数控直流电源的设计.doc

1、 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 摘 要本系统是以直流电压源为核心，以AT89C51单片机为主控制器，通过按键来设置直流电源的输出电压，步进电压等级可达0.1V，输出电压为09.9V之间，最大电流能达到330mA，并可由液晶显示屏输出实际电压值。系统中的ADC0832 是8位分辨率的A/D转换芯片，它的分辨最高能达到256级，能够适应一般情况下的模拟量转换要求。其内部电源的输入和参考电压的复用，使得芯片的输入的模拟电压范围在05V之间。芯片的转换时间只有32S，据有双数据输出可用做数据校验，从而减小数据的误差，它的转换速率快而且稳定性能好。单独的芯片使能输入，使多器件的挂接和处

2、理器的控制变地更加便捷。经过DI 数据输入端，能够轻松地实现通道功能的选取。本系统是由单片机来控制输出数字信号，经过D/A转换器（AD0832）输出模拟信号量，再由运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，以功率管电压输出的不同来变化电压。经过实际检测结果表明，本系统可以应用于需求高稳定度和小功率恒压源的场合。关键词：直流稳压电源单片机数字控制AbstractThis system to dc voltage source as the core, mainly AT89S52 SCM, through the keyboard controller to install dc power s

3、upply output voltage, setting stepping class can reach.01v output voltage, the range of 0-9.9 V, the maximum current 330mA for, and can show the actual pipe by digital output voltage values.This System ADC0832 8-bit resolution A / D converter chip, the highest resolution up to 256, can be adapted to

4、 the general analog conversion requirements. The internal power supply input and reference voltage multiplexing, allows the chip analog voltage between 0 5V input. Chip conversion time of only 32S, according to a pair of data output can be used as validation data to reduce data errors, the conversio

5、n is fast and strong stability. Separate chip enable input, so many hooks and processor control device becomes more convenient. Data input through the DI, you can easily choose the realization of channel function. This system consists of microcontroller program output digital signal, through D/A con

6、verter (AD2083) output analog amplifier, through isolating amplifier output power, control of base, with the power to change the passive tube voltage output of different voltage. Test results show that this system application in need of high stability of small power constant-voltage source fields.Ke

7、y words： regulated power supply of direct current; single2ch ip m icrocomputer, digital control目录第1章 绪论11.1选题的背景21.2课题研究的目的与意义2第2章 数控直流电源的设计原理42.1 总体方案框图设计原理42.2 总体电路图设计原理4第3章 硬件电路设计63.1 稳压输出部分63.1.1稳压输出原理与电路63.1.2稳压输出部分仿真图73.2 数字控制部分73.2.1单片机部分73.2.2 D/A转换部分83.2.3 A/D转换部分93.3显示部分13第4章 系统的软件设计154.1

8、系统总电路软件实现流程图设计154.2 系统总程序设计15第5章 电源测试结果与分析455.1 电压测试数据与分析455.2 性能测试数据与分析465.3 实物图47结束语48谢 辞49 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第1章 数控直流电源简介1.1选题背景 几近所有的电子设备都需要一个稳定的直流电源，是以直流稳压电源的应用是非常广泛的。 直流稳压电源的电路模式有很多种，有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。在电子设备中，直流稳压电源有着最高的故障率（长时间劳作在大电流与大电压下,电子元器件很容易遭到损坏）但是在直流稳压电源中，经过整流、滤波电路所得到的直流电压通常

9、是不稳定的。输出电压随着电网中电压的振动或者负载电流改变时也会有所变化。电子设备的电源电压是不稳定的,这会造成很多的问题。设计一个高质量的直流稳压电源，以满足种种电子线路的要求。于是直流稳压电源的研究就显得颇为的重要。当前用于产生直流稳压电源的方式大抵可分为两种:一种是模拟方法，另一种方法是数字方法。前者电路都是采用模拟电路来控制，而数字方法却是通过数字电路来进行控制。选用数字控制的电源，拥有如下的显著优点:1)方便选用先进的控制方式与智能的控制策略，可以让电源模块的智能化水准变得更高，性能更加的完善。2)控制方式灵活，系统升级更加简单，乃至能够在线修正控制算法，从而无需改变硬件线路。3)控制

10、系统的稳定性得到提高，易于统一化，能够针对不一样的系统(或者是不一样型号的产品)，选用统一的控制面板，却只是要对控制软件做少许调整便可。4)系统的维护变得更加简单，如果发现故障，可以很轻松地通过RS232接口或者是RS485接口或者USB接口来进行调试，历史情况的查询，故障的诊断，软件的修复，甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。5)系统的整体性更好，成本需求更低，规模生产制造更加便利。因为它的控制软件不像模拟器件那样存在着差异，因此，它的整体性是非常的好的。因为选用了软件控制，控制面板体积将得到缩减，从而生产成本得到降低。6)并联逆变电源的操作系统具有较高的可靠性。为了

11、获得高性能的并联运行的逆变电源系统，每一个并联运行的逆变电源模块都要使用全数字化控制，模块良好的均流控制和流量控制算法模块之间可以轻易的实现高稳定性、高冗余度的并联运行的逆变电源系统。直流稳压电源正向着数字化倾向稳步发展。是以关于数控直流稳压源的研究是必须的。伴随着科学技术的快速发展,对于电源的可靠性能、输出精度与稳定性能的要求也变得日益提高,D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自检特性研发出来的程控电源就显现出其强大的优势。程控电源不仅能够便于输入和选取预设的电压值同时又具备较高精度和高稳定性，而且还能够随意地设置输出电压，它的全部功能都可以通过面板上的按键来控制单片机来达到，给实验工作者带

12、来极大的便捷，工作效率从而得到大大地提高。1.2研究现状直流电源是电子实验中不可或缺的设备。传统的直流稳压电源,一般由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路构成。如图1所示，虽然说如此形式的串联稳压电源具备较宽的输出电压的调节限度，而且还可以经过选择合理的元器件从而获得更高的性能。可是因为效率低下,普通的直流稳压电源很难精确地调整输出的电压。而且还要在电路中增加保护电路来保护电源不会由于过流而损坏，这些都决定了该电路很难得到完美实现。图1 传统的直流稳压电源当前,直流稳压电源正向着多功能与数字化的目标稳步发展,经过数字控制模式来进行稳压可以显著增加稳压精度;而利用A/D转换，同时利用数码管显示电

13、压，则增加了稳压的直观显示功能，彻彻底底的体现了数字控制稳压这种方式的优越性。1.3课题研究的目的与意义当今社会越发地看中设备的数字和智能化,以往的直流电源中调节电压的方式不仅繁杂同时还对电路的机能有着一定的影响。 本文我们把单片机做为核心，结合了所掌握的数字控制技术，研发出一个输出电压范围在09.9V之间并且是以0.1V电压为步进值电压电压并能精确调节的数控直流稳压电源电路，通过使用D/A和A/D转换芯片,显著提高了稳压可靠性。1.3生产需求状况分析传统的直流稳压电源功能简单、却难以精确控制、可靠性能又低、纹波干扰大、精度低并且体积大、复杂程度高不易制作。一般的直流稳压电源种类有很多, 但都

14、有着下面的如下的问题:1、调节波段开关和电位器来改变输出电压。可是当输出的电压需要一定的精确度时, 或者是要在小范围内变化时(如1.11.3V ) ,困难就较大。并且,随着长时间的使用, 波段开关和电位器必不可少会出现老化从而接触不良, 于是对电压的输出产生不可避免的影响。2、稳压方式主要用于串联型稳压电路, 其中要设置过流保护, 从而造成电路构成复杂,精度不高。不能满足高精度场合的要求。3、输出不够稳定，纹波电流过大。4、一般采用调压电路控制，输出电压不够稳定，电力供应业不够稳定。第2章 数控直流电源的设计原理选用AT89C51单片机作为设备的控制核心，经过变化ADC0832的输入数字来改变

15、输出的电压值大小，可以让输出功率管基极产生的电压发生改变，可以间接地改变输出电压数值。为了让设备具有自检当前输出电压大小的能力，我们要让输出的电压信号经过ADC0832进行模拟信号向数字信号转换，从而间接地实现用单片机对电压实时采样，继而进行数据的处理和电压的显示。该系统是比较灵活的，通过软件控制方法来解决数据设置和控制步进电压，从而让系统硬件更简单，各种功能都能轻松实现。2.1 总体方案框图设计原理系统总体方案框图如图2-1所示:图2-1 系统原理框图2.2 总体电路图设计原理本系统是以直流电压源为核心，以AT89C51单片机为主控制器，通过按键来设置直流电源的输出电压，步进电压等级可达0.

16、1V，输出电压为09.9V之间，最大电流能达到330mA，并可由液晶显示屏输出实际电压值。本系统是由单片机来控制输出数字信号，经过D/A转换器（AD0832）输出模拟信号量，再由运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，以功率管电压输出的不同来变化电压。D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自检特性研发出来的程控电源就显现出其强大的优势。程控电源不仅能够便于输入和选取预设的电压值同时又具备较高精度和高稳定性，而且还能够随意地设置输出电压，它的全部功能都可以通过面板上的按键来控制单片机来达到。系统总体电路图如图2-2所示:图2-2 系统总体电路图第3章 硬件电路设计3.1 稳压输出部分该部分的作用

17、是数控端传送过来的电压控制字转换成稳定的电压输出。D/A转换部分的输出电压可以作为设备输出的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。稳压输出部分选用的是串联型反馈稳压电路（如图3-1），在如下的电路中，Q1为调整管，U6A为比较放大器，R19和R22它们共同组成了反馈网络。电路中的输出电压DAOUT同向接到 U6A 的，输出的信号经过R19和R22组成的取样电路分压到运算放大器U6A的反向端，经过运算放大器比较放大后，启动调整管Q1。当其两端平衡时，D/A电路中所输出的电压值 和取样得到的电压值基本相同。 图3-1 稳压输出部分普通的直流稳压电源要实现可调节的输出电压必须要有可变电阻，所

18、以想要直流稳压电源上实现数字控制方式其实是很简单的，我们只需要把可变电阻部分替换成数字控制部分，通过这一点就能实现数控的电源。因此，我们首要的任务就是选择适合的稳压输出电路，同时对其进行仿真。如上图3-2，我们很轻松的能发现了该稳压输出电路的可行性。3.2 数字控制部分3.2.1单片机部分单片机控制部分原理图如下图3-3：图3-3 单片机控制部分 该系统整机协调和智能管理的核心部分就是控制部分，选用AT89C51单片机来达到控制作用是其成功的关键，选用单片机不仅能够方便监控性能，还能够大大缩减硬件部分的设计。3.2.2 D/A转换部分系统中的D/A转换接口，选用8位D/A转换器DAC0832。

19、其电路图如图3-4：图3-4 D/A转换部分D/A转换的输出电压值可以作为设备输出的参考电压。其中稳压电路的输出与参考电压值大小成比例。8位的D/A转换器具有256个不同状态。当数字从0，1，2，变化到256时，电源的输出电压大小分别为0.0，0.06，15.0。其时序图如图3-5：图3-5DAC0832数模转换时序图CLK是时钟端，Data是输入数据，LOAD是控制信号。各路电压输出大小的计算：REF作为参考电压值，DATA是输入的8位数据；我们这里用的REF=5v；3.2.3 A/D转换部分A/D转换部分我们选用的美国的国家半导体公司所出产的一种具有8 位分辨率和双通道A/D转换芯片ADC

20、0832。其电路图如图3-6所示： 图3-6 A/D转换部分ADC0832 是美国的国家半导体公司出产的一种具有8 位分辨率和双通道A/D转换芯片。因为它的体积比较小，而且兼容性好还有性价比也高而深受单片机爱好者及企业欢迎，因此其得到了广泛的普及。通过学习和使用，使我们了解了ADC032 A/D转换器的原理，这对我们提高单片机技术水平有很大的帮助。ADC0832 具有以下特点： 8位分辨率。 双通道A/D转换。 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容。 当提供5V电源时输入电压的范围在05V之间。 有250KHZ工作频率，转换时间是32S。 一般功耗仅为15mW。 有8P、14PDIP、PICC

21、 等各种包装。 商用芯片的温宽在0C+70C之间，工业芯片的温宽在40C +85C之间。芯片接口说明： CH0 模拟输入为通道0，或者能过作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入为通道1，或者能够作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位（地）。 DI 作为数据信号的输入，或者控制选择通道。 DO 作为数据信号的输出，或者转换数据输出。 CLK 芯片时钟输入。 Vcc/REF 作为电源的输入和参考电压的输入。系统中的ADC0832 是8位分辨率的A/D转换芯片，它的分辨最高能达到256级，能够适应一般情况下的模拟量转换要求。其内部电源的输入和参考电压的复用，使得芯片的输入的模拟电压范围在05

22、V之间。芯片的转换时间只有32S，据有双数据输出可用做数据校验，从而减小数据的误差，它的转换速率快而且稳定性能好。单独的芯片使能输入，使多器件的挂接和处理器的控制变地更加便捷。经过DI 数据输入端，能够轻松地实现通道功能的选取。单片机对于ADC0832 的控制方式：一般情况下ADC0832 与单片机的接口应该有4条数据线，它们分别是CS端、CLK端、DO端、DI端。可是DO端和DI端在通信的时候不能同时生效而且与单片机有双向的接口，因此我们在设计电路时可以把DO端和DI端利用一根数据线上。当ADC0832没有工作的时候其CS端输入应该为高电平，此时芯片是禁用的，CLK端 和DO/DI 端的电平

23、可任意。当A/D转换时，必须先把CS端的一端定位于低电平而且要一直保持低电平直到转换结束。此时芯片才开始自己的转换工作，同时通过处理器芯片向CLK端输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道自主选取的数据信号。启始信号的表示方法则是要在第1 个时钟脉冲的降低前DI端是高电平。同时在第2、3个脉冲降低前DI端要输入2 位数据作为选择通道功能。 3.2.4 键盘部分 键盘部分：因为我们要达到人机功能，同时要显示出电压范围在09.9V之间，我们自制的按键来完成整个系统输入控制。电路的原理如图3-8所示。图3-8 键盘与显示电路图3.3显示部分显示部分：本方案采用LCD1602，字符型液晶显示是一

24、种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块图3-9 LCD1602与单片机连接图LCD1602主要技术参数：显示容量:162个字符,芯片工作电压:4.55.5V,工作电流:2.0mA(5.0V),它的最佳状态工作电压在:5.0V,字符尺寸:2.954.35(WH)mmLCD1602部分引脚的名称及功能如下表3-2示:管脚号名称 功能1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压4RS数据/命令选择5R/W读/写选择6E数据7D0数据8D1数据9D2数据10D3数据11D4数据12D5数据13D6数据14D7数据15BLA背光源正极1

25、6BLK背光源负极表3-2 部分引脚的名称及功能第1脚：VSS是接地电源。第2脚：VDD是接+5V电源。第3脚：VL表示液晶显示器的对比度调整端，接正极时对比度数值最小，接地时表示对比度数值最大，对比度过高时会产生“鬼影”，我们能够通过一个10K的电位器来调节对比度。第4脚：RS表示着寄存器选取，高电平表示着选取数据寄存器、低电平表示着选取指令寄存器。第5脚：R/W是读/写信号数据线，高电平代表着此时进行的是读操作，低电平代表着此时进行的是写操作。当RS和R/W同时是低电平时我们可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平而R/W为低电平时我们可以写入数

26、据。第6脚：E端为使能端，如果E端从高电平变化成低电平时，液晶模块进行命令的执行。第714脚：D0D7是8位的双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。 第4章 系统的软件设计4.1 系统总电路软件实现流程图设计总电路软件实现流程图如图4-1示：图4-1 总电路实现流程图其中KEY1，KEY2，KEY3等 程序见附录。4.2 系统总程序设计本程序是设计的一个数控恒压源，先用一个3*4的键盘输入,所用的电压，再通过DAC0832输出电压。再采用一个ADC0832;将电压读回单片机，单片机再采用一片LCD串口显示出来。 具体程序见附录。第5章 电源测试结果与分析5.1 电压测试数据与

27、分析从实验得出电压测试数据如下表5-1：预置电压（V）显示电压（V）测量电压（V）11.051.051.21.101.171.41.351.381.61.551.611.81.751.7821.952.002.62.552.6033.003.033.73.703.6855.005.0177.006.9788.108.0698.758.759.79.659.63 表5-1 实验数据从以上实验数据可以得出设计的数控直流稳压电源，测量的电压和预置电压误差很小、性能稳定，可以精确到小数点后两位，提高其他实验稳定性，延长元器件的使用寿命等，这是一般电源所不能达到的。5.2 性能测试数据与分析从实验得出电

28、压测试数据如下表5-2：性能指标测量条件测量结果测量仪表全程输出电压0-9.9VDM-311型数字万用表负载电流=5V, =25 206mA过流保护330mA表5-2 实验数据用单片机控制电源时，输出直流0-9.9V，液晶屏显示清晰正确，误差较小，完美的实现了数控恒压源这一课题。但在功能上还不够强大,没有显示预置电压等等，还可以进一步得到提高。5.3 实物图结束语本文着重介绍了基于AT89C51单片机的直流稳压电源的工作原理，以及数控直流电源中各个模块所涉及的软硬件的设计。本文所介绍的基于AT89C51数控直流稳压电源，电源的输出电压稳定，测量的电压和预置电压误差很小、性能稳定，可以精确到小数

29、点后两位，延长元器件的使用寿命，当我们用单片机控制电源电压时，输出的电压0-9.9V，并且液晶屏显示数值清楚准确，同时误差很小。可以用于需要高精度的，高稳定性压的实验场合。在完成设计的过程中，并不是一帆风顺的，其中遇到了很多的问题，例如对于元器件的选取和实物的制作。只靠我一个的力量显然是不够的，幸好有老师和同学们的帮助，我问题都得到了圆满解决。转眼2个月过去了，本文终于完成了。在这2个月的学习中我认识到了写论文是一次很好的学习机会，再写论文过程中，遇到的问题在我们的学习和查找下都从开始的不了解到后面的理解。在这个过程中我体会了学习的重要性，我们所了解的都是很片面的。在有就是在实际焊接中，对元器

30、件有了更深刻的理解，通过这次毕业论文我真正的做到了理论和实践相结合。总而言之，通过2个月的毕业设计,我认识到了要做好了一件事情不是简单的，我们要有统筹的眼光和思维，对待问题我们要从不同的角度和用不同的方法来考虑和解决。同时，对待我们所遇到的问题我们都要有信心，还要有耐心，不能轻言放弃，我们要努力，就算有什么不足的地方，我们也要虚心的去学习，要善于利用我们的所拥有的资源来例如图书馆还有网络来查找，来学习，来完善我们自身，来开拓我们的思维。总的来说，这次的毕业设计，让我受益匪浅。致谢转眼四年的大学生活就要在这个夏天划上了个完美而忧伤的句号，但是这也是我们人生的另一个起点，我们还要很长的路要走，要闯

31、。在这四年里真心的要感谢对面辛勤教导的老师们，还有在陪伴了我四年的同学们，有了你们生活才变得更加精彩。在论文即将完成之际，我思绪万千，在这次毕业论文中，我认识到了自己还有很多了不足点。在四年的学习生活中，我所学习的仅仅是冰山一角，我们还有很多要学习的地方。要不是有老师的教导和同学的帮助，这次的毕业论文我是不可能如此轻松的完成。老师渊博的学识和宽阔的视野在我的论文完成过程中提供很大的帮助。这使我对自己有了更深刻的认识。同时还要感谢我的爸爸妈妈，是他们的养育才有我们的今天。我们都要好好地报答我们的父母。我会好好的努力让他们以我为豪。于此，我还要感谢所有的老师，还要这个我不舍离去的校园。老师的传道，

32、授业，让我学到了很多的专业知识，同时我还从他们身上学到了如何求知治学，如何为人处事。我也要感谢学校给我们提供了这么的好的学习和生活环境，让我的大学生活变得如此的丰富多彩，这都为我的人生留下了美好的回忆。最后一次感谢所有的帮助过我的老师同学，还有那些在我设计过程中我所引用或参考论著的作者。参考文献1康华光 电子技术基础 高等教育出版社 2串联型直流稳压电源的仿真分析 广西师范学院学报 第21卷第2期3用单片机制作的直流稳压可调电源 电子世界 2005年第11期4刘华毅，李霞，徐景德 电力电子技术 第35卷第六期2001年12月5陈小忠、黄宁、赵小侠 单片机接口技术实用子程序 人民邮电出版社6郁有

33、文传感器原理及工程应用【M】西安：西安电子科技大学出版社20007先锋工作室单片机程序设计实例【M】北京：清华大学出版社，20038王幸之单片机应用系统抗干扰技术【M】北京：航空航天大学出版社，20009胡汉才. 单片机原理与接口技术. 北京：清华大学出版社，199610张毅刚、彭喜元、姜守达、乔立岩新编MCS-51系列单片机应用设计哈尔滨工业大学出版社，2003.611李志全等. 智能仪表设计原理及应用. 国防工业出版社,1998.612何立民MCS-51系列单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社，1990113李建民. 单片机在温度控制系统中的应用. 江汉大学学报,1996.614潘其光

34、 常用测温仪表技术问答 .国防工业出版社,198915杨世成. 信号放大电路. 电子工业出版社,199516高光天. 仪表放大器应用 .科学出版社,199517潘立民 ,王燕芳.微型计算机控制技术. 人民邮电出版社,199018邵敏权 ,刘刚.单片机原理实验及应用. 吉林科学技术出版社,1995.119陈汝全 .实用微机与单片机控制技术 .电子科技大学出版社,1995.721王森. 仪表使用数据手册. 化学工业出版社,1998.722李华. MCS-51系列单片机应用接口技术 .北京航空航天大学出版,1993附录A元件清单：标号 名称C1 C9 C20 104uF电容C2 C3 30pF电容C8 C10 1000uF电容C22 470uF电容D5 发光二极管J2 J3 IN OUT1 接口排针LCD1 LCDQ1 三极管R1 R2 R9 R13 R14 S1 S2 S17 电阻U1 单片机U5 TLC5615U7 运算放大器W1 稳压管W10 W11 可调电阻Y1 晶振忽略此处. 21