数字可调稳压电源论文.doc

青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文
基于51单片机数控直流电源设计
摘 要
电源是各种电子电器线路与装置不可缺少的原动力。电源电路性能的好坏，直接影响到电子电器线路与装置的工作质量和效率。而单片微型计算机（简称单片机），又称为微控制器（MCU），它的出现又是计算机发展史上的一个重要的里程碑，它以体积小、性能全、性价比高等诸多优点而独具特色，在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等诸多领域独占熬头。该电路是直流电源与单片机的一次联合应用——数字可调直流稳压电源。首先，由变压器和整流桥及其三端稳压管组成一个具有三端输出的电压源，分别输出+15V、-15V、+5V电压，为第二部分电路提供所需电压+5V。接着采用STC89c52单片机控制，按“+” “-”键进行操作，对输出电压进行控制,还可以采用键盘直接输入。其具有精确度高(可达+-0.01V)，步进稳定(每级0.1V且步进可变化)，输出的范围可变化的优点。该电路刚通电时电源输出电压为0V，通过面板上的“+”或“-”按键，以步进0.1V来调整输出电压的大小，最大值可达12.8V的直流电源，电流输出可达1A，并有过流保护（其电流值可以设定）。显示采用LCD1602，实时显示当前电压值及当前电流值。输入部分采用矩阵按键，可以方便的进行数字输入，操作更加方便。该电路特点：电路新颖、实用性强、易于制作、操作简便输出稳定。

关键词： 微控制器 数字可调 过流保护 实时显示
Abstract
Power is the indispensable impulsion for all sorts of electronic circuit and device. Power supply circuit performance directly affect the electronic circuit and device's working quality and efficiency. And the single chip computer (hereinafter referred to as SCM), also known as micro controller (MCU), its occurrence is computer history, it is an important milestone in small volume, performance, high performance-to-price all many merits and unique, in industrial control, sophisticated weapons, communications equipment, information processing, household appliances and so on many domains boils the exclusive. This circuit dc and SCM is a joint application - digital adjustable dc voltage stabilizer. First, the transformer and rectifier bridge and three end with a third of voltage tube at output voltage source, output + 15V, respectively - 15V, + 5 v, - for the second part, the 12V voltage circuit provide voltage + 5V. Then, by using STC12C5A40S2 SCM control "+" and "-" key operation, the control of the output voltage, still can use keyboard input. It has high precision (up to + - 0.01 V), stepping stability (0.1 per level and stepping can change V. The scope of the output can change advantages. This circuit has just when a current power output voltage 0V, through the panel for the "+" and "-" button to stepping 0.1 V to adjust the size of the output voltage, the maximum can reach 12.8 V dc power supply, current output can reach 1A, and have over-current protection (its current value can set). Display using LCD1602, real-time display current voltage and current current value. Input part adopts matrix buttons, easy to carry out digital input, it is more convenient to operate. This circuit features: circuit novel, practical, simple operation, easy production output stability.

Key word: micro controller, digital adjustable, over-current protection, real-time display

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
第二章整体设计分析 2
2.1 方案比较 2
第三章部分电路组成元件简介 4
3.1 数模转化DAC及输出电路简介 4
3.2控制核心 7
第四章系统硬件设计 11
4.1单片机最小系统： 11
4.2显示模块 12
4.3输出电压工作电路 15
4.4报警电路的设计 16
第五章 软件设计 17
5.1 编程语言的选择 18
5.2按键的软件设计思想及程序 18
5.3 LCD1602人机界面设计 21
5.4 STC12C5A40S2内部AD的应用 21
第六章 调试与分析 23
致 谢 25
参 考 文 献 26
附录一 设计的整体电路图 27
附录二源程序代码 28

15

第一章 绪 论
在电子电路及设备中，一般都需要稳定的直流电源供电，而且直流电源为单相小功率电源，他将频率为50H:、有效值220V的单相交流电压转换为幅值稳定、输出电流为几百A直流电压。最初的稳压电路使用的是稳压管稳压电路，尽管其电路简单，所以下的直流电压。单相交流电经过电源变压、整流、滤波和稳压转换成稳定的，但是用元器件数量少，受稳压管自身参数的限制，其输出电流小，输出电压不可调节，只能适用于负载电流较小、负载电压不变的场合。串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础，利用晶体管的电流放大作用，增大负载电流;在电路中引人深度电压负反馈使输出电压稳定，并且通过改变反馈网络参数使输出电压可调。
目前使用的可控直流电源大部分是利用分立器件制作而成所以具有体积大、效率低、可靠性差、操作不方便、故障率高等缺点。随着电子技术的发展，各种电子电器设备对电源的性能要求提高，电源不断朝数字化、高效率、模块化和智能化等方向发展。本设计以数字电路为基础，通过控制上升按钮或下降按钮来调节电压，使电压以步进(退)方式输出。它不但电路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越，而且电源的外表美观、操作使用方便、具有较高的使用价值[1]。
而且电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题。
本课题要求设计一个数字式可调稳压电源，要求实现输出电压0-12V可调，显示采用LCD显示，电源输出电流1A。
课题功能实现：在实现要求的基础上又增加了0.8V，可以实现电流显示，采用LCD1602显示，并增加了过流保护，并且保护值可以调。

第二章整体设计分析
2.1 设计要求
1 、最高输出电压 15V ，最大输出电流 1A 。
2 、电压步进 0.1V 。
3 、纹波系数尽可能小，输出稳定。
4 、有限按键操作方便， LCD 显示界面。基于51单片机数控直流电源的设计
5 、闭环控制理论的嵌入式软件实现。
特色及基本技术路线：
1 、低成本解决方案。
2 、直观的实验效果。
3 、经典理论验证平台先硬件后软件，先局部后整体。
2．2方案比较
对于输出可调电压的电源设计，比较常用的技术方案有以下几种方案：
方案一：采用RC降压电路，将220V交流电降压并采用稳压二极管进行稳压后得到稳定的直流电压。
采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出+5 V、 ±12 V、并能可调输出 0~ 12V电压。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响这种电源具有一定的局限性和不安全因素[2]。例如，输出电压可调节性差，同时RC电路是一种非隔离电路，因此在使用的时候有可能会产生触电危险，因此需谨慎使用。
方案二：采用开关电源技术，设计输出稳定的直流电压。
其工作原理是让功率器件工作在开关状态，通过控制功率器件导通与截止的比值和频率，从而使功率器件的输出电压的平均值产生改变。可以通过AD器件采集输出电压值，与设定电压值进行对比，对功率管导通时间和频率进行调节，从而使输出电压更加稳定。由于开关电源中的功率管始终工作在频率较高的开关状态，因此电源的效率较高，可以达到百分之80以上。但是由于功率管工作在开关状态，在功率管开关过程中所产生的交流电压和电流在流过电路中其他电子元器件时会产生尖峰干扰和谐波干扰。假如不采取一些措施来抑制这些干扰，那么开关电源的输出电压质量就会大大降低，影响使用效果。
方案三：用 D/A 和运算放大器做电流源，即采用 D/A 输出调节晶体管的偏值电流51单片机 (8051) 掉电存贮 单元 (24C02) 三位数码管显示 单元 电压控制单 元(LM317) 按键电路 电源电路基于51单片机数控直流电源的设计（电压）；使用电压 / 电流采样电路，通过 A/D 转换实现闭环控制。采用此方案是对方案二的改进，能有效的缩短调节时间，进一步提高输出精度。
方案确定：
通过对三种方案进行对比，选择方案三。此设计方案，其主要由微控 制器模块、稳压控制模块、电压 / 电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。 液晶屏显示电路，该系统使用 LCD1602 液晶显示屏，可以清晰地显示分别组成显示电 路的十位、个位、小数点位，同时还能显示英文名称
单片机
DAC0832
信号调理

功放输出
设定输入

Lcd
显示

图2-1 设计的功能框图
第三章部分电路组成元件简介
3.1 数模转化DAC及输出电路简介
3.1.1数模转化DAC简介
常用AD转换器有并行比较型，反馈比较型，和间接AD转换器。
并行比较型由电压比较器，寄存器和代码转换器三部分组成，其特点是：由于转换时并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间限制，因此转换速度快；随着分辨率的提高元件数目要按几何级数增加；使用这种含有寄存器的并行AD转换电路时，可以不用附加积分保持电路。
反馈比较型经常常用的是计数型和逐次比较型两种方案；转换电路由比较器， AD转换器，计数器脉冲源，控制门以及输出寄存器组成[5]。逐次比较型AD转换器完成一次转换所需时间与其位数和时钟脉冲频率有关，位数越少，时钟频率越高，转换所需时间越短。这种AD转换器具有转换速度快，精度高的特点。
间接AD转换器有电压-时间变换型和电压-频率变换型两类。间接转换型AD，主要就是将输入的电压信号转换成时间量或者频率量来实现的，目前使用的不多。
3.1.2ADC0832介绍
ADC0832 是一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容，输入电压在0~5V之间，工作频率可达到250KHZ，转换时间仅为32μS。且据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

图3-1 DAC0832引脚图
引脚使用
- CS_ 片选使能，低电平芯片使能。
　　· CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
　　· CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
　　· DI 数据信号输入，选择通道控制。
　　· DO 数据信号输出，转换数据输出。
　　· CLK 芯片时钟输入。
· Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。
单片机对ADC0832 的控制原理：
电路设计时可以将DO和DI 并联在一根数据线上使用。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK 输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1 个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2 位数据用于选择通道功能，当此2 位数据为“1”、“0”时，只对CH0 进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2 位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2 位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1 作为正输入端IN+进行 ，本次才用通道0对外部输入电压进行ＡＤ转换。
4.2显示模块
显示电路采用LCD1602,使得显示界面更加可视，显示信息丰富。
1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符能显示16列2行字符。1602字符型液晶通常有14条引脚线或16条引脚线， 具有显示质量高，液晶显示器画质高且不会闪烁，数字式接口，功耗低等特点，适合显示字母、数字、符号等[10]。
1602 的指令集
通常推荐的初始化过程：
　　延时15ms
　　写指令38H
　　延时5ms
　　写指令38H
　　延时5ms
　　写指令38H
　　延时5ms
　　（以上都不检测忙信号）
　　（以下都要检测忙信号）
　　写指令38H
　　写指令08H 关闭显示
　　写指令01H 显示清屏
　　写指令06H 光标移动设置
　　写指令0cH 显示开及光标设置

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如下表所示：
表4-1 控制指令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM）
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
其中*代表任意电平。
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）
指令1： 清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2： 光标复位，光标返回到地址00H。
指令3： 光标\和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。
指令4： 显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6： 功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7： 字符发生器RAM地址设置。
指令8：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
时序表如下：
表4-2 时序表
读状态

输入

RS=L，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=状态字
写指令

输入
RS=L，R/W=L，D0—D7=指令码，E=高脉冲
输出

无
读数据

输入
RS=H，R/W=H，E=H
输出
D0—D7=数据
写数据

输入
RS=H，R/W=L，D0—D7=数据，E=高脉冲
输出
无

显示模块电路图：

图4-2显示模块电路图
整个输出部分的硬件电路如图3-3所示，主控单片机输出数字信号，送给DAC0832的数据端，经过数模转化，输出0-5V的电压值，再经过放大倍数为2.6倍的运算放大器使输出电压0-12.8V，经过TIP122与TIP127的推挽输出级，输出最高电流5A的电压。输出电压误差5V/256*2.6=0.05v，所以可以使得步进电压为0.1V。
4.4报警电路的设计
蜂鸣器分为有源和无源，本次工程采用有源式，驱动只需一只NPN的三极管E极接GND，C极接蜂鸣器的负端，蜂鸣器的正端接Vcc，三极管的B极通过一只4.7K的电阻到单片机上。采用蜂鸣器当做报警电路形象，且价格低廉驱动电路简单。当负载电流超过设定的最高限度时，蜂鸣器即发出吱吱的报警声，提醒用户电流超标。原理图如下。

图4-4 报警电路原理图

第六章 调试与分析
调试仪器：数字万用表、电烙铁、斜口钳、尖嘴钳、吸锡器镊子。
硬件调试：首先检查整个电路，电路连接完好，没有明显的错连，漏连。接上电源，电源指示灯亮，1602显示初始电压值＋0V，用万用表的两只表笔测试运放LM358的输出电压为0V。当设置输出电压4.9V一次，1602显示电压值变为4.9V，万用表读数变为4.85V。再设置输出电压5V一次，1602显示电压值变为5.0V，万用表读数再次变为4.96V。通过改变显示电压值，用万用表随机测得几组空载输出电压数据见表6-1：
表6-1 空载输出电压数据表

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
设定电压（V）
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
输出电压（V）
0.0
1.00
2.01
3.01
4.02
5.02
6.03
7.03
8.03
9.04
10.04
11.05
12.05
实测电压（V）
0.000
1.005
2.010
3.016
4.020
5.025
6.031
7.032
8.036
9.042
10.048
11.056
12.065
带1A负载输出电压数据见表6-2：
表6-2 1A负载输出电压数据表

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
设定电压（V）
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
输出电压（V）
0.0
0.97
1.98
2.99
3.99
5.00
6.01
7.01
8.01
9.02
9.98
11.01
12.02
实测电压（V）
0.000
0.985
1.986
2.995
4.000
5.005
6.011
7.012
8.016
99.022
10.048
11.026
12.035

稳压电源负载特性：输出电压恒设定为12V，负载电流从0.2-1A之间变化时的稳压电源负载特性。见表6-3：
表6-3 稳压电源负载特性
负载电流（A）
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
实测电压（V）
12.038
12.034
12.030
12.026
12.022
12.018
12.013
12.009
12.006
上述测量结果用图解法计算电源的动态内阻为：
RD=△U/△I=(12.0435-12.005)/(1.02-0.1)=0.047Ω
误差原因分析，系统误差主要来源于三个方面：
（1）0832的量化误差 0832为8位D/A转化器，满量程为5V的量化误差为±（1/2）L=±(1/2) ×（1/28）×5V≈±10mV。按满度归一化的相对误差为±（1/2）×（1/28）=±0.2%。
（2）基准电压温漂引入的误差 LM336在0~40C范围内温漂不大于4mV，相对误差=±2mv/5V=±0.04%。
（3）由功率放大器引入的误差（主要考虑LM358的温漂）共有三项：
基准电压温漂产生的满度相对误差为±0.04%；
8位D/A变换附加的量化误差±10mV;
功放前级LM358温漂引入的附加误差为±100uV。
三种误差视为彼此独立时，系统最大误差为：
△=±0.04%×U±20.1mV

致 谢
三年的大学生活和紧张的毕业设计就要结束了，感觉到紧张而又富有激情！
在这三年里，得到了各位老师、领导的关怀和教诲，我们不仅学到了知识、技术，还学会了面对问题如何解决的思维和方法，更可贵的是学到了如何让做事如何做人！没有你们的辛勤赋予，就没有我们今天的顺利毕业，和工作上的成绩，谨此，请接受我深深地谢意，道一声，亲爱的老师：你们辛苦了！祝福您和您的家人，幸福安康！
紧张的毕业设计期间，工作也很忙，曾得到了陈燕老师和其他的各位指导老师的亲切关怀和鼎力相助，尤其是陈燕老师在我们毕业设计期间给我们付出了许多的时间进行了耐心指导！在此表示表示深深的谢意！
在毕业论文开题、撰写当中，也曾经得到了许多老师的悉心指导，把三年来学到的知识，以及工作当中的经验，乃至从网络上学到的新的知识得以有机结合，思维方法和解决问题的技巧得以很大进步，谢谢您了各位指导老师，你们辛苦了！在此，也要感谢许多帮助和激励过我的许多同学和朋友们，我的成功也离不开你们的支持和帮助。
千言万语无法表达，对您们的感谢之情，就让我们用今后的工作业绩向母校和老师们回报吧！

参 考 文 献
[1] 刘树棠，朱茂林，荣玫 译.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计.
系[M ]，西安交通大学出版社，2004
[2] 王志强 译.开关电源设计[M].电子工业出版社，2005
[3] 徐波 译.C和指针[M].人民邮电出版社，2003
[4] 张筑生.信号与系统：[D]，北京：数学系统学研究所，1983
[5] [日]冈村廸夫，Op放大电路设计[M].科学出版社，2004
[6] 各芯片的数据手册[J]
[7] 陈坚.电力电子变换和控制技术[M],高等教育出版社,2004
[8] 王静霞 著 单片机应用技术（C语言版）[M] 电子工业出版社 2009
[9] 求是科技 著 单片机典型模块设计实例导航[M] 人民邮电出版
社 2008
[10] 王鸿麟.直流稳压电源的原理和设计[M].北京:人民邮电出版
社,1981:177-194.
[ 11 ] 徐德高,金刚.脉宽调制变换器型稳压电源[M].北京:科学出
社,1983:311-349.
[ 12 ] 潘永雄.新编单片机原理与应用[M].西安:西安电子科技大学出版
社,2003.

附录一 设计的整体电路图

附录二源程序代码