MCU控制可编程稳压电源研发设计方案.docx
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MCU控制可编程稳压电源研发设计方案
MCU控制的可编程稳压电源设计
摘要
直流稳压电源是电子设计中常用的设备之一，广泛应用于电子电路的各个领域。
传统的直流稳压电源功能简单，难于控制，可靠性低，干扰大，精度低，体积大且复杂度高。
而基于单片机控制的直流稳压电源则能较好地解决以上传统稳压电源的不足。
本设计控制芯片选用51系列单片机，基本原理为通过单片机串口在线调整X9313系列数字电位器的阻值，从而实现对三端稳压器LM317输出电压的调整。
通过51系列单片机编程可以非常方便地调整X9313数字电位器的阻值。
稳压芯片采用三端稳压器LM317，LM317非常易于使用，只需要两个外部电阻即可设置其输出电压。
本次设计中使用Keil软件进行单片机的编程，Keil软件功能强大，支持C语言编程，借助其调试功能，可以直观的了解到软件运行的结果，使繁琐的编程工作变得简单。
硬件电路仿真使用Proteus软件，可以方便地对单片机及其外围电路进行仿真。
设计中着重研究了X9313系列数字电位器的原理和应用，以及如何通过单片机串口在线调整数字电位器的阻值。
数字电位器本身能够承受的电流和电压有限，在实际应用中需要进行扩展，本设计介绍了对其端点电压进行扩展的方法。
本设计能够实现计算机在线调整三端稳压器LM317的输出电压，输出电压值和数字电位器的阻值能够在1602液晶上实时显示出来。
关键词：
直流稳压电源，单片机，X9313系列数字电位器，三端稳压器LM317，串口，1602液晶
ADESIGNOFPROGRAMMABLEDCREGULATEDPOWERSUPPLYBASEDONMCU
ABSTRACT
TheDCregulatedpowersupplyisacommondevicethatwidelyusedintheelectronicsystem.TraditionalDCRegulatedPowerSupplyhasmanydisadvantages，forexample，functionissimple,lowreliability，bigjam,lowaccuracy，volumeisbigandsystemiscomplicated.TheprogrammableDCregulatedpowersupplybasedonMCUcansolvethisproblems.
ThisdesignchoosesMCS-51seriesesMCUasacontroller,theradicalprincipleofdesignischangingaX9313dallastat'sresistancebyMCU'sserialportonline.ItisveryconvenienttochangeaX9313dallastat'sresistancebyMCU'sprogramming.ThedesignchoosestheLM317asregulationchip,onlyneedstwoexternalresistancestochangeitsoutputvoltage.ThisdesignusesKeilsoftwaretoprogramMCU'sfunction.ThehardwareemulationofMCUandperipheralequipmentuseProteussoftware.
ThisdesignemphasizestheprinipleandapplicationoftheX9313dallastat,andhowtochangeaX9313dallastat'sresistancebyMCU'sserialportonline.TheX9313dallastat'scapabilityofsupplyvoltageandcurrentisrestricted,inpracticalapplicationneedtoexpanditsportvoltageandcurrent.ThisdesignintroducedamethodofexpandX9313dallastat'sportvoltage.ThisdesigncanusecomputertochangetheoutputvoltageofLM317,andthesametimedisplaythevalueofoutputvoltageandtheresistanceoftheX9313dallastaton1602LCD.
KEYWORDS：
DCregulatedpowersupply,MCU,X9313dallastat,LM317,serialport,1602LCD
目 录
前 言
随着电子技术的迅速发展，直流稳压电源的应用已经非常广泛。
其好坏直接影响着电子设备或电子系统的工作性能。
直流稳压电源是电子设计中常用的设备之一，广泛应用于电子电路的各个领域。
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。
直流稳压电路的分类主要有四类：
①稳压二极管稳压电路，这种稳压电路中利用硅稳压二极管的稳压特性，实现直流工作电压的稳压输出。
这种直流稳压电路的稳压特性一半，往往只用于稳定局部的直流电压。
在整机电源电路中一般不用。
②串联调整管稳压电路，这种稳压电路利用了三极管集电极与发射极之间阻抗随基极电流大小变化而变化的特性，进行直流输出电压的自动调整，实现直流输出电压的稳定。
在这种稳压电路中的三极管（调整管）一直处于导通状态。
③开关型稳压电路，这是一种高性能的直流稳压电路，稳压原理比较复杂，在这种电路中的三极管（开关管）处于导通、截止两种状态的转换中，即工作在开关状态，所以开关型稳压电路由此得名。
④三端集成稳压电路，这是一种集成电路的稳压电路，其功能是稳定直流输出电压。
这种集成电路只有三根引脚，使用很方便，在许多场合都有着广泛应用。
传统的直流稳压电源功能简单，难于控制，可靠性低，干扰大，精度低且体积大，复杂度高。
而基于单片机控制的直流稳压电源则能较好地解决以上传统稳压电源的不足。
其良好的性价比更能为人们所接受，具有一定的设计价值。
本设计控制芯片选用51系列单片机，基本原理为通过单片机串口在线调整X9313系列数字电位器的阻值，从而实现对三端稳压器LM317输出电压的调整。
X9313是固态非失易性电位器，可用作数字控制的微调电位器。
通过51系列单片机编程可以非常方便地控制X9313数字电位器的阻值。
本设计稳压芯片采用三端稳压器LM317。
LM317非常易于使用，只需要两个外部电阻即可设置其输出电压。
51系列单片机具有功能强大，编程简单，开发方便，易于使用等优点，广泛应用于各种电子控制领域。
不过单片机的开发还是比较繁琐的，它涉及编程、汇编、烧写等内容。
完成以上工作，不但需要编程者能够进行软件编程，还需要掌握相应的编程器，烧写器等硬件的使用。
本次设计中使用Keil软件进行单片机的编程，Keil软件功能强大，支持C语言编程，借助其调试功能，可以直观的了解到软件运行的结果，使繁琐的编程工作变得简单。
硬件电路仿真使用Proteus软件，可以方便地对单片机及其外围电路进行仿真。
Proteus软件一款EDA工具软件，同时它也是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
本设计综合了单片机编程，数字电位器应用，三端稳压器的使用，能够很好地提高设计者的系统级设计能力。
本设计的主要设计方法是：
⑴对51系列单片机进行深入的了解。
对于其中断系统，计数器系统，串口烧写，各端口的硬件组成以及各个特殊功能寄存器的工作特点进行全面的掌握。
⑵使用Proteus软件对单片机及其外围硬件电路的搭建进行布局。
⑶使用Keil软件进行单片机编程，并将程序植入Proteus的硬件电路中进行仿真。
⑷使用Protel99se软件绘制PCB版图。
⑸完成硬件焊接及后期在线调试。
第1章设计综述
本文主要介绍的是一种基于单片机的可编程稳压电源设计，通过单片机的串口在线调整稳压电源的输出电压。
本设计的核心有三个，一个是数字电位器X9313如何控制三端稳压器LM317；第二个是如何通过串口使用计算机在线调整数字电位器X9313；最后一个是如何将三端稳压器LM317的输出电压值和数字电位器X9313的阻值显示在1602液晶上。
下面将分节对以上内容进行详细说明。
§1.1设计原理图
图1-1设计原理图
§1.2X9313对LM317的控制
在数字电位器X9313如何控制三端稳压器LM317的问题上，有两种方案可以使用。
方案一：
将X9313作为可变电阻器使用，直接用在LM317的调节端进行控制。
见图1-2所示。
方案二：
将X9313作为电位器使用，用同相放大器扩展其端点电压，间接控制LM317的输出电压。
图1-2方案一
方案一方案理论上是可行的，而且原理简单。
但是目前所有的数字电位器所能承受的端点电压不高（一般在-5到+5伏），这使其在应用上受到了很大的限制。
设计时LM317的输入电压为12伏，在其调节端会有10伏左右的电压，显然X9313是承受不了的。
所以这个方案由于硬件限制，不能使用。
方案二实际上是对数字电位器X9313的端点电压进行扩展，间接地控制LM317的输出电压。
该方案虽然比较复杂，但是可以解决数字电位器能承受的端点电压较小的问题，同样能够很好地控制LM317，所以在本设计中采用这种方案。
数字电位器端点电压的扩展是通过同相放大器实现的，具体方法在第2章会详细介绍。
§1.3串口使用
为了实现使用计算机在线调整数字电位器X9313，本设计的方法是通过单片机串口和计算机进行通信。
通过RS-232电缆将单片机和计算机连接起来，实现计算机和单片机之间的数据传输。
设计时使用的单片机为宏晶科技公司的STC89C52，单片机下载软件为宏晶科技公司的STC-ISP。
软件视图如
图1-3所示。
图1-3STC-ISP下载软件
STC-ISP软件不仅可以进行单片机程序的烧录下载，还具有强大的串口调试功能。
利用软件内部的串口调试助手工具，可以方便地接收和发送来自串口的数据。
对数字电位器X9313的在线调整是通过串口实现的，具体方法如下：
⑴通过STC-ISP软件的串口调试助手工具向单片机发送数据。
⑵单片机接收到来自串口的数据后，对数据进行处理。
⑶单片机对数字电位器X9313进行调整。
图1-4串口调整X9313示意图
§1.41602液晶显示
设计中使用1602液晶显示LM317的输出电压值和X9313的阻值。
该部分设计完全由程序编程实现，具体程序详见第3章及附录。
第2章硬件设计
§2.151系列单片机
51系列单片机具有价格低廉、功能强大、体积小、性能稳定等优点，深受广大电子设计爱好者的喜爱。
单片机是现代电子设计中使用最广泛的电子元件。
而其中的51系列单片机是最早兴起的一类。
51系列单片机功能完备、指令系统丰富，发展的最为成熟。
本设计中采用宏晶科技公司的STC89C52单片机作为控制芯片。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
下面对设计中使用到的单片机组成部分进行简要介绍。
图2-1STC89C52单片机总控制电路
§2.1.1单片机串口
STC89C52单片机的串口是一个全双工的异步通信串行通信接口，它可作UART（通用异步接收和发送器）用，也可作同步移位寄存器用。
所谓全双工的异步串行通信接口，就是说该接口可以同时进行接收和发送数据，因为口内的接收缓冲器和发送缓冲器在物理上是隔离的，既是完全独立的。
本设计中计算机和单片机之间的通信就是通过串口完成。
在使用串口时要先进行串口的初始化操作，设置串口的波特率和工作方式。
初始化操作通过设置单片机的串行口控制寄存器（SCON）来完成。
表2-1串口工作方式
工作方式
特点
波特率
方式0
8位移位寄存器
晶振频率/12
方式1
10位UART
可变
方式2
11位UART
晶振频率/64或晶振频率/32
方式3
11位UART
可变
设计时为了方便使用计算机串口调试软件，选择串口工作在方式1。
由表2-1所示，方式1时发送的每一帧信息为10位：
1位起始位、8位数据位和1位停止位。
方式1的数据传输波特率由定时器/计数器T1和T2的溢出率和SMOD（PCON.7）决定，可由程序设定。
使用T1时设置波特率时一般让其工作于方式2：
此时定时器T1工作于一个8位可重装的方式，用TL1计数，用TH1装初值。
这就避免了软件上的重复装载初值，提高串口工作的稳定性。
§2.1.2定时器/计数器
定时器/计数器是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，对减轻CPU的负担和简化外围电路都有很大好处。
STC89C52单片机中包含有3个16位的定时器/计数器：
定时器/计数器T0、定时器/计数器T1和定时器/计数器T2。
由于本设计中仅使用T0或T1即可，因此只对T0、T1作简要介绍。
定时器/计数器T0和T1的使用非常方便，通过软件设置其特殊功能寄存器（TMOD）和控制寄存器（TCON）即可。
表2-2定时器/计数器T0、T1工作方式
工作方式
计数器配置
方式0
13位计数器
方式1
16位计数器
方式2
自动再装入的8位计数器
方式3
T0分为两个8位计数器，T1作为波特率发生器
§2.1.3并行I/O接口
STC89C52单片机共有4个8位的并行双向口，计有32根输入输出（I/O）口线。
其中P0口是真正双向口（作输出使用时须接上拉电阻），P1、P2和P3为准双向口。
它们之间的比较见表2-3。
表2-3STC89C52单片机并行I/O接口的比较
I/0口
性质
驱动能力
替代功能
P0口
真正双向口
8个TTL负载
程序存储器、片外数据存储器低8位地址及8位数据
P1口
准双向口
4个TTL负载
CTC2:
T2、T2EX
P2口
准双向口
4个TTL负载
程序存储器、片外数据存储器高8位地址
P3口
准双向口
4个TTL负载
串行口：
RXD、TXD，外部中断，片外数据存储器，CTC0、1:
T0、T1
§2.2三端稳压器LM317
LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围为1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安得电流。
此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。
此外还使用内部限流、热关断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。
LM317可服务于多种应用场合，包括局部稳压、壳上稳压。
该器件还可以用来制做一种可编程的输出稳压器，或者，通过在调整点和输出之间接一个固定电阻，LM317可用作一种精密整流器。
§2.2.1LM317特性
•输出电流超过1.5安
•输出电压在1.2伏到37伏之间可调节
•内部热过载保护
•不随温度变化的内部短路电流限制
•输出晶体管安全工作区补偿
•对高压应用孚空工作
•表面贴装D2PAK形式，和标准3引脚晶体管封装
•避免置备多种固定电压
§2.2.2LM317应用
LM317的的典型应用电路如图2-2所示。
取样电阻由R1、R2构成，其中电阻R1在应用中一般取值为240Ω。
实际使用时调节电阻R1即可实现对输出电压的调节。
输出电压的计算公式为：
Vo＝1.25·（1＋R2/R1）+Iadj·R2
因为调节电流Iadj控制在小于100uA，所以公式中后一项的误差在多数应用中可忽略。
一般应用中输出电压可用下式计算：
Vo＝1.25·（1＋R2/R1）
仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。
然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。
首先LM317的输出电压变化范围在1.2伏到37伏之间，所以R2/R1的比值范围只能是0到28.6之间。
其次是LM317都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。
最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。
由于生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。
图2-2LM317的的典型应用电路
注：
当稳压器离电源滤波器有一定距离时Cin是必需的。
Co对稳定性而言不必要，但是能够改进瞬态响应。
本设计中为了便于测试以及考虑到安全因素，LM317的输入电压设定为12伏。
这时其输出电压范围在1.2伏到10.8伏之间。
R1阻值固定为240Ω，R2的作用由数字电位器和运放组合实现，在下面的章节会详细介绍。
§2.3集成运放LM324
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
由于LM324具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用于各种电子电路中。
§2.3.1LM324特性
•短路保护输出
•真差动输入级
•可单电源工作：
3V-32V
•低偏置电流：
最大100nA
•具有内部补偿的功能。
•共模范围扩展到负电源
•输入端具有静电保护功能
§2.3.2LM324应用
本设计中要使用同相放大器放大数字电位器X9313的滑动端电压，因此设计时将LM324中的集成运放接成同相放大器的形式。
同相放大器电路如图2-3所示。
图2-3同相放大器
图2-3所示电路为由集成运放构成的同相放大器，其特点是输入信号加在同相输入端，而反馈信号加在反相输入端。
放大器的增益为：
Avf=1+R2/R1
设计中将电阻R1置为某一固定值，为了便于调节增益大小R2处使用可变电阻器。
这样调节R2的大小即可改变R2与R1的比例关系，进而实现对同相放大器增益的调节。
LM324采用单电源供电，电压为12伏。
这样在同相放大器的输出端可以得到0到10.7伏之间的可调电压。
设计中同相放大器的用途是用来放大数字电位器X9313的滑动端电压，R2和R1的具体取值以及同相放大器在电路中具体作用将在下面的章节进行详细介绍。
§2.4数字电位器X9313
电位器广泛应用于音量调节、频率调谐、测量量程换档等多种领域,为了便于和数字电路匹配,电位器需要由原来的机械式向数字式方面发展,Xicor公司推出的X9313系列电位器正是为迎合这一市场需求而专门设计的。
目前数字电位器还不能和机械电位器一样连续可调,它的阻值的变化是阶梯式,是增量式变化,台阶数越多,则阻值变化的台阶就愈小,调整的灵敏度就愈高。
但是台阶数愈多,内部的开关管也就越多,电路就越复杂,价格也就随之提高。
因此,这就需要用户在台阶数和价格之间作出权衡。
§2.4.1X9313工作原理
X9313系列为32阶数字电位器,最大阻值有1kΩ、10kΩ、50kΩ、100kΩ四种,具体情况见表2-4。
X9313采用8脚封装,管脚排列如图2-4所示。
表2-4X9313系列数字电位器
器件型号
最大电阻
滑动端增量
最小电阻
X9313Z
1KΩ
32.3Ω
40Ω
X9313W
10KΩ
323Ω
40Ω
X9313U
50KΩ
2381Ω
40Ω
X9313T
100KΩ
3226Ω
40Ω
图2-4X9313引脚
X9313的内部框图如图2-5所示。
它由输入部分、非挥发存贮器和电阻阵列3大部分组成。
输入部分的工作就象一个升降计数器,升/降计数器的输出经过译码去控制接通某个电子开关,这样就把电阻阵列上的一个点连接到滑动输出端。
电阻阵列是由32个等值的电阻和与之配合工作的电子开关组成。
根据控制端的电平,计数器的内容还可以贮存到非挥发存贮器中以便以后使用。
图2-5X9313功能方框图
电位器的两个顶脚引线接为VH和VL,中间抽头为VW。
INC、U/D和CS为三个控制端,各引脚的功能如表2-5所列。
CS为电选端,CS为低电平时,X9313被选中,此时,才能接收U/D和INC的信号。
INC在一个脉冲的下降沿使计数器的值增减1（视U/D电平而定）。
如果U/D=1时,则滑动端向VH方向滑动,VW与VH之间的电阻减小一个台阶值,反之,如果U/D=0时,滑动端向VL方向滑动。
计数器的输出译码后,经过32选1,使滑动端的位置沿电阻阵列移动。
当计数器达到某个极端（00000或11111）时,不会循环回复,从00000自动变成11111,或从11111变成00000,也就是说当CS为高电平而INC也是高电平时,计数器的值被贮存到非挥发存贮器中,系统上电时,芯片自动将非挥发存贮器中的值送到计数器,作为计数器的输出。
具体控制参见表2-5,工作模式参见表2-6。
表2-5X9313引脚说明
引脚
名称
功能
1
INC
“增加”输入端。
INC输入端是负边沿触发。
触发INC将使滑动端向计数器增加减少的方向移动,移动的方向由U/D端输入的逻辑电平决定
2
U/D
升/降输入端。
U/D输入控制滑动端移动的方向,而控制计数器是增加或是减少
3
6
VH
VL
高电压端及低电压端。
X9313的高（VH）和低（VL）从电压端等效于一个机械电位器的固定端。
其最小电压是-5V而最大电压是+5V
4
Vss
地
5
Vw
滑动端。
Vw是一个滑动端,相当于机械电位器的可移动端。
滑动端在电阻阵列中的位置由控制输入端决定
7
CS
片选输入端。
当CS端输入为低时器件被选中
8
Vcc
电源电压
表2-6X9313工作模式
CS
INC
U/D
工作模式
0
↘
1
滑动端向上移动
0
↘
0
滑动端向下移动
↗
1
×
储存当前滑动端的位置
1
×
×
待机模式
↗
0
×
不存储，退回到待机模式
§2.4.2X9313应用
目前所有的数字电位器的端点所能够承受的电流都不会很大，一般只有1-3mA，能承受的电压也不高（一般在-5-+5伏，或是0-15伏之间），这使其在应用上受到了限制，为此，设计时应进行扩展。
在本设计中同样不能直接使用X9313控制LM317的调节端。
本设计需要扩展X9313的端点电压，扩展方案是先将X9313接成一个0到5伏可调的电位器，然后用LM324接成的同相放大器对电位器滑动端的可调电压进行放大，最后将放大后的电压送到LM317的调节端。
用这种方法可以实现对X9
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