完整word版数控电压源的设计.docx

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完整word版数控电压源的设计

摘要……………………………………………………………………………1

1引言……………………………………………………………………………2

2硬件系统设计…………………………………………………………………4

2.1功能要求…………………………………………………………………4

2.2方案论证…………………………………………………………………4

2.3系统硬件电路设计………………………………………………………4

2.3.1系统核心单片机部分-闪电存储器型器件AT89S51……………5

2.3.2数模转换器DAC0832的介绍及应用………………………………10

2.3.3功率放大模块ULN2008介绍及应用………………………………14

2.3.4运算放大器LM324的作用…………………………………………15

2.3.5供电电源电路设计…………………………………………………16

3软件设计………………………………………………………………………17

3.1主程序流程图……………………………………………………………17

3.2部分程序流程图…………………………………………………………17

3.3软件的设计主要完成三方面功能………………………………………19

3.4程序清单…………………………………………………………………19

4总结……………………………………………………………………………20

参考文献…………………………………………………………………………21

致谢………………………………………………………………………………22

附录1主电路图…………………………………………………………………23

附录2程序清单…………………………………………………………………24

数控电压源的设计

张龙

（临夏农业大学工学院农业电气化及自动化06级）

摘要:

目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋钮开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

数控电压源具有操作方便，电压稳定度高的特点。

本文以AT89S51为控制芯片，通过键盘输入给定值，以数模转换器DAC0832将数字量转换成模拟量，输出参考电压，通过运放LM324将DAC0832输出的模拟电压值放大，以该参考电压控制功率放大模块ULN2008的输出电压。

此设计输出电压范围为0-9.9V，可以达到每步0.1V的精度，电流可以达到2A，并可由数码管显示实际输出电压值。

该电路硬件具有设计简单，应用广泛，精度较高，使用方便等特点。

关键词：

AT89S51D/A转换器数控电源

TheDesignofDigitalControlVoltageSource

Abstract:

Atpresent,thedirect-currentadjustablepowersourcewhichisusedalwaysregulatesvoltagebytheknobswitch,theregulationprecisionisnotaccurate,moreoverthevoltageleapsfrequentlyanditistroubletouse.Thedigitalcontrolvoltagesourcehasthecharacteristicthattheoperationiseasyandthevoltageisstable.ThechipAT89S51isusedtocontrolinputvaluewhichgivenbykeyboard,transformsthedigitalquantitytothesimulationquantitybyD/AconverterDAC0832andDAC0832outputsthereferencevoltage.AmplifierLM324enlargesthevoltagefromDAC0832.AndthevoltagethatthereferencevoltagecontrolsthevoltagetransformationmoduleULN2008output.Thisdesignthattheoutputvoltagescopeis0-15V,thestepmayachievetheprecision0.1V,theelectriccurrentmayachieve2A,andtheLEDdemonstratestheactualoutputvoltagevalue.Thedesignoftheelectriccircuithardwarehasthecharacteristicthatthedesignissimple,theapplicationiswidespread,theprecisionisaccurate,andtheoperationiseasy.

Keywords:

AT89S51unitD/Aconverterdigitalcontrolvoltagesource

1引言

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，服于各行各业。

电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间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。

在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。

但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。

因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。

新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90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。

目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

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。

随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。

电源采用数字控制，具有以下明显优点：

1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

4）系统维护方便。

一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过MODEM进行远程操作。

5）系统的一致性好，成本低，生产制造方便。

由于控制软件不同于模拟器件那样存在差异，因此，数控电源的一致性很好。

由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

6）易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。

为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

2硬件系统设计

2.1功能要求

设计一个数字控制电压源，利用键盘来控制，要求输出电压为0-9.9V，步进0.1V，并用数码管显示出来。

2.2方案论证

本设计采用AT89S51为控制单元，与数模转换器DAC0832数据接口相连，并使DAC工作在单缓冲方式下。

DAC的8脚接参考电压，参考电压为5V。

所以在DAC的输出电压的分辨率为5V/256=0.02V，也就是说DAC输入数据端每增加1，电压增加0.02V。

DAC的电压输出端接放大器LM324的输入端，放大器的放大倍数为5。

输出到功率放大模块ULN2008的电压分辨率=0.02V×5=0.1V。

所以，当AT89S51输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。

本电路设计三个按键，KEY1、KEY2和KEY3，KEY1为电压+，KEY2为电压－，KEY3为确认键，即当KEY3键按下时

才输出电压。

主电路的原理是通过AT89S51控制DAC的输出电压大小，通过放大器放大，给功率放大模块作为最终输出的参考电压，真正的电压是由功率放大模块ULN2008输出的。

2.3系统硬件电路的设计

系统硬件电路图如图2-1所示：

图2-1系统硬件电路图

2.3.1系统核心单片机部分-闪电存储器型器件AT89S51

单片机概述

单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、中断系统、定时器/计数器以及I/O口电路等主要微型机部件，集成在一块芯片上。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已经具有了计算机系统的属性，为此称它单片微型计算机SCMC（SingleChipMicroComputer），简称单片机。

单片机主要应用于控制领域，用以实现各种测试和控制功能，由于单片机在应用时处于被控系统的核心地位并融入其中，所以我们也常称单片机为嵌入式微控制器EMCU（EmbeddedMicrocontrollerUnit）。

（1）MCS-51单片机简介

MCS-51是一个单片机系列产品，具有多种芯片型号。

具体说，按其内资源配置的不同，MCS-51可分为两个子系列。

按资源配置数量，MCS-51系列分为51和52两个子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列则是增强型，以芯片型号的最末位数字的“1”和“2”作标志。

52作为增强型子系列，由于资源数量的增加，使其芯片的功能也有所增强。

例如片内ROM容量从4KB增加到8KB，片内RAM单元数从128字节增加到256字节，定时器/计数器的数目从2个增加到3个，中断源从5个增加到6个等。

单片机内部程序存储器（ROM）的配置共有：

不含有内部程序存储器、掩模型只读存储器、紫外线擦除可编程只读存储器、电擦除可编程存储器4种类型，所对应的（51子系列）芯片名称依次为：

8031、8051、8751和8951。

到目前为止，尽管计算机科学和技术得到了充分的发展，但计算机的体系结构仍然没能突破有计算机的开拓者、数字家约翰.冯诺曼最先提出来的经典体系结构框架，即一台计算机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。

微型机是这样，单片机也不例外。

因此我们要从计算机五个基本组成部分的观点来理解单片机的系统结构，所不同的只是单片机是把那些作为控制应用所必需的内容，包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入/输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。

AT89系列单片机是ATMEL公司生产的。

这是当前最新的一种电擦写8位单片机，与MCS-51系列完全兼容，有超强的加密功能，可完全替代87C51/52和8751/52。

它物美价廉，深受用户欢迎。

与87C51相比，AT89系列的优越性在于，其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现；数据不易挥发，可保存10年；编程/擦除速度快，全4K字节编程只需时3s，擦除时间约用10ms；AT89系列了实现在线编程；也可借助电话线进行远距离编程。

（2）AT89S51是一种低功耗、具有4KB在线可编程Flash存储器的单片机。

它与通用的80S51系列单片机的指令系统和引脚兼容。

片内闪电存储器可允许在线重新编程，也可使用通用非易失性存储器编程。

它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性价比的微控制器。

（3）AT89S51具有下列主要性能：

.4KB可改编程序Flash存储器（可经受1，000次的写入/擦除周期）

.全静态工作：

0Hz～24MHz；

.三级程序存储器保密；

.128X8字节内部RAM；

.32条可编程I/O线；

.2个16位可编程定时器；

.中断系统具有6个中断源、5个中断矢量、2个中断优先级；

.串行口是一个全双工的串行通信口。

.具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；

.低功耗节电模式；

.片内时钟振荡器频率：

0—33M；

.具有片内看门狗定时器；

.灵活的在线编程方式；

.具有断电标志POF；

.具有断电状态下的中断恢复模式。

另外，AT89S51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到0Hz，并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式（IdleMode）和掉电方式（PowerDownMode）。

在空闲方式中，CPU停止工作，而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。

在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下一次硬件复位为止。

（4）主电源引脚

1）Vcc电源端

2）GND接地端

（5）接晶体引脚XTAL1和XTAL2

1）XTAL1接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

2）XTAL2接外部晶体的另一个引脚。

在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。

（6）控制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG、PSEN和EA/Vpp

1）RES复位输入端。

当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

2）ALE/PROG当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。

该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。

另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。

3）PSEN程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。

当AT89S51/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次PSEN有效（既输出2个脉冲）。

但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

4）EA/Vpp外部访问允许端。

要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则EA端必须保持低电平（接到GND端）。

然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存/EA端的状态。

当EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。

在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。

（7）输入/输出引脚P0.0～P0.7、P10.～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7

1）P0端口（P0.0～P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。

在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。

在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在验证程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

2）P1端口（P1.0～P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在对Flash编程和程序验证时，P1接收低8位地址。

3）P2端口（P2.0～P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时，P2送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

4）P3端口（P3.0～P3.7）P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P3作输入口使用时，有内部的上拉电阻。

在AT89S51中，P3端口还用于一些专门功能，这些兼用功能见表2-1P3口兼用功能：

表2-1P3口兼用功能

端口引脚

兼用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

在对Flash编程和程序验证时，P3还接收一些控制信号。

（8）Flash存储器的编程和程序校验：

AT89S51单片机内部有一个4K字节的FlashPEROM。

这个Flash存储阵列通常是处于已擦除状态（既存储单元的内容为FFH），随时可对它进行编程。

编程接口可接收高电压（12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。

低电压编程方式可很方便地对AT89S51内的用户系统进行编程；而高电压编程方式则可与通用的EPROM编程器兼容。

AT89S51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，既每次写入一个字节。

要对片内的PEROM程序存储器写入任何一个非空字节，都必须用片擦除方式将整个存储器的内容清除。

（9）对Flash存储器编程

编程前，必须建立好地址、数据和相应的控制信号。

编程单元的地址加在P1端口和P2端口的P2.0～P2.3（11位地址为0000H～0FFFH），数据从P0端口输入。

PSEN应保持低电平，而RST应保持高电平。

EA/Vpp是编程电源的输入端，按要求加入编程电压。

ALE/PROG端输入编程脉冲（应为负脉冲信号）。

编程时，采用4～20MHz的振荡器。

对AT89S51编程的步骤如下：

1）在地址线上输入要编程单元的地址。

2）在数据线上输入要写入的数据字节。

3）激活相应的控制信号。

4）在采用高电压编程方式时，将EA/Vpp端的电压加到12V。

5）每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加一个ALE/PROG编程脉冲。

改变编程单元的地址和要写入的数据，重复步骤a～e，直到全部文件编程完毕。

每个字节写入周期是自动定时的，通常不大于1.5ms。

（10）数据查询方式

AT89S51单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束。

在一个写周期期间，如果想读出最后写入的哪个字，则读出数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。

写周期一旦完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，这时可开始下一个写周期。

一个写周期开始后，可在任何时间开始进行数据查询。

2.3.2数模转换器DAC0832的介绍及应用

DAC0832是一个8位乘法型D/A转换芯片，除具有一般的D/A转换特性外，其内部采用双缓冲寄存器，能很方便地用于多个D/A转换器同时工作的场合，且在精度允许的情况下，又可作为12位D/A转换器使用。

它可以与12位D/A转换器DAC1230互换，引脚也是兼容的。

另外，该器件可以作四象限乘法器使用；虽然是电流开关，也可以利用电压开关方式工作。

其主要特性参数如下：

·分辨率为8位；

·电流稳定时间1us；

·可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；

·只需在满量程下调整其线形度；

·单一电源供电；

·低功耗，200mV。

芯片为20引脚，双列直插式封装。

其引脚图如图2－2:

（a）管脚分布图（b）运算放大器

图2-2DAC0832引脚图

（1）各引脚说明如下：

1）

～

：

8位数字信号输入端，与单片机的数据总线相连，用于接收单片机送来的待转换的数字量，DI7为最高位，输入为TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）。

2）

：

片选信号（输入），低电平有效。

同ILE组合选通WR1。

3）ILE：

数据所存允许信号（输入），高电平有效。

与CS组合选通WR1。

4）

：

第1写信号（输入），低电平有效，用来将输入数据送到锁存器中。

该信号与ILE信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：

当ILE=1和

=0时，为输入寄存器直通方式；当ILE=1和

=1时，为输入寄存器锁存方式。

5）

：

数据传送控制信号（输入），低电平有效，它将选通

。

6）

：

第2写信号（输入），低电平有效。

该信号与

信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式：

当

=0和

=0时，为DAC寄存器直通方式；当

=1和

=0时，为DAC寄存器锁存方式。

7）

：

电流输出“1”，它是D/A寄存器中为“1”的各位权电流汇集输出端。

当D/A寄存器中全为“1”时，输出电流是最大；当D/A寄存器中全为“0”时，输出电流为0。

8）

：

电流输出2，它是D/A寄存器中为“0”的各位权电流汇集输出端。

当D/A寄存器中各位全为“0”时，输出电流最大；反之电流为0，即满足

-

=常数或

+

=常数。

（式2-1）

DAC转