基于单片机的直流稳压电源.docx

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基于单片机的直流稳压电源

学生毕业设计（论文）报告

系别：

电子与电气工程学院

专业：

应用电子技术

班号：

应电1

毕业设计（论文）任务书

专业应用电子技术班级应电姓名

一、课题名称：

基于单片机的直流稳压电源

二、主要技术指标：

（1）交流输入电压198

（2）直流输入电流I=1A

（3）直流输出电压14.25V

（4）交流纹波<5mV

DAC的主要技术指标：

（1）分辨率：

分辨率用输入二进制的有效比特数表示

（2）转换速度：

用完成一次转换所需的时间来衡量

（3）转换精度：

转换精度是指输出模拟电压的实际值与理论值之间的值三、工作内容和要求：

本课题设计一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

该电源采用键盘，对输出电压及报警阈值进行设置，输出由单片机通过D/A，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LED显示，多种显示模式间，由键盘控制进行动态逻辑切换。

课题要求为：

（1）硬件电路的设计（采用Protel99SE画原理图）

（2）系统软件的设计（对各部分程序进行编译且画出流程图、原理图）

（3）系统调试及误差分析：

输出误差≤0.1V额定输出电流≥500mA

四、主要参考文献：

[1]陈其纯.电子线路[M].北京:

高等教育出版社，2006

[2]童诗白,华成英,模拟电子技术基础[M].北京:

高等教育出版社，2001

[3]李广弟，朱月秀，冷祖祁.单片机基础（第3版）[M].北京:

北京航空大学出版社，2006.7[4]吴清平，张慧敏，沈凯，夏莹，王迅.电子技术与项目训练——模拟部分[M].常州信息职业技术学院，2009

学生（签名）年月日

指导教师（签名）年月日

教研室主任（签名）年月日

系主任（签名）年月日

毕业设计（论文）开题报告

设计（论文）题目

基于单片机的直流稳压电源

一、选题的背景和意义：

直流稳压电源是电子技术常用的仪表设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行试验操作和科学研究不可缺少的电子仪器。

在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。

传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低、复杂度高，而基于单片机控制的直流稳压电源就较好地解决以上传统稳压电源的不足。

二、课题研究的主要内容：

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。

针对此问题，设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

该电源采用键盘，对输出电压及报警阈值进行设置，输出由单片机通过D/A，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LED显示，多种显示模式间由键盘控制进行动态逻辑切换。

三、主要研究（设计）方法论述：

方案一：

采用单片机的方法

传统稳压电源由于受电子产品性能、研发条件等影响，普遍存在装置整体功能简单、输出误差大、抗干扰能力弱、内部接线多而复杂等多方面问题。

而采用单片机的数字稳压电源则是将数字电路和单片机很好地结合在一起，不但能够达到数字电路的效果，而且能够大大地简化复杂的纯数字电路。

采用单片机后，还可以用软件实现保护功能，要扩展其他的功能也非常容易。

四、设计（论文）进度安排：

时间（迄止日期）

工作内容

2011.9.5~2011.9.11

根据相关资料选择所要设计的课题，并写好相应的课题任务书

2011.9.12~2011.9.18

先确定即将要做的课题内容，然后再做好与之有关的开题报告

2011.9.19~2011.9.25

完成系统整体设计方案的编制

2011.9.26~2011.10.11

确定硬件电路的设计过程，按照要求完成硬件电路的设计

2011.10.12~2011.10.24

完成软件电路的设计

2011.10.25~2011.11.1

完成电路的系统调试

2011.11.2~2011.11.5

总结

五、指导教师意见：

　　　　　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

六、系部意见：

　　　　　　　　　　　系主任签名：

年月日

基于单片机的直流稳压电源

摘要

Abstract

前言

第1章概述…………………………………………………………..………………..1

1.1直流稳压电源的基本介绍………………………………………….…………...1

1.2直流稳压电源的发展过程………………………….…………………………...1

1.3研究背景及其意义…………………………….……………………………….2

1.4直流稳压电源的优点…………………………….……………………….…….2

1.5直流稳压电源的技术指标…………………………….………………….…….3

1.6系统研究方向…………………………….……………………………….……3

第2章系统硬件电路的设计…………………………………..……………….…...4

2.1系统总体结构………………………………………….………………….…….4

2.2AT89S51最小系统…………………………….…………………………..…....5

2.3单元电路设计与分析…………………………….……………………….……..6

2.3.1电源电路…………………………….…………………………………62.3.2键盘接口电路…………………………….………………………………....8

2.3.3D/A转换电路…………………………….……………………………........9

2.3.4稳压输出电路…………………………….………………………………..11

2.4LED显示电路…………………………….…………………………………....12

2.4.1数码管显示简介…………………….……………………………….…….12

2.4.2数码管编码表…………………….………………………………….…….13

2.5系统总电路图…………………………….……………………………….…....13

第3章系统软件设计…………..…………………………………………….….....14

3.1主程序………………………………………………..…………………….…..14

3.2过流保护程序…………………………………………..………………….…..15

3.3键盘子程序…………………………………………..………………….……...16

3.4软件部分…………………………………………..……………………….…...16

第4章总体调试………………..……………………………………………..........17

4.1系统调试………………………………………………………………..……17

4.1.1系统测试……………………………………………………………..….....17

4.1.2系统误差分析………………………………………………………..…..17

第5章结束语........……………………………………………………………........18

5.1总结……………………………………………………………………...……18

5.2展望……………………………………………………………………...……19

参考文献

答谢辞

附录1（总程序）

附录2（系统总原理图）

附录3（Proteus软件仿真图）

摘要

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。

传统稳压电源由于受电子产品性能、研发条件等影响，普遍存在装置整体功能简单、输出误差大、抗干扰能力弱、内部接线多而复杂、体重笨重等多方面问题。

由于当时电力电子技术研发水平的局限。

传统稳压电源通常常用粗调的方式来完成输出电压的调节，不能在较小的范围内调节，大大降低了直流稳压电源的使用范围。

随着单片机技术的不断成熟，利用单片机结合高性能的电力电子器件来开发直流稳压电源系统已成为目前发展的项目。

对于此问题，设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

该电源采用键盘，对输出电压及报警阈值进行设置，输出由单片机通过D/A，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LED显示，多种显示模式之间则由键盘控制进行动态逻辑的切换。

关键词：

单片机；直流稳压电源；LED显示

Abstract

DCpowersupplyisthemostcommonlyusedequipment,inscientificresearchandexperimentsareessential.Thetraditionalregulatedpowersupplyduetotheperformanceofelectronicproducts,researchanddevelopmentconditions,prevalenceofintegralfunction,simpledeviceoutputerror,weakanti-jammingability,internalwiringismorecomplex,theheavyweightetc.Needleduetotheresearchanddevelopmentofpowerelectronicstechnologylevellimitation.Thetraditionalpowersupplyusuallyusedcoarsewaytocompletetheoutputvoltageisregulated,notinthesmallerrangeofregulation,greatlyreducestheuseofDCpowersupply.

Withthesingle-chiptechnology,theuseofmicrocomputerwithhighperformanceofpowerelectronicdevicestothedevelopmentofDCpowersupplysystemhasbecomethedevelopmentoftheproject.Tothisproblem,designedakindofsinglechipmicrocomputerasthecoreofintelligenthighprecisionsimpleDCpowersupply,toovercomethetraditionalshortcomingsofDCvoltagesource,hastheveryhighapplicationvalue.Thispowersupplyusesthekeyboard,theoutputvoltageandthealarmthresholdsettings,outputfromthechipthroughtheD/A,controldrivingmoduletooutputastablevoltage.Intheworkprocess,regulatedpowersupplyworkingstate（outputvoltage,currentandotherworkingstate）bytheMCUoutputdisplaydriverLED,avarietyofdisplaymode,controlledbythekeyboardfordynamiclogicswitching.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer；DCpowersupply；LEDdisplay

前言

单片机是计算机技术、大规模集成电路技术和控制技术的综合产物。

经过30多年的发展过程，单片机应用已十分广泛和深入。

根据Motorola公司统计，1990年，平均每辆汽车使用12个单片机，而到了2000年就增加到35个。

所以可以毫不夸张地说，任何设备和产品的自动化、数字化和智能化都离不开单片机。

现在，凡是电脑控制的设备和产品，必有单片机嵌入其中，这一切表明，单片机已成为人类生活中不可或缺的助手。

单片机应用系统设计不但要熟练掌握单片机程序设计语言和编程技术，而且还要具备扎实的单片机硬件方面的理论和实践知识。

另外，考虑到当今使用最多的是8位单片机，所以在本次论文中则着重突出以AT89S51为代表的8位单片机的基础地位。

设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

整篇论文共有5章。

第1章是对直流稳压电源相关内容的基本介绍以及其发展过程的叙述。

第2章则着重偏向于直流稳压电源硬件电路的设计（电源电路、键盘接口电路、稳压输出电路等）和总体电路图的设计。

而第3章是对其软件电路方面的设计（主程序、过流保护程序）及总程序的编译。

首先初始化系统，即AT89S51单片机系统的初始化，再对系统时间进行设置，调用按键处理子程序，判断是否有按键按下，若有就调用显示处理程序，显示处理程序在数码管上显示预置电压，由单片机控制的信号经D/A转换后，通过检测电路判断是否短路，若短路则启动中断保护。

从数模转换电路转换出的信号，一路经过流检测电路，把检测到的信号，送入单片机最小系统进行处理，若过流，则蜂鸣器鸣叫。

第4章是对整个电路进行总体调试以及系统误差的分析。

最后一章则是对论文的总结和展望。

在论文的设计过程中，我参考了一些有关单片机方面的著作和资料，除此之外，就是利用网络功能搜寻了直流稳压电源的相关内容及其介绍，希望能够达到预期所设定的效果。

第1章概述

1.1直流稳压电源的介绍

直流稳压电源又称直流稳压器。

它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。

稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。

前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。

纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。

直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。

前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压（或电流）。

这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多、效率低（常低于40％～60％）；后者以改变调整元件（或开关）的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。

这类电源功耗小，效率可达85％左右，但缺点是纹波大、相互干扰大。

从工作方式上可分为：

①可控整流型。

用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。

②斩波型。

输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。

③变换器型。

不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。

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。

1.2直流稳压电源发展过程

从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功率的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中交流/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20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，交流/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于劣势，因而无法被广泛采用。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

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。

1.3研究背景及意义

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。

1.4直流稳压电源的优点

数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

电源采用数字控制，具有以下明显优点：

（1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

（2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

（3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

（4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过MODEM远程操作。

（5）系统的一致性好，成本低，生产制造方便。

由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。

由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

（6）易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。

为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

1.5直流稳压电源的技术指标

在直流稳压电源电路的设计中，电源的转换效率要高，稳压电路对输入电压的波动适应性要好，输出直流电的纹波要小等指标。

1.特性指标

特性指标指表明稳压电源工作特性的参数，例如：

输入、输出电压及输出电流、电压可调范围等。

2.质量指标

质量指标指衡量电源稳定性能状况的参数，如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。

下面分别说明如下：

（1）稳压系数r：

指通过负载的电流和环境温度保持不变时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。

（2）输出电阻r0：

指当输入电压和环境温度不变时，输出电压的变化量与输出电流变化量之比。

（r0输出电阻越小，带负载能力越强，对其它电路影响越小）

（3）纹波电压S：

指稳压电路输出端中含有的交流分量，通常用有效值峰值表示。

（S值越小越好，否则影响正常工作，如在电视接收机中表现“嗡嗡”声和光栅在垂直方向呈现S形扭曲）

（4）温度系数St：

指在输入电压和负载电流都不变的情况下，单位温度变化所引起的输出电压的变化。

（St越小，漂移越小，稳压电路受温度影响越小）

稳压器就是用来提供负载电流，能够稳定电压的设备。

稳压器通过误差放大器的连接和对反方向输入端的分压电阻进行采样，最终使同相输入端连接到一个参考电压上。

对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压脉动的抑制能力。

在规定的负载电流变化值条件下，通常以单位输出电压变化值的百分率表示，或以输出电压变化的绝对值表示；

1.6系统研究方向

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．但均存在以下问题：

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。

常常通过硬件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。

本文设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。

本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。

智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。

数字化主要是指系统输出电压通过8段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。

模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性、降低了直流稳压电源的损耗，从而提高了该类稳压电源的效率。

第2章系统硬件电路的设计

硬件电路在整个设计中起到非常重要的作用，它是将所要做的电路进行实体化，易于检测