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毕业设计文档
毕业设计
题目:
数显开关电源多路负载监控平台
学院：
信息与电子工程学院
专业：
汽车电子技术
届别：
11级
学号：
1106010339
姓名：
黄国松
指导教师：
林龙森
填写日期：
年月日
毕业设计教师评语
学生成绩：
指导教师：
年月日
数显开关电源多路负载监控平台
[摘要]本次设计以单片机STC89C52为主控制器。
设计实现对负载电源、电器进行控制，该系统由主控电路板、电源变压电路板组成，运用电流检测放大器MAX4173和电阻分压把电源的电流、电压信号进行采集，加以处理。
在终端显示电压、电流值，即在主控电路板的显示部分LED数码管显示出来。
其中整个系统一共有两种工作模式即手动模式、自动模式。
关键字:
单片机STC89C52
第1章引言
随着电子产品的普及，电源的应用也越来越广泛。
它能够更好地控制电流的输入，延长电子产品的寿命。
现在社会发展趋势越来越智能化，电路的控制也更加精确。
人们对电子产品的需求也越来越苛刻。
电源的控制非常重要，要做到有效的省电，延长寿命，而且要辐射小，对身体的伤害减少。
试验中经常会对通话时间、电压、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，然而目前实验所用的直流稳压电源大多输出精度和稳定性不高；在测量上，传统的电源一般采用指针式或数码港来显示电压或电流，搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值；使用上若要调整精确电压输出，须搭配精确的显示仪器监测，又因电位器的阻值特性非线性，在调整时，需要花费一定的时间，况且还需要漂移，使用起来非常不方便。
因此，如果直流稳压电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，以精确的微机控制取代许多不精确的认为操作，在实验开始之前就对一些参数进行预设，这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。
因此，可谓直流稳压电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化、智能化、网络化。
第2章设计与分析
2.1整体框图
本次设计的监测平台控制电路，使用了STC89C52单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来控制监测的开始与关断，用一蜂鸣器来进行过流提醒，同时使用汇编语言程序来控制整个监测平台的电流、电压信号显示，使得编程变得更容易，这样通过四个模块：
电源变压电路、主机监测控制、蜂鸣器警报、LED数码管显示即可满足设计要求。
总设计整体框图如下所示：
2.2工作原理
首先在信号检测点运用电流检测放大器MAX4173和电阻分压对电源输入的电压、电流信号进行采集。
通过数模转换电路ADS7862把采集来的数据进行处理。
主机控制装置接收检测点发送的数据同时通过数码管将数据显示出来并且主机控制电路将接收的数据与设定的负载能够承受的阈值进行比较，如果超出阈值主机控制装置立即发出指令关断支路负载电源，对负载起到检测与保护作用。
2.3设计指标
2.3.1基本指标
电源部分：
1.输入220V交流电；
2.输出:
5A，电压可调；
3.负载调整率<=4%；
4.输出隔离；
监控部分：
1.数码管显示；
2.监测输出电压，精度0.1V；
3.对电源电压数控调节；
2.3.2发挥部分
（1）监控电路能根据设定的负载承受阈值进行比较并实时监控负载电源输入信号的变化，主机控制电路发出是否切断电源输入指令。
（2）开关电源部分能根据所需的电压值进行稳压。
（3）能监测至少3路输出负载电流，1路输出负载电压。
第3章方案论证与比较
3.1电源变压整流电路
该设计需要采用直流5V的电源输入，然而家用电源是交流220V。
因此，需要对电源进行整流变压。
3.1.1采用变压器变压整流方案
将家用交流电220V通过绕组变压器降压至5V交流电，输出的交流电经过分立元件或整流器整流为直流电，作为主机控制电路的电源输入。
如图所示。
3.1.2采用UC3842开关电源方案
将变压器变压经过分立元件或者整流器整流后的电压输出通过光藕元件PC817的调节作用反馈到UC3842，通过UC3842的内部调节，最后达到一个动态稳定的电源输出，作为主机控制电路的电源输入。
如图所示。
对比电源变压整流电路的两个方案：
（1）采用变压器变压整流方案：
变压器在工作过程中，由于本身结构和特点的限制，运行中线圈发热严重，导致内电阻的变化影响输出电压并且损耗大。
使得输出电压不稳定，影响主机控制部分的正常工作。
（2）采用UC3842开关电源方案：
工作过程是，光藕元件PC817受输出电压的影响，当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通。
光敏晶体管的导通程度不同，输出的电压或电流也随之不同，产生光电流从输出端输出反馈到UC3842，通过UC3842的内部调节调整输出电压，从而控制动态稳定的电压输出。
因此，采用UC3842开关电源方案更符合设计要求，既满足主机控制电路的稳定电源输入又不会影响整个设计电路的工作性能。
工作过程中，电源供给部分不会因为变压器发热而对输出电压产生影响，是一个较为理想的电源供给电路。
3.2电源稳压电路
由于输入电压U1发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压U1会随着变化。
因此，为了维持输出电压U1稳定不变，还需加一级稳压电路。
稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。
监测平台主机控制电路对电源输入要求较高，需要一个稳定电源输出作为其供给电源。
因此，需要对电源电路进行稳压，才能保证监测平台主机控制的可靠性、稳定性和保证整体电路的安全性。
3.2.1采用并联型稳压电源方案
并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大。
3.2.2采用串联型稳压电源方案
并联稳压电源有效率低，输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。
而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联稳压电源。
而简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，必须对简易稳压电源进行改进，增加一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。
由于整个控制过程是一个负反馈过程，所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。
综合考虑效率，输出功率，输入输出电压，负载调整率，纹波系数，本设计选用方案二，要求较低，因而较易实现。
对于效率和纹波的要求可以通过仔细调整磁性元件的参数（L,Q,M等）使其工作在最佳状态，所以我在选择方案的时候考虑到电路要简单，元件要容易找，还有在电路设计的时候避免遇到某些不必要的问题，所以我选择了上述方案中的第二个方案。
稳压电路部分可以采用三极管等分立元件来实现，也可以采用集成三端集成稳压芯片。
从性价比来说，采用三端集成稳压芯片来实现要好很多，现在的稳压芯片功能强大，且价格低廉，很适合我们此次的设计。
3.3电源集成稳压芯片选择
电源稳压电路可以采用分立元件，例如电阻分压和加上一些必要的电容进行滤波。
但电路会显得复杂且由于元件工作时会受热导致性能、参数发生改变使得输出电压不易控制。
所以，稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。
选用集成稳压芯片使得设计电路简单、硬件制作方便，输出性能稳定等优点。
3.3.1采用7805三端稳压芯片
固定式三端稳压电源（7805）是由输出脚Vo，输入较Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V，它属于CW78xx系列稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳压性也比较好，只是采用的电容必须要比漏电流要小的电容，如果采用电解电容，则电容量要比其他的数值要增加10倍，但是它不可以调整输出的直流电源；所以此方案不易采用。
3.3.2采用LM2575稳压芯片
LM2575系列开关稳压集成电路的内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。
由此可见此稳压器的性能和稳压稳定度比上一个三端稳压芯片要好，所以此方案可选，电源稳压电路就选用LM2575稳压电路，也就是方案二。
3.4LED数字显示电路
对于实时检测负载输入信号变化的监控平台而言，显示显然是另一个重要的环节。
通过显示电路，可以实时了解、掌握负载输入信号的变化和获取使用者所需要的数据信息。
通常LED数码管显示有两种方式即动态显示和静态显示。
3.4.1采用LED动态显示方案
静态显示的优点是程序简单、显示亮度有保证、单片机CPU的开销小，节约CPU的工作时间。
但占有I/O口线多，每一个LED都要占有一个I/O口，硬件开销大，电路复杂。
需要几个LED就必须占有几个并行口，比较适用于LED数量较少的场合。
3.4.2采用LED动态显示方案
LED动态显示硬件连接简单，显示驱动电路简单，成本较低、功耗低，采用动态显示方式，功耗只有静态显示的1/5。
但动态扫描的显示方式需要占有CPU较多的时间，在单片机没有太多实时测控任务的情况下可以采用。
综合考虑硬件制作成本、能源消耗和电路工作性能等方面，LED动态显示方案更符合本次设计的要求。
所以，LED数字显示电路采用LED动态显示方案。
3.5主机控制电路
主机控制电路即单片机，作用是对负载输入的电压、电流信号进行监控。
将电压、电流信号通过主机处理后把数据显示在数码管上并且将数据与设定的负载可承受的阈值进行比较，主机判断是否关断电源并发出指令，从而避免负载因过压、过流引起的损坏。
因此，主机控制电路需要选用灵敏度高、可靠性高、使用方便、易于控制与软件编程的单片机。
3.5.1采用STC89C52单片机控制方案
STC89C52RC 单片机是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。
可多次烧写程序，使用方便，外围电路简单，软件程序易于编程。
且对硬件设计要求较易控制，可靠性高。
3.5.2采用过流、过压保护电路控制方案
过流保护用PTC热敏电阻是一种对异常温度及异常电流自动保护、自动恢复的保护元件，俗称"自复保险丝""万次保险丝"。
保护原理是：
当电路处于正常状态时，通过过流保护用PTC热敏电阻的电流小于额定电流，过流保护用PTC热敏电阻处于常态，阻值很小，不会影响被保护电路的正常工作。
当电路出现故障，电流大大超过额定电流时，过流保护用PTC热敏电阻陡然发热，呈高阻态，使电路处于相对"断开"状态，从而保护电路不受破坏。
当故障排除后，过流保护用PTC热敏电阻亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。
PTC热敏电阻器串联在电路中，正常工作时仅有一小部分电压保持在PTC热敏电阻器上，当PTC热敏电阻器启动呈高阻态时，必须承受几乎全部的电源电压，因此选择PTC热敏电阻器时，要有足够高的最大工作电压，同时还要考虑到电源电压可能产生的波动，为得到可靠的开关功能，动作电流至少要超过不动作电流的两倍并且外围电路较复杂。
因此，电路特性变化较快，受作用信号影响明显，速度慢、反应迟钝，对电路功能的实现不易控制，可靠性不高。
对比主机控制电路的两个方案，可以看出，采用STC89C52单片机控制方案可以对负载输入电源信号进行实时控制和数据掌握，电路工作特性和功能易于实现和控制并且电路比较简单，外围电路元件容易获得，设计预期功能较理想。
因此，本设计采用STC89C52单片机控制方案。
第4章硬件模块说明
4.1开关电源模块
设计的电源部分采用的是UC3842开关电源作为电源输出的调整核心。
UC3842是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF 和IGBT 等功率型半导体器件，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，广泛应用于计算机、显示器等系统电路中作开关电源驱动器件。
4.1.1开关电源模块的特点
（1）内含欠电压锁定电路
（2）低起动电流（典型值为0.12mA）
（3）稳定的内部基准电压源
（4）大电流推挽输出（驱动电流达1A）
（5）工作频率可到500kHz
（6）自动负反馈补偿电路
（7）双脉冲抑制
（8）较强的负载响应特性
4.1.2开关电源模块的接口说明
图4.1端口接线
管脚
名称
管脚功能
1
COMP
补偿
2
VFB
电压反馈
3
Isen
电路取样
4
RT/CT
定时
5
GND
地
6
OUT
电源输出
7
VCC
电源输入
8
Vref
基准电压
图4.2接口说明
①脚是误差放大器的输出端，外接阻容元件用于改善误差放大器的增益和频率特性；
②脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度；
③脚为电流检测输入端，当检测电压超过1V时缩小脉冲宽度使电源处于间歇工作状态；
④脚为定时端，内部振荡器的工作频率由外接的阻容时间常数决定，f=1.8/（RT×CT）；
⑤脚为公共地端；
⑥脚为推挽输出端，内部为图腾柱式，上升、下降时间仅为50ns驱动能力为±1A；
⑦脚是直流电源供电端，具有欠、过压锁定功能，芯片功耗为15mW；
⑧脚为5V基准电压输出端，有50mA的负载能力。
4.2稳压模块
稳压电路是一种能自动调整输出电压的供电电路或供电设备，作用是将波动较大和不合用电器设备要求的电源电压稳定在它的设定值范围内，使各种电路或电器设备能在额定工作电压下正常工作。
由于主机控制电路对电源电压的波动变化敏感，会影响主机控制电路运行工作的稳定性和安全性。
因此，需要对电源电压进行稳压。
本设计采用的稳压电路是集成芯片LM2575以及加上其外围所必要的电路组成。
4.2.1稳压模块的特点
（1）最大输出电流：
1A；
（2）最大输入电压：
45V；
（3）输出电压：
3.3V、5V、12V、ADJ（可调）；
（4）振荡频率：
54kHz；
（5）最大稳压误差：
4%；
（6）转换效率：
75%～88%（不同的电压输出的效率不同）；
（7）工作温度范围-55℃～+150℃；
4.2.2开关电源模块的接口说明
图4.1端口接线
管脚
名称
管脚功能
1
VIN
输入
2
OUT
输出
3
GND
公共端
4
FEED
反馈输入
5
ON/OFF
控制输入
（1）VIN：
未稳压电压输入端；
（2）OUTPUT：
开关电压输出，接电感及快恢复二极管；
（3）GND：
公共端；
（4）FEEDBACK：
反馈输入端；
（5）ON/OFF：
控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压电路停止。
4.3主机控制模块
主机控制模块是本设计的重点和核心，它对负载输入信号进行实时监控与处理，对输入信号大小进行比较并判断是否发出指令。
因此，主机控制模块采用的单片机是高性能、可靠性高、易于编程、低功耗的STC89C52单片机芯片。
4.3.1主机控制模块的特点
（1）工作电压，为2.3～5.5。
（2）STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
（3）片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；
（4）全静态工作,工作范围:
0Hz～24MHz；
（5）32位双向输入输出线；
（6）超强抗干扰，高抗静电（ESD保护）,宽电压,不怕电源抖动；
（7）宽温度范围,-40℃~85℃；
（8）超低功耗
4.3.2主机控制模块的接口说明
图4.1接口接线
管脚
名称
管脚功能
1-8
P1.0-P1.7
P1口8位双向端口
9
RST
芯片复位端口
10-17
P3.0-P3.7
P3口8位双向端口
18、19
XT1~XT2
外部晶振端口
20
Vss
地
21-28
P2.0-P2.7
P2口8位双向端口
29
/PSEN
外部ROM选通端口
30
ALE
地址锁存端口
31
/EA
内外ROM选端口
32-39
P0.0-P0.7
P0口8位双向端口
40
VCC
+5V电源
图4.2接口说明
1电源:
①VCC-芯片电源，接+5V；
②VSS-接地端；
2.时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3.控制线:
控制线共有4根：
ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
PSEN:
外ROM读选通信号。
RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
②VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源。
EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
①EA功能：
内外ROM选择端。
②Vpp功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
4.I/O口线：
P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地图1址。
由于是分时输出,故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存,信号用ALE。
P1口是专门供用户使用的I/O口,是准双向口。
P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时,P2口也可以作为用户I/O口线使用,P2口也是准双向口。
P3口是双功能口,该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
第5章硬件电路说明
5.1硬件框图
5.2电源变压整流电路
电源变压整流电路是对输入的220V交流电通过整流桥进行整流，将整流后的直流电采用耦合变压方式的变压器进行降压。
另外，再加上一些必要的电阻、电容以及其他电子器件对输出电压特性进行处理和修正，最后输出比较理想的电压波形，得到所需电压。
5.3开关电源电路
开关电源部分采用的是UC3842芯片以及加上一些必要的外围电路组成，7脚是电源输入端口，2脚是反馈电压输入端，此脚电压与误差放大器同相端的2.5V基准电压进行比较，产生误差电压，从而控制脉冲宽度。
8脚为5V基准电压输出端并且有50mA的负载能力。
6脚是输出电压，通过2脚的电压反馈调节控制使6脚输出电压变得稳定、冲击电流小，从而得到可靠的电压输出。
5.4电源稳压电路
由于主机控制电路—单片机对电压变化反应敏感。
因此，作为单片机的输入电源，对电源电压进行稳压是必不可少的环节。
电源稳压电路采用的是LM2575芯片和外围电路组成，LM2575最大输入电源可达45V，最大电流1A；输出电压可调，转换效率高，输出稳定，纹波特性好。
适合对电源要求较高的电路使用，因此，主机控制电路采用该稳压电源是最佳选择。
5.5模数转换电路
对于主机控制电路来说，模数转换电路是与其衔接的重要部分。
模数转换电路采用的是ADS7862芯片，该芯片位接口较多，满足负载多路控制。
其中，该芯片的高八位与单片机的P2口对接，低四位与单片机的P3口的低四位对接。
模拟信号只有四路输入即A0+、A1+、B0+、B1+。
通过模数电路，可以将负载输入的电源模拟信号，经过电流、电压检测放大器检测完以后，模拟信号转换为数字信号输入单片机。
单片机对数字信号进行处理与分析并作出反应。
5.6主机控制电路
主机控制电路采用的是STC89C52单片机。
P0端口与数显电路的LED数码管相连作为数码管显示的段选端口，八个LED指示灯与单片机的P0端口对接，键盘的五个按键与P0端口的低五位连接。
74HC138译码器与单片机P3端口的P3.5、P3.6、P3.7相连作为控制数码管的片选、LED指示灯与键盘的公共端以及蜂鸣器的选通。
第6章硬件制作与调试
6.1PCB板的设计
根据方案论证，制作的电路板有相似之处，所以PCB板的设计过程中首先画出一组电路板的PCB图，然后完成电路板的制作和调试。
接着是根据先画的PCB图做一定的修改：
（1）电源变压整流电路板和开关电源电路板按照原理图在同一张PCB图制作主机控制电路、模数转换电路、稳压电路画在另外一个PCB图在另外一块板制作，最后将两块板拼装起来。
（2）电源变压整流与开关电源电路板应注意高功率芯片的摆放位置，应该靠边缘，有利于散热器的安装。
元器件相互干扰较明显的要摆放一定的距离。
（3）电路板线路的设计要按照不同信号选用不同大小的规格。
例如，电源线路应该要宽，单片机外围信号线要窄。
（4）主控电路板相同器件尽量摆在相邻位置，有利于焊接和电路板的整体美观。
6.2电路板的制作
（1）铜板清洗时，切记把铜板表面脏物清洗干净。
以防铜板腐蚀时，不能正常腐蚀。
（2）铜板腐蚀时，切记不要过度腐蚀。
若电路板过度腐蚀，会导致电路板线路的开路。
（3）在打孔时，要全神贯注，否则容易将孔打歪，导致元器件难以安插。
如排针、40脚插槽等元器件。
（4）元器件焊接时，首先焊比较低的元器件，然后焊较高的元器件。
如最先焊跳线，然后焊电阻，最后焊像排针和电容等比较高的元器件。
（5）元器件焊接时，切记不要出现把元器件的正负极焊反和虚焊、少焊等焊问题。
6.3硬件电路的调试
6.3.1调试过程
（1）完成元器件的焊接之后，不要立即把单片机、开关电源UC3843芯片、等元器件插上。
先检查整个电路板的供电是否正常。
如单片机的供电为5V。
（2）若电路板的供电是正常的，则测试程序是否能正常的下载。
（3）若程序能正常下载，则进行下载、调试。
如下载运用液晶来显示电子时钟，并能使用按键来调整时间的程序。
检测电路板的复位电路是否正常以及电路板是否出现短路、开路等问题。
（4）完成电路板初级调试后，配合程序对电路板进行调试。
查看电路板的布局和单片机I/O口分配是否合理。
若有不合理，进行修改。
6.3.2调试数据记录
（a）
负载电压
5.47V
5.29V
5.30V
5.01V
5.05V
负载电流
0.86A
1.13A
1.62A
2.72A
2.53A
（b）
输入电压
负载电压
负载电流
198V
4.96V
2.23A
242A
4.96V
2.23A
6.3.3调试数据处理与分析
通过数据的记录，可以计算出电流负载调整率是4.8%，电压负载调整率为零。
然后再和电源技术参数对比后，也可得出我们所制作的电路还是相对比较成功的。
6.3.4调试截图记录
结论
该设计最终实现的功能是：
采集室内的温度、湿度和光照度信号，并在终
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