课程设计基于51单片机的数控直流电源设计Word下载.docx

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设计开关电源。

在前期方案设计中采用PWM脉宽调制。

它的功耗小，效率高，稳压围宽，电路形式灵活多样，功耗小，效率高。

在制作过程中发现，PWM占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果明显，导致电压的非线性变化更显著，特别是PWM占空比很小时（希望得到输出的电压很小），利用单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。

但用数字量控制的作用更加明显。

方案二：

用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流（电压）。

采用此方案能有效的缩短调节时间，并能提高输出精度。

设计方案，包括了微控制器模块、D/A转换模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成,形成开环控制。

采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的电流输出端接放大器UA741的反向输入端，DAC0832和运放UA1将单片机发出的八位二进制数转换成0—5V负电压，再经过反向比例放大器UA2将负电压转换成0—10V正电压，输出到电压调整模块NE5534，将电压的步进值调整为0.05V。

所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.05V，当调节电压的时候，可以以每次依0.05V的梯度增加或者降低电压。

数码管显示电路，该系统使用3个数码管，可以显示三位数，分别组成显示电路的十位、个位、小数点位。

本主电路的原理是通过MCU控制DA的输出电流大小，通过两级放大器转换成电压值并放大，经过电压调整模块调整作为最终输出的电压。

方案三：

用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流（电压），使用电压采样电路，通过A/D转换实现闭环控制。

采用此方案是对方案二的改进，能有效的缩短调节时间，进一步提高输出精度。

设计方案，其主要由微控制器模块、D/A转换模块、电压调整模块、显示模块、键盘模块、电源模块六部分构成。

液晶屏显示电路，该系统使用LCD1602液晶显示屏，可以清晰地显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位，同时还能显示英文名称和电压/电流单位。

按照方案三的设计能够很好的满足课程设计的目标与要求，所以最后选用方案三。

2.2系统总框图

采用双220V/18V变压器，将220V市电经桥式整流，滤波后得+21V和-21V电压值，再经过三端稳压芯片得到需要的+15V,-15V和+5V，为系统提供电源支持。

以单片机STC89C52为核心，输出电流经D/A转换，比较放大后得到合适的电压值，经电压调整后输出UO,对UO采样，经A/D转换送回到单片机与设定值比较，自动调整以实现闭环控制。

系统总框图如图2-1所示。

+21V

+15V

-15V

+5V

取样

D/A转换

比较放大

键盘

电压显示

A/D转换

STC89C52

掉电记忆

UO

图2-1系统总框图

第3章硬件设计

3.1硬件选型

3.1.1系统供电部分

由于该电源总共需要+21V，+15V，-15V，+5V电压，所以采用双220V/18V变压器，经桥式整流滤波后得到21V电压；

由三端稳压器7815,7915和7805分别得到+15V，-15V和+5V电压。

3.1.2控制器部分

方案一应用mega16作为控制器。

AVR是51的升级版，具有速度快，且自带512字节的EEPROM，不需要另外接扩展的EEPROM的优点；

缺点是，对AVR的使用不太熟悉，价格比较贵。

方案二采用STC89C52作为控制器。

优点：

技术比较熟练，使用广泛，价格便宜，而且功能上也完全满足本系统的要求；

缺点：

需要连接扩展EEPROM。

因为本系统对单片机的速度要求不是很高，而且连接扩展EEPROM也不复杂，经过比较，选用方案二。

3.1.3显示部分

方案一使用LED显示。

可视角度宽，介格便宜；

显示的容少，介面呆板，而且占用较多的IO口资源。

方案二应用1602液晶显示模块。

界面美观，可显示文字及数字；

价格较贵。

通过比较，我选节方案二。

3.1.4键盘部分

方案一利用I/O口直接连接的独立式键盘,每键都有相应的I/O口对应,编程容易控制，实现方便；

方案二利用P3口接成4*2键盘。

利用6个IO口得到8个按键，可使操作介界变得简单，操作也方便；

软件处理比独立按键复杂。

通过比较，结合本设计不需要太多IO口，方案一为最佳方案。

3.1.5数模/模数转换部分

方案一采用PCF8591芯片。

集AD，DA于一身；

价格昂贵，且操作不熟悉。

方案二数模转换部分采用DAC0832芯片；

模数转换部分采用TLC1543芯片。

两芯片均为常用芯片，操作简单，软件编程简单；

占用比较多的IO口，为PCB布线带来困难。

经过比较，方案二位最佳。

3.1.6掉电记忆部分

我选用应用最广泛的ST24C02芯片。

该芯片价格便宜，操作简单，抗干扰强，数据能保持一百年。

3.2硬件电路设计

本系统由电源模块，调压模块，DA转换模块，键盘模块，EEPROM拓展模块与显示模块组成。

3.2.1电源模块

220V市电经过双18V变压器转换后的到+-18V电压，再经过桥式整流滤波电路，得到18*1.2=21.6（V）电压。

其中+21V电压经过7815转换得到稳定+15V电压，再经7805转换得到稳定+5V电压；

-21V电压经过mc7915转换得到稳定的-15V电压。

其中，+21V为系统供电，+15V,-15V,+5V分别为各独立元件供电。

图3-2-1电源模块原理图

3.2.2DA转换模块

DA转换模块由DAC0832，两级运放UA741组成。

DAC0832具有8位分辨率，有3种工作方式（单缓冲，双缓冲，直通）。

本设计中DAC工作于直通工作方式。

D/A转换结果采用电流形式输出。

要是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这个供功能。

该片逻辑输入满足TTL电压电平围，可直接与TTL电路或微机电路相接，-芯片电路原理图如图3-2-2所示。

图3-2-2DAC0832引脚图和部结构电路图

UA741为常用运放，由美国fairchild公司生产，具有低漂移，稳定等优点，可外置调零电路以抑制零点漂移。

DAC0832和运放UA1将单片机发出的八位二进制数转换成0—5V负电压，再经过反向比例放大器UA2将负电压转换成0—10V正电压。

经过两级运放放大后，DAC0832的转换分辨率为10/（2^8-1）=0.04V。

即单片机向DAC送出的数据变化1BIT，运放UA2输出的电压值改变0.04V。

滑动变阻器R22的作用为调零电路以抑制零点漂移。

图3-2-3DA转换模块原理图

3.2.3电压调整模块

本设计的电压调整模块如图3-2-4所示。

Q1，Q2组成复合管，以实现大电流输出。

由于该设计预定额定电流为0.5A,最大输出电压为12.5V，所以要求Q1管射极最大功率Pmax=0.5*12.5=6.25W，所以选取TIP41c。

Q3管9013和电阻R1为限流保护部分。

当输出电流大于0.7A时，R1上的压降为0.7V使得T3管导通，Q3管集电极对Q2管基极分流，使得Q2管基极电流明显变小使得输出电流变小，从而达到过流保护的功能。

发光二极管起过流提醒作用。

电压调整模块的核心部分是NE5534。

NE5534生产于美国半导体公司，具有共模抑制比高，响应速度快和压摆率高等优点，常用于音响，耳机等设备。

由DA及运放转换后的电压U1输入到NE5534的正向输入端，R12R13R17组成NE5534的取样电路。

由于NE5534Q1Q2及取样电路构成负反馈，由运放的“虚短”特点，NE5534的反向输入端的电压U2为正向输入端的电压大小U1。

由于运放还有“虚断”的特点，运放的输入端对流经取样电路的电流不起分流作用，所以输出电压U0/U2=（R12+R13+R17）/（R12+R13）=1.25。

即U2每改变0.04V，U0改变0.05V。

由于单片机输入到DAC0832的二进制数据每改变1BIT，U1改变0.04V即U2改变0.04V，所以U0改变0.05V。

因此，该设计最小步进电压为0.05V。

电容C9的作用为抑制输出纹波电压。

图3-2-4电压调整模块原理图

3.2.4键盘模块

系统共设置了9个独立按键，实现了常用电压设定，电压“+”“—”设定及正常关机辨别的功能。

01~08的功能分别是：

设置电压值12V,9V,5V,3V,步进-0.5V,步进+0.5V,步进-0.05V，步进+0.05V。

09为关机设定。

图3-2-5按键模块原理图

3.2.5EEPROM拓展模块

为了实现设定电压数据的掉电保护，我在系统中连接了EEPROM24C02B，保证了在行驶过程中，如果数控电源意外掉电，已经设定的电压数据能够下来。

24C02B是ATMEL公司生产的一款256byte的串行EEPROM，能重复擦写1,000,000次，记录的信息能保存100年以上，而且与单片机的连接只要2根线。

24C02的接图如图3-2-6所示。

图3-2-6EEPROM拓展模块原理图

3.2.6显示模块

显示模块主要由TLC1543及LCD液晶显示屏组成。

由美国公司生产的TLC1543，是具有10位分辨率的AD转换器，，它具有11路模拟输入通道及3路置自测试方式，具有显著的优点。

LCD液晶屏幕采用1602，能够显示16X2个字符。

由输出端采样得到的模拟信号，输入到TLC1543的其中一路模拟输入通道IN0，通过AD转换，TLC1543将模拟量转化为10位数字量输入到单片机相应的IO口。

通过处理，单片机将模拟量值通过1602液晶显示出来。

显示模块的接图如图3-2-7所示。

图3-2-7显示模块原理图

第4章软件设计

4.1主程序流程

系统的核心部分是对输出精度的闭环控制。

对输出电压值采样，通过A/D转换通道送入单片机，与输出值进行比较，若误差不在规定围，就调整STC89C52的输出值，直到满足要求。

系统主程序流程图如图4-1-1和图4-1-2所示。

开始

初始化

读取上次关机设定值

DA输出

TLC1543检测实际输出值

误差小于50mV？

调整STC89C52的输出值

N

Y

图4-1-1主程序流程图

（1）

键盘扫描

等待输入

更改DA输出值

保存设定值

屏幕显示当前设定值与输出值

图4-1-2主程序流程图

（2）

4.2键盘程序流程图

本系统中键盘程序分为键盘扫描子程序和按键功能执行子程序。

键盘扫描子程序流程图如图4-2-1所示，按键功能子程序流程图如图4-2-2所示。

开始

扫描键盘

有键接下？

返回键值

退出

YYY

N

图4-2-1键盘扫描子程序流程图

有按键按下

执行相应功能

图4-2-2按键功能执行子程序流程图

4.3EEPROM读写程序流程

24C02B读写程序流程图如图4-3-1和图4-3-2所示。

写入数据

发送地址

图4-3-124C02B写入程序流程图

图4-3-224C02B读取程序流程图

4.4DAC0832程序流程

DAC0832的程序流程图如图4-4所示。

发送数据

读取数据

输出相应值

结束

图4-4DAC0832的程序流程图

4.5TLC1543程序流程

TLC1543的小程序流程图如图4-5所示：

CLK发送脉冲信号

发送4位地址

读取前四位数据

读取后6位数据

图4-5TLC1543的小程序流程图

第5章系统测试及误差分析

5.1系统测试

5.1.1软件测试

1、测试软件

程序编辑器keiluvision4

程序烧制器STC-ISPV35

2、编译结果

在编制完C语言后，即keiluvision4界面下，进行了调试，根据提示，我找到了程序在编写上的错误，加以改正，再次进行调试。

通过上述简单的测试，证明此次设计的程序基本上正确无误。

然后，将烧录了程序的单片机STC89C52接到系统电路中，查看系统电路的运行情况；

如果程序逻辑有问题可进一步修改，直到系统正常运行。

5.1.2硬件测试

1、电源部分提供整个电路所需各种电压，由电源变压器和整流滤波电路及三个辅助稳压芯片输出构成，电源变压器的功率由需要输出的电流大小决定，确保有充足的功率余量。

2、电流取样电阻R1要选择大功率的电阻（5W或10W）。

也可使用废旧万用表上拆下来的电阻线。

检查电路连接无误后，即可试机。

找一块数字表将其并联在输出电路上，按S1或S2设定一个电压，此时LCD1602第一行显示的电压可能会有误差，适当微调反馈电路的VR2，使其与数字表读数一致，再将数字表串联在电源的输出电路上，选择适当的电流档，接上一定的负载。

此时，LCD1602第二行会显示出电流值，适当的调节VR3改变TLC1543参考电压，直至显示的电流值与万用表显示的电流值一致为止，校正完成后即可使用。

5.1.3系统整体测试

1、测试工具

双踪示波器

数字万用表

2、测试结果

测试结果如表5-1所示。

表5-1电压测试表

系统理论值

系统测量值

误差

显示电压值（V）

理论码值

（bit）

实测码值

实测电压值（V）

3.0

00011110

3.2

0.2

4.5

00101101

00101100

4.6

0.1

5.0

00110010

00110001

5.1

5.5

00110111

00110110

5.6

6.0

00111100

00111011

6.5

01000001

01000000

6.6

7.0

01000110

01000101

7.2

7.5

01001011

01001010

7.6

8.0

01010000

01001111

0.

8.5

01010101

01010100

9.0

01011010

01011001

9.2

10.0

01100100

01100011

9.8

-0.2

系统由于刚启动在电压方面不稳定，存在一定误差，但是单片机会对其进行控制，使系统再次稳定。

3、精度分析

绝对误差：

ΔU=（0.2+0.1+…...+0.2+0.2）/12=0.11V

相对误差：

γA=ΔU/U=（0.2/3.0+0.1/4.0+…+0.2/9.0+0.2/10）/12=1.8%

线性度：

γL=ΔLmax/YFS=0.2/15=1.3%

灵敏度：

K=0.1V

5.2误差分析

从电路的原理框图可以看出，系统的误差来源于四个方面：

1、DAC0832的量化误差。

2、基准电压温漂引入的误差。

3、三端稳压器的电路引起的误差。

4、其它器件和线路由于温漂、不稳定等原因引起的误差。

结论（心得体会）

经过两个周的艰苦奋战，我最终完成了课程设计。

虽然过程是艰苦的，但最终成功的喜悦同样令我快乐！

此设计用D/A和运算放大器做电源，及采用D/A输出调节晶体管的偏值电流{电压}。

采用此方案能有效地缩短调节时间，并能提高输出精度，经计算需要采用8位的D/A芯片。

为了争取时间，降低成本，我的解决方案是采用51单片机。

改变电压的大小，当单片机通过闭环负反馈调节回路的A/D转换检测到电压达到设定值时，将再次对输出电压进行调制，直到输出电压达到设定值；

电压值理论上是象形变化的，不会产生高次谐波，基本实现了各项要求和目标，达到了此次课程设计的预期目的。

本次设计过程中，对纹波也没有提出严格的要求，所以常用的稳压集成电路就可以满足要求。

本设计输出的电压稳压精度高，可以用在对直流电压要求较高的设备上，或在实验室中当作实验电源使用。

在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似原理比较简单的电路，要动手把它给设计出来却是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通过这次的课程设计，在下一阶段的学习中我会更加努力，力争把功课学好，学精。

同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；

考验了我们借助互联网搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；

从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得到改进、提高。

参考文献

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