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基于单片机的数控恒压源设计及直流稳压电源基本原理的介绍.pdf
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更新于2023-05-28
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基于单片机的数控恒压源设计及直流稳压电源基本原理的介绍pdf,直流稳压电源的应用非常的广泛,质量优良的直流稳压电源,才能满足各种电子线路的要求。所以直流稳压电源的设计颇为重要,特别是数控制流稳压电源。本文主要介绍数控直流稳压电源的设计,对其中涉及的PWM输出、AD采样、单片机等也有详细介绍。将单片机数字控制技术, 有机地融入直流稳压电源的设计中, 就能设计出一款高性价比的多功能数字化通用直流稳压电源。该设计除了对电压的数字控制的功能外还有可监测实际电压输出和数字电压表的功能。因此设计具有高精度,多功能,液晶显示的特点。
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基于 STC 单片机的数控恒压源的设计
【摘要】直流稳压电源的应用非常的广泛,质量优良的直流稳压电源,才能满足各种电子线
路的要求。所以直流稳压电源的设计颇为重要,特别是数控制流稳压电源。本文主要介绍数
控直流稳压电源的设计,对其中涉及的 PWM 输出、AD 采样、单片机等也有详细介绍。将单
片机数字控制技术, 有机地融入直流稳压电源的设计中, 就能设计出一款高性价比的多功
能数字化通用直流稳压电源。该设计除了对电压的数字控制的功能外还有可监测实际电压输
出和数字电压表的功能。因此设计具有高精度,多功能,液晶显示的特点。
第一章 直流稳压电源的基本原理
在电子电路中,通常都需要电压稳压的直流电源供电。日常生活中也需要将交流电转变
成直流电,形成直流稳压电源。直流稳压电源的基本原理直流电源电路一般由电源变压器、
整流滤波电路及稳压电路所组成。如图 1-1
图 1-1 直流稳压电源的工作原理
电源变压器的作用是将电网 220V 的交流电压变成整流电路所需要的电压 U1。
1.1 整流滤波电路
整流电路的作用是将交流电压 U1,变换成脉动的直流 U2,它主要有半波整流、全波整
流方式,可以由整流二极管构成整流桥堆来执行,常见的整流二极管有 1N4007、1N5148 等,
桥堆有 RS210 等。滤波电路作用是将脉动自流 U2 滤除纹波,变成纹波小的 U3,常见的电路
有 RC 滤波、LC 滤波、等,常用的选 RC 滤波电路。其中它们的关系为:Ui=nU1 其中,n 为
变压器的变化。 U2=(1.1~1.2)U1 每只二极管或桥堆所承受的最大反向电压 U
RM
=
2
U
1
对于桥式整流电路中,每只二极管的平均电流 I
D(AV)
=1/2I
R=
=0.45U
1
/R。RC 滤波电路中,C 的
选择应适应下式,即 RC 放电时间常数应满足 RC=(3~5)T/2 式中,T 为输入交流信号周期,
R 为整流滤波电路的等效负载电阻。常用的整流滤波电路如图 1-2 所示,桥式整流滤波电路。
图 1-2 桥式整流、电容滤波电路

图 1-3 交流电压 U 的波形
1.2 稳压电路
稳压的作用是将滤波电路定的电路输比电压经稳压后,输出较稳定的电压。常见的稳压电
路有三端稳压器、串联式稳压电路等。本文采用三端稳压器,三端固定式稳压器的基本应用
电路如下图所示,只要把正输入电压 Ui 加到 MC7805 的输入端,MC7805 的公共端接地,其
输出端便能输出芯片标称正电压 U0,在实际应用电路中,芯片输入端和输出端与地之间除
分别接大容量滤波电容外,通常还需在芯片引出脚根部接小容量电容 Ci,C0 到地。Ci 用于
抑制芯片自激振荡,C0 用于压窄芯片的高频带宽,减小高频噪声。Ci 和 C0 的具体取值应随
芯片输出电压高低及应用电路的方式不同而异。
图 1-4 三端固定式稳压电路
正、负输出稳压电源 正、负输出稳压电源能同时输出两组数值相同、极性相反的恒定电
压。 图 1-5 所示为正、负输出电压固定的稳压电源。它由输出电压极性不同的两片集成稳
正器 MC7815 和 MC7915 构成,电路十分简单。两芯片输入端分别加上 i 20V 的输入电压。
图 1-5 正、负输出电压固定稳压电源

1.3 电源设计
根据以上原理电源部分则使用三端集成稳压芯片 7815 和 7915 输出稳定+15V 和-15V,
对运算放大器 OP07 和 LF356 进行双电压供电。因此电源的设计:
1. 正负 15V 电源电路如下图所示,对于滤波电容的选择,要考虑:1.整流管的压降;2.7815、
7915 最小允许压降 Ud;3.电网波动 10%。从而允许波纹的峰峰值Δτt=18×
2
(1-10%)
-0.7-Ud-15=4.9v 接 近 似 电 流 放 电 计 算 , 假 设 θ =0 ( 通 角 ), 则
C=
u
tI
*
=
9.4
10017.0 /
=1430μf 选取滤波电容 C=2200μf/30V
2. +5V 电源 允许的最大纹波峰峰值Δτt(max)=9×
2
(1-10%)-1.4-2.3-5=2.76V
C=
u
tI
*
=
76.2
10011 /
=3600μf 选取滤波电容 C=4700μf/16V
图 1-6 ±15V 电源设计电路原理图
图 1-7 5V 电源电路原理图
第二章 数控恒压源的实现方案
传统的直流稳压电源输出是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的,并由电位表指示
电压值的大小。这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调
准、电位构成复杂、体积大等缺点,而基于单片机控制的数控直流电源不但实现了直流稳压
的功能,而且没有上述的缺点。
2.1 设计要求
> 输出电压范围:0.0—10.0V
> 输出电压的调整方式:步进 步进数值为 0.1V
> 显示方式:LCD 液晶显示;
> 监测 DA 的输出电压值;

2.2 数控电源的方案论证
图 2-1 设计总体框图
上图所示数控电源的输出电压数值由键盘控制。通过键盘把需要输出的电压值以步进方
式输入到单片机。这里电压采用单片机的 PWM 模拟电压输出。显示电路既可用来显示输出的
电压值,也可用来显示键盘电路的调整过程。PWM 输出模拟电压不一定满足要求,如果不满
足输出电压的要求,将需要添加一个电压放大器。经过 OP27 线形转换后,得到所需电压值,
另外对于监测电压的实际输出电压值通过单片机的 AD 采样口将采样值送回单片机处理后显
示。在该数字控制电源中,使用 8051 芯片完成系统控制按键输入判断,电压数值显示,以
及对外部芯片的各种数字控制。
第三章 数字控制部分
3.1 STC12C5410AD 单片机介绍
STC12C5410AD 系列及 STC12C2052AD 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)
的单片机,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。STC12C2052AD 系列只有 2 路 PWM,8 路高速 8 位 A/D 转换。
1.增强型 8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统 8051
2. 工作电压:
STC12C5410AD 系列工作电压:5.5V - 3.5V(5V 单片机)/ 3.8V - 2.2V(3V 单片机)
STC12C2052AD 系列工作电压:5.5V - 3.5V(5V 单片机)/ 3.8V - 2.2V(3V 单片机)
3. 工作频率范围:0 - 35 MHz,相当于普通 8051 的 0~420MHz
4. 用户应用程序空间 1K / 2K / 4K / 6K / 8K / 10K / 12K 字节......
5. 片上集成 512 字节 RAM(STC12C5410AD 系列), STC12C2052AD 系列单片机为 256 字节 RAM
6. 通用 I/O 口(27/23/15 个),复位后为: 准双向口/弱上拉(普通 8051 传统 I/O 口)可
设置成四种模式:准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个 I/O 口驱动
能力均可达到 20mA,但整个芯片最大不得超过 55mA
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,可选择是使用
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
精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,应认为是 4MHz ~ 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,STC12C2052AD 系列只有两路 PCA

9. 外部中断 2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 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,2052 系列只有两路
---也可用来当 4 路 D/A 使用
---也可用来再实现 4 个定时器
---也可用来再实现 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。STC12C2052AD 系列只有 8 位精度
3.1.1 STC12C5410AD 系列 8051 单片机的基本结构框图
3.1.2 I/O 口各种不同的工作模式及配置介绍
I/O 口配置
STC12C5410AD 系列单片机其所有 I/O 口均可由软件配置成 4 种工作类型之一,如下表所
示。4 种类型分别为:准双向口(标准 8051 输出模式)、推挽输出、仅为输入(高阻)或
开漏输出功能。每个口由 2 个控制寄存器中的相应位控制每个引脚工作类型。STC12C5410AD
系列单片机上电复位后为准双向口(传统 8051 的 I/O 口)模式。2V 以上时为高电平,0.8V
以下时为低电平。
P3 口设定< P3.7, x ,P3.5,P3.4,P3.3,P3.2,P3.1,P3.0 无 P3.6 口>
P2 口设定 <P2.7,P2.6,P2.5,P2.4,P2.3,P2.2,P2.1,P2.0>
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