基于单片机控制的简易数控直流电源设计.doc
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1、摘 要 本实验设计了一个以单片机89C51为基本控制核心的简易数控直流电源。该设计包括直流电源输入及输出两部分,可完成015V之间各不同幅值的电压的输出,能够预置数,能够自动扫描输出电压并直接显示到LED数码显示管上,并可扩展输出三角波等波型。其中电压输出部分,既可手动的每按”+”-”键一下进行每0.1V大小的上下调整,也可长按”+”-”键使其自动的递增或者递减,直到需要的数值。预置数时用切换键切换预置个位或小数位,按”+”-”键进行微调。单片机编程部分是基于WAVE6000软件上设计,并在实物上进行仿真。.该系统具有抗干扰性能好,可靠性高,及最终输出电压值与真实显示值精确度较高等优点。关键词
2、: 89C51;直流电压输出;直流电压输入目 录绪 论1一、设计任务要求和方案选择3 (一)设计任务3 (二)设计方案一3(三)设计方案二4(四)方案的优缺点及选择5二、硬件部分设计5(一)单片机部分5(二)数模转换部分9(三)放大器部分11(四)电源输入部分12(五)稳压器部分13(六)按键部分15(七)数码显示输出部分15三、系统软件部分设计17(一)主程序流程图17(二)预置数流程图19四、系统调试测验20(一)系统调试20(二)系统测试21(三)系统误差分析22(四)误差调整22总 结23参考文献25致 谢26附 录27绪 论 随着电力电子技术的高速发展,电子电力设备与人们的工作、生活
3、的关系日益密切,而电子设备都离不开可靠的电源,进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化,率先完成计算机的电源换代,进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域,程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源,更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比,二者的成本都随着输出功率的增加而增长,但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率 点上,反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术在不断地创新,这一成本反转点日益向低输出电力端移动,这为开关电源提供了广泛 的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并
4、使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在安防监控,节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。数控稳压电源是一种常见的电子仪器,广泛的用于电子电路,教学实验和科学研究等领域。目前实用的直流稳压电源大部分是线性电源。利用分离器件组成,其体积大,功率底,可靠性差,操作使用不方便,自我保护功能不够,因而故障率高。随着电子科技的飞速发展,各种电子,电器设备对稳压电源的性能要求日益提高,稳压电源不断差朝着小型化,高效率,低成本,高可靠性,低电磁干扰,模块化和智能化发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代稳压电源
5、不但电路简单,结构紧凑,价格低廉,性能卓越,而且单片机具有计算和控制功能,利用它对采样技术进行各种计算,从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差,大大提高稳压电源输出电压和输出电流精度,降低了对模拟电路的要求。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪表仪器、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防监控,LED灯袋,电脑机箱,数码产品和仪器类等领域。一、设计任务要求和方案选择 (一)设计任务设计制作具有一定电压范围和功能的数控电源:a 输出电压:范围 015V 步进 0.
6、1V 纹波不大于10mvb输出电流: 500mAc 输出电压由数码显示d 用”+”.”-”键控制输出电压进行增/减调整e 自动扫描输出电压f 扩展输出三角波等电压种类g 输出电压可预置在015V之间的任意值(二)设计方案一是以型号89C51单片机为控制核心进行设计的,通过按键进行控制,单片机控制数模转换芯片DAC0832,其输出07.5V的电压,因为要求电压为015V所以必须再经过放大器放大,并通过三端可调正稳压器进行稳压,输出一个较稳定的直流电压,并在数码管上显示出来,并时刻刷新调整电压后的幅值,系统流程方框图1.1图1.1系统流程图(三)设计方案二 是以单片机89C51为控制核心,外接按键
7、进行控制,单片机控制8个继电器,且每个继电器串联一个一定阻值的电阻,电阻之间的关系为以2为参数的等比数列,继电器之间为并联形式。最终电压幅值可经过一个稳压电路后稳定输出。且最后输出的电压值可通过单片机控制在数码显示管上显示出来,并时刻刷新调整电压后的幅值。系统方框图1.2图1.2系统流程图(四)方案的优缺点及选择方案一的电源电压切换采用DAC控制速度比较快,切换方便,且可以输出较高频率的几种波形,所需器件较少,元器件较常见而且便宜,缺点是放大器的电压要求比较高,需要015V的输出,需要多种电源供电。方案二采用继电器控制为机械式。基本原理简单,实现比较方便,电源电压也可以调整到较精确的数值,但是
8、它需要较大的工作电流,原器件价格较贵,而且继电器会产生噪声污染。比较之后,两种方案各有优缺点,我们选择方案一二、硬件部分设计(一)单片机部分 1. 单片机原理它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家用PC)的主要区别。主流单片机包括CPU、4KB容量的ROM、128 B容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。1、系统结构简单,使用方便,实现模块化;2、单片机可靠性高,可工作到106 107小时无故障;3、处理功能强,速度快。4、低电压,
9、低功耗,便于生产便携式产品5、控制功能强6、环境适应能力强。2. 基本结构(1)运算器运算器由运算部件算术逻辑单元(Arithmetic & Logical Unit,简称ALU)、累加器和寄存器等几部分组成。ALU的作用是把传来的数据进行算术或逻辑运算,输入来源为两个8位数据,分别来自累加器和数据寄存器。ALU能完成对这两个数据进行加、减、与、或、比较大小等操作,最后将结果存入累加器。例如,两个数6和7相加,在相加之前,操作数6放在累加器中,7放在数据寄存器中,当执行加法指令时,ALU即把两个数相加并把结果13存入累加器,取代累加器原来的内容6。运算器有两个功能:执行各种算术运算。 执行各种
10、逻辑运算,并进行逻辑测试,如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,并且,一个算术操作产生一个运算结果,一个逻辑操作产生一个判决。(2)控制器控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成,是发布命令的“决策机构”,即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有: 从内存中取出一条指令,并指出下一条指令在内存中的位置。对指令进行译码和测试,并产生相应的操作控制信号,以便于执行规定的动作。 指挥并控制CPU、内存和输入输出设备之间数据流动的方向。微处理器内通过内部总线把ALU、计数器、寄存器和控制部分互联,并通过外部总线与外部的存储
11、器、输入输出接口电路联接。外部总线又称为系统总线,分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB。通过输入输出接口电路,实现与各种外围设备连接。(3)主要寄存器累加器A累加器A是微处理器中使用最频繁的寄存器。在算术和逻辑运算时它有双功能:运算前,用于保存一个操作数;运算后,用于保存所得的和、差或逻辑运算结果。数据寄存器DR数据寄存器通过数据总线向存储器和输入/输出设备送(写)或取(读)数据的暂存单元。它可以保存一条正在译码的指令,也可以保存正在送往存储器中存储的一个数据字节等等。指令寄存器IR和指令译码器ID指令包括操作码和操作数。指令寄存器是用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时,先
12、把它从内存中取到数据寄存器中,然后再传送到指令寄存器。当系统执行给定的指令时,必须对操作码进行译码,以确定所要求的操作,指令译码器就是负责这项工作的。其中,指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。(4)程序计数器PCPC用于确定下一条指令的地址,以保证程序能够连续地执行下去,因此通常又被称为指令地址计数器。在程序开始执行前必须将程序的第一条指令的内存单元地址(即程序的首地址)送入PC,使它总是指向下一条要执行指令的地址。(5)地址寄存器AR地址寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元或I/O设备的地址。由于内存与CPU之间存在着速度上的差异,所以必须使用地址寄存器来保持地址信息,直
13、到内存读/写操作完成为止。显然,当CPU向存储器存数据、CPU从内存取数据和CPU从内存读出指令时,都要用到地址寄存器和数据寄存器。同样,如果把外围设备的地址作为内存地址单元来看的话,那么当CPU和外围设备交换信息时,也需要用到地址寄存器和数据寄存器。单片机89C51是本设计中的控制核心,是一个40管脚的集成芯片,管脚图如下。引脚部分:单片机接脚基本电路部分与普通设计无异,40脚接Vcc+5V,20脚接地。X1,X2两脚接12MHZ的晶振,可得单片机机器周期为1微秒。RST脚外延一个RST复位键,一端接Vcc,一端通过10K电阻接地。P0口中,03口分别通过一个PNP型三极管9012的B端,并
14、由E端接人集成LED的COM14口。47口则分别通过一个按键接地,通过软件编写实现6个按键的各种功能。P1口8个端口连LED中a,b,c,d,e,f,g,db脚上。P2口是连到DAC0832中的D0D7。图2.1单片机控制原理图(二)数模转换部分 图2.2数模转换电路图1脚CS(反) 2 脚WR1(反) 3脚AGND 4脚D35脚D2 6 脚D1 7脚D0 8脚ref9脚Ref 10脚DGND 11脚Iout1 12脚Iout213脚D7 14脚D6 15脚D5 16脚D417脚XFER(反)18 脚WR2(反)19脚ILE 20脚Vcc DAC0832工作方式:直通方式、单缓冲方式和双缓冲方
15、式。DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片,集成电路内有两级输入寄存器,使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图: D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号,可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。DAC0832引脚功能说明:DI0DI7:数据输入线,TLL电平。ILE:数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效。CS:片选信号输入线,低电平有效。WR1:为输入寄存器的写选通信号。XFER
16、:数据传送控制信号输入线,低电平有效。WR2:为DAC寄存器写选通输入线。Iout1:电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.Vcc:电源输入线 (+5v+15v)Vref:基准电压输入线 (-10v+10v)AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好,可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。 DAC0832是一款常用的数摸转换器,它有两种连接模式,一种是电压输出模式,另外一种是电流输出模式,为了设计的方便,选用电压输出模式。这个芯片共有2
17、0 个管脚,管脚分布图如下。Iout1和Iout2之间接一参考电压,VREF输出可控制电压信号。它有三种工作方式:不带缓冲工作方式,单缓冲工作方式,双缓冲工作方式。该电路采用单缓冲模式,由电路图可知,由于/XFER=0/CS=0/ ILE=1,DAC寄存处于工作状态。所以只要把/WR1/WR2置低电平时,写p2口,则该数字信号立即传送到输入寄存器,并直通至DAC寄存器,经过短暂的建立时间,即可以获得相应的模拟电压,一旦写入操作结束,/WR1和/WR2立即变为高电平,则写入的数据被输入寄存器锁存,直到再次写入刷新。(三)放大器部分放大器选择范围比较大,只要放大器满足放大值达到015V,放大倍数2
18、5倍,频率要求不高。最大提供电源为+15V和-15V,因此不可避免线性度有较大要求。而放大值要有15V电压差,不可避免的需要同时用到正负量程。因此对放大器的调零也有较大要求。先后使用TL082,TL081,OP07。最后确定用OP07。同时因为要在正向放大时提供正偏压,因此采用082制作了一个同项输入跟随器,做电气隔离。对于TL082和OP07参数及优点如下1. TL082 TL082是通用的J-FET双运算放大器。其特点有:较低的输入偏置电压和偏移电流;输出设有短路保护;输入级具有较高的输入阻抗;内建频率补偿电路;较高的压摆率。最大工作电压:-18V18V 2. OP07 Op07芯片是一种
19、低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25V),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 1、超低偏移: 150V最大 2、低输入偏置电流: 1.8nA 3、低失调电压漂移: 0.5V/ 4、超稳定,时间: 2V/month最大 5、高电源电压范围: 3V至22V 图2.3放大器电路图(四)电源输入部分实验中主要采用L78
20、05,L7815,L7915三种稳压器,外加电源部分设置成+/-20V,可由220V电源经变压得到,并将20V直接接到LM317中3端输入口,另外将+20V通过L7815,稳压后输出为+15V,将-20V通过L7915,稳压后输出为-15V,并将+/-15V电压加载到放大器的电源正负管脚上,另外DAC0832的电源管脚20脚和19脚ILE脚也要接+15V。再将+15V又经过L7805后变成+5V,这个压值可供应到单片机电源及显示部分。还需要在L7815的1,3脚,L7915的2,3脚以及L7805的1,3脚各自与地之间并联连上220微法电解电容和0.1微法磁片电容,目的是为了滤除低频杂波和高频
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