基于单片机的数控直流稳压电源Word格式文档下载.docx
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3.5电压采样电路……………………………………………………………………18
3.6数码管显示电路…………………………………………………………………19
四、系统软件设计
4.1系统软件设计流程图……………………………………………………………21
4.2AD转换程序……………………………………………………………..………21
4.3DA转换程序…………………………………………………………….………22
五、系统调试与仿真……………………………………………….……………23
5.1硬件调试………………………………………………………..………….……23
5.2软件调试………………………………………………………...………………25
5.3仿真软件protues简介…………………………………………….……………26
5.4DA仿真图……………………………………………………………….………28
5.5AD仿真图………………………………………………………….……………28
六、总结…………………………………….………………….....………………29
摘要：
随着科技的日益的发展，电子产品对电源的要求也越来越高。
针对普通直流电源一般不可以调节或调节范围小的缺点设计出了一种可调节，宽调节范围的直流稳压电源。
该直流稳压电源系统以STC单片机公司的12C5408AD单片机为核心，利用8位DA芯片DAC0832作为DA输出，由单片机12C5408AD内部自带AD转换器对输出电压进行采样处理，采用C语言进行程序控制，输出0~+9.9V，扩展0~-9.9V的输出范围，步进0.1V的精确稳压输出。
关键词：
直流电流源单片机12C5408ADDAC0832
HighprecisionDCcurrentsourcebasedon51MCU
Abstract:
Withthedevelopmentofscienceandtechnology.Electronicproductstotherequirementsofthepowersupplyismoreandmorehigh.Forregulardirectcurrentvoltagestabilizeraccuracyisnothigh,andtheadjustingrangeissmall,wedesignedadirectvoltagestabilizerwithhighprecisionandwideadjustingrange.ThissystemisbasedontheMCUof12C5408ADwhichproductbySTC.UsingachipDAC0832whichwith8bitasDAoutput.ByusingtheMCUinternalADconvertertoprocesstheoutputvoltage.UsetheClanguagetocontrolthesystem.Sothatitcanoutput0~+9.9V,extendto0~-9.9V,andsteppingfor0.1Vadjustmentfunction.
Keywords:
DCcurrentMCU12C5408ADDAC0832
1.1直流稳压电源简介
当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路--电源电路。
大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。
当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。
可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。
由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。
提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。
直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。
1.2数控直流稳压电源简介
一般普通线性电源具有不可调节或只能线性调节等特点。
其调节的范围小，精度低，无法适应于精度要求比较高的场合。
数控直流稳压电源主要用微处理器等配合其它控制器件控制电源的电压输出，实现数控可调，高精度输出，过流保护，数字显示等。
其调节的范围大，利用高精度的DA转换器，可以实现数控电源高精度输出，同时步进可调。
这种高精度的的数控稳压电源可以满足对电源要求比较高的场合。
数控直流稳压电源还可以将输出电压值进行采样处理，再送回微处理器进行处理，从而实现输出的闭环控制。
还可以对输出的电流进行检测，当输出过载时，可以立即切断输出，保护电源不被烧坏。
1.3数控电源特点与要求
1．输出电压值能够在额定输出电压值以下任意设定和正常工作。
2．输出电流的稳流值能在额定输出电流值以下任意设定和正常工作。
3．直流稳压电源的稳压与稳流状态能够自动转换并有相应的状态指示。
4．对于输出的电压值和电流值要求精确的显示和识别。
5．对于输出电压值和电流值有精准要求的直流稳压电源直接数字输入。
6．要有完善的保护电路。
直流稳压电源在输出端发生短路及异常工作状态时不应损坏，在异常情况消除后能立即正常工作。
2.1硬件设计框图
过流
图2-1硬件设计框图
2.2方案简介
该方案以STC51系列单片机12C5408AD为控制核心，单片机控制DA输出模拟电压，然后经过运算放大器放大电压，再经功率管放大电流。
利用单片机内部自带10位AD转换器对输出电压值进行采样，实现闭环控制。
单片机对采样值进行处理，在显示部分显示设定电压值和输出电压值。
若输出超过当前设定的值，则单片机启动报警同时关闭输出以保护电源。
2.3单片机选择与论证
一、单片机选择：
方案一：
采用增强型51单片机，内部自带DA和AD，
方案二：
采用增强型51单片机，内部自带AD
方案三：
采用MCS-51系列89S52单片机
二、方案论证:
我们在网上找了许多增强型的的单片机，内部自带AD及DA的，但是发现一般内部自带8位的AD及DA，带10位和12位AD及DA的价格太高，考虑到成本的问题，我们放弃了方案一
方案三采用89S52单片机，单片机价格虽然降下来了，但是要采集输出电压，必然要加AD采集电路，因为要采2路电压，所以电路变得很复杂，加大了硬件电路的难度。
而方案二采用的单片机内部自带AD，我们选取了STC公司的12C5408AD，该单片机自带8路10位AD，可以满足设计的要求。
相对方案三，简化了电路，价格也不是很高。
综合考虑，我们选择方案二。
12C5408AD简介：
图2-212C5408引脚图
STC12C5408AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速，低功耗的51系列单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快8-12倍速。
内部集成MAX810专用复位电路，4路PWM，8路高速10位A/D转换。
12C5408AD的工作电压5.5V-3.5V工作频率0-35MHz片上集成512字节RAM，8KROM
2.4DA选择与论证
DA选择
方案一：
采用我们熟悉的8位DA，DAC0832.
方案二：
采用我们熟悉的10位DA，TLC5615.
方案三：
采用内部自带基准源的12位DAMAX531
方案论证：
DA输出的电压计算公式
Uout=X（Rf/DA）（公式一）
其中，Rf为电压基准源，，DA为所选择的单片机位数，DA=2NX为单片机程序控制的步进值。
若我们选用的电压基准源Rf=2.5V，步进值取1，则用8位AD则有最小输出电压为
Uout=1×
≈0.01V（公式二）
再将DA输出值放大10倍，则输出电压的范围为0.1V---25V,满足设计要求。
方案一中选择DAC0832符合题目的要求。
所以我们选取方案一。
方案二为10位DA，输出的精度更高，但考虑到价格的问题，我们放弃方案二。
方案三中MAX531内部自带2.048V基准源，输出精度高，但价格太贵，本着满足设计要求尽量节约成本的前提，我们放弃方案三。
图2-3DAC0832引脚图
2.5稳压输出方案选择与论证
方案选择
方案一、
D23
1ADJ
图2-4方案一原理框图
方案一中，DA输出的电压经过集成运算放大器进行放大，再将放大之后的电压输出到LM317的调节端，利用LM317能够可调输出，实现稳压输出。
方案二、
图2-5方案二原理框图
方案二中，DA输出的电压经过集成运算放大器放大，再将放大之后的电压与达林顿管的基极相连，利用达林顿管放大电流，从而达到稳定电压输出。
方案论证
方案一可以实现稳压输出，但是由于LM317自身调节的范围为1.2V-37V，而我们设计时要求为从0V输出到9.9V，所以不能满足，并且LM317不能输出负电压，而我们设计要求中要求扩展输出负电压0--9.9V，用方案一若要输出负电压，则必须用LM337。
所以方案一不符合设计要求。
方案二利用达林顿管的性质，做成闭环回路控制。
其输出电压不受负载影响。
当DA输出为0时，其输出也为0，所以满足设计的要求。
综合所述，所以我们选择方案二。
2.6显示模块
方案一、采用1602液晶屏作为显示模块
方案二、采用数码管作为显示模块
方案论证：
方案一中1602可以显示2行英文字符和数字，电路连接简单，占用单片机I/0口少。
缺点是显示字符小，不易看清，价格太高，程序编写复杂。
图2-6LCD1602实物图
方案二采用数码管至少要4位，则要占用12个I/O口，数码管显示时采用动态扫描功耗较低。
显示清楚，易于辨认。
程序编写简单，价格低。
缺点是显示信息量较少，不能显示符号。
图2-74位数码管实物图
综合考虑，我们决定选取方案二。
2.7输入按键
方案一、采用4*4键盘
方案二、采用2按键，一个“+”“和一个-”
方案一中主要采用4*4的矩阵键盘，可以设置0-9和步进，小数点等按键，可以快速的输入。
但是4*4键盘占用的PCB面积较大，增加了PCB的成本，增加了PCB的布线难度，并且得占用8个单片机I/0口。
而我们选的12C5408AD单片机I/O口有限，这种方案不可取。
方案二中虽不能直接输入0-9，但是可以通过“+”和“-”来实现0-9数字的输入，这样只占用了2个单片机I/O口，节约6个I/O口，同时PCB的面积和成本也进一步缩小。
综上考虑，我们选择方案二。
2.8、电源模块的选取
方案一、采用开关电源模块
方案二、自己制作线性电源电路
方案一中采用开关电源可以提高整个电流源的效率，体积也会相应的减小，但是开关电源的纹波电压大，电源的纹波电流可能会过大，达不到输出精度的要求。
方案二中自己制作线性电源，线性电源具有纹波电压低的特点。
电路中一共要输出四路电源，分别是+12V，-12V，+5V，-5V，+18V，-18V，其中+12V，-12V，+5V，-5V需要稳压，我们可以用常用的线性稳压器7812、79012、7805、7905得到稳压的电压输出。
综合上述考虑，我们选择方案二
3.1供电电路设计
图3-1供电电路原理图
供电电路采用的是直流线性稳压器组成。
一般直流稳压电源的组成如下图
图3-2直流稳压电源组成图
分析：
交流电经过变压器变压得到电压UAC,根据单相桥式整流电路的特性，我们可以计算出整流以后的电压UO。
UO是整流电路的输出端电压瞬时值在一个周期内的平均值，即
Uo=
（公式三）
图3-3整流波形图
根据上图中的波形可得
UO=
（公式四）
二极管正向平均电流：
桥式整流电路两组整流二极管交替导通，由上较长的波形图可以看出，流过每个二极管的平均电流等于输出电流的一半。
即
（公式五）
滤波电容和整流二极管的选择，在未加滤波电容之前，整流二极管有半个周期处于导通状态，二极管的导通角θ=
。
而接入滤波电容后，二极管只在电容器充电时才导通，导通角θ<
由于滤波后输出平均电流增大，而二极管的导通角反而减小，所以流过二极管的瞬时电流很大。
这对管子的寿命极为不利。
因此必须选用较大容量的整流二极管。
通常应选择其电大平均整流电流IF大于负载电流IO的2-3倍。
整流滤波后的直流电压UI接在输入端和公共端之间，在输出端可以获得稳定的输出电压UOUT，正常工作时，输入输出电压差为2-3V。
上图中电解电容的作用是改善负载的瞬态响应，瓷片电容主要是抵消因为长线传输引起的电感效应；
用一片7809和一片7909得到稳定电压+9V和-9V给集成运算放大器供电，7809输出的9V再经一片7805得到5V的输出，供给单片机和DA等数字芯片。
供给功率管的电源采用另外一个供电电路，主要是为了防止数字电路与模拟大功率器件之前的相互干扰。
图3-4PCB地线布线规则
同时在PCB走线时，将数字地和模拟地分开走线，最后通过一个0欧电阻连在一起。
最大限度的减小相互之间的干扰。
3.2单片机最小系统设计
图3-5单片机最小系统
该最小系统采用的是ＳＴＣ公司12C5408AD，该单片机自带１０位AD转换器。
图中C5、C6加上Y1=12MHz晶振，够成了单片机的晶振电路。
C7和R1够成了单片机的复位电路，使之上电复位。
ERR连接单片机的报警模块，当单片机检测到ADC0采回来的数据高于设定的数据时，单片机就会启动报警。
同时关闭输出。
C8为单片机的电源的退耦电容，主要是为了防止电源电压的波动对单片机产生干扰。
COM1COM2连接按键，DAC0-DAC7连接DA。
其中EA是DA使能脚，
ADC0，ADC1主要是采样，对电源的输出电压进行实时的监控，防止过压输出而损坏电源。
一但检测到过流，关闭输出，同时启动报警，蜂鸣器响，报警灯闪。
单片机最小系统的地线全部接到数字地线上，与恒流源的地线分开走。
防止地线之间的相互干扰。
3.3DA输出设计
图3-6DA输出电路
DA输出电路采用8位DA转换器DAC0832，利用TL431作为DAC0832外部参考电压基准源。
DAC输出电压经过一个集成运算放大器进行放大，以提高其带负载的能力，运放的输出端接到稳压输出部分。
C1是芯片的退耦电容，防止电源波动对芯片产生干扰。
DAC0832简介：
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
D/A转换器的组成：
（1）倒T形电阻网络D/A转换器它由即倒T电阻网络、模拟开关、求和放大器及基准电源组成。
（2）输出模拟电压U0值与输入二进制值D为成正比的关系，从而能实现了D/A转换。
U0=-UR（Dn-12n-1+Dn-22n-2+---+D12+D020）/2n（公式六）
U0为输出电压，D为输入二进制值，UR或（UREF）为基准电压
D/A转换器的主要技术指标
（1）．分辨率
DAC分辨率是指最小输出电压与最大输出电压之比。
分辨率与DAC的位数有关，位数越高，分辨率值越小，分辨能力越高。
例如十二位数一模转换器的分辨率为
（公式七）
DAC0832的分辨率为
VSEP=VREF*
2.5V/256
0.01V（公式八）
DA输出电压为UOUT
UOUT=VSEP*A（公式九）
其中A由用户设置，调节输出电压大小
3.4稳压输出
图3-7正电压稳压输出电路
图3-8负电压稳压输出电路
图3-7所示为正电压稳压输出部分，其原理框图如下所示。
图3-9正电压稳压电路原理框图
OP-07简介
U4采用精度较高，低噪声的集成运算放大器OP-07，其引脚图如下
图3-10OP-07引脚图
OP-07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。
可广泛应用于稳定积分、精密经验值电路、比较器及微弱信号的放大。
电压放大分析：
1.正电压输出分析
DA输出的电压，，输入到集成运放OP-07的同相输入端。
PO1是OP-07的调零电阻。
当OP-07输入电压为零时，其输出电压也应该为零。
如果输入为零，输出不为零，则可以通过PO1来调节，使输入为0时，输出为0。
OP-07采用正负12V双电源供电，正负电源端所接的C9、C11主要是去除电源对运放的干扰，防止因电源波动影响运放正常工作。
R4、R15、PO2构成了运放的反馈回路。
OP-07的放大倍数主要是由反馈回路R4、R15、PO2的值决定，所以在调试时，应该调节PO2，达到我们想要的放大倍数。
1.负电压输出分析
DA输出的电压，，输入到集成运放OP-07的反相输入端。
PO3是OP-07的调零电阻。
OP-07采用正负12V双电源供电，正负电源端所接的C10、C12主要是去除电源对运放的干扰，防止因电源波动影响运放正常工作。
R16、R17、PO4构成了运放的反馈回路。
OP-07的放大倍数主要是由反馈回路R16、R17、PO4的值决定，所以在调试时，应该调节PO4，达到我们想要的放大倍数。
电流放大分析
运放的带负载的能力很弱，所以必须接到一个达林顿管的基极，通过达林顿管来放大电流。
我们选用中功率达林顿管TIP122，TIP122内部是由两个三极管构成。
其最大输出电流可达5A，而我们设计要求为500mA，远小于5A，所以符合设计要求。
但是功率管必须要加装散热片。
图3-11TIP122内部电路原理图
过流保护与报警电路分析
R30为一个热稳定性好的2Ω小阻值功率电阻，它是输出部分电流采样电阻，电阻上流过电流时，由欧姆定律可知，在它上面必定产生一个压降。
例如输出电流为0.5A时，则它上面的压降为U=IR=0.5A×
2Ω=1V。
通过电阻上产生的压降，我们可以得知电路是否过载。
采样电阻上并联一个4.7K电位器，再连到一个NPN三极管Q9的基极，当电路中的电流过大时，三极管Q9的基极电流Ib也变大，当大到让其CE导通时，Q1的基极电流Ib变大，当基极电流Ib足够大时，Q1导通，报警电路触发。
其中R18、C26组成一个RC延时电路，其主要目的是防止电路瞬时尖峰电流造成误报警与保护。
当电路中因为为干扰有尖峰电流时，Q9先导通，给电容C26充电，因为尖峰电流的时间极短，所以C26电容还未充满，此时Q1基极电流小，不足以让Q1导通，所以即使有尖峰电流，电路也不会报警。
只有当电路中电流持续过大时，电路才会触发报警。
负电压的报警电路与正电压输出端原理相同。
正电压输出端报警电流的大小由PO7这个电位器决定，负电压输出端的报警电流由PO11这个电位器决定，只需要调节这个电位器，就可以调节报警电流的大小。
报警电路如图下所示
图3-12声光报警电路
上图为声光报警电路，当正电压报警电路中的三极管Q1和负电压报警电路中的三极管Q7导通时，上图中光耦导通，发光二极管亮，时给连接单片机17脚的ERR由原来的高电平会变成低电平。
单片机通过检测这个脚的电平状态，可以判断是否过载。
如果过载，将DA的使能脚变成高电平，关闭DA输出，保护电路，同时控制蜂鸣器发出报警声。
3.5电压采样电路
图3-13电压采样电路
电压采样电路主要是将输出电压经过AD转换，送入单片机处理，并显示出来。
由于本设计选用的单片机自带8路10位AD。
所以我们可以直接将采集的电压送到单片机进行处理。
但是采集的电压中有一路是负电压，而本单片机不能直接将负电压进行AD转换。
所以必须对负电压进行处理，变成正电压。
由于单片机采集的最大电压为5V，而我们设计要求输出0-9.9V超出来，AD转换的量程，所以必须加一个分压电路，进行分压。
将0-.9.9V转换成0-4.95V进行转换。
如上图所示，用2个100K的电阻进行分压，然后加上两个精密可调电位器进行微调。
以确保ADC0的值为1/2输出电压。
负电压经过分压之后，还是负电压，所以必须加一个电路使其变成正电压。
而利用集成运算放大器可以组成一个加法器，把负电压转换成正电压。
再将转换后的正电压送入到单片机AD进行处理，并在数码管上显示。
3.6数码管显示电路
图3-14数码管显示电路
显示部分采用四位数码管，前面两位显示设定的电压，后面两位用于显示实际输出的电压。
用数码管显示信息时，由于每个数码管至少需要8个I/O口，如果需要多个数码管，则需要太多I/O口，而单片机的I/O口是有限的。
在实际的单片机系统中，往往需要多位显示。
动态显示是一种最常见的多位显示方法，应用非常广泛。
所有数码管的段选全部连接在一起，如何能显示不同的内容呢？
动态显示是
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