量，因此电路的体积大也不经济。

为此，RC-π型滤波电路在实际电路中经常使用。

RC-π型滤波电路如图1.13所示：

它实际上就是在电容滤波的基础上再加上1级RC滤波电路构成的。

采用这种滤波电路可以进一步降低输出电压的脉动系数。

但是，这种滤波电路的缺点是在R上有直流压降，因而必须提高变压器次级电压；因而整流管的冲击电流仍然比较大；同时，由于R产生压降，外特性比电容滤波更软。

所以这种电路只适用于小电流的场合。

图1.13RC-π型滤波电路

b、电感滤波器

利用电感具有阻止电流变化的特点，在整流电路的负载回路中串联电感L，如图1.14所示，即构成电感滤波电路。

图1.14电感滤波电路

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当整流后的脉动电流增大时，电感L将产生反电势－L（di/dt），阻止电流增大；相反，当电流减小时，电感L将阻止电流减小，从而使负载电流脉动成分大大降低，达到滤波的目的。

由于电感交流电阻很大，而直流电阻很小，输出直流分量在电感上损失很小，所以它适用于负载