单片机的智能稳压电源的设计.docx

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单片机的智能稳压电源的设计

毕业设计（论文）

题目:

基于单片机的智能稳压

电源的设计

专　　业:

　应用电子技术　　　　　

班　　级:

09221

学　　号:

46

姓　　名:

袁康

指导老师:

胡沁春

成都电子机械高等专科学校

二〇一二年五月

论文摘要

本文介绍了一种基于单片机的智能稳压电源的设计方案，其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后的稳压模块的输出。

该系统由整流滤波初步稳压部分、单片机控制部分、DAC和显示部分组成，该稳压电源能连续步进可调，并且可实时显示，弥补了传统稳压电源的不足。

关键词：

单片机；稳压电源；连续步进可调；DAC

Abstract

Thispaperintroducesasingle-chipmicrocomputer-basedIntelligentPowerSupplyDesignprogram,itscoretechnologythroughtheMCUtocontroldigital-to-analogconverterstochangethevoltageregulatormodulesubsequentoutput.ThesystemconsistsofrectifierfilterpreliminaryregulatoroftheMCUcontroloftheDACanddisplaycomponents,thepowersupplycanbecontinuouslyadjustablestepper,andcanbereal-timedisplay,madeupfortheshortcomingsoftraditionalvoltageregulatorpowersupply.

KeyWords:

MCU;RegulatedPowerSupply;Steppingandadjustablerow;DAC

目　　录

论文摘要I

AbstractII

第1章绪论1

第2章设计原理2

2.1设计原理2

2.1.1稳压电源基本原理2

2.1.2稳压电路设计方案2

2.2系统框图3

第3章主要器件介绍4

3.1AT89C52简介4

3.2DAC08327

3.2.1DAC0832引脚介绍7

3.2.2DAC0832内部T型及说明8

3.2.3D/A转换器性能参数9

3.2.4DAC0832工作方式9

3.2.5DAC0832外接的运算放大器特点10

3.3管数码管显示原理10

3.3.1数码管结构10

3.3.2数码管工作原理11

3.3.3数码管字形编码11

第4章硬件电路13

4.1AT89C52主控原理13

4.2数模转换DAC083214

4.3稳压部分14

4.3.1稳压电路的电路组成15

4.3.2稳压电路的工作原理15

4.3.3输出电压计算15

4.4显示电路16

4.5系统硬件总电路图16

第5章软件设计18

5.1软件流程图18

5.2系统源程序19

参考文献22

第1章绪论

电子设备都需要良好稳定的电源，而外部提供的能源大多数为交流电源，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流电源的任务，转换后的直流电源应具有良好的稳定性，当电网或负载变化时，它能保持稳定的输出电压，并具有较低的纹波。

我们通常称这种直流电源为稳压电源。

但有时提供的直流电压不符合设备要求，仍需变换，称为DC/DC变换。

常规的稳压电源为串联调整线性稳压电源，它通常由50Hz工频变压器、整流器、滤波器、串联调整线性稳压器组成。

调整元件工作在线性放大区，流过的电流是连续的，调整管上损耗较大的功率，需要体积较大的散热器，因此该种电源体积大，且效率低，通常仅为35％～60％。

同时承受过载能力较差，但是它具有优良的纹波及动态响应特性。

直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成。

变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。

整流器把交流电变为直流电。

经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。

本设计主要采用直流稳压构成集成稳压电路，通过变压，整流，滤波，稳压过程将220V交流电，变为稳定的直流电，并最终通过取样，比较，调理电路的优化，并实现电压可在0-8.5V可调。

第2章设计原理

2.1设计原理

2.1.1稳压电源基本原理

直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2-1所示。

电网供给的交流电压u1（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。

但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

在本设计中，因为是用单片机进行调整，所有输入的电压已经是给定的稳定值，所以这一步在该设计中没有使用出来，这里只作一个介绍。

图2-1直流稳压电源框图

2.1.2

稳压电路设计方案

图2-2串联型稳压电路图

此方案既可实现稳定的电压输出，而且输出电压连续步进可调，满足设计要求。

在此方案中用到了运放、单片机、数模转换DAC0832，这些器件都需要稳定的工作电压，如图2-2所示。

2.2系统框图

系统由各个模块组成，由各个模块组成的系统框图如图2-3所示。

显示电路

调整电路

按键控制

取样电路

比较电路

DAC

AT89C52

单

片

机

图2-3系统框图

第3章主要器件介绍

3.1AT89C52简介

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

32个双向I/O口256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz

2个串行中断可编程UART串行通道

2个外部中断源共6个中断源

2个读写中断口线3级加密位

低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能

1.P0口

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

2.P1口

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉

电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

3.P2口

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

4.P3口

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

5.RST

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

6.ALE/PROG

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

7.PSEN

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

8.EA/VPP

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

9.XTAL1

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

10.XTAL2

振荡器反相放大器的输出端。

11.特殊功能寄存器

在AT89C52片内存储器中，80H-FFH共128个单元为特殊功能寄存器（SFE），SFR的地址空间映象如表2所示。

并非所有的地址都被定义，从80H—FFH共128个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。

对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。

不应将数据“1”写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。

AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1外，还增加了一个定时/计数器2。

定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON（参见表3）T2MOD（参见表4），寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。

3.2DAC0832

直流稳压电源的数模转换采用通用芯片DAC0832。

DAC0832的原理框图如图3-1所示。

DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。

8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。

图3-1DAC0832原理框图

3.2.1DAC0832引脚介绍

如图3-2所示

DI0~DI7：

数据输入线，TLL电平。

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。

CS：

片选信号输入线，低电平有效。

WR1：

为输入寄存器的写选通信号。

XFER：

数据传送控制信号输入线，低电平有效。

WR2：

为DAC寄存器写选通输入线。

Iout1:

电流输出线。

当输入全为1时Iout1最大。

Iout2:

电流输出线。

其值与Iout1之和为一常数。

Rfb:

反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.

Vcc:

电源输入线（+5v~+15v）

Vref:

基准电压输入线（-10v~+10v）

AGND:

模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.

DGND:

数字地,两种地线在基准电源处共地比较好.

图3-2DAC0832引脚图

3.2.2DAC0832内部T型及说明

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。

如图3-3所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。

运算放大器输出的模拟量V0为：

图3-3T型网络图

输出的模拟量与输入的数字量（

）成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。

一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。

输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。

3.2.3D/A转换器性能参数

在实现D/A转换时，主要涉及下面几个性能参数。

1.分辨率。

分辨率是指最小输出电压（对应于输入数字量最低位增1所引起的输出电压增量）和最大输出电压（对应于输入数字量所有有效位全为1时的输出电压）之比。

例如，4位DAC的分辨率为1/（24-1）=1/15=6.67%（分辨率也常用百分比来表示）。

8位DAC的分辨率为1/255=0.39%。

显然，位数越多，分辨率越高。

2.转换精度。

如果不考虑D/A转换的误差，DAC转换精度就是分辨率的大小，因此，要获得高精度的D/A转换结果，首先要选择有足够高分辨率的DAC。

D/A转换精度分为绝对和相对转换精度，一般是用误差大小表示。

DAC的转换误差包括零点误差、漂移误差、增益误差、噪声和线性误差、微分线性误差等综合误差。

绝对转换精度是指满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值的程度。

它和标准电源的精度、权电阻的精度有关。

相对转换精度指在满刻度已经校准的前提下，整个刻度范围内，对应任一模拟量的输出与它的理论值之差。

它反映了DAC的线性度。

通常，相对转换精度比绝对转换精度更有实用性。

相对转换精度一般用绝对转换精度相对于满量程输出的百分数来表示，有时也用最低位（LSB）的几分之几表示。

例如，设VFS为满量程输出电压5V，n位DAC的相对转换精度为±0.1%，则最大误差为±0.1%VFS=±5mV；若相对转换精度为±1/2LSB，LSB=1/2n，则最大相对误差为±1/2n+1VFS。

3.非线性误差。

D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。

转换器电路设计一般要求非线性误差不大于±1/2LSB。

4.转换速率/建立时间。

转换速率实际是由建立时间来反映的。

建立时间是指数字量为满刻度值（各位全为1）时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90%满量程或±1/2LSB满量程）时所需要的时间。

建立时间是D/A转换速率快慢的一个重要参数。

很显然，建立时间越大，转换速率越低。

不同型号DAC的建立时间一般从几个毫微秒到几个微秒不等。

若输出形式是电流，DAC的建立时间是很短的；若输出形式是电压，DAC的建立时间主要是输出运算放大器所需要的响应时间。

3.2.4DAC0832工作方式

DAC0832进行D/A转换，可以采用两种方法对数据进行锁存。

第一种方法是使输入寄存器工作在锁存状态，而DAC寄存器工作在直通状态。

具体地说，就是使和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号ILE处于高电平、处于低电平，这样，当端来一个负脉冲时，就可以完成1次转换。

第二种方法是使输入寄存器工作在直通状态，而DAC寄存器工作在锁存状态。

就是使和为低电平，ILE为高电平，这样，输入寄存器的锁存选通信号处于无效状态而直通；当和端输入1个负脉冲时，使得DAC寄存器工作在锁存状态，提供锁存数据进行转换。

根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下3种工作方式：

1.单缓冲方式。

单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。

此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。

2.双缓冲方式。

双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。

此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。

3.直通方式。

直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即CS，WR1，XFER，WR2均接地，ILE接高电平。

此方式适用于连续反馈控制线路，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。

在本次设计中,使用的是直通方式。

3.2.5DAC0832外接的运算放大器特点

1.开环放大倍数非常高，一般为几千，甚至可高达10万。

在正常情况下，运算放大器所需要的输入电压非常小。

2.输入阻抗非常大。

运算放大器工作时，输入端相当于一个很小的电压加在一个很大的输入阻抗上，所需要的输入电流也极小。

3.输出阻抗很小，所以，它的驱动能力非常大。

3.3管数码管显示原理

3.3.1数码管结构

输出电压采用7段数码管进行显示。

数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。

数码管的外型结构如图3-4（a）所示。

数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图3-4（b）和图3-4（c）所示。

（a）外型结构（b）共阴极（c）共阳极

图3-4数码管结构图

3.3.2数码管工作原理

共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。

当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。

此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。

3.3.3数码管字形编码

要使数码管显示出相应的数字或字符必须使段数据口输出相应的字形编码。

数据D0与a字段对应，D1字段与b字段对应……，依此类推。

如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。

数码管字形编码如表3-2所示。

表3-2数码管字形编码表

显示字符

字形

共阳极

共阴极

dp

g

f

e

d

c

b

a

字型码

dp

g

f

e

d

c

b

a

字形码

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

C0H

0

0

1

1

1

1

1

1

3FH

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

F9H

0

0

0

0

0

1

1

0

06H

2

2

1

0

1

0

0

1

0

0

A4H

0

1

0

1

1

0

1

1

5BH

3

3

1

0

1

1

0

0

0

0

B0H

0

1

0

0

1

1

1

1

4FH

4

4

1

0

0

1

1

0

0

1

99H

0

1

1

0

0

1

1

0

66H

5

5

1

0

0

1

0

0

1

0

92H

0

1

1

0

1

1

0

1

6DH

6

6

1

0

0

0

0

0

1

0

82H

0

1

1

1

1

1

0

1

7DH

7

7

1

1

1

1

1

0

0

0

F8H

0

0

0

0

0

1

1

1

07H

8

8

1

0

0

0

0

0

0

0

80H

0

1

1

1

1

1

1

1

7FH

9

9

1

0

0

1

0

0

0

0

90H

0

1

1

0

1

1

1

1

6FH

A

A

1

0

0

0

1

0

0

0

88H

0

1

1

1

0

1

1

1

77H

B

B

1

0

0

0

0

0

1

1

83H

0

1

1

1

1

1

0

0

7CH

C

C

1

1

0

0

0

1

1

0

C6H

0

0

1

1

1

0

0

1

39H

D

D

1

0

1

0

0

0

0

1

A1H

0

1

0

1

1

1

1

0

5EH

E

E

1

0

0

0

0

1

1

0

86H

0

1

1

1

1

0

0

1

79H

F

F

1

0

0

0

1

1

1

0

8EH

0

1

1

1

0

0

0

1

71H

H

H

1

0

0

0

1

0

0

1

89H

0

1

1

1

0

1

1

0

76H

L

L

1

1

0

0

0

1

1

1

C7H

0

0

1

1

1

0

0

0

38H

P

P

1

0

0

0

1

1

0

0

8CH

0

1

1

1

0

0

1

1

73H

R

R

1

1

0

0

1

1

1

0

CEH

0

0

1

1

0

0

0

1

31H

U

U

1

1