畢業(yè)論文基于單片機的可調直流穩(wěn)壓電源設計.doc

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1、哈爾濱劍橋學院畢 業(yè) 設 計論文題目： 基于單片機的可調直流穩(wěn)壓電源設計 學 生： 李玉秋 指導教師： 劉媛媛 講師 專 業(yè)： 電子信息工程（電氣及其自動化）班 級： 09電氣4班 2013年 5 月哈爾濱劍橋學院畢 業(yè) 設 計 任 務 書題目名稱：基于單片機的可調直流穩(wěn)壓電源設計立題意義：可調穩(wěn)壓電源不僅具有開關電源體積小，損耗低的優(yōu)點，還具有線性電源輸出電壓紋波小，輸出特性好的優(yōu)點。并且引入單片機控制，使其在功能上具有一定智能化，能夠滿足一般低限度場合的供電需要。具有一定的的研究意義及實用價值。技術條件與要求：1.熟練掌握單片機原理、功能、程序設計。2.掌握穩(wěn)壓工作原理、電壓調節(jié)方法、AD

2、芯片和單片機的工作原理。任務內容（包括內容、計劃、時間安排、完成工作量與水平具體要求）一、任務內容：1.查閱文獻，掌握單片機的發(fā)展現狀及未來發(fā)展趨勢，穩(wěn)壓工作原理、電壓調節(jié)方法、AD芯片和單片機的工作原理。2.進行單片機硬件設計，實現開關電源的數控調節(jié)。3.進行單片機程序的設計。4.實現直流開關電源在單片機的控制下能夠輸出穩(wěn)定的、可調的直流電壓0.1 15V步進調節(jié)。二、計劃、時間安排2012年 4 月26日2013年4 月 7 日 選題、撰寫階段2013年 4 月 8 日2013年5 月12日 中期檢查階段2013年 5 月13日2013年5 月24日 整理、答辯階段2013年 5 月25日

3、 畢業(yè)論文（設計）答辯三、完成工作量與水平具體要求 按照計劃進度、指導教師的要求完成預定的工作量、提高論文的設計水平。 專業(yè)負責人意見: 簽名：年 月 日哈爾濱劍橋學院畢 業(yè) 設 計 審 閱 評 語一、指導教師評語 是否同意答辯： 同意答辯 不同意答辯 指導教師（簽名） 職 稱 年 月 日 二、評閱人評語 是否同意答辯： 同意答辯 不同意答辯 評閱教師（簽名） 職 稱 年 月 日 哈爾濱劍橋學院畢 業(yè) 設 計 答 辯 評 語 及 成 績三、答辯委員會評語四、畢業(yè)設計成績 簽 字（蓋章）：五、答辯委員會主任單位： 答辯委員會主任職稱： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日基于單片機的可調直流穩(wěn)壓電源

4、設計摘 要隨著電子技術的迅速發(fā)展，直流電源應用非常廣泛，其好壞直接影響著電氣設備或控制系統(tǒng)的工作性能，目前，市場上各直流電源的基本環(huán)節(jié)大致相同，主要都包括交流電源、交流變壓器(有時可以不用)、整流電路、濾波穩(wěn)壓電路等。本文運用了將單片機控制系統(tǒng)應用于開關穩(wěn)壓電源的方法和原理，提出的開關電源可調穩(wěn)壓輸出的觀點。認為可以實現開關電源的數控調節(jié)，并通過分析穩(wěn)壓工作原理、電壓調節(jié)方法、AD芯片和單片機的工作原理，使輸出電壓下實現了0.1 15V步進調節(jié)。最終得出了直流開關電源在單片機的控制下能夠輸出穩(wěn)定的、可調的直流電壓。該可調穩(wěn)壓電源不僅具有開關電源體積小，損耗低的優(yōu)點，還具有線性電源輸出電壓紋波小

5、，輸出特性好的優(yōu)點。并且引入單片機控制，使其在功能上具有一定智能化，能夠滿足一般低限度場合的供電需要。具有一定的的研究意義及實用價值。關鍵詞：穩(wěn)壓電源；單片機；ADAdjustable DC Regulated Switching Power Supply Base on Single-chip MicrocomputerAbstractWith the rapid development of electronic technology, the DC power supply is widely used, its quality directly affects the electric

6、al device or control the working performance of the system, at present, the market of the direct current power supply the basic link of roughly the same, mainly includes the AC power, the AC transformer (sometimes can not), a rectification circuit, a filtering voltage stabilizing circuit.This paper

7、discusses the application of the single chip microcomputer control system applied in switching power supply method and principle, puts forward view point of adjustable voltage regulator output switching power supply for. That can realize switching power supply control regulation, and through the ana

8、lysis of the working principle of voltage, voltage regulation method, A/D chip and the principle, so that the output voltage achieves to step regulator of 0.115V. Finally draw the conclusion that the DC switching power supply under the control of single-chip microcomputer can output stable, adjustab

9、le DC voltage.The adjustable regulated power supply has not only the advantages of small volume, low loss,but also the advantages of small output ripple voltage of linear power supply, advantages of output characteristics. And the introduction of SCM control, its function has certain intelligence, c

10、an satisfy needs of the general low limit the power occasions. And has certain research value and practical significance.Keywords: Regulated Power Supply; SCM; AD Chip目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 可調直流穩(wěn)壓電源國內發(fā)展現狀11.2 可調直流穩(wěn)壓電源國外發(fā)展現狀11.3 可調直流穩(wěn)壓電源研究的目的及意義12 可調直流穩(wěn)壓電源的基本原理32.1 直流穩(wěn)壓電源總體結構32.2 AT89C51單片機原理及其介紹42

11、.3 數碼管動態(tài)顯示原理介紹82.4 數模轉化電路原理介紹112.5 電源變壓器原理介紹152.6 整流電路原理介紹152.7 濾波電路原理介紹162.8 穩(wěn)壓電路原理介紹182.9 保護電路原理介紹193 可調直流穩(wěn)壓電源硬件電路設計203.1 Protel 99SE203.2 電源原理圖設計223.2.1 開關電源電路設計223.2.2 模數轉換電路設計223.2.3 保護電路設計233.2.4 單片機控制電路設計243.2.5 數碼管顯示電路設計243.2.6 電源硬件電路原理圖254 可調直流穩(wěn)壓電源軟件設計264.1 Keil編程軟件264.2 C語言程序26結論30致謝31參考文獻

12、32IV哈爾濱劍橋學院畢業(yè)設計基于單片機的可調直流穩(wěn)壓電源設計1 緒論1.1 可調直流穩(wěn)壓電源國內發(fā)展現狀在我國，以電力電子學為核心技術的電源產業(yè)，從二十世紀四十年代中期開始形成，到了九十年代以來，電源產業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面，電源產業(yè)規(guī)模的發(fā)展的發(fā)展在加快；另一方面，在國家自然科學基金的資助和創(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，電源產業(yè)界涌現了一些技術難度較大，具有國際先進水平的產品，而且還產生了一大批具有代表性的研究成果和產品。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。但我國在電源產品的質量、可靠性和智能化的方面相對落

13、后。1.2 可調直流穩(wěn)壓電源國外發(fā)展現狀而以美國為首的幾個發(fā)達國家，在電源產品的工藝水平、開發(fā)投入、生產規(guī)模、先進檢測設備、網絡化和持續(xù)續(xù)航能力等方面相對領先?，F在，正向著數字化、模塊化和綠色化等方向發(fā)展。歐美等國的直流穩(wěn)壓電源多采用向開關電源實現，開關電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點。目前世界各國都有廣泛的應用，特別是對大容量高頻開關電源的研究和開發(fā)已成為當今電力電子學的主要研究領域，并派生了很多新的研究方向。開關電源在通信領域中，通常將高頻整流器稱為一次電源而將直流-直流（DC/DC）變換器稱為二次電源。同時，開關電源也在各種電子信息設備中，如計算機、充電電源等得到了廣泛的應用。本

14、文的主要內容就是研制一種高性能直流開關電源。1.3 可調直流穩(wěn)壓電源研究的目的及意義在當代科技與經濟高速發(fā)展的過程中，電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現代信息技術革命，給電力電子技術提的現代信息技術革命，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，因此電源的數字化控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不

15、可否定的，其中數控直流穩(wěn)壓電源就是一個很好的典型例子，人們對它的要求也越來越高，要想為現代人工作、科研，在當代科技與經濟高速發(fā)展的過程中，電源起到關鍵性的作用。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而為生活、提供更好的，更方便的設施就需要從數字電子技術入手，一切向數字化，智能化方向發(fā)展。對我們學生而言，在大學的實驗室里和課程設計里面，有一個穩(wěn)定可調的直流電源是很有必要的。因傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓是通過粗調波段開關及細調電位器來調節(jié)的，并由電壓表指示電壓值的大小。這種直流穩(wěn)壓電源存在讀數不直觀、電位器易磨損、穩(wěn)壓精度不高、不易調準、電路構成復雜、體積大等缺點，而基于單片機控制的數字式可調穩(wěn)壓電源能較好地解

16、決了以上問題。 本題采用單片機和其它元器件及外圍電路，開發(fā)一個數字式可調穩(wěn)壓電源。能夠設定輸出電壓值、電壓值輸出顯示、存儲等功能。通過此系統(tǒng)的設計，讓開發(fā)者更深刻的掌握單片機基本原理，并熟悉一些外圍電路的擴展，以及進一步提高C語言的硬件編程能力。2 可調直流穩(wěn)壓電源的基本原理2.1 直流穩(wěn)壓電源總體結構在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)壓的直流電源供電。日常生活中也需要將交流電轉變成直流電，形成直流穩(wěn)壓電源。一般直流穩(wěn)壓電源以一穩(wěn)壓電源為基礎，以高性能單片機系統(tǒng)為控制核心，以穩(wěn)壓驅動放大電路、過流檢測電路為外圍的硬件系統(tǒng)，在檢測與控制軟件的支持下實現對電壓輸出的數字控制，通過對穩(wěn)壓電源輸出的電流、

17、電壓進行數據采樣與給定數據比較，從而調整和控制穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)及監(jiān)測開關電路的?？烧{直流穩(wěn)壓電源原理框圖如圖2-1所示1。單片機復位Header 5x2時鐘震蕩AT89C51單片機四位LED顯示TLC1543滑動變阻器調節(jié)輸出穩(wěn)壓放大電路變壓及整流5V直流電壓供電圖21 可調直流電源原理框圖直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要經過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成2。電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。整流濾波電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓

18、。再經濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓各濾波電容C滿足RL-C（35）T/2，或中T為輸入交流信號周期，RL為整流濾波電路的等效負載電阻。穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。常用的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器與可調式三端穩(wěn)壓器。常用可調式正壓集成穩(wěn)壓器有CW317（LM317）系列，它們的輸出電壓從1.25V37伏可調，最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內有過渡、過熱和

19、安全工作區(qū)保護，最大輸出電流為1.5A。其典型電路如下圖，其中電阻R1與電位器R2組成輸出電壓調節(jié)器，輸出電壓Uo的表達式為：Uo1.25（1R2/R1）式中R1一般取120240歐姆，輸出端與調整端的壓差為穩(wěn)壓器的基準電壓（典型值為1.25V）。2.2 AT89C51單片機原理及其介紹AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128位bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和F

20、lash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域3。2.2.1 AT89C51的功能主要性能參數：（1）與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容（2）4k字節(jié)可重復擦寫Flash閃速存儲器（3）1000次擦寫周期（4）10年數據保留時間（5）全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz（6）三級加密程序存儲器（7）1288字節(jié)內部RAM（8）32個可編程I/O口線（9）2個16位定時/計數器（10）6個中斷源（11）可編程串行UART通道（12）低功耗空閑和掉電模式功能特性概述：AT89C51提供一下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RA

21、M，32個I/O口線，兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路，同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。調線方式保存RAM中的內容，但震蕩停止器工作并禁止其他所有部件工作到下一個硬件復位4。2.2.2 AT89S51的個引腳功能AT89C51單片機引腳圖如圖2-2所示。圖22 AT89C51單片機引腳圖VCC：AT89C51電源正端輸入，接+5V。 GND：電源地端。XTAL1：單芯片系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸入端。XTAL

22、2：系統(tǒng)時鐘的反相放大器輸出端，一般在設計上只要在 XTAL1和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入-20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機。RST：AT89C51的重置引腳，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間，AT89C51便能完成系統(tǒng)重置的各項動作，使得內部特殊功能寄存器之內容均被設成已知狀態(tài)，并且至地址0000H處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。EA/VPP：“EA”為英文“External Access”的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當此引腳接低電平后

23、，系統(tǒng)會取用外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。因此在8031及8032中，EA引腳必須接低電平，因為其內部無程序存儲器空間。如果是使用 8751 內部程序空間時，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至8751內部EPROM時，可以利用此引腳來輸入21V的燒錄高壓（VPP）。ALE/PROG：ALE是英文“Address Latch Enable”的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。AT89C51可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口0的地址總線（A0A7）鎖進鎖存器中，因為AT89C51是以多工的方式送出地址及數據。平時在程序執(zhí)行時ALE引腳的輸出

24、頻率約是系統(tǒng)工作頻率的1/6，因此可以用來驅動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄8751程序代碼時，此引腳會被當成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。PSEN：此為“Program Store Enable”的縮寫，其意為程序儲存啟用，當8051被設成為讀取外部程序代碼工作模式時（EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到EPROM的OE腳。AT89C51可以利用PSEN及RD引腳分別啟用存在外部的RAM與EPROM，使得數據存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用64K的定址范圍5。P0.0P0.7：端口0是一個8位寬的開路汲極（Open Drain）雙向輸出入端口，共有8個位，P0.0

25、表示位0，P0.1表示位1，依此類推。其他三個I/O端口（P1、P2、P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內部有一提升電路，P0在當做I/O用時可以推動8個LS的TTL負載。如果當EA引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數據存儲器），P0就以多工方式提供地址總線（A0A7）及數據總線（D0D7）。設計者必須外加一鎖存器將端口0送出的地址栓鎖住成為A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址總線，而定址到64K的外部存儲器空間。P2.0P2.7：端口2是具有內部提升電路的雙向I/O端口，每一個引腳可以推動4個LS的TTL負載，若將端口2的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用

26、。P2除了當做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51擴充外接程序存儲器或數據存儲器時，也提供地址總線的高字節(jié)A8A15，這個時候P2便不能當做I/O來使用了。P1.0P1.7：端口1也是具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個LS TTL負載，同樣地若將端口1的輸出設為高電平，便是由此端口來輸入數據。如果是使用8052或是8032的話，P1.0又當做定時器2的外部脈沖輸入腳，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。P3.0P3.7：端口3也具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出緩沖器可以推動4個TTL負載，同時還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通

27、信、外部中斷控制、計時計數控制及外部數據存儲器內容的讀取或寫入控制等功能6。其引腳分配如下：P3.0：RXD，串行通信輸入。P3.1：TXD，串行通信輸出。P3.2：INT0，外部中斷0輸入。P3.3：INT1，外部中斷1輸入。P3.4：T0，計時計數器0輸入。P3.5：T1，計時計數器1輸入。P3.6：WR：外部數據存儲器的寫入信號。P3.7：RD，外部數據存儲器的讀取信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，AL

28、E端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），

29、不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出7。2.3 數碼管動態(tài)顯示原理介紹本文采用四位數碼管顯示設備來顯示輸出電壓。2.3.1 數碼管結構及原理7段LED數碼管如圖2-3所示。圖23 7段LED數碼管LED顯示器又稱為數碼管，LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成。中7個長條形的發(fā)光管排列成“日”字形，另一個賀點形的發(fā)光管在顯示器的右下角作為顯示小數點用，它能顯示各種數字

30、及部份英文字母。LED顯示器有兩種不同的形式：一種是8個發(fā)光二極管的陽極都連在一起的，稱之為共陽極LED顯示器；另一種是8個發(fā)光二極管的陰極都連在一起的，稱之為共陰極LED顯示器8。共陰與共陽極LED顯示器如圖2-4所示。圖24 共陰與共陽極LED顯示器LED顯示器可分為共陽和共陰兩種結構，如上圖所示。圖上為共陰結構。即把8個發(fā)光二極管陰極連在一起。這時如果需要點亮a到g中的任何一盞燈，只需要在相應的端口輸入高電平即可；輸入低電平則截止。比如我們現在要顯示數字“3”，則只要在對應的a、b、c、d、g段送入高電平，在其他端送入低電平即可，點亮為“3”。共陰和共陽結構的LED顯示器各筆劃段名和安排

31、位置是相同的。當二極管導通時，相應的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示的各種字符。8個筆劃段hgfedcba對應于一個字節(jié)（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二進制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。例如，對于共陰LED顯示器，當公共陰極接地（為零電平），而陽極hgfedcba各段為0111011時，LED顯示器顯示“P”字符，即對于共陰極LED顯示器，“P”字符的字形碼是73H。如果是共陽LED顯示器，公共陽極接高電平，那么顯示“P”字符的字形代碼應為10001100（8CH）。共陽共陰LED常見字符對應段碼表如表2-1所示。表21 共陽共陰LED常見字符對應

32、段碼表顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC656DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8F71H8EH2.3.2 數碼管顯示方式點亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示；二是動態(tài)顯示。在本次設計中，采用的是靜態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數據時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片

33、機中CPU的開銷小。這種電路的優(yōu)點在于：在同一時間可以顯示不同的字符；但缺點就是占用端口資源較多。從下圖可以看出，每位LED顯示器需要單獨占用8根端口線，因此，在數據較多的時候，往往不采用這種設計，而是采用動態(tài)顯示方式。數碼管動態(tài)顯示圖如圖2-5所示。圖25 數碼管動態(tài)顯示圖所謂動態(tài)顯示，就是將要顯示的多位LED顯示器采用一個8位的段選端口，然后采用動態(tài)掃描一位一位地輪流點亮各位顯示器。圖26 數碼管靜態(tài)顯示圖在此電路中，單片機的P0口用于控制4位LED的段選碼：P1口的P1.0P1.3用于控制4位LED位選碼。數碼管靜態(tài)顯示圖如圖2-6所示。由于所有的段選碼連在一起，所以同一瞬間只能顯示同一

34、種字符。但如果要顯示不同字符，則要借助位選碼來控制。（如果LED為共陰則P2.0P2.3輸出為高電平，如果LED為共陽則P1.0P1.3輸出為低電平。）例如，現在要顯示5678四個數字，則首先應該將“5”的顯示代碼（共陰LED顯示器的顯示代碼為6DH，共陽LED顯示器的顯示代碼為92H）由P1.0送出，然后P2.0P2.3輸出相應位碼（LED為共陰則P2.0P2.3輸出1000，LED為共陰則P2.0P2.3輸出0111）時，則可以看到在數碼管1上顯示的數字為“5”。再將顯示的數字“5”延時510ms，以造成視覺暫留效果；同時代碼由P1.0送出。用同樣的方法將其余3個數字“678”送數碼管2，

35、3，4顯示，于是最后則可以在4位LED顯示器上看到“5678”四個數字。為了使顯示效果更加穩(wěn)定，可以使每個數碼管顯示的數字不斷的重復，但其中重復頻率達到了一定的程度的時候，加之人眼睛本身的視覺暫留效果的作用，便可以看到相當穩(wěn)定的“5678”四個數字。本文使用單片機進行控制能夠非常準確地對電路進行控制，大大提高了穩(wěn)壓電路的精度，能夠滿足人們對電源電壓的要求，采用LED進行顯示能使我們非常方便準確對電壓進行控制。2.4 數模轉化電路原理介紹TLC1543美國TI司生產的多通道、低價格的模數轉換器。采用串行通信接口，該芯片具有如下的一些特點：10位精度、11通道、三種內建的自測模式、提供EOC（轉換

36、完成）信號等。該芯片與單片機的接口采用串行接口方式，引線很少，與單片機連接簡單，可廣泛應用于各種數據采集系統(tǒng)。TLC1543為20腳DIP裝的CMOS910位開關電容逐次A/D逼近模數轉換器，引腳排列下圖所示。其中A0A10（19 、11、12腳）為11 個模擬輸入端，REF+（14腳，通常為VCC）和REF-（13腳，通常為地）為基準電壓正負端，CS（15腳）為片選端，在CS端的一個下降沿變化將復位內部計數器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK （18腳）和DATA OUT（16腳）。ADDRESS（17腳）為串行數據輸入端，是一個1的串行地址用來選擇下一個即將被轉換的模擬輸入或測

37、試電壓。DATA OUT 為A/D換結束3態(tài)串行輸出端，它與微處理器或外圍的串行口通信，可對數據長度和格式靈活編程。I/O CLOCK數據輸入/輸出提供同步時鐘，系統(tǒng)時鐘由片內產生。芯片內部有一個14通道多路選擇器，可選擇11個模擬輸入通道或3個內部自測電壓中的任意一個進行測試。片內設有采樣-保持電路，在轉換結束時，EOC（19腳）輸出端變高表明轉換完成。內部轉換器具有高速（10S轉換時間），高精度（10分辨率，最大1LSB不可調整誤差）和低噪聲的特點。1543引腳排列圖如2-7所示。VCCEOCI/O CLOCKADDRESSDATA OUTCSREF+REF-A10A9A0A1A2A3A4

38、A5A6A7A8 GND1112131415161718192012345678910 圖27 1543引腳排列圖2.4.1 TLC1543芯片的工作時序TLC1543工作時序，其工作過程分為兩個周期：訪問周期和采樣周期。工作狀態(tài)由CS使能或禁止，工作時CS必須置低電平。CS為高電平時，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，同時DATA OUT為高阻狀態(tài)。當CPU使CS變低時，TLC1543開始數據轉換，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脫離高阻狀態(tài)。隨后，CPU向ADDRESS提供4位通道地址，控制14個模擬通道選擇器從11個外部模擬輸入和3個內部自測電壓中選通1

39、路送到采樣保持電路。同時，I/O CLOCK輸入時鐘時序，CPU從DATA OUT 端接收前一次A/D轉換結果。I/O CLOCK從CPU 接收10時鐘長度的時鐘序列。前4個時鐘用4位地址從ADDRESS端裝載地址寄存器，選擇所需的模擬通道，后6個時鐘對模擬輸入的采樣提供控制時序。模擬輸入的采樣起始于第4個I/O CLOCK下降沿，而采樣一直持續(xù)6個I/O CLOCK周期，并一直保持到第10個I/O CLOCK下降沿。轉換過程中，CS的下降沿使DATA OUT引腳脫離高阻狀態(tài)并起動一次I/O CLOCK工作過程。CS上升沿終止這個過程并在規(guī)定的延遲時間內使DATA OUT引腳返回到高阻狀態(tài)，經

40、過兩個系統(tǒng)時鐘周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。1543工作時序如圖2-8所示。圖28 1543工作時序2.4.2 TLC1543的軟硬設計要點TLC1543三個控制輸入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一個數據輸出端DATA OUT遵循串行外設接口SPI協(xié)議，要求微處理器具有SPI口。但大多數單片機均未內置SPI口（如目前國內廣泛采用的MCS51和PIC列單片機），需通過軟件模擬SPI協(xié)議以便和TLC1543接口。TLC1543芯片的三個輸入端和一個輸出端與51 系列單片機的I/O口可直接連接，具體連接方式可參見表2-2。軟件設計中，應注意區(qū)分TLC1543的11個模

41、擬輸入通道和3個內部測試電壓地址（后3個地址只用來測試你寫的地址是不是正確的，真正使用時不用后三個地址）。附表為模擬通道和內部電壓測試地址。程序軟件編寫應注意TLC1543通道地址必須為寫入字節(jié)的高四位，而CPU讀入的數據是芯片上次A/D轉換完成的數據。在本文后的程序中對此有詳細的說明10。1543模擬量輸入地址表如表2-2所示。表22 1543模擬量輸入地址表模擬輸入通道選擇輸入寄存器地址（2進制）A00000A10001A20010A30011A40100A50101A60110A70111A81000A91001A101010內部測試電壓選擇輸入地址輸出結果（16進制）（Vref+Vre

42、f-）/21011200Vref+1100000Vref-11013ff注：Vref+為加到TLC1543 REF+端的電壓，Vref-是加到REF-端的電壓2.4.3 TLC1543芯片的應用（1）PC機通信接口電路 MAX232 (IC3)為標準RS232接口轉換芯片，主要完成TTL至RS232電平的轉換，為單片機和PC機通信提供通道。在整個數據采集系統(tǒng)中，PC機除了處理各種采樣數據外，還負責對前臺單片機系統(tǒng)進行管理，如故障診斷，參數設置等等。參數設置的其中一項為系統(tǒng)通信速率設置，管理人員可通過PC機任意設置單片機和PC機的通信速率，其設置參數保存在X25045的E2PROM存儲單元中，在

43、下次設置之前，該參數不會被更改。本例為單個采集系統(tǒng)的應用實例，實際應用中往往存在多系統(tǒng)并存的情況，這時可將MAX232 更換為MAX485 接口芯片，采用485總線標準，通過一臺PC 機可在幾千米范圍內管理數十臺前端機。（2）極性轉換電路 鑒于目前國內采用的通信電源均為負電壓，而TLC1543模擬通道輸入只能為正電壓，因此-48V 直流電壓在送到A/D轉換器前除了要分壓外，還需將負電壓轉換為正電壓。圖4 為一個簡單的極性轉換電路，僅增加兩個電阻便可完成負電壓到正電壓的轉換，省去了復雜的極性轉換芯片。當輸入電壓為0V時，TLC1543 A0端電壓為2.5V；當輸入電壓為-5V時，A0端電壓為0V

44、。（3）TLC1543與89C51接口程序 TLC1543與89C51接口程序應完全依照TLC1543的工作時序編寫，主要CONVETER 子程序組成。由于轉換完成的數據為10位，軟件編寫時將數據的高位字節(jié)存放在2EH單元中，低位字節(jié)存放在2FH單元中。其中R4、R3寄存器分別存放TLC1543的通道地址和數量；R1、R2寄存器存放A/D轉換結果。2.5 電源變壓器原理介紹220V20V圖29 20V變壓器變壓器是利用電磁感應原理，從一個電路向另一個電路傳遞電能或傳輸信號的一種電器，是電能傳遞或作為信號傳輸的重要元件。變壓器是一種靜止電機，根據電磁感應的原理，能夠將一種電壓的電能轉換為另一種電

45、壓的電能，以滿足不同負荷的需要。變壓器的主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。其中，與電源相連的線圈，接收交流電能，稱為一次繞組；與負載相連的線圈，送出交流電能，稱為二次繞組。20V變壓器如圖2-9所示。2.6 整流電路原理介紹整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要靠二級管的單向導電作用。因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流。20V220V圖210 單相橋式整流電路單相橋式整流電路如圖2-10所示。圖中左端為電源變壓器，它的作用事將交流電網電壓變成整流電路要求的交流電壓。單相橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構成的。設

46、電源變壓器二次側電壓U=Usinwt(v)，在U的正半周，極性為上正下負，此時二極管D1、D3承受正向電壓而導通，D2、D4反向截止，電流i的通路是aD1RLD3b。負載RL上又得到半波電壓。在U的負半周，極性為上正下負，此時二極管D2、D4導通，D1、D3反向截止，電流i的通路是bD2RLD4a。負載RL上又得到半波電壓。RL上得到的電壓U是單方向全波脈動。單相橋式整流濾波電路波形圖如圖2-11所示。wtU圖211 單相橋式整流濾波電路波形圖要使之接近于理想的直流電壓，在整流之后需加濾波電路，將單向脈動電壓中的交流分量盡量多地濾掉。2.7 濾波電路原理介紹濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波

47、，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。濾波電路的形式有很多，分為電容輸入式和電感輸入式。采用一只容量較大的電解質電容器，所以要注意其極性，其正極要接電路高電位端，負端要接電路低電位端。若極性接反，過高的反向電壓可能擊穿電容器。橋式整流、電容濾波電路如圖2-12所示。20V220V UUwtwt圖212 橋式整流、電容濾波電路 圖213 直流電壓U的波形直流電壓U的波形如圖2-13所示。由于電容C1并聯(lián)在負載電阻R1上，所以電容C1兩端的電壓Uc就是負載的電壓U0，交流電壓U的波形；假設，電路接通時，恰恰在電壓U由負

48、到正過零的時刻，這時二極管開始導通，電壓U通過二極管向電容C1充電，由于二極管的正向電阻很小，所以充電時間常數很小，電壓Uc將隨著電壓U按正弦規(guī)律逐漸升高，當U增大到最大值時，Uc也隨之上升到最大值。然后U開始下降，Uc也開始下降，但他們按不同規(guī)律下降，U按正弦規(guī)律下降，而電容C1則通過負載R1放電，電容端電壓Uc按指數規(guī)律下降，由于放電時間常數較大，Uc下降緩慢。除了剛過最小值的一小段時間內，仍有Uc=U的關系外，之后就出現UUc的情況，二極管承受反向電壓，處于截止狀態(tài)。電壓Uc按指數規(guī)律緩慢下降到wt=2以后，雖然電壓U又為正值，但由于UUc以后，二極管才又導通，電容C1由放電狀態(tài)重新變?yōu)?/p>

49、充電狀態(tài)，Uc又隨著U上升。如此繼續(xù)下去，電壓Uc也就是負載電壓UL就變得平滑了，因而負載電壓的平均值也有所增大了。如果電容濾波電路接于橋式整流電路，則在交流電壓的一個周期內，電容C1有兩次充、放電，其放電時間比上述半波整流后所接電容濾波電路要短，故輸出電壓更為平滑。電容濾波使整流輸出電壓波形變得平直的原因，還可以從電容C1對脈動電流中的交流成分具有旁路作用來理解。由于電容C1與負載電阻R1并聯(lián)，C1的容量愈大，整流后所得的脈動電流交流分量的頻率愈高，則電容C1的容抗愈小，而電阻R1 的阻值與頻率無關，因此，脈動電流中的交流成分主要通過電容C1而被旁路，R1上的電流和電壓便較為平直了。2.8

50、穩(wěn)壓電路原理介紹20V220V圖214 集成穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路采用三端穩(wěn)壓集成器7805和7812。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。集成穩(wěn)壓電路如圖2-14所示。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7805表示輸出電壓為正5V，7812表示輸出電壓為正12V。在實際應用中，應在三

51、端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。2.9 保護電路原理介紹過流保護電路是電源產品中不可缺少的組成不分，根據其控制方法大致可以分為關斷方式和限流方式。限流方式由于其具有電流下垂特性，故障解除后開關電源能自動恢復工作，因此，得到比較廣泛的應用。限流保護電路首先要有一個電流取樣環(huán)節(jié)，目前，一般的做法是串聯(lián)一個小電阻或是用霍爾元件來獲得電流信號。當取樣電流比較小的時候，這兩種取樣方法都是可取的。但當取樣電流比較大時，電阻取樣會有較大的損耗，降低了變換器的效率，而霍爾元件取樣其體積比較大，且價格昂貴，對整個電源的成本也是個問題。保

52、護電路如圖2-15所示。當電流小于設定值時，R7提供偏置電流，NPN飽和導通，對電流不起限制作用；當電流大于設定值時，R9上的壓降增大，R9上的壓降與三極管結壓的接近R8的壓降，于是開始限制NPN通過的電流，這樣就把電流限制在一定的水平。圖215 保護電路3 可調直流穩(wěn)壓電源硬件電路設計3.1 Protel 99SEProtel 99SE是ProklTechnology公司開發(fā)的基于Windows環(huán)境下的電路板設計軟件。該軟件功能強大，人機界面友好，易學易用，仍然是大中專院校電學專業(yè)必學課程，同時也是業(yè)界人士首選的電路板設計工具12。Protel 99SE軟件如圖3-1所示。Protel 99

53、SE 由兩大部分組成：電路原理圖設計（Advanced Schematic）和多層印刷電路板設計（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由兩部分組成：電路圖編輯器（Schematic）和元件庫編輯器（Schematic Library）。圖31 Protel 99SE軟件3.1.1 電路原理圖編輯器概述：進入Design Protel 99se后在Documents中通過右鍵 “New” 建立“SchematicDocument”文件，打開后即可進行電路原理圖的編輯。先按照已畫好的電路草圖將所有元件找到拖放到編輯框里。將編輯框縮小，將元件照電路的樣子搭好，整體上排

54、列勻稱。接下來就可以進行局部的連線了?；蛘呖梢韵葘㈦娐返母鱾€模塊先搭好，再通過框定各模塊平移組合成完整的電路，取消框定要通過EditDeSelectInside Area再用鼠標框定以前選中的模塊，就可以解除，表現為模塊由黃色變成普通顏色。對某個工程的操作是對一個數據庫的操作，因此不同的數據庫會在不同的窗口中打開，通過最小化可看到各個數據庫的窗口。3.1.2 原理圖原件庫編輯器概述：雖然Protel本身包含了龐大的元件庫，但在實際應用中總會遇到找不到元件的情況，這時就需要根據元件資料 自己動手在元件庫中制作這個元件。還有一種情況是各種元件分散在各個公司的元件庫中，不便與使用，所以要把常用元件集

55、中到一個元件庫中，這就要自己動手制作，將經常用到的元件復制到這個元件庫中，方便以后的使用?；静僮鳎涸煳募?LIB）也是基于數據庫文件（.DDB）下的操作，同一個數據庫下元件庫中的元件才可以通過Tools - Copy Component 相互復制，不同數據庫時可先用右鍵的copy將整個元件庫復制到當前數據庫，再在該數據庫中進行單個元件的復制。在放置芯片引腳時大頭指的是引腳外側，引腳名稱會嵌到芯片框里，引腳號在外側。（1）在畫芯片圖時，如果用到畫線的功能，則應將View - Snap Grid 功能打開，可增加畫線時的定位精度。（2）不同設計文件之間拷貝模塊時，操作如下：先選中要拷貝的部

56、分拷貝，鼠標變成十字線后在選定的區(qū)域中間點擊左鍵切換到另一個設計文件，粘貼即完成了操作。一般使用時，進入Design Protel 99se后在Documents中通過右鍵 “New” 建立 “Schematic Document”文件，打開后即可進行電路原理圖的編輯。先按照已畫好的電路草圖將所有元件找到拖放到編輯框里。將編輯框縮小，將元件照電路的樣子搭好，整體上排列勻稱。接下來就可以進行局部的連線了?；蛘呖梢韵葘㈦娐返母鱾€模塊先搭好，再通過框定各模塊平移組合成完整的電路，取消框定要通過EditDeSelectInside Area再用鼠標框定以前選中的模塊，就可以解除，表現為模塊由黃色變成普

57、通顏色。對某個工程的操作是對一個數據庫的操作，因此不同的數據庫會在不同的窗口中打開，通過最小化可看高各個數據庫的窗口。 3.2 電源原理圖設計本節(jié)主要介紹該穩(wěn)壓電壓的電路組成部分，電路原理圖及PCB圖。該直流穩(wěn)壓電源主要由四部分組成：開關電源電路、模數轉換電路、單片機控制電路、數碼管顯示電路和保護電路。各部分電路如下所示。3.2.1 開關電源電路設計該部電路包括變壓、 整流、濾波、穩(wěn)壓等各部分電路14。市電經過變壓器降壓后，通過78L15變?yōu)?5v，對該電壓整流后的一部分電壓直接作為開關變換電路的輸入電壓，另外將其通過78L05得到5v的電壓，給開關電源控制電路部分的單片機提供工作電源。電路中

58、采用發(fā)光二極管作為電源指示燈，交流220v降壓后經過整流橋整流輸出直流電壓作為開關變換電路的輸入電壓，78L05穩(wěn)壓輸出5v給單片機提供電源。開關電源電路圖如圖3-2所示。圖32 開關電源電路圖3.2.2 模數轉換電路設計AD轉換模塊TLC1543與單片機的接口采用串行接口方式，引線很少，與單片機連接簡單。模數轉換電路如圖3-3所示。其中A0A10是11路輸入，VCC和GND分別是電源引腳，REF+和REF-分別是參考電源的正負引腳，I/O Clock 是芯片的時鐘端，Adress 是地址選擇端，Data Out是數據輸出端，這三根引腳分別接到CPU的三個I/O端即可。EOC用于指示一次AD轉

59、換以完成，CPU可以讀取數據，該引腳是低電平有效，根據需要改引腳可接入CPU的中斷引腳，一旦數據轉換完成，向CPU提出中斷請求，在CPU向TLC1543發(fā)出轉換命令后，過一段固定的時間去讀取數據即可15。模數轉換電路如圖3-4所示。圖33 模數轉換電路圖34 1543芯片轉換電路圖3.2.3 保護電路設計當電流小于設定值時，由R1提供P3的偏置電流，P3飽和導通，對電流不起控制作用；當電流大于或等于設定值時，R上的壓降增大，R上的壓降與三極管結壓的和接近R2 的壓降，于是開始限制P3通過的電流，這樣就把電流限制在一定的水平。也可將R2換成一個穩(wěn)壓管，限流更為精確。限流保護電路如圖3-5所示。圖35 限流保護電路3.2.4 單片機控制電路設計本設計的控制核心使用AT89S51單片機，由于外部設備大多采用串行接口，單片機的外圍電路就十分簡單，只要外接晶體振蕩器和復位電路即可16。單片機接口電路圖如圖3-6所示。圖36 單片機接口電路圖3.2.5 數碼管顯示電路設計顯示電路如下圖所示，數碼管段碼接單機的P0口，位碼接單片機的P10P13口。由于單片機內P0口沒有上拉電阻單片機上的P0口需接上上拉電阻，同時段碼和P0口之間也需要加電阻以保證數碼管17。數碼管顯示電路圖如圖3-7所示。