基于單片機直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計與實現(xiàn).doc

摘 要 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，穩(wěn)壓電源在各類實際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了電氣設(shè)備及其控制系統(tǒng)的工況特性，達到了設(shè)備節(jié)能降耗的目的。本設(shè)計利用STC12C5410AD單片機為主控制器，用其PWM輸出經(jīng)過簡單電路實現(xiàn)DAC功能，可通過鍵盤技術(shù)來設(shè)置輸出電壓值，并有數(shù)碼顯示實際輸出電壓值。關(guān)鍵詞：穩(wěn)壓電源；單片機；PWMABSTRACTWith the development of electronic technology, regulated power supply has been widely applied in all kinds of practical engineering. The electrical equipment and the status of control systems have been greatly improved, and the energy has been saving y using the regulated power supply. MUC was used as the main controller of the system, whose PWM output can be used as DAC through simple circuit. The voltage output can be set by using the keys, and the practical voltage was displayed through digital tube. Key words：regulated power supply; MCU; PWM211 概述采用單片機的智能可調(diào)穩(wěn)壓電源價格低廉，采用常見元件就能實現(xiàn)其功能，顯示清晰直觀，傳統(tǒng)的模擬可調(diào)穩(wěn)壓電源沒有讀數(shù)，在使用過程中很不方便，而且長時間使用往往無法保證輸出電壓的穩(wěn)定性。智能可調(diào)穩(wěn)壓電源則采用先進的數(shù)顯技術(shù)，使測量結(jié)果一目了然，只要儀表不發(fā)生跳數(shù)現(xiàn)象，測量結(jié)果就是唯一的，不僅保證讀數(shù)的客觀性與準確性，還符合人們的讀數(shù)習(xí)慣，能縮短讀數(shù)和記錄的時間。其核心技術(shù)是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變穩(wěn)壓電路的輸出，其中，穩(wěn)壓電路采用的三端穩(wěn)壓器7805是電流源型穩(wěn)壓電路，是通過調(diào)節(jié)輸出電流來保證輸出端電壓的，其反饋量是電壓，基準量也是電壓，經(jīng)過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)化成反饋電流和基準旁路電流，其差值又去旁路內(nèi)部電流源使輸出電流滿足端電壓的穩(wěn)定。數(shù)字可調(diào)穩(wěn)壓電源是通過按鍵以步進方式選取不同的輸出電壓，再有數(shù)碼管顯示輸出電壓機器工作狀態(tài)，工作穩(wěn)定可靠。采用單片機的數(shù)字可調(diào)穩(wěn)壓電源，它具有輸出電壓容易改變、價格低廉、顯示清晰直觀、準確度高、擴展能力強等特點。1.1 直流穩(wěn)壓電源研究動態(tài)在我國，以電力電子學(xué)為核心技術(shù)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(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識指導(dǎo)下，我國電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)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和產(chǎn)品;目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)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(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)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(luò)化方面的研究不是很多。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(PSD)來控制開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)字化電壓單元達到數(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。國內(nèi)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)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w說來，國內(nèi)直流穩(wěn)壓電源技術(shù)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)。1.2 選題意義直流穩(wěn)壓電源是一種常見的電子儀器，廣泛地應(yīng)用于電子電路、教學(xué)實驗和科學(xué)研究等領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子、電器設(shè)備對穩(wěn)壓電源的性能要求日益提高，穩(wěn)壓電源不斷朝著小型化，智能化，數(shù)字化，模塊化，高效率，低成本和高可靠性方向發(fā)展。本設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數(shù)字化以及模塊化的特點。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)輸出電壓通過四位數(shù)碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進調(diào)節(jié)；模塊化是指系統(tǒng)由各個相關(guān)模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。選題將以微處理器為主體取代傳統(tǒng)電源的常規(guī)電子線路，將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計并制作智能化直流電源。目的是進一步簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性。2 穩(wěn)壓電源的工作原理2.1 直流穩(wěn)壓電源基本原理直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如1圖所示。電網(wǎng)供給的交流電壓U1(220V,50Hz) 經(jīng)電源變壓器降壓后，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，得到更加穩(wěn)定的直流電壓Uo3。圖12.2 穩(wěn)壓電路的設(shè)計穩(wěn)壓電源是電子設(shè)備的重要部分，其質(zhì)量好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障大部分來自電源，因此電源越來越受到人們的重視。電子電路及電子設(shè)備對電源最基本的要求就是電源的輸出電壓或輸出電流要穩(wěn)定。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的LM78XX系列和負電壓輸出的LM79XX系列。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜,所以本設(shè)計采用LM78XX系列三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓9。電路圖如圖2圖2由于圖2電路輸出的電壓固定不變，不能實現(xiàn)對輸出電壓的步進可調(diào)，所以為了能使輸出電壓步進可調(diào),必須加以相關(guān)的電路來實現(xiàn)其功能2，電路圖如圖3。圖3這樣，電路2實現(xiàn)對單片機所需工作電壓的供給，而電路3既可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且輸出電壓可以步進可調(diào)，所以本設(shè)計采用電路2與電路3的結(jié)合。2.3 系統(tǒng)框圖的設(shè)計經(jīng)過對穩(wěn)壓電源基本原理的分析，基本對電路有了一個大概的設(shè)計。系統(tǒng)由各個模塊組成，各個模塊組成的系統(tǒng)框圖如圖4。顯示電路電源電路STC12C5410AD 按鍵控制PWM穩(wěn)壓電路RC電路電源電路圖4本設(shè)計通過按鍵設(shè)置數(shù)字電壓值并且在數(shù)碼管上顯示，而設(shè)置的電壓值通過單片機的PWM輸出經(jīng)RC濾波電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓值5，通過模擬放大器將電壓放大后送給控制7805得到穩(wěn)壓輸出。各部分功能：單片機：起到控制作用顯示電路：用來顯示預(yù)置電壓電源電路：對單片機和穩(wěn)壓電路進行供電按鍵控制：對預(yù)置電壓進行改變RC電路：將PWM方波信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓值穩(wěn)壓電路：輸出恒定的電壓3 硬件電路設(shè)計3.1 器件選擇3.1.1 STC12C5410AD單片機STC12C5410AD系列單片機1是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路。4路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,針對電機控制，強干擾場合。STC12C2052AD系列只有2路PWM,8路高速8位A/D轉(zhuǎn)換。STC12C5410AD基本結(jié)構(gòu)框圖如圖5,引腳功能如表1。STC12C5410AD主要特性：1. 增強型 8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；2. 工作電壓：5.5V - 3.5V（5V單片機）/ 3.8V - 2.2V（3V單片機）；3. 工作頻率范圍：0 - 35 MHz，相當于普通8051的 0420MHz；4. 用戶應(yīng)用程序空間1K / 2K / 4K / 6K / 8K / 10K / 12K 字節(jié).5. 片上集成 512 字節(jié) RAM；6. 通用I/O口（27/23/15個），復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏；7. 時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C 振蕩器，用戶在下載用戶程序時，可選擇使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘，常溫下內(nèi)部R/C 振蕩器頻率為：5.2MHz 6.8MHz； 8. 共6個16位定時器/計數(shù)器，兩個專用16位定時器T0和T1再加上PCA模塊可再實現(xiàn)4個16位定時器；9. 外部中斷2路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down模式可由外部中斷喚醒；10. PWM(4路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,4路）,5410系列是4路，可用來當4路D/A使用，也可用來再實現(xiàn)4個定時器，還可用來再實現(xiàn)4個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)；11. A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路。圖5表1管腳說明P0.0標準I/O口P0.1標準I/O口P0.2標準I/O口P0.3標準I/O口P1.0/ADC0/CLKOUT0P1.0標準I/O口ADC0ADC輸入通道-0CLKOUT0定時器、計數(shù)器0的時鐘輸出P1.1/ADC1/CLKOUT1P1.1標準I/O口ADC1ADC輸入通道-1CLKOUT1定時器、計數(shù)器1的時鐘輸出P1.2/ADC2P1.2標準I/O口ADC2ADC輸入通道-2P1.3/ADC3P1.3標準I/O口ADC3ADC輸入通道-3P1.4/ADC4/SSP1.4標準I/O口ADC4ADC輸入通道-4SSSP1同步串行接口的從機選擇信號P1.5/ADC5/MOSIP1.5/ADC5/MOSIP1.5標準I/O口ADC5ADC輸入通道-5MOSISP1同步串行接口的主出從入P1.6/ADC6/MISOP1.6標準I/O口ADC6ADC輸入通道-6MISOSP1同步串行接口的主入從出P1.7/ADC7/SCLKP1.7標準I/O口ADC7ADC輸入通道-7SCLKSP1同步串行接口的時鐘信號P2.0/PCA2/PWM2P2.0標準I/O口PCA2可編程陣列輸出2PWM2脈寬調(diào)制輸出2P2.1標準I/O口P2.2標準I/O口P2.3標準I/O口P2.4/PCA3/PWM3P2.4標準I/O口PCA3可編程陣列輸出3PWM3脈寬調(diào)制輸出3P2.5標準I/O口P2.6標準I/O口P2.7標準I/O口P3.0/RxDP3.0標準I/O口RxD串口數(shù)據(jù)接收端P3.1/TxDP3.1標準I/O口TxD串口數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2/INT0P3.2標準I/O口INTO外部中斷0，下降沿中斷或低電平中斷P3.3/INT1P3.3標準I/O口INT1外部中斷1，下降沿中斷或低電平中斷P3.4/TO/EC1P3.4 標準I/O口P3.4/TO/EC1T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入EC1PCA計數(shù)器的外部脈沖輸入腳P3.5/T1/PCA1/PWM1P3.5 標準I/O口T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入PCA1可編程陣列輸出1PWM1脈寬調(diào)制輸出1P3.7/PCA0/PWM0P3.7標準I/O口PCA0可編程陣列輸出0PWM0脈寬調(diào)制輸出0RST復(fù)位腳XTAL1內(nèi)部時鐘電路反相放大器輸入端，外部接晶振的一個引腳。當直接使用外部時鐘源時，此引腳是外部時鐘源的輸入端。XTAL2內(nèi)部時鐘電路反相放大器輸入端，外部接晶振的一個引腳。當直接使用外部時鐘源時，此引腳可懸空。VCC電源正極GND接地3.1.2 四位一體數(shù)碼管本設(shè)計采用四位一體共陽極數(shù)碼管8。由于把4個數(shù)碼管做在一起了，減少了接正、負電源的引出端腳，能簡化電路，使得焊接電路更加簡單、方便。其原理與一般1位數(shù)碼管相同。數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的,亦稱半導(dǎo)體數(shù)碼管。將條狀發(fā)光二極管按照共陰極或共陽極的方法連接,組成8字,再把發(fā)光二極管另一電極作筆段電極,就構(gòu)成了數(shù)碼管。若按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管就能顯示從09的系列數(shù)字。常見數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。圖6(b)屬于共陽極結(jié)構(gòu)，圖6(c)采用共陰極結(jié)構(gòu)。ag是7個筆段電極，DP為小數(shù)點。圖6(a) 圖6(b) 圖6(c)為了使數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的數(shù)字或字符，必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應(yīng)的字形編碼。a,b,c,d,e,f,g,h（h為小數(shù)點），哪個段碼給低電平哪段就會點亮。例如0是要讓a,b,c,d,e,f段亮，輸入的顯示碼為11000000B十六進制為0C0H,以此類推一到九也是這樣算。共陰碼就是把共陽碼取反。求得數(shù)碼管共陰極、共陽極字形或符號的編碼如表24。表2字符顯示共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC0Hb7CH83H106FHF9Hc39HC625BHA4Hd5EHA1H34FHB0e79H86H466H99Hf71H84H 56DH92Hp73H82H67DH82Hr31HCEH707HF8Hy6EH91H87FH80H_40HBFH96FH90H.80H7FHa77H88H熄滅00HFFH3.2單元電路3.2.1 STC12C5410AD主控模塊單片機STC12C5410AD是穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的控制核心6，原理圖如圖7，其主要作用有以下三點：1.通過控制P3.7口PWM的輸出信號的占空比從而控制DAC輸出電壓；2.產(chǎn)生正確的數(shù)碼管顯示段碼傳送給四位數(shù)碼管，從而顯示所控制的電壓值；3.根據(jù)鍵盤的輸出指令，完成輸出電壓的增大或減小。圖7(1)主控電路中包括STC12C5410AD工作的基本電路：復(fù)位電路和晶振電路，還有兩個按鍵：S2鍵和S3鍵，這兩個按鍵用于控制輸出電壓的增加與減小。3.2.2 PWM的電壓輸出DAC模塊DAC是整個系統(tǒng)的紐帶，連接著單片機控制部分與穩(wěn)壓部分。本設(shè)計采用STC12C5410AD單片機提供的PWM輸出功能，應(yīng)用STC12C5410AD單片機的PWM輸出經(jīng)過簡單的變換電路實現(xiàn)DAC，這大大降低電子設(shè)備的成本，減少體積，并且容易提高精度。應(yīng)用PWM實現(xiàn)DAC的原理如下7：PWM是一種周期一定而高低電平的占空比可以調(diào)制的方波信號。圖 8是一種在電路經(jīng)常遇到的PWM波。該PWM的高低電平分別為VH和VL，理想的情況VL等于0，但是實際中一般不等于0，這往往是應(yīng)用中產(chǎn)生誤差的一個主要原因。圖8 的PWM波形可以用分段函數(shù)表示為：VH kNT t nT + kNTVL kNT + nTt NT + kNTf(t)= (1) 其中：T是單片機中計數(shù)脈沖的基本周期，N是PWM波一個周期的計數(shù)脈沖個數(shù)，n是PWM波一個周期中高電平的計數(shù)脈沖個數(shù)，VH和VL 分別是PWM波中高低電平的電壓值，k為諧波次數(shù)，t為時間。把(1)所表示的函數(shù)展開成傅里葉級數(shù)，得到(2)式： (2)圖8從(2)式可以看出，式中第一項為直流分量，第二項為一次諧波，第三項為高次諧波分量。式(2)中的直流分量與n成線性關(guān)系，并隨著n從0到N，直流分量從VL到VH之間變化，這正是電壓輸出的DAC所需要的。因此，只要把式(2)中除直流分量的諧波過濾掉，則可以得到從PWM波到電壓輸出DAC的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路圖如圖9。圖93.2.3 串聯(lián)穩(wěn)壓模塊串聯(lián)穩(wěn)壓部分是本設(shè)計實現(xiàn)的核心2，電路圖如圖10，DAC電壓輸出電壓決定穩(wěn)壓電路的輸出。該穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓器LM7805和運算放大器U3A組成，并且用A將穩(wěn)壓器與采樣電阻隔離。圖中DAC輸出電壓Vo(即V+)為穩(wěn)壓電路的參考電壓,運算放大器U3A的輸出電壓為Vo,穩(wěn)壓器LM7805的輸出電壓為V1（V1=5V），串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出為Vout，其輸出與DAC電壓Vo成比例。當調(diào)節(jié)電位器的動端位置時，穩(wěn)壓電路輸出電壓Vout隨之變化10，當Vout下降時，電位器由于串聯(lián)分壓使運放U3A的V-減小，從而使Vo增大，由于Vout=V1+Vo,所以又有Vout增大。當Vout增大時，V-增大，使Vo減小，由于Vout=V1+ Vo,所以又有Vout減小。從而維持Vout基本穩(wěn)定。其穩(wěn)定過程可簡單表示如下：Vout V- Vo VoutVoutV- Vo Vout圖103.2.3 顯示部分模塊顯示電路是對系統(tǒng)輸出電壓進行顯示，使得系統(tǒng)輸出的電壓值一目了然，由于只顯示輸出的電壓，所以本設(shè)計顯示器件采用四位一體數(shù)碼管，電路圖如圖11。圖114 軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖開始初始化：定時器初始化，DA初始化PWM初值設(shè)定等待中斷PWM輸出4.2鍵盤輸入流程圖開始 初始化判斷是否有按鍵按 下 N YS3是否按下S2是否按下增大PWM占空比減小PWM占空比 Y Y DAC電壓增大DAC電壓減小顯 示結(jié)束5 測試結(jié)果與誤差分析5.1測試結(jié)果數(shù)據(jù)測試目的在于研究分析輸出電壓與設(shè)定值之間的誤差。測試的結(jié)果如表3表3次數(shù)設(shè)定值(V)輸出電壓(V)絕對誤差(V) 相對誤差(%)16.306.320.020.3126.786.780037.507.490.010.1347.957.970.020.2558.438.440.010.1169.129.150.030.3279.609.620.020.20810.0510.100.050.50910.5310.570.040.381011.2511.280.030.27其中設(shè)定值是通過數(shù)碼管直接顯示出來的電壓值，輸出電壓則是通過萬用表測量串聯(lián)穩(wěn)壓電路的輸出Vout得到的電壓值。從表2中可以看出設(shè)定值與輸出電壓的誤差并不大，在能接受的誤差范圍內(nèi)。5.2 誤差分析經(jīng)分析，系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因主要體現(xiàn)在以下3個方面6：1.PWM方波并不是理想的方波，它的低電平并不等于零，這就導(dǎo)致了PWM信號在轉(zhuǎn)換成DAC電壓時存在著一定的誤差，又因為DAC輸出電壓為穩(wěn)壓電路的參考電壓，所以系統(tǒng)的輸出電壓必然存在誤差。2.PWM信號為8位輸出，其分辨率為0.0196（5/255）,精確度為0.02V，所以系統(tǒng)的輸出電壓存在著誤差。3.在用萬用表測量輸出電壓的過程中，不可避免的會出現(xiàn)測量或讀數(shù)的誤差，所以設(shè)定值與測量值之間存在著誤差。參考文獻1張友德等.單片微型機原理、應(yīng)用與實驗M. 復(fù)旦大學(xué)出版社，2006，121802劉琳，薛智宏，楊國福STC89C52單片機的智能型穩(wěn)壓電源的設(shè)J江蘇電器20083伍乾永. 一種數(shù)控直流電源的設(shè)計J科技信息20104王增剛，蘇淑靖，賈成偉寬范圍可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計J. 自動化與儀表，2010.5胡亞琦.