數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源

1、 . . . 職業(yè)技術(shù)學院電子信息系畢業(yè)論文 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源 學生： 王文婷 學 號： 0902030213 專 業(yè)：應用電子技術(shù) 年 級： 0902班 指導老師： 王大為 15 / 18摘 要數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源由于原理簡單、穩(wěn)定性好、精度高、成本低、易實現(xiàn)等諸多優(yōu)點而受到越來越廣泛的重視。其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 ，操作方便 ，非常適合一般教學和科研使用。本文通過對一個數(shù)控穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的設(shè)計，詳細介紹了AT89S52 單片機應用中的鍵盤掃描原理、數(shù)碼管動態(tài)顯示原理、定時中斷原理,同時還介紹了利用PCB板的設(shè)計制作。系統(tǒng)由模擬電源、控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、放大電路、顯示電路等部分構(gòu)

2、成，能輸出0V24V電壓圍，步進值為0.1V的直流電源，并且具有掉電存儲等功能。首先，本文將概述數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源的基本原理。其次，本文將詳述數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。最后，本文將介紹數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源系統(tǒng)的軟件設(shè)計。 關(guān)鍵詞：單片機；直流穩(wěn)壓；PCB板的設(shè)計制作目錄1 緒論12 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源原理介紹22.1 單片機AT89S52介紹22.2 矩陣式鍵盤掃描原理32.3 數(shù)碼管動態(tài)顯示原理43 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源硬件電路設(shè)計53.1穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路53.1.1 單片機外圍接口電路53.1.2 數(shù)字部分電路PCB設(shè)計73.2 穩(wěn)壓電源模擬部分電路73.2.1 電源部分電路8

3、3.2.2 輸出電壓控制單元電路84 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源軟件設(shè)計94.1 系統(tǒng)程序介紹10總結(jié)14參考文獻15 緒論在當代科技與經(jīng)濟高速發(fā)展的過程中，電源起到關(guān)鍵性的作用。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，因此電源的數(shù)字化控制無疑是人們追求的目標之一,它所給人帶來的方便也是不可否定的,其中數(shù)控直流穩(wěn)壓電源就是一個很好的典型例子,人們對它的要求也越來越高,要想為現(xiàn)代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的設(shè)施就需要從數(shù)字電子技術(shù)入手，一切向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。本題采用單片機和其它元器件與外圍電路，開發(fā)一個數(shù)

4、字式可調(diào)穩(wěn)壓電源。能夠設(shè)定輸出電壓值、電壓值輸出顯示、存儲等功能。通過此系統(tǒng)的設(shè)計，讓開發(fā)者更深刻的掌握單片機基本原理，并熟悉一些外圍電路的擴展，以與進一步提高C語言的硬件編程能力。 當前在國外電源產(chǎn)業(yè)中，占主導地位的產(chǎn)品有各種線性穩(wěn)壓電源、通訊用的AC/DC開關(guān)電源、DC/DC開關(guān)電源、交流變頻調(diào)速電源、電解電鍍電源、高頻逆變式整流焊接電源、中頻感應加熱電源、電力操作電源、正弦波逆變電源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆變電源、風光互補型電源等。而產(chǎn)品價格、性能指標、品牌效應與使用壽命一直是用戶最關(guān)心的問題。這就促使國外電源生產(chǎn)商朝著應用技術(shù)數(shù)字化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化智能化的方向發(fā)

5、展。對我們學生而言，在大學的實驗室里和課程設(shè)計里面，有一個穩(wěn)定可調(diào)的直流電源是很有必要的。因傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓是通過粗調(diào)波段開關(guān)與細調(diào)電位器來調(diào)節(jié)的，并由電壓表指示電壓值的大小。這種直流穩(wěn)壓電源存在讀數(shù)不直觀、電位器易磨損、穩(wěn)壓精度不高、不易調(diào)準、電路構(gòu)成復雜、體積大等缺點，而基于單片機控制的數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源能較好地解決了以上問題。 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源原理介紹本設(shè)計采用AT89S52單片機作為整機的控制單元，利用4×4鍵盤輸入數(shù)字量，通過控制單元輸出數(shù)字信號，再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（DA0832）輸出模擬量，最后經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著輸出功率管的基極

6、電壓的變化，間接地改變輸出電壓的大小。2.1單片機AT89S52介紹AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：1、與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容；2、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；3、1000次擦寫周期；4、全靜態(tài)操作：

7、0Hz33Hz；5、三級加密程序存儲器；6、32個可編程I/O口線；7、三個16位定時器/計數(shù)器；8、八個中斷源；9、全雙工UART串行通道；10、低功耗空閑和掉電模式；11、掉電后中斷可喚醒；12、看門狗定時器；13、雙數(shù)據(jù)指針；14、掉電標識符。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。其引腳結(jié)構(gòu)如圖2.1圖2.1 AT89S52引腳結(jié)構(gòu) 2.2 矩陣式鍵盤掃描原理鍵盤是由若干按鍵所組

8、成的開關(guān)矩陣，它是微型計算機最常用的輸入設(shè)備，用戶可以通過鍵盤向計算機輸入指令，地址和數(shù)據(jù)。通常單片機系統(tǒng)采用非編碼鍵盤。非編碼鍵盤通過軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用靈活等特點，因此被廣泛應用于單片機系統(tǒng)。4×4矩陣式鍵盤（如圖2.2）的按鍵識別方法：行掃描法又稱逐行掃描查詢法，是一種常用的按鍵識別方法，其過程如下：為判斷鍵盤是否有鍵按下，將全部列線置為低電平，全部行線置為高電平，然后讀行線的狀態(tài)7。只要有一行的電平為低電平，則表明鍵盤中有按鍵按下。然后依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它行線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后逐行檢測各列的電平狀態(tài)

9、。若某列線為低電平，則該列線與置低電平的行線相交叉處的按鍵就是閉合鍵。圖2.2 4×4矩陣式鍵盤2.3 數(shù)碼管動態(tài)顯示原理如圖2.3, 共陰LED 數(shù)碼管由7只發(fā)光二極管共陰連接并按8字形結(jié)構(gòu)排列而成。這樣，我們將這些二極管的正極接高低不同的電位，把所有的負極接地，當正極為高電位時相應的二極管就會導通而發(fā)光，從而使數(shù)碼管呈現(xiàn)不同的字符。共陽LED數(shù)碼管，即選通位接高電平，a,b,c,d,e,f,g,h端接高或低電平，如想讓數(shù)碼管顯示“0”，就必須使g，h和選通位為高電平，其他引腳均為低電平。在設(shè)計電路時，可將數(shù)碼管這幾個引腳分別接到單片機的引腳上，還要加上限流電阻，這樣就可由程序控制

10、數(shù)碼管的工作情況了。圖2.3 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要圍著AT89S52單片機作為整機的控制單元用PROTEL 99SE設(shè)計軟件來布線的，其中還用到了模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、外部存儲芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩陣式鍵盤、數(shù)碼管等其他器件。總體框圖考慮到各個元件的電氣特性，例如元器件之間的干擾問題，接地問題，布線問題等，本系統(tǒng)將硬件電路設(shè)計分為數(shù)字部分和模擬部分。3.1穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路穩(wěn)壓電源數(shù)字部分電路即單片機外圍接口電路主要包括：DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、EEPROM接口電路、鍵盤接口電路、揚聲器接口電路

11、、復位電路、晶振電路與數(shù)碼管顯示部分電路。3.1.1 單片機外圍接口電路單片機AT89S52與外圍器件的接口總電路如圖3.1所示，為了將各部分電路介紹的更加清楚，下面就單片機外圍接口電路作一個扼要介紹。圖3.1AT89S52與外圍器件的接口總電路如圖3.2所示，AT89S52的P0、P2.5P2.7接數(shù)碼管輸出顯示部分電路，其中P0口用來輸出字段碼；P2.5P2.7用來輸出數(shù)碼管選通位信號；P2.0、P2.2分別接外部存儲芯片24C01的數(shù)據(jù)線（SDA）和時鐘線（SCL）；P2.3接揚聲器電路，為執(zhí)行部程序指令，EA/VPP必須接VCC.圖3.2AT89S52部分接口電路一如圖3.3所示，AT

12、89S52的P1口與數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832相連接，用來輸出數(shù)字量信號；RST為復位腳，用來輸入復位信號，同時它還與P1.5P1.7一起用作ISP下載端口；P3口用做鍵盤信號輸入端口，XTAL1、XTAL2接晶振電路。圖3.3AT89S52部分接口電路二3.1.2 數(shù)字部分電路PCB設(shè)計本系統(tǒng)中，數(shù)字部分電路PCB采用Protel 99se 軟件進行設(shè)計，其設(shè)計步驟是: 1、畫電路原理圖；2、電路元件封裝；3、生成報表（ERC表、網(wǎng)絡(luò)表、元件列表）；4、創(chuàng)建一個PCB工程文件，將網(wǎng)絡(luò)表導入該工程；5、自動布局，自動布線后通過手工調(diào)整布線完成整個PCB版圖的設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)字部分電路PCB

13、如圖3.4所示。圖3.4數(shù)字部分電路PCB圖3.2 穩(wěn)壓電源模擬部分電路穩(wěn)壓電源模擬部分電路主要包括電源部分電路，由運放LM324、達林頓管TIP127等構(gòu)成的輸出電壓控制單元電路。這一部分采用普通萬能板來完成，主要是由于模擬部分電路的可變性大，隨時都有可能更改電路。另外，模擬部分電路屬于高壓部分，穩(wěn)壓管和達林頓管發(fā)熱量比較大，要帶散熱片；同時須將它與5V低壓工作的數(shù)字部分電路分開，這樣可有效地防止元件的損壞。3.2.1 電源部分電路在系統(tǒng)設(shè)計中考慮到單片機與其他器件的電源供電問題，采用一個變壓器將220V交流電降壓再經(jīng)電橋整流，獲得25V左右的平穩(wěn)電壓，然后用穩(wěn)壓管78L24、78L12、7

14、8L05進行三次穩(wěn)壓，分別獲得24V、12V和5V的穩(wěn)定電壓，24V提供的是運算放大器LM324和達林頓管TIP127的工作電壓，5V是AT89S52單片機和DAC0832的工作電壓。圖3.5所示，圖中電容起濾波作用。在硬件電路的實際設(shè)計中，由于電源工作時的發(fā)熱量比較大，因此對穩(wěn)壓管要外加散熱片。 圖3.5電源供電部分電路3.2.2 輸出電壓控制單元電路系統(tǒng)中，矩陣鍵盤輸入數(shù)字信號經(jīng)AT89S52處理后輸出給DAC0832,數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出的是電流量，因此必須將電流量接電阻后接反饋放大電路以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。本設(shè)計的模擬部分利用了LM324作為放大器，采用二級放大電路，第一級為同相比例放

15、大電路，第二級為閉環(huán)反饋放大電路。下面就將一級放大電路做詳細的介紹。同相比例運算放大電路如圖3.6所示，根據(jù)集成運放的"虛短"和"虛斷"2個重要概可得式（3.1）、（3.2），又由式（3.1）、（3.2）、（3.3）可推出式（3.4），式（3.4）即為同相比例放大器增益的計算公式。U+=U- (3.1)UI=U+ (3.2)U-/Uo=R/(R+Rf) (3.3)Uo(1Rf/R)UI (3.4)Uo=Ri(1+Rf/R1) (3.5)圖3.6同相比例運算電路在本系統(tǒng)設(shè)計中，需要數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個電壓圍為010V的基準電壓Ur，即數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的電壓值，由于

16、DA轉(zhuǎn)換芯片DAC0832輸出的是電流信號，將它作用在電阻R上變成電壓，然后用同相比例放大器放大電壓到010V作為基準電壓，同相比例放大器滿足式（3.5），其中i是DAC0832的IO1腳輸出的電流，R1為同相端的接地電阻，Rf為反饋電阻，Rf選用5k的微調(diào)電阻，R1選用100的電阻，R選用1K，將各值代入式（3.5），這時同相比例放大器的最大放大系數(shù)為： A51，滿足輸出基準電壓Ur的要求，如圖3.7所示。圖3.7 第一級放大電路4 數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計要實現(xiàn)的功能是：鍵盤對單片機輸入數(shù)據(jù)，單片機對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)送位共陽數(shù)碼管，再送到8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（D

17、AC0832）,以實現(xiàn)數(shù)字量對電壓的控制。系統(tǒng)中的主程序主要完成鍵盤掃描、判斷、處理和數(shù)碼顯示。而電壓值輸出顯示和輸出音響提示在中斷處理程序中完成。4. 系統(tǒng)程序介紹C語言在單片機的應用中，由于其邏輯性強，可讀性好，比匯編語言靈活，簡練，目前越來越多的人從普遍使用匯編語言到逐漸使用C語言開發(fā)，市場上幾種常見的單片機均有其C 語言開發(fā)環(huán)境。因此，在本系統(tǒng)中，考慮到匯編語言的這些缺點，采用了C語言作為軟件設(shè)計語言。1、輸入、控制、轉(zhuǎn)換顯示模塊的編程系統(tǒng)采用4×4矩陣鍵盤作為輸入模塊，因此在編程中必須通過掃描鍵盤的行和列，讀出其值，然后通過AT89S52單片機控制鍵盤值散轉(zhuǎn)，給各個鍵盤編寫

18、相應的處理程序?qū)崿F(xiàn)其相應的功能，在此過程中用AT89S52單片機/定時器TR0作為中斷處理顯示，用定時器TR1作為中斷處理提醒，開音響。（1）初始化硬件例如對P3口作為鍵盤輸入口的定義：#define key_point P3；對標志位的定義：static bit select=0，即在開始還沒按下“設(shè)定鍵”時，標志位select為“0”；在主程序中，初始化部分程序如下：void main(void)speaker=1; /蜂鳴器不響WDTRST=0x1E;WDTRST=0xE1; /初始化看門狗TMOD=0x11; /初始化定時器 TH0=(65536-5000)/256; /T0置初值TL

19、0=(65536-5000)%256;TH1=(65536-50000)/256;/T1置初值TL1=(65536-50000)%256;EA=1;/開總中斷ET0=1;/開T0中斷ET1=1;/開T1中斷TR0=1;/啟動T0TR1=0; /關(guān)閉T1DA=0; /初始化DA轉(zhuǎn)化當中用到了看門狗定時器（WDT）、定時器0和定時器1。為了激活WDT，用戶必須向WDTRST寄存器（地址為0A6H的SFR）依次寫入01EH和0E1H。當WDT激活后，用戶必須一定時間周期性地向WDTRST寫入01EH和0E1H喂狗來避免WDT溢出。因為當計數(shù)達到8191(1FFFH)時，13 位計數(shù)器將會溢出，這將會

20、復位器件。定時器0計時滿5毫秒時產(chǎn)生定時中斷，進入中斷處理顯示子程序；同理定時器1計時滿50毫秒產(chǎn)生定時中斷，進入相應的中斷處理程序。定時器0中斷處理程序如下：void disp(void) interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;/對T0重置初值TL0=(65536-5000)%256;dispbuf0=num1;/數(shù)碼值送顯示緩沖區(qū)dispbuf1=num2;dispbuf2=num3;ledwork();/顯示函數(shù)顯然，進入中斷處理程序時，須對定時器0重置初值，然后數(shù)碼值送輸出顯示緩沖區(qū)，最后通過顯示程序部分將數(shù)碼轉(zhuǎn)換成數(shù)碼代碼輸出顯示。（2）單片機執(zhí)行控制功能，

21、判斷鍵盤值，轉(zhuǎn)入鍵盤處理程序。其中判斷有鍵按下后須緊跟著延時程序，以去掉鍵盤的機械抖動，鍵盤延時時間約10毫秒：void delay10ms(void) /延時程序 unsigned char i,j;for(i=10;i>0;i-) for(j=248;j>0;j-);具體的鍵盤判斷處理程序在這里就不做一一介紹了，詳情可以參考附錄程序清單。（3）輸出顯示并將數(shù)字量送DA。數(shù)碼的輸出顯示部分程序主要圍繞著十位、個位、十分位何時選通，送數(shù)字代碼顯示來進行編程（程序可參考附錄程序清單）。將數(shù)字量送DA顯示是通過按“確定"鍵來最終實現(xiàn)的，其“確定”部分程序如下：case 0x7

22、b: select=0; /確定鍵read_bit=0;if(num1<3)if(num1!=2|num2<5)temp=num1; num=temp*100;temp=num2;num+=temp*10;temp=num3; num+=temp;temp=num;DA=buchang(temp);/整體數(shù)碼值送DAspeaker=0; fengmin=1;cancel();break; 其中DA=buchang(temp)指令即數(shù)字量送DA。 2、存儲模塊編程在本系統(tǒng)中實現(xiàn)一個存儲電壓值，掉電永久保存的功能，需要一個外部存儲芯片（24C01），因此在編程中運用到了I2C總線技術(shù)。

23、I2C總線是一種用于IC(Integrated Circuit)器件之間連接的二進制總線。它通過SDA（串行數(shù)據(jù)線）與SCL（串行時鐘線）在連至總線的器件之間傳送信息，并根據(jù)地址識別每個器件。如圖4.1所示，SCL為高電平時,SDA由高電平向低電平跳變,開始傳送數(shù)據(jù)；SCL為高電平時,SDA由低電平向高電平跳變,結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。SDA 線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘的高電平周期保持穩(wěn)定數(shù)據(jù)線的高或低電平狀態(tài)（數(shù)據(jù)有效），只有在SCL 線的時鐘信號是低電平時才能改變,見圖4.2。系統(tǒng)先通過發(fā)送開始信號開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送，然后傳送寫從地址信號，最后從外部存儲器地址讀數(shù)據(jù)到單片機或?qū)憯?shù)據(jù)到外部存儲器。系統(tǒng)對SCL時鐘的編程如下：void clock() /I2C總線時鐘 unsigned char i=0;scl=1; somenop();while (sda=1)&&(i<255)i+; scl=0; somenop();其中somenop()函數(shù)為延時函數(shù)，其余部分的程序可以參照附錄程序清單。圖4.1開始/結(jié)束定時信號圖4.2數(shù)據(jù)線的變化示意圖3、軟件補償編程系統(tǒng)如果通過ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對