简易数控直流电源设计.docx
《简易数控直流电源设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易数控直流电源设计.docx（33页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
简易数控直流电源设计
重庆工业职业技术学院
毕业设计
课题名称：
简易数控直流电源设计
专业班级：
应用电子技术（10电子302）
学生姓名：
指导教师：
二O一三年三月六日
摘要
本次简易数控电源的设计采用AT89C51作为系统的控制单元，通过键盘按键对D/A输出的电压进行如初值设置、单加单减、连加连减等简易数控，再经功率放大电路模块实现输出电流为500mA，将最终的输出电压衰减后输给A/D转换，最后再将键盘输入的电压初值与输出实际电压值处理后显示在LCD1602上。
本系统具有输出精度高、液晶显示直观等特点，并实现了输出电压范围为0--9.9V，步进为0.1V，纹波不大于10mV的可预置电压的数控电源。
关键词：
AT89C51DAC0832ADC0809数控lcd1602
引言
随着人们生活水平的不断提高，数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人们带来的方便是不可否定的，其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子，但人们对他的要求也越来越高，要为现代人工作，科研，生活提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。
因此，在这里做一个数控直流电源的设计。
该数控电源采用步进调整方式，调整范围为0.0V～9.9V，调整手段采用按键进行调整，当需要改变电压值时，启动数控系统，输入想要得到的电压值，再按下确定键，即可输出相应的电压。
该系统采用单片机作主控器件，结合软件和硬件设计方法，使该系统的结构较简单，可控性强，使用也很方便。
一、设计任务与要求
1.1.基本功能
根据设计要求和使用需要，设计的简易数控电源具有以下功能：
（1）电源输出电压范围0.0--9.9V，步进0.1V，纹波小于10mV，输出电压值由LCD1602显示，额定输出电流500mA。
（2）用户对数控电源的控制，通过键盘进行键盘设计。
0
1
2
3
4
5
6
7
连-
连+
8
9
单-
单+
.
OK
（3）整机由自制稳压电源供电，输入交流220V，输出直流±15V和+5V。
（4）由于是简易电源，在设计时充分注意成本因素，是电源具有较高的性价比。
设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。
其原理示意图如下：
1.2扩展与创新
（1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；
（2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；
（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。
二、系统整体方案设计及分析
2.1系统方案
2.1.1总体设计方案
方案一：
方案一如图2-1-1所示，采用单片机+数字电位器方案。
此方案就是把常用的电位器调节电源中的机械式电位器用数字电位器代替。
数字电位器是没有机械抽头，具有较小的震动公差和较高的机械可靠性，且其可编能力允许可重复可靠地返回同一抽头位置，因此此方案线路较为简单、可靠。
但现有的数字电位器分辨率有限，常见的有32抽头、64抽头，构成的分压电路精度有限，无法满足设计要求。
图2-1-1方案一
方案二：
方案二如图2-1-2所示，此电路包括电源模块、控制电路、键盘电路、显示电路、D/A转换电路以及电压放大电路。
图2-1-2方案二
综合以上两种方案，我所采用的是第二种。
方案二，是我们常常接触到的，它可以更直观的表达出此电路的意思，让它变得更加的简单明了。
使人们一眼就能明白本电路要完成的东西是什么？
让不明白电子的人，也能更加清楚的知道它的流程与走向。
三、系统硬件设计
3.1直流稳压电源
稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。
对一个理想的直稳压电源来说，应具有下述特点：
（l）在直流和所有频率下，输出阻抗为零；
（2）在交流电源电压很宽的范围内，并在供电电路所要求的负载电流范围内，调整率为零；（直流电压输出恒定）
（3）功耗为零；
（4）电网电压和负载电流变化时，输出电压能立即恢复稳定；
（5）当过载电流消除时，过载保护装置能自动恢复到正常工作状态。
为了给元器件提供稳定的电流输出，我自制了一个直流稳压电源，电路图如下：
图3-1
3.1.1电压放大和电流放大
要想实现Vout最大值到9.9V，还需要经过运放的电压放大，放大倍数为9.9/3.882=2.55倍。
设计要求电流负载能力为500mA，故采用TIP122功率管，其放大倍数为1000倍，将运放电压驱动电流降为0.5mA。
如图3-1-1所示，Vout=[（R1+R2）/（R2*0.525）]Vin=2.55Vin。
而保护电路由R4和Q1构成，当电源输出电流I增加到一定大小时，R4上的压降使得Q1管导通，分掉了功放管的基极电流，使得I不再增加。
设Imax=600mA,Q1的导通电压为0.6V，则R4=0.6V/600mA=1.0Ω。
图3-1-1电压电流放大
3.1.2键盘显示电路
此次的显示部分由键盘显示板来完成，它由2个8位LED数码显示器和2片SN74HC164CN芯片加上8个按键组成，具体电路图如下图3-1-2。
图3-1-2
3.1.3ADC0809
将输出的模拟电压转换为数字量经单片机输出到LCD，并显示其值。
由于基准电压为5V，因此还需要将输出的电压在硬件上衰减2.5倍，然后在单片机上处理时在放大2.5倍。
3.1.4数控稳压输出部分
这两部分的核心是一个AT89C51最小应用系统，包括一片AT89C51芯片，虽然理论上这两部分需要的接口较多，单片机无法满足，但由于在软件上采用了对P0口分时复用的方法（即每次对一个扩展芯片进行数据交换后均对P0口复位），因此并不需要外加一片8255扩展I/O口，节约了成本。
其总的系统框图如图3-1-4所示。
图3-1-4数控电源系统框图
3.1.5主电路的工作原理及参数计算
电压输出范围0~9.9V，步进0.1V,共有100种状态，8为字长的D/A转换器具有256种状态，能满足要求，设计中用两个电压控制字代表0.1V，当电压控制字从0,2,4,…，198时,电源输出电压为0.0V,0.1V,…,9.9V。
电路选用的D/A转换芯片是DAC0832，该芯片价廉且精度较高。
DAC0832属于电流输出型D/A，输出的电流随输入的电压控制字线性变化。
为了得到电压，还需外接一片运放来实现电流到电压的转换。
该运放输入端的输入电流对转换精度影响打，DAC0832输出地电流有几十微安的变化，若运放输入端的输入电流为0.1uA，如uA741的输入电流约为此值，且有一定变化，则会引入相当于1~2个电压控制字的误差，因此应选用高输入阻抗的运放，如JFET输入的运放LF356，他的输入电流可以忽略。
DAC0832需要外接基准电压，此基准电压的性能决定了输出电压的性能，要求基准电压具有高稳定度和低纹波，故选用LM336-5作为基准源，当DAC0832采用5V基准电压时，D/A转换电路的满幅输出为5.0V（电压控制字为255时），由于实际最大用到电压控制字198，因此D/A部分最大输出电压U（imax）=（198/255）*5.0=3.882V。
D/A转换部分输出电压Ui作为电源功放机的输入电压。
其输出电压
U0=（1+（Rpi+R3）/R2）Ui
3.1.6扩展输出负电源
输出负电压只要在D/A转换端再介入一级反相加法器，其输出电压U0与输入电压Ui的关系为
U0=-2Ui+3.882（V）
这样一来输出电压的变化范围为–3.882~3.882V，从而扩展了负电路
四、背景
4.1单片机概述
第一代：
七十年代后期，4位逻辑控制器件发展到8位。
使用NMOS工艺（速度低，功耗大、集成度低）。
代表产品：
MC6800、Intel8048。
第二代：
八十年代初，采用CMOS工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS工艺代替。
代表产品：
MC146805、Intel8051。
第三代：
近十年来，MCU的发展出现了许多新特点：
（1）在技术上，由可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。
（2）MCU的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。
（3）将多个CPU集成到一个MCU中。
（4）在降低功耗，提高可靠性方面，MCU工作电压已降至3.3V。
第四代：
FLASH的使用使MCU技术进入了第四代。
4.2单片机概述
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、4代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压低功耗。
4.3单片机的主要特点有
（1）具有优异的性价比。
（2）集成度高、体积小、可靠性高。
（3）控制功能强。
（4）低电压，的功能。
五、芯片简介
5.1MSC—51芯片简介
5.1.1MSC—51单片机内部结构
8051是MSC-51系列单片机的典型产品，它包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：
中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器（RAM）
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编成的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
图1
程序存储器（ROM）:
8051共有4096个8位掩模ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
定时/计数器:
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出（I/O）口：
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
全双工串行口：
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
中断系统：
8051具备较完善的中断供能，有两个外中断、两个定时/计数器和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并且有2级的优先级别选择。
时钟电路：
8051内设最高频率达12MHZ的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外设震荡电容。
单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛（Harvard）结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器和数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿（Princeton）机构。
INTEL和MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。
下图是MSC-51系列单片机的内部结构示意图二：
MCS-51系列单片机的内部结构示意图
图2
5.1.2MCS-51的引脚说明：
MSC-51系列单片
升级会员 