基于單片機智能穩(wěn)壓電源的設計說明

1、. . . . 基于單片機的智能穩(wěn)壓電源的設計摘要本文介紹了一種基于單片機的智能穩(wěn)壓電源的設計方案，其核心技術是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變其后的穩(wěn)壓模塊的輸出。該系統(tǒng)由整流濾波初步穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、DAC和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進可調(diào)，并且可實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。關鍵詞：單片機；穩(wěn)壓電源；連續(xù)步進可調(diào)；DAC； Design of Intelligent Power Supply Based on MCUXu Bin(College of Physics Science and Information Engineering,JishouUniversity,

2、Jishou,Hunan 416000)AbstractThis paper introduces a single-chip microcomputer-based Intelligent Power Supply Design program, its core technology through the MCU to control digital-to-analog converters to change the voltage regulator module subsequent output. The system consists of rectifier filter p

3、reliminary regulator of the MCU control of the DAC and display components, the power supply can be continuously adjustable stepper, and can be real-time display, made up for the shortcomings of traditional voltage regulator power supply.Key words：MCU; Regulated Power Supply; Stepping and adjustable

4、row;DAC目錄第一章 概述1 1.1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向.1 1.2 國發(fā)展現(xiàn)狀.11.3 系統(tǒng)研究方向.2第二章 設計原理.3 2.1 設計原理.32.2 系統(tǒng)框圖.4第三章 主要器件介紹53.1 AT89C51簡介.53.2 DAC0832工作原理.63.3 數(shù)碼管顯示原理.7第四章 硬件電路與數(shù)據(jù)測試.9 4.1 整流濾波、初步穩(wěn)壓.9 4.2 AT89C51主控部分.104.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC0832.104.4 穩(wěn)壓部分.114.5 顯示電路.114.6 數(shù)據(jù)測試與分析 .12第五章 軟件設計.135.1 軟件流程圖.13結束語14參考文獻15附錄一16附錄二18附錄三192

5、 / 21第一章 概述1. 1直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向1.1.1智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的測量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用微處理器的。以微處理器為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計算機技術與測量控制技術結合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表”。智能儀器解決了許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時還能簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動力源”，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應當智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應當具有以下功能特點: 操作自動化。系統(tǒng)的整個測量過程如鍵盤掃描

6、、量程選擇、開關啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以與顯示打印等都用微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。具有自檢測功能，包括自動調(diào)零、自動故障檢測與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷與量程自動轉(zhuǎn)換等。系統(tǒng)能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人機對話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能直流穩(wěn)壓電源還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以與測量數(shù)據(jù)的處理結果與時告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。網(wǎng)絡管理能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術應用日益普與和信息處理技術的不斷發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源通過RS23

7、2接口實現(xiàn)與上位PC機通信，從而使網(wǎng)絡技術人員可以隨時監(jiān)視電源設備運行狀態(tài)、各項技術參數(shù);網(wǎng)絡技術人員可通過網(wǎng)絡定時開關電源，實現(xiàn)遠程開關機等功能。1.1.2數(shù)字化在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯等技術的植入。1.1.3模塊化電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化;其二是指

8、電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作。 1.1.4 綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)

9、產(chǎn)生污染，國際電工委員會(IEC對此制定了一系列標準，如工EC555, IEC917,IECI000等。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，為21世紀批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎7。1.2 國發(fā)展現(xiàn)狀在我國，以電力電子學為核心技術的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀60年代中期開始形成，到了90年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快;另一方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導下，我國電力電子技術的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術難度較大，具有國際先進水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果

10、和產(chǎn)品;目前國還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎創(chuàng)新研究。但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足:在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設備、智能化、網(wǎng)絡化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10-15年，尤其在實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、網(wǎng)絡化方面的研究不是很多。目前國在這兩方面研究比較多的是電子科技大學和華南理工大學，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(PSD)來控制開關直流穩(wěn)壓電源或數(shù)制化電壓單元達到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。國廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)?/p>

11、現(xiàn)多組數(shù)值預置。總體說來，國直流穩(wěn)壓電源技術在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。1.3 系統(tǒng)研究方向本系統(tǒng)研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數(shù)字化以與模塊化的特點。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對系統(tǒng)進行智能控制。數(shù)字化主要是指系統(tǒng)輸出電壓通過7段數(shù)碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進數(shù)字化調(diào)節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。第二章 設計原理2. 1設計原理2.1.1穩(wěn)壓電源基本原理直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器T、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖2.1所示。電網(wǎng)供給的交流電壓u1(220V,50Hz) 經(jīng)電源變壓器

12、降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓u3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓uI。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。圖2.1 直流穩(wěn)壓電源框圖2.1.2 穩(wěn)壓電路設計方案 方案一：采用LM78XX系列三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖2.2圖2.2 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路方案二：采用LM317系列可調(diào)三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖2.3圖2.3 可調(diào)三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路方案三：由運放組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，電路如圖2.4圖2.4 串聯(lián)型

13、穩(wěn)壓電路方案一與方案二都可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且電路結構簡單，但方案一電壓輸出固定，方案二雖然電壓可調(diào)但很難實現(xiàn)步進調(diào)節(jié)。方案三既可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且輸出電壓連續(xù)步進可調(diào)，滿足設計要求。在方案三中用到了運放、單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC0832，這些器件都需要穩(wěn)定的工作電壓，因此系統(tǒng)最終的選擇方案一與方案三相結合，采用方案一實現(xiàn)系統(tǒng)的工作電壓，采用方案三實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的連續(xù)步進可調(diào)8。3. 2系統(tǒng)框圖系統(tǒng)由各個模塊組成，由各個模塊組成的系統(tǒng)框圖如圖2.5所示。顯示電路調(diào)整電路電源電路按鍵控制取樣電路比較電路DACAT89C51單片機圖2.5系統(tǒng)框圖第三章 主要器件介紹3.1 AT89C51

14、簡介本課題設計的直流穩(wěn)壓電源的核心控制器件選用AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT8920C51是他的精簡版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案，引腳圖如圖3.1。 圖3.1 AT89C51引腳圖AT89C51主要特性·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器

15、83;壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片振蕩器和時鐘電路 3.2 DAC0832工作原理直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片DAC0832。DAC0832的原理框圖如圖3.2所示。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以與輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)

16、字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制；8位D/A轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。圖3.2 DAC0832原理框圖當WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換器進行D/A轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸

17、入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。DAC單極性輸出方式如圖 3.3 所示。圖3.3 DAC單極性輸出電路3.3數(shù)碼管顯示原理 3.3.1數(shù)碼管結構輸出電壓采用7段數(shù)碼管進行顯示。數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0 9、字符A F、H、L、P、R、U、Y、符號“-”與小數(shù)點“.”。數(shù)碼管的外型結構如圖3.4（a）所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結構，分別如圖3.4（b）和圖3.4（c）所示。（a）外型結構（b）共陰極（c）共陽極圖3.4 數(shù)碼管結構圖3.3.2數(shù)碼管工作原理共

18、陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源與額定段導通電流來確定相應的限流電阻。共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起，通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端，當某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段

19、導通電流，還需根據(jù)外接電源與額定段導通電流來確定相應的限流電阻3.3.3數(shù)碼管字形編碼要使數(shù)碼管顯示出相應的數(shù)字或字符必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應的字形編碼。對照圖7.10（a），字型碼各位定義如下：數(shù)據(jù)線D0與a字段對應，D1字段與b字段對應，依此類推。如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應字段亮。如要顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應為：00111111B（即3FH）。依此類推可求得數(shù)碼管字形編碼如表3.1所示。表3.1 數(shù)碼管字型編碼表顯示字符

20、字形共陽極共陰極dpgfedcba字型碼dpgfedcba字形碼0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H011011016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H0000011107H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FHAA1000100088H0111011177HBB10

21、00001183H011111007CHCC11000110C6H0011100139HDD10100001A1H010111105EHEE1000011086H0111100179HFF100011108EH0111000171HHH1000100189H0111011076HLL11000111C7H0011100038HPP100011008CH0111001173HRR11001110CEH0011000131HUU11000001C1H001111103EHYY1001000191H011011106EH-10111111BFH0100000040H.011111117FH10000

22、00080H熄滅滅11111111FFH0000000000H第四章 硬件電路與數(shù)據(jù)測試4. 1整流濾波、初步穩(wěn)壓 整流就是把交流電變成脈動的直流電的過程，整流的基本器件是二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦约纯砂呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動的直流電，橋式整流電路如圖4.1所示2。 圖4.1 整流濾波電路濾波是為了降低輸出電壓的脈動成分，得到較為平滑的直流電源，常有的濾波電路有電容濾波、RC（LC）型的濾波形式。電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓UC=Q/C。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也

23、越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量，經(jīng)過濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高；固定三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路如圖4.2所示，在輸入與公共端之間、輸出端與公共端之間分別接了0.33uf、0.1uf的電容,可以防止自激振蕩。 圖4.2 三端穩(wěn)壓電路4.2 AT89C51主控部分單片機AT89C51是系統(tǒng)的控制核心，主要是通過控制數(shù)摸轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)對穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)，并且控制顯示電路，電路如圖4.3所示9。 圖4.3 AT89C51主控電路主控電路中包括AT89C51工作的基本電路：復位電路和晶振電路，還有兩個按鍵：+SW鍵和-SW鍵，這兩個按鍵用于控制輸出電壓的增加與減小。4.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換DA

24、C08323DAC模塊是整個系統(tǒng)的紐帶，連接著控制部分與穩(wěn)壓部分，電路如圖4.4所示圖4.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路該數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用的是DAC0832單極性輸出方式，輸出Vo=-B*Vref/256，其中B的值為D0D7組成的8位二進制，取值圍為0255，Vref是參考電壓，該電壓有電阻R2和可變電阻R3分壓所得，通過調(diào)節(jié)可變電阻可以改變參考電壓Vref。5. 4穩(wěn)壓部分穩(wěn)壓部分是系統(tǒng)的實現(xiàn)核心，DAC模塊輸出的模擬信號決定最終的輸出電壓，電路如圖4.5所示10 。 圖4.5 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路中電阻R7和R8組成取樣電路，對輸出電壓進行取樣，運放TL082構成比較電路，對采樣電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的電壓進

25、行比較以控制調(diào)整電路，三極管Q1和Q2構成調(diào)整電路，調(diào)整電路通過改變?nèi)龢O管的管壓降來調(diào)整輸出電壓。6. 5顯示電路顯示電路是對系統(tǒng)輸出電壓進行顯示，使得整個系統(tǒng)更加合理話，由于只顯示輸出的電壓，所以顯示器件采用數(shù)碼管，電路如圖4.6所示； 圖4.6 數(shù)碼管顯示電路4.6數(shù)據(jù)測試與分析數(shù)據(jù)測試主要是測試輸出電壓與設定值之間的誤差。測試數(shù)據(jù)如表4.1表4.1 測試數(shù)據(jù)設定值(V)輸出電壓(V)誤差(V)12.92.840.0623.02.970.0333.53.480.0245.04.980.0257.06.980.0269.18.080.02710.210.180.02811.010.960.0

26、4911.111.010.09從表4.1中的數(shù)據(jù)可以看出第1組和第9組輸出電壓與設定值偏差比較大，設定值在3V11V時輸出電壓偏差不大。為了減小誤差，所以將電壓的設定值限定在3V11V之間。系統(tǒng)輸出電壓在3V11V之間步進可調(diào)，步進值為0.1V。第五章 軟件設計 5.1 軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖直觀的描述了如何實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的調(diào)節(jié)。首先對系統(tǒng)的輸出電壓進行初始化，設定為5V（常用電壓值），然后通過判斷按鍵是+鍵或是-鍵對系統(tǒng)的輸出電壓進行相應的調(diào)節(jié)，并保證輸出電壓不超出設定圍，具體的調(diào)節(jié)過程如圖5.1所示4-6 。 圖5.1 系統(tǒng)軟件流程圖結束語該設計采用閉環(huán)反饋調(diào)整的方法，設計出了實用的

27、直流電壓源，其電壓輸出的級數(shù)與D/A的位數(shù)有緊密關系，本設計采用了8位的D/A，若采用12位或16位的D/A轉(zhuǎn)換器進行相應的閉環(huán)調(diào)整，直流電源的精度會進一步提高。由于該電源在結合了線性電源與開關電源各自優(yōu)點的基礎上還加入了單片機控制，不僅小巧、輕便、輸出特性良好而且還操作簡單，具有控制智能化等特點，因此，十分適用于各種科學實驗與小功率的電子設備中，相信會有很好的應用前景。參考文獻1友德等.單片微型機原理、應用與實驗M. ：復旦大學，2006，121802童詩白,華成英.模擬電子技術基礎M. ：高等教育,2001，200215.3建華,惠群.微型計算機原理與接口技術M. ：高等教育,2003，1

28、21200.4譚浩強,基溫,唐永炎.C語言程序設計教程M. ：高等教育,1992，163198.5文博,文濤.單片機程序設計M. ：人民郵電,2005，25215.6文濤,單片機語言典型應用設計M. ：人民郵電,2005，18312.7王增福,.新編線性直流穩(wěn)壓電源M. ：電子工業(yè),2004，100421.8Keith H.Billings,C.Eng.,M.I.E.E.,SWITCHMODE POWER SUPPLY HANDBOOKM,Hammond Manufacturing Company,Ltd，2005，36258.9 立南. 單片微型計算機控制系統(tǒng)設計M . :人民郵電,2004，28142.10蔡明生. 電子設計M . :高等教育教育,2004，57214.附錄一 系統(tǒng)源程序ORG 30HSTART:MOV R1,#64H ；輸出電壓初使化 MOV 40H,#0 ；設定為5V MOV 41H,#5 MOV 42H,#0DL: P1.0,DL1 ；+鍵按鍵處理 CALL DELAY CJNE R1,#0F0H,DL3 JMP DL2DL3: INC R1 ；輸出電壓增加0.1V INC R1 INC 42H MOV R5