基于單片機的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設計

畢業(yè)設計論文題目：單片機控制可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設計姓名：學號：專業(yè)班級：2023/12/1廣東交通職業(yè)技術學院

內(nèi)容摘要本文介紹了一種基于單片機的直流穩(wěn)壓電源設計方案，該系統(tǒng)由初步整流穩(wěn)壓局部、單片機控制局部、DAC、穩(wěn)壓局部和顯示局部組成。該穩(wěn)壓電源可步進調(diào)節(jié)、實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的缺乏，其核心技術是通過單片機控制數(shù)模轉換來改變其后穩(wěn)壓模塊的輸出。利用單片機控制數(shù)模轉換芯片DAC0832輸出電壓作為穩(wěn)壓電路的參考電壓；單片機通過鍵控改變DAC0832的輸出電壓，作為參考電壓發(fā)生改變，穩(wěn)壓電路調(diào)整管的壓降也會相應地發(fā)生變化，從而改變輸出電壓。目錄1.引言·····························································42.設計任務及要求···················································42.1設計目的····················································42.2設計內(nèi)容····················································43．電源設計方案及論證··············································53.1設計方案分析················································53.2D/A數(shù)字模擬轉換模塊········································63.3穩(wěn)壓模塊····················································63.4按鍵控制模塊················································73.5顯示模塊····················································73.6電源模塊····················································74．電源系統(tǒng)硬件介紹················································74.1單片機模塊··················································7單片機介紹··············································74.1.2單片機外圍電路介紹·····································94.2D/A模塊····················································104.2.1DAC0832工作原理·······································104.2.2DAC0832及其外圍電路···································114.2.3D/A轉換的計算·········································124.3LED數(shù)碼管顯示模塊··········································14數(shù)碼管結構·············································14數(shù)碼管工作原理·········································14數(shù)碼管連接電路圖·······································154.4直流電源···················································15整流濾波、初步穩(wěn)壓·····································155.電源硬件電路仿真圖·············································166.電源硬件電路原理圖·············································177.硬件電路PCB圖·················································178．硬件電路實物圖·················································19設計心得參考文獻附錄1引言隨著電力電子技術的迅速開展，直流電源應用非常廣泛，其好壞直接影響著電氣設備或控制系統(tǒng)的工作性能。直流穩(wěn)壓電源是電子技術常用的設備之一，廣泛的應用于教學、科研等領域。傳統(tǒng)的多功能直流穩(wěn)壓電源功能簡單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復雜度高。而基于單片機控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的缺乏。2設計任務及要求2.1設計目的1.學習根本理論在實踐中綜合運用的初步經(jīng)驗，掌握模擬電路結合單片機設計電路的根本方法、設計步驟，培養(yǎng)綜合設計與調(diào)試能力。2.學會直流穩(wěn)壓電源的設計方法和性能指標測試方法，穩(wěn)固單片機的學習應用。3.培養(yǎng)實踐技能，提高分析和解決實際問題的能力。2.2設計內(nèi)容設計數(shù)顯式直流穩(wěn)壓電壓源，要求完成以下主要技術指標：1.當輸入交流電壓為220v時，輸出電壓連續(xù)可調(diào)；2.使用按鍵調(diào)節(jié)電壓，調(diào)整范圍在0~12V內(nèi)可調(diào)，調(diào)整幅度為0.1V；初試電壓置為5.0V3.顯示設定電壓和測量電壓，顯示精度為0.1V，顯示方式數(shù)碼管顯示。2.3設計步驟1.查閱有關資料，完成總體設計框圖2.完成設計框圖各個局部的詳細設計，并選擇適宜參數(shù)的電子元器件完成各局部電路，繪制電路原理圖。統(tǒng)計所有元器件的參數(shù)和數(shù)量，購置元器件。3.將元器件依照電路原理圖焊接至電路板上，完成電源的實物制作。4.調(diào)試電路，根據(jù)需要調(diào)節(jié)元件參數(shù)，必要時，替換個別元件。5.完成設計報告。3電源設計方案論證3.1設計方案分析分析此題，根據(jù)設計要求先確定了本系統(tǒng)的整體設計原理框圖如圖1：調(diào)整電路顯示電路調(diào)整電路顯示電路取樣電路比擬電路取樣電路比擬電路電源電路輸出穩(wěn)壓電路STC89C51電源電路輸出穩(wěn)壓電路STC89C51單片機DAC按鍵控制DAC按鍵控制圖1系統(tǒng)框圖3.2D/A數(shù)字模擬轉換模塊方案一：采用MX7541是高速高精度12位數(shù)字/模擬轉換器芯片，功耗低，而且其線性失真可低達0.012%，特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲得和控制。方案二：采用DAC0832，DAC0832是一種常用的8位的數(shù)字/模擬轉換芯片。本系統(tǒng)是基于51單片機的數(shù)控電源的設計，8位的單片機，而MX7541是12位數(shù)字輸入的，因此須用鎖存器。而此數(shù)控電源要求單步0.1V，0～12V，DAC0832完全可以到達，應選擇常用的DAC0832。3.3穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓局部是系統(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2所示。圖2穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路中電阻R1和R3組成取樣電路，對輸出電壓進行取樣，運放TLC082構成比擬電路，對采樣電壓與數(shù)模轉換輸出的電壓進行比擬以控制調(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Q2的管壓降來調(diào)整輸出電壓。3.4按鍵控制模塊方案一：采用矩陣鍵盤，由于按鍵多可實現(xiàn)電壓值的直接鍵入。方案二：采用一般的電平判鍵按鈕，實現(xiàn)方法很簡單，但一個端口最多只實現(xiàn)8個按鍵。由于本數(shù)控電源需要用的按鍵不多，要實現(xiàn)步進為1V的設計要求，只需用一個“+〞和一個“-〞按鍵。2個按鍵就可實現(xiàn)此題的設計要求，固采用方案二。3.5顯示模塊方案一：選用數(shù)碼管顯示，用普通的數(shù)碼管顯示簡單的數(shù)字、符號、字母。方案二：選用液晶顯示,顯示的內(nèi)容更加的豐富。此系統(tǒng)顯示的只是最終電源輸出的10位和個位電壓值，只需顯示出兩個數(shù)字，數(shù)碼管更加的實惠，故我選擇了方案一。3.6電源模塊220V交流電經(jīng)過降壓、整流，然后使用LM7805、LM7815、LM7915芯片進行穩(wěn)壓,分別為系統(tǒng)提供+5V、+15V、-15V工作電壓，使單片機芯片、顯示模塊、穩(wěn)壓模塊、DAC模塊等正常工作。4電源系統(tǒng)硬件介紹4.1單片機模塊STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器的低電壓，高性能COMOS8的微處理器。該器件采用ATMEL搞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。4.1.1單片機介紹CPU即中央處理器的簡稱，是單片機的核心部件，它完成各種運算和控制操作，CPU由運算器和控制器兩局部電路組成。a.運算器電路運算器電路包括ALU〔算術邏輯單元〕、ACC〔累加器〕、B存放器、狀態(tài)存放器、暫存器1和暫存器2等部件，運算器的功能是進行算術運算和邏輯運算。b.控制器電路控制器電路包括程序計數(shù)器PC、PC加1存放器、指令存放器、指令譯碼器、數(shù)據(jù)指針DPTR、堆棧指針SP、緩沖器以及定時與控制電路等?？刂齐娐吠瓿芍笓]控制工作，協(xié)調(diào)單片機各局部正常工作。c.定時器/計數(shù)器MCS－52單片機片內(nèi)有兩個16位的定時/計數(shù)器，即定時器0和定時器1。它們可以用于定時控制、延時以及對外部事件的計數(shù)和檢測等。d.存儲器MCS－52系列單片機的存儲器包括數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器，其主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是相互獨立的，物理結構也不相同。e.并行I/O口MCS－52單片機共有4個8位的I/O口〔P0、P1、P2和P3〕，每一條I/O線都能獨立地用作輸入或輸出。P0口為三態(tài)雙向口，能帶8個TTL門電路，P1、P2和P3口為準雙向口，負載能力為4個TTL門電路。f.串行I/O口MCS－521單片機具有一個采用通用異步工作方式的全雙工串行通信接口，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。g.中斷控制系統(tǒng)8051共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個。h.時鐘電路MCS－52芯片內(nèi)部有時鐘電路，但晶體振蕩器和微調(diào)電容必須外接。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，振蕩器的頻率范圍為1.2MHz～12MHz，典型取值為6MHz。i.總線以上所有組成局部都是通過總線連接起來，從而構成一個完整的單片機。系統(tǒng)的地址信號、數(shù)據(jù)信號和控制信號都是通過總線傳送的，總線結構減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。選用單片機的結構：1一個8位算術邏輯單元232個I/O口4組8位端口可單獨尋址3兩個16位定時計數(shù)器4全雙工串行通信56個中斷源兩個中斷優(yōu)先級6128字節(jié)內(nèi)置RAM7獨立的64K字節(jié)可尋址數(shù)據(jù)和代碼區(qū)每個8051處理周期包括12個振蕩周期每12個振蕩周期用來完成一項操作如取指令和計算指令執(zhí)行時間可把時鐘頻率除以12取倒數(shù)然后指令執(zhí)行所須的周期數(shù)因此如果你的系統(tǒng)時鐘是11.059MHz除以12后就得到了每秒執(zhí)行的指令個數(shù)為921583條指令取倒數(shù)將得到每條指令所須的時間1.085ms。STC89C52的管腳圖如圖3：：圖3STC89C52管腳圖4.1.2單片機外圍電路介紹電源引腳Vcc和VssVcc：電源端，接＋5V。Vss：接地端。時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部晶振和微調(diào)電容的一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入，假設使用外部TTL時鐘時，該引腳必須接地。XTAL2：接外部晶振和微調(diào)電容的另一端，在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出，假設使用外部TTL時鐘時，該引腳為外部時鐘的輸入端。地址鎖存允許ALE系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制地址鎖存器鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)與低位地址的復用。P0口與數(shù)碼管相連，P1口的P1.0~P1.3作為位選端。P1口的P1.6,P1.7和鍵盤相連，作為整個系統(tǒng)的輸入局部。和P1.6,P1.7相接的分別是“+〞，“-〞號鍵。P2口和DAC0832的輸入相接，作為D/A模塊的輸入。4.2D/A模塊4.2.1DAC0832工作原理直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉換采用通用芯片DAC0832。DAC0832的原理框圖如圖4所示。DAC0832主要由8位輸入存放器、8位DAC存放器、8位D/A轉換器以及輸入控制電路四局部組成。8位輸入存放器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位DAC存放器用于存放待轉換的數(shù)字量，由加以控制；8位D/A轉換器輸出與數(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個存放器的選通或鎖存狀態(tài)。4DAC0832原理框圖Vcc芯片電源電壓,+5V～+15VVREF參考電壓,-10V～+10VRFB反應電阻引出端,此端可接運算放大器輸出端AGND模擬信號地DGND數(shù)字信號地DI7~DI0數(shù)字量輸入信號其中:DI0為最低位，DI7為最高位。當WR2和XFER同時有效時，8位DAC存放器端為高電平“1〞，此時DAC存放器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入存放器Q端的電平變化；反之，當端為低電平“0〞時，第一級8位輸入存放器Q端的狀態(tài)那么鎖存到第二級8位DAC存放器中，以便第三級8位DAC轉換器進行D/A轉換。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級8位DAC存放器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入存放器置成可選通、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，即把兩個存放器都分別接成受控方式。DAC單極性輸出方式如圖5所示。圖5DAC單極性輸出電路4.2.2DAC0832及其外圍電路本系統(tǒng)是基于單片機的數(shù)控電源的設計，而MX7541是12位數(shù)字輸入的，因此須用鎖存器。而此數(shù)控電源要求單步1V，2～15.0V只需區(qū)分14個點，DAC0832完全可以到達，應選擇常用的DAC0832。當其與單片機進行相連時，電路也簡單，只需把單片機的數(shù)據(jù)線與DAC0832的輸入端直接相連即可，程序也很簡單，只需向其送數(shù)據(jù)即可。DAC0832的管腳圖如圖6所示：圖6DAC0832管腳圖其各個引腳的連接及外圍圖：圖7D/A模塊電路4.2.3D/A轉換的計算D/A轉換器〔DAC〕輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉換輸出的是模擬量。DAC的技術指標很多，如：分辨率、滿刻度誤差、線性度、絕對精度、相對精度、建立時間、輸入/輸出特性等。分辨率：DAC的分辨率反映了它的輸出模擬電壓的最小變化量。其定義為輸出滿刻度電壓與的比值，其中n為DAC的位數(shù)。如：8位DAC的滿刻度輸出電壓為5V，那么其分辨率為；10位DAC的分辨率為?？梢?，DAC的位數(shù)越高，分辨率越小。建立時間：是描述DAC轉換速度快慢的參數(shù)。其定義為從輸入數(shù)字量變化到輸出到達終值誤差LSB〔最低有效位〕所需的時間。高速DAC的建立時間可達1us。接口形式：在DAC輸入/輸出特性之一。包括輸入數(shù)字量的形式，十六進制式BCD，輸入是否帶有鎖存器等。DAC0832為8位D/A轉換器。單電源供電，范圍為+5V～+15V，基準電壓范圍為。電流的建立時間為1us。CMOS工藝功耗20mw。輸入設有兩級緩沖鎖存器。電壓的計算方式：該數(shù)模轉換電路采用的是DAC0832單極性輸出方式，輸出Vo=-B*Vref/256，其中B的值為D0~D7組成的8位二進制，取值范圍為0~255，Vref是參考電壓，該電壓有電阻R2、R10和可變電阻RV1分壓所得，通過調(diào)節(jié)可變電阻可以改變參考電壓Vref。數(shù)字量取0～256，B取16，Vref取-8V,即數(shù)字量每步進16，模擬量0.03125V，要到達步進0.1V，必須放大2倍，用運放即可。運算放大器的原理如下列圖：圖8運算放大電路輸出的電壓V，再從Vi輸入，經(jīng)過電容濾波再輸入，，，，輸出的Vo值的大小為輸入Vi的倍，只需調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R3的阻值到達所需的電壓放大倍數(shù)即可，輸出的電壓Vo通過電壓跟隨，再用于控制LC082的輸出。4.3LED數(shù)碼管顯示模塊4.3.1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09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符號“〞及小數(shù)點“〞。共陽數(shù)碼管的外型結構如圖9所示。圖9外型結構4.3.2數(shù)碼管工作原理共陽極數(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〕，其它管腳接段驅動電路輸出端。當某段驅動電路的輸出端為低電平時，那么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，要求段驅動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及段導通電流來確定相應的限流電阻。4.3.3數(shù)碼管連接電路圖圖10數(shù)碼管連接電路圖4.4直流電源4.4.1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，整流的根本器件是二極管，利用二極管的單向導電性即可把交流電轉換成脈動的直流電，橋式整流電路如圖11所示。圖11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〕∏型濾波等濾波形式。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，那么電壓變化也越慢，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12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12三端穩(wěn)壓電路5電源硬件電路仿真圖采用Proteus仿真，電路圖如下：6電源硬件電路原理圖采用Protel2004繪制的原理圖如下：圖13開關電源電路原理圖7.硬件電路PCB圖根據(jù)原理圖來硬件電路的設計，最后生成的PCB板圖如下：圖14開關電源電路PCB圖8．硬件電路實物圖設計心得本次設計共5周時間，分別進行了可調(diào)直流電源電路原理圖的設計，電路仿真圖的設計以及實物電路板的焊制幾個過程。經(jīng)過這次的課程設計，我們不僅加深了對Protel2004軟件的應用和Proteus仿真軟件的了解和使用，還學到了許多課本上沒有涉及知識，練習了電路原理圖的設計和仿真運行，同時對以前學習的單片機課程進行了一次全面的復習和穩(wěn)固，收益很大。第一階段是對穩(wěn)壓開關電源電路原理圖設計，剛開始感覺有一定的難度，主要是對Protel2004軟件及功能的不了解。整個設計的過程就是一個學習的過程。因為在設計的過程中，我們必須熟悉電路原理及器件的使用特點，這些都是對課本知識復習和穩(wěn)固。這次設計讓我對單片機有了進一步的了解，而且對Proteus仿真軟件的有了一定了解。體會到了Proteus仿真軟件的強大。這次設計能夠很大程度上的把我們從課堂上以及外出實習所學的東西應用出來，是對自己能力的一個很好的證明。從中我們發(fā)現(xiàn)自己的缺乏之處，比方，對單片機的端口選擇，對整體效果的影響，對各個元件的功能以及封裝沒有進行很徹底的了解，導致線路存在問題等等。通過本次設計，能夠使我們熟練掌握單片機控制電路的設計、程序編寫和整體焊接及系統(tǒng)調(diào)試，從而全面地提高我們對單片機的軟件、硬件等方面的理解，進而增強我們在實踐環(huán)節(jié)的動手操作能力。譬如，我們可以根據(jù)實驗指導書的要求，完成開關電源電路的硬件設計、電路器件的選擇、單片機軟件的運行、以及整體系統(tǒng)調(diào)試，并寫出完善的設計報告。在進行設計之時，也是對我們所學的數(shù)字電路、模擬電路、電路根底、微機原理、電力電子和單片機等相關課程的知識的一種復習與穩(wěn)固，為以后的工作打好一定的根底。參考文獻[1]喬恩明．開關電源工程設計快速入門．中國電力出版社．2023.4[2]康華光．電子技術根底〔模擬局部〕．高等教育出版社．2002[3]倪曉軍．單片機原理與接口技術教程．.北京：清華大學出版社，2023.4[4]李廣弟，單片機根底.北京：北京航空航天大學出版社．1994[4]康華光．電子技術根底〔數(shù)字局部〕．高等教育出版社．2002[5]王兆安，劉進軍．電力電子技術〔第五版〕．北京：機械工業(yè)出版社．2023.5[6]周靈彬，張靖武．PROTEUS的單片機教學與應用仿真[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用．2023年01期附錄基于單片機的直流可調(diào)電源的設計程#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar //管腳定義 sbitjia=P1^6; sbitjian=P1^7; sbitLED1=P1^0; sbitLED2=P1^1; sbitLED3=P1^2; sbitLED4=P1^3; //函數(shù)聲明 voiddelay(void); //延時 voidkey(void); //按鍵 voidadd01(void); //步進加0.1 voiddec01(void); //步進減0.1 voidshuchu(void); //顯示輸出和電壓調(diào)節(jié) voidDA(void); //模數(shù)轉換 uchara[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; ucharbw=0,sw=0,gw=5,dw=0; voidmain(void) //主