数控步进直流稳压电源的设计电子专业毕业论文.doc
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1、毕业论文 论文题目: 数控步进直流稳压电源的设计 作者姓名: 班级学号: 系 部: 电子工程系 专 业: 电子信息工程技术 指导教师: 2011年 5 月25 日摘 要随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性,而且可以任意设定输出电压或电流,所有功能由面板上的键盘控制单片机实现,给电路实验带来极大的方便,提高了工作率。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。数控电源是从80年代才真正的发展起来的,期间
2、系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。从组成上,数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。数控步进直流稳压电源属于数字化智能电源的范畴。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的,数字化能够减少生产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。使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。关键词:数控稳压电源 STC12C5A60S2 D/A转换 液晶显示 步进选择目 录摘要. .2 1 绪论.42 系统的硬件电路设计 .52.1系统框图及工作原理概述 .52.1.1
3、 系统框图 .52.1.2 工作原理概述 .53电源部分 .63.1稳压电源的组成及工作原理.63.1.1稳压电源的组成.63.1.2稳压电源的工作原理.63.1.3 掉电保护. .73.1.4 STC12C5A60S核心控制路.84信号处理部分 .10 4.1信号采集调理电路 .10 4.2 D/A转换电路的组成及工作原理.11 4.2.1 D/A转换电路的组成.11 4.2.2 D/A转换电路的工作原理.11 4.3功能芯片.11 4.3.1DAC0832芯片.11 4.3.20P07芯片.135 键盘及显示电路 .14 5.1键盘电路 .14 5.2液晶显示电路 .15 6输出部分 .1
4、66.1稳压输出电路 .166.2过流保护电路 .167 系统的软件设计 .157.1 系统的软件框图 .157.2 主控程序流程图 .177.3 中断程序流程图 .187.4 按键扫描程序流程图 .198系统调试及数据分析 .208.1 ProtelDXP原理图及程序的调试.208.2 辅助电源部分调试.208.3显示部分故障的排除.208.4各项指标的测量数据.209结论 .21致谢 .22参考文献 .23附录 .24附录1 程序清单.24附录2 原理图及印刷图 .29绪 论电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。数控电源是从80年代才真正的发展起来的,到90
5、年代,己出现了数控精度达到0.05V的数控电源,功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。本文重点介绍了一台输出电压可调节的数控步进直流稳压电源。它采用STC12C5A60S2单片机为核心控制器件来实现对输出电路的调节控制。电压调节范围为012V步进幅度为0.1V,输出电压和电流值通过液晶来显示显示精度分别为0.1V和0.01A。它主要由STC12C5A60S2核心控制模块,液晶显示模块,人机交互模块,稳压电源输出模块,电压、电流采集、放大、比较模块,电压、电流的调节模块,声光报警模块和为系统供电的电源模块等组成。通过输出信号采集调理电路对输出的
6、电压、电流进行实时采样,然后把采样的值送给内部自带AD转换的STC12C5A60S2进行处理,之后控制液晶来同时显示当前输出的的电压和电流值。本产品控制灵活、可靠性高、系统维护方便是一款智能化程度更高,性能更完美的稳压直流电源。2 系统的硬件电路设计2.1系统框图及工作原理概述2.1.1 系统框图稳压电源输出电路部分供电电路掉电保护采集信号调理电路控制信号调理电路液晶显示电路DA转换STC12C5A60S2核心控制电路键盘电路声光报警电路 图2.1.1:系统框图2.1.2 工作原理概述由51系列单片机STC12C5A60S2控制按键电路、显示电路、DAC数模转换、输出调整、过流保护电路等各部分
7、电路的工作,按键电路现用独立按键实现电路电压变化;显示电路由液晶实现0-12V 显示;模数转换由DAC0832及高精度运放OP07构成,后接TIP122又组成射极跟随器,跟随0832的电流变化;输出调整用运放LM324构成电压跟随器及输出电压量反馈,使电压稳定;电流保护,输出电流过大达到设定值时,发光二极管导通点亮,TLP521开始工作,进而使三极管9013导通驱动蜂鸣器发出声音,报警电路实现声光报警。3 电源部分3.1稳压电源的组成及工作原理3.1.1稳压电源的组成稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成,如图2.2所示 图3.1.1:稳压电源模块a. 整流电路:整流电路由四个
8、整流管组成其作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。b. 滤波电路:滤波电路一般由电容组成,其作用是将脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除,以得到较平滑的直流电压U4。本题对纹波要求非常高,对于本系统,造成纹波的主要因素是工频干扰、负载波动和数字调节的过冲噪声。其中数字调节的过冲噪声是数字控制系统必然存在的。因此,主要从抑制工频干扰和提高负载容量上来抑制纹波。本系统在电源端即进行滤波。因为系统的工频干扰主要由电源变压器引入,因此在电源端进行滤波对抑制工频干扰是十分必要和十分有效的。并且三个电源都在输出端用电容进行滤波,进一步抑制纹波的影响。c.稳压电路:由于得到的输出电压受负载、输入电 压 和
9、温度的影响不稳定,为了得到更为稳定电压添加了稳压电路,从而得到稳定的电压U0。3.1.2稳压电源的工作原理如图2.2所示,变压器将220V电压变换成15V电压,经过保险管后被整流二极管D101、D102、D103、D104整流过后,由电容C101、C102对其进行滤波,然后经过稳压块7812、7912稳压在输出端又经过电容C103、C104、C105、C106输出+12V和-12V供电,+12V又经过7805稳压在输出端经电容C107/C108滤波输出5v供电。经整流、滤波、稳压固定输出+12V、-12V、+5V,为保证及时散热稳压块可附上散热片,且7812输出可供7805输入,输出端接发光二
10、极管作为电压指示,为防止稳压块输出接的电容放电烧毁集成块,在稳压块输出到输入端正向接二极管。电源电压的稳定性取决于供电系统本身,当供电系统受到某种因素的影响时,供电电压的变化就有可能超出电子设备能够承受的允许范围。故要求稳压电源的输出必须稳定,即要求电压波动不是太大,电源各参数设置要合理。3.1.3掉电保护 AT24C02芯片是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM,它是内含2568位存储空间,具有工作电压宽(2.55.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10ms)等特点。如图2.4所示:图3.1.3:掉电保护图中AT24C02的1、2、3脚是三条地址线,用于确
11、定芯片的硬件地址。在AT89C51试验开发板上它们都接地,第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出,数据通过这条双向I2C总线串行传送,在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.5连接。第6脚SCL为串行时钟输入线,在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.6连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个4.7K的电阻上拉。第7脚需要接地。24C02中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后,该地址寄存器自动间加1,以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时,一次操作可写入多达8个字节的数据。3.1.4 STC12C5A60S2
12、核心控制电路如图2.2.3所示,在此模块中我们采用了STC12C5A60S2,它是单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。凭借自身的优点来完成一下几项工作:它接收电压电流采集、放大、比较模块采集的信号,经自身A/D转后并进行数据处理;把上一步处理好的数据送给液晶显示模块来显示当前输出的电压和电流值,当电流超过设定值后就会在液晶上提示报警;接收人机交互模块输入的信号,把此信号进行处理后存储或发送
13、给电压电流调整模块;根据人机交互模块输入的值,经内部PWM转换后送给外部的电路使之转化为模拟信号送给电压电流调整模块。由于单片机对时钟的要求比较精确,在此采用12M晶振和两个30P的陶瓷电容,从而保证单片机的正常精确工作。C401 、R401和按键F7组成单片机的上电复位兼手动复位电路,发光二极管L401起一个指示作用。当开始上电时,由于电容两端电压不能突变,单片机的9脚相当于接一个高电平,随着对C401的充电完成9脚电位会逐渐降低,上电复位完成。在单片机运行中,当按下按键F7后,电源与R401串联分压使单片机的9脚获得足够时间的阀值以上电压,单片机即进行复位,同时指示二极管L401亮一下。在
14、单片机复位后,松开按键F7,单片机即可开始进行正常的运行程序。单片机的P2.0 、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5管脚是按键的输入端口,作用分别为电压值粗调减键、电压值粗调加键、电压值细调减键、电流值细调加键、过流保护清零键、液晶显示背光调节键。单片机接收到不同的键值会做出相应的处理,同时通过液晶显示出来。 P1.0、P1.1分别接信号采集电路的AD0、AD1,分别为电流采样输入通道、电压采样输入通道。单片机根据需要进行对不同通道的信号进行转换,从而可以得到液晶显示所需要的电压值和电流值。 P0为液晶显示的数据输入端口。P3.0、P3.1、P3.2、P3.3分别是控制液晶显示的
15、E1、E2、R/W、A0,P1.5是控制液晶显示的背光调节。 L401和R402组成通电显示电路。 图:STC12C5A60S2核心控制电路4信号处理部分4.1信号采集调理电路由图2.5、图2.7可知B点的采样值是采样电阻R202分压所提供的,采样值送给由R301、R302、R303和U301B组成的同相加法器进行放大,uo=(1+R303/R301),然后经过R304降压后同时送给STC12C5A60S29的AD0通道和1的导通和关断,影响A点的电位变化,从而使调整管工作,使输出电压变化,同时比较器U301C,比较器的基准电压是12V电压经过10K电阻限流然后经过D302稳压管稳压和一个10
16、k的电位器并联调节得到的,比较器的结果控制二极管D30也起到保护电路的作用。由图2.5图2.7可知C点的采样值是采样电阻R203、R204和电位器RP201分压得到的,采样值首先送给由U302A构成的电压跟随器,实现电流的放大,然后送给由电阻R308、R309和U302B构成的1:1的反比例放大器,然后经过电阻R310后送给STC12C5A60S2的AD1通道进行转换。CAB图4.1:信号采集调理电路4.2.D/A转换电路4.2.1 D/A转换电路的组成 D/A转换电路主要有八位数模转换芯片DAC0832和高精度运算放大器OP07组成。因为电源输出电压范围是0-12V,步长0.1V,共有120
17、个状态, 8位的D/A转换芯片DAC0832共有256个状态,显然能满足电路要求,因此采用DAC0832做为D/A。运放OP07构成反相比例运算,Uo=-(Rf/R1)*Ui,当Rf=R1时,Uo=-Ui输出电压等于负的输入电压,DAC0832由倒T型网络构成,其由稳压电源的+12V通过一个电位器作为基准电压端Uref,基准电压为正电压,由上面的公式得出0832的输出电压为负,0832内部有一个反馈电阻,所以运放输出不必加反馈电阻,运放的其它的使能端可接高低电平实现对DAC的控制。4.2.2 D/A转换电路的工作原理如图2.5.1所示,按键的键值通过单片机传输到DA转换器0832中进行数字量和
18、模拟量的转化,由于DAC0832内部不含运算放大器,所以在外部接一个运算放大器OP07构成完整的DA转换器,运放输出接0832的反馈电阻端Rf,从而与晶体管构成射极输出器,跟随DAC0832输出电流的变化,DAC0832输出的模拟电流量经过高精度运放OP07转化为模拟电压量,然后送至U301A的反向输入端从图2.4和图2.9可以看出采样电压UC与参考电压比较来使A点的点位变化,A点电位变化使调整管TIP122动作,从而使输出电压改变,输出电压变化进而使输出采样电压变化,这样就够成了一个闭环的自动调节电路,只需改变DA数值便可以改变输出电压值。如图4.2.2:D/A转换电路4.3功能芯片4.3.
19、1 DAC0832芯片(1) DI7DI0:8位的数据输入端,DI7为最高位。(2) IOUT1:模拟电流输出端1,当DAC寄存器中数据全为1时,输出电流最大,当 DAC寄存器中数据全为0时,输出电流为0。(3) IOUT2:模拟电流输出端2, IOUT2与IOUT1的和为一个常数,即IOUT1IOUT2常数。(4) RFB:反馈电阻引出端,DAC0832内部已经有反馈电阻,所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端,这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5) VREF:参考电压输入端,此端可接一个正电压,也可接一个负电压,它决定0至255的数字量转化出来的模拟量
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