小功率稳压直流电源基于单片机的数控设计

小功率稳压直流电源基于单片机的数控设计内容摘要：

极管全桥式整流后电路可得到 9V 电压， 然后经三端稳压器 LM7805 得到 +5 V的电压。 如图 100pFC16100pFC13100pFC14100pFC15D41N4007D21N4007S?SWPBVin VoutGND7805Volt RegD11N4007D31N4007T1Trans IdealVCCGND12P4220V 图 5V 电源原理图 转换芯片的对比和选择 现 在使用的数模和模数转换芯片有很多，选择一种性能好的并且价格便宜的芯片。 对设计很有必要，不但能够使系统更加稳定，而且更加实用容易得到推广。 8 ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道， 8 位逐次逼近式 A/D 模数转换器。 A/D 转换器内部有一个 8 通道多路开关，可以根据地址码锁存译码后的有效数据信号，选择其一 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 8 路输入通道， 8 位 A/D 转换器，即分辨率为 8 位。 具有转换起暂停和开始控制端，A/D 转换时间为 100μ s(时钟为 640kHz 时 )， 130μ s（时钟为 500kHz 时），单个 +5V电源供电。 模拟部分输入电压范围为 0～ +5V，可以不需零点和满刻度校准， A/D转换器工作温度范围 40～ +85 摄氏度，低功耗约 15MW。 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换芯片， 8 位分辨率，双通道 A/D 转换，输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容， 5V电源供电时输入电压在 0~5V 之间，工作频率为 250KHZ，转换时间为 32μ S，一般功耗仅为 15mW。 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换 芯片，其最高分辨可达 256级，可以适应一般的模拟量转换要求。 其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。 PCF8591 芯片是一个贴片集成、独立供电、低功耗和 8bit CMOS 有效数据获取贴片。 PCF8591 芯片具有 4 个模拟输入端、 1 个模拟输出端和 1 个串行 I2C总线接口。 PCF8591 的 3 个地址引脚 A0、 A1 和 A2 可用于硬件地址编程，可以在同个 I2C 总线上接入 8 个 PCF8591 转换器件，而无需外接硬件。 在 PCF8591 器件上输入输出的地址，控制和数据信号都是通过双线双向 I2C 总线以串行的方式进行传输。 PCF8591 的功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、 8bit 模数转换和8bit 数模转换。 PCF8591 的最大转化速率由 I2C 总线的最大速率决定。 本系统要用到模数转换和数模转换。 ADC0809 是模数转换芯片， DAC0832 数模芯片，但这两块芯片要控制端口多。 所以它们要占用的系统 IO 端口和 IO 端口复用的情况比较复杂。 不利于系统的结构优化，而且容易造成系统的不稳定。 并且 ADC0809 正常工作还要外接时钟脉冲，比较麻烦。 但是 PCF8591 是模数和数模集成于一块芯片上，工作时不用外 接时钟，使用的是 IIC 协议传输数据和控制信号，所以占用系统的 IO 端口比较少。 因此本设计选择 PCF8591 器件。 9 第 3 章 控制系统的硬件电路设计 主控制器模块 本设计采用 STC89C52RC 芯片为主控电路，如图 所示。 该芯片正常工作电压为 +5V，支持的最高时钟频率为 80MHz，程序存储器为 8KB,RAM 数据存储器为 512B,内置看门狗电路，支持 ISP/IAP。 本单片机具有以下优点： 1 超低功耗。 ① 掉电模式：典型功耗为 ,可由外部 中断唤醒，中断指令返回后，继续执行原来的程序。 ② 空闲模式：典型功耗为 2mA。 ③ 正常工作模式：典型功耗为 4mA7mA。 2 超强抗干扰。 ① I/O 口、电源、时钟、看门狗、复位电路都抗干扰特殊处理。 ② 宽电压，不怕电源抖动，工作电压范围为 – 6V。 ③ 高抗静电，轻松过 500V。 图 STC89C52RC 芯片引脚 图 与 MCS51 单片机产品兼容 l 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 10 l 1000 次擦写周期 l 全静态操作： 0Hz～ 33Hz l 三级加密程序存储器 l 32 个可编程 I/O 口线 l 三个 16 位定时器 /计数器 l 八个中断源 l 全双工 UART 串行通道 l 低功耗空闲和掉电模式 l 掉电后中断可唤醒 l 看门狗定时器 l 双数据指针 l 掉电标识符 控制部分是系统 整机核心部分为电路实现智能化管理化，用 STC89C52RC 单片机实现控制功能是其主要环节，采用单片机不但方便数控，并且减少硬件。 电路图如图 : 11 图 单片机智能系统 复位电路设计 CPUA内部复位电路 本设计中所用的 MCS51系列单片机采用高电平复位的工作方式，在高电平复位脉冲有效信号 RST引脚输入到内部施密特触发器整形后，再送到 CPU内部复位工作电路中。 CPU在每一个机器周期指令内的 S5P2相采样施密特触发器的输出端口，若施密特触发器的输出端口为高电平，则强迫单片机 的机器工作进入复位状态。 为了保证 CPU内部各个单元电路可靠和准确复位， RST引脚复位脉冲有效高电平信号维持时间必须大于等于 2个机器周期为准（即 24个振荡周期 ） . 外部复位电路 本设计中可以采用 RC分立元件或微处理器监控芯片，构成 MCS51单片机的外部复位整体电路。 对于本设计中采用 RC分立元件构成 MCS51外部复位电路，电路 12 如图。 从图 ，按下复位按键 K20 的时候，电容 C3通过 R1在复位电路中放电，当电容 C3放电结束后，单片机 RST引脚电位由 R R2分压比决定。 由于 R2R1,因此 RST引脚为高电平，此时 CPU进入复位工作状态。 松开复位按键 K20后，电容C3开始在复位电路中充电， RST引脚电位开始下降，使单片机 CPU脱离复位状态。 R1的作用，在于限制复位按钮瞬间电容 C3的放电电流，避免产生火花，对整个电路造成损坏的影响，以保护按钮的触点，促使整个单片机控制系统电路稳定有序可靠地工作。 单片机控制系统的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，即进入时序工作状态，只要在单片机控制系统的 RST引脚上出现 24个时钟振荡脉冲信号以上的高电平，单片机便实现初始化状态复 位，等到下一指令的开始。 为了保证应用单片机控制系统可靠地复位，在设计复位电路时，我们通常使 RST保持高电平状态。 只要 RST保持高电平，则单片机就循环复位。 系统的复位电路如图 ： S11KR20100pFC1VCCRESET 图 复位电路 振荡电路设计 单片机工作是在统一的脉冲控制指令下进行的。 这个脉冲就是由单片机芯片控制器的时钟电路发出的，即时钟电路用于产生单片芯片机工作所需的时钟信号，为单片机正常工作提供所需的脉冲信号。 单片机本身就是一个复杂的控制同步时序电 13 路，为了保证同步工作方式的实现与正常工作，电路 应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作直到完成指令的任务。 时钟电路用于产生单片机工作的时钟信号。 而时钟电路又可以分为两种类型，即内部时钟工作方式和外部时钟工作方式。 本文设计主要采用内部时钟工作方式，选择此种方式时，单片机内接一个高增益反向放大器构成内部振荡器，提供工作时的即时脉冲信号。 引脚 XTAL1和 XTAL2分别是此处放大器的输入端和输出端两个端口。 同时在 XTAL1和 XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器构成稳定的自激振荡器，其发出的脉冲有效信号直接送入到内部时钟发生器。 电容 C1和 C2通常选择电容值大 小为（ 30＋或－ 10） pf左右的；而外接陶瓷谐振器时则选为 47pf左右。 电容 C1和 C2对频率有微调作用。 为了减少寄生电容造成的不良影响，更好地保证振荡器可靠稳定地工作，谐振器和电容应安装得与单片机芯片尽可能的靠在一起。 内部时钟发生器实际上是一个二分频的触发器，该二分频为单片机提供一个二相的时钟信号即相位信号 1（ P1）和相位信号 2（ P2），驱动 CPU产生执行指令功能的机器周期。 这里我们采用的是 12MHz的晶振，也就时说单片机芯片的时钟周期为 1/12uS，指令的周期为 1uS。 晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越 高，如图。 图 STC89C52 的振荡电路 微处理器与 MAX232 连接电路设计 STC89C52 单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。 MAX232 的第 10 脚和单片机的 11 脚连接，第 9 和单片机的1212MXTAL30pFC1Cap30pFC2CapXTAL2XTAL1 14 10 脚连接。 （三孔接线座的 1 脚接地， 2 脚接 RXD， 3 脚接 TXD）就可以直接用串口线，将开发板与计算机串口相连，使用 STC_ISP 下载软件，将写好的程序直接下载到 STC89C52 里面。 单片机与 MAX232 的电路连接原理图如图 所 示： 充电器电源部分设计 PCF8951的芯片简介 PCF8591 芯片是一个贴片集成、独立供电、低功耗和 8bit CMOS 数据获取器件。 PCF8591 芯片具有 4 个模拟输入端、 1 个模拟输出端和 1 个串行 I178。 C 总线接口。 PCF8591 芯片的 3 个地址引脚 A0、 A1 和 A2 端可用于硬件地址编程，可以在同个 I178。 C 总线上接入 8 个 PCF8591 转换器件，而无外接其他硬件。 在 PCF8591 器件上输入输出的地址、控制和有效数据信号都是通过双线双向 I178。 C 总线以串行的方式进行传输。 PCF8591 的功能包括多路 模拟输入、内置跟踪保持、 8bit 模数转换和 8bit 数模转换。 PCF8591 的最大转化速率由 I178。 C 总线的最大速率决定。 其引脚图如图 ： 15 C1+1VS+2C13C2+4C25VS6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U2MAX232N12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1STC89C5220UFC6Cap Pol230pfC430pFC52KR8Res212Y2S1SWPBVCC+5V+5V104C1Cap104C2Cap104C3Cap104C4Cap 图 与单片机接口的连接电路 图 引脚图 PCF8951 的引脚说明 AIN0～ AIN3：模拟信号输入端。 A0～ A3：引脚地址端。 16 VDD、 VSS：电源端。 （ ～ 6V） SDA、 SCL： I2C 总线的数据线、 时钟线。 OSC：外部时钟输入端，内部时钟 输出端。 EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。 AGND：模拟信号地。 AOUT： D/A 转换输出端。 VREF：基准电源端 PCF8951 的特性 单独供电。 PCF8591 的操作电压范围 低待机电流 通 过 I178。 C 总线串行输入 /输出 PCF8591 通过 3 个硬件地址引脚寻址 PCF8591 的采样率由 I178。 C 总线速率决定 4 个模拟输入可编程为单端型或差分输入 自动增量频道选择 PCF8591 的模拟电压范围从 VSS 到 VDD PCF8591 内置跟踪保持电路 1 8bit 逐次逼近 A/D 转换器 1通过 1 路模拟输出实现 DAC 增益 充电器的电源电路图 本系统设计的智能充电器的电源部分，采用的是一块 PCF8591 芯片。 以这块芯片为设计核心，把这块芯片的数模转 换部分输出的电压，作为充电装置的恒定充电电压；这块芯片的模数转换部分，采集充电装置上的电压值，从而来判断电池是否充满电，若充。