单片机实现数字式稳压电源Word格式.docx
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本文总体概括了单片机实现数字式可调稳压电源的原理、着重介绍了单片机实现数字式可调稳压电源的硬件电路设计和软件设计。
在各章节中，突出讲述了各功能模块的设计思路，具体设计情况，以及模块之间的联系。
本系统主要研究数字式可调稳压电源如何实现数控、稳压、掉电存储和输出电压显示，其中包含一些必要的硬件设计和软件设计。
第2章 数字式可调稳压电源原理介绍
在实验室里通常所用到的直流电源都是用调节电位器来达到调节电压的目的，由于电位器的温漂较大，使得输出的电压会有所漂移，而且用电位器调节电压操作起来不是很方便。
本文所介绍的数字式可调稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点。
它由单片机AT89S52、4×
4键盘、数码管、数模转换芯片DAC0832、存储芯片24C01、放大电路等部分构成，能实现输出电压显示、设定、存储及音响提示操作等功能，其原理包括键盘扫描原理、数码管动态显示原理、模数转换原理及I2C总线原理。
在本章中主要介绍在设计过程中所涉及到的原理。
2.1方案选择及总体设计原理介绍
1、方案分析与选择
方案一：
数控部分用单片机带动数模转换芯片提供线性稳压电压的参考电压。
优点：
对于单片机，系统工作在开环状态，对数模转换的精度要求较高，设计成本低。
缺点：
功耗较大，LED数码管输出显示不是系统的精确输出电压，须对它进行软件补偿。
方案二：
数控部分用AVR单片机的PWM组成开关电源，再利用AVR的AD转换对输出电压进行实时转换，利用软件进行电压调整以达到稳压[4]。
系统框图如图2.1
图2.1方案二框图
硬件简单，稳压的大部分工作由软件完成，对单片机的运行速度要求很高，利用手头的ATmaga16L单片机最高8MHz工作频率很难达到速度要求。
对软件要求较高，功耗小。
输出纹波电压较大，对硬件的要求很高。
方案三：
用AVR单片机控制PWM芯片组成开关电源。
降低了对单片机的运行速度要求。
电路较复杂（该方案很快被否定）。
方案二简单的电路结构起初对设计者很吸引，但是后来了解到AVR单片机的PWM的精度用于开关电源比较勉强，而且开关电源有个通病：
纹波电压大，考虑到设计目标对电源的功耗要求不是很严，同时为了保证纹波足够小也鉴于自身对于51单片机和线性电源较为熟练，故选择方案一。
2、总体设计原理
本设计采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，利用4×
4键盘输入数字量，通过控制单元输出数字信号，再经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，最后经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着输出功率管的基极电压的变化，间接地改变输出电压的大小。
2.2单片机AT89S52介绍
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[5]。
AT89S52具有以下标准功能[5]：
1、与MCS-51单片机产品兼容；
2、8K字节在系统可编程Flash存储器；
3、1000次擦写周期；
4、全静态操作：
0Hz～33Hz；
5、三级加密程序存储器；
6、32个可编程I/O口线；
7、三个16位定时器/计数器；
8、八个中断源；
9、全双工UART串行通道；
10、低功耗空闲和掉电模式；
11、掉电后中断可唤醒；
12、看门狗定时器；
13、双数据指针；
14、掉电标识符。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[6]。
其引脚结构如图2.2
图2.2AT89S52引脚结构
2.3矩阵式键盘扫描原理
键盘是由若干按键所组成的开关矩阵，它是微型计算机最常用的输入设备，用户可以通过键盘向计算机输入指令，地址和数据。
通常单片机系统采用非编码键盘。
非编码键盘通过软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单、使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统[7]。
组成键盘的按键有触点式和非触点式两种，单片机中的按键一般由机械触点构成。
按键的读取容易引起误操作，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms,为了使CPU能正确读出口线的状态，对于每一次按键只做一次响应，这就必须考虑如何去抖动。
常用的去抖动方法有两种：
硬件法和软件法，单片机通常采用软件法去抖动[7]。
由于键盘的触点在闭合和断开的时候会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不采取妥善处理的话，将引起按键命令错误或重复执行，在这里采用软件延时的方法来避开抖动，延时时间10ms.
4×
4矩阵式键盘（如图2.3）的按键识别方法：
行扫描法又称逐行扫描查询法，是一种常用的按键识别方法，其过程如下：
为判断键盘是否有键按下，将全部列线置为低电平，全部行线置为高电平，然后读行线的状态[7]。
只要有一行的电平为低电平，则表明键盘中有按键按下。
然后依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它行线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后逐行检测各列的电平状态。
若某列线为低电平，则该列线与置低电平的行线相交叉处的按键就是闭合键。
图2.34×
4矩阵式键盘
2.4数码管动态显示原理
如图2.4,共阴LED数码管由7只发光二极管共阴连接并按8字形结构排列而成。
这样，我们将这些二极管的正极接高低不同的电位，把所有的负极接地，当正极为高电位时相应的二极管就会导通而发光，从而使数码管呈现不同的字符。
共阳LED数码管，即选通位接高电平，a,b,c,d,e,f,g,h端接高或低电平，如想让数码管显示“0”，就必须使g，h和选通位为高电平，其他引脚均为低电平[7]。
在设计电路时，可将数码管这几个引脚分别接到单片机的引脚上，还要加上限流电阻，这样就可由程序控制数码管的工作情况了。
所谓数码管动态显示，就是逐位地轮流点亮各位数码管（扫描）。
对于每一位数码管而言，每隔一段时间点亮一次。
数码管的点亮既与点亮的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。
调整电流和时间参数，可实现亮度较高，较为稳定的显示，同时可减小工作电流。
此次设计中用4位共阳数码管作为显示输出电压值，采用多路复用显示，这是指对于每个显示只驱动1/4时间。
因为只要在20HZ－50HZ之间循环所有
显示，由于人眼存在视觉残留，在这样的显示方式下，数码管看起来是同时点亮的[7]。
图2.4LED数码管结构图
2.5DAC0832及24C01使用介绍
DAC0832是以CMOS工艺制造的8位D/A转换芯片，它的分辨率为8位，即从1/255到1。
其特点：
8位并行、中速（建立时间1us）、电流型、价格低廉、接口简单，在单片机控制系统中得到了广泛的应用[8]。
图2.5所示是它的内部结构图。
图2.5DAC0832内部结构
从图2.5中可见，DAC0832由两个寄存器和一个8位D/A转换器组成，它的引脚功能如下：
1、Vcc：
芯片电源电压,+5V～+15V；
2、VREF：
参考电压,-10V～+10V；
3、RFB：
反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端；
4、AGND/DGND：
模拟信号地/数字信号地；
5、DI7~DI0：
数字量输入信号；
6、ILE：
输入锁存允许信号,高电平有效；
7、CS：
片选信号,低电平有效；
8、WR1：
写信号1，低电平有效；
9、WR2：
写信号2，低电平有效；
10、XFER：
转移控制信号，低电平有效；
11、IOUT1、IOUT2：
电流输出引脚。
DAC0832属电流输出型，两输出电流之和是常数。
当要得到与输入数字成正比的电压，可把此两引脚输出的电流信号转换为电压形式。
DAC0832的工作方式有三种：
1、直通方式：
/LE1和/LE2均为1，外来数据直接通过两级锁存器到达D/A转换器。
2、单缓冲方式：
一个寄存器工作于直通状态，一个工作于受控锁存器状态。
3、双缓冲方式：
两个寄存器均工作于受控锁存器状态。
在此设计中，考虑到所需转换的数据量不大，DAC0832采用直通方式的硬件接法。
它的引脚结构如图2.6所示：
图2.6DAC0832引脚结构
24C01是一个1K位串行CMOSE2PROM，内部含有128个8位字节，CATALYST
公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，24C01有一个8字节页写缓冲器，该器件通过I2C总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能，其引脚结构如图2.7[9]。
图2.724C01引脚结构
管脚功能：
A0、A1、A2：
器件地址选择，SDA：
串行数据/地址，SCL：
串行时钟，WP：
写保护，VCC/VSS：
电源/地。
24C01从器件地址：
在I2C总线的开始信号之后，所送出的第一字节数据用来选择从器件地址，其中前7位为地址码（高4位“1010”为厂商给定的24C01型号地址，器件地址中的低3位为引脚地址A2、A1、A0），第8位为为方向位（R/W）。
方向位“0”表示发送，即主器件把信息写至所选择的从器件；
方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息，器件地址如图2.8所示：
图2.8器件地址
第3章 数字式可调稳压电源硬件电路设计
本系统的硬件电路设计主要围着AT89S52单片机作为整机的控制单元用PROTEL99SE设计软件来布线的，其中还用到了模数转换芯片DAC0832、外部存储芯片24C01、放大器芯片LM324、4×
4矩阵式键盘、数码管等其他器件。
总体框图考虑到各个元件的电气特性，例如元器件之间的干扰问题，接地问题，布线问题等，本系统将硬件电路设计分为数字部分和模拟部分。
3.1稳压电源数字部分电路
稳压电源数字部分电路即单片机外围接口电路主要包括：
DAC0832数模转换电路、EEPROM接口电路、键盘接口电路、扬声器接口电路、复位电路、晶振电路及数码管显示部分电路。
3.1.1单片机外围接口电路
1、单片机外围接口总电路。
单片机AT89S52与外围器件的接口总电路如图3.1所示，为了将各部分电路介绍的更加清楚，下面就单片机外围接口电路作一个扼要介绍。
图3.1AT89S52与外围器件的接口总电路
如图3.2所示，AT89S52的P0、P2.5－P2.7接数码管输出显示部分电路，其中P0口用来输出字段码；
P2.5－P2.7用来输出数码管选通位信号；
P2.0、P2.2分别接外部存储芯片24C01的数据线（SDA）和时钟线（SCL）；
P2.3接扬声器电路，为执行内部程序指令，EA/VPP必须接VCC.
图3.2AT89S52部分接口电路一
如图3.3所示，AT89S52的P1口与数模转换芯片DAC0832相连接，用来输出数字量信号；
RST为复位脚，用来输入复位信号，同时它还与P1.5－P1.7一起用作ISP下载端口；
P3口用做键盘信号输入端口，XTAL1、XTAL2接晶振电路[10]。
图3.3AT89S52部分接口电路二
2、单片机外围电路接口电路具体介绍。
下面对单片机与其它外围器件的接口电路作一一介绍。
（1）数码转换芯片DAC0832与单片机AT89S52接口电路。
此设计中利用模数转换芯片DAC0832将键盘输入数字量转换成模拟量（电流），以实现数控功能。
DAC0832是一种电流型芯片，在前文第2章2.5节简单介绍了它的工作原理，数字式可调稳压电源的设计中，采用了该芯片的直通工作方式（即CS、WR1、IOUT2、AGND、WR2、XFER接地；
ILE、VREF接＋5V电源），它的数据输入口D0－D7分别与单片机的P1.0-P1.7相连，从IOUT1引脚输出模拟量（电流）接同相比例放大电路。
如图3.4。
图3.4DAC0832与AT89S52接口电路
（2）存储芯片24C01与单片机AT89S52接口电路。
存储芯片24C01是AT24C系列E2PROM，它支持I2C总线数据传送规则。
数字式可调稳压电源设计中利用它存储电压输出值，实现掉电保存当前电压值的功能。
其硬件接法如下图3.5所示，引脚1、2、3、4、7接地；
8脚接＋5V；
5脚与6脚分别接单片机的P2.0、P2.2的同时接5.1K上拉电阻后再接＋5V（因连接总线的器件的输出端必须是集电极或漏极开路，以具备线“与”功能）。
图3.524C01硬件接法
（3）4×
4矩阵键盘接口电路。
在本设计课题中利用4×
4矩阵键盘来实现电压输入值的设定、步进、按键存储、复位、确定等功能以实现数控，其硬件连接图如图3.6，实现功能如表3.1。
图3.64×
4矩阵键盘电路
表3.1 4×
4矩阵键盘功能表
键盘号
功能
功能描述
功能描述
S1
3
数字键
S9
1
S2
7
S10
5
S3
确定
确定键
S11
9
S4
复位
复位键
S12
＋
步进加0.1V键
S5
2
S13
S6
6
S14
4
S7
设定
设定键
S15
8
S8
存储
存储键
S16
－
步进减0.1V键
（4）扬声器电路、AT89S52单片机复位电路及外部晶振电路。
扬声器电路如图3.7，利用它实现输出电压值提醒。
单片机AT89S52的P2.3脚通过限流电阻R2及PNP管与蜂鸣器相连，当单片机引脚P2.3输出低电平时，PNP导通，蜂鸣器发出声音。
复位电路如图3.8，晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位，当键盘S0按下时通过电阻R1将电平拉高，同时R1,C4还起到滤波作用，去键盘抖动。
晶振电路如图3.8，X1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
X2:
振荡器反相放大器的输出端。
图3.7扬声器电路
图3.8 复位及晶振电路
（5）数码管显示部分电路。
本设计中显示部分采用四位共阳数码管，8550PNP三极管作驱动，如图3.9所示，
、
、
是选通位，当B8低电平，B9、B10、B11为高电平时，
位由于三极管的导通而被拉至电源＋5V端，第一个数码管选通，其他三个没有被选通。
其中100欧的电阻为限流电阻，1K电阻为上拉电阻，将选通位电平拉高。
因根据设计要求，只需要三位数码管即可实现在输出电压值范围内的显示，在设计中用到低三位数码管，单片机引脚与四位共阳数码管脚的对应关系如表3.2。
表3.2 AT89S52引脚与四位数码管脚对应表
AT89S52
四位数码管
P0.0
a
P0.6
c
P0.1
f
P0.7
g
P0.2
b
P2.7
P0.3
e
P2.6
P0.4
d
P2.5
P0.5
h
P2.4
图3.9 数码管显示电路
3.1.2数字部分电路PCB设计
本系统中，数字部分电路PCB采用Protel99se软件进行设计，其设计步骤是:
1、画电路原理图；
2、电路元件封装；
3、生成报表（ERC表、网络表、元件列表）；
4、创建一个PCB工程文件，将网络表导入该工程；
5、自动布局，自动布线后通过手工调整布线完成整个PCB版图的设计[11]。
系统设计中，数字部分电路PCB如图3.10所示。
图3.10 数字部分电路PCB图
3.2稳压电源模拟部分电路
稳压电源模拟部分电路主要包括电源部分电路，由运放LM324、达林顿管TIP127等构成的输出电压控制单元电路。
这一部分采用普通万能板来完成，主要是由于模拟部分电路的可变性大，随时都有可能更改电路。
另外，模拟部分电路属于高压部分，稳压管和达林顿管发热量比较大，要带散热片；
同时须将它与5V低压工作的数字部分电路分开，这样可有效地防止元件的损坏，这也是系统为什么将电路设计分为数字部分和模拟部分的原因。
3.2.1电源部分电路
在系统设计中考虑到单片机及其他器件的电源供电问题，采用一个变压器将220V交流电降压再经电桥整流，获得25V左右的平稳电压，然后用稳压管78L24、78L12、78L05进行三次稳压，分别获得24V、12V和5V的稳定电压，24V提供的是运算放大器LM324和达林顿管TIP127的工作电压，5V是AT89S52单片机和DAC0832的工作电压。
图3.11所示，图中电容起滤波作用。
在硬件电路的实际设计中，由于电源工作时的发热量比较大，因此对稳压管要外加散热片。
图3.11 电源供电部分电路
3.2.2输出电压控制单元电路
系统中，矩阵键盘输入数字信号经AT89S52处理后输出给DAC0832,数字信号经过数模转换后输出的是电流量，因此必须将电流量接电阻后接反馈放大电路以实现稳压输出。
本设计的模拟部分利用了LM324作为放大器，采用二级放大电路，第一级为同相比例放大电路，第二级为闭环反馈放大电路。
下面就将二级放大电路做详细的介绍。
1、同相比例放大电路原理。
同相比例运算放大电路[12]如图3.12所示，根据集成运放的"
虚短"
和"
虚断"
2个重要概可得式（3.1）、（3.2），又由式（3.1）、（3.2）、（3.3）可推出式（3.4），式（3.4）即为同相比例放大器增益的计算公式。
U+=U- （3.1）
UI=U+（3.2）
U-/Uo=R/（R+Rf）（3.3）
Uo＝（1＋Rf/R）UI（3.4）
Uo=R∑i（1+Rf/R1）（3.5）
图3.12 同相比例运算电路
在本系统设计中，需要数模转换输出一个电压范围为0～10V的基准电压Ur，即数模转换输出的电压值，由于DA转换芯片DAC0832输出的是电流信号，将它作用在电
阻R上变成电压，然后用同相比例放大器放大电压到0～10V作为基准电压，同相比例放大器满足式（3.5），其中∑i是DAC0832的IO1脚输出的电流，R1为同相端的接地电阻，Rf为反馈电阻，Rf选用5k的微调电阻，R1选用100的电阻，R选用1K，将各值代入式（3.5），这时同相比例
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