毕业论文基于单片机的可调直流稳压电源设计.docx
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毕业论文基于单片机的可调直流稳压电源设计
哈尔滨剑桥学院
毕业设计
论文题目：
基于单片机的可调直流稳压电源设计
学生：
李玉秋
指导教师：
刘媛媛讲师
专业：
电子信息工程（电气及其自动化）
班级：
09电气4班
2013年5月
哈尔滨剑桥学院
毕业设计任务书
题目名称：
基于单片机的可调直流稳压电源设计
立题意义：
可调稳压电源不仅具有开关电源体积小，损耗低的优点，还具有线性电源输出电压纹波小，输出特性好的优点。
并且引入单片机控制，使其在功能上具有一定智能化，能够满足一般低限度场合的供电需要。
具有一定的的研究意义及实用价值。
技术条件与要求：
1.熟练掌握单片机原理、功能、程序设计。
2.掌握稳压工作原理、电压调节方法、AD芯片和单片机的工作原理。
任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）
一、任务内容：
1.查阅文献，掌握单片机的发展现状及未来发展趋势，稳压工作原理、电压调节方法、AD芯片和单片机的工作原理。
2.进行单片机硬件设计，实现开关电源的数控调节。
3.进行单片机程序的设计。
4.实现直流开关电源在单片机的控制下能够输出稳定的、可调的直流电压0.1~15V步进调节。
二、计划、时间安排
2012年4月26日~~2013年4月7日选题、撰写阶段
2013年4月8日~~2013年5月12日中期检查阶段
2013年5月13日~~2013年5月24日整理、答辩阶段
2013年5月25日毕业论文（设计）答辩
三、完成工作量与水平具体要求
按照计划进度、指导教师的要求完成预定的工作量、提高论文的设计水平。
专业负责人意见:
签名：
年月日
哈尔滨剑桥学院
毕业设计审阅评语
一、指导教师评语
是否同意答辩：
同意答辩□不同意答辩□
指导教师（签名）职称年月日
二、评阅人评语
是否同意答辩：
同意答辩□不同意答辩□
评阅教师（签名）职称年月日
哈尔滨剑桥学院
毕业设计答辩评语及成绩
三、答辩委员会评语
四、毕业设计成绩
签字（盖章）：
五、答辩委员会主任单位：
答辩委员会主任职称：
答辩委员会主任签字：
年月日
基于单片机的可调直流稳压电源设计
摘要
随着电子技术的迅速发展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能，目前，市场上各直流电源的基本环节大致相同，主要都包括交流电源、交流变压器（有时可以不用）、整流电路、滤波稳压电路等。
本文运用了将单片机控制系统应用于开关稳压电源的方法和原理，提出的开关电源可调稳压输出的观点。
认为可以实现开关电源的数控调节，并通过分析稳压工作原理、电压调节方法、AD芯片和单片机的工作原理，使输出电压下实现了0.1~15V步进调节。
最终得出了直流开关电源在单片机的控制下能够输出稳定的、可调的直流电压。
该可调稳压电源不仅具有开关电源体积小，损耗低的优点，还具有线性电源输出电压纹波小，输出特性好的优点。
并且引入单片机控制，使其在功能上具有一定智能化，能够满足一般低限度场合的供电需要。
具有一定的的研究意义及实用价值。
关键词：
稳压电源；单片机；AD
AdjustableDCRegulatedSwitchingPowerSupplyBaseonSingle-chipMicrocomputer
Abstract
Withtherapiddevelopmentofelectronictechnology,theDCpowersupplyiswidelyused,itsqualitydirectlyaffectstheelectricaldeviceorcontroltheworkingperformanceofthesystem,atpresent,themarketofthedirectcurrentpowersupplythebasiclinkofroughlythesame,mainlyincludestheACpower,theACtransformer（sometimescannot）,arectificationcircuit,afilteringvoltagestabilizingcircuit.
Thispaperdiscussestheapplicationofthesinglechipmicrocomputercontrolsystemappliedinswitchingpowersupplymethodandprinciple,putsforwardviewpointofadjustablevoltageregulatoroutputswitchingpowersupplyfor.Thatcanrealizeswitchingpowersupplycontrolregulation,andthroughtheanalysisoftheworkingprincipleofvoltage,voltageregulationmethod,A/Dchipandtheprinciple,sothattheoutputvoltageachievestostepregulatorof0.1~15V.FinallydrawtheconclusionthattheDCswitchingpowersupplyunderthecontrolofsingle-chipmicrocomputercanoutputstable,adjustableDCvoltage.
Theadjustableregulatedpowersupplyhasnotonlytheadvantagesofsmallvolume,lowloss,butalsotheadvantagesofsmalloutputripplevoltageoflinearpowersupply,advantagesofoutputcharacteristics.AndtheintroductionofSCMcontrol,itsfunctionhascertainintelligence,cansatisfyneedsofthegenerallowlimitthepoweroccasions.Andhascertainresearchvalueandpracticalsignificance.
Keywords:
RegulatedPowerSupply;SCM;ADChip
基于单片机的可调直流稳压电源设计
1绪论
1.1可调直流稳压电源国内发展现状
在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪四十年代中期开始形成，到了九十年代以来，电源产业进入快速发展时期。
一方面，电源产业规模的发展的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助和创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品。
目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但我国在电源产品的质量、可靠性和智能化的方面相对落后。
1.2可调直流稳压电源国外发展现状
而以美国为首的几个发达国家，在电源产品的工艺水平、开发投入、生产规模、先进检测设备、网络化和持续续航能力等方面相对领先。
现在，正向着数字化、模块化和绿色化等方向发展。
欧美等国的直流稳压电源多采用向开关电源实现，开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点。
目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。
开关电源在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源而将直流--直流（DC/DC）变换器称为二次电源。
同时，开关电源也在各种电子信息设备中，如计算机、充电电源等得到了广泛的应用。
本文的主要内容就是研制一种高性能直流开关电源。
1.3可调直流稳压电源研究的目的及意义
在当代科技与经济高速发展的过程中，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。
电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提的现代信息技术革命，同时也给电源提出了更高的要求。
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，因此电源的数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子，人们对它的要求也越来越高，要想为现代人工作、科研，在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到关键性的作用。
随着计算机和通讯技术发展而为生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。
对我们学生而言，在大学的实验室里和课程设计里面，有一个稳定可调的直流电源是很有必要的。
因传统的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电压表指示电压值的大小。
这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电路构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数字式可调稳压电源能较好地解决了以上问题。
本题采用单片机和其它元器件及外围电路，开发一个数字式可调稳压电源。
能够设定输出电压值、电压值输出显示、存储等功能。
通过此系统的设计，让开发者更深刻的掌握单片机基本原理，并熟悉一些外围电路的扩展，以及进一步提高C语言的硬件编程能力。
2可调直流稳压电源的基本原理
2.1直流稳压电源总体结构
在电子电路中，通常都需要电压稳压的直流电源供电。
日常生活中也需要将交流电转变成直流电，形成直流稳压电源。
一般直流稳压电源以一稳压电源为基础，以高性能单片机系统为控制核心，以稳压驱动放大电路、过流检测电路为外围的硬件系统，在检测与控制软件的支持下实现对电压输出的数字控制，通过对稳压电源输出的电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制稳压电源的工作状态及监测开关电路的。
可调直流稳压电源原理框图如图2-1所示[1]。
图2—1可调直流电源原理框图
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成[2]。
电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
整流滤波电路：
整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。
常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。
滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C＝（3~5）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。
稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。
常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V－37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。
其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。
其典型电路如下图，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：
Uo＝1.25（1＋R2/R1）式中R1一般取120－240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。
2.2AT89C51单片机原理及其介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128位bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[3]。
2.2.1AT89C51的功能
主要性能参数：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）4k字节可重复擦写Flash闪速存储器
（3）1000次擦写周期
（4）10年数据保留时间
（5）全静态操作：
0Hz-24MHz
（6）三级加密程序存储器
（7）128×8字节内部RAM
（8）32个可编程I/O口线
（9）2个16位定时/计数器
（10）6个中断源
（11）可编程串行UART通道
（12）低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述：
AT89C51提供一下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
调线方式保存RAM中的内容，但震荡停止器工作并禁止其他所有部件工作到下一个硬件复位[4]。
2.2.2AT89S51的个引脚功能
AT89C51单片机引脚图如图2-2所示。
图2—2AT89C51单片机引脚图
VCC：
AT89C51电源正端输入，接+5V。
GND：
电源地端。
XTAL1：
单芯片系统时钟的反相放大器输入端。
XTAL2：
系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入-20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。
RST：
AT89C51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。
EA/VPP：
“EA”为英文“ExternalAccess”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。
如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。
此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（VPP）。
ALE/PROG：
ALE是英文“AddressLatchEnable”的缩写，表示地址锁存器启用信号。
AT89C51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为AT89C51是以多工的方式送出地址及数据。
平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。
此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。
PSEN：
此为“ProgramStoreEnable”的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。
AT89C51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围[5]。
P0.0～P0.7：
端口0是一个8位宽的开路汲极（OpenDrain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。
其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。
如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0～A7）及数据总线（D0～D7）。
设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0～A7，再配合端口2所送出的A8～A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。
P2.0～P2.7：
端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。
P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。
P1.0～P1.7：
端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。
如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。
P3.0～P3.7：
端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能[6]。
其引脚分配如下：
P3.0：
RXD，串行通信输入。
P3.1：
TXD，串行通信输出。
P3.2：
INT0，外部中断0输入。
P3.3：
INT1，外部中断1输入。
P3.4：
T0，计时计数器0输入。
P3.5：
T1，计时计数器1输入。
P3.6：
WR：
外部数据存储器的写入信号。
P3.7：
RD，外部数据存储器的读取信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出[7]。
2.3数码管动态显示原理介绍
本文采用四位数码管显示设备来显示输出电压。
2.3.1数码管结构及原理
7段LED数码管如图2-3所示。
图2—37段LED数码管
LED显示器又称为数码管，LED显示器由8个发光二极管组成。
中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。
LED显示器有两种不同的形式：
一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器[8]。
共阴与共阳极LED显示器如图2-4所示。
图2—4共阴与共阳极LED显示器
LED显示器可分为共阳和共阴两种结构，如上图所示。
图上为共阴结构。
即把8个发光二极管阴极连在一起。
这时如果需要点亮a到g中的任何一盏灯，只需要在相应的端口输入高电平即可；输入低电平则截止。
比如我们现在要显示数字“3”，则只要在对应的a、b、c、d、g段送入高电平，在其他端送入低电平即可，点亮为“3”。
共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。
当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。
8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7D6D5D4D3D2D1D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。
例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，LED显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。
如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，那么显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。
共阳共阴LED常见字符对应段码表如表2-1所示。
表2—1共阳共阴LED常见字符对应段码表
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
0
3FH
C0
8
7FH
80H
1
06H
F9
9
6FH
90H
2
5BH
A4
A
77H
88H
3
4FH
B0
B
7CH
83H
4
66H
99H
C
39H
C6
5
6DH
92H
D
5EH
A1H
6
7DH
82H
E
79H
86H
7
07H
F8
F
71H
8EH
2.3.2数码管显示方式
点亮LED显示器有两种方式：
一是静态显示；二是动态显示。
在本次设计中，采用的是静态显示。
所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。
这种电路的优点在于：
在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。
从下图可以看出，每位LED显示器需要单独占用8根端口线，因此，在数据较多的时候，往往不采用这种设计，而是采用动态显示方式。
数码管动态显示图如图2-5所示。
图2—5数码管动态显示图
所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描一位一位地轮流点亮各位显示器。
图2—6数码管静态显示图
在此电路中，单片机的P0口用于控制4位LED的段选码：
P1口的P1.0~~P1.3用于控制4位LED位选码。
数码管静态显示图如图2-6所示。
由于所有的段选码连在
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