1、摘 要 本文主要论述了一种基于 AT89C51 单片机为核心控制器的 数控直流稳压电源的设计原理和实现方法 ， 其主要 由 辅助 电源、显示电路、控制电路、数模转换电路、稳压 电路 等 部分组成 。 该系统原理是以 AT89C51单片机为控制单元，以数模转换芯片 DAC0809进行转换为模拟信号。辅助 电源提供各个芯片、数码管 和 放大器所需 工作 电压 ， 显示电路用于显示电源输出电压的大小 ， 输出电压值可通过按键对其进行步进控制（ 0.1V ），并且在按键长时间按下的时候能连续增加或减小。与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高以及其输出 电压大小采用数码显示的特点 。该系统具有抗
2、干扰性能好，可靠性高，及最终输出电压值与真实显示值精确度较高等优点。 关键词 : 数控 直流 稳压电源 AT89C51 DAC0809 Design of Digital Power source Abstract The method of this paper based on the AT89C51 microcontroller core of the numerical controller DC power supply design theory and realization. The digital DC power supply from the analog power,
3、 display circuit, control circuit, digital-to-analog conversion circuit, regulator circuit and analog-to-digital converter circuit composed of six parts. This system is based on the principle of single-chip microcomputer to control the unit AT89C51 to DAC0809 digital-to-analog converter chip referen
4、ce voltage to control the output voltage, while the analog-to-digital converter dac0809 chip convert the sampling of voltage to digital signals. Analog power supply to provide the various chips, digital amplifier control and the required operating voltage, display circuit for displaying the size of
5、power supply output voltage, output voltage value may be stepping through the control button ( 0.1V), and a long button press when under the continuous increase or decrease. And compared to the traditional regulated power supply with easy to operate, high power stability, as well as the size of the
6、output voltage characteristics of the use of digital display. This system has the resistance to interference well, the reliability is high, and finally output voltage value and real demonstration value precision higher merit. Key words: Digital DC Voltage-stabilized Power Source AT89C51 DAC0809 目 录
7、摘 要 .I DESIGN OF DIGITAL POWER SOURCE . II ABSTRACT . II 第一章 绪论 . 2 第二章 电源概述及方案设计 . 5 2.1 直流稳压源概述及定义 . 5 2.2 方案的比较与选择 . 5 2.2.1 传统直流稳压源 . 5 2.2.2 数控直流稳压电源 . 6 2.2.3 方案的最终选择 . 7 2.3 数控直流稳压电源设计方案及结构 . 7 2.3.1 系统总体设计方案 . 8 2.3.2 数控直流稳压源总体结构 . 8 第三章 硬件系统设计 . 9 3.1 控制模块的分析 . 9 3.1.1 单片机简介 . 9 3.1.2 AT89C
8、51 单片机简介 . 11 3.1.3 AT89C51 单片机的性能参数： . 11 3.1.4 AT89C51 内存空间 . 12 3.1.5 AT89C51 单片机的功能特性概述 . 12 3.1.6 AT89C51 接口设计 . 15 3.2 显示模块 . 16 3.2.1 数码显示输出部分 . 16 3.3 键盘模块 . 17 3.4.数模转换模块设计与实现 . 17 3.4.1 芯片方案选择 . 17 3.4.2 DAC0809 的简介 . 17 3.4.3:LM317 介绍 . 20 第四章 辅助电源设计 . 22 4.1 辅助电源模块 . 22 4.3 串联线性稳压模块 . 23
9、 4.4 集成运放作比较电路 . 23 4 5 串联线性稳压电路的应用 . 24 第五章 系统软件设计 . 25 第六章 系统的测试与仿真 . 26 6.1.1 开发工具 Keil c51 . 26 6.1.2 仿真工具介绍 PROTUES7.5 . 26 6.1.3 仿真界面 . 27 6.2 单片机系统抗干扰说明 . 28 总结 . 30 致 谢 . 31 参考文献 . 32 附录 A 原理图 . 33 附录 B PCB 图 . 34 附录 C 程序清单 . 35 第一章 绪论 1.1 课题的背景和意义 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
10、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
11、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。利用数控电源，
12、可以达到每步 0.1V的精度，输出电压范围 09.9V，电流可以达到 500mA。数控技术方面的发展是以 51系列单片机为主控单元电路的拓扑和软开关技术等电子技术的完善为主要标志。数字化则应属于控制方面的重要发展方向，随着信息技术的突飞猛进，将对开关电源技术的发展起到巨大推进 作用。数控电源目前的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态特性 ;更好的环保性能 ;智能化与高可靠性 ;更广泛的应用等方向发展。 1.2 数控电源的发展 20世纪 80年代，出现了一种叫作开关式稳压电源，这种电源是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。开关型稳压电路中的调整管工作在开关状
13、态，因而功耗小，电路效率高。开关电源的种类很多，按调整管与负载的连接方式可分为串联和并联型，串连开关稳压电路是降压型电路，并联开关型稳压电路是升压型电路。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（ PWM）、脉冲频率调制型（ PFM）和混合调制。这其中尤以 PWM最为盛行，这种电源在开关和稳压方面功能非常优越，但在电压输出精度方面仍存在缺陷，旋钮式远不能满足工业需求，数控技术的发展给电源的发展注入新的活力，数控逐渐成为一种趋势 随着人们生活水平的不断提高，数字化控制无疑是人们追求的目标之一 ,它所给人带来的方便也是不可否定的 ,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子 ,但人们对它的要求也越来
14、越高 ,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展 .本文所介 绍的数控。 1.3 数控电源技术 电源技术尤其是数控电源技术是一门践性很强的工程技术，服务于各行各业。 众所周知，许多科学实验都离不开电 源 ，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不 仅 具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了许多不精确的人为操作，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的 就是 显示输出电压、电流，预置输出电压值等功能。就是在实验开始前对一些参数进行预设。这将会给
15、各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。 因此，直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化与智能化。 1.4 数控电源的主要用途 直流稳压电源是电子技术常用的设备之一 ,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、 比较 难 于 控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多 , 但均存在以下二个问题 : 1) 输出电压是通过粗调(波段开关 ) 及细调 (电位器 )来调节。这样 , 当输出电压需要精确输出或需要在一个小范围内改变时 (如 1. 05 1
16、. 07V ) ,困难就较大。另外 , 随着使用时间的增加 , 波段开关及电位器难免接触不良 , 对输出会有影响。 2) 稳压方式均是采用串联型稳压电路 , 对过载进行限流或截流型保护 , 电路构成复杂 ,稳压精度也不高。 在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由 220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直 流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，
17、这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。 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 1。 在一些测试设备中需要 数 控直流稳压电源，以便在测试过程中按测试要求随时改变输出电压。在普通可调直流稳压电源中，通过调节电位器去改变取样电压值，从
18、而获得不同的输出电压。 第二章 电源概述及方案设计 2.1 直流稳压源概述及定义 直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小 ；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压 (或电流 )。这种电源线路简单、纹波小
19、、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低 (常低于 40 60 )。后者以改变调整元件 (或开关 )的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。这类电源功耗小，效率可达 85左右。所以， 80 年代以来发展迅速。从工作方式上可分为： 可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。 斩波型。输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。 变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的 2。 2.2 方案的比较与选择 2.2.1 传统直流稳压源
20、一、 传统直流稳压电源的概述 在电子电路和电气设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电，直流电源可分为两大类，一类是化学电源，如各种各样的干电池、蓄电池、充电电池等电源；其优点是体积小、重量轻、携带 方便等，缺点是成本高，易污染。另一类是稳压电源，它是把交流电网220V的电压降为所需要的数值，然后通过整流、滤波和稳压电路，得到稳定的直流电压，这是现实生活中应用比较广泛的一类。 二、 传统直流稳压源的组成 能够把交流电转变为平滑的稳定的直流电的装置叫直流稳压电源。它主要由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成，如图 1-2所示。 图 1-2传统直流稳压源的组成 三、 传统直流稳压源各
21、部分原理 1. 电源变压器 电网提供的交流电一般为 220V（ 或 380V），而各种电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同。因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。 2. 整流部分 整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动电压。但是，这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分，距离理想的直流电压还差得很远。 3. 滤波电路 滤波器由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压或 负载电流
22、发生变化时，滤波器输出直流电压的幅值也将随之而变化，在要求比较高的电子设备中，这种情况是不符合要求的。 4. 稳压部分 稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。 2.2.2 数控直流稳压电源 一、 数控直流稳压电源的概述 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 3。 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
23、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，电源 变压器 整流 电路 滤波 电路 稳压 电路 220v 50Hz 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。 二、 数控直流稳压电源的组成 从组成上，数控电源可分成键盘显示电路、控制电路、 D/A、 A/D转换电路、稳压电路等四部分。 三、 数控直流稳压电源的优点 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
24、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. 易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法 (不需要通讯 )，从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行 系统。 2.2.3 方案的最终选择 通过以上两种方案的比较，方案一的电路结构简单，实现容易，但其精度不高，随着全球经济的发展，传
25、统稳压电源已不再适用在精度要求高的领域。而方案二的数控直流稳压电源电路结构相对来说较方案的一复杂，但其稳定性、可靠性、易维护性、精度等都比传统直流稳压电源有着明显的优势。因此本文在设计中采用方案二。 但是由于方案中有辅助电源部分，辅助电源主要就是给系统中的芯片提供工作电源，所以，方案一中的各部分电路在本设计中以设计辅助电源的形式出现。所以说传统数控直流电源的设计思想是贯穿今后数控电 源设计的始终的，这就更体现了技术是一步步不断成熟的历程。 2.3 数控直流稳压电源设计方案及结构 该数控直流稳压源采用 独立 键盘， 一个用来加，一个用来减。 可对输出电压进行设置显示于数码管， AT89C51 单
26、片机的 P0口 作为数码管的段选 ， P2.0， P2.1,P2.2 作为数码管的位选信号， 其输出 进过 P3口到 DA芯片 DAC0809 和 经过 LM358比较放大 ，三端可调稳压芯片 LM317控制电压输出。 本设计 研究范围：输出电压： 1.24 10.8V。输出最大电流： 500mA。 本次设计所要解决的问题是： (1)采用 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。 (2)经过 A/D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。 (3)通过 按 键来设置直流电源
27、的输出电压，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。 2.3.1 系统总体设计方案 稳压控制：采用从输出端电压反馈控制形式来实现，主要由利用 LM358 作比较，调整管实现稳压。 A/D转换：采用 ADC0809 模数转换芯片，将键盘控制设定的模拟 电压转换成数字电压显示于数码管。稳压电路 :经过三端稳压芯片 LM317 稳压输出。 2.3.2 数控直流稳压源总体结构 一般的，一个数控直流稳压源从逻辑上主要分为电源模块、显示模块硬件控制模块和数据处理四个部分。总体结构有 DAC0809数模转换模块，辅助电源模块，稳压模块，硬件控制单片机模块，显示模块，键盘模块 7个模块组成，其整体结构框图如图 2-1所示。 图 2-1 总体结构框图
