基于单片机的数控稳压电源的设计
基于单片机的数控稳压电源的设计[20200128192930]
摘要
单片机实现的数字式可调稳压电源由于原理简单、稳定性好、精度高、成本低、易实现等诸多优点而受到越来越广泛的重视。其性能优于传统的可调直流稳压电源，操作方便，非常适合一般教学和科研使用。本文通过对一个数控稳压电源系统的设计，详细介绍了AT89S52 单片机应用中的键盘扫描原理、数码管动态显示原理、定时中断原理,从而了解单片机相关指令在各方面的应用，同时还介绍了数模转换芯片DAC0808及NE5532的工作原理。系统由模拟电源、控制电路、数模转换电路、放大电路、显示电路等部分构成，能输出1.3V－9.9V电压范围，步进值为0.1V的直流电源。
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关键字:】数控；单片机；直流稳压；数模转换
引言 1
一、系统方案选择 1
（一）方案的设计 1
（二）方案选择 2
二、系统的主要元件介绍 2
（一）AT89S52的简介 2
（二）DAC0808的简介 3
（三）NE5532的简介 4
（四）LED数码管 4
三、硬件电路设计 5
（一）DAC0808数模转换电路 5
（二）单片机的晶振电路 5
（三）单片机的复位电路 5
（四）数码管显示电路 5
（五）5532运放电路 7
（六）按键接口电路 7
（七）外接排针电路 7
（八）降压电路 8
四、系统软件设计 9
（一）数字式可调稳压电源软件设计 9
（二）主程序流程图 9
五、软件仿真 9
（一）Keil软件 9
（二）Keil软件的特点 9
（三）keil编译调试 9
（四）Proteus 软件 10
（五）Proteus 的特点 10
（六）Proteus的仿真 10
总结 12
附录一: 系统总体原理图 13
附录二：系统PCB布局图 14
附录三：PCB顶层布线图 15
附录四：PCB底层布线图 16
附录五：数控直流稳压电源源程序 17
参考文献 21
致 谢 22
引言
电源技术有很强的实践性，应用于各行各业。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，也给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给对电源的控制提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，同时也带来了电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。由于电源在使用时会造成很多不良后果，所有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，才能够进入市场买卖。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。
一、系统方案选择
在实验室里通常所用到的直流电源都是用调节电位器来达到调节电压的目的，由于电位器的温漂较大，使得输出的电压会有所漂移，而且用电位器调节电压操作起来不是很方便。本文所介绍的数字式可调稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定性高的特点。它由单片机AT89S52、数码管、数模转换芯片DAC0808、放大电路等部分构成。其原理包括数码管动态显示原理、模数转换原理及I2C总线原理，在文中主要介绍在设计过程中所涉及到的原理。 本设计采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，经过D/A转换器（DAC0808）输出模拟量，最后经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着输出功率管的基极电压的变化，间接地改变输出电压的大小。
（一）方案的设计
方案一：数控部分用单片机带动数模转换芯片提供线性稳压电压的参考电压。
优点：对于单片机，系统工作在开环状态，对数模转换的精度要求较高，设计成本低。
缺点：功耗较大，LED数码管输出显示不是系统的精确输出电压，须对它进行软件补偿。
方案二：数控部分用AVR单片机的PWM组成开关电源，利用AVR的AD转换对输出电压进行实时转换，利用软件进行电压调整达到稳压。系统框图见图1所示的方案二结构图。
图1 方案二结构图
优点：硬件简单，稳压的大部分工作由软件完成，对单片机的运行速度要求很高，利用手头的ATmaga16L单片机最高8MHz工作频率很难达到速度要求。对软件要求较高，功耗小。
缺点：输出纹波电压较大，对硬件的要求很高。
方案三：用AVR单片机控制PWM芯片组成开关电源。
优点：降低了对单片机的运行速度要求。
缺点：电路较复杂(该方案很快被否定)。
（二）方案选择
方案二简单的电路结构起初很吸引我，但是后来了解到AVR单片机的PWM的精度用于开关电源比较勉强，而且开关电源有个通病：纹波电压大，考虑到设计目标对电源的功耗要求不是很严，同时为了保证纹波足够小也鉴于自身对于51单片机和线性电源较为熟练，故选择方案一。
二、系统的主要元件介绍
（一）AT89S52的简介
1：AT89S52的特点
AT89S52是一种—低功耗高性能CMOS 8位单片机，片内8k Bytes ISP的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司之高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及80C51引脚结构，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。单芯片上，拥有8 位CPU及在系统可编程FLASH，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效之解决方案。
2：At89S52的引脚外部封装见图。见图2所示的At89S52的引脚。
图2 At89S52的引脚
3：AT89S52各个引脚的功能如下:
VCC：电源。
GND：接地。
P0 口：是8 位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个TTL逻辑电平。
P1 口、P2 口、P3 口：是具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， 输出缓冲器能驱动4 个TT逻辑电平。
RST: 复位输入。
ALE/PROG：地址锁存控制信号，锁存低8 位地址的输出脉冲。
PSEN：外部程序存储器。
XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
（二）DAC0808的简介
1：DAC0808的特点
DAC0808是以CMOS工艺制造的8位D/A转换芯片，它的分辨率为8位，即从1/255到1。其特点：8位并行、中速(建立时间1us)、电流型、价格低廉、接口简单，在单片机控制系统中得到了广泛的应用。
2：DAC0808的引脚外部封装图。见图3所示DAC0808引脚图。
图3 DAC0808引脚图
3：DAC0808各个引脚的功能如下
A1—A8：8位并行数据输入端（A1为最高位，A8为最低位 ）
VREF(+)：正向参考电压（需要加电阻）
VREF(-)：负向参考电压，接地
IOUT:电流输出端
VEE:负电压输入端
COMP：compensation（补偿）,补偿端，与VEE之间接电容（R14=5kΩ时,R14为14引脚的外接电阻)，一般为0.1uF，电容必须随着R14的增加而适当增加
摘要
单片机实现的数字式可调稳压电源由于原理简单、稳定性好、精度高、成本低、易实现等诸多优点而受到越来越广泛的重视。其性能优于传统的可调直流稳压电源，操作方便，非常适合一般教学和科研使用。本文通过对一个数控稳压电源系统的设计，详细介绍了AT89S52 单片机应用中的键盘扫描原理、数码管动态显示原理、定时中断原理,从而了解单片机相关指令在各方面的应用，同时还介绍了数模转换芯片DAC0808及NE5532的工作原理。系统由模拟电源、控制电路、数模转换电路、放大电路、显示电路等部分构成，能输出1.3V－9.9V电压范围，步进值为0.1V的直流电源。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】数控；单片机；直流稳压；数模转换
引言 1
一、系统方案选择 1
（一）方案的设计 1
（二）方案选择 2
二、系统的主要元件介绍 2
（一）AT89S52的简介 2
（二）DAC0808的简介 3
（三）NE5532的简介 4
（四）LED数码管 4
三、硬件电路设计 5
（一）DAC0808数模转换电路 5
（二）单片机的晶振电路 5
（三）单片机的复位电路 5
（四）数码管显示电路 5
（五）5532运放电路 7
（六）按键接口电路 7
（七）外接排针电路 7
（八）降压电路 8
四、系统软件设计 9
（一）数字式可调稳压电源软件设计 9
（二）主程序流程图 9
五、软件仿真 9
（一）Keil软件 9
（二）Keil软件的特点 9
（三）keil编译调试 9
（四）Proteus 软件 10
（五）Proteus 的特点 10
（六）Proteus的仿真 10
总结 12
附录一: 系统总体原理图 13
附录二：系统PCB布局图 14
附录三：PCB顶层布线图 15
附录四：PCB底层布线图 16
附录五：数控直流稳压电源源程序 17
参考文献 21
致 谢 22
引言
电源技术有很强的实践性，应用于各行各业。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，也给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给对电源的控制提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，同时也带来了电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。由于电源在使用时会造成很多不良后果，所有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，才能够进入市场买卖。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。
一、系统方案选择
在实验室里通常所用到的直流电源都是用调节电位器来达到调节电压的目的，由于电位器的温漂较大，使得输出的电压会有所漂移，而且用电位器调节电压操作起来不是很方便。本文所介绍的数字式可调稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定性高的特点。它由单片机AT89S52、数码管、数模转换芯片DAC0808、放大电路等部分构成。其原理包括数码管动态显示原理、模数转换原理及I2C总线原理，在文中主要介绍在设计过程中所涉及到的原理。 本设计采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，经过D/A转换器（DAC0808）输出模拟量，最后经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着输出功率管的基极电压的变化，间接地改变输出电压的大小。
（一）方案的设计
方案一：数控部分用单片机带动数模转换芯片提供线性稳压电压的参考电压。
优点：对于单片机，系统工作在开环状态，对数模转换的精度要求较高，设计成本低。
缺点：功耗较大，LED数码管输出显示不是系统的精确输出电压，须对它进行软件补偿。
方案二：数控部分用AVR单片机的PWM组成开关电源，利用AVR的AD转换对输出电压进行实时转换，利用软件进行电压调整达到稳压。系统框图见图1所示的方案二结构图。
图1 方案二结构图
优点：硬件简单，稳压的大部分工作由软件完成，对单片机的运行速度要求很高，利用手头的ATmaga16L单片机最高8MHz工作频率很难达到速度要求。对软件要求较高，功耗小。
缺点：输出纹波电压较大，对硬件的要求很高。
方案三：用AVR单片机控制PWM芯片组成开关电源。
优点：降低了对单片机的运行速度要求。
缺点：电路较复杂(该方案很快被否定)。
（二）方案选择
方案二简单的电路结构起初很吸引我，但是后来了解到AVR单片机的PWM的精度用于开关电源比较勉强，而且开关电源有个通病：纹波电压大，考虑到设计目标对电源的功耗要求不是很严，同时为了保证纹波足够小也鉴于自身对于51单片机和线性电源较为熟练，故选择方案一。
二、系统的主要元件介绍
（一）AT89S52的简介
1：AT89S52的特点
AT89S52是一种—低功耗高性能CMOS 8位单片机，片内8k Bytes ISP的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，器件采用ATMEL公司之高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51指令系统及80C51引脚结构，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。单芯片上，拥有8 位CPU及在系统可编程FLASH，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效之解决方案。
2：At89S52的引脚外部封装见图。见图2所示的At89S52的引脚。
图2 At89S52的引脚
3：AT89S52各个引脚的功能如下:
VCC：电源。
GND：接地。
P0 口：是8 位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个TTL逻辑电平。
P1 口、P2 口、P3 口：是具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， 输出缓冲器能驱动4 个TT逻辑电平。
RST: 复位输入。
ALE/PROG：地址锁存控制信号，锁存低8 位地址的输出脉冲。
PSEN：外部程序存储器。
XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。
（二）DAC0808的简介
1：DAC0808的特点
DAC0808是以CMOS工艺制造的8位D/A转换芯片，它的分辨率为8位，即从1/255到1。其特点：8位并行、中速(建立时间1us)、电流型、价格低廉、接口简单，在单片机控制系统中得到了广泛的应用。
2：DAC0808的引脚外部封装图。见图3所示DAC0808引脚图。
图3 DAC0808引脚图
3：DAC0808各个引脚的功能如下
A1—A8：8位并行数据输入端（A1为最高位，A8为最低位 ）
VREF(+)：正向参考电压（需要加电阻）
VREF(-)：负向参考电压，接地
IOUT:电流输出端
VEE:负电压输入端
COMP：compensation（补偿）,补偿端，与VEE之间接电容（R14=5kΩ时,R14为14引脚的外接电阻)，一般为0.1uF，电容必须随着R14的增加而适当增加
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