51单片机的数控稳压电源的设计
51单片机的数控稳压电源的设计[20200131185428]
日期：2012年10月20日【摘要】
随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域。传统的模拟可调稳压电源功耗大效率低，并且长时间使用会造成输出电压不稳。采用单片机的数控可调稳压电源价格低廉，并且使用通用元件就能实现其功能，数码显示清晰直观。
本设计介绍一种数控稳压电源，采用显示电路、控制电路、数模转换电路、放大电路四部分组成。显示电路用于显示电源输出电压的大小，控制电路用于控制调节电压步进，数模转换电路用于将数字信号转换成模拟信号，放大电路用于放大电路信号。本设计与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高，可调范围大等特点。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】数控稳压电源；单片机；数模转换
引言 1
一、系统方案设计 2
（一）设计要求 2
（二)方案的选择 2
（三）设计思路 2
二、系统主要元件介绍 2
（一)AT89S51单片机 2
（二）DAC0832数模转换器 4
（三）LM741运算放大器 5
三、系统硬件设计 6
（一）系统总框图 6
（二）主要单元电路的设计 6
1、控制模块 6
2、显示模块 7
3、放大模块 8
4、系统总原理图 9
四、系统软件设计 10
（一）软件介绍 10
（二）系统流程 11
五、系统安装与调试 11
（一）系统安装 12
1、元件的装插 12
2、导线的连接 12
（二）系统调试 12
1、硬件调试 12
2、软件调试 12
3、系统调试 12
总结 13
致谢 14
参考文献 15
附录一 实物图 16
附录二 原理图 17
附录三 PCB图 18
附录三 元件清单 19
附录四 程序 20
引言
在现实生活中，人们经常要用到电子器件，而电子电路要正常工作,电源的作用是不可忽视的,电源性能的好坏,对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大,尤其在带有感性负载的电路和设备，如电机中,对电源的性能要求更高。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。
近年来，随着电力电子技术的不断发展，数控电源在以往使用线性电源的场合中也获得日益广泛的应用。在一些工业场合，如设备仪表检测中，需要提供电压源和电流源，而且要求调节范围广，纹波低。如果采用多台功能单一电源设备，体积和重量都会增加很多，不经济，也不能满足工作的要求。因此研究开发多功能、宽范围、可调节的数控电源很有意义。
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。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，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。如何设计一个电压稳定，输出电压精度高，并且调节范围大的电压源，成了电子技术应用的热点。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好的解决以上传统稳压电源的不足，并且数控稳压电源与传统稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点。
一、系统方案设计
（一）设计要求
1、将220V/50Hz交流电进行转换为稳定输出的直流电压；
2、用数码管直接显示读数、显示清晰直观；
3、可通过按键实现调节电压大小，步进0.1V；
4、电压调整范围大，电压调整范围为2到20V；
5、稳定性好；
（二)方案的选择
方案1:采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出电压并能可调输出电压。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求，并且使用的元器件多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。
方案2：采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接的改变输出电压的大小。为了使系统具备检测实际输出电压值的大小，经过DAC0832进行数模转换，间接用单片机对电压进行采样，然后进行数据处理。但是单片机编程比较复杂、要求严格，整个电路要求准确。
比较以上两种方案的优缺点，方案2简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此选择第2方案来实现本次设计。
（三）设计思路
本次毕业设计主要是以单片机AT89S51为核心, 结合DAC0832芯片的功能，实现对输出电压的数字控制。为实现对输出电压的控制: 一方面, 通过D/A 输出实现电压的预置, 再通过运算放大器控制晶体管的输出电压；另一方面, 再将输出的电压的采样值送入单片机, 与预置值进行比较, 将误差值通过D/A 转换芯片添加到调整电路, 从而进一步降低了输出电流的纹波。经过测试, 该数控稳压电源的实际输出与显示值之间的误差小于1%, 达到设计要求。
二、系统主要元件介绍
（一)AT89S51单片机
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz。并可通过软件设置省电模式，空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
图1 AT89S51单片机
AT89S51单片机管脚说明：
VCC：供电电压；
GND：接地；
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号；
I/O口：作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口，实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；
日期：2012年10月20日【摘要】
随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域。传统的模拟可调稳压电源功耗大效率低，并且长时间使用会造成输出电压不稳。采用单片机的数控可调稳压电源价格低廉，并且使用通用元件就能实现其功能，数码显示清晰直观。
本设计介绍一种数控稳压电源，采用显示电路、控制电路、数模转换电路、放大电路四部分组成。显示电路用于显示电源输出电压的大小，控制电路用于控制调节电压步进，数模转换电路用于将数字信号转换成模拟信号，放大电路用于放大电路信号。本设计与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高，可调范围大等特点。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】数控稳压电源；单片机；数模转换
引言 1
一、系统方案设计 2
（一）设计要求 2
（二)方案的选择 2
（三）设计思路 2
二、系统主要元件介绍 2
（一)AT89S51单片机 2
（二）DAC0832数模转换器 4
（三）LM741运算放大器 5
三、系统硬件设计 6
（一）系统总框图 6
（二）主要单元电路的设计 6
1、控制模块 6
2、显示模块 7
3、放大模块 8
4、系统总原理图 9
四、系统软件设计 10
（一）软件介绍 10
（二）系统流程 11
五、系统安装与调试 11
（一）系统安装 12
1、元件的装插 12
2、导线的连接 12
（二）系统调试 12
1、硬件调试 12
2、软件调试 12
3、系统调试 12
总结 13
致谢 14
参考文献 15
附录一 实物图 16
附录二 原理图 17
附录三 PCB图 18
附录三 元件清单 19
附录四 程序 20
引言
在现实生活中，人们经常要用到电子器件，而电子电路要正常工作,电源的作用是不可忽视的,电源性能的好坏,对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大,尤其在带有感性负载的电路和设备，如电机中,对电源的性能要求更高。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。
近年来，随着电力电子技术的不断发展，数控电源在以往使用线性电源的场合中也获得日益广泛的应用。在一些工业场合，如设备仪表检测中，需要提供电压源和电流源，而且要求调节范围广，纹波低。如果采用多台功能单一电源设备，体积和重量都会增加很多，不经济，也不能满足工作的要求。因此研究开发多功能、宽范围、可调节的数控电源很有意义。
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。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，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。如何设计一个电压稳定，输出电压精度高，并且调节范围大的电压源，成了电子技术应用的热点。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好的解决以上传统稳压电源的不足，并且数控稳压电源与传统稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点。
一、系统方案设计
（一）设计要求
1、将220V/50Hz交流电进行转换为稳定输出的直流电压；
2、用数码管直接显示读数、显示清晰直观；
3、可通过按键实现调节电压大小，步进0.1V；
4、电压调整范围大，电压调整范围为2到20V；
5、稳定性好；
（二)方案的选择
方案1:采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出电压并能可调输出电压。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求，并且使用的元器件多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。
方案2：采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接的改变输出电压的大小。为了使系统具备检测实际输出电压值的大小，经过DAC0832进行数模转换，间接用单片机对电压进行采样，然后进行数据处理。但是单片机编程比较复杂、要求严格，整个电路要求准确。
比较以上两种方案的优缺点，方案2简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此选择第2方案来实现本次设计。
（三）设计思路
本次毕业设计主要是以单片机AT89S51为核心, 结合DAC0832芯片的功能，实现对输出电压的数字控制。为实现对输出电压的控制: 一方面, 通过D/A 输出实现电压的预置, 再通过运算放大器控制晶体管的输出电压；另一方面, 再将输出的电压的采样值送入单片机, 与预置值进行比较, 将误差值通过D/A 转换芯片添加到调整电路, 从而进一步降低了输出电流的纹波。经过测试, 该数控稳压电源的实际输出与显示值之间的误差小于1%, 达到设计要求。
二、系统主要元件介绍
（一)AT89S51单片机
AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz。并可通过软件设置省电模式，空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
图1 AT89S51单片机
AT89S51单片机管脚说明：
VCC：供电电压；
GND：接地；
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高；
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号；
I/O口：作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口，实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器，只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；
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