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1、基于单片机的智能稳压电源的设计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； 目录第一章 概述1 1.1 直流稳压电源的发展方向.1 1.2 国内发展现状.11.3 系统研究方向.2第二章 设计原理.32.1 设计原理.32.2 系统框图.4第三章 主要器件介绍53.1 AT89C51 简介.53.2 DAC0832 工作原理.63.3 数
2、码管显示原理.7第四章 硬件电路与数据测试.94.1 整流滤波、初步稳压.94.2 AT89C51 主控部分.104.3 数模转换 DAC0832.104.4 稳压部分.114.5 显示电路.114.6 数据测试与分析 .12第五章 软件设计.135.1 软件流程图.13结束语14参考文献15附录一16附录二18附录三19第一章 概述1. 1 直流稳压电源的发展方向1.1.1 智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表” 。智能仪
3、器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源” ，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点: 操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人机对话能力。智能化的直流
4、稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。网络管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，直流稳压电源通过 RS232 接口实现与上位 PC 机通信，从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数;网络技术人员可通过网络定时开关电源，实现远程开关机等功能。1.1.2 数字化在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电
5、路基础上的。但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。1.1.3 模块化电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化;其二是指电源单元的模块化。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技
6、术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作。 1.1.4 绿色化电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染，国际电工委员会(IEC 对此制定了一系列标准，如工 EC555, IEC917,IECI000 等。20 世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为 21 世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础7。1.2 国内发展现状在我国，以电力电子学为核
7、心技术的电源产业，从二十世纪 60 年代中期开始形成，到了 90 年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面， 电源产业规模的发展在加快;另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为 10
8、-15 年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.3 系统研究方向本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。智能化主要是指系统有可编程模块
9、可以对系统进行智能控制。数字化主要是指系统输出电压通过 7 段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。第二章 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
10、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 2.1 直流稳压电源框图2.1.2 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 2.2 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 2.3 可调三端稳压器稳压电路方案三：由运放组成的串联型稳压电源，电路如图 2.4图 2.4 串联型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。方案三既可实现稳定的电压输出，而且输出电压连续步进可调，
11、满足设计要求。在方案三中用到了运放、单片机、数模转换 DAC0832，这些器件都需要稳定的工作电压，因此系统最终的选择方案一与方案三相结合，采用方案一实现系统的工作电压，采用方案三实现系统稳压电源的连续步进可调8。3. 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 2.5 所示。图 2.5 系统框图AT89C51单 片 机按键控制电源电路DAC比较电路取样电路显示电路调整电路第三章 主要器件介绍3.1 AT89C51 简介本课题设计的直流稳压电源的核心控制器件选用 AT89C511。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Prog
12、rammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高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。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT8920C51 是他的精简版，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，引脚图如图 3.1。 图 3.1 AT89C51 引脚图AT89C51主要特性主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据
13、保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 +5VDAC0832VccILEVrefRfbIout1Iout2AGNDDGNDAVoutDI 7-0CSXFERWR1WR274LS3738051P0 P2.7P2.7WRALEGDI0DI78DAC8D/A 8 .&ILECS WR1 WR2 XFERLE1LE2Iout1Iout2VrefRfbAGNDDGNDVCC3.2 DAC0832工作原理直流稳压电源的数模转换采用通用芯片 DAC083
14、2。DAC0832 的原理框图如图 3.2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 3.2 DAC0832 原理框图当 WR2 和 XFER 同时有效时，8 位 DAC 寄存器端为高电平“1” ，此时 DAC 寄存器的输出端 Q 跟随输入端 D 也就是输入寄存器 Q 端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级 8 位输入寄存器 Q 端的状态则锁存到第二级 8 位 DAC 寄存器中，以便
