毕业论文基于单片机的可调直流稳压电源设计.doc

哈尔滨剑桥学院毕 业 设 计论文题目： 基于单片机的可调直流稳压电源设计 学 生： 李玉秋 指导教师： 刘媛媛 讲师 专 业： 电子信息工程（电气及其自动化）班 级： 09电气4班 2013年 5 月哈尔滨剑桥学院毕 业 设 计 任 务 书题目名称：基于单片机的可调直流稳压电源设计立题意义：可调稳压电源不仅具有开关电源体积小，损耗低的优点，还具有线性电源输出电压纹波小，输出特性好的优点。并且引入单片机控制，使其在功能上具有一定智能化，能够满足一般低限度场合的供电需要。具有一定的的研究意义及实用价值。技术条件与要求：1.熟练掌握单片机原理、功能、程序设计。2.掌握稳压工作原理、电压调节方法、AD芯片和单片机的工作原理。任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）一、任务内容：1.查阅文献，掌握单片机的发展现状及未来发展趋势，稳压工作原理、电压调节方法、AD芯片和单片机的工作原理。2.进行单片机硬件设计，实现开关电源的数控调节。3.进行单片机程序的设计。4.实现直流开关电源在单片机的控制下能够输出稳定的、可调的直流电压0.1 15V步进调节。二、计划、时间安排2012年 4 月26日2013年4 月 7 日 选题、撰写阶段2013年 4 月 8 日2013年5 月12日 中期检查阶段2013年 5 月13日2013年5 月24日 整理、答辩阶段2013年 5 月25日 毕业论文（设计）答辩三、完成工作量与水平具体要求 按照计划进度、指导教师的要求完成预定的工作量、提高论文的设计水平。 专业负责人意见: 签名：年 月 日哈尔滨剑桥学院毕 业 设 计 审 阅 评 语一、指导教师评语 是否同意答辩： 同意答辩 不同意答辩 指导教师（签名） 职 称 年 月 日 二、评阅人评语 是否同意答辩： 同意答辩 不同意答辩 评阅教师（签名） 职 称 年 月 日 哈尔滨剑桥学院毕 业 设 计 答 辩 评 语 及 成 绩三、答辩委员会评语四、毕业设计成绩 签 字（盖章）：五、答辩委员会主任单位： 答辩委员会主任职称： 答辩委员会主任签字： 年 月 日基于单片机的可调直流稳压电源设计摘 要随着电子技术的迅速发展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能，目前，市场上各直流电源的基本环节大致相同，主要都包括交流电源、交流变压器(有时可以不用)、整流电路、滤波稳压电路等。本文运用了将单片机控制系统应用于开关稳压电源的方法和原理，提出的开关电源可调稳压输出的观点。认为可以实现开关电源的数控调节，并通过分析稳压工作原理、电压调节方法、AD芯片和单片机的工作原理，使输出电压下实现了0.1 15V步进调节。最终得出了直流开关电源在单片机的控制下能够输出稳定的、可调的直流电压。该可调稳压电源不仅具有开关电源体积小，损耗低的优点，还具有线性电源输出电压纹波小，输出特性好的优点。并且引入单片机控制，使其在功能上具有一定智能化，能够满足一般低限度场合的供电需要。具有一定的的研究意义及实用价值。关键词：稳压电源；单片机；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 electrical 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 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 analysis 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, adjustable 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, can 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 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 可调直流稳压电源国内发展现状11.2 可调直流稳压电源国外发展现状11.3 可调直流稳压电源研究的目的及意义12 可调直流稳压电源的基本原理32.1 直流稳压电源总体结构32.2 AT89C51单片机原理及其介绍42.3 数码管动态显示原理介绍82.4 数模转化电路原理介绍112.5 电源变压器原理介绍152.6 整流电路原理介绍152.7 滤波电路原理介绍162.8 稳压电路原理介绍182.9 保护电路原理介绍193 可调直流稳压电源硬件电路设计203.1 Protel 99SE203.2 电源原理图设计223.2.1 开关电源电路设计223.2.2 模数转换电路设计223.2.3 保护电路设计233.2.4 单片机控制电路设计243.2.5 数码管显示电路设计243.2.6 电源硬件电路原理图254 可调直流稳压电源软件设计264.1 Keil编程软件264.2 C语言程序26结论30致谢31参考文献32IV哈尔滨剑桥学院毕业设计基于单片机的可调直流稳压电源设计1 绪论1.1 可调直流稳压电源国内发展现状在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪四十年代中期开始形成，到了九十年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面，电源产业规模的发展的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助和创新意识指导下，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。但我国在电源产品的质量、可靠性和智能化的方面相对落后。1.2 可调直流稳压电源国外发展现状而以美国为首的几个发达国家，在电源产品的工艺水平、开发投入、生产规模、先进检测设备、网络化和持续续航能力等方面相对领先。现在，正向着数字化、模块化和绿色化等方向发展。欧美等国的直流稳压电源多采用向开关电源实现，开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。开关电源在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源而将直流-直流（DC/DC）变换器称为二次电源。同时，开关电源也在各种电子信息设备中，如计算机、充电电源等得到了广泛的应用。本文的主要内容就是研制一种高性能直流开关电源。1.3 可调直流稳压电源研究的目的及意义在当代科技与经济高速发展的过程中，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，给电力电子技术提的现代信息技术革命，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，因此电源的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，其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子，人们对它的要求也越来越高，要想为现代人工作、科研，在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到关键性的作用。随着计算机和通讯技术发展而为生活、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。对我们学生而言，在大学的实验室里和课程设计里面，有一个稳定可调的直流电源是很有必要的。因传统的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电压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、电路构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制的数字式可调稳压电源能较好地解决了以上问题。 本题采用单片机和其它元器件及外围电路，开发一个数字式可调稳压电源。能够设定输出电压值、电压值输出显示、存储等功能。通过此系统的设计，让开发者更深刻的掌握单片机基本原理，并熟悉一些外围电路的扩展，以及进一步提高C语言的硬件编程能力。2 可调直流稳压电源的基本原理2.1 直流稳压电源总体结构在电子电路中，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。一般直流稳压电源以一稳压电源为基础，以高性能单片机系统为控制核心，以稳压驱动放大电路、过流检测电路为外围的硬件系统，在检测与控制软件的支持下实现对电压输出的数字控制，通过对稳压电源输出的电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制稳压电源的工作状态及监测开关电路的。可调直流稳压电源原理框图如图2-1所示1。单片机复位Header 5x2时钟震荡AT89C51单片机四位LED显示TLC1543滑动变阻器调节输出稳压放大电路变压及整流5V直流电压供电图21 可调直流电源原理框图直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成2。电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压各滤波电容C满足RL-C（35）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。常用的集成稳压器有固定式三端稳压器与可调式三端稳压器。常用可调式正压集成稳压器有CW317（LM317）系列，它们的输出电压从1.25V37伏可调，最简的电路外接元件只需一个固定电阻和一只电位器。其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流为1.5A。其典型电路如下图，其中电阻R1与电位器R2组成输出电压调节器，输出电压Uo的表达式为：Uo1.25（1R2/R1）式中R1一般取120240欧姆，输出端与调整端的压差为稳压器的基准电压（典型值为1.25V）。2.2 AT89C51单片机原理及其介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128位bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域3。2.2.1 AT89C51的功能主要性能参数：（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容（2）4k字节可重复擦写Flash闪速存储器（3）1000次擦写周期（4）10年数据保留时间（5）全静态操作：0Hz-24MHz（6）三级加密程序存储器（7）1288字节内部RAM（8）32个可编程I/O口线（9）2个16位定时/计数器（10）6个中断源（11）可编程串行UART通道（12）低功耗空闲和掉电模式功能特性概述：AT89C51提供一下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。调线方式保存RAM中的内容，但震荡停止器工作并禁止其他所有部件工作到下一个硬件复位4。2.2.2 AT89S51的个引脚功能AT89C51单片机引脚图如图2-2所示。图22 AT89C51单片机引脚图VCC：AT89C51电源正端输入，接+5V。 GND：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入-20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RST：AT89C51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/VPP：“EA”为英文“External Access”的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（VPP）。ALE/PROG：ALE是英文“Address Latch Enable”的缩写，表示地址锁存器启用信号。AT89C51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0A7）锁进锁存器中，因为AT89C51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为“Program Store Enable”的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。AT89C51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围5。P0.0P0.7：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一锁存器将端口0送出的地址栓锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一完整的16位地址总线，而定址到64K的外部存储器空间。P2.0P2.7：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。P1.0P1.7：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。P3.0P3.7：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能6。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出7。2.3 数码管动态显示原理介绍本文采用四位数码管显示设备来显示输出电压。2.3.1 数码管结构及原理7段LED数码管如图2-3所示。图23 7段LED数码管LED显示器又称为数码管，LED显示器由8个发光二极管组成。中7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个贺点形的发光管在显示器的右下角作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字母。LED显示器有两种不同的形式：一种是8个发光二极管的阳极都连在一起的，称之为共阳极LED显示器；另一种是8个发光二极管的阴极都连在一起的，称之为共阴极LED显示器8。共阴与共阳极LED显示器如图2-4所示。图24 共阴与共阳极LED显示器LED显示器可分为共阳和共阴两种结构，如上图所示。图上为共阴结构。即把8个发光二极管阴极连在一起。这时如果需要点亮a到g中的任何一盏灯，只需要在相应的端口输入高电平即可；输入低电平则截止。比如我们现在要显示数字“3”，则只要在对应的a、b、c、d、g段送入高电平，在其他端送入低电平即可，点亮为“3”。共阴和共阳结构的LED显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二极管导通时，相应的笔划段发亮，由发亮的笔划段组合而显示的各种字符。8个笔划段hgfedcba对应于一个字节（8位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0,于是用8位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码。例如，对于共阴LED显示器，当公共阴极接地（为零电平），而阳极hgfedcba各段为0111011时，LED显示器显示“P”字符，即对于共阴极LED显示器，“P”字符的字形码是73H。如果是共阳LED显示器，公共阳极接高电平，那么显示“P”字符的字形代码应为10001100（8CH）。共阳共阴LED常见字符对应段码表如表2-1所示。表21 共阳共阴LED常见字符对应段码表显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC656DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8F71H8EH2.3.2 数码管显示方式点亮LED显示器有两种方式：一是静态显示；二是动态显示。在本次设计中，采用的是静态显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中CPU的开销小。这种电路的优点在于：在同一时间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。从下图可以看出，每位LED显示器需要单独占用8根端口线，因此，在数据较多的时候，往往不采用这种设计，而是采用动态显示方式。数码管动态显示图如图2-5所示。图25 数码管动态显示图所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描一位一位地轮流点亮各位显示器。图26 数码管静态显示图在此电路中，单片机的P0口用于控制4位LED的段选码：P1口的P1.0P1.3用于控制4位LED位选码。数码管静态显示图如图2-6所示。由于所有的段选码连在一起，所以同一瞬间只能显示同一种字符。但如果要显示不同字符，则要借助位选码来控制。（如果LED为共阴则P2.0P2.3输出为高电平，如果LED为共阳则P1.0P1.3输出为低电平。）例如，现在要显示5678四个数字，则首先应该将“5”的显示代码（共阴LED显示器的显示代码为6DH，共阳LED显示器的显示代码为92H）由P1.0送出，然后P2.0P2.3输出相应位码（LED为共阴则P2.0P2.3输出1000，LED为共阴则P2.0P2.3输出0111）时，则可以看到在数码管1上显示的数字为“5”。再将显示的数字“5”延时510ms，以造成视觉暂留效果；同时代码由P1.0送出。用同样的方法将其余3个数字“678”送数码管2，3，4显示，于是最后则可以在4位LED显示器上看到“5678”四个数字。为了使显示效果更加稳定，可以使每个数码管显示的数字不断的重复，但其中重复频率达到了一定的程度的时候，加之人眼睛本身的视觉暂留效果的作用，便可以看到相当稳定的“5678”四个数字。本文使用单片机进行控制能够非常准确地对电路进行控制，大大提高了稳压电路的精度，能够满足人们对电源电压的要求，采用LED进行显示能使我们非常方便准确对电压进行控制。2.4 数模转化电路原理介绍TLC1543美国TI司生产的多通道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，该芯片具有如下的一些特点：10位精度、11通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单，可广泛应用于各种数据采集系统。TLC1543为20脚DIP装的CMOS910位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列下图所示。其中A0A10（19 、11、12脚）为11 个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK （18脚）和DATA OUT（16脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATA OUT 为A/D换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/O CLOCK数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10S转换时间），高精度（10分辨率，最大1LSB不可调整误差）和低噪声的特点。1543引脚排列图如2-7所示。VCCEOCI/O CLOCKADDRESSDATA OUTCSREF+REF-A10A9A0A1A2A3A4A5A6A7A8 GND1112131415161718192012345678910 图27 1543引脚排列图2.4.1 TLC1543芯片的工作时序TLC1543工作时序，其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须置低电平。CS为高电平时，I/O CLOCK、ADDRESS被禁止，同时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脱离高阻状态。随后，CPU向ADDRESS提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1 路送到采样保持电路。同时，I/O CLOCK输入时钟时序，CPU从DATA OUT 端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK从CPU 接收10时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4个I/O CLOCK下降沿，而采样一直持续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATA OUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/O CLOCK工作过程。CS上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATA OUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。1543工作时序如图2-8所示。图28 1543工作时序2.4.2 TLC1543的软硬设计要点TLC1543三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI口。但大多数单片机均未内置SPI口（如目前国内广泛采用的MCS51和PIC列单片机），需通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。TLC1543芯片的三个输入端和一个输出端与51 系列单片机的I/O口可直接连接，具体连接方式可参见表2-2。软件设计中，应注意区分TLC1543的11个模拟输入通道和3个内部测试电压地址（后3个地址只用来测试你写的地址是不是正确的，真正使用时不用后三个地址）。附表为模拟通道和内部电压测试地址。程序软件编写应注意TLC1543通道地址必须为写入字节的高四位，而CPU读入的数据是芯片上次A/D转换完成的数据。在本文后的程序中对此有详细的说明10。1543模拟量输入地址表如表2-2所示。表22 1543模拟量输入地址表模拟输入通道选择输入寄存器地址（2进制）A00000A10001A20010A30011A40100A50101A60110A70111A81000A91001A101010内部测试电压选择输入地址输出结果（16进制）（Vref+Vref-）/21011200Vref+1100000Vref-11013ff注：Vref+为加到TLC1543 REF+端的电压，Vref-是加到REF-端的电压2.4.3 TLC1543芯片的应用（1）PC机通信接口电路 MAX232 (IC3)为标准RS232接口转换芯片，主要完成TTL至RS232电平的转换，为单片机和PC机通信提供通道。在整个数据采集系统中，PC机除了处理各种采样数据外，还负责对前台单片机系统进行管理，如故障诊断，参数设置等等。参数设置的其中一项为系统通信速率设置，管理人员可通过PC机任意设置单片机和PC机的通信速率，其设置参数保存在X25045的E2PROM存储单元中，在下次设置之前，该参数不会被更改。本例为单个采集系统的应用实例，实际应用中往往存在多系统并存的情况，这时可将MAX232 更换为MAX485 接口芯片，采用485总线标准，通过一台PC 机可在几千米范围内管理数十台前端机。（2）极性转换电路 鉴于目前国内采用的通信电源均为负电压，而TLC1543模拟通道输入只能为正电压，因此-48V 直流电压在送到A/D转换器前除了要分压外，还需将负电压转换为正电压。图4 为一个简单的极性转换电路，仅增加两个电阻便可完成负电压到正电压的转换，省去了复杂的极性转换芯片。当输入电压为0V时，TLC1543 A0端电压为2.5V；当输入电压为-5V时，A0端电压为0V。（3）TLC1543与89C51接口程序 TLC1543与89C51接口程序应完全依照TLC1543的工作时序编写，主要CONVETER 子程序组成。由于转换完成的数据为10位，软件编写时将数据的高位字节存放在2EH单元中，低位字节存放在2FH单元中。其中R4、R3寄存器分别存放TLC1543的通道地址和数量；R1、R2寄存器存放A/D转换结果。2.5 电源变压器原理介绍220V20V图29 20V变压器变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，是电能传递或作为信号传输的重要元件。变压器是一种静止电机，根据电磁感应的原理，能够将一种电压的电能转换为另一种电压的电能，以满足不同负荷的需要。变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。其中，与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组；与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组。20V变压器如图2-9所示。2.6 整流电路原理介绍整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要靠二级管的单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关键元件。常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流。20V220V图210 单相桥式整流电路单相桥式整流电路如图2-10所示。图中左端为电源变压器，它的作用事将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压。单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成的。设电源变压器二次侧电压U=Usinwt(v)，在U的正半周，极性为上正下负，此时二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4反向截止，电流i的通路是aD1RLD3b。负载RL上又得到半波电压。在U的负半周，极性为上正下负，此时二极管D2、D4导通，D1、D3反向截止，电流i的通路是bD2RLD4a。负载RL上又得到半波电压。RL上得到的电压U是单方向全波脉动。单相桥式整流滤波电路波形图如图2-11所示。wtU图211 单相桥式整流滤波电路波形图要使之接近于理想的直流电压，在整流之后需加滤波电路，将单向脉动电压中的交流分量尽量多地滤掉。2.7 滤波电路原理介绍滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。滤波电路的形式有很多，分为电容输入式和电感输入式。采用一只容量较大的电解质电容器，所以要注意其极性，其正极要接电路高电位端，负端要接电路低电位端。若极性接反，过高的反向电压可能击穿电容器。桥式整流、电容滤波电路如图2-12所示。20V220V UUwtwt图212 桥式整流、电容滤波电路 图213 直流电压U的波形直流电压U的波形如图2-13所示。由于电容C1并联在负载电阻R1上，所以电容C1两端的电压Uc就是负载的电压U0，交流电压U的波形；假设，电路接通时，恰恰在电压U由负到正过零的时刻，这时二极管开始导通，电压U通过二极管向电容C1充电，由于二极管的正向电阻很小，所以充电时间常数很小，电压Uc将随着电压U按正弦规律逐渐升高，当U增大到最大值时，Uc也随之上升到最大值。然后U开始下降，Uc也开始下降，但他们按不同规律下降，U按正弦规律下降，而电容C1则通过负载R1放电，电容端电压Uc按指数规律下降，由于放电时间常数较大，Uc下降缓慢。除了刚过最小值的一小段时间内，仍有Uc=U的关系外，之后就出现UUc的情况，二极管承受反向电压，处于截止状态。电压Uc按指数规律缓慢下降到wt=2以后，虽然电压U又为正值，但由于UUc以后，二极管才又导通，电容C1由放电状态重新变为充电状态，Uc又随着U上升。如此继续下去，电压Uc也就是负载电压UL就变得平滑了，因而负载电压的平均值也有所增大了。如果电容滤波电路接于桥式整流电路，则在交流电压的一个周期内，电容C1有两次充、放电，其放电时间比上述半波整流后所接电容滤波电路要短，故输出电压更为平滑。电容滤波使整流输出电压波形变得平直的原因，还可以从电容C1对脉动电流中的交流成分具有旁路作用来理解。由于电容C1与负载电阻R1并联，C1的容量愈大，整流后所得的脉动电流交流分量的频率愈高，则电容C1的容抗愈小，而电阻R1 的阻值与频率无关，因此，脉动电流中的交流成分主要通过电容C1而被旁路，R1上的电流和电压便较为平直了。2.8 稳压电路原理介绍20V220V图214 集成稳压电路稳压电路采用三端稳压集成器7805和7812。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。集成稳压电路如图2-14所示。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压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。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7812表示输出电压为正12V。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。2.9 保护电路原理介绍过流保护电路是电源产品中不可缺少的组成不分，根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式。限流方式由于其具有电流下垂特性，故障解除后开关电源能自动恢复工作，因此，得到比较广泛的应用。限流保护电路首先要有一个电流取样环节，目前，一般的做法是串联一个小电阻或是用霍尔元件来获得电流信号。当取样电流比较小的时候，这两种取样方法都是可取的。但当取样电流比较大时，电阻取样会有较大的损耗，降低了变换器的效率，而霍尔元件取样其体积比较大，且价格昂贵，对整个电源的成本也是个问题。保护电路如图2-15所示。当电流小于设定值时，R7提供偏置电流，NPN饱和导通，对电流不起限制作用；当电流大于设定值时，R9上的压降增大，R9上的压降与三极管结压的接近R8的压降，于是开始限制NPN通过的电流，这样就把电流限制在一定的水平。图215 保护电路3 可调直流稳压电源硬件电路设计3.1 Protel 99SEProtel 99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具12。Protel 99SE软件如图3-1所示。Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）。图31 Protel 99SE软件3.1.1 电路原理图编辑器概述：进入Design Protel 99se后在Documents中通过右键 “New” 建立“SchematicDocument”文件，打开后即可进行电路原理图的编辑。先按照已画好的电路草图将所有元件找到拖放到编辑框里。将编辑框缩小，将元件照电路的样子搭好，整体上排列匀称。接下来就可以进行局部的连线了。或者可以先将电路的各个模块先搭好，再通过框定各模块平移组合成完整的电路，取消框定要通过EditDeSelectInside Area再用鼠标框定以前选中的模块，就可以解除，表现为模块由黄色变成普通颜色。对某个工程的操作是对一个数据库的操作，因此不同的数据库会在不同的窗口中打开，通过最小化可看到各个数据库的窗口。3.1.2 原理图原件库编辑器概述：虽然Protel本身包含了庞大的元件库，但在实际应用中总会遇到找不到元件的情况，这时就需要根据元件资料 自己动手在元件库中制作这个元件。还有一种情况是各种元件分散在各个公司的元件库中，不便与使用，所以要把常用元件集中到一个元件库中，这就要自己动手制作，将经常用到的元件复制到这个元件库中，方便以后的使用。基本操作：元件库文件（.LIB）也是基于数据库文件（.DDB）下的操作，同一个数据库下元件库中的元件才可以通过Tools - Copy Component 相互复制，不同数据库时可先用右键的copy将整个元件库复制到当前数据库，再在该数据库中进行单个元件的复制。在放置芯片引脚时大头指的是引脚外侧，引脚名称会嵌到芯片框里，引脚号在外侧。（1）在画芯片图时，如果用到画线的功能，则应将View - Snap Grid 功能打开，可增加画线时的定位精度。（2）不同设计文件之间拷贝模块时，操作如下：先选中要拷贝的部分拷贝，鼠标变成十字线后在选定的区域中间点击左键切换到另一个设计文件，粘贴即完成了操作。一般使用时，进入Design Protel 99se后在Documents中通过右键 “New” 建立 “Schematic Document”文件，打开后即可进行电路原理图的编辑。先按照已画好的电路草图将所有元件找到拖放到编辑框里。将编辑框缩小，将元件照电路的样子搭好，整体上排列匀称。接下来就可以进行局部的连线了。或者可以先将电路的各个模块先搭好，再通过框定各模块平移组合成完整的电路，取消框定要通过EditDeSelectInside Area再用鼠标框定以前选中的模块，就可以解除，表现为模块由黄色变成普通颜色。对某个工程的操作是对一个数据库的操作，因此不同的数据库会在不同的窗口中打开，通过最小化可看高各个数据库的窗口。 3.2 电源原理图设计本节主要介绍该稳压电压的电路组成部分，电路原理图及PCB图。该直流稳压电源主要由四部分组成：开关电源电路、模数转换电路、单片机控制电路、数码管显示电路和保护电路。各部分电路如下所示。3.2.1 开关电源电路设计该部电路包括变压、 整流、滤波、稳压等各部分电路14。市电经过变压器降压后，通过78L15变为15v，对该电压整流后的一部分电压直接作为开关变换电路的输入电压，另外将其通过78L05得到5v的电压，给开关电源控制电路部分的单片机提供工作电源。电路中采用发光二极管作为电源指示灯，交流220v降压后经过整流桥整流输出直流电压作为开关变换电路的输入电压，78L05稳压输出5v给单片机提供电源。开关电源电路图如图3-2所示。图32 开关电源电路图3.2.2 模数转换电路设计AD转换模块TLC1543与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。模数转换电路如图3-3所示。其中A0A10是11路输入，VCC和GND分别是电源引脚，REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，I/O Clock 是芯片的时钟端，Adress 是地址选择端，Data Out是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU的三个I/O端即可。EOC用于指示一次AD转换以完成，CPU可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要改引脚可接入CPU的中断引脚，一旦数据转换完成，向CPU提出中断请求，在CPU向TLC1543发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可15。模数转换电路如图3-4所示。图33 模数转换电路图34 1543芯片转换电路图3.2.3 保护电路设计当电流小于设定值时，由R1提供P3的偏置电流，P3饱和导通，对电流不起控制作用；当电流大于或等于设定值时，R上的压降增大，R上的压降与三极管结压的和接近R2 的压降，于是开始限制P3通过的电流，这样就把电流限制在一定的水平。也可将R2换成一个稳压管，限流更为精确。限流保护电路如图3-5所示。图35 限流保护电路3.2.4 单片机控制电路设计本设计的控制核心使用AT89S51单片机，由于外部设备大多采用串行接口，单片机的外围电路就十分简单，只要外接晶体振荡器和复位电路即可16。单片机接口电路图如图3-6所示。图36 单片机接口电路图3.2.5 数码管显示电路设计显示电路如下图所示，数码管段码接单机的P0口，位码接单片机的P10P13口。由于单片机内P0口没有上拉电阻单片机上的P0口需接上上拉电阻，同时段码和P0口之间也需要加电阻以保证数码管17。数码管显示电路图如图3-7所示。