【正文】 基于單片機的智能穩(wěn)壓電源的設計 摘要 本文介紹了一種基于單片機的 智能穩(wěn)壓電源的設計方案，其核心技術是通過單片機控制數(shù)模轉換來改變其后的穩(wěn)壓模塊的輸出。該系統(tǒng)由整流濾波初步穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、 DAC 和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進可調，并且可實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。 關鍵詞 ：單片機；穩(wěn)壓電源；連續(xù)步進可調； DAC； Design of Intelligent Power Supply Based on MCU Xu Bin (College of Physics Science and Information Engineering,Jishou University,Jishou,Hunan 416000) Abstract This paper introduces a singlechip microputerbased Intelligent Power Supply Design program, its core technology through the MCU to control digitaltoanalog converters to change the voltage regulator module subsequent output. The system consists of rectifier filter preliminary regulator of the MCU control of the DAC and display ponents, the power supply can be continuously adjustable stepper, and can be realtime display, made up for the shortings of traditional voltage regulator power supply. Key words： MCU。 Regulated Power Supply。 Stepping and adjustable row。DAC 目錄 第一章 概述 ………………………………………………………………………1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 ………………………………………………..1 國內發(fā)展現(xiàn)狀 …… ………………………………………………………..1 系統(tǒng)研究方向 ……………………………………………………………..2 第二章 設計原理 ………… ..…………………………………………………… 3 設計原理 …………………………………………………………………..3 系統(tǒng)框圖 …………………………………………………………………..4 第三章 主要器件介紹 …………………………………………………………… 5 AT89C51 簡介 ……………………………………………………………. ..5 DAC0832 工作原理 ………………………………………………………...6 數(shù)碼管顯示原理 …………………………………………………………..7 第四章 硬件電路與數(shù)據(jù)測試 …………………………………………… ..… ..9 整流濾波、初步穩(wěn)壓 ……………………………………………………..9 AT89C51 主控部分 ………………………………………………………..10 數(shù)模轉換 DAC0832………………………………………………………..10 穩(wěn)壓部分 ………………………………………………………………….11 顯示電路 ………………………………………………………………….11 數(shù)據(jù)測試與分析 ………………………………………………………...12 第五章 軟件設計 .……………………………………………………………… .13 軟件流程圖 ………………………………………………………………..13 結束語 ……………………………………………………………………………… 14 參考文獻 ………………………………………………… ………………………… 15 附錄一 ……………………………………………………………………………… 16 附錄二 ……………………………………………………………………………… 18 附錄三 ……………………………………………………………………………… 19 第一章 概述 1. 1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 智能化 目前在研制高精度、高性能、多功能的測量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用微處理器的。以微處理器為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計算機技術與測量控制技術結合在一起，組成新一代的所謂“智能 化測量控制儀表”。智能儀器解決了許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時還能簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動力源”，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應當智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應當具有以下功能特點 : ① 操作自動化。系統(tǒng)的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。 ②具有自檢測功能，包括自動調零、自動故障檢測與狀態(tài) 檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉換等。系統(tǒng)能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。 ③具有友好的人機對話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能直流穩(wěn)壓電源還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及測量數(shù)據(jù)的處理結果及時告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。 ④網(wǎng)絡管理能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源通過 RS232 接口實現(xiàn)與上位 PC 機通信，從而使網(wǎng)絡技術人員可以隨時監(jiān)視電源設 備運行狀態(tài)、各項技術參數(shù) 。網(wǎng)絡技術人員可通過網(wǎng)絡定時開關電源，實現(xiàn)遠程開關機等功能。 數(shù)字化 在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點 :便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾 (提高抗干擾能力 )、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。 模塊化 電源的模塊化有兩方面的含義，其 一是指功率器件的模塊化 。其二是指電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠 性。大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作。 綠色化 電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義 :首先是 顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染 。其次這些電源不能 (或少 )對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會 (IEC 對此制定了一系列標準，如工EC555, IEC917,IECI000 等。 20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，為 21 世紀批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎 [7]。 國內發(fā)展現(xiàn)狀 在我國，以電力電子學為核心技術的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀 60 年代中期開始形成，到了 90 年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快 。另一方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導下，我國電力電子技術的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術難度較大，具有國際先進水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品 。目前國內還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎創(chuàng)新研究。但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足 :在電源產(chǎn)品的質量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設備、智能化、網(wǎng)絡化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為 1015 年，尤其在實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化 、網(wǎng)絡化方面的研究不是很多。目前國內在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學和廣州華南理工大學，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件 (PSD)來控制開關直流穩(wěn)壓電源或數(shù)制化電壓單元達到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。國內廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或實現(xiàn)多組數(shù)值預置?？傮w說來，國內直流穩(wěn)壓電源技術在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。 系統(tǒng)研究方向 本系統(tǒng)研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化 、數(shù)字化以及模塊化的特點。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對系統(tǒng)進行智能控制。數(shù)字化主要是指系統(tǒng)輸出電壓通過 7 段數(shù)碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進數(shù)字化調節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。 第二章 設計原理 2. 1 設計原理 穩(wěn)壓電源基本原理 直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器 T、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖 所示。電網(wǎng)供給的交流電壓 u1(220V,50Hz) 經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓 u2，然后由整流電路變換成方向不 變、大小隨時間變化的脈動電壓 u3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓 uI。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。 圖 直流穩(wěn)壓電源框圖 穩(wěn)壓電路設計方案 方案一：采用 LM78XX 系列三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖 圖 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路 方案二：采用 LM317 系列可調三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖 圖 可調三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路 方案三：由運放組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，電路如圖 圖 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 方案一與方案二都可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且電路結構簡單，但方案一電壓輸出固定，方案二雖然電壓可調但很難實現(xiàn)步進調節(jié)。方案三既可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且輸出電壓連續(xù)步進可調，滿足設計要求。在方案三中用 到了運放、單片機、數(shù)模轉換 DAC0832，這些器件都需要穩(wěn)定的工作電壓，因此系統(tǒng)最終的選擇方案一與方案三相結合，采用方案一實現(xiàn)系統(tǒng)的工作電壓，采用方案三實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的連續(xù)步進可調 [8]。 3. 2 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)由各個模塊組成，由各個模塊組成的系統(tǒng)框圖如圖 所示。 圖 AT89C51 單 片 機 按鍵控制 電源電路 DAC 比較電路 取樣電路 顯示電路 調整電路 第三章 主要器件介紹 AT89C51 簡介 本課題設計的直流穩(wěn)壓電源的核心控制器件選用 AT89C51[1]。 AT89C51 是一種帶4K 字節(jié)閃 爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器， AT8920C51 是他的精簡版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案， 引腳圖如圖 。 圖 AT89C51引腳圖 AT89C51主要特性 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8位內部 RAM 32可編程 I/O線 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 + 5VD A C 0832V c cI