高效直流稳压电源的设计
摘要
直流稳压电源的应用非常的广泛，现在采用串联稳压的直流稳压电源，往往需要背负较大的散热器，采用开关稳压的直流稳压电源的效率高，但电源的输出纹波较大，对负载的适应性要求较高。
质量优良的数控稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。本文主要介绍基于单片机的数控直流稳压电源的设计。将单片机数字控制技术, 有机地融入直流稳压电源的设计中, 就能设计出一款高性价比的多功能数字化通用直流稳压电源。
关键词直流稳压电源, 单片机, 数字控制
Abstract
DC regulated power supply applications is very broad, now the series voltage stabilizing DC voltage stabilizing power supply, often need to bear a larger radiator, adopts high efficiency switching regulator of DC stabilized power supply, but supply output ripple larger, adaptability to load requirements higher.
Quality control of power supply, in order to meet the requirements of all kinds of electronic circuits. This paper mainly introduces the design of NC DC power supply based on MCU. Digital control technology will be integrated into the DC regulated power supply design, you can design a cost-effective digital versatile digital DC power supply.
Keywords regulated power supply of direct current;single2ch ip m icrocomputer, digital control
目录
1.1设计任务与要求 (8)
1.1.1设计任务 (8)
1.1.2设计要求 (8)
1.2方案的选择与论证 (8)
1.2.1 总体设计方案 (8)
1.2.1.1 方案一 (8)
1.2.1.2 方案二 (9)
1.2.1.3方案三 (10)
1.2.1.3 方案比较 (11)
第3章硬件电路设计分析 (14)
3.1主控芯片 (14)
3.1.1STC89C52最小系统 (16)
3.2D/A转换模块电路 (16)
3.3A/D转换电路 (20)
3.4按键电路设计 (21)
3.5显示电路 (22)
3.5.1数码管分类 (24)
3.5.2驱动方式 (25)
3.6MAX7221电路 (26)
2 MAX7221功能简介 (27)
2.1MAX7221的功能特点 (27)
2.2MAX7221引脚介绍 (27)
2.3MAX7221功能 (28)
2.3.1 串行数据输入和控制寄存器 (28)
2.3.2 省电模式 (28)
2.3.3 译码/非译码模式 (29)
2.3.4 亮度控制寄存器 (30)
2.3.6 显示测试模式和空操作模式 (31)
3.7电源电路 (32)
3.7.1整流电路 (32)
3.7.2滤波电路 (34)
3.7.3稳压电路 (37)
3.8P ROTEL简介 (38)
3.8.1 原理图的设计流程 (38)
3.8本章小结 (40)
第4章软件系统 (41)
4.1K EIL软件介绍 (41)
4.2K EIL软件的应用 (42)
4.2.1 Keil软件的作用 (42)
4.2.2 Keil软件的操作流程 (42)
4.2主程序流程 (50)
4.3按键处理程序流程 (52)
4.4本章小结 (53)
结束语 (54)
参考文献 (55)
致谢 (56)
附录 (57)
附录A整体硬件电路图 (57)
附录B程序 (58)
绪论
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。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。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，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。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。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。
数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地
解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。
电源采用数字控制，具有以下明显优点:
1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。
2)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。
3)控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。
4)系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。
第一章系统设计
1.1设计任务与要求
1.1.1设计任务
设计基于单片机控制的数控直流电压源为电子设备供电，设计一个效率较高且输出纹波较小的直流稳压电源，能够采用数字调节电压输出，并用计算机绘制所有的电路图和印刷电路图。
1.1.2设计要求
（a）输出电压范围：0-30V，步进值为：0.1V
（b）输出电压范围：0-2A，步进值为：0.01A
（c）纹波电压：〈100mV；
（d）效率：≥75%
（e）用数字显示输出电压
1.2方案的选择与论证
1.2.1 总体设计方案
1.2.1.1 方案一
此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变化后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器经过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统正常工作，必须使双计数器同步工作。方案一原理框图如图1所示：
图1方案一原理框图
1.2.1.2 方案二
此方案不同于方案一之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM 的地址输入，而由EPROM 的输出经D/A 变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。由于只使用了一套计数器，回避了方案一中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制路径烧录在EPROM 中，使系统设计灵活性降低。方案二原理框图如图2所示：
整流滤波电路
调整管 过流保护
电源
误差放大
D/A 转换
二进制 计数器 十进制 计数器
时钟、控制
电压预置
步
进加 步进减
译码显 示
图2 方案二原理框图
1.2.1.3方案三
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，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ADC0804进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。采用软件方法来解决电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压（电流），设置步进等级可达0.1V ，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。利用单片机程控输出数字信号，经过D/A 转换器输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。单片机系统还兼顾对电压进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过A/D 转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理， 通过
整流滤波电路
调整管 过流保护
D/A 传换
误差放大
电压预置
步进加
步进减
十进制记数器
译码显示
EPROM
数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的电压输出。方案三原理框图如图3所示：
图3 方案三原理框图
1.2.1.3 方案比较
控部分：方案一、二中采用小器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内接口电路烦琐，中间相互关联多，抗干扰能力差（例如方案一中的双计数器一旦出现记数不同步，会造成记数电压和显示电压不一致）。在方案三中采用了8051可编程器件来完成整个数控部分的功能，同时8051可编程，便于系统的扩展。
输出部分：方案一、二采用线形调压电源，以改变其基准电压的方式使输出步进增加/减小，这样不能不考虑整流滤波后的波纹对输出的影响，而方案三使用MOS管做为前级的功率放大电路，由于MOS 管具有很大的电流电压抑制化，可以大大减小输出端的波纹电压。在方案一、二中为抑制纹波在线形调压电源的输出端并联的大电容减低了系统的响应速度，这样输出电压难以跟踪快速变化的输入，方案三中的输出电压波形与D/A变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先输出波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统成为有一定驱动能力的驱动源。
显示部分：方案一、二中的显示输出是对电压的量化值直接进行译码输出，显示值为D/A变化的输入量，由于D/A变换和功率驱动引入的误差，显示值与电压实际输入值之间可能出现较大偏差。方案三中直接对输出电压进行采样并与设定的电压值进行比賋，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值误差过大，用户可根据该信息进行处理。在方案三中还采用显示接口器件MAX7221 ，简化了借口引线，提高了CPU利用率。
综上所述，选择方案三，使用单片机实现。
1.2.2 单片机的选择
单片机是智能安防报警系统的核心部件，一方面它要接收来自传感器的检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。
如今市面上比较普遍的单片机有8051系列与STC系列。8051单片机虽然应用普遍，工具多，易上手，片源广，价格低，但是速度慢，功耗大，适合民用，商用，不适合工业用途。
STC单片机其突出的特点是功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高。8051系列采用的是堆栈指针，STC采用硬件堆栈8级。当堆栈指针设定合理，局部变量少的情况下，8051系列用10层的程序嵌套不会出现问题。而STC单片机程序嵌套包括中断最多不能超过8层。所以如果用C语言进行STC编程设计容易堆栈溢出。
汇编语言对于不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，所以不易移植。而C语言是一种结构化的高级语言，虽然占用资源较汇编多，但是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。鉴于C语言的易读性和普遍性，本论文的软件设计选择C语言编程，为适用于本论文设计的智能安防报警系统，应选择一种比8051系列速度快，功耗低，抗干扰性好，宏晶科技新推出的STC系列单片机具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度却比8051单片机快8~12倍。而且STC系列下属的STC89C52系列单片机是低功耗Flash单片机，它的高效寻址方式、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价比和应用适应性。
本设计采用STC89C52单片机。
第3章硬件电路设计分析
经过第2章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件，所以本章开始讲述基于单片机高效率稳压电源的硬件电路的设计。3.1 主控芯片
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52单片机实物图如图4，引脚如图5。
图4 STC89C52单片机实物图
图5 STC89C52单片机引脚图
3.1.1 STC89C52参数
1. 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.[2]
2. 工作电压：5.5V～
3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）
3.工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz
4. 用户应用程序空间为8K字节
5. 片上集成512 字节RAM
6. 通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。
7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8. 具有EEPROM 功能
9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2
10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
12. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
13. PDIP封装
3.1.1 STC89C52最小系统
STC89C52最小系统包括晶振电路；复位电路，具体原理图见图6
EA/VP 31X119
X218
RESET 9
RD 17WR
16INT012
INT113T014
T115
P10/T 1P11/T 2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732
P2021P2122P2223
P2324P2425P2526P2627P27
28PSEN
29
ALE /P 30TXD 11RXD 10A 1A 2A 3A 4A 5A 6A 71
234567895V
K1
LE D1LE D
R11
5V
LE D1
A 0
Y1
11.0592M
C2
22p f
C3
22p f
S1RST
+
C410u f
+5V
R10
10k
+5V RXD TXD ST ART_C PL AY REC h ot YW_CGQ HW_CGQ
图6 主控系统最小原理图
3.2 D/A 转换模块电路
电源输出电压范围是0-30V ，步长0.1V,共有300个状态，而8位的D/A 转换只有256个状态，不能满足要求，因此我需要选用10字长的D/A 转换器来达到设计要求。
ＭＡＸ５０４是由美信（Ｍａｘｉｍ）公司生产的一种低功耗、电压输出型１０位串行数／模转换器。ＭＡＸ５０４既可用＋５Ｖ单电源工作，也可用±５Ｖ双电源工作。该电路采用１４引脚ＤＩＰ型或ＳＯ型封装。图7示出它的引脚排列，表１介绍它的引脚功能。
图8所示ＭＡＸ５０４的结构框图，ＭＡＸ５０４内部的运算放大器增益可以设置成１或２，还可设置成单极性或双极性输出电压。
ＭＡＸ５０４利用１个带有单电源供电的运算放大器“倒转的”Ｒ－２Ｒ梯形网络，将１０位数字信号转换为模拟电压信号。由于电流输出型数／模转换器的ＲＥＦＩＮ引脚是运算放大器求和的连接点或虚地，因此用“倒转的”这个术语描述该梯形网络。然而，相对参考电压来说，这种应用会导致输出电压反向，ＭＡＸ５０４的拓扑使得输出的极性与参考电压输入极性相同。上电时，内部复位电路使ＤＡＣ寄存器复位为零，此外，当ＣＬＲ引脚保持低电平时，使寄存器都置零，ＣＬＲ引脚的工作异步并独立于片选ＣＳ端
图7 ＭＡＸ５０４引脚排列
表1 ＭＡＸ５０４引脚功能
图8 ＭＡＸ５０４结构框图
工作时序：
ＭＡＸ５０４的工作时序如图9所示，最大时钟频率由１／（ｔＣＨ＋ｔＣＬ）决定，大约是１４ＭＨｚ，数据更新率受片选周期限制，其周期为１６3（ｔＣＨ＋ｔＣＬ）＋ｔＣＳＷ，相当于１．１４μｓ，或者８７７ｋＨｚ的更新率。然而，１０位Ｄ／Ａ转换的建立时间为２５μｓ，这样，更新率限制为４０ｋＨｚ。
ＭＡＸ５０４使用３线串行接口，这种接口与ＳＰＩＴＭ、ＱＳＰＩＴＭ（ＣＰＯＬ＝ＣＰＨＡ＝０）和Ｍｉｃｒｏｗｉｒｅ标准兼容，通过写入２个８位字节对ＤＡＣ进行编程（如图２所示），１６位串行数据按下列顺序进入Ｄ／Ａ转换
器：４位填充（哑元）位、１０位数据位、２位“０”。４位哑元位数据通常是无用的，然而２位“０”数据是需要的，这是因为要求其硬件和软件必须与１２位
ＭＡＸ５３１／ＭＡＸ５３８／ＭＡＸ５３９兼容。ＳＣＬＫ为低电平时，应该出现ＣＳ跳变。ＣＳ为低电平时，数据在ＳＣＬＫ的上升沿出现时输入，串行输入数据保持在１６位串行移位寄存器中。
ＣＳ出现上升沿时，１０位数据被传输到ＤＡＣ寄存器，更新ＤＡＣ。随着ＣＳ变为高电平，数据不能进入ＭＡＸ５０４。ＭＡＸ５０４以１６位
数据块输入数据，ＳＰＩ和Ｍｉｃｒｏｗｉｒｅ接口以８位数据块输出数据，因此，要求在２个写周期输入数据至
ＤＡＣ，ＱＳＰＩ接口要求８位到１６位可变的数据输入，且以一个写周期载入ＤＡＣ。
图9 ＭＡＸ５０４工作时序
根据ＭＡＸ５０４的工作原理及上述工作时序，采用ＭＡＸ５０４（单极性输出方式）增益为１的工作模式，可以设计STC89C51与ＭＡＸ５０４的硬件接口电路，如图10所示。将ＭＡＸ５０４的ＤＩＮ、ＳＣＬＫ和ＣＳ分别接到STC89C51的Ｐ２．５、Ｐ２．６和Ｐ２．７，