毕业设计数控直流稳压电源的设计.doc

本 科 生 毕 业 论 文题目： 数控直流稳压电源的设计姓 名： 学 号： 200706302251 专 业： 电子信息科学与技术 年 级： 2007级 院 别：物理与电子信息工程 完成日期： 2011年5月 指导教师： 严世胜（副教授）目 录1.引言. 12.方案的论证与设计. 23.单元电路的设计. 2 3.1最小系统控制电路设计. 3 3.2 D/A转换电路设计. 3 3.3放大和输出稳压电路的设计. 5 3.4液晶显示电路设计. .6 3.5 系统供电电源设计. 73.6整机电路图和系统仿真. 74. 软件程序设计.9 5. 4.1程序流程图.10 6. 4.2 程序代码.116. 数据测量.19 7. 6.1数据测量值.19 8. 6.2误差分析.217. 结论.218. 参考文献.22附录一.23数控直流稳压电源的设计作者：朱立鸿 指导教师：严世胜 副教授（海南师范大学物理与电子信息工程，海口，571158)摘 要：该设计采用220V市用交流电输入，输出电压为010V可调，输出最大电流为1A，可步进0.1V调整。电源的主控电路采用AT89C51单片机，并能够通过液晶直观地显示出电压。设计分析了各个模块电路和整机的工作原理，给出了整机工作的硬件实现和主要的软件流程设计。关键词：直流稳压电源;数控;AT89C51;D/A转换NC DC regulated power supply designAuthor:Zhu Lihong Tutor:Associate Professor Yan Shisheng(Department of Physics and Eledtronic Information Engineering,Hainan normal university, Haikou,571158)Abstract: The design uses 220V,with AC input and output voltage is adjustable 010V,output maximum current of 1A,step 0.1V can be adjusted.The main control circuit power supply AT89C51 microcontroller and directly though the LCD display voltage.Circuit design and analysis of each module and the whole of the working principle of the whole work of the hardware and main software process design.Key words: DC power supply;NC;AT89C51;D/A Converter1. 引言随着电力电子技术的发展，当今电器化电子产品对电源的可靠性和精确性提出了更高的要求。尤其是电子计算机和通讯技术的发展，对电源的要求更加苛刻。一个高性能和高精度的供电电源是智能化系统正常工作必不可少的组成部分。为了克服和解决以上传统电源（模拟电源）难以实现的问题，数控电源应用而生。在如今的电子行业发挥着重要的作用。设计一个高精度、精确跟踪输出、高稳定性、良好的人机界面的简易数控电源，能减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节，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问题，极大地提高了生产效率和产品的维护性1。基于数控电源具有以上传统模拟电源无法替代的优越性，为此设计一个简易的数控电源。2. 方案的论证与设计 通过查阅大量资料，得知显示电路和控制电路是本设计的核心，对它的选择有以下两种方案：方案一：采用纯数字电路2纯数字电路的稳压电源避免了硬件之间的磨损，使得使用寿命大大提高，而且其输出电压也不会随时间产生误差。但是它的电路较为复杂，制作时很困难，由于电路的复杂产生的问题也会很多。 方案二：采用单片机的方法采用单片机的数字稳压电源是将数字电路和单片机很好地结合在一起，不但能够达到数字电路的效果，而且能够大大地简化复杂的纯数字电路。 经过对以上两种设计方案的对比和全方位的综合考虑，为了使电路的设计更加合理化，切合技术指标，决定采用方案二。3. 单元电路的设计3.1 系统设计方框图 系统设计方框图如图1所示。该系统主要由单片机最小控制系统、显示电路、独立按键、D/A转换电路、放大电路和稳压电路和系统供电电源等组成。外接220V的交流电源经过整流滤波后给上述各部分单元提供工作电源，通过独立键盘给单片机设定预输出值，并通过DA0832转化为模拟量，再经过运算放大和稳压电路最后输出预设电压值，通过液晶能够直观的显示出预设值。单片机显示电路按键D/A转换放大电路稳压电路输出电路整流滤波变压器220v图1 数控直流稳压电源设计方框图3.2最小控制系统的设计 最小控制系统由STC单片机、晶振、独立键盘和复位电路等组成3。如2所示。图2 最小控制系统 AT89C51的管脚排列如上图所示，9管脚接复位电路，18、19管脚为晶振的两个输入端，20管脚接地，40管脚接+5V。 晶振Y1和两个电容C2、C3构成自激震荡，连接到单片机的X1和X2端，电解电容C4、电阻R5和按键S5构成复位电路，连接到单片机的复位端。当按键S5按下后，复位端通过R5与+5V电源接通，电容迅速放电，使RST管脚为高电平；当复位按键S5弹起后，+5V电源通过R6对电容C4重新充电，RST管脚出现复位正脉冲。4个独立按键S1S4分别与C51的P24P27相连接，独立按键S1为电压调整按钮，S2为电压加一按钮，S3为电压减一按钮，S4为D/A转换确认键。S1S3按键的作用是通过程序控制对输入的电压随时可调，且步进值能够为0.1V增加或者减少。S4键的作用是按下启动D/A转化，将单片机的预设值转化为模拟量输出。3.2 D/A转换电路设计3.2.1 DA0832芯片简介 DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成4。3.2.2 DA0832的主要特性DA0832分辨率（LSB）为8位，电流稳定时间为1us，有三种工作方式，即直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。工作方式的设置由19管脚ILE、2管脚WR和18管脚WR2决定，本设计采用直通方式，将2管脚和18管脚全部接地为低电平。另外DA0832采用单电源供电（+5V15V），且在满量程内呈线性变化。3.2.3 DA0832在设计中的应用采用0832将单片机预设的电压值转化为模拟量，其电路连接如下图4所示。图4 DA0832与单片机的连接DA0832的8位数据线D0D17与单片机的P1口连接，1管脚（CS）和17管脚（Xfer）接地，8管脚(Vref)的参考电压为5V，则LSB=5V/28=0.02V，即最小分表率为0.02V。11管脚（Iout1）和12管脚（Iout2）为电流输出端，本设计中将Iout2接地，采用Iout1输出，然后接运算放大LM324将输出电流转化为电压。经过LM324转化后的电压值也为5V。为了达到与单片机预设电压范围010V同步，输出端电压需要经过两级放大。第一级不放大，直接将D/A输出的电流转化为电压，第二级放大，放大倍数=Rf/R1=2K/1K=2.因为DA0832转换后的电压的范围为05V，即DA0832的8位输入端全为高电平1时，输出电压为5V，输入端全为低电平0时，输出电压为0V，且呈线性变化。为此为了使输出与液晶显示同步，必须经过放大倍数=2的二级放大。3.3 放大和输出稳压电路的设计由于DA0832芯片为电流输出型，为了得到输出电压，必须经过运放转化为电压。设计采用运放LM324放大器放大。LM324芯片的主要特性有：可单双电源工作，单电源工作范围为3V32V，双极性电源工作范围为16V，设计采用双极性电源，且电源电压为12V；每个集成LM324芯片内装4个运放器5。采用反向输入，放大和稳压电路如图5。 图5 放大电路和稳压电路 U3的输出端I0ut1接U2的13管脚(IN-)，Iout2接U2的12管脚(IN+)，然后接地。第一级只是转化0832输出的电流为电压，没有进行放大。LM324第一级的输出端14经过1K的电阻接第二级放大的输入端2(IN-),也是反向输入，两次反向后最终输出的电压为正向。由于三端稳压LM317的工作电压范围为1.2637V，达不到输出为0V的设计要求，为此在第二级放大采用求和反向放大，-12V的电压经过10K的电位器分压后输出反向电压为-1.25V，在液晶显示为0的情况下使其LM317调整稳压后的电压达到0V。LM317主要特性有基准电压标准值为1.25V，ADJ调整端电流标准值为50uA，最大为100uA。为此，为保证额定的输出电压值，调整端R1的电阻阻值R=1.25V/10mA=125。通常实际的取值在120200之间。输出电压值计算公式为：Uo= 。3.4 液晶显示电路设计显示部分采用液晶LCD1602，LCD1602显示容量是为162个字符，芯片工作电压为4.55.5V。接口信号说明如表1。表1 液晶接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据输入D2端2VDD电源正极10D3数据输入D3端3VL液晶显示偏压信号11D4数据输入D4端4RS数据/命令选择端12D5数据输入D5端5R/W读/写选择端（H/L）13D6数据输入D6端6E使能信号14D7数据输入D7端7D0数据输入D0端15BLA背光源正极8D1数据输入D1端16BLK背光源负极液晶LCD1602与STC单片机的连接电路图如图6。LC1602D的8位数据接口与单片机的P0口相连，由于STC单片机P0口没有内接电阻，为此外接了10K上拉排阻。这是因为单片机P口的输出电流非常微弱，不足以驱动液晶显示数据而连接的。1602的控制端RS、R/W、E端分别与STC的P20、P21、P22连接。VCOM为液晶显示亮度调整端，外接10K的电位器。BLA-和BLA+分别为液晶背光源正极和负极，BLA-接地，BLA+接+5V。液晶的显示由单片机的程序去控制。图6 LCD1602与单片机连接电路图3.5 系统供电电源设计控制系统STC单片机和DA0832工作需要+5V的电源，而运算放大器LM324需要12V的双极性电源，为此需要设计出满足上述芯片工作需要的电源。电源电路图如图7所示。图7 系统供电电源系统供电电源外接220V交流电，经过双18V变压器T1降压和整流桥整流变为直流，接着用电容C1、C2、C3、C4滤波，最后用三端稳压芯片7812、7912、7805稳压后再经电容C5、C6、C7、C8滤波就可得到+12V,-12V，+5V的电源。 3.6 整机电路图和系统仿真整机电路图见附录一。系统仿真采用仿真软件Proteus，图8、9分别为预设0V和10.0V输出电压的仿真结果。 图8 预设值为0V时的仿真图图9 预设值为10V时的仿真图 从上述仿真图8得知，当液晶的预设电压为0V时，系统最后的输出为0.57V，是由AD0832转换的精度决定的。从图9可知，通过按键把液晶的显示值电压设为10.0V时，系统最后的输出为9.75V，误差值为0.25V。4. 软件程序设计 4.1程序设计流程图 程序设计流程图6如图10所示。 程序开始以后，首先液晶初始化，显示液晶初试的预设电压值。然后进行按键检测，如果没有按键按下，显示液晶当前的初试电压；如果有按键按下，进入电压检测中断程序，确认当前液晶的调整值。接着检测D/A是否启动，启动以后进行数模转换，将转换后的模拟量送给系统最终输出端。程 序 初 始 化键 盘 扫 描显 示 程序开始检测 按键NYD/A 转 换延时程序结束电压 检测中 断YN图10 程序设计流程图4.2程序代码下面C代码严格按照上述程序流程出分块写出，然后用Keil51编译通过。第一块为Keil51的位声明；第二块为延时子程序；第三块为液晶的初始化程序；第四块为电压检测中断程序；最后为主程序7。/ Keil51位声明/#include<reg51.h>#define uchar signed char#define uint signed intsbit lcdrs=P20;sbit lcdwr=P21;sbit lcden=P22;sbit S1=P24;sbit S2=P25;sbit S3=P26;sbit S4=P27;uchar code VoltageDat="Voltage:00.0 V"uchar code CurrentDat="Current:0.00 I"uchar count,S1num,V_point,V_ge,V_shi,I_point,I_ge,I_shi;uchar S1_OK=0,Confirm=0,DA0832,VCC,Power;/延时1ms子程序开始/void delay(uint z)uint x,y;for(x=0;x<121;x+)for(y=0;y<z;y+);/写指令子函数/void lcd_write_com(uchar com) lcdrs=0; /lcdrs=0即设置写指令状态lcdwr=0; /写状态lcden=0; /从这句开始将en置1然后又置零，是将其显示为高脉冲P0=com; /将要写的指令传给P0口 delay(5); lcden=1;delay(5);lcden=0; / en的高脉冲设置完毕/写数据子函数/void lcd_write_dat(uchar x_pos,uchar y_pos,uchar dat) x_pos &= 0x0f; / X位置范围 015 / y_pos &= 0x01; / Y位置范围 0 1 / if(y_pos=1) x_pos += 0x40; x_pos += 0x80; lcd_write_com(x_pos);lcdrs=1; /lcdrs=1即设置写数据状态lcdwr=0; /写状态lcden=0; /从这句开始将en置1然后又置零，是将其显示为高脉冲P0=dat; /将要写的数据传给P0口 delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0; / en的高脉冲设置完毕/液晶初始化子函数/void lcd_init() uchar num;lcd_write_com(0x38); /显示16×2,5×7点阵，8位数据接口。lcd_write_com(0x0c); /显示开/关及光标设置lcd_write_com(0x06); /设置读写一个字符后指针自动加1或减1及整屏左移动 lcd_write_com(0x01);lcd_write_com(0x80); /设置数据指针位置，即从什么位置开始显示，for(num=0;num<14;num+)lcd_write_dat(num,0,VoltageDatnum);delay(5);lcd_write_com(0x80+0x40); /设置数据指针位置for(num=0;num<14;num+)lcd_write_dat(num,1,CurrentDatnum);delay(5); /电压检测中断程序/uchar keyscan() /等待调时间的子函数，S1S2S3为功能键按，S1闪烁调整位置的功能键，S2增加1，S3减少1if(S1=0) delay(5); /键盘按键消抖if(S1=0)S1num+; /S1增加功能键按下的次数while(!S1); /按键松手检测if(S1num=1)lcd_write_com(0x80+11);lcd_write_com(0x0f); /光标闪烁，表示可以调整时间if(S1num=2) /如果S1即第二次按下，光标向前移动lcd_write_com(0x80+9);if(S1num=3) /如果S1即第三次按下，光标向前移动lcd_write_com(0x80+8);if(S1num=4) /如果S1即第四次按下，光标向前移动lcd_write_com(0x80+0x40+11);if(S1num=5) /如果S1即第五次按下，光标向前移动lcd_write_com(0x80+0x40+10);if(S1num=6) /如果S1即第六次按下，光标向前移动lcd_write_com(0x80+0x40+8);if(S1num=7) /如果S1即第七次按下，则定时器开始计时，S1num清零，光标不闪烁S1num=0;S1_OK=1;lcd_write_com(0x0c);if(S1num!=0)if(S2=0)delay(5);if(S2=0) /在S2按下时，实现加1调整while(!S2);/电压增加调整if(S1num=1)V_point+;if(V_point=10)V_point=0; lcd_write_dat(11,0,0x30+V_point);lcd_write_com(0x80+11);if(S1num=2)V_ge+;if(V_ge=10)V_ge=0;lcd_write_dat(9,0,0x30+V_ge);lcd_write_com(0x80+9);if(S1num=3)V_shi+;if(V_shi=3)V_shi=0;lcd_write_dat(8,0,0x30+V_shi);lcd_write_com(0x80+8);/电流增加调整if(S1num=4)I_point+;if(I_point=10)I_point=0;lcd_write_dat(11,1,0x30+I_point);lcd_write_com(0x80+0x40+11);if(S1num=5)I_ge+;if(I_ge=10)I_ge=0;lcd_write_dat(10,1,0x30+I_ge);lcd_write_com(0x80+0x40+10);if(S1num=6)I_shi+;if(I_shi=2)I_shi=0;lcd_write_dat(8,1,0x30+I_shi);lcd_write_com(0x80+0x40+8);if(S3=0) /在S3按下时，实现减1调整delay(5);/电压减少调整if(S3=0)while(!S3);if(S1num=1)V_point-;if(V_point=-1)V_point=9;lcd_write_dat(11,0,0x30+V_point);lcd_write_com(0x80+11);if(S1num=2)V_ge-;if(V_ge=-1)V_ge=9;lcd_write_dat(9,0,0x30+V_ge);lcd_write_com(0x80+9);if(S1num=3)V_shi-;if(V_shi=-1)V_shi=2;lcd_write_dat(8,0,0x30+V_shi);lcd_write_com(0x80+8);/电流减少调整if(S1num=4)I_point-;if(I_point=-1)I_point=9;lcd_write_dat(11,1,0x30+I_point);lcd_write_com(0x80+0x40+11);if(S1num=5)I_ge-;if(I_ge=-1)I_ge=9;lcd_write_dat(10,1,0x30+I_ge);lcd_write_com(0x80+0x40+10);if(S1num=6)I_shi-;if(I_shi=-1)I_shi=0;lcd_write_dat(8,1,0x30+I_shi);lcd_write_com(0x80+0x40+8);Power=10*V_shi+V_ge+0.1*V_point;/返回电压值return(Power);/ 主程序 /void main() lcd_init();P1=0;while(1)VCC=keyscan();/电压检测if(!S4)if(VCC>10.0)VCC=10.0; P1=10*VCC+V_point;6.数据测量 6.1数据测量值数据测量的方法是：通过独立按键预设液晶的显示电压值，启动D/A转换按钮，然后用精度为0.00V的万用表检测系统最终输出端的电压值。每设置一次液晶的显示值，测试一次最终的电压输出值，连续测量10次。下面分别列出了系统仿真和实物的数据测量值，见表2和表3。实物图如下图11.。图11 数控直流稳压电源实物图表1： 仿真数据 预设输出电压（V）实际输出电压（V）误差（）0.00.570.571.00.980.022.01.950.053.02.930.074.03.900.105.04.880.126.05.860.147.06.820.188.07.800.209.08.770.2310.09.750.25表2： 实物数据预设输出电压（V）实际输出电压（V）误差（）0.03.203.201.04.103.102.05.303.303.06.203.204.07.103.105.08.203.206.09.003.007.09.502.508.09.601.609.09.700.7010.09.700.706.2误差分析 由于上述仿真数据在相同条件下多次测量同一量值时，绝对值和符号均不改变，为此上述数据的误差只可能是系统误差，不可能是随机误差8。下面分别计算出上述数据的绝对误差。绝对误差定义为被测量值x和测量的真值A的差值。上述把预设的电压作为真值，绝对误差用符号表示。计算出上述数据绝对误差的平均值：=8=0.12实物数据在预设电压为0V时，第一级运算放大后的电压值调整不到零，总是从3.0V开始，然后预设电压每增加1V，第一级运放后的电压增加0.2V，即预设电压值为1V时，第一级运放后的电压为3.2V，当然第二级放大5倍后最终输出是15V左右。从3.2V开始线性变化而没有从0V开始线性变化是本设计没有调试成功的根源所在。如果第一级运放后的电压能从0开始的话，整个输出就和理论相符。因此测出的实物数据是错误的，无法再进行误差分析。7. 结 论 本设计采用单片机最小控制系统来获得010范围内的电压输出。在设计过程中涉及到了STC51单片机的应用，DA0832芯片的应用，运算放大LM324的应用以及稳压LM317的应用。在查阅大量资料和所学专业课程的基础上，分别设计出各个单元电路，然后把单元电路组合在一起就构成完整的系统设计。 在组装硬件电路和调试的过程中碰到了很多难题和自己难以解决的问题，经过查阅资料和请教指导老师的辅导，最终解决了部分问题，实物实现了部分功能。特别是运算放大电路模块，实物最终没有调试出正确的数据。实物在在预设电压液晶显示为0V时，测得DA转化后的电压值是3.0V，未能实现从0V起步线性变化的目的。为此后面的二级放大和输出调整稳压再无法继续调试下去。设计没设调试出正确数据的根源就出现在第一级运放后的电压不从0起步线性变化这里。尽管最终实物未能调试出正确的数据，也没有实现完整的功能，但是通过自己力所能及范围内的亲自动手制作，进一步巩固了我所学的专业知识和提高了我以后的动手能力。参考文献1 刘楚湘.基于单片机的数控直流稳压电源设计J.新疆师范大学学报（自然科学版），2007,(01):15-20.2 刘旭梅.数控直流稳压电源J.科技致富向导，2009(06):10-20.3 牛昱光. 单片机原理与接口技术M.北京：电子工业出版社，2008 : 12-35.4 余孟尝. 数字电子技术基础简明教程M.北京：高等教育出版社，2006 :426-430.5 杨素行. 模拟电子技术基础简明教程M.北京：高等教育出版社，2006 :282-293.6 赵亮，侯国瑞.单片机C语言编程与实例M.北京：人民邮电出版社，2007:100-120.7 周航慈.单片机程序设计基础M.北京：北京航空航天大学出版社，2003：89-100.8 赵徽存.电子测量技术基础M.重庆：重庆大学出版社，2003：9-20附录一 整机电路图