单片机的开关电源设计
摘 要本文设计了一款开关电源系统，选用了51单片机作为开关电源控制系统的主控芯片，在51单片机外部配置了LM2596直流开关稳压芯片等核心功能模块，通过软硬件的设计，实现了开关电源系统的3A大电流输出以及输出电压可调等功能。在系统硬件设计方面，通过51单片机最小系统作为核心部分，通过与各模块之间的连接以及驱动，构建了开关电源系统的硬件结构，在软件设计方面通过Keil软件进行了C语言代码的编写以及编译，通过程序生成的目标代码实现了对硬件的控制。经过了大量的系统测试，本系统最终表现出了非常高的可行性以及稳定性，非常适合推向未来的智能开关电源系统市场。
目录
一、 引言 1
（一） 直流稳电压电源的发展背景 1
（二） 直流稳压电源控制系统的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控微处理器的比较与选择 3
（二） STC89C51单片机简介 3
（三） LM2596直流稳压电源模块 4
（四） ADC0832模数转换器介绍 5
（五） LCD1602型液晶简介 5
三、 硬件系统设计 7
（一） 开关电源系统的系统原理框图设计 7
（二） STC89C51单片机最小系统设计 7
1. 晶振电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（三） LM2596直流稳压电源模块电路设计 9
（四） ADC0832模数转换器电路设计 9
（五） 液晶电路设计 10
（六） 报警器电路设计 10
（七） 按键电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 开关电源系统的主程序流程图设计 12
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 13
（三） 液晶显示流程设计 14
五、 系统仿真设计 15
总 结 19
参考文献 20
致 谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB图 23
附录三
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
元件列表 24
附录四 程序 25
引言
直流稳电压电源的发展背景
本课题将要设计的这款直流稳压电源控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的直流稳压电源控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的硬件开关稳压芯片、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的直流稳压电源控制系统。最早的用于实现电压/电流稳定输出以及电压变换等功能的仪器早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的直流稳压电源系统全部采用笨重的电子元器件结构来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统电路结构来实现将市电整流并且实现直流输出、升压降压等功能是主流方式，这种传统式直流稳压电源系统所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用笨重的传统电子器件来组成整个系统框架，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于笨重的传统电子器件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用传统电路结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统直流稳压电源系统的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统直流稳压电源系统所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分直流稳压电源系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的直流稳压电源控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的直流稳压电源控制系统突破了传统传统式的单一功能性，不但实现了传统传统式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误直流稳压电源产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现直流稳压电源控制系统的二次甚至多次升级，这还传统传统式直流稳压电源系统所无法实现的，另外由于这种电子式直流稳压电源系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的直流稳压电源控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款直流稳压电源控制系统。
直流稳压电源控制系统的国内外发展现状
电子式直流稳压电源系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产直流稳压电源系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的直流稳压电源控制系统将能够实现更好的直流电压可控精度以及稳定度等功能，目前国内外所能实现的最先进直流稳压电源系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款纹波分量远低于0.05%的直流稳压电源系统，这款系统的推出实现了高质量以及高精度的电压输出功能，同时也标志着为了实现更高性能的直流稳压电源系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
本文从多个角度对开关电源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，下图为本课题将要实现的功能和指标：
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开关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
主控微处理器的比较与选择
考虑到当前单片机市场上单片机种类玲琅满目的现状，非常容易为本系统选出一款适用于本开关电源系统的主控芯片，由于目前32位微处理器和单片机的生产成本得到了大大压缩，并且资料丰富度也得到了极大的提升，STM32单片机是一款不错的考虑对象。然而考虑到毕业设计周期的短暂，并且大学期间并没有对STM32型ARM处理器进行过接触和系统学习，如果采用这种类型的单片机作为开关电源系统的主控芯片，那么其内部成百上千个功能各异的寄存器将使得我在设计过程中变得头昏脑胀。
目录
一、 引言 1
（一） 直流稳电压电源的发展背景 1
（二） 直流稳压电源控制系统的国内外发展现状 2
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控微处理器的比较与选择 3
（二） STC89C51单片机简介 3
（三） LM2596直流稳压电源模块 4
（四） ADC0832模数转换器介绍 5
（五） LCD1602型液晶简介 5
三、 硬件系统设计 7
（一） 开关电源系统的系统原理框图设计 7
（二） STC89C51单片机最小系统设计 7
1. 晶振电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（三） LM2596直流稳压电源模块电路设计 9
（四） ADC0832模数转换器电路设计 9
（五） 液晶电路设计 10
（六） 报警器电路设计 10
（七） 按键电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 开关电源系统的主程序流程图设计 12
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 13
（三） 液晶显示流程设计 14
五、 系统仿真设计 15
总 结 19
参考文献 20
致 谢 21
附录一 原理图 22
附录二 PCB图 23
附录三
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
元件列表 24
附录四 程序 25
引言
直流稳电压电源的发展背景
本课题将要设计的这款直流稳压电源控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的直流稳压电源控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的硬件开关稳压芯片、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的直流稳压电源控制系统。最早的用于实现电压/电流稳定输出以及电压变换等功能的仪器早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的直流稳压电源系统全部采用笨重的电子元器件结构来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用传统电路结构来实现将市电整流并且实现直流输出、升压降压等功能是主流方式，这种传统式直流稳压电源系统所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用笨重的传统电子器件来组成整个系统框架，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于笨重的传统电子器件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用传统电路结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统直流稳压电源系统的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统直流稳压电源系统所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分直流稳压电源系统的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的直流稳压电源控制系统的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的直流稳压电源控制系统突破了传统传统式的单一功能性，不但实现了传统传统式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误直流稳压电源产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现直流稳压电源控制系统的二次甚至多次升级，这还传统传统式直流稳压电源系统所无法实现的，另外由于这种电子式直流稳压电源系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的直流稳压电源控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款直流稳压电源控制系统。
直流稳压电源控制系统的国内外发展现状
电子式直流稳压电源系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产直流稳压电源系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的直流稳压电源控制系统将能够实现更好的直流电压可控精度以及稳定度等功能，目前国内外所能实现的最先进直流稳压电源系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款纹波分量远低于0.05%的直流稳压电源系统，这款系统的推出实现了高质量以及高精度的电压输出功能，同时也标志着为了实现更高性能的直流稳压电源系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
本文从多个角度对开关电源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，下图为本课题将要实现的功能和指标：
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开关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
主控微处理器的比较与选择
考虑到当前单片机市场上单片机种类玲琅满目的现状，非常容易为本系统选出一款适用于本开关电源系统的主控芯片，由于目前32位微处理器和单片机的生产成本得到了大大压缩，并且资料丰富度也得到了极大的提升，STM32单片机是一款不错的考虑对象。然而考虑到毕业设计周期的短暂，并且大学期间并没有对STM32型ARM处理器进行过接触和系统学习，如果采用这种类型的单片机作为开关电源系统的主控芯片，那么其内部成百上千个功能各异的寄存器将使得我在设计过程中变得头昏脑胀。
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