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基于单片机的智能稳压电源的设计
东南大学
本科毕业论文
基于单片机的智能稳压电源的设计
DesignofIntelligentPowerSupplyBasedonMCU
专业名称自动化
申请学士学位所属学科工学
指导教师姓名、职称
2012年5月10日
摘要
基于单片机的智能稳压电源的设计
本文介绍了一种以单片机为核心的智能稳压电源的设计方法和实现方法,其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后的稳压模块的输出。
该设计包括直流电源输入及输出两部分,可完成3~11V之间各不同幅值的电压的输出,能够预置数,其中电压输出部分,既可手动的每按”+””-”键一下进行每0.1V大小的上下调整,也可长按”+””-”键使其自动的递增或者递减,直到需要的数值。
预置数时用切换键切换预置个位或小数位,按”+””-”键进行微调。
该系统由整流滤波初步稳压模块、单片机控制模块、DAC和显示模块组成,介绍了整体电路的设计和单片机系统的硬件及软件流程。
该稳压电源能连续步进可调,并且可实时显示,弥补了传统稳压电源的不足。
该系统具有抗干扰性能好,可靠性高,及最终输出电压值与真实显示值精确度较高等优点。
关键词:
单片机;稳压电源;DAC;连续步进可调;
DesignofIntelligentPowerSupplyBasedonMCU
Abstract
Thispaperintroducesakindofsinglechipmicrocomputerasthecoreofintelligentpowersupplydesignmethodandtherealizationmethod,itscoretechnologyiscontrolledbythesinglechipcomputerdigital-to-analogconvertertochangethevoltageregulatormodulesubsequentoutput.ThedesignincludesaDCpowersupplyinputandoutputparttwo,canachieve3~11Vbetweendifferentamplitudeoftheoutputvoltage,tothepresetnumber,whereinthevoltageoutputportion,whichcanbeoperatedmanuallytoeachaccordingtothe"+""-"keyonceevery0.1Vsizeisadjustedupanddown,canalsobeaccordingtothe"+""-"keytomakeitautomaticallyincrementedordecremented,untiltherequiredvalues.Thepresetnumberwithpresetswitchtoggleabitorsmalldigital,accordingtothe"+""-"keystofinetune.Thesystemiscomposedofarectifyingfilterinitialvoltageregulatormodule,single-chipcontrolmodule,DACanddisplaymodule,introducesthedesignofthewholecircuitandasinglechipmicrocomputerhardwareandsoftwareflow.Theregulatedpowersupplycancontinuouslysteppingadjustable,andthereal-timedisplay,makeupforthetraditionalregulatedpowersupplyshortage.Thesystemhasgoodperformanceofantiinterference,highreliability,andthefinaloutputvoltagevalueandtherealvaluedisplayedhighprecisionetc..
Keywords:
singlechipmicrocomputer;powersupply;DAC;continuoussteppingadjustable;
第一章概述………………………………………………………………………1
1.1研究背景及意义……………………………………………………………1
1.2直流稳压电源的发展方向………………………………………………..1
1.3国内发展现状……………………………………………………………..2
1.4系统研究方向……………………………………………………………..3
第二章设计原理…………………………………………………………………4
2.1设计原理…………………………………………………………………..4
2.2系统框图…………………………………………………………………..6
第三章主要器件介绍……………………………………………………………7
3.1AT89C51简介……………………………………………………………...7
3.2DAC0832工作原理………………………………………………………...8
3.3数码管显示原理…………………………………………………………..9
第四章硬件电路与数据测试……………………………………………………11
4.1整流滤波、初步稳压…………………………………………………….11
4.2AT89C51主控部分………………………………………………………..12
4.3数模转换DAC0832………………………………………………………..12
4.4稳压部分………………………………………………………………….13
4.5显示电路………………………………………………………………….13
4.6数据测试与分析………………………………………………………...14
第五章软件设计………………………………………………………………15
5.1软件流程图………………………………………………………………..15
结束语………………………………………………………………………………16
附录一………………………………………………………………………………17
附录二………………………………………………………………………………19
附录三………………………………………………………………………………20
参考文献……………………………………………………………………………21
致谢…………………………………………………………………………………22
INDEX
1.1theresearchbackgroundandsignificance--------------------------
1.3domesticdevelopmentstatus---------------------------------------
1.4systemresearchdirection-----------------------------------------
2.1designprinciples-------------------------------------------------
2.2blockdiagramofsystem-------------------------------------------
Thethirdchapterintroducesthemaindevices-------------------------
Chapterfifthsoftwaredesign----------------------------------------
5.1flowchartofthesoftware---------------------------------------
Theend--------------------------------------------------------------
Appendixtwo---------------------------------------------------------
Appendixthree-------------------------------------------------------
第一章概述
1.1研究背景及意义
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。
它是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业(如国防、科研、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等)。
直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于数学、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实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。
由于电子技术的特性,电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能,而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。
传统的直流稳压电源通常采用波段开关和电位器来实现电压的调节,并由电压表示电压值的大小。
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够较好的解决以上传统稳压电源的不足。
1.2直流稳压电源的发展方向
1.2.1智能化
目前在研制高性能、高精度、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,将测量控制技术与计算机技术结合在一起,组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。
智能仪器不仅解决了很多传统仪表不能或不易解决的难题,同时还可以简化系统电路,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。
具体地说,智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点:
①操作自动化。
系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作,实现测量过程的全部自动化。
②具有自检测功能,包括自动调零、自动校准、自动故障检测与状态检验、自诊断及量程自动转换等。
系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。
③具有友好的人机对话能力。
智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关,操作人员只需通过键盘输入命令,就能实现某种测量功能。
与此同时,智能稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员,使系统的操作更加方便直观。
④网络管理能力。
随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展,直流稳压电源通过RS232接口实现与上位PC机通信,从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数;网络技术人员可通过网络定时开关电源,实现远程开关机等功能。
1.2.2数字化
随着大规模集成电路以及数字计算机的飞速发展,加之从60年代末以来数字信号处理理论和技术的成熟和完善,用数字方法来处理信号,即数字信号处理,已逐渐取代模拟信号处理。
随着信息时代、数字世界的到来,数字信号处理已成为一门极其重要的学科和技术领域。
数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点,这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。
1.2.3模块化
稳压电源的模块化有两个意思,第一是指电源单元的模块化;第二是指功率器件的模块化。
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。
这样可以很大的提高系统可靠性,即使万一单模块出现故障,也不会影响整个系统的正常运行。
1.2.4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,因为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IEC555,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。
1.3国内发展现状
在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60年代中期开始形成,到了90年代以来,电源产业进入快速发展时期。
一方面,电源产业规模的发展在加快;另一方面,在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业界涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平的产品,而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年,尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在智能化网络化方面研究的还是不多,研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学,主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的,但和国外的比较起来,效果不是很理想,还有很大的差距。
整体来说,国内的直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后,在竞争激烈的国际形式下,是个严重的挑战。
1.4系统研究方向
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7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。
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。
第二章设计原理
2.1设计原理
2.1.1稳压电源基本原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出地直流电压装置。
直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成(如图2.1所示)。
电源变压器是降压器,他把电网220V交流电压变成符合电路需要的交流电压U2,送给整流电路。
然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3,再用滤波器滤去其交流分量,就可得到比较平直的直流电压uI。
虽然整流滤波电路能将正弦交流电压变换为较为平滑的直流电压。
所以当电网波动时,输出电压平均值将产生相应的波动,另一方面,由于整流滤波电阻的存在,当负载变化时,内阻上的电压将发生变化。
于是,输出电压平均值也将产生相反变化。
为了获得稳定性好的直流电压,还要采取稳压措施,以保证输出直流电压更稳定。
图2.1直流稳压电源框图
2.1.2稳压电路设计方案
方案一:
采用LM78XX系列三端稳压器稳压,电路如图2.2
图2.2三端稳压器稳压电路
方案二:
采用LM317系列可调三端稳压器稳压,电路如图2.3
图2.3可调三端稳压器稳压电路
方案三:
由运放组成的串联型稳压电源,电路如图2.4
图2.4串联型稳压电路
方案一与方案二都可实现稳定的电压输出,而且电路结构简单,但方案一电压输出固定,方案二虽然电压可调但很难实现步进调节。
方案三既可实现稳定的电压输出,而且输出电压连续步进可调,满足设计要求。
在方案三中用到了运放、单片机、数模转换DAC0832,这些器件都需要稳定的工作电压,所以系统最终的选择方案一与方案三相结合,采用方案一实现系统的工作电压,采用方案三实现系统稳压电源的连续步进可调。
2.1.3数码显示输出部分
方案一:
采用电阵式液晶显示器(LCD)显示。
虽然其功能强大,可显示各种字体的数字,汉字,图象,还可以自定义显示内容,但是编程复杂,需要消耗大量时间完成显示部分的编程工作,成本也比普通数码管贵。
方案二:
采用通用LED数码管显示。
虽只能显示非常有限的符号和数码字,但是在本设计中完全满足显示需要,且编程简便,可节约大量时间。
分析以上两种方案的优缺点,这是决定系统使用是否方便的关键。
本设计采用方案二。
2.2系统框图
系统由各个模块组成,由各个模块组成的系统框图如图2.5所示。
调整电路
电源电路
按键控制
取样电路
比较电路
DAC
AT89C51
单
片
机
图2.5系统框图
第三章主要器件介绍
3.1AT89C51简介
本课题设计的直流稳压电源的核心控制器件选用AT89C51。
AT89C51是一个低电压,高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器(PENROM)。
和128字节的存取数据存储器(RAM),这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产,并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。
片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元,有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。
AT89C51提供以下的功能标准:
4K字节闪烁存储器,128字节随机存取数据存储器,32个I/O口,2个16位定时/计数器,1个5向量两级中断结构,1个串行通信口,片内震荡器和时钟电路。
另外,AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作,并支持两种软件的节电模式。
闲散方式停止中央处理器的工作,能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容,但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。
引脚图如图3.1。
图3.1AT89C51引脚图
3.11AT89C51引脚说明
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
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。
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。
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。
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。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:
口管脚备选功能
P3.0RXD(串行数据接收口)
P3.1TXD(串行数据发送口)
P3.2/INT0(外部中断0申请,低电平有效)
P3.3/INT1(外部中断1申请,低电平有效)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部RAM写选通,低电平有效)
P3.7/RD(外部RAM读选通,低电平有效)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入信号。
用于完成单片机的初始化,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。
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。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
低电平有效。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
XTAL1:
外接晶体引线端,反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
外接晶体引线端,反向振荡器的输出。
3.2DAC0832工作原理
DAC0832是8分频率的D/A转换集成芯片,在单片机应用系统中应用非常广泛。
其主要优点是与微处理器完全兼容,价格低廉,转换控制容易,接口简单。
图3.2所示为DAC0832的原理框图。
DAC0832主要由8位D/A转换器、8位DAC寄存器、8位输入寄存器以及输入控制电路四部分组成。
8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流;由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。
8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量,由加以控制;8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量,使输入数字量得到缓冲和锁存,由加以控制。
图3.2DAC0832原理框图
1脚—CS(反)2脚—WR1(反)3脚—AGND4脚—D3
5脚—D26脚—D17脚—D08脚—ref
9脚—Ref10脚—DGND11脚—Iout112脚—Iout2
13脚—D714脚—D615脚—D516脚—D4
17脚—XFER(反)18脚—WR2(反)19脚—ILE20脚—Vcc
AT89C51的P0口接DAC0832的数据线DI0-7,写信号WR(反)接0832的写信号WR1(反),WR2(反),AGND接模拟地,DGND接数字地。
Vcc和ILE接+5V使恒有效。
对于输出端,因为DAC0832是电流输出型的D/A芯片,所以必须外加运算放大器才能输出电压,DAC0832的电流输出Iout1和Iout2与放大器的输入端连接,反馈电阻的输入端Rfb与输出端Vout相连。
DAC单极性输出方式如图3.3所示。
3.3数码管显示原理
3.3.1数码管结构
我们最常用的是七段式和八段式LED数码管,八段比七段多了一个小数点,其他的基本相同。
所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管,通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。
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3.4(a)所示。
数码管又分为共阴极和共阳极两种类型,其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起,让其接地,这样给任何一个LED的另一端高电平,它便能点亮。
而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。
其原理图如下3.4(b)和图3.4(c)所示。
(a)外型结构(b)共阴极(c)共阳极
图3.4数码管结构图
3.3.2数码管工作原理
共阳极数码管通常是公共阳极接高电平(一般接电源),即八个发光二极管的阳极(二极管正端)连接在一起接高电平,其它管脚(即二极管的阴极)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,其所连接的字段导通并点亮,各种数字或字符由发光字段的不同组合来显示出。
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
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