基于单片机控制的可调电源适配器设计.docx
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基于单片机控制的可调电源适配器设计
滨江学院
毕业论文(设计)
题目基于单片机控制的可调电源适配器设计
院系___自动控制_______
专业自动化
学生姓名徐龙成
学号20072336941
指导教师_______张敏____
职称_______讲师______
二O11年5月20日
基于单片机控制的可调电源适配器设计
徐龙成
南京信息工程大学滨江学院自动化专业,南京210044
摘要:
本文设计了利用单片机控制的可调电源适配器,根据生活需要的不同电压值,可以调节滑动变阻器,改变输入ADC0809的电压信号的大小,再通过MCS-51单片机做处理,精确计算出当前输出电压值。
最后由MCS-51单片机处理并在数码管上显示当前电压值,效果明显,使用方便快捷。
可调电源适配器在使用时,可以代替0-5V各种充电器,为不同的低电压设备充电。
不必再为不同的设备买不同的充电器,便于使用,节约资源,有广阔的市场前景。
关键字:
单片机、模数转换、电源、数码管
第一章绪论
随着社会的快速发展,社会科学技术水平的不断提高,科技在人们的日常生活中的应用显得越来越普遍。
人们在享受科技带来的便捷的同时,也在不断的追求科技与生活两者更实用更广泛的结合。
这些应用在我们的生活中随处可见,如现在家庭生活中的家用电器,交通工具等。
本文注重对家用小电源的统一管理,不必再为不同电源的小家用电器单独再配置电源,节约人力财力。
现今的世界,单片机的应用愈加广泛,当前单片机的应用已渗透到了仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
该课题主要是基于单片机对直流电压进行控制。
该设计涉及多领域、多学科方面的科技知识,如电子、计算机、数学等,通过设计能增强我们的动手能力,促进我们综合素质的全面提高,加强意志力等非智力因素的培养。
经过四年本科的学习,我对计算机软硬件技术、模拟电路、数字电路已有初步的了解和认识,熟悉汇编语言等编程技术。
该设计是软、硬件相接合的,除了需要有一定理论基础进行软件编程外,我们还要对硬件的设备进行选择。
设计时用廉价的MCS-51芯片实现控制功能。
综合以上技术、人员、资金等因素,该课题可行。
本文设计主要实现MCS-51单片机对直流电压的控制,设计了一种实用、新颖、能快速测量电压的高精度仪器的研制思路。
新一代变压器直流电阻的测试仪器,它能根据不同电压值自动算出,以最快的速度显示测试结果,误差很小。
并且具有存储、显示、打印、放电指示等功能,数码管显示的采用使得人机界面良好,操作简单方便,是直流电阻测试的比较好的设备。
目前国内这类产品种类繁多,生产厂家数十家,可以看出此类产品还是非常有市场前景的。
电源适配器是小型便携式电子设备及电子电器的供电电源变换设备,一般由外壳、电源变压器和整流电路组成,按其输出类型可分为交流输出型和直流输出型;按连接方式可分为插墙式和桌面式。
广泛配套于电话子母机、游戏机、语言复读机、随身听、笔记本计算机、蜂窝电话等设备中但是就从某中角度讲,特别是智能电源一类还有大幅度改进的空间,可以更多的融入科技的元素,创造出更具人性化,家居化特点的产品,方便人们日常生活,提高生活质量,享受更多科技带来的便捷。
当今的可调电源适配器智能调固定的几个电压值,局限性大。
我设计的是低压直流电源适配器,更具调节滑动变阻器的阻值来改变当前电压值,并显示当前电压值。
可以为不同设别提供相应的电压值,使用灵活。
第二章AT89C51单片机控制原理
利用单片机作为该电源适配器控制系统的核心,单片机是INTEL公司首次研制,之后Philips、Siemens、Atmel等公司又相继推出名目繁多的单片机系列。
市场上形形色色的单片机很多,诸如8051、8751、8032、8052、8752等,
它们有如下的特点:
•控制能力强,体积小,功耗小;
•成本小,开发周期短;
•速度快,抗干扰能力强。
这些优点使他们可以在智能仪表、测控系统、电能变换、通信、机电产品等广大领域有所应用。
我选择的是AT89C51单片机,物美价廉。
2.1MCS-51简介
(1)
INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司,所以有很多公司在做以8051为核心的单片机,当然,功能或多或少有些改变,以满足不同的需求,其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机,它是由美国ATMEL公司开发生产的。
图1MCS-51单片机
(1)
CPU的组成:
1.运算器
运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心,再加上暂存器TMP、累加器ACC、寄存器B、程序状态标志寄存器PSW及布尔处理器。
2.控制器
控制器是CPU的核心,它包括定时控制逻辑电路、指令寄存器、译码器、地址指针DPTR及程序计数器PC、堆栈指针SP等。
这里程序计数器PC是由16位寄存器构成的计数器。
要单片机执行一个程序,就必须把该程序按顺序预先装入存储器ROM的某个区域。
单片机动作时应按顺序一条条取出指令来加以执行。
因此,必须有一个电路能找出指令所在的单元地址,该电路就是程序计数器PC。
当单片机开始执行程序时,给PC装入第一条指令所在地址,它每取出一条指令(如为多字节指令,则每取出一个指令字节),PC的内容就自动加1,以指向下一条指令的地址,使指令能顺序执行。
只有当程序遇到转移指令、子程序调用指令,或遇到中断时(后面将介绍),PC才转到所需要的地方去。
8051CPU指定的地址,从ROM相应单元中取出指令字节放在指令寄存器中寄存,然后,指令寄存器中的指令代码被译码器译成各种形式的控制信号,这些信号与单片机时钟振荡器产生的时钟脉冲在定时与控制电路中相结合,形成按一定时间节拍变化的电平和时钟,即所谓控制信息,在CPU内部协调寄存器之间的数据传输、运算等操作。
3.存储器
存储器是单片机的又一个重要组成部分,每个存储单元对应一个地址,如256个单元共有256个地址,用两位16进制数表示,即存储器的地址(00H~FFH)。
存储器中每个存储单元可存放一个八位二进制信息,通常用两位16进制数来表示,这就是存储器的内容。
4.指令系统
指令寻址方式分别有立即寻址,寄存器寻址,直接寻址,寄存器间接寻址,变址寻址,相对寻址,位寻址。
MCS-51的指令系统按功能分有:
数据传送类、转移指令、算术运算类、逻辑运算类、和十进制指令及一些伪指令。
5.内部总体结构其基本特性
(1)、与MCS-51兼容
(2)、4K字节可编程闪烁存储器
(3)、寿命:
1000写/擦循环
(4)、数据保留时间:
10年
(5)、全静态工作:
0Hz-24MHz
(6)、三级程序存储器锁定
(7)、128×8位内部RAM
(8)、32可编程I/O线
(9)、两个16位定时器/计数器
(10)、5个中断源
(11)、可编程串行通道
(12)、低功耗的闲置和掉电模式
(13)、片内振荡器和时钟电路
6.管脚说明
(1)VCC:
供电电压.
(2)GND:
接地.
(3).。
_______________________________________________________________________________________________________________________________P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流.当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位.在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高.
(4).P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流.P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故.在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收.
(5).P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入.并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流.这是由于内部上拉的缘故.P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位.在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容.P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号.
(6).P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流.当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入.作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
表1P3口第二功能
P3口功能
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
INT0(外部中断)
P3.3
INT1(外部中断)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写脉冲)
P3.7
RD(外部数据存储器读脉冲)
(7).RST:
复位输入.当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间.
(8).ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节.在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲.在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6.因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的.然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲.如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0.此时,ALE只有在执行MOVX,
MOVC指令是ALE才起作用.另外,该引脚被略微拉高.如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效.
7.中断简介
中断系统是计算机或者单片机的重要功能部件,51系列单片机具有5个中断源,两级中断优先级,具有完善的指令控制能力。
使用单片机的中断系统可以很方便地完成各种外部硬件响应的操作。
现在介绍51系列单片机的中断的类型、中断系统结构及控制寄存器。
通常按照中断源的不同,大致可以分为三类:
外部中断源、定时中断源和串行中断源。
在8051单片机中共有5个中断源,包括2个外部中断源、2个定时中断源和1个串行中断源。
下面分别介绍这三类中断源。
(1).外部中断源
(2).定时中断源
(3).串行中断源
51系列单片机对中断的处理分为4步:
中断响应、中断处理、中断请求的撤离和中断返回。
下面分别介绍这四个过程。
中断的响应:
是指在单片机主程序运行过程中,如果遇到中断请求,在满足中断响应条件的情况下,CPU对该中断做出的响应。
一般来说,单片机对中断的响应遵循如下几个原则:
a.中断的处理:
89s51单片机CPU对中断处理的过程可以分为两类,一个是单片机硬件自动完成的部分,另一个是C51软件处理的部分。
b.中断请求的撤离:
中断请求的撤离主要保证对于一次中断信号只执行一次中断响应。
单片机响应某个中断后,应及时将中断请求标志TCON或SCON中对应的标志位清除,否则会导致一个中断信号触发多次中断响应。
c.中断的返回:
中断的返回是指中断服务例程结束后,返回主程序的过程。
在89s51单片机中,中断服务例程的返回比较简单,直接在中断服务程序最后面加上一个中断返回指令RETI即可。
而如果使用C51语言进行程序设计,则将由编译系统完成此工作。
具体涉及到定时器中断我到软件部分在细细分析。
2.2经振复位电路
1.晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号
通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作,以提供稳定,精确的单频振荡。
在通常工作条件下,普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。
振荡频率越高,功耗必然越大。
所以在满足系统需求的前提下,应该尽量减小晶振的频率。
维持系统正常运作所需的最小晶振不取决于单片机内部电路,而取决于你的系统需求,因系统对速度要求不高的话,故用12MHz。
图2晶振复位电路
2.单片机的复位电路方式
在上电或复位过程中,控制CPU的复位状态:
这段时间内让CPU保持复位状态,而不是一上电或刚复位完毕就工作,防止CPU发出错误的指令、执行错误操作,也可以提高电磁兼容性能。
3.复位电路的作用
无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。
而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。
许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
4.复位电路种类
复位有3种,分别是手动按钮复位,上电复位和积分型上电复位。
我们采用上电复位的方式,AT89C51的上电复位电路如图2所示,只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端,下接一个电阻到地即可。
上电复位的工作过程是在加电时,复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号,此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落,即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
2.3ADC0809A/D转换器简介
ADC0808和ADC0809除精度略有差别外(前者精度为8位、后者精度为7位),其余各方面完全相同。
它们都是CMOS器件,不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分,而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑,因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。
利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换,在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
1.主要技术指标和特性
1)分辨率:
8位。
2)总的不可调误差:
ADC0808为±0.5LSB,ADC0809为±1LSB。
3)转换时间:
取决于芯片时钟频率,如CLK=500kHz时,TCONV=128μs。
4)单一电源:
+5V。
5)模拟输入电压范围:
单极性0~5V;双极性±5V,±10V(需外加一定电路)。
6)具有可控三态输出缓存器。
7)启动转换控制为脉冲式(正脉冲),上升沿使所有内部寄存器清零,下降沿使A/D转换开始。
8)使用时不需进行零点和满刻度调节。
2.内部结构和外部引脚
ADC0808/0809的内部结构和外部引脚分别如图4和图5所示。
内部各部分的作用和工作原理在内部结构图中已一目了然,在此就不再赘述,下面仅对各引脚定义分述如下:
图3ADC0808/0809内部结构框图(3)
1)IN0~IN7——8路模拟输入,通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC来选通一路。
2)D7~D0——A/D转换后的数据输出端,为三态可控输出,故可直接和微处理器数据线连接。
8位排列顺序是D7为最高位,D0为最低位。
3)ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号,ADDA为低位,ADDC为高位。
地址信号与选中通道对应关系如表4所示。
4)VR(+)、VR(-)——正、负参考电压输入端,用于提供片内DAC电阻网络的基准电压。
在单极性输入时,VR(+)=5V,VR(-)=0V;双极性输入时,VR(+)、VR(-)分别接正、负极性的参考电压。
图4ADC0808/0809外部引脚图(7)
5)ALE——地址锁存允许信号,高电平有效。
当此信号有效时,A、B、C三位地址信号被锁存,译码选通对应模拟通道。
在使用时,该信号常和START信号连在一起,以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。
表2地址信号与选中通道的关系(3)
地址
选中通道
ADDC
ADDB
ADDA
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
1
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
6)START——A/D转换启动信号,正脉冲有效。
加于该端的脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零,下降沿开始A/D转换。
如正在进行转换时又接到新的启动脉冲,则原来的转换进程被中止,重新从头开始转换。
7)EOC——转换结束信号,高电平有效。
该信号在A/D转换过程中为低电平,其余时间为高电平。
该信号可作为被CPU查询的状态信号,也可作为对CPU的中断请求信号。
在需要对某个模拟量不断采样、转换的情况下,EOC也可作为启动信号反馈接到START端,但在刚加电时需由外电路第一次启动。
8)OE——输出允许信号,高电平有效。
当微处理器送出该信号时,ADC0808/0809的输出三态门被打开,使转换结果通过数据总线被读走。
在中断工作方式下,该信号往往是CPU发出的中断请求响应信号。
3.工作时序与使用说明
ADC0808/0809的工作时序如图6所示。
当通道选择地址有效时,ALE信号一出现,地址便马上被锁存,这时转换启动信号紧随ALE之后(或与ALE同时)出现。
START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位,在该上升沿之后的2μs加8个时钟周期内(不定),EOC信号将变低电平,以指示转换操作正在进行中,直到转换完成后EOC再变高电平。
微处理器收到变为高电平的EOC信号后,便立即送出OE信号,打开三态门,读取转换结果。
图6ADC0808/0809工作时序(3)
模拟输入通道的选择可以相对于转换开始操作独立地进行(当然,不能在转换过程中进行),然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成(因为ADC0808/0809的时间特性允许这样做)。
这样可以用一条写指令既选择模拟通道又启动转换。
在与微机接口时,输入通道的选择可有两种方法,一种是通过地址总线选择,一种是通过数据总线选择。
如用EOC信号去产生中断请求,要特别注意EOC的变低相对于启动信号有2μs+8个时钟周期的延迟,要设法使它不致产生虚假的中断请求。
为此,最好利用EOC上升沿产生中断请求,而不是靠高电平产生中断请求。
4.工作原理
由于ADC0809的参考电压VREF=VCC=5v,所以转换之后的数据要经过数据处理,在数码管上显示出电压值。
实际显示的电压值 (D/256*VREF)。
5.使用流程
图7ADC0809编程流程
2.4数码管简介
1.七段数码管引脚图
由于很多多都需要这个数码管引脚图。
数码管使用条件:
1)、段及小数点上加限流电阻
2)、使用电压:
段:
根据发光颜色决定;小数点:
根据发光颜色决定
3)、使用电流:
静态:
总电流80mA(每段10mA);动态:
平均电流4-5mA峰值电流100mA
上面这个只是七段数码管引脚图,其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的,4位数码管引脚图请在本站搜索我也提供了数码管使用注意事项说明:
1)数码管表面不要用手触摸,不要用手去弄引角;
2)焊接温度:
260度;焊接时间:
5S
3)表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。
2.测试
同测试普通半导体二极管一样。
注意!
万用表应放在R×10K档,因为R×1K档测不出数码管的正反向电阻值。
对于共阴极的数码管,红表笔接数码管的“-”,黑表笔分别接其他各脚。
测共阳极的数码管时,黑表笔接数码管的VDD,红表笔接其他各脚。
另一种测试法,用两节一号电池串联,对于共阴极的数码管,电池的负极接数码管的“-”,电池的正极分别接其他各脚。
对于共阳极的数码管,电池的正极接数码管的VDD,电池的负极分别接其他各脚,看各段是否点亮。
对于不明型号不知管脚排列的数码管,用第一种方法找到共用点,用第二种方法测试出各笔段a-g、Dp、H等。
图8数码管7
数码管引脚图,一般都是一样的。
3.数字对应数码管显示控制转换字节(共阴编码)
型号为SM4205的八段数码管是共阴极的。
它带小数点(dp)位,有10个管脚。
具体段码和管脚对应关系见附图,图中×表示悬空。
设端口顺序按IO7-0对应dp,g-a,则其显示段码表如下:
1)不带小数点dp
表3不带小数点数码管段选
0
1
2
3
4
5
6
7
3FH
06H
5BH
4FH
66H
6DH
7DH
07H
8
9
A
b
C
d
E
F
7FH
6FH
77H
7CH
39H
5EH
79H
71H
注:
熄灭为00H。
2)带小数点dp
表4带小数点数码管段选
0
1
2
3
4
5
6
7
0B3FH
86H
0DBH
0CFH
0E6H
0EDH
0FDH
87H
8
9
A
b
C
d
E
F
0FFH
0EFH
0F7H
0FCH
0B9H
0DEH
0F9H
0F1H
注:
熄灭为80H。
共阳为编码取反即可,接线为高低端口对应接法。
备注:
第一脚的识别很简单,看管脚的底部,有一个方块型的就是第一脚。
或者正面(就是显示那面)超你,左下角第一个为第一脚(7)。
4.四位数码管的接线引脚
放正数码管,从第一排是
表5四位数码管引脚
地1
A
F
地2
地3
B
E
D
CR
C
G
地4
地1表示是第一个数码管的接地端
地2表示是第二个数码管的接地端
地3表示是第三个数码管的接地端
地4表示是第四个数码管的接地端
2.5USB接口介绍
USB接口用来给单片机供电,还用来给外设供电。
2.5.1USB接口电路分析
USB(Universalserialbus)的中文含义是通用串行总线。
USB接口的特点是速度快、兼容性好、不占中断、可以串接、支持热插拔等。
目前USB接口有两种标准,分别为USB1.1和USB2.0.其中USB1.1标准接口的数据传输速度为12Mbps,USB2.0标准接口的数据传输速度为480Mbps。
主板通常集成4-8个USB接口,并且在主板上还有USB扩展接口,通常USB接口使用一个4针插头作为标准插头,通过USB插头,采用菊花链的形式可以把所有的外设连接起来,并且不会损失带宽。
USB接口电路主要由USB接口插座、电感、滤波电容、电阻排、保险电阻、南桥芯片等组成。
USB接口电路的VCC0和VCC1供电针脚通过保险电阻和电感连接到电源插座的第4针脚,有的主板在供电电路中还设置有一个供电跳线,通过跳线可以选择待机供电或Vcc5V供电。
如果选择待机供电,则在关机的状态下,USB接口也有工作电压。
USB接口电路中的保险电阻用来防止USB设备发生短路时烧坏ATX电源,目前的主板一般使用贴
片电阻或高分子PTC热敏电阻作为保险电阻。
高分子PTC热敏电阻可以在出现短路情况时,自动升高内部电阻,起到保护的作用,同时在故障排除后,又会自动恢复到低电阻状态继续工作。
USB接口电路数据线路中的贴片电感和电阻排的作用是:
在数据传输时起到缓冲的作用(抗干扰)。
这个电阻排通常采用阻值为22欧或33欧的电阻。
而数据线路中连接的电容排和电阻排
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- 基于 单片机 控制 可调 电源 适配器 设计