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1、基于单片机的直流电源设计 摘要：该设计利用STC89C52单片机作为主控器，通过按键来控制输出电压，设计步进为0.1V，输出电压范围为0V12V，但由于硬件芯片存在漏电流的影响，做实物时输出电压范围调整为2.4V12V，由LCD1602显示电压设定值。由单片机程控设定数字信号通过 D/A 转换芯片TLC5615输出模拟量， 经运放放大再滤波之后输出。关键词：51单片机；TLC5615；电源AbstractThe design with STC89C52 microcontroller as the main control unit, the key to control the output
2、 voltage, design step 0.1V, the output voltage range of 0V - 12V, but due to the influence of the leakage current hardware chip, do real output voltage adjustment range is 2.4V - 12V, by the LCD1602 display voltage set value. By the single-chip programmable set digital signal through D / A conversio
3、n chip TLC5615 output analog, the op amp amplification and filtering the output.Key words: 51 MCU; TLC5615; Power Supply目录一：引言- 1 -二：硬件系统设计- 2 -2.1：功能要求- 2 -2.2：系统框图- 2 -2.3：输入电源模块的设计- 3 -2.4：参考电压模块的设计- 3 -2.5：单片机电路的设计- 4 -2.6：显示模块设计- 4 -2.7：按键模块设计- 5 -2.8：D/A转换模块的设计- 6 -2.9：信号放大电路和串联稳压电路的设计- 6 -2.1
4、0：硬件制作- 7 -三：主要元件介绍- 9 -3.1：STC89C52单片机- 9 -3.2：LCD1602- 10 -3.3：TLC5615- 11 -3.4：LM358- 13 -四：proteus仿真- 14 -4.1：proteus软件简介- 14 -4.2：仿真图绘制及仿真- 14 -五：软件设计- 15 -5.1：Keil uVision3软件简介- 15 -5.2：程序设计- 16 -六：故障排除- 17 -七：测试- 19 -八：课程设计小节- 19 -九：附件- 20 -附件一：源程序- 20 -附件二：仿真图- 23 -附件三：原理图- 24 -附件四：PCB图- 24
5、-一：引言电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年
6、代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面
7、，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。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
8、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进行远程操作。5) 系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不同于模拟器件那样存在差异，因此，数控电源的一致性很好。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
9、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。二：硬件系统设计2.1：功能要求设计一个数字控制电压源，利用按键来控制输出电压，要求输出电压为0V-12V，步进0.1V，并用LCD显示出来。2.2：系统框图根据题目和设计的要求，设计了如图2-1所示的系统框图。该系统硬件电路主要是由电源模块、按键控制模块、显示模块、单片机模块、调整稳压模块所构成。图2-1此设计通过按键与单片机的I/O口相连，单片机读入控制数
10、据，根据软件对其进行判断，从而能够起到控制输出电压的作用，每按一次按键以0.1V为步进增加或减小输出电压，输出电压的范围是012V。并利用LCD1602显示预设的输出电压，实现简单的人机交换。2.3：输入电源模块的设计220V的交流电通过变压器变成12V的交流电。由于桥式整流输出端的电压与其输入端的交流电压约1.2倍的关系，所以12V的交流电经过整流滤波后变成约14.4V左右的直流电源，这个直流电源主要是供LM358工作的。同时该直流电源再经过LM7805转换为5V的电源，供单片机芯片、显示模块、D/A转换 模块等正常工作。电源模块原理图如图2-2所示。图2-22.4：参考电压模块的设计在本电
11、路中需要参考电压的大小为2.5V，电路如图2-3所示。其中R12是限流电阻，主要是为了保证TL431正常的工作电流，TL431正常工作电流是1mA到100mA,R12的选取主要是保证留过TL431的电流在其可接收的范围内。C3是滤波电容，减小输出噪声。图2-32.5：单片机电路的设计本设计采用STC89C52单片机，其电路如图2-4所示。其中单片机的18、19号引脚与晶振和电容相连构成晶振电路。单片机的的9号引脚与按键S9相连，构成复位电路。单片机的所有引脚都用排针引出，用来外接器件。P0口的4、5、6、7号引脚分别LCD1602的数据线D4D7相连，P0口0、1号脚与LCD1602的控制端R
12、S、EN相连。在单片机工作的时候，对他们进行相应的控制，以驱动LCD1602显示。图2-42.6：显示模块设计该显示模块采用了LCD1602来显示预设的输出电压，其电路如图2-5所示。数据线D0D3接地，D4D7与单片机的P0口的4、5、6、7号引脚相连，控制端RS、EN分别于单片机的P0口的0、1号引脚相连，而RW接地。排阻用来作上拉电阻。通过电位器，可以改变液晶显示的亮度。图2-52.7：按键模块设计本设计采用了5个（多余3个未使用）按键来控制输出电压，其电路如图2-6所示。这5个按键分别用杜邦线与单片机的P1口号0、1、2、3、4号引脚相连。其中P1.0是用来控制输出电压的增0.1V，P
13、1.1是用来控制输出电压的减0.1V，P1.2是用来控制输出电压为0V，P1.3是用来控制输出电压5V，P3.5是用来控制输出电压为12V。图2-62.8：D/A转换模块的设计本模块以TLC5615芯片为核心，通过单片机控制，将数字量转换成模拟量，电路如图2-7所示。考虑到设计的要求是输出电压步进0.1V，电压范围012V。按设计要求可知，需要级数为120，若采用10位D/A芯片，其变化量为210=1024可以实现。TLC5615是德州仪器生产的10位D/A转换芯片。芯片的1、2、3号脚通过杜邦线与单片机相连。图2-72.9：信号放大电路和串联稳压电路的设计模块以LM358为核心，采用了同相比
14、例运算放大电路，通过对D/A转换芯片输出电压的放大使其满足设计要求。本设计的串联稳压电路如图2-8所示，电位器R16可以调节放大倍数，在系统的软件设计中，使得输出电压最大值为12V。图2-82.10：硬件制作为了布线和使用的方便性，将整个系统分成两个模块，模块一有：单片机电路、按键模块和显示模块；模块二有：电源模块、D/A转换模块、参考电压模块、信号放大电路和串联稳压电路。模块一的电源由模块二上的电源输出。模块一的PCB图及实物图分别如图2-9和2-10所示。模块二的PCB图及实物图分别如图2-11和2-12所示。图2-9图2-10图2-11图2-12三：主要元件介绍3.1：STC89C52单
15、片机STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52的引脚分布图和实物图分别如图3-1和图3-2所示。图3-1
