基于单片机直流稳压电源的设计与实现.docx
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基于单片机直流稳压电源的设计与实现
摘要
随着电力电子技术的不断发展,稳压电源在各类实际工程中得到了广泛的应用,大大提高了电气设备及其控制系统的工况特性,达到了设备节能降耗的LI的。
本设讣利用STC12C5410AD单片机为主控制器,用其PWM输出经过简单电路实现DAC功能,可通过键盘技术来设置输出电压值,并有数码显示实际输出电压值。
关键词:
稳压电源;单片机;PWM
ABSTRACT
Withthedevelopmentofelectronictechnology,regulatedpowersupplyhasbeenwidelyappliedinallkindsofpracticalengineering.Theelectricalequipmentandthestatusofcontrolsystemshavebeengreatlyimproved,andtheenergyhasbeensavingyusingtheregulatedpowersupply.MUCwasusedasthemaincontrollerofthesystem,whosePWMoutputcanbeusedasDACthroughsimplecircuit.Thevoltageoutputcanbesetbyusingthekeys,andthepracticalvoltagewasdisplayedthroughdigitaltube・
Keywords:
regulatedpowersupply;MCU;PWM
1概述
采用单片机的智能可调稳压电源价格低廉,采用常见元件就能实现其功能,显示清晰直观,传统的模拟可调稳压电源没有读数,在使用过程中很不方便,而且长时间使用往往无法保证输出电压的稳定性。
智能可调稳压电源则釆用先进的数显技术,使测量结果一日了然,只要仪表不发生跳数现象,测量结果就是唯一的,不仅保证读数的客观性与准确性,还符合人们的读数习惯,能缩短读数和记录的时间。
其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变稳压电路的输出,其中,稳压电路采用的三端稳压器7805是电流源型稳压电路,是通过调节输出电流来保证输出端电圧的,其反馈量是电压,基准量也是电压,经过内部电路转化成反馈电流和基准旁路电流,其差值乂去旁路内部电流源使输出电流满足端电压的稳定。
数字可调稳压电源是通过按键以步进方式选取不同的输出电压,再有数码管显示输出电圧机器工作状态,工作稳定可靠。
采用单片机的数字可调稳压电源,它具有输出电压容易改变、价格低廉、显示清晰直观、准确度高、扩展能力强等特点。
1.1直流稳压电源研究动态
在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60年代中期开始形成,到了90年代以来,电源产业进入快速发展时期。
一方面,电源产业规模的发展在加快;另一方面,在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业界涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平的产品,而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年,尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。
U前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学,主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳圧电源或数字化电压单元达到数控的LI的,但和国外的比较起来,效果不是很理想,还有很大的差距。
国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。
总体说来,国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后,面对激烈的国际竞争,是个严重的挑战。
1.2选题意义
直流稳压电源是一种常见的电子仪器,广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。
随着电子技术的飞速发展,各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高,稳压电源不断朝着小型化,智能化,数字化,模块化,高效率,低成本和高可靠性方向发展。
本设计的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。
智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制;数字化主要是指系统输出电压通过四位数码管显示,并且可以通过按键对输出电压进行连续步进调节;模块化是指系统山各个相关模块组成,提高了系统的可靠性。
选题将以微处理器为主体取代传统电源的常规电子线路,将计算机技术与测量控制技术结合在一起,设计并制作智能化直流电源。
目的是进一步简化系统电路,提高系统的可靠性。
2稳压电源的工作原理
2.1直流稳压电源基本原理
直流稳压电源山电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成,其原理框图如1图所示。
电网供给的交流电压U1(220V,50Hz)经电源变压器降压后,得到符合电路需要的交流电压U2,然后山整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压U3,再用滤波器滤去其交流分量,就可得到比较平直的直流电压UI。
但这样的直流输出电压,还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。
在对直流供电要求较高的场合,还需要使用稳压电路,得到更加稳定的直流电压U。
③。
2.2稳压电路的设计
稳压电源是电子设备的重要部分,其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性,而且电子设备的故障大部分来自电源,因此电源越来越受到人们的重视。
电子电路及电子设备对电源最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳定。
电子产品中,常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78XX系列和负电压输出
的LM79XX系列。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳圧电源所需的外围元件极少,电路
内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜,所以本设计釆用LM78XX系列三端稳压器稳压3:
。
电路图如图2
IN
U4
lOOpF
士
lOOpF
图2
由于图2电路输出的电压固定不变,不能实现对输出电压的步进可调,所以为了能
使输出电压步进可调,必须加以相关的电路来实现其功能^电路图如图3o
IN§OUT
图3
这样,电路2实现对单片机所需工作电压的供给,而电路3既可实现稳定的电压输出,而且输出电压可以步进可调,所以本设计采用电路2与电路3的结合。
2.3系统框图的设计
经过对稳压电源基本原理的分析,基本对电路有了一个大概的设计。
系统由各个模块组成,各个模块组成的系统框图如图4。
本设汁通过按键设置数字电压值并且在数码管上显示,而设置的电压值通过单片机的PWM输出经RC滤波电路转换成模拟电圧值⑸,通过模拟放大器将电压放大后送给控制7805得到稳压输出。
各部分功能:
单片机:
起到控制作用
显示电路:
用来显示预置电压
电源电路:
对单片机和稳压电路进行供电
按键控制:
对预置电压进行改变
RC电路:
将PWM方波信号转换成模拟电压值
稳压电路:
输出恒定的电压
3硬件电路设计
3.1器件选择
3.1.1STC12C5410AD单片机
STC12C5410AD系列单片机⑷是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片札是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍,内部集成MAX810专用复位电路。
4路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制,强干扰场合oSTC12C2052AD系列只有2路PWM,8路高速8位A/D转换oSTC12C5410AD基本结构框图如图5,引脚功能如表lo
STC12C5410AD主要特性:
1.增强型8051CPU,IT,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051:
2.工作电压:
5.5V-3.5V(5V单片机)/3.8V-2.2V(3V单片机):
3.工作频率范围:
0-35MHz,相当于普通8031的0〜420MHz;
4.用户应用程序空间IK/2K/4K/6K/8K/10K/12K字节
5.片上集成512字节RAM;
6.通用I/O口(27/23/15个),复位后为:
准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏;
7•时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器,用户在下载用户程序时,可选择使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟,常温下内部R/C振荡器频率为:
5.2MHz〜6.8MHz;
8.共6个16位定时器/计数器,两个专用16位定时器T0和T1再加上PCA模块可再实现4个16位定时器;
9.外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断唤醒;
10.PWM(4路)/PCA(可编程计数器阵列,4路),5410系列是4路,可用来当4路D/A使用,也可用来再实现4个定时器,还可用来再实现4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持);
11.A/D转换,10位精度ADC,共8路。
ICI/I0/P3.
TWH/YCli/Ciri/Ti/t3.5
!
£2.2E2.3
ESIBiJ/PS.QM/P3.1nn2nm
liOTS/氏13/CH3/T2-|―
?
2.5|
Gnd.
Sini34*1111
Ti.7/SCU/AICT
IPl.S/DSI/1BC5
|?
1.!
/SS/lDC
]?
1.3/JUCS2/1IC2
7i.afa(&
?
3.7/cnti/Tao/nriD|T2.I
\72.6
1/MCl
表1
管脚
说明
P0.0
标准1/0口
P0.1
标准1/0口
P0.2
标准I/O口
P0.3
标准I/O口
Pl.0/ADC0/CLK0UT0
P1.0
标准I/O口
ADC0
ADC输入通道-0
CLK0UT0
定时器、计数器0的时钟输出
Pl.1/ADC1/CLK0UT1
Pl.1
标准I/O口
ADC1
ADC输入通道T
CLK0UT1
定时器、计数器1的时钟输出
Pl.2/ADC2
P1.2
标准I/O口
ADC2
ADC输入通道-2
Pl.3/ADC3
P1.3
标准I/O口
ADC3
ADC输入通道-3
Pl.4/ADC4/SS
Pl.1
标准I/O口
ADC4
ADC输入通道-4
SS
SP1同步串行接口的从机选择信号
Pl.5/ADC5/M0SI
Pl.5/ADC5/M0SI
P1.5
标准I/O口
ADC5
ADC输入通道-5
M0SI
SP1同步串行接口的主出从入
Pl.6/ADC6/MIS0
P1.6
标准I/O口
ADC6
ADC输入通道-6
MIS0
SP1同步串行接口的主入从出
Pl.7/ADC7/SCLK
Pl.7
标准I/O口
ADC7
ADC输入通道-7
SCLK
SP1同步串行接口的时钟信号
P2.0/PCA2/PWM2
P2.0
标准I/O口
PCA2
可编程阵列输出2
PWM2
脉宽调制输出2
P2.1
标准I/O口
P2.2
标准I/O口
P2.3
标准I/O口
P2.4/PCA3/PW3
P2.4
标准I/O口
PCA3
可编程阵列输出3
PWM3
脉宽调制输出3
P2.5
标准I/O口
P2.6
标准I/O口
P2.7
标准I/O口
P3.0/RxD
P3.0
标准I/O口
RxD
串口数据接收端
P3.1/TxD
P3.1
标准I/O口
TxD
串口数据发送端
P3.2/INTO
P3.2
标准I/O口
Into
外部中断0,下降沿中断或低电平中断
P3.3/INT1
P3.3
标准I/O口
INTI
外部中断1,下降沿中断或低电平中断
P3.4/T0/EC1
P3.4
标准I/O口
P3.4/T0/EC1
TO
定时器/计数器0的外部输入
ECI
PCA计数器的外部脉冲输入脚
P3.5/T1/PCA1/PW1
P3.5
标准I/O口
T1
定时器/计数器1的外部输入
PCA1
可编程阵列输出1
PW1
脉宽调制输出1
P3.7/PCAO/PWO
P3.7
标准I/O口
PCAO
可编程阵列输出0
PWMO
脉宽调制输出0
RST
复位脚
XTAL1
内部时钟电路反相放大器输入端,外部接晶振的一个引脚。
当直接使用外部时钟源时,此引脚是外部时钟源的输入端。
XTAL2
内部时钟电路反相放大器输入端,外部接晶振的一个引脚。
当直接使用外部时钟源时,此引脚可悬空。
VCC
电源正极
GND
接地
3.1.2四位一体数码管
本设计采用四位一体共阳极数码管战。
由于把4个数码管做在一起了,减少了接正、
负电源的引出端脚,能简化电路,使得焊接电路更加简单、方便。
其原理与一般1位数
咬电於"20
码管相同。
数码管是山发光二极管构成的,亦称半导体数码管。
将条状发光二极管按照共阴极或共阳极的方法连接,组成"8"字,再把发光二极管另一电极作笔段电极,就构成了数码管。
若按规定使某些笔段上的发光二极管就能显示从0〜9的…系列数字。
常见数码管的结构如图6(a)所示。
图6(b)属于共阳极结构,图6(c)采用共阴极结构。
a〜g是7个笔段电极,DP为小数点。
**卜*卜******、3*3*幺*幺*幺
图6(b)图6(c)
为了使数码管显示出相应的数字或字符,必须使段数据口输出相应的字形编码。
a,b,c,d,e,f,g,h(h为小数点),哪个段码给低电平哪段就会点亮。
例如0是要让a,b,c,d,e,f段亮,输入的显示码为11000000B十六进制为OCOH,以此类推一到九也是这样算。
共阴码就是把共阳码取反。
求得数码管共阴极、共阳极字形或符号的编码如表2叭
表2
字符显不
共阴极段码
共阳极段码
显7F字符
共阴极段码
共阳极段码
0
3FH
C0H
b
7CH
83H
1
06FH
F9H
C
39H
C6
2
5BH
A4H
d
5EH
A1H
3
4FH
B0
e
79H
86H
4
66H
99H
f
71H
84H
5
6DH
92H
p
73H
82H
6
7DH
82H
r
31H
CEH
7
07H
F8H
y
6EH
91H
8
7FH
80H
—
40H
BFH
9
6FH
90H
■
80H
7FH
a
77H
88H
熄灭
OOH
FFH
3.2单元电路
3.2.1STC12C5410AD主控模块
单片机STC12C5410AD是稳压电源系统的控制核心曲,原理图如图7,其主要作用有以下三点:
1•通过控制P3.7口PWM的输出信号的占空比从而控制DAC输出电压;
2.产生正确的数码管显示段码传送给四位数码管,从而显示所控制的电压值;
3•根据键盘的输出指令,完成输出电压的增大或减小。
3
P2.2
VCC
P2.3
RST
WC7/P1.7
P3ORxD
ADC6P1.6
P3.1TxD
ADC5/P1.5
ADC4P1.4
ADC3,,P1・3
X2
ADC2F1.2
ADCl/PLl
XI
ADCO/PLO
P3.2/INT0
P33INT1
P2.1
P3.4/T0
PWXI2疋2.0
P3・5/TlrP\VMlP2.7
P2.4HVNI3
P2.6
P2.5
GND
P^I0/?
3.7
1
U1
STC12C54LCLW
28
25
24
23
22
IT
20
19
Is
27
26
Ts
主控电路中包括STC12C5410AD工作的基本电路:
复位电路和晶振电路,还有两个按键:
S2键和S3键,这两个按键用于控制输出电压的增加与减小。
3.2.2PWM的电压输出DAC模块
DAC是整个系统的纽带,连接着单片机控制部分与稳压部分。
本设计釆用STC12C5410AD单片机提供的PWM输出功能,应用STC12C5410AD单片机的PWM输出经过简单的变换电路实现DAC,这大大降低电子设备的成本,减少体积,并且容易提高精度。
应用PWM实现DAC的原理如下比
PWM是一种周期一定而高低电平的占空比可以调制的方波信号。
图8是一种在电路经常遇到的PWM波。
该PWM的高低电平分别为%和孔,理想的情况%等于0,但是实际中一般不等于0,这往往是应用中产生误差的一个主要原因。
图8的PWM波形可以用分段函数表示为:
CVHkNTWtWnT+kNT
f(t)J⑴
VLkNT+nTWtWNT+kNT
其中:
T是单片机中计数脉冲的基本周期,N是PWM波一个周期的计数脉冲个数,n是PWM波一个周期中高电平的计数脉冲个数,力和%分别是PWM波中高低电平的电压值,k为谐波次数,t为时间。
把
(1)所表示的函数展开成傅里叶级数,得到
(2)式:
/⑴=[三(VH-乂?
)+VJ+2—sin(卞)cos(三t一牛k)
NnNNTN
JLV-Vhji2hnn,、
+Vsin(—k)cos(——KT一——k)
(2)
〔3NNTN
PWMrlf度m
vH
VL
►t
0nTNT
图8
从
(2)式可以看出,式中第一项为直流分量,第二项为一次谐波,第三项为高次谐波分量。
式
(2)中的直流分量与n成线性关系,并随着n从0到N,直流分量从%到%
之间变化,这正是电压输出的DAC所需要的。
因此,只要把式
(2)中除直流分量的谐波过滤掉,则可以得到从PWM波到电压输出DAC的转换,转换电路图如图9。
PWM
R15
R17
DAC输出
10K
10K
图9
3.2.3串联稳压模块
串联稳压部分是本设计实现的核心用,电路图如图10,DAC电压输出电压决定稳压电路的输出。
该稳压电路山稳压器LM7805和运算放大器U3A组成,并且用A将稳压器与采样电阻隔离。
图中DAC输出电压V。
(即V+)为稳压电路的参考电压,运算放大器U3A的输出电压为Vo',稳压器LM7805的输出电压为VI(VI二5V),串联稳压电路的输出为Vout,其输出与DAC电压Vo成比例。
当调节电位器的动端位置时,稳圧电路输出电压Vout随之变化何,当Vout下降时,电位器由于串联分压使运放U3A的V-减小,从而使Vo'增大,由于Vout二V1+V。
',所以乂有Vout增大。
当Vout增大时,V.增大,使Vo'减小,由于Vout二Vl+Vo',所以又有Vout减小。
从而维持Vout基本稳定。
其稳定过程可简单表示如下:
Voutf—►V—►VoQ—routJ
VouQ—►V|—►Vc/f―^outf
U2
LM7805
图10
3.2.3显示部分模块
显示电路是对系统输出电压进行显示,使得系统输出的电压值一目了然,由于只显示输出的电压,所以本设计显示器件采用四位一体数码管,电路图如图11。
I1
1
C-
O
二
5
CM
O
二
离O
5
9
1
4软件设计
4.1主程序流程图
20
A
4.2键盘输入流程图
开始
初女
台化
显
示
■
■
1
1
结束
5测试结果与误差分析
5.1测试结果
数据测试LI的在于研究分析输出电压与设定值之间的误差。
测试的结果如表3表3
次数
设定值(V)
输出电压(V)
绝对误差(V)
相对误差馄)
1
6.30
6.32
0.02
0.31
2
6.78
6.78
0
0
3
7.50
7.49
0.01
0.13
4
7.95
7.97
0.02
0.25
5
8.43
8.44
0.01
0.11
6
9.12
9.15
0.03
0.32
7
9.60
9.62
0.02
0.20
8
10.05
10.10
0.05
0.50
9
10.53
10.57
0.04
0.38
10
11.25
11.28
0.03
0.27
其中设定值是通过数码管直接显示出来的电压值,输出电压则是通过万用表测量串联稳压电路的输出Vout得到的电压值。
从表2中可以看出设定值与输出电压的误差并不大,在能接受的误差范围内。
5.2误差分析
经分析,系统产生误差的原因主要体现在以下3个方面叫
1.PWM方波并不是理想的方波,它的低电平并不等于零,这就导致了PWM信号在转换成DAC电压时存在着一定的误差,乂因为DAC输出电压为稳压电路的参考电压,所以系统的输出电压必然存在误差。
2.PWM信号为8位输出,其分辨率为0.0196(5/255),精确度为0.02V,所以系统的输出电压存在着误差。
3.在用万用表测量输出电压的过程中,不可避免的会出现测量或读数的误差,所以设定值与测量值之间存在着误差。
附录
系统源程序
#include
Sdefineucharunsignedchar
Sdefineuintunsignedint
sbitkeyl二P3"4;
sbitkey2二P3"5;
uchartemp,A;
uintDA;
ucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,OxbO,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};voiddelay(uintn)
{
while(n—);
}
voiddisplay()
{
DA=(A/51.2)*1000;
P2二Oxbf;
Pliable[DA/1000]&0x7f;
delay(500);
P2二Oxfd;
Pl=table[DA%1000/100];
delay(500);
P2二Oxfe;
Pl=table[DA%100/10];
delay(500);
P2=0x7f;
Pliab
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- 基于 单片机 直流 稳压电源 设计 实现