基于stc12c5410ad的数字稳压电源开发终稿.docx
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基于stc12c5410ad的数字稳压电源开发终稿
基于STC12C5410AD数字稳压电源开发实训技术报告
指导老师：
李从宏戴娟
提交日期：
2011年5月20日
概要
本次实训通过实习进一步掌握基于STC12C5410AD数字稳压电源设计与制作,掌握基本的电路设计与制作方法和技巧,通过实习加强学生理论联系实际的能力，提高学生的动手能力；通过实习培养学生团结协作和刻苦耐劳精神。
目录
1.绪论………………………………4
2.系统结构具体设计………………5
2.1最小系统…………………………………………5
2.2电压检测…………………………………………14
3.组装调试…………………………15
4.软件编程…………………………29
4.1键盘与显示………………………………………29
4.2PWM程序…………………………………………29
4.3A/D采样…………………………………………29
5.整机调试与测试…………………30
6.结论与心得………………………32
7.致谢………………………………33
8.参考文献…………………………34
第一章绪论
1.概述
稳压电源是用电器必不可少的能源动力,其要求有较高的稳定性和实用性。
通常中,一种用电器相对于一定值电源电压,在相对于多种用电器中,一种多级供电电源可以用来备接交替使用,会方便经济很多。
在满足稳压电源的基本性能上,利用数字电路的快捷传输特性,将数字技术应用到稳压电源中,实现其控制可调性。
能在较宽的电源波动范围内稳定使用,适用于多种电压范围调控,可设计有多种输出接口。
该电源优点在于方便实用,且成本低廉,在低压用电器中可以取代多种电源即一源多用,也适用于旅行携带。
2.设计目的
1．了解和巩固所学的理论知识，训练应用已经学过的理论知识分析解决工程实际问题的能力。
2．进一步提高同学们动手能力。
3．能根据要求设计电路，并对经计算机仿真成功后的电路进行焊接调试。
3、设计要求
设计并制作基于STC12C515419AD的数字稳压电源的开发。
基本要求如下
1． BUST结构及原理BOOST结构及原理
2． 输出电压u与输出电压的主调关系
3． 电压调整率<=0.1%
4． 负载调整率<=1%
5． 纹波电压峰峰值<0.1v
6． 效率>=85%
第二章 系统结构具体设计
随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，传统应用技术，由于功率器件性能的限制使开关电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，为了提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源，十分必要。
1几种数控直流稳压电源设计方案比较
1．1几种设计方案电路原理
方案1：
采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出±5V、±12V、±15V并能可调输出0～30V电压，见图1所示。
但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。
方案2：
此方案采用51系列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，从而使开关控制电源输出电压发生变化，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，经过ADC0809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。
利用单片机程控输出数字信号，经过D／A转换器（DA0830）输出模拟量，再经开关电源控制电路，使得输出电压达到稳压的目的。
单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流／电压转变后，通过A／D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理，经过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。
而且采用PWM控制的开关电源，该电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。
而且在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。
2方案的比较与论证
（1）输出模块
方案1采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出不仅增加／减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出地影响，此输出只能是用万用表量出。
在方案1中，为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出的电压难以跟踪快变的输入，方案2中的输出电压波形与D／A变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统有一定驱动能力的信号源。
（2）数控模块
方案1利用纯硬件来控制电压的输出，其中最基本的电路原理分析，需要计算负载的大小，稳压管的选择有关，如方案1中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致。
在方案4中采用AT89C51单片机完成整个数控部分的功能，同时，AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。
（3）控制模块
在该系统中，采用具有D／A转换功能的PWM调节电路、斩波电路、阔流器和可调稳压管（LM317）去控制输出参考电压，在利用A／D转换采样，使输出更准确，且纹波小，电流亦可扩展，容易保护电路。
（4）显示模块
方案2采用4位数字电压表直接对输出电压采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预制值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理，还采用了键盘／显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。
3.具体方案的确定
3.1数字稳压电源的方案框图
基于STC12C5410AD的数字稳压电源电路主要由DC/DC转换器、滤波器、LM7805、STC12C5410AD型单片机、四位数码管显示器、键盘控制等几部分组成。
本次项目设计最大特点就是采用了自带A/D采样、PWM系统的STC12C5410AD
型单片机。
利用A/D采样检测系统可以随时对输出的电流电压进行检测。
改变PWM中的方波脉冲的占空比从而控制输出电压。
向电路中输入24V的直流电压，再经过DC/DC转换器将24V的直流电压转换成5-10V的直流电压。
滤波器对输出的电压的纹波、噪声进行改善。
由于单片机正常工作需5V电压方可正常工作，而线性变换开关LM7805输出电压正好是+5V，这时可通过此芯片来达到要求。
用四位数码管来显示结果
3.2数字稳压电源的原理图
①电源部分
②滤波电路
③电流电压检测电路
④键盘控制部分
⑤单片机系统部分
⑥复位部分
⑦138译码器
8MCU驱动部分
⑨数码管显示部分
4.电压与电流的检测
电源采用数字控制，具有以下明显优点:
（1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。
（2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。
（3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。
（4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。
（5）系统的一致性好，成本低，生产制造方便。
由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。
由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。
（6）易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。
为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。
第三章组装调试
印制电路板在整机结构中由于具有许多独特的优点而被大量地使用，因此当前电子设备组装是以印制电路板为中心展开的，印制电路板的组装是整机组装的关键环节。
3、1印制板的组装
（1）组装的定义：
电子设备的组装是将各种电子元器件、机电元件及结构件，按照设计要求，装接在规定的位置上，组成具有一定功能的完整的电子产品的过程。
组装内容主要有：
单元的划分；元器件的布局各种元件；部件、结构件的安装；整机联装等。
在组装过程中，根据组装单位的大小、尺寸、复杂程度和特点的不同，将电子设备的组装分成不同的等级，称之为电子设备的组装级。
（2）组装特点
电子设备的组装，在电气上是以印制电路板为支撑主体的电子元器件的电路连接。
在结构上是以组成产品的金属硬件和模型壳体，通过紧固零件或其他方法，由内到外按一定的顺序安装。
电子产品属于技术密集型产品，组装电子产品的主要特点是：
①组装工作是由多种基本技术构成的。
如元器件的筛选与引线成形技术，线材加工处理技术，焊接技术，安装技术，质量检验技术等。
②装配操作质量，在很多情况下，都难以进行定量分析。
如焊接质量的好坏，通常以目测判断，刻度盘、旋钮等的装配质量多以手感鉴定等。
因此，掌握正确的安装操作方法是十分必要的，切勿养成随心所欲的操作习惯。
③进行装配工作的人员必须进行训练和挑选，经考核合格后持证上岗、否则，由于知识缺乏和技术水平不高，就可能生产出次品，而一旦混进次品，就不可能百分之百地被检查出来，产品质量就没有保证。
（3）组装的技术要求
不同的产品，不同的生产规模对组装的技术要求是各不相同的，但基本要求是相同的
①安全使用：
电子产品组装，安全是首要大事。
不良的装配不仅影响产品性能，而且造成安全隐患。
②不损伤产品零部件
组装时由于操作不当，不仅可能损坏所安装的零件，而且还会殃及相邻的零部件。
例如装瓷质波段开关时，紧固力过大造成开关变形失效；画板上装螺钉时，螺丝刀滑出擦伤面板带集成电路折弯管脚等。
③保证电气性能
电器连接的导通与绝缘，接触电阻和绝缘电阻都和产品性能、质量紧密相关。
假如某设备电源输出线，安装者未按规定将导线绞合镀锡而直接装上，从而导致一部分芯线散出，通电检验和初期工作都正常，但由于局部电阻大而发热，工作一段时间后，导线及螺钉氧化，进而接触电阻增大，结果造成设备不能正常工作。
④保证机械强度
产品组装中要考虑到有些零部件在运输、搬动中受机械振动作用而受损的情况。
例如一只安装在印制板上的带散热片的三极管，仅靠印制板上焊点就难以支持较重散热片的作用力。
又如，变压器靠自攻螺钉固定在塑料壳上也难保证机械强度。
5.保证传热、电磁屏蔽要求
某些零部件安装时必须考虑传热或电磁屏蔽的问题。
如图3-1所示，在功率管上装散热片，由于紧固螺钉不当，造成功率管与散热片贴合不良，影响散热。
又如图3-2所示金属屏蔽盒，由于存在接缝，降低了屏蔽效果。
如果安装时在接缝中加上导电衬垫，就可保证屏蔽性能。
图3-1贴合不良图
图3-2屏蔽盒示意图
3、2常用组装方法
电子整机装配过程中，需要把相关的元器件、零部件等按设计要求安装在规定的位置上，实现电气连接和机械连接。
连接方式是多样的，有焊接，压接、绕接等。
在这些连接中有的是可拆的（拆散时不会损伤任何零部件），有的是不可拆的。
1.焊接装配
焊接装配方法主要应用于元器件和印制板之间的连接、导线和印制板之间的连接以及印制板与印制板之间的连接。
其优点是：
电性能良好、机械强度较高、结构紧凑，缺点是可拆性较差。
2.压接装配
压接分冷压接与热压接两种，目前以冷压接使用较多。
压接是借助较高的挤压力和金属位移，使连接器触脚或端子与导线实现连接。
压接使用的工具是压接钳。
将导线端头放入压接触脚或端头焊片中用力压紧即获得可靠的连接。
压接触脚和焊片是专门用来连接导线的器件，有多种规格可供选择，相应的也有多种专用的压接钳。
压接技术的特点是：
操作简便，适应各种环境场合，成本低、无任何公害和污染。
存在的不足之处是：
压接点的接触电阻较大，因操作者施力不同，质量不够稳定，因此很多连接点不能用压接方法。
3.绕接装配
绕接是将单股芯线用绕接枪高速绕到带棱角（棱形、方形或矩形）的接线柱上的电气连接方法。
由于绕接枪的转速很高（约3000r／min，对导线的拉力强，使导线左接线柱的棱角上产生强压力和摩擦，并能破坏其几何形状，出现表面高温而使两金属表面原子相互扩散产生化合物结晶）绕接示意如图3-3所示。
绕接方式有两种：
绕接和捆接，如图3-4所示。
图3-3绕接示意图
图3-4绕接的两种方法
绕接用的导线一般采用单股硬匣绝缘线，芯线直径为0.25㎜～1.3㎜。
为保证连接性能良好，接线柱最好镀金或镀银，绕接的匝数应不少于5圈（一般在5圈～8圈）。
绕接与锡焊相比有明显的特点：
可靠性高、失效率接近七百万分之一，无虚、假焊；接触电阻小，只有1毫欧姆，仅为锡焊的1／10；抗震能力比锡焊大40倍；无污染，无腐蚀；无热损伤；成本低、操作简单，易于熟练掌握。
其不足之处是：
导线必须是单芯线、接线柱必须是特殊形状、导线剥头长、需要专用设备等。
因而绕接的应用还有一定的局限性。
目前，绕接主要应用在大型的高可靠性电子产品的机内互连中。
4.胶接装配
用胶粘剂将零部件粘在一起的安装方法称为胶接。
胶接属于不可拆卸连接。
其优点是工艺简单，不需专用的卫艺设备，生产效率高、成本低。
它能取代机械紧固方法，从而减轻质量。
在电子设备的装联中，胶接广泛用于小型元器件的固定和不便于螺纹装配、铆接装配的零件的袋配，以及防止螺纹松动和有气密性要求的场合。
胶接质量的好坏主要取决于工艺操作规程和胶粘剂的性能是否正确。
3、3其他组装方法
表面安装技术是将电子元器件直接安装在印制电路板或其他基板导电表面的装接技术。
在电子工业生产中，SM实际是包括表面安装元件（SMC），表面安装器件（MID），表面安装印制电路板（SMB），普通混装印制电路板（PCB），点粘合剂，涂焊锡膏，元器件安装设备，焊接以及测试等技术在内的一整套完整的工艺技术的统称。
SMT涉及材料，化工、机械、电子等多学科、多领域，是一种综合性的高新技术。
1.SMT主要优点
（1）高密集。
SMC、SMD的体积只有传统元器件的1／3～1／10左右，可以装在PCB的网面，有效利用了印制板的面积、减轻了电路板的质量。
一般采用了SMT后可使电子产品的体积缩小40％～60％，质量减少60％～80％。
（2）高可靠。
SMC和SMD无引线或引线狠短、质量小，因而抗震能力强，焊点失效率可比传统安装至少降低了一个数量级，大大提高产品可靠性。
（3）高性能。
SMT密集安装减小了电磁干扰和射频干扰，尤其高频电路中减小了分布参数的影响，提高了信号传输速度，改善了高频特性，使整个产品性能提高。
（4）高效率。
SMT更适合自动化大规模生产。
采用计算机集成制造系统（CIMS）可使整个生产过程高度自动化，将生产效率提高到新的水平。
（5）低成本。
SMT使PCB面积减小，成本降低；无引线和短引线使SMD、SMC成本降低，安装中省去了引线成型、打弯、剪线的工序；频率特性提高，减少了调试费用；焊点可靠性提高，减小了调试和维修成本。
一般情况下采用SMT后可使产品总成本下降30％以上。
2.主要问题
（1）表面安装元器件目前尚无统一标准，品种不齐全，因而使用不便，价格较高。
（2）技术要求高。
如元器件吸潮引起装配时元器件裂损，结构件热膨胀系数差异导致的焊接开裂，组装密度大而产生的散热问题复杂等。
（3）初始投资大。
生产设备结构复杂，设计技术面宽，费用昂贵。
SMT表面贴装技术将在以后的章节中具体讲解，这里只作简单介绍。
3、4元器件安装的技术要求
电子元器件种类繁多，外形不同，引出线也多种多样；所以，印制电路板的组装方法也就有差异，必须根据产品结构的特点、装配密度、产品的使用方法和要求来决定。
1.元器件的标志方向应按照图纸规定，安装后能看清元件上的标志。
若装配图上没有指明方向，则应使标记向外易于辨认，并按从左到右、从下到上的顺序读出。
2.元器件的极性不得装错，安装前应套上相应的套管。
3.安装高度应符合规定要求，同一规格的元器件应尽量安装在同一高度上。
4.安装顺序一般为先低后高，先轻后重，先易后难，先一般元器件后特殊元器件。
5.元器件在印制电路板上的分布应尽量均匀，疏密一致排列整齐美观。
不允许斜排、立体交叉和直叠排列。
无器件外壳与引线不得相碰，要保证１㎜左右的安全间隙，无法避免时，应套上绝缘套管。
6.元器件的引线直径与印制电路板焊盘孔径应有0.2㎜～0.4㎜的合理间隙。
7.一些特殊元器件的安装处理。
MOS集成电路的安装应在等电位工作台上进行，以免产生静电损坏器件。
发热元件（如2W以上的电阻）要与印制电路板面保持一定的距离，不允许贴板安装，较大的元器件的安装（重量超过0.028㎏）应采取绑扎、粘固等措施。
3、5调试工艺
电子产品调试包括三个工作阶段内容：
研制阶段调试、调试工艺方案设计、生产阶段的调试。
研制阶段调试除了对电路设计方案进行试验和调整外，还对后阶段的调试工艺方案设计和生产阶段调试提供确切的标准数据。
根据研制阶段调试步骤、方法、过程，找出重点和难点，才能设计出合理、科学、高质、高效的调试工艺方案，有利于后阶段的生产调试。
一、静态测试与调整：
晶体管、集成电路等有源性器件都必须在一定的静态工作点上工作，才能表现出更好的动态特性，所以在动态调试与整机调试之前必须要对各功能电路的静态工作点进行测量与调整，使其符合原设计要求，这样才可以大大降低动态调试与整机调试时的故障率，提高调试效率。
1.静态测试内容
（1）供电电源静态电压测试
电源电压是各级电路静态工作点是否正常的前提，电源电压偏高或偏低都不能测量出准确的静态工作点。
电源电压若可能有较大起伏（如彩电的开关电源），最好先不要接入电路，测量其空载和接入假定负载时的电压，待电源电压输出正常后再接入电路。
（2）测试单元电路静态工作总电流
通过测量分块电路静态工作电流，可以及早知道单元电路工作状态。
若电流偏大，则说明电路有短路或漏电；若电流偏小，则电路供电有可能出现开路。
只有及早测量该电流，才能减小元件损坏。
此时的电流只能作参考单元电路各静态工作点调试完后，还要再测量一次
（3）三极管静态电压、电流测试
首先要测量三极管三极对地电压，即Ub、Ur、Ue，或测量Ube、Uce电压，判断三极管是否在规定的状态（放大、饱和、截止）内工作。
例如，测出Uc＝0V、Ub＝0.68V、Ue＝0V，则说明三极管处于饱和导通状态。
观察该状态是否与设计相同，若不相同，则要细心分析这些数据，并对基极偏置进行适当的调整。
其次再测量三极管集电极静态电流，测量方法有两种：
①直接测量法。
把集电极焊接铜皮断开，然后串入万用表，用电流档测量其电流。
②间接测量法。
通过测量三极管集电极电阻或发射极电阻的电压，然后根据欧姆定律I＝U／R，计算出集电极静态电流。
（4）集成电路静态工作点的测试
①集成电路各引脚静态对地电压的测量。
集成电路内的晶体管、电阻、电容都封装在一起，无法进行调整。
一般情况下，集成电路各脚对地电压基本上反映了内部工作状态是否正常。
在排除外围元件损坏（或插错元件、短路）的情况下，只要将所测得电压与正常电压进行比较，即可做出正确判断。
②集成电路静态工作电流的测量。
有时集成电路虽然正常工作，但发热严重，说明其功耗偏大，是静态工作电流不正常的表现，所以要测量其静态工作电流。
测量时可断开集成电路供电引脚铜皮，串入万用表，使用电流档来测量。
若是双电源供电（正负电源），则必须分别测量。
（5）数字电路静态逻辑电平的测量
一般情况下，数字电路只有两种电平，以TTL与非门电路为例，0.8V以下为低电平，1.8V以上为高电平。
电压在0.8～1.8V之间电路状态是不稳定的，所以该电压范围是不允许的。
不同数字电路高低电平界限都有所不同，但相差不远。
在测量数字电路的静态逻辑电平时，先在输入端加入高电平或低电平。
然后再测量各输出端的电压是高电平还是低电平，并作好记录。
测量完毕后分析其状态电平，判断是否符合该数字电路的逻辑关系。
若不符合，则要对电路引线作一次详细检查，或者更换该集成电路。
2.电路调整方法
进行测试的时候，可能需要对某些元件的参数加以调整，一般有两种方法。
（1）选择法
通过替换元件来选择合适的电路参数（性能或技术指标）。
电路原理图中，在这种元件的参数旁边通常标注有“＊”号，表示需要在调整中才能准确地选定。
因为反复替换元件很不方便，一般总是先接入可调元件，待调整确定了合适的元件参数后，再换上与选定参数值相同的固定元件。
（2）调节可调元件法
在电路中己经装有调整元件，如电位器、微调电容或微调电感等。
其优点是调节方便，而且电路工作一段时间以后，如果状态发生变化，也可以随时调整，但可调元件的可靠性差，体积也比固定元件大。
上述两种方法都适用于静态调整和动态调整。
静态测试与调整时内容较多，适用于产品研制阶段或初学者试制电路使用。
在生产阶段调试，为了提高生产效率，往往是只作简单针对性的调试，主要以调节可调性元件为主。
对于不合相电路，也只作简单检查，如观察有没有短路或断线等。
若不能发现故障，则应立即在底板上标明故障现象，再转向维修生产线上进行维修这样才不会耽误调试生产线的运行。
二动态测试与调整
动态测试与调整是保证电路各项参数、性能、指标的重要步骤、其测试与调整的项目内容包括动态工作电压、波形的形状及其幅值和频率、动态输出功率、相位关系、频带、放大倍数、动态范围等。
对于数字电路来说，只要器件选择合适，直流工作点正常，逻辑关系就不会有太大问题，一般测试电平的转换和工作速度即可。
1.电路动态工作电压
测试内容包括三极管b、c、e极和集成电路各引脚对地的动态工作电压。
动态电压与静态电压同样是判断电路是否正常工作的重要依据，例如有些振荡电路，当电路起振时测量Ube直流电压，万用表指针会出现反偏现象，利用这一点可以判断振荡电路是否起振。
2.测量电路重要波波形的幅度和频率
无论是在调试还是在排除故障的过程中，波形的测试与调整都是一个相当重要的技术。
各种整机电路中都可能有波形产生或波形处理变换的电路。
为了判断电路备种过程是否正常，是否符合技术要求，常需要观测各被测电路的输入、输出波形，并加以分析。
对不符合技术要求的，则要通过调整电路元器件的参数，使之达到预定的技术要求。
在脉冲电路的波形变换中，这种测试更为重要。
大多数情况下观察的是电压波形，有时为了观察电流波形，则可通过测量其限流电阻的电压，再转成电流的方法来测量。
用示波器观测波形时，上限频率应高于测试波形的频率。
对于脉冲波形，示波器的上升时间还必须满足要求。
观测波形的时候可能会出现以下几种不正常的情况，只要细心分析波形，总会找出排除的办法。
第四章软件编程
1数码管显示流程图2PWM流程图
、
3.A/D采样流程图
第五章整机调试与测试
整机调试是把所有经过动静态调试的各个部件组装在一起进行的有关
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