可调直流稳压电源的系统设计论文设计.doc

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1、摘 要直流稳压电源在教学工作、科学研究、产品开发、化工企业、国防军事事业等领域中有着十分广泛的应用。本文使用单片机为微控制器，同时结合了数码管显示、数模转换、模数转换、键盘检测、稳压降压等技术，设计并实现了一款数控稳压电源。本设计以STC89C52单片机为核心处理器，使用者可使用键盘按键设置需要输出的直流电压值，由单片机控制数模转换芯片TLC5615，经过集成运放LM358和调整管TIP122后输出0-12V可调电压，之后利用模数转换芯片ADC0832对负载上的电压、电流信号进行采样，并将采样后的电压、电流转换为数字信号输入到单片机中。单片机对该数据进行处理后即可判断负载上的电流是否超过安全范

2、围，如果超过则断开电压输出实现过流保护的目的。系统输出电压值使用四位一体数码管进行显示，输出电压的步进值为0.1V。该产品体积小，工作稳定，安全性高，精度有保障，稍加改造之后有较大的实际应用价值。关键词：单片机；数模转换；电压源；数码管显示 IVAbstractDC stabilized voltage power supply is widely used in teaching, scientific research, product development, chemical industry, national defense and military affairs. In thi

3、s paper, the microcontroller is used as the microcontroller. At the same time, the digital tube display, digital to analog conversion, analog-to-digital conversion, keyboard detection, voltage stabilizing and voltage reducing technology are combined to design and realize a numerical control voltage

4、stabilizing power supply.In this design, STC89C52 is used as the core processor. The user can use keyboard keys to set the DC voltage value to be output. The chip TCL5615 is controlled by single-chip microcomputer. After integrated operation amplifier lm358 and regulator TIP122, 0-12v adjustable vol

5、tage is output. After that, the voltage and current signals on the load are sampled by ADC0832, and the sampled voltage and current are sampled The current is converted into digital signal and input to the single chip microcomputer. After processing the data, the single chip microcomputer can judge

6、whether the current on the load exceeds the safe range. If it exceeds the safe range, the voltage output will be cut off to realize the purpose of overcurrent protection. The output voltage value of the system is displayed by a four in one nixie tube, and the step value of the output voltage is 0.1V

7、The product is small in volume, stable in operation, high in safety, and guaranteed in accuracy. After a little modification, it has great practical application value.Key words: Single chip ; DAC ; Voltage source ; Digital tube display 第1章 绪论1.1 研究背景数控稳压电源是当前一种使用范围非常广的电子仪器。广泛应用于教学、实验、科研、电子产品设计与开发等各

8、种场合中。目前，市面上常见的直流稳压电源基本上都是线性电源，体积比较庞大，也比较重，用起来有些麻烦；从性能上来看，其功率较低，可靠性不高，容易发生故障。由于近几年来电子技术发展的非常快，很多电子产品都做的非常精密，因此对供电电源的质量要求也在不断提高。面对这种变化，稳压电源也有了进一步的发展，主要表现在稳定性不断提高、生产成本不断降低、体积和重量有明显的减小、安全方面更有保障等。到如今，稳压电源又开始向着智能化的方向发展，使用单片机（MCU）等各种类型的微控制器作为产品的核心控制部分，以各种高性能的集成电路作为外围器件，实现输出稳定电压的目的。这种类型的稳压电源在体积和重量上进一步的缩小，生产

9、成本大大降低，抗干扰能力也比传统的产品更强。由于设备采用软件进行控制，所以在输出精度上有了很大的改善，有比较严谨的输出保护功能，可有效避免各种危险现象的发生。其输出电压值由数码管或液晶屏等各种类型的显示器进行显示，使用价值有了很大的提高。1.2研究意义现如今，电子产品对电源的要求越来越高。电源，是任何一款电子产品最基本也是最核心的部分，没有电源，它们将直接无法工作，没有稳定可靠的电源，这些产品的工作情况也往往会出现问题，甚至会导致故障甚至是危险情况的发生。据了解，在许多电子产品的故障之中，大约由六成是由于供电电源不稳定造成的，因此，人们对电源的重视程度越来越高。从上世纪五十年代起一直到现在，稳

10、压电源已经经历了将近70年的发展。其使用的场合也在不断发生改变，从最初美国宇航局（NASA）为发射火箭而首次研究开发，到八十年代电子计算机电源的更新换代，再到九十年代广泛应用于家电领域，直到今天，稳压电源的应用范围还在不断扩大，人们对其研究也从未停止。因此，进一步降低开发生产成本，使电源的工作更加安全稳定，不断提高其精度，仍然是一个非常重要的课题。1.3 发展动向目前来看，稳压电源正朝着高可靠，低能耗，低噪声、抗干扰和模块化的方向发展。从一方面来看，直流稳压电源在电解、电镀、工矿企业中使用较多，因此要做到大功率的输出稳压，且要保证其安全稳定。虽然现在开关电源比较流行，但是其功率一般不能做到非常

11、大，且开关电源使用的电子元件是比较多的，元件越多也就意味着发生故障的概率越大。从另一方面来讲，稳压电源在一些功放和家电设备上使用较多，这些电子产品的负载变化较为频繁，因此要求稳压电源的动态响应能力要很好。此外，放大器降压式的直流稳压电源其工作效率大概在百分之四十到百分之六十之间，而现在的开关电源效率最高已经达到将近百分之九十。因此提高稳压电源的工作效率也是一个重要的研究方向。第三方面，稳压电源的稳定性要不断提高。首先是输出电压要稳定，如果该电源要供音频功放使用，那么在负载在正常情况下工作时，负载的变化应不能引起电压输出有明显的变化；其次是要重视滤除输出信号的交流分量，使电源变得更加纯净。一般情

12、况下交流分量不允许超过百分之五，但目前一些对电源要求较高的设备可容忍的电源交流成分更低，因此这一部分还有较大的发展空间。最后一方面，稳压电源要走创新发展之路。近些年来，受电子产品的飞速发展和其他多种因素的共同影响，制造电子产品的许多原材料价格不断的提高，在上游供应链上形成了“卖方市场”；而伴随着经济全球化和贸易全球化的不断深入，需要购买稳压电源的用户也在世界范围内有了更多的选择余地，形成了“买方市场”。稳压电源制造商正好被夹在了中间。这是一个挑战，也是一个机遇。企业想要摆脱这种两头进退不得的困境，就要更新理念，大力创新发展，生产出市场竟能力更强的产品。1.4 全文结构本文由六大部分组成，文章结

13、构：第一章为绪论。介绍了单片机数控电压源的研究背景和研究意义以及其发展动向。第二章是设计方案与相关的元器件选型。第三、四章分别为系统的硬件设计和软件设计。第五章是仿真调试与实物制作。最后为参考文献、致谢以及本设计的相关附录。23第2章 方案设计与器件选型2.1 系统总体框架本系统使用51系列单片机微控制器，同时结合数码管，稳压芯片，ADC，DAC，变压器，整流桥等外围电路，要实现使用经过降压稳压处理后的市电为系统供电，同时输出可调直流稳压电源并带有过流保护功能的主要目的。通过分析，设计出本系统总体框图如图2-1所示：图2-1 系统整体框图主要部分功能说明：1. 核心控制器。使用51系列单片机作

14、为系统的处理器，负责协调系统各个电路正常工作。向外围电路发出控制信号，同时接受并处理外围电路采集到的信息。2. 市电降压稳压输入。为系统提供工作电压，为数控电源的输出提供基准电压。3. 可调稳压输出：输出012V的可调直流稳压电源。4. 电流检测，过流保护。检测负载上的电流大小，当负载电流过大时断开输出电压以保证系统安全。5. 数码管显示。实时显示系统输出的电压值。系统具体工作原理在后文将有详细的说明。2.2 系统主要器件选型2.2.1 单片机的选取选择STC89C52单片机来实现，该单片机是一款8位MCU，所用到的指令与大学教科书上的8051指令一模一样，它能支持在线下载调试功能，拥有众多I

15、/O口，P3口还有复用功能，有的I/O口可以用来作为定时器/计数器来使用，有的可以作为中断口使用。性能稳定，价格低廉。开发资料全面丰富。目前在电子行业当中使用比较广泛。其实物如图2-2所示。图2-2 STC89C52单片机实物图2.2.2 变压器系统要实现电源输出电压在0V12V之间可调，故不能采用普通的USB接口供电，一是电压过小，二是电流较弱。故采用市电，经过电源变压器降压并整流后为系统供电。本设计使用的电源变压器实物如图2-3所示。图2-3 电源变压器实物图该电源变压器的输入电压为220V AC/50Hz，输出电压为24V AC。额定功率为30W。红色引线为输入端，蓝色引线为输出端。该变

16、压器在材质上使用的是纯铜漆包线、 高质量硅钢片、尼龙阻燃胶芯以及耐高温引线等。材质在质量上有绝对保证，可以为系统提供安全稳定的电源。2.2.3 稳压芯片220V市电经过了变压器降压以及整流桥的整流之后得到的是直流24V电压。不能满足单片机等元器件的5V供电要求和集成运放15V供电的电压要求。因此本设计使用稳压芯片LM7815和LM7805为系统能够正常工作提供稳定电压。LM7815和LM7805稳压芯片实物图分别如图2-4和图2-5所示。 图2-4 LM7815实物图 图2-5 LM7805实物图二者均为三端稳压芯片，封装形式均为TO-220F，最大允许输入电压为36V，输出电流最大可达1.5

17、A。其中7815输出15V的固定电压，7805输出5V的固定电压。当输出电流较大时应考虑添加散热片。这两种芯片内部均设计有过流、过热等保护电路，价格便宜，使用起来安全可靠。2.2.4 数模转换芯片本设计使用数模转换芯片TLC5615，将单片机输出的数字量小信号转换为模拟量小信号，经过运算放大器放大后即可达到输出012V的稳定直流电压。 TLC5615 是德州仪器（TI）公司生产一款数模转换集成电路。该芯片与单片机之间进行串行数据通信，输出信号为电压型。其最大输出电压可达两倍的基准电压。芯片具有上电复位功能，在性能上比先前输出信号为电压型的数模转换器好一些。模块实物如图2-6所示。图2-6 TL

18、C5615实物图2.2.5 模数转换芯片系统通过模数转换芯片ADC0832采集负载上的模拟量小电压，经过芯片将模拟量转换为数字量信号输入单片机内，经过单片机的进一步处理，将负载的电压值显示在显示器上。ADC0832 是美国国家半导体公司（已于2011年被德州仪器收购）生产的一种8 位分辨率的双通道A/D转换芯片。芯片的输入和输出电平与TTL/CMOS相兼容，功耗比较低，一般仅为15毫瓦，最高分辨率能够达到256级，体积小，性价比高。ADC0832实物图如图2-7所示。图2-7 ADC0832实物图2.2.6 显示器液晶显示屏和数码管是目前毕业设计中比较常用的两种类型的显示器。LCD1602和L

19、CD12864液晶显示屏显示内容较为丰富，体积稍大，如果在本设计中使用有些浪费资源，相较之下，数码管体积较小，可以显示字母、数字、小数点等字符，价格便宜，加之目前市面上绝大部分的数控电压源都采用数码管作为显示器，因此最适合本设计使用。本设计使用的四位一体共阳极数码管，其实物如图2-8所示。图2-8 四位一体共阳极数码管实物图2.2.7 集成运放单片机输出的信号经过数模转换后仍然微弱，需要放大才能达到输出大电压的目的。此要求通过集成运算放大器LM358实现。LM358是双运算放大器。内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，有单电源和双电源两种工作模式。如果使用者只要求能够输出正电

20、压，那么使用单电源即可；如果要求输出正负电压，那么就要用双电源。在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。LM358实物如图2-9所示。图2-9 LM358实物图第3章 系统硬件设计3.1 单片机最小系统要想使STC89C52单片机正常工作就必须有一些相关的外围电路：一是电源电路，不必赘述；二是为芯片提供工作频率的时钟电路；三是能使芯片程序恢复到初始状态的复位电路。这几部分电路共同组成了单片机最小系统。其原理图如图3-1所示。图3-1 单片机最小系统原理图3.2 稳压电路稳压电路原理图如图3-2所示。220V的市电经过降压变压器得降压之后得到24V的交流电压。该电压经过由4个二极管1N400

21、7组成的桥式整流电路之后，电压变为直流24V，在经过LM7815的稳压之后得到DC+15V电压，供系统输出可调直流电源；+15V又经过LM7805的稳压之后得到了DC+5V电压，为LM358供电。图中的6个电容为滤波电容，过滤掉电路中的交流分量，使电源更加纯净。其中C5、C6、C7三个电解电容用来过滤低频量，C5取值2200f，也可取3300f；C6取值1000f，也可取值470f；从C7取值470f，也可取值200f，此为经验取值，并没有非常统一的标准。C8、C9、C10三个无极性电容用来过滤高频量，取值均为104即可。图3-2 稳压电路原理图3.3 数码管显示电路四位一体共阳极数码管共有1

22、2只引脚，使用动态显示的方式显示系统检测到的电压值。其中前两位用来显示电压的整数部分，第三位用来显示电压的小数部分，最后一位用来显示电压单位“V”。该数码管的第12、9、8、6脚为其四个阳极公共端，各自经过一个三极管之后分别接至单片机的P2.0、P2.2、P2.4和P2.6口。剩余端口为其段选端，接至单片机的P0口。数码管显示电路原理图如图3-3所示。图3-3 数码管显示电路原理图以四位数码管的第1位举例说明其工作原理：当单片机P2.1脚输出低电平时，PNP型三极管Q1导通，即第1位数码管的阳极公共端被导通，输入+5V电压，此时在控制单片机P1口的8个管脚输出不同的高低电平，即可点亮数码管的相

23、应LED发光段，进而显示出不同的数字。其他3个位的数码管显示原理与其完全相同。四位数码管的每一位在极端的时间内循环导通，虽然一次只有一个数码管被点亮，但由于循环点亮的时间非常快，以至于人眼感觉所有的数码管是被同时点亮的，也就达到了动态显示的目的。3.4 数控电压输出电路使用者通过按键设置好想要输出的电压值（012V之间），单片机即可输出相应的数字信号，经过数模转换芯片TLC5615得到模拟信号的输出，在经过LM358放大之后流入TIP122达林顿三极管（中功率线型开关器件）的基极以控制其导通。在这里TIP122为共射极输出接法，由模拟电子技术相关知识可知，共射极放大电路电流放大倍数较高，而电压

24、放大倍数1，因此这样设计可以使电路有较强的带负载能力。需要注意的是，TIP122在不加散热片时的耗散功率仅为2W，再加散热片时的耗散功率可达65W，因此在使用时要注意加装散热片以确保产品的安全稳定运行。数控电压输出电路原理图如图3-4所示。图3-4 数控电压输出电路原理图3.5 过流保护电路过流保护电路原理图如图3-5所示。这部分电路的功能是当负载上的电流过大时自动断路，以保证系统和负载的安全。图3-5 电压检测与过流保护电路如图所示，RS是接在负载负极上的电阻，阻值非常小只有0.1。如果负载上流过的电流为1A，则RS上会得到0.1V的电压。该电压输入模数转换芯片ADC0832的CH0通道中，

25、将其转换成数字量输到单片机中做进一步处理。如果给系统设定过流保护的断路电流为1A，那么这时系统的输出端就会断开，蜂鸣器报警，达到安全保护的目的。3.6 键盘电路本系统设有四个独立按键S1S4。各按键功能为：S1：清零。按下时不论系统输出的电压为多少都会置零；S2：不论系统当前为何种输出电压，按下该键后可使系统直接输出DC5V电压，可以很方便的满足一些特定产品的供需求。S3：“+”键，按下后增大输出电压，每按一下输出电压增大0.1V，即步进值为0.1V。最大可使输出电压增加到12V，超过该值时按下无效。S4：“-”键，按下后减小输出电压，每按一下输出电压减小0.1V，即步进值为0.1V。最小可使

26、输出电压减小到0V，低于该值时按下无效。键盘电路原理图如图3-6所示。 图3-6 键盘电路原理图3.7 声音提示电路系统在两种情况下会发出声音提示，一是按下按键时，二是系统检测到负载电流过大自动断开输出时。声音利用蜂鸣器产生即可。其工作与否通过一个PNP型三级管8550进行控制。三机管的基极接至单片机的P1.3管脚，以控制其导通。声音提示电路原理图如图3-7所示。图3-7 声音提示电路原理图第4章 系统软件设计4.1主程序设计系统上电后，首先会对系统当中各个功能模块进行初始化设置，包括对数码管显示、按键检测、数模与模式转换芯片等程序进行配置。之后系统开启定时器，当检测到按键按下后，判断键值并开

27、启DA转换，输出相应的电压值。AD转换芯片也会实时采集负载上的电压，转换成数字量后输入单片机中，以判断负载上的电流大小是否超限，如果超限则系统自动关闭电压输出。在此过程中，数码管会实时显示当前输出电压的大小。主程序流程图如图4-1所示：图4-1 主程序流程图4.2子程序设计4.2.1数码管显示程序设计数码管使用动态扫描的方式进行显示，能够减少单片机的I/O资源使用。数码管要显示输出电压值，就需要按键的输入参数，对该数据进行处理后即可以扫描显示的方法显示到数码管上。数码管显示程序流程图如图4-2所示。图4-2 数码管显示流程图4.2.2 DA转换程序设计这一部分主要是对TLC5615进行配置。该

28、芯片的时序图如图4-3所示。图4-3 TLC5615时序图TLC5615为串行十位输入DAC，它以10位开关电容逐次逼近的方法实现D/A转换，只需要3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入。其部分配置程序如图4-4所示：图4-4 TLC5615部分配置程序4.2.3 AD转换程序设计当不需要使ADC0832工作时，给其CS引脚高电平即可，此时芯片不使能。当需要进行模数转换时，则需要拉低CS，直到数据转换结束为止。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟（CLK）输入端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信

29、号。在第二、三个脉冲下沉之前DI端应输入两位数据用于选择通道功能。转换结束时，拉高数据段，使其回到初始状态。ADC0832数据转换配置程序如图4-5所示。图4-5 ADC0832配置程序4.2.4 按键处理程序设计按键处理程序有两个需要注意的地方，一是要做好按键的延时去抖，防止由于按键抖动而使系统对按键是否被按下产生误判；二是要对按键的键值做好处理，改值需要被数码管显示程序调用，保证数码管上能显示出正确的输出电压值。四个按键的处理程序流程基本上是相同的，只是键值上有区别。这里以KEY1键进行说明。KEY1键程序流程图如图4-6所示。图4-6 KEY1键程序流程图第五章 系统仿真与实物制作5.1

30、 系统仿真本系统的前期主要设计到此均已完成，接下来开始考虑制作出系统实物，已验证设计是否可行。为减小开发成本，在进行实物制作前最好先在计算机上进行模拟仿真运行，以较低的代价检测出系统的问题并进行性调试修改，确保无误后再进行实物的制作。系统使用的仿真软件是proteus8.6。proteus8.6是一款著名的实用性单片机仿真软件，可以较好的仿真单片机及其外围器件。最终搭建好的系统仿真原理图如图5-1所示。图5-1 系统仿真原理图接下来将写好的程序烧录入仿真单片机STC89C52中，开始仿真工作。上电，开机。系统初始时四位数码管上显示当前输出电压为“0.0V”，数码管初始显示画面如图5-2所示。

31、图5-2 数码管初始显示画面下面测试当按下按键S2时，系统是否能一键输出DC5V电压。为了方便测试，在负载的两端接入一个直流电压表，以观察实际输出电压是否和数码管上显示的电压一致。经过检测，按下S2键后，数码管上显示：“5.0V”字样，说明显示正常；电压表上显示电压值为4.97V，有0.03V的偏差，在允许范围内，说明该功能已经实现。测试画面如图5-3所示。图5-3 测试系统一键输出5V电压功能画面接下来测试系统是否可以输出0-12V可调直流电压。首先将输出电压值清零，然后按下“+”键S3，发现每按一下数码管的显示数值就增加0.1V；按下“-”键S3，发现每按一下数码管的显示数值就减小0.1V

32、同时，负载端的电压表显示数值也随着按键的按下而发生改变。证明这一部分功能也是没问题的。调试画面如图5-4所示。图5-4 测试系统是否能输出0-12V可调直流电压画面最后检测系统的过流保护功能是否正常。该功能关乎整个产品和负载甚至是使用人员的安全，因此务必要调整无误。在此事先设定系统的过流保护电流值为2A，也就是说当负载上流过的电流大于等于2A时，系统就会自动断开输出，蜂鸣器也会发出声音提示。检测方法为调整负载电阻的阻值，使其非常小，这时由于负载电压不变，阻值急剧减小，因此流过负载的电流就会变大。减小阻值，观察接在负载上的电流表的示数，当读数超过2A时，发现系统输出断开，同时蜂鸣器发出刺耳警报

33、证明该功能是正常的。部分测试画面如图5-5所示。图5-5 测试系统过流保护功能部分画面在整个仿真过程中，记录下了系统输出电压为0-2V时的按键输入值、数码管显示值、负载测量值与误差值的参数变化情况，以供更好的分析系统性能。具体记录数据情况如表5-1所示。表5-1 测量到的部分系统数据表按键输入值数码管显示值负载测量值误差值00000.10.10.100.20.20.190.00.30.30.290.010.40.40.380.020.50.50.470.030.60.60.560.040.70.70.660.040.80.80.790.010.90.90.880.021.01.00.980.

34、021.11.10.180.021.21.21.180.021.31.31.270.031.41.41.370.031.51.51.470.031.61.61.570.031.71.71.660.041.81.81.780.021.91.91.860.042.02.01.960.04注表格中的数据单位均为伏特（V）。5.2 实物制作至此，系统仿真调试完毕，所有功能均已实现。接下来制作实物，制作方法为根据系统的原理图设计在洞洞板上插接好所有的元器件，之后对元器件进行合理的布局，使其美观，方便使用，最后利用焊锡和跳线将元件所以的管脚按照设设计图纸的要求焊接好。最终制作好的系统实物如图5-6和5-7所示。图5-6 单片机数控稳压电压正面实物图图5-7 单片机数控稳压电压背面实物图