基于单片机的程控电源硬件设计_spy.doc
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1、 PROGRAMMABLE POWER SUPPLY HARDWARE DESIGN BASED ON SINGLE CHIP MICROCOMPUTER A Thesis Submitted to University of Electronic Science and Technology of China Major: _Control Engineering Author: _Li Dan_ Advisor: _Hou Xiaorong School : School of Automation 电源是现代完成产品设计的最基本工具之一。采用单片机作为核心控制器件的 程控电源具有输出电压
2、电流可变,操作方便,便于携带等优点,是一种新型电源。 无论在实验室还是在工程现场都有比较广泛的应用。 本设计是基于 STC12 系列的单片机进行的程控电源硬件电路设计, 采用的是 STC12C5410AD单片机替代常规 51单片机加 AD模块的新模式。 设计由主要控制模块、数控电源驱动模块、辅助电源模块、 LCD显示 模块、 按 键操作模块五个模块组成。本设计以直流电压源为核心, STC12C5410AD单片 机为 主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电压,设置步进等级可达 0.1V, 输出 电压范围为 0 25V, 最大电流为 1A, 并可由液晶屏显示实际输出电压值。 本系统 由单片机程控
3、输出数字信号,再经过运算放大器隔离放大,控制输出功率 管的基极, 随着功率管基极电压的变化而输出不同的电压,输入电压、反馈电压、 反馈电流由 LCD液晶显示器显示。最终可实现由 LCD显示设置电压,及当前电 压;通过加减键 设置输出电压,步进 0.1V, 0-25V可调 ;实时采样电流,并在 LCD 上显示出电流值。 本文详细的分析了该程控电源的工作过程,最后对该程控电源 进行了计算模拟机仿 真和实物制作,验证了其可行性和有效性。 关键词:程控电源, STC12C5410AD, LCD, AD, 51单片机 ii ABSTRACT Power supply complete the produ
4、ct design is the most basic of modern tools. Programmable power supply is in one of these new power supplies. Programmable power supply with single-chip microprocessor control, advanced technology, all programmed, all key operations, small size, light weight, adjustable output parameters, easy to ca
5、rry, both for the laboratory, you can also use the site. Its design system control module,NC power by driving module,auxiliary power module,display module,buttons were five modules adjust module. This design with dc voltage source as the core,STC12C5410AD microcontroller, mainly through the keyboard
6、 to set the controller dc power output voltage,setting stepping level can amount to 0.1 V,output voltage range of 0-25V,maximum current lA,and by the display on the LCD panel output voltage. The system is composed of single-chip microcomputer program-controlled output digital signal, and then after
7、op-amp isolating amplifier,control the output power tube,as the base of the base power tube voltage output different voltage changes,the input voltage, feedback voltage,feedback by LCD display current. These designs ultimately realize functions: The system can use LCD display Settings voltageand the
8、 current voltage. Through the addition and subtraction key bindings output voltage,stepping 0.1 v.,0-25V adjustable. The current real-time sampling is displayed on LCD and the current value. This paper analyzes in detail the working process of the programmable power supply, programmable power supply
9、 was the last of the computer simulation and physical simulation of production machines to verify its feasibility and effectiveness. Keywords :SPC power, STC12C5410AD,LCD,AD, MCS 51 III 目录 B #会者 i仑 . 1 1.1本课题研宄的背景及意义 . 1 1.2国内外研宄现状、水平 . 1 1.3本课题的发展趋势 . 2 1.4本课题设计内容及要求 . 2 1.4.1本课题设计内容 . 1.4.2本课题设计要求
10、 .2 1.4.3本设计的创新点 . 3 第二章程控电源系统分析 . 4 2.1程控电源的工作原理 . 4 2.2程控电源的设计指标 . 4 2.3程控电源系统组成 . 5 2.4系统设计方案 . 5 2.4.1系统可行性分析 . 5 2.4.2设计方案 比较 . 6 2. 5本章小结 . 6 第三章系统硬件设计与实现 . 7 3.1 STC12C5410AD 单片机介绍 . 7 3.1.1 STC12C5410AD 单片机特点 . 7 3.1.2 STC12C5410AD 工作类型 . 9 3.1.3 STC12C5410AD的晶振及其连接方法 . 9 3.2电路设计框图 . 10 3.3数
11、字控制部分 . 11 3.3.1复位电路 . 12 3.3.2晶振电路 . 12 3.3.3键盘电路 . 13 IV 3.3.4主控系统的整体结构 . 13 3.4数控电源驱动电路及反馈模块 . 14 3.4.1数控电源驱动电路连接 . 14 3.4.2电压采样电路 . 16 3.4.3电流采样电路 . 17 3.5显示电路的设计 . 17 3.5.1显示电路 . 17 3.5.2 LCD液晶显示器简介 . 18 3.6电源的设计 . 23 3.7本章小结 . 24 第四章软件设计 . 25 4.1主程序流程图 . 25 4.2键盘扫描流程图 . 26 4.3定时中断流程图 . 28 4.4本
12、章小结 . 30 第五章基于 Multisim的硬件电路调试 . 31 5.1 Multisim9 的使用 . 31 5.2硬件 电路的软件调试 . 33 5.2.1电源电路的调试 . 33 5.2.2数控驱动部分的调试 . 36 5.2.3整机电路部分调试 . 37 5.3本章小结 . 40 第六章实物调试及问题分析 . 41 6.1组装程序问题 . 41 6.2实物测试 . 41 6.3测试结果分析 . 43 6.4本章小结 . 43 至夂 i射 . 44 参考文献 . 45 v 附录 A:系统设计电路图 . 47 附录 B:程控电源系统主源程序 . 48 附录 C: PCB图 . 59
13、第 一 章 绪 论 电源是提供电压的装置,把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。随着电 子产业的飞速发展,各种电子仪器设备对电源的精确度,稳定可靠性,能耗以及 体 积等多方面都提出了更好的要就。为了满足这些高要求从而诞生了性能更佳的 一系 列新型电源。程控电源就是这些新型电源中的一种。采用单片机作为核心控 制器件 的程控电源具有输出电压电流可变,操作方便,便于携带等优点。无论在 实验室还 是在工程现场都有比较广泛的应用。 1.1本课题研 究的背景及意义 在当今这个电子时代,我们时刻享受着电子设备给我们带来的便利。而电源是 任何电子设备都需要的重要部件。传统电源功能单一,一般只能提供定值电压或
14、 者 电流,这样不便于系统的升级和修改,不能满足电子设备对电源的更高要求。 程控 电源是新型电源的一种,以单片机为核心控制器件,因其所用器件少,体积 小,功 能较强,使用灵活,越来越受到广大用户的喜爱。如今的电子仪器设备都 向着体积 小,多功能,智能化发展,当然对电源就有了更高的要求。基于单片机 的程控电源 达到了全程控、全按键操作、高精度、体积小、重 量轻、携带方便, 价格便宜等要 求。程控电源不仅克服了传统电源的缺点而且在设计技术指标上 也在不断提高,如 精度高、误差小、实用性强等,以满足不同层次用户的要求。 因此,设计一种采用 单片机为核心控制器件的易操控,误差小,体积小,性价比 高的程
15、控电源,以克服 传统电源的缺点,就具有很高的市场前景 。 m 1.2国内外研究现状、水平 普通电压源通常采用电位器(细调 ) 和波段开关(粗调 ) 来调节输出电压,并 由电压表指示电压值的大小。因此,电压的调节精度不高,读数欠直观,电位器 也 易磨损。并且限流或截流保护常常是采 用硬件电路,所以电路构成比较复杂, 稳压 精度也不高。而采用单片机为核心控制器件的程控电源能很好的弥补普通电 源的以 上不足。我们现在在市面上能找到的大多是普通电源,性价比一般都不高, 1 2 程控电源研宄和生产的较少。 m因此,发展适用、经济、性能可靠的程控电源,有 较为广阔的市场前景和应用价值。在这方面美日韩等电子
16、技术发达的国家,发展 较 快,应用水平较高,我国虽然起步较晚,历史不长,但发展很快,特别是近 20 年来, 在国内得到前所未 有的重视和发展。 1.3本课题的发展趋势 二十世纪八十年代由于电力电子理论开始建立,为程控电源的发展打下了良好 的基础。程控电源技术在之后的一段时间里有了长足的发展。提高控制精度,功 率 密度和可靠性成为程控电源的主要发展方向。单片机技术和电压转换模块的出 现使 得程控电源的精确度有了很大提高。随着控制理论的不断发展,集成电路和 数字信 号处理器件的研制应用,程控电源的控制精度和功率密度不断提高,在九 十年代控 制精度能达到 0.05V, 功率密度达到每立方米 50W。
17、 m近年来,随着电子 产品发展 需求的提高, 可调稳压电源的应用已越来越广泛。而以单片机为控制核 心的程控电 源的应用也越来越多,随着其功能的完善和性能的改进,我相信程控 电源的应用将 逐渐渗透到人们工作生活的各个方面。 1.4本课题设计内容及要求 1.4.1本课题设计内容 (一) 在程控电源技术的研宄方面,本文将深入分析程控电源工作原理及单 片机控制原理并建立动态模型。 (二) 程控电源控制方法研宄。对比分析几种程控电源的控制方案,以确定 一种最佳控制方案。 (三) 程控电源主电路研宄。其中包括整流滤波部分、变压器部分、控制部 分、检测部分和显示 部分。 (四) 利用单片机对电源进行微机控制
18、,实现参数可调,全按键操作。 1.4.2本课题设计要求 功能特点:直流输出; 可 0-25V范围内设定所需输出电压值; 3 按键操作; 数字显示。 技术指标:步进: 0. IV,精度要求 : 0.01; 输入: 220V, 输出: 0到 25V可调; 纹波:小于 20uV, 输出电流 0到 1. 25A。 1.4.3本设计的创新点 利用 STC12C5410AD替代原有 51单片机与 AD模块的组合,使电源体积更小, 重量 更轻。 4 第二章程控电源系统分析 2.1程控电源的工作原理 程控电源的一般工作原理是: 220V, 50Hz的市电经过变压器变压将市电电 压 转换成所设计的电压,然后送稳
19、压电路,由稳压电路对输出电压进行初步稳压, 这 样做目的是降低大功率调整管的输入与输出之间的管压降,减少大功率调整管 的功 耗,提高直流电源的工作效率。经过稳压电路和滤波器后得到的电压基本稳 定,纹 波相对较小的直流电,经过在控制电路的控制的大功率调整管进行精确快 速 的调整 后,将得到稳压精度和性能符合标准的直流电压。再经过滤波器进行滤 波后,既得 到我的所需要的输出直流电。为了得到的所需要的输出电压值或稳流 电流值,我们 还需要对输出的电压值和电流值进行取样检测,并将其传送到控制 / 保护电路,控 制 /保护电路将检测到的输出电压值钱和电流值与电压 /电流设定电路 所设定的值, 进行比较分
20、析后,驱动预稳压电路和大功率调整管使直流稳压电源 能输出我们所设 定的电压和电流值,同时当控制保护电路检测到异常的电压或电 流值等情况下将启 动保护电路使直流电源进入保护状态。 2.2程控 电源的设计指标 为了使该设计满足用户需求,设计程控电源系统时需要全面收集电源的各项技 术指标。经过对用户需求的调查了解该程控电源的设计技术指标如下 : 输入电压参数 : 220V市电; 输入电压频率: 50Hz; 输出电压参数 :到25V可调; 步进: 0 IV; 输出精度要求: 0.01; 输出电流: 0到 1.25A。 纹波: 20uV 5 2.3程控电源系统组成 一个完整的程控电源系统一般包括数字控制
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