单片机的直流稳压电路设计
摘 要本文结合了大学所学的专业知识，设计了一款以STC89C51单片机以及LM2596直流稳压芯片作为核心元件的数控直流电源系统，实现了毕业设计预期所设定的各个指标，完成了大学学习生涯里的最后一门作业。本系统的主要特点是采用了模拟电路与数字电路相互配合的控制模式，通过模拟电路的高速特性以及数字电路的准确特性，将检测过程快速性以及输出结果高精度性等优点表现地淋漓尽致，另外本系统在成本、功耗以及使用稳定度上皆有很高的表现，不但如此，电路中的芯片全部采用了直插引脚封装，当出现损坏等情况时，能够快速地实现维修和更换等操作。经过了多次的实验验证以及电路改进，本系统表现出了很高的准确性和实用特点，适合推向未来的数控直流电源控制市场，能够大幅度降低目前数控直流电源系统的生产成本并且降低性价比大幅度提高。
目录
一、 引言 1
（一） 电压稳压技术的研究背景及意义 1
（二） 国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 系统主控芯片的选取 3
（二） STC89C51单片机简介 4
（三） LM2596直流稳压电源模块 5
（四） ADC0832型模数转换器 5
（五） LCD1602型液晶简介 6
（六） 有源蜂鸣器介绍 7
三、 硬件系统设计 8
（一） 数控直流电源硬件结构框图设计 8
（二） STC89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） LM2596直流稳压电源模块电路设计 9
（四） 输出电压检测电路设计 10
（五） 液晶电路设计 11
（六） 蜂鸣器电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 直流稳压器系统的软件工作流程设计 13
（二） 输出电压检测工作流程设计 13
（三） 液晶显示流程设计 14
五、 Proteus软件仿真 15
总 结 19
参考文献 20
致
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB图 23
附录三 元件列表 24
附录四 程序 25
引言
电压稳压技术的研究背景及意义
电压稳压技术是伴随着半导体技术的出现和发展而实现的，这种技术能够实现模拟电压值的快速测量并通过特定方式进行显示，并伴有一定的报警信号等常见功能，目前电压稳压技术已经形成了模拟电路检测以及数字电路检测两种大类，其中模拟电路检测具有检测速度快、响应时间短以及功耗低等显著特点，而数字电路检测具有检测清晰度高以及显示效果好等特点。最早的电压稳压技术得益于法拉第电磁感应效应的发现，当一定的电压流过导线时，导线周围将产生一定的磁感应效应，科学家通过对这种现象的应用，发明了能够实现对电磁感应的测量，这种测量方式也就是我们今天经常使用到的机械式电压表，机械式电压表中的表头是一种能够对电磁场做出迅速反应的一种机械结构，表头中的指针会随着磁场强度的不同大小发生不同角度的旋转，这种电压表由于不需要消耗任何电能，并且对被测电路不会产生任何影响，因此在将其推向市场后并经过不断的改进和优化，一直沿用至今。当半导体技术在二十世纪出现后，许多的测量技术已经能够很方便的通过电路来实现，这种测量电路由于只依靠半导体器件的连接来实现，因此在外观上比机械式测量表的体积要小得多，许多半导体公司对电子式电压测量技术进行了大量的研发并推出相关的产品，这些产品在进入市场后迅速赢得了用户的喜爱。这些被植入电子测量技术的系统在使用时能够呈现出比机械式电压表更好地显示效果，通过相应的数字技术，将LCD等液晶屏嵌入到电子式电压表中，不但能够对测量结果进行直接的显示，不但省去了在使用机械式电压表时读取测量结果的时间，并且还大大降低了认为误读因素等导致的错误测量结果率，因此电子式电压表在其发展过程中不断地将机械式电压表进行淘汰。目前电子式电压表的测量前端有两种主要方式，第一种是通过模拟电路来实现，将待测电压信号通过前端的衰减、放大、滤波、波形整形以及比较等处理，能够在很短的响应时间下快速得到测量数据，将测量数据传送到后端的数字处理模块进行显示以及报警等操作；第二种方法是通过高清晰度或者高速的A/D（模数转换器）来对待测电压进行采集，并将采集结果转换为相应位数的数字信号，传送到后续的单片机等控制芯片内，对采集结果进行解码、显示以及报警等处理，这种纯数字式的电压稳压技术相比模拟电路检测来说，响应时间较长并且系统的整体功耗高，然而近些年随着模数转换技术的不断发展，纯数字式电压稳压技术系统也在不断的得到发展和普及。
国内外发展现状
目前国内外对于电压稳压技术都有着广泛的研究，虽然对于直流电压以及低频信号电压已经有了非常完善的测量方法，但是对于高频以及甚高频的测量方法还不能得到普及，尽管ADI以及TI公司等都有推出其独特并且能够对射频信号电压进行检测的集成芯片，但是这些芯片的成本较为昂贵，还不能够实现在电压表中的普及，因此目前国内外的科研小组以及研究所对于高频电压的检测仍在不断地进行攻坚克难。目前国内外对于电压测量技术的实现上，所取得的现状主要表现在能够实现较高位数的测量结果，六位半的电压表造价已经大幅度降低，国外先进的电压表已经能够达到八位。
本文主要研究内容
本文从多个角度对直流稳压器控制系统进行了描述和展现，首先将这种系统的起源发展背景以及目前国内外企业、高校的研究成果现状进行了探讨和阐述，并分析研究了目前这种控制系统投入市场后所存在的普遍缺点；论文第二章紧接着对控制系统的总体结构框架进行了设计，选取了相应的元器件及模块，以便下文对软硬件系统进行设计；第三和第四两章着重对本次所设计的控制系统的硬件以及软件系统进行了设计，并对设计过程以及设计原理进行了详细描述；在软硬件系统都设计完毕后，论文第五章选用了Proteus 7.8仿真软件平台对控制系统在电脑上进行了模拟仿真，将实际控制系统所能表现出的功能现象通过电脑显示器显示出来。
1）构建51单片机最小系统，来作为控制系统的核心部分；
2）构建DCDC直流稳压电源模块，实现电压的稳定转换；
3）能够实现1~3.3V直流电压的稳定输出，最大输出电流可达到3A ；
4）具有报警功能，当输出电压超过报警电压时，单片机驱动蜂鸣器发出报警信号；
5）通过51单片机生成PWM波，以此来控制DCDC稳压模块的输出电压；
6）通过单片机实现对液晶屏的驱动；
方案选择及元器件介绍
系统主控芯片的选取
为了实现本文所有的设计指标，必须得对控制系统的主控器芯片进行一个全方位的考核，这不仅仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势，经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户，其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机，因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
目录
一、 引言 1
（一） 电压稳压技术的研究背景及意义 1
（二） 国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 系统主控芯片的选取 3
（二） STC89C51单片机简介 4
（三） LM2596直流稳压电源模块 5
（四） ADC0832型模数转换器 5
（五） LCD1602型液晶简介 6
（六） 有源蜂鸣器介绍 7
三、 硬件系统设计 8
（一） 数控直流电源硬件结构框图设计 8
（二） STC89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） LM2596直流稳压电源模块电路设计 9
（四） 输出电压检测电路设计 10
（五） 液晶电路设计 11
（六） 蜂鸣器电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 直流稳压器系统的软件工作流程设计 13
（二） 输出电压检测工作流程设计 13
（三） 液晶显示流程设计 14
五、 Proteus软件仿真 15
总 结 19
参考文献 20
致
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB图 23
附录三 元件列表 24
附录四 程序 25
引言
电压稳压技术的研究背景及意义
电压稳压技术是伴随着半导体技术的出现和发展而实现的，这种技术能够实现模拟电压值的快速测量并通过特定方式进行显示，并伴有一定的报警信号等常见功能，目前电压稳压技术已经形成了模拟电路检测以及数字电路检测两种大类，其中模拟电路检测具有检测速度快、响应时间短以及功耗低等显著特点，而数字电路检测具有检测清晰度高以及显示效果好等特点。最早的电压稳压技术得益于法拉第电磁感应效应的发现，当一定的电压流过导线时，导线周围将产生一定的磁感应效应，科学家通过对这种现象的应用，发明了能够实现对电磁感应的测量，这种测量方式也就是我们今天经常使用到的机械式电压表，机械式电压表中的表头是一种能够对电磁场做出迅速反应的一种机械结构，表头中的指针会随着磁场强度的不同大小发生不同角度的旋转，这种电压表由于不需要消耗任何电能，并且对被测电路不会产生任何影响，因此在将其推向市场后并经过不断的改进和优化，一直沿用至今。当半导体技术在二十世纪出现后，许多的测量技术已经能够很方便的通过电路来实现，这种测量电路由于只依靠半导体器件的连接来实现，因此在外观上比机械式测量表的体积要小得多，许多半导体公司对电子式电压测量技术进行了大量的研发并推出相关的产品，这些产品在进入市场后迅速赢得了用户的喜爱。这些被植入电子测量技术的系统在使用时能够呈现出比机械式电压表更好地显示效果，通过相应的数字技术，将LCD等液晶屏嵌入到电子式电压表中，不但能够对测量结果进行直接的显示，不但省去了在使用机械式电压表时读取测量结果的时间，并且还大大降低了认为误读因素等导致的错误测量结果率，因此电子式电压表在其发展过程中不断地将机械式电压表进行淘汰。目前电子式电压表的测量前端有两种主要方式，第一种是通过模拟电路来实现，将待测电压信号通过前端的衰减、放大、滤波、波形整形以及比较等处理，能够在很短的响应时间下快速得到测量数据，将测量数据传送到后端的数字处理模块进行显示以及报警等操作；第二种方法是通过高清晰度或者高速的A/D（模数转换器）来对待测电压进行采集，并将采集结果转换为相应位数的数字信号，传送到后续的单片机等控制芯片内，对采集结果进行解码、显示以及报警等处理，这种纯数字式的电压稳压技术相比模拟电路检测来说，响应时间较长并且系统的整体功耗高，然而近些年随着模数转换技术的不断发展，纯数字式电压稳压技术系统也在不断的得到发展和普及。
国内外发展现状
目前国内外对于电压稳压技术都有着广泛的研究，虽然对于直流电压以及低频信号电压已经有了非常完善的测量方法，但是对于高频以及甚高频的测量方法还不能得到普及，尽管ADI以及TI公司等都有推出其独特并且能够对射频信号电压进行检测的集成芯片，但是这些芯片的成本较为昂贵，还不能够实现在电压表中的普及，因此目前国内外的科研小组以及研究所对于高频电压的检测仍在不断地进行攻坚克难。目前国内外对于电压测量技术的实现上，所取得的现状主要表现在能够实现较高位数的测量结果，六位半的电压表造价已经大幅度降低，国外先进的电压表已经能够达到八位。
本文主要研究内容
本文从多个角度对直流稳压器控制系统进行了描述和展现，首先将这种系统的起源发展背景以及目前国内外企业、高校的研究成果现状进行了探讨和阐述，并分析研究了目前这种控制系统投入市场后所存在的普遍缺点；论文第二章紧接着对控制系统的总体结构框架进行了设计，选取了相应的元器件及模块，以便下文对软硬件系统进行设计；第三和第四两章着重对本次所设计的控制系统的硬件以及软件系统进行了设计，并对设计过程以及设计原理进行了详细描述；在软硬件系统都设计完毕后，论文第五章选用了Proteus 7.8仿真软件平台对控制系统在电脑上进行了模拟仿真，将实际控制系统所能表现出的功能现象通过电脑显示器显示出来。
1）构建51单片机最小系统，来作为控制系统的核心部分；
2）构建DCDC直流稳压电源模块，实现电压的稳定转换；
3）能够实现1~3.3V直流电压的稳定输出，最大输出电流可达到3A ；
4）具有报警功能，当输出电压超过报警电压时，单片机驱动蜂鸣器发出报警信号；
5）通过51单片机生成PWM波，以此来控制DCDC稳压模块的输出电压；
6）通过单片机实现对液晶屏的驱动；
方案选择及元器件介绍
系统主控芯片的选取
为了实现本文所有的设计指标，必须得对控制系统的主控器芯片进行一个全方位的考核，这不仅仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势，经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户，其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机，因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
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