完整版基于单片机的可调电源毕业设计论文.docx
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完整版基于单片机的可调电源毕业设计论文
信息与控制工程学院硬件课程设计说明书
基于单片机的可调电源设计
学生学号：
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
讲师
起止日期：
2015.3.16～2005.4.3
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
课程设计任务书
一、设计题目：
基于单片机的可调电源设计
二、设计目的
1．掌握STC89C52单片机最小系统及接口电路的设计；
2．掌握单片机的编程方法；
3．熟练利用KEIL软件进行软件仿真编程及程序下载的方法；
4．掌握可调电源设计的原理，AD转换电路的原理及方法以及显示电路和AC到DC硬件电路设计的方法。
三、设计任务及要求
设计可调电源，通过单片机可以知道可调电源的电压值。
可调电源具有以下基本功能：
1．具有实时显示电源值；2．要求误差在5%之内；
四、设计时间及进度安排
设计时间共两周（2015.03.16～2015.04.03）,具体安排如下表：
周安排
设计内容
设计时间
第一周
了解可调电源设计的原理，设计单片机最小系统和外围电路的原理图，学习单片机开发软件的使用。
2015.03.16
～
2015.03.20
第二周
按照原理图焊接电路板，学习单片机对各模块的编程驱动方法以及掌握利用keil进行编程，学习对单片机编程调试和整合方法。
2015.03.23
～
2015.03.27
第三周
软件下载并调试程序实现系统的基本功能。
完成并提交硬件设计作及硬件课程设计说明书，课程设计答辩。
2015.03.30
～
2015.04.03
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师（签字）:
目录
课程设计任务书I
第1章绪论-1-
1.1直流稳压电源的研究目的及意义-1-
1.2国内外发展状况-1-
1.3研究方法及整体设计思路-2-
第2章设计任务及要求-3-
2.1课程设计的目的-3-
2.2课程设计任务及要求-3-
第3章设计原理-4-
3.1稳压电源基本原理-4-
3.2稳压电路设计方案-4-
第4章系统硬件设计-6-
4.1单片机AT89S52-6-
4.1.1AT89S52介绍-6-
4.1.2AT89S52功能-7-
4.1.3AT89S52管脚说明-8-
4.2稳压调节模块-9-
4.3AD转换电路模块-10-
4.4串口通信模块-11-
4.4.1串行通信-11-
4.4.2MAX232发送接收器-11-
4.4.3串口通信接口设计-11-
4.4.4MAX232简介-12-
第5章软件程序设计-14-
5.1KEIL于PROTEL99介绍-14-
5.1.1KEIL简介-14-
5.1.2Protel99简介-15-
5.2数字部分电路PCB设计-17-
结论-19-
参考文献-20-
附录一可调电源原理图-21-
附录二C语言程序-22-
第1章绪论
1.1直流稳压电源的研究目的及意义
现代科学技术的迅速发展，电源扮演了非常重要的作用。
电源技术现已成为一门实践性很强的工程技术，其中以数控电源技术为代表。
服务于各类电子行业，并随着计算机和通信技术的发展，而转变成信息技术革命，给这方面技术的发展提供了广阔的前景，同时对电源也有了更高的要求。
而现在数控电源的普遍使用，普通电源在一般工作时产生的误差，会影响整个系统的准确性。
由于电源在使用时可能会造成很多的影响，因此电源数字化控制已成为人们现在追求的目标，它将会给人们带来很多便利，其中数字直流稳压电源是一个很好的例子，人们对它也有了越来越高的要求。
相对于我们学生而言，大学实验过程中，一个稳定可调的直流电源供应器在很大程度上为我们的设计和研究提供了一些方便。
由于传统直流电源输出电压是通过粗调波段开关以及细调电位器所调节的，且由电压表显示其电压值大小。
这种直流稳压电压读存在数不是非常直观、易磨损、稳压精准度不高，不太容易调准、且电路构成相对比较复杂、体积比较大等一系列缺点，而基于单片机控制的数字直流可调稳压电源可以较好解决上面的问题。
本次课题设计将采用AT89S52单片机作为主要的控制核心，与其他组件和外围电路搭配，设计一个数字可调直流稳压电源。
输出值和显示可以设置输出电压，也有大量的功能，如存储。
通过系统的总体设计，我们的开发人员可以更深入地熟悉单片机原理，和一些外围电路的扩展，这对我们C语言的硬件编程能力将有大幅度的提高。
1.2国内外发展状况
电力电子技术现已经成为一门完整和独立的高科技技术，而数字直流电源从80年代开始真正发展起来，在此期间系统的电子电力理论开始慢慢建立起来。
现在电源主要为信息技术产业服务，它的发展对电源技术也有了更高的要求，从而对电源技术的发展起到了很好的推动作用，两者相互结合，从而也有了现在信息产业和电源产业的快速发展。
到目前为止，电源已然成为了当今世界非常重要的基础科技产业，并且在和行业应用中发展广泛，从平时生活到最高端的科学都离不开电源技术的参与和支持，高频率、高效率、密度高、低电压、高电流和多元化已成为其主要的发展趋势。
目前国内外电源产业中，比如各种线性稳压电源、通讯用的ACDC开关电源、DCDC开关电源、交流变频调速电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、正弦波逆变电源、风光互补型电源等已慢慢占据世界主导地位。
像产品价格、性能指标、品牌效应及使用寿命一直是用户比较关心的问题。
从而促使国内外电源生产商向电源的应用技术数字化、硬件结构模块化、产品性能绿色节能环保以及智能化的方向发展。
1.3研究方法及整体设计思路
此次设计从选题我目的就很明确，当设计课题确定下来以后，我通过四年所学专业知识的运用和积极查阅各种相关资料。
首先针对题目所提出的各种要求，对整个设计思路进行规划，然后对方案设计的可行性进行反复的分析论证，最终敲定最后的设计方案。
之后，查阅参考相关资料进行硬件电路各模块的设计，同时对软件模块也逐一设计，再进行不断的检测，编译，将正确的代码下载到硬件电路当中，最后对系统一步步不断调试，通过最后不断的修改来完善整个系统。
第2章设计任务及要求
2.1课程设计的目的
课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。
通过课程设计学生使学生获得以下几方面能力，为毕业设计奠定基础。
1.进一步巩固和加深学生所学一门或几门相关专业课（或专业基础课）理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅、报告撰写等基本技能；
2.培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；
3.培养学生的团队协作精神、创新意识，严肃认真的治学态度和严谨求实的工作作风。
2.2课程设计任务及要求
设计可调电源，通过单片机可以知道电源的电压值。
可调电源具有以下基本功能：
1.具有实时显示电源值；
2.要求误差在5%之内；
第3章设计原理
3.1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。
图3.1直流稳压电源框图
3.2稳压电路设计方案
方案一：
采用LM78XX系列三端稳压器稳压，电路如图2.2
图3.2三端稳压器稳压电路
方案二：
采用LM317系列可调三端稳压器稳压，电路如图2.3
图3.3可调三端稳压器稳压电路
方案一与方案二都可实现稳定的电压输出，而且电路结构简单，但方案一电压输出固定，方案二虽然电压可调但很难实现步进调节。
因此系统最终的选择方案一。
第4章系统硬件设计
4.1单片机AT89S52
AT89S52是低功耗、高性能CMOS8位的微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，和工业80C51产品指令和引脚完全相容。
片上的Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程器。
而在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
4.1.1AT89S52介绍
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。
运算器电路
运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。
控制器电路
控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。
控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。
定时器计数器
MCS－52单片机片内有两个16位的定时计数器，即定时器0和定时器1。
它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。
存储器
MCS－52系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。
并行IO口
MCS－52单片机共有4个8位的IO口（P0、P1、P2和P3），每一条IO线都能独立地用作输入或输出。
P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。
串行IO口
MCS－521单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。
中断控制系统
8051共有5个中断源，即外中断2个，定时计数中断2个，串行中断1个。
时钟电路
MCS－52芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz～12MHz，典型取值为6MHz。
总线
以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。
系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。
选用单片机的结构：
1 一个8位算术逻辑单元
2 32个IO口4组8位端口可单独寻址
3 两个16位定时计数器
4 全双工串行通信
5 6个中断源两个中断优先级
6 128字节内置RAM
7 独立的64K字节可寻址数据和代码区
每个8051处理周期包括12个振荡周期每12个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12取倒数然后指令执行所须的周期数因此如果你的系统时钟是11.059MHz除以12后就得到了每秒执行的指令个数为921583条指令取倒数将得到每条指令所须的时间1.085ms。
4.1.2AT89S52功能
AT89S52具有以下标准功能：
1、与MCS-51单片机产品兼容；
2、8K字节在系统可编程Flash存储器；
3、1000次擦写周期；
4、全静态操作：
0Hz～33Hz；
5、三级加密程序存储器；
6、32个可编程IO口线；
7、三个16位定时器计数器；
8、八个中断源；
9、全双工UART串行通道；
10、低功耗空闲和掉电模式；
11、掉电后中断可唤醒；
12、看门狗定时器；
13、双数据指针；
14、掉电标识符。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
其引脚结构如图4.1
图4.1AT89S52引脚结构
4.1.3AT89S52管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向IO口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向IO口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向IO口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向IO口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
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。
ALEPROG：
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16。
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。
EAVPP：
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。
4.2稳压调节模块
LM117LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。
LM117LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM117LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
LM117LM317能够有许多特殊的用法。
比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM117LM317的极限就行。
当然还要避免输出端短路。
还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
LM317工作原理：
LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.V，电流1.5A。
不过在用的时候要注意功耗问题，注意散热问题。
LM317有三个引脚，一个输入一个输出一个电压调节。
输入引脚输入正电压,输出引脚接负载,电压调节引脚一个引脚接电阻（200左右）在输出引脚,另一个接可调电阻（几K）接于地.输入和输出引脚对地要接滤波电容。
LM317特性简介：
可调整输出电压低到1.2V。
保证1.5A输出电流。
典型线性调整率0.01%。
典型负载调整率0.1%。
80dB纹波抑制比。
输出短路保护。
过流、过热保护。
调整管安全工作区保护。
标准三端晶体管封装。
图4.2LM317流程图
4.3AD转换电路模块
PCF8591的简介
PCF8591是一个简单集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I^2C总线接口。
PCF8591的3个地址引线A0，A1,和A2可用于硬件地址编程，允许在同一个I^2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I^2C总线以串行的方式进行传输。
PCF8591的特性：
（1）单独供电
（2）PCF8591的操作电压范围2.5V-6V
（3）低待机电流
（4）通过I^2C总线串行输入输出
（5）PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址
（6）PCF8591的采样率由I^2C总线速率决定
（7）4个模拟输入可编程为单端型或差分输入
（8）自动增量频道选择
（9）PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD
（10）PCF8591内置跟踪保持电路
（11）8-bit逐次逼近AD转换器
（12）通过1路模拟输出实现DAC增益
图4.2AD接口电路和LM317稳压电路
4.4串口通信模块
4.4.1串行通信
串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输实在单根数据线上，以每次一个二进制位移动。
串行通信分为异步通信和同步通信方式，而异步通信方式是比较常用的传送方式。
在异步通信方式中，数据时一帧一帧传送和接收的，每帧的数据格式由一位起始位，5~8位数据位，一位奇偶校验位和一位停止位组成，在发送和接收端可以有各自的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟源彼此独立，互不同步，但必须与字符位数的波特率保持一致。
在PC机中一般有两个标准的RS-232C串行接口COM1和COM2，MSC-52单片机带有一个全双工串行接口：
TxD、RxD，通过编程可实现串行通信。
4.4.2MAX232发送接收器
MAXIM公司的MAX232接收发送器是为满足EIATIA-232E标准而设计的，具有低功耗，波特率高，单电源工作，外电路简单，接收器输出为TTLCOMS等优越性。
一片MAX232有两组发送接收通路，芯片内部有一个电源变压器，可以把输入的+5V电源变换为RS-232C输出电平所需的正负十伏电压，MAX232外围只要接5个容值为1uf的电解容和去耦电容。
4.4.3串口通信接口设计
MAX232可以用作单片机与单片机之间，单片机与PC机之间进行符合RS-232C串行标准的接口电路，MAX232具有驱动能力。
不需要外加驱动电路，因此只要将串行通信设备的发送、接收端与之相应的管教连接就可。
4.4.4MAX232简介
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
内部结构基本可分三个部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTLCMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTLCMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。
由于电脑串口rs232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0+5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIAEIA-232-F电平。
该器件符合TIAEIA-232-F标准，每一个接收器将TIAEIA-232-F电平转换成5-VTTLCMOS电平。
每一个发送器将TTLCMOS电平转换成TIAEIA-232-F电平。
主要特点：
1、单5V电源工作
2、LinBiCMOSTM工艺技术
3、两个驱动器及两个接收器
4、±30V输入电平
5、低电源电流：
典型值是8mA
6、符合甚至优于ANSI标准EIATIA-232-E及ITU推荐标准V.28
MAX232获得正负电源的方法在单片机控制系统中，我们时常要用到数模（DA）或者模数（AD）变换以及其它的模拟接口电路，这里面要经常用到正负电源，例如：
9V,-9V;12V,-12V.这些电源仅仅作为数字和模拟控制转换接口部件的小功率电源。
在控制板上，我们有的只是5V电源，可又有很多方法获得非5V电源。
1.外接；2.DC-DC变换......在这里我介绍一块大家常用的芯片：
MAX232.MAX232是TTL--RS232电平转换的典型芯片，按照芯片的推荐电路，取振荡电容为uF的时候，若输入为5V,输出可以达到-14V左右，输入为0V,输出可以达到14V,在扇出电流为20mA的时候，处处电压可以稳定在12V和-12V.因此，在功耗不是很大的情况下，可以将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用。
D保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V。
第5章软件程序设计
5.1KEIL和PROTEL99介绍
5.1.1KEIL简介
KeilC51是美国KeilSo
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