2013届本科生毕业论文学号：090701050123
成绩：
基于单片机的数字直流稳压电源的设计
院部：电子与信息学院
专业：电子信息工程
姓名：陈洪桃
指导教师：
二〇一三年五月
毕业论文诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业论文《》是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。
本声明的法律结果由本人独自承担。
作者签名：
年月日
摘要
随着电子技术的不断发展，直流稳压电源已被运用于各类电子设备，仪器仪表与实际工程当中。随着科技的进步，各行业对所需直流电源有了更高要求，需要精度更高，调节范围更广，输出功率更大，性能更稳定的直流稳压电源。因而对其整体设计有了更高要求，需改变陈旧的设计思路及方法，为先进的设计思想以及电子元器件提供更创新的应用。
本文主要介绍了以AT89S52单片机为主控制器的直流稳压电源的设计方法，通过键盘设置直流电源的输出电压，数码管动态显示原理,定时中断原理,以此了解单片机的应用，同时介绍了数模转换芯片DAC0832和存储芯片24C01的工作原理。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其系统。输出电压范围在0～24V，最大电流可达330mA，设置步进等级能达0.1V，并显示其实际输出电压值。本系统由单片机程序控制数字输出信号，以其作为核心，用LED数码管显示输出电压，通过按键增加或减少输出电压。
首先，本文将概述数字直流稳压电源的研究目的与意义，以及国内外发展状况，研究方法和整体设计思路。
其次，本文将主要介绍数字直流稳压电源的基本原理，硬件组成与其系统硬件电路设计。并阐述数字直流稳压电源的整体设计思路以及数字直流稳压电源的功能模块设计及流程图
最后，本文将介绍数字直流稳压电源系统的软件设计。
在附录中，本文还将给出系统的程序清单，供参考之用。
【关键词】：数控电源，AT89S52单片机，直流稳压，数模转换
Abstract
With the continuous development of electronic technology, DC voltage has been applied to a variety of electronic equipment, instruments and practical engineering. With advances in technology, the industry has higher requirements for DC power required, need higher precision and a wider adjustment range, the output power is greater, more stable DC power supply.
Thus have higher requirements for the overall design, need to change old design thinking and methods for advanced design idea and the application of electronic components with more innovative. This article introduces the AT89S52 Single-chip microcomputer design method of controller of DC power supply, keyboard sets the output DC power supply voltage, digital animating principle, principles of timing interrupt in order to understand the application of single-chip, along with a DAC chip memory chip 24C01 and DAC0832 works. Translates the analog power supply and control circuits, digital circuits, amplifiers, display circuits and other parts of their system. 0~24V output voltage range, the maximum current of 330mA, sets the step level of 0.1V, and its actual output voltage value is displayed.
This system controlled by single chip digital output signal, in its capacity as the core, with LED digital tube display output voltage by pressing the increase or decrease in the output voltage.
First of all, this article outlines digital DC voltage-stabilized power supply for research purpose and meaning, and developments at home and abroad, research methods, and overall design. Secondly, this article introduces the basic principles of digital DC voltage-stabilized power supply, hardware and system hardware circuit design.
And set out the overall design as well as digital DC voltage-stabilized power supply features digital DC voltage-stabilized power supply module design and flowchart
Finally, this article describes digital software designs of DC power supply system.
In the Appendix, the article will list of system procedures, for reference purposes. [Keywords]:NC power supply, AT89S52 SCM, DC, DAC
1绪论 (1)
1.1数字直流稳压电源的研究目的及意义 (1)
1.2 国内外发展状况 (2)
1.3研究的方法 (2)
1.4 论文构成及整体设计思路 (2)
2 数字直流稳压电源原理介绍 (3)
2.1 方案选择及总体设计原理 (3)
2.2 单片机AT89S52介绍 (4)
2.3 矩阵式键盘扫描原理 (5)
2.4 数码管动态显示原理 (6)
2.5 DAC0832和24C01的使用介绍 (7)
3数字直流稳压电源硬件电路设计 (11)
3.1稳压电源数字部分电路 (11)
3.1.1 单片机外围接口电路 (11)
3.1.2 数字部分电路PCB设计 (18)
3.2 稳压电源模拟部分电路 (19)
3.2.1 电源部分电路 (19)
3.2.2 输出电压控制单元电路 (20)
4数字直流稳压电源软件程序设计 (25)
4.1系统软件流程图 (25)
4.2 系统程序的介绍 (27)
结论 (31)
参考文献 (32)
附录 (33)
致谢 (44)
本章将介绍数字直流稳压电源系统研究的目的及意义，国内外电源技术的发展状况，系统的研究方法和整体设计思路，论文的构成以及系统的研究内容。
1.1直流稳压电源的研究目的及意义
现代科学技术的迅速发展，电源扮演了非常重要的作用。电源技术现已成为一门实践性很强的工程技术，其中以数控电源技术为代表。服务于各类电子行业，并随着计算机和通信技术的发展，而转变成信息技术革命，给这方面技术的发展提供了广阔的前景，同时对电源也有了更高的要求。而现在数控电源的普遍使用，普通电源在一般工作时产生的误差，会影响整个系统的准确性。由于电源在使用时可能会造成很多的影响，因此电源数字化控制已成为人们现在追求的目标，它将会给人们带来很多便利，其中数字直流稳压电源是一个很好的例子，人们对它也有了越来越高的要求。
相对于我们学生而言，大学实验过程中，一个稳定可调的直流电源供应器在很大程度上为我们的设计和研究提供了一些方便。由于传统直流电源输出电压是通过粗调波段开关以及细调电位器所调节的，且由电压表显示其电压值大小。这种直流稳压电压读存在数不是非常直观、易磨损、稳压精准度不高，不太容易调准、且电路构成相对比较复杂、体积比较大等一系列缺点，而基于单片机控制的数字直流可调稳压电源可以较好解决上面的问题。
本次课题设计将采用 AT89S52 单片机作为主要的控制核心，与其他组件和外围电路搭配，设计一个数字可调直流稳压电源。输出值和显示可以设置输出电压，也有大量的功能，如存储。通过系统的总体设计，我们的开发人员可以更深入地熟悉单片机原理，和一些外围电路的扩展，这对我们C语言的硬件编程能力将有大幅度的提高。
1.2 国内外发展状况
电力电子技术现已经成为一门完整和独立的高科技技术，而数字直流电源从80年代开始真正发展起来，在此期间系统的电子电力理论开始慢慢建立起来。现在电源主要为信息技术产业服务，它的发展对电源技术也有了更高的要求，从而对电源技术的发展起到了很好的推动作用，两者相互结合，从而也有了现在信息产业和电源产业的快速发展。到目前为止，电源已然成为了当今世界非常重要的基础科技产业，并且在和行业应用中发展广泛，从平时生活到最高端的科学都离不开电源技术的参与和支持，高频率、高效率、密度高、低电压、高电流和多元化已成为其主要的发展趋势。
目前国内外电源产业中，比如各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、DC/DC 开关电源、交流变频调速电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、正弦波逆变电源、风光互补型电源等已慢慢占据世界主导地位。像产品价格、性能指标、品牌效应及使用寿命一直是用户比较关心的问题。从而促使国内外电源生产商向电源的应用技术数字化、硬件结构模块化、产品性能绿色节能环保以及智能化的方向发展。
1.3研究方法及整体设计思路
此次设计从选题我目的就很明确，当设计课题确定下来以后，我通过四年所学专业知识的运用和积极查阅各种相关资料。首先针对题目所提出的各种要求，对整个设计思路进行规划，然后对方案设计的可行性进行反复的分析论证，最终敲定最后的设计方案。之后，查阅参考相关资料进行硬件电路各模块的设计，同时对软件模块也逐一设计，再进行不断的检测，编译，将正确的代码下载到硬件电路当中，最后对系统一步步不断调试，通过最后不断的修改来完善整个系统。
1.4 论文构成及研究内容
本文通过对单片机来实现数字式可调稳压电源的原理、主要介绍了单片机实现数字可调稳压电源的硬件电路设计和软件电路设计。在各章节当中，详细介绍了各功能模块的整体设计思路，设计情况，以及模块之间相互的联系。
2 数字式可调稳压电源原理介绍
在实验过程中直流电源一般都是用来调整电位器来调节电压,由于电位器的温漂比较大，让输出的电压会有所漂移，因而和它并不是很容易操作。本文主要介绍数字式可调稳压电源由单片机AT89S52，4 x 4 键盘，数码管，数模转换芯片DAC0832，存储芯片24C01，放大电路等部分元器件构成，通过对单位的控制输出数字信号，然后由 D/A 转换器（DAC0832）输过其模拟量，最后通过运算放大器的隔离放大，控制输出功率管的基极，通过输出功率管的基极电压的变化，间接改变输出电压的大小。
其原理主要包括键盘扫描原理、数码管动态显示原理、模数转换原理及I2C总线原理，在这一章，主要侧重于设计过程中涉及的原则。
2.1 方案选择及总体设计原理介绍
1、方案分析与选择
方案一：数值控制部分由单片机数模转换转换芯片驱动，提供所需参考电压为线性稳压电压。
优点：对于单片机，系统工作处于开环状态，系统需要高精度DAC，设计费用相对较低。
缺点：损耗大，LED数码管输出显示不是系统的精确输出电压，需要对其进行系统补偿
方案二：数控部分以AVR单片机的PWM组成开关电源，并且利用AVR的AD 转换，并实时转换输出电压，使用软件来调整电压来达到调节。系统框图如图2.1
图2.1方案二框图
优点：硬件简便，稳压由软件完成很多工作，单片机的运行速度要求更高。软件要
求比较高，损耗相对小。
缺点：输出纹波电压较大，对硬件的要求很高。
方案二设计的电路结构开始对设计者很吸引，但是了解到AVR单片机的PWM的精度在开关电源的使用上比较勉强，而且开关电源有个通病：纹波电压比较大，我们考虑到对电源的损耗要求比较高，也为了保证纹波足够小，所以我们选择方案一。
2、总体设计原理
此次设计采用AT89S52单片机作为整体的控制核心，利用4×4键盘输入数字量，通过控制单元输出数字信号，再经过D/A转换器（DA0832）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。
2.2 单片机AT89S52介绍
AT89S52是低功耗、高性能CMOS8位的微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，和工业80C51 产品指令和引脚完全相容。片上的Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程器。而在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
1、与MCS-51单片机产品兼容；
2、8K字节在系统可编程Flash存储器；
3、1000次擦写周期；
4、全静态操作：0Hz～33Hz；
5、三级加密程序存储器；
6、32个可编程I/O口线；
7、三个16位定时器/计数器；
8、八个中断源；
9、全双工UART串行通道；
10、低功耗空闲和掉电模式；
11、掉电后中断可唤醒；
12、看门狗定时器；
13、双数据指针；
14、掉电标识符。
另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其引脚结构如图2.2
图2.2 AT89S52引脚结构
2.3 矩阵式键盘扫描原理
键盘的开关矩阵由很多按键组成，是微型计算机比较常用的输入设备，在正常情况下，用户可以使用键盘向计算机输入指令，地址和数据。通常单片机系统采用非编码键盘，非编码键盘通过软件来识别键盘上的闭合键，结构简单，操作灵活，是它的特点，因而广泛应用于单片机系统。
键盘的按键由触点式和非触点式两种组成，机械触点构成单片机中的按键。对按键的读取容易导致的错误，按键的机械特性决定抖动时间的长短，一般为5~10ms,为让CP U 能正确读出口线的状态，每一次按键只做一次响应，所以必须考虑如何去抖动。一般常用去抖动方法有两种：硬件法和软件法，单片机通常采用软件法去抖动。
4 x 4 矩阵键盘（图2.3）的按键识别方法：线扫描方法也被称为逐行扫描查询，
确定键是一个常用的识别方法，主要过程是：判断键盘键是否按下，让所有列线置为低电平，所有行线置作为高电平，然后读行线的状态。若是有一行的电平为低电平，则键盘中存在按键按下，然后依次将行线置为低电平。当确定某根行线位置为低电平后逐个检测各列的电平状态。其列线如果是低电平，则该列线与置低电平的行线相交叉处的按键为闭合键。
图2.3 4×4矩阵式键盘
2.4 数码管动态显示原理
如图2.4, 共阴LED 数码管一般由组成七个发光二极管共阴连接，按照8字形结构逐一排列。因此，我们把收到的这些二极管正极接到高低不同的电位，共阳LED 数码管，即选通位接高水平，连接的闪光灯位置a,b,c,d,e,f,g,h端连接到高或低电平，如果使数码管显示"0"，则必须让g，h和选通位高电平，其他引脚是低水平。当我们设计电路时，我们完全可以将数码管这几个引脚分别接到单片机的引脚上，并且加上限流电阻，这样我们就可以通过程序控制数码管的工作
数码管动态显示：连接方法是将每个二极管的同名端连在一起，而每个显示器的公共极COM各自独立的接受I/O线控制，CPU向字段输出端口输出字型码，所有显示器接受到相同的字符，而要使用哪个显示器要取决于他们的COM的电平，而这段是由I/O端控制的，由单片机输出。动态扫描时连续的动态扫描，是肉眼暂留现象，是发光二极管的余辉效应所造成的，给人的感觉就是一组稳定的显示数据。
本次设计用4位共阳数码管显示输出电压值，运用多路复用显示，这是指每个显示只驱动1/4时间。
图2.4 LED数码管结构图
2.5 DAC0832及24C01使用介绍
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。图2.5所示是它的内部结构图。
图2.5 DAC0832内部结构
从图2.5中可见，DAC0832由两个寄存器和一个8位D/A转换器组成，它的引脚
功能如下：
CS——片选信号，和允许锁存信号ILE组合来决定是否起作用，低有效。
ILE——允许锁存信号，高有效。
WR1——写信号1，作为第一级锁存信号，将输入资料锁存到输入寄存器（此时，必须和、ILE同时有效），低有效。
WR2——写信号2，将锁存在输入寄存器中的资料送到DAC寄存器中进行锁存（此时，传输控制信号必须有效）低有效。
XFER——传输控制信号，低有效。
DI7~DI0——8位数据输入端。
IOUT1——模拟电流输出端1。当DAC寄存器中全为1时，输出电流最大，当DAC 寄存器中全为0时，输出电流为0。
IOUT2——模拟电流输出端2。IOUT1+IOUT2=常数。
Rfb——反馈电阻引出端。DAC0832内部已经有反馈电阻，所以，RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端。相当于将反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端之间。
VREF——参考电压输入端。可接电压范围为±10V。外部标准电压通过VREF与T 型电阻网络相连。
VCC——芯片供电电压端。范围为+5V~+15V，最佳工作状态是+15V。
AGND——模拟地，即模拟电路接地端。
DGND——数字地，即数字电路接地端。
根据上述对DAC0832的输入寄存器和DAC寄存器不同的控制方法，DAC0832有如下
3种工作方式：
⑴单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。
⑵双缓冲方式。双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。
⑶直通方式。直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即CS*，XFER* ，WR1* ，WR2*均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换。
在这次设计中，顾忌到所需转换数据量不是太大，DAC0832我们采用直通方式的硬件接法。它的引脚结构如图2.6所示：
图2.6 DAC0832引脚结构
CAT24WC01/02/04/08/16 是一个1K/2K/4K/8K/16K 位串行CMOS E2PROM 内部含有128/256/512/1024/2048 个8 位字节CATALYST 公司的先进CMOS 技术实质上减少了器件的功耗
CAT24WC01 有一个8 字节页写缓冲器CAT24WC02/04/08/16 有一个16 字节页写缓冲器该器件通过I2C 总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。
图2.7 24C01引脚结构
管脚功能：A0、A1、A2：器件地址选择，SDA：串行数据/地址，SCL：串行时钟，WP：写保护，VCC/VSS：电源/地。
24C01从器件地址：在I2C总线的开始信号以后，把送出的第一字节数据用来选择从器件地址，选择前7位为地址码，第8位为为方向位（R/W）。方向位“0”表示发送（主器件把信息写至所选择的从器）；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息，器件地址如图2.8所示：
图2.8 器件地址
3 数字式可调稳压电源硬件电路设计
此次系统硬件电路设计主要以AT89S52单片机作为整机的控制核心，以PROTEL DXP 设计软件布线，并用到了模数转换芯片DAC0832、外部存储芯片24C01、放大器芯片LM324、4×4矩阵式键盘、数码管等别的器件。在研究当中，所设计的总体设计框图考虑到每个元件的一些电气特点，像元器件之间相互间的干扰，接地，布线等一些问题，此次设计的系统将硬件电路设计分为数字部分和模拟部分。
3.1.1 单片机外围接口电路
1、单片机外围接口总电路。
单片机AT89S52与外围器件的接口总电路如图3.1所示，为了使各部分的电路介绍更加清楚明了，下面就简单介绍下单片机外围接口电路的情况。
图3.1 AT89S52与外围器件的接口总电路
如图3.2所示，单片机AT89S52的P0、P2.5－P2.7接数码管输出显示部分电路，P0口用来输出字段码；P2.5－P2.7用来输出数码管选通位信号；P2.0、P2.2分别接外部存储芯片24C01的数据线（SDA）和时钟线（SCL）；P2.3接扬声器电路，为了执行内部的程序指令，EA/VPP应该接VCC.
图3.2 AT89S52部分接口电路一
如图3.3所示，单片机AT89S52的P1口跟数模转换芯片DAC0832连接起来，以此作为输出数字量信号；RST做复位脚，负责输入复位信号，与此同时它还与P1.5－P1.7一起充当ISP下载端口；P3口充当键盘信号输入端口，XTAL1、XTAL2接晶振电路。
图3.3 AT89S52部分接口电路二
2、单片机外围电路接口电路具体介绍。
下面主要介绍下单片机与其它外围器件的接口电路。
（1）数码转换芯片DAC0832与单片机AT89S52接口电路。
这次设计中主要利用模数转换芯片DAC0832将键盘输入数字量转换成模拟量（电流），用来实现数控功能。DAC0832是一种电流型的芯片，在前面材料第2章2.5节介绍了它的主要工作原理，在数字式可调稳压电源的设计中，采用了该芯片的直通工作方式（即CS、WR1、IOUT2、AGND、WR2、XFER接地；ILE、VREF接＋5V电源），它的数据输入口D0－D7分别与单片机的P1.0-P1.7相连，从IOUT1引脚输出模拟量（电流）接同相比例放大电路。如图3.4。
图3.4 DAC0832与AT89S52接口电路
（2）存储芯片24C01与单片机AT89S52接口电路。
存储芯片24C01是AT24C系列E2PROM，它支持I2C总线数据传送规则。其硬件接法如下图3.5所示，引脚1、2、3、4、7接地；8脚接＋5V；5脚与6脚分别接单片机的P2.0、P2.2的同时接5.1K上拉电阻后再接＋5V（因连接总线的器件的输出端必须是集电极或漏极开路，以具备线“与”功能）。
图3.5 24C01硬件接法
（3）4×4矩阵键盘接口电路。
在这次课题设计中利用了4×4矩阵键盘来实现对电压输入值的设定、步进、按键存储、复位、确定等功能用来实现数控，其硬件连接图如图3.6，实现功能如表3.6
图3.6 4×4矩阵键盘电路
表3.1 4×4矩阵键盘功能表