毕业设计-基于单片机控制的智能电源的设计.doc

中文摘要天朝大学毕业设计说明书基于单片机控制的智能电源的设计学 院：电气与电子工程学院专 业：电气工程及其自动化 学生姓名： 你 猜 学 号： 0720121220 指导教师： 很漂亮 2011 年 6月57摘 要本设计给出了数控直流稳压电源的硬件电路和软件系统。整个稳压电源由单片机（数控中心）系统、键盘、显示、A/D和D/A转换、辅助电源、稳压输出电路，备用电源电路等模块组成。实现了电压的可预置、可步进增减调整、输出电压信号可数字显示等功能。此外本系统还附有一组由两节可充电锂离子电池构成的备用电源，使得该智能电源在外部电网电力供应中断的情况仍可向重要负载持续供电一段时间，系统可独立完成对这组备用电源的充放电控制。同时为了避免因使用不当对电池造成的损害，还为锂离子电池组配置了专门的保护电路，使得该组备用电源具有很高的安全性。综上可知本系统具有功能多、显示直观、使用方便等特点，因而具有一定的实用价值。关键词：直流稳压电源,单片机,数控,PID,备用电源英文摘要AbstractThis system includes both hardware and software systems. There are several modules of this whole system,such as single-chip computer(Digital Control Center) system , keyboard, display, D/A and A/D converters, auxiliary power supply, voltage output adjustment,backup power supply ect. These functions are realized that the voltage can be pre-set, step changes in adjustment, figuresm show the output voltage signal ect. This system also includes a backup power supply consisted of two rechargable Li-ion batteries ,which could still power some important external load for limited time when the smart power supply has lost itspower,and the backup power supply could be worked safely and independently under the control of the system.In order to keep the Li-ion batteries from exposing in these serious dangers,a special protect device has been installed.The system has the following features , such as multi-functions, intuitived showing , easy using ect. So this design possesses a great number of practical value.Key words： DC regulated power supply, Single-chip computer system, numerical control, PID,Backup Power supply目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引言11.1 课题研究的背景和意义11.1.1电源技术11.1.2锂离子电池21.2 本课题的研究内容51.3 本文的结构5第二章系统总体设计72.1系统设计任务及要求72.2系统总体方案论证72.2.1可调电压输出电路部分72.2.2备用电源部分82.3系统总体方案8第三章 系统单元电路设计103.1辅助电源电路103.1.1直流稳压电源的基本原理103.1.2本系统辅助电源设计133.2 2-12V可调电压电路153.2.1 单片机系统153.2.2 数模转换电路163.2.3 稳压输出电路173.2.4 模数转换电路193.2.5 4*4行列式键盘213.2.6 显示电路223.3备用电源电路243.3.1 充电电路243.3.2 保护电路28第四章 系统软件设计334.1 PID算法334.1.1 PID算法简介334.1.2 PID控制器的参数整定344.2 系统子程序流程图354.2.1 显示子程序364.2.2 键盘子程序374.2.3 中断服务程序38结 论39参考文献40致谢42附录：43第一章 引言第一章 引言1.1 课题研究的背景和意义1.1.1电源技术电源设备是电子仪器的一个重要组成部分，在科研及实验中都是必不可少的,电源种类繁多，也没有明确的划分标准，习惯上， 按照调整管的工作方式的不同可将直流稳压电源划分为线性直流稳压电源和开关型稳压电源两大类，下面我们将主要讨论线性稳压电源。 在实际的工作环境下，特别是在一些工业场所，各种用电设备纵横交错，电磁环境十分恶劣，设备仪器在使用过程中常常会被暴露在异常状况工作环境之下， 例如过电压、瞬态脉冲冲击波、强电磁辐射等，这些都会影响设备的正常运行，严重时甚至会损坏电源，以至于影响整个系统的工作,这就对电源设备的可靠性提出了严格要求。人们已经研制成了许多模拟电压源，这些电压源各有各的优点，例如成本低、简单、负载可以接地等。在自动控制仪表中，常要求按一定输入值输出相应精度电压，但是一般的电压源往往是固定的一种电压值，或有限的数档电压值，不便于通用。常见的直流稳压电源,大都采用串联反馈式稳压原理,通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。由于受电位器阻值变化的非线性和调整范围窄所限,普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。在目前所使用的直流可调电源中，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。近年来，随着微电子技术的发展，新器件的研制、生产周期日益缩短，电子技术中遇到的许多难题将通过寻求新器件的办法解决。各种各样的D/A转换器已可实用，便可以方便的对电压值进行数字控制，这样就可以比较经济地构建数控直流稳压电源【28】之类的电路。单片机相关的应用技术更是有了迅猛的发展，众多功能各异、结构不同、供应状态不一的单片机可供用户选择，如支持ISP（在线更新程序）功能的89S51系列芯片，低电压、高性能8位CMOS芯片AT89C51，以及具有内部集成D/A、A/D转换器的单片机C8051F02等等。将低价位的单片机引入电源设计中，以单片机作为核心部件，利用键盘产生中断，利用中断服务程序实现各模块的功能成为当前国内外数控电源设计的主流。本课题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, 设计出一款高性价比的多功能数字化通用智能型直流稳压电源。该电路具有电压调整简便,读数直观,电压输出稳定,便于智能化管理的特点,可以有效地克服传统电源的不足。集成芯片的不断发展，亦大大简化了电源的设计，电源工程师们不用一步一步地去连接复杂的电路，因为各部分的电路都集成在各部分的功能模块中，只需将其封装起来，构成模块整体，这样，电源的设计、制作以及故障维修也相对比较简单了，当需要用到某些功能时，只需要将那些功能模块连接起来组成一个整体电路，再经过调试和测试便可以达到其特定功能，如果整体电路中的某个部分出现了错误，那么可分别对各模块进行检查，维修起来自然比较方便。本设计中的数控电源就是模块设计中的一个比较好的应用。它的主要功能部分都运用了集成芯片，用户不需要知道各芯片的内部电路是怎样连接的，只需要知道各芯片管脚的功能和用法就可以了。数字化智能电源模块【25】是针对传统电源模块的不足提出的，数字化能减少使用过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。电源采用数字控制，具有以下明显优点：1）可以方便地采用先进的控制方法和控制策略，使电源的智能化程度更高，性能更完美。2）在不改动硬件电路的基础上可方便地对系统升级，维护方便。3）系统的可靠性高，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，不同的性能要求可通过对控制软件做相应的修改来实现。1.1.2锂离子电池近年来，各种携带式的电子产品成为市场上的热门，如手机、数位相机、个人数字助理（PDA）、笔记型电脑等3C (Computer, Communication,Consumer Electronics)等等产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品的各项高性能元件也往轻、薄、短、小的目标迈进，因此对于体积小、重量轻、能量密度高的二次电池需求相当迫切。因此,电池厂商也研发出各种不同用途的电池，来适应电子装备的需求。使电子产品具有携带更方便，使用时间长等特点。小型二次电池包括镍镉电池、镍氢电池及锂电池，在防止镉污染的环保需求下，镍镉电池慢慢被取代已成趋势。镍氢电池虽无环保问题，但是能量密度低，高温特性差及少许记忆效应等缺点，在3C产品应用上，已经逐渐被锂离子电池所取代。锂离子电池具有工作电压高(3.7V)、能量密度大(150Wh/kg)、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，皆以锂离子电池做为其能量来源，因为电子产品的使用量迅速成长，各种可携带式电子产品的研发不得不更轻薄短小以使产品能更具有竞争力，“电池”的角色显得更加重要，其品质的良莠甚至决定了产品的成功与否，特別是可充电二次电池，在市场中成长快速、利润高，目前已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当看好的。总的来说，锂离子电池具有以下优点【13】：（1）能量密度高，其体积能量密度和质量能量密度分别可达360W·h/dm3和150W·h/kg，而且还在不断提高。（2）工作电压高，通常单节锂离子电池的电压为3.7 V，单体电池即可为3 V的逻辑电路供电。对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。（3）自放电小，每月10%以下，不到镍镉电池的一半。（4）可快速充放电，1次充电时容量可达标称容量的80%以上。锂离子电池负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。在特定情况下可在短时间内充足电，而且安全性能大大提高。（5）寿命长，锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前，锂离子电池的寿命可达1000 次以上，远远高于各类电池。（6）允许温度范围宽，锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在-20+60之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。（7）无记忆效应，即是说锂离子电池没必要每次都放完电再充，可以随用随充，大大简化了对充电的要求。此外，锂离子电池还具有体积小、输出功率大、和无环境污染等优点。综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池，尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点。 （1）与干电池无互换性：锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点，当蓄电池放完电时，一般的想法是用干电池暂时取代 但由于这两者电压不同，不能直接代换。 （2）无法急速充电：锂离子电池不能像镍镉电池那样，用 15 分钟急速充足电。锂离子电池的充电方法是，最初以恒定电池充电，最后则以恒定电压完成充电，较快速度充电时间约需2小时。 （3）内部阻抗高：因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多。所以，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大10倍左右。（4）工作电压变化较大：电池放电到额定容量的80%时，镍镉电池的电压变化很小(约20%)，锂离子电池的电压变化很大（约40%）。对电池供电的设备来说，这是严重的缺点，但可以由锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测电池的剩余电量。 （5）放电速率较大时，容量下降较大。（6）必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放。但同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。因此锂离子电池具有广泛的应用价值，其经济价值相当可观。锂离子电池的新发展：1.聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。目前很多企业都在开发这种新型电池。2.动力锂离子电池动力锂离子电池：严格来说，动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位AH的级别。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。3.高性能锂电池为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。为此，改用一种新的合成方法。他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本较低，而其高性能可以保持很长时间。领导这项研究的马克西米利安·菲希特纳博士说，如果研能够充分开发这种新材料的潜力，将来可以使锂离子电池的储电密度提高倍。1.2 本课题的研究内容本课题拟设计一种基于单片机的智能直流稳压电源。该电源通过不断地采集输出端的实际输出电压，转换为数字量后传送到单片机结合用户预置电压值进行相应计算，然后输出控制信号到D/A转换器，控制电压调整电路，以实现对数控直流稳压电源的输出电压的精确控制。由电压的控制过程可知，本电源系统通过内嵌在单片机程序存储器中的PID控制算法，结合扩展的ADC和DAC构成了先进的数字闭环控制回路，无疑可以大大提高稳压电源的性能。本系统设计输出可调电压范围为2V到12V，同时要求输出电压值可由键盘方便、直观的输入，电压精确到0.1V。设计电压调整方法和控制算法，使系统实现预置电压输入调整方便，输出电压电流值数字显示等预期目标。此外，为了增强电源的功用性，另为本电源系统配置了一套由两节可充电锂离子电池构成的+5V备用电源，该备用电源可用于在系统外部停电的情况下向外提供一组+5V的电压输出。而且该备用电源的充放电过程可完全由本智能电源独立完成【10】。课题需要完成的工作：自行设计数控直流稳压电源及备用电源的硬件电路，并编制其汇编程序代码。1.3 本文的结构第一章，绪论：介绍课题研究的背景与意义、研究内容、正文结构。第二章，系统总体设计：简单介绍了本课题的设计任务及要求，对本系统所采用的总体方案进行简要的论证，最后给出了本系统硬件电路的总体结构框图。第三章，系统单元电路设计：讲解本设计中各单元电路的功能设计及相关器件、元件、芯片的选择。第四章，系统的软件设计：首先介绍了本课题所应用的PID控制算法，其次对本设计的软件设计流程做简要的介绍，并给出系统总流程图及各子程序流程图。第五章，结论：介绍了本设计实现的功能，以及还需改进的地方。 第二章系统总体设计第二章系统总体设计2.1系统设计任务及要求设计一款智能电源，要求具有5.6.9.12.15V等电压输出路。利用AT89C51单片机设计一路2-12V连续可调电压输出，可以通过键盘预设输出电压，同时具有+-0.1V电压步进增减键，输出电压可数字显示。同时要求该智能电源可为可充电电池进行充电，而且该充电电路具有防止电池过充电，及过载保护等功能。2.2系统总体方案论证2.2.1可调电压输出电路部分为了得到一路连续可调电压输出，本方案以AT89C51单片机作为数字控制中心，通过键盘和显示电路，用户可以方便、直观地设置所希望的电压值，并通过扩展的ADC0809转换器将输出端实际电压值采样送回单片机，单片机求出电压设定值和实际输出值的差值（误差信号），通过调用PID控制算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入DAC0832转换器的输入端口，转换为模拟信号后去控制电压调整电路（执行机构），使得输出端的电压尽量维持在预先设定的水平，进而达到稳压目的。原理框图如下：图 2-1可调电压输出电路原理框图目前还有另外一种比较流行的直流稳压电源构建方案：开关电源22方案。这种方案的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。而且这种方案由于功率调整管不断地在开通和关断之间来回切换，因此可以大大降低功率调整管的能量损耗，使得系统的效率大幅提高。但是对于本课题，这种方案并不可取，因为本课题要求采用低端单片机AT89C51作为电源数控中心，而这种单片机内部没有集成PWM产生模块，使得电源系统的外围电路复杂，某些器件选择困难，而且很多外围元件的大小不容易确定，这也大大增加了软件的编制难度；本方案工作过程清新，在完成设计任务的基础上器件使用较少，又由于器件几乎清一色的集成电路，使得整体电路连接简单，可靠性高，而且DAC0832和ADC0809价格便宜，购买、使用方便。综合上述诸多因素，本可调电压输出电路的设计选择上述方案。2.2.2备用电源部分系统备用电源采用了锂离子电池作为储电单元，这样做是出于对整个电源系统的总重和总体积的考虑，因为锂离子电池具有十分突出的能量密度比，这方面的巨大优势是普通镍镉、镍氢电池难以比拟的。再加上锂电又具有很小的自放电和很轻微的记忆效应，可以很好的吻合备用电源闲置时间长、充放电灵活的特点，这就使得锂离子电池几乎成为了惟一的选择。本备用电源的保护电路选用两节锂电专用保护芯片MM1292【4】构成，该芯片使用简单，具有很高的性价比，只需少量外围电路便可以为脆弱的锂离子电芯提供多重保护：防过充电、防过放电、过载保护等。这种保护电路由于不需要单片机参与，具有很高的独立性；而且可以节省单片机本就十分紧张的系统资源，同时大大简化了编制程序的工作量。考虑到锂离子电池对充电电路的苛刻要求和过充电的严重后果，该备用电源的充电电路亦是采用成熟的集成芯片构建：高性能锂电专用充电芯片BQ2057。本备用电源的充电过程包含有三个不同的阶段：预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段【8】。其中恒流和恒压两阶段是必须包含的,线路中芯片BQ2057的主要功能是对充电电流和充电电压及转灯指示进行控制,以完成整个充电过程.。充电开始时,线路提供恒定电流对电芯进行充电,当电芯电压接近 8.4V 时,充电转为恒压充电,充电电流逐渐减小至充电结束电流并转灯指示充电结束。此外，通过外接一热敏电阻，BQ2057可在备用电源整个使用周期中完成对其的温度保护。2.3系统总体方案由于本课题要求输出一组2V-12V的连续可调电压，为了实现电压可调的目标，本设计以AT89C51单片机作为数字控制中心，通过电源的键盘用户可以方便直观地设置所希望的电压值，并通过扩展的A/D转换器将输出端实际电压值采样送入单片机，单片机通过计算求出电压设定值和实际输出值的差值（误差信号），通过调用PID控制算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入扩展D/A转换器的输入端口，转换为模拟信号后去控制电压调整电路（执行机构），使得输出端的电压尽量维持在预先设定的水平，进而达到稳压功能。此外，又由于要求电源具有一组可在外部电力供应中断的情况下向系统重要负载持续供电一段时间的备用电源。考虑到电源总重量和体积因素，本系统选用两节可充电锂离子电池作为系统+5V备用电源,之所以没有配置更多电压级别的备用，是因为考虑到了备用电源供电的短暂性，毕竟外部电网发生停电事故的机会是有限的，这样配置过多的备用无疑会使大部分备用系统长时间处于闲置状态，使得电源总体成本变得不经济。锂离子电池具有很多传统二次电池所不能比拟的优良性能，但同时也对备用电源系统的充放电控制电路提出了更为严格的要求，因为对锂离子电池过度的充电和放电都会对电池造成永久性损害，本设计针对上述要求单独设计了此备用电池的控制电路，控制电路由充电控制电路和保护电路构成，分别来完成锂离子电池的充电和保护功能。其中充电电路和保护电路均采用性价比很高的专用锂电控制芯片构成，可以使锂电在频繁的充放电过程中免遭破坏性损害。第三章 系统单元电路设计第三章 系统单元电路设计本章主要介绍组成系统的各单元电路的设计，主要由三大部分构成：辅助电源电路、2-12V可调电压电路及备用电源电路。下面就各部分的功能、原理分别做出详细的讨论。3.1辅助电源电路由于本电源系统包含有单片机及各种电压等级需求的运放、比较器等器件，这就需要为系统配置一套辅助电源用来为其它有源器件提供可靠、合适的直流电，这些辅助电源还可为对工作电压精度要求不高的外部直流负载直接供电。本系统配备有+5V、+6V、+9V、+12V、+-15V等直流辅助电源。3.1.1直流稳压电源的基本原理简单的直流稳压电源电路【21】一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电源电路所组成。框图如图3-1所示。RLU0U2U3U1AC220V变压器整流电路滤波电路稳压电路U图 3-1 稳压电源基本组成框图上述过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。1）变压电路。通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。通俗的说，电源变压器是一种电磁电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。2）整流电路。经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。本方案采用全波整流的方式。全波整流电路图见图3-2。相对半波整流电路，全波整流电路多用了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也增加了一个中心抽头。这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。在0期间B1次级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压上端为正下端为负，其电流流向如图3-2所示；在2期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压还是上端为正下端为负，其电流流向如图239所示。在23、34等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周的电压经过D1、D2整流后分别加到R1两端，R1上得到的电压总是上正下负，注意全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。 图 3-2 典型全波整流电路由于本辅助电源系统还需要一路负极性的电源，为此当采用全波整流方式时，本直流稳压电源的整流电路原理图如下所示： 图3-3 全波整流电路原理图3）滤波电路19。交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源，为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路，滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。在小功率电路中常采用电容滤波电路，将滤波电容 C直接并联在负载 RL 两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压，但输出电压受负载变动的影响较大，其主要用于要求负载电流较小，负载基本不变的场合。滤波电容一般采用电解电容，使用时注意极性不能接反， 电容器的耐压应大于它实际工作时所承受的最大电压。 电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在C1还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容C1的反复充放电实现了滤波作用。4）稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）发生变化时， 能使输出直流电压不受影响，从而维持稳定的输出。稳压电路的类型很多，通常采用集成稳压器。在小功率稳压电源中，经常使用的是三端集成稳压器。集成稳压器的类型很多，按输出电压类型不同可分为固定式和可调式，按输出电压极性不同可分为正电压输出和负电压输出两种类型。W78XX、W79XX和W317使用时要配加适当大小的散热片，并注意其封装形式和引脚功能。固定电压输出稳压器常见类型有： LM78××（W78××）系列三端固定式正电压输出集成稳压器；LM79××（W79××）系列三端固定式负电压输出集成稳压器（三端是指只有输入、输出和接地3个接地端子）。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5 V、6 V、9 V、15 V、18 V和 24 V。稳压器的静态电流 Io=8mA，当 Uo=518 V时，UI的最大值UImax=35 V；当Uo=1824V时，UI的最大值UImax=40V。 注意，稳压器使用时，要求输入电压 UI与输出电压 Uo 的电压差 UI -Uo2 V。所以对于本电路系统的+6V电源便不能直接作为+5V电源的电压输入，考虑到+5V电源更加常用，因此本设计选择+6V电源单独设计的方案，而选择将+9V的电压输出作为+5V稳压模块的电压输入。3.1.2本系统辅助电源设计本系统的辅助电源大体分成了两个部分，+6V部分和其它电压等级部分，除了+6V部分外，其余部分均采用三端集成稳压芯片构建。1）由TL431构成的+6V电源部分TL431的简介：TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。图3-4为该器件的相应资料。从左到右分别为该器件的符号，外形图，内部示意图。其3个引脚分别为：阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。 图3-4 TL431器件TL431作为一个高性价比的常用分流式电压基准，有很广泛的用途。图3-15为TL431的两种接法，图(1)是TL431的典型接法，输出一个固定电压值，计算公式是：Vout = (R1+R2)*2.5/R2，同时R3的数值应该满足1mA < (Vcc-Vout)/R3 < 500mA。当R1取值为0的时候，R2可以省略，这时候电路变成图(2)的形式，TL431在这里相当于一个2.5V稳压管。 图3-5 TL431的两种典型接法为了得到+6V的电压输出，根据公式Vout = (R1+R2)*2.5/R2，经计算可确定出本系统的R1、R2的值分别为14K和10K。图3-6 +6V 电源接线图2）其它电压等级的电源部分图3-7 辅助电源原理图其中输入端小电容主要作用是旁路高频干扰脉冲和改善纹波；输出端所接电容起改善瞬态响应特性和减小高频输出阻抗的作用。3.2 2-12V可调电压电路3.2.1 单片机系统单片机又称作单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是将一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它具有体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利的条件。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3-8 AT89C51如图3-9所示是单片机系统的中心部分。像其他单片机系统一样，单片机是完成该系统功能的核心控制部分，所以设计这个部分是基础。如图左上角由晶振和微调电容构成了内部振荡方式，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，其中晶振值为12MHz。向下一部分的电容和电阻构成了单片机的复位电路17，在按下复位按钮的瞬间，电容相当于短路，从而在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平维持适当长时间，就可以使MCS-51单片机有效复位。另外单片机芯片的20脚接地，40脚接5V的正电源。 图3-9 单片机最小系统电路3.2.2 数模转换电路数/模转换器是一种将数字信号转换成模拟信号的器件，为计算机系统的数字信号和模拟环境的连续信号之间提供了一种接口。数/模转换器的输出由数字输入和参考源Vref组合来控制的。大多数常用的数/模转换器的数字输入是二进制或BCD码形成的，输出是电流或是电压，而多数是电流。因而。在多数电路中，数/模转换器的输出需要用运算放大器组成的电流-电压转换器将电流输出转换成电压输出，本设计便采用这种方法。DAC0832芯片是由美国国家半导体公司研发的具有两个输入数据寄存器的8位电流输出型DAC，和MCS-51单片机可以直接相接。芯片内有一个8位输入寄存器，一个8位D/A转换器，形成两级缓冲结构。这样可以使DAC转换输出前一个数据的同时，将下一个数据传送到8位输入寄存器，以提高模/数转换的速度。DAC0832的内部逻辑结构框图和引脚图如图3-10所示： 图3-10 DAC0832的内部逻辑结构和引脚图OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如果使用双电源，能达到最好的放大效果。下图中的TL431电路用来产生稳定的+10V电压，用此电压为DAC0832提供电压基准，接到后者的Vref管脚。单片机输出不同的数字量OP07的输出端可得到-10V-0V的电压，这个连续可调电压用作后面电压输出调整电路的输入信号。图3-11 数模转换电路原理图3.2.3 稳压输出电路LM317为三端可调式稳压器，能在输出电压为1.25-37V的范围内连续可调。典型用法的接线图3-12所示：外接固定电阻和一个电位器。二者的阻值的确定需要遵循如下约定:为保证稳压器在空载时也能正常工作,则流过电阻R1的电流不能太小。一般取IR1=5-10mA,故R1=Vref/IR1=1.25/(5-10)×10-3120-240,式中Vref为稳压器基准电压（1.25V）。而输出电压U0与Vref、R1、R2有以下关系：Vo=Vref+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)Vref+Iadj*R2。调节电阻R2，即可改变输出电压的大小。图3-12 LM317典型应用电路若希望LM317能可靠正确的工作，需要了解它的如下参数：1.输入与输出端最高压差为：40V（很多人误认为是输入最高电压为40V）；2.输入与输出端最小工作压差：3V；3.输出电压范围：1.25V-37V范围内连续可调（其实只要保证前一项条件，4.其输出范围的上限是可以扩展的）；5.最大输出电流：1.5A（LM317T TO-220封装）；6.输出最小负载电流：5mA；7.基准电压VREF：1.25V；8.工作温度范围为：0-70；由于本设计要求输出一路2-12V的连续电压，而LM317的起调电压为1.25V，显然要对LM317的典型应用电路进行改进，通过查阅LM317的相关技术手册，可得到下图所示的LM317改进电路。图3-13 稳压输出电路对于这种方案，用与R2相连接的外接调整电压来代替可调电阻R2，用这个外接调整电压来控制电路输出端电压的大小。此时输出电压与两外接电阻及调整电压的关系为：Vo=(1+R2/R1)Vref+Iadj*R2+Vop07。其中Vop07为运放OP07的输出电压，由前面内容可知，此电压范围在-10V-0V之间。电压调整管脚电流Iadj由于很小，在很多应用中可以忽略不计，在这里取为常数，大小为50uA。这里的R1大小取作120，因此可通过上述公式来计算R2的阻值，不妨带入如下已知量:Vo=2V，Vref=1.25V，R1=120，Iadj=0.00005A，Vop07=-10V。最终求得电阻R2大小为1027，这样当OP07输出电压-10-0V时，便可在LM317的输出端得到2-12V的连续可调电压。为了减少误差，R1，R2应选用精密电阻。后面的分压电路的作用是为数模转换器提供模拟电压值信号。3.2.4 模数转换电路ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，