单片机的数控直流稳压电源设计分析方案.docx
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单片机的数控直流稳压电源设计分析方案
基于AT89S53单片机的数控直流稳压电源设计报告
目录
引言--------------------------------------------------------1
1.绪论
1.1什么是直流稳压-------------------------------------------1
1.2研究背景及-----------------------------------------------2
1.3国内外研究-----------------------------------------------2
2.基础------------------------------------------------------3
2.1课题研究-------------------------------------------------3
2.2芯片的原理及---------------------------------------------3
2.2.1AT89C53------------------------------------------------3
2.2.2ADC0832简---------------------------------------------5
2.3.3MAX232-------------------------------------------------6
3.电路原理和硬件--------------------------------------------7
3.1系统-----------------------------------------------------7
3.2整体电路-------------------------------------------------8
3.2.1OrCAD辅助----------------------------------------------8
3.2.2PADC辅助----------------------------------------------10
3.2.3KEILc51辅助-------------------------------------------12
3.3电路组成及----------------------------------------------12
3.3.1单片机最小系统----------------------------------------------12
3.3.2键盘接口电路------------------------------------------------13
3.3.3液晶显示-------------------------------------------------13
3.3.4脉冲宽度调整电--------------------------------------------14
3.3.5A/D转化电路------------------------------------------------15
3.3.6串口编程电路-----------------------------------------------16
3.3.7主电源电路-------------------------------------------------16
4.程序设计------------------------------------------------------17
4.1程序流程-------------------------------------------------17
4.2ADC0832芯片接口---------------------------------------17
4.3系统初始化程-----------------------------------------------19
4.4源程-------------------------------------------------------20
5.结束--------------------------------------------------------24
引言
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一．广泛的应用于教案、科研等领域．传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低．干抗大，精度低且体积大、复杂度高．瞢通直流稳压电源品种很多．但均存在以下问题：
输出电压悬通过粗调<波段开关）及细调<电位器）来调节．这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范圈内改变时（如I．02一1.03V>，困难就较大．另外，随着使用时问的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响．常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高．本文设计了一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源，克服了传统直流电压源的缺点，具有很高的应用价值。
1.绪论
1.1什么是直流稳压电源？
直流稳压电源又称直流稳压器。
它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。
稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。
前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。
纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。
直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。
前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压（或电流>。
这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低（常低于40％～60％>。
后者以改变调整元件（或开关>的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。
这类电源功耗小，效率可达85％左右，但缺点是纹波大、相互干扰大。
所以，80年代以来发展迅速。
从工作方式上可分为：
①可控整流型。
用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。
②斩波型。
输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。
③变换器型。
不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于电路，教案实验和科学研究等领域。
传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通直流稳压电源品种很多．但均存在以下问题：
输出电压是通过粗调<波段开关>及细调（电位器>来调节。
这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时<如1.02~103V>，困难就较大。
另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。
常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。
目前使用的可控直流电源大部分是点动的，利用分立器件，体积大，效率低，可靠性差，操作不方便，故障率高。
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，模块化和智能化发展。
以单片机系统为核心而设计的新一代——数控直流电源，它不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能优越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对数据进行各种计算，从而可排除和减少模拟电路引起的误差，输出电压和限定电流采用键盘输入方式，电源的外表美观，操作使用方便，克服了传统直流电压源的缺点，具有较高的使用价值。
单片机对直流稳压电源进行控制，改善了电源的性能，使用方便灵活，且成本较低，同时控制系统在软件上还可进一步改进，以扩展其功能，而并不需要增加硬件开销，从而提高电源的性能价格比。
直流稳压电源可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。
1.2研究背景及意义
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教案、科研等领域。
传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通直流稳压电源品种很多,但均存在以下二个问题:
1>输出电压是通过粗调（波段开关>及细调（电位器>来调节。
这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时（如1.05～1.07V>,困难就较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。
2>稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。
在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。
但在实际生活中，都是由220V的交流电网供电。
这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。
滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。
传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小.因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。
随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。
1.3国内外研究现状
从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。
在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。
早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。
由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。
现今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守
2.基础知识
2.1课题研究方法
直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。
针对以上问题,我们设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。
该电源采用薄膜轻触键盘,可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置,输出由单片机通过D/A,控制驱动模块输出一个稳定电压。
工作过程中,稳压电源的工作状态（输出电压、电流等各种工作状态>均由单片机输出驱动LCD显示,多种显示模式间,由键盘控制进行动态逻辑切换。
2.2芯片的原理及应用
2.2.1AT89C53简介
AT89C53单片机最小系统如图所示。
它需要完成键盘电路控制，预置电压信号显示控制等功能。
图<1）单片机最小系统
图<2）部分为振荡电路，复位电路及电源EA
图<2）
AT89S53/STC89C58单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。
为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ADC0832进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。
AT89S53是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含12kBytesISPD（In-systemprogrammableDownloadable>串行编程可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S53可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S53具有如下特点：
40个引脚，12kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器图<3）AT89S53引脚图
此外，AT89S53设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
2.2.2ADC083简介
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小，
兼容性强，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。
学习并使用
ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。
ADC0832具有以下特点：
8位分辨率；
双通道A/D转换：
输入输出电平与TTL/CMOS相兼容：
5V电源供电时输入电压在0～5V之间；
工作频率为250KHZ，转换时间为32uS：
一般功耗仅为15mW:
8P、14P-DIP<双列直插）、PICC多种封装；
商用级芯片温宽为00Cto+700C，工业级芯片温宽为-400Cto+850C；
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0N5V之间。
芯片转换时间仅为32US．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Dl数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用a
当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A7D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。
图<4）ADC0832接口示意图
作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0～5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。
如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。
但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为OOH。
2.3.3MAX232简介
MAX232是一种把电脑的串行口rs232信号电平<-10，+10v）转换为单片机所用到的TTL信号点平<0，+5）的芯片。
以下简单介绍一下max232引脚图。
图<5）MAX232引脚图
3.电路原理和硬件实现
3.1电路框图
图<6）系统原理框图
3.2整体电路设计
3.2.1OrCAD辅助设计
运用OrCAD画出电路原理图，结合PADS完成芯片、元件封装，导出网表。
（1）设计原理图
图<7）电路原理图
（2）完成元件封装，导出网表
序号
标识
封装
数量
参数/说明
1
C1
0805
1
470uF/35V
2
C2
0805
1
1nF
3
C3C4
0805
2
30uF
4
C5C6C7C8C9
0805
5
1uF/16V
5
C10
0805
1
470uF/36v
6
C11
0805
1
470uF/16V
7
D1
DO-15
1
RS1J
8
D2
DO-15
1
RS1J
9
D3
MB108
1
10
F1
1206
1
1A
11
J1
1
Output
12
J2
1
AC220V
13
P1
DB9
1
DB9
14
Q1
TO-220
1
5N50
15
R1R2R3R7
R8R11R10R12R13R14
0805
10
10K
16
R4R6R9
0805
3
100K
17
R5
0805
1
4.7K
18
SW1
B3F-1000
1
UP
19
SW2
B3F-1000
1
DOWN
20
SW3
B3F-1000
1
YES
21
SW4
B3F-1000
1
ESC
22
T1
1
TY-402P
23
T2
1
TRAN_HM31
24
U1
SIP18
1
LM3037BDW
25
U2
DIP8
1
ADC0832
26
U3
DIP40-600
1
AT89S53
27
U4
SO16
1
MAX232
28
U5
TO-220
1
LM7805CK
29
Y1
49S
1
图<8）封装列表
3.2.2PADC辅助设计
将OrCAD生成的网表导入PADC，完成电路布线
<1）开始布线
图<9）
<2）将元件放入板内
图<10）
<3）调整元件位置，优化布局。
图<11）
图<12）
3.2.3KEILc51辅助设计
图<13）KEILc51工作界面
3.3电路组成及分析
3.3.1单片机最小系统
控制部分采用89C53单片机。
使用了单片机，整个系统可编程，使得系统灵活性大大增加，并且使得进一步扩展功能较为方便。
单片机89C53在本系统中的具体功能简述如下：
（1>功能切换单片机本身有多个中断源和控制引脚，根据设计任务的要求，89C53单片机能很好的完成设计中所需要的功能切换n
（2>运算、数据处理89C53单片机有丰富的指令系统．能进行各种算术和逻辑运算“
（3>译码、显示单片机89C53有多个I／O口，通过接口可以直接接到LCD显示管驱动电路上。
在本系统的设计中使用了89C53单片机，大大减小了电路的设汁难度，降低了信号所受的干扰，增强了系统的抗干扰性能；当然也需花一些时间在软件设计。
3.3.2键盘接口电路
图<14）键盘接口电路
键盘设计由四个按键控制即：
“UP”键、“DOWN”键、“YES”键，“ESC”键，并外接四个上拉电阻控制键盘去抖。
此四个键分别连接到单片机的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5接口进行控制。
3.3.3液晶显示电路
图<15）液晶显示电路
液晶显示电路如图所示。
本设计用LM3037BDW来主要显示预置电压，分别由单片机的P0.0～P0.7与P1.0～P1.5接口控制。
LM3037BDW为LM3037系列144*32点阵图形液晶，LCD显示屏，单相3V/5V供电。
3.3.4脉冲宽度调整电路
图<16）脉宽调制电路
脉冲宽度调制（PWM>，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形<含形状和幅值）。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
3.3.5A/D转换电路
图<17）
芯片接口说明：
cS一片选使能，低电平芯片使能。
CHO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。
GND芯片参考0电位（地>。
DI数据信号输入，选择通道控制。
D0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>。
作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19．53mV。
如果作为由IN+与IN一输入的输入时．可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。
但值得注意的是，在进行IN+与IN一的输入时．如果IN一的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为OOH。
3.3.6串口编程电路
图<18）
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
其主要作用是用来将普通5V的TTL电平转为10V串口通信电平。
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚8脚TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插
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