毕业设计论文基于51单片机数控直流电源的设计.docx
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毕业设计论文基于51单片机数控直流电源的设计
摘要
本文主要论述了一种基于51单片机为核心控制器的直流稳压电源的设计原理和实现方法。
该电源具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和电流信号可同时显示功能。
文章介绍了系统的总体设计方案，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。
该系统原理是以STC89C52单片机为控制单元，以数模转换芯片DAC0832输出参考电压控制电压转换模块LM317输出电压大小，同时输出稳压、恒流采用模数转换芯片ADC0832对采样的电压、电流转换为数字信号，再通过单片机实现闭环控制。
文章最后对数控直流电源的主要性能参数进行了测定和总结，并对其发展前景进行了展望。
关键词单片机（MCU）；数模转换器（DAC）；模数转换器（ADC）；闭环控制
Abstract
Themethodofthispaperbasedonthe51microcontrollercoreofthenumericalcontrollerDCpowersupplydesigntheoryandrealization.Thepowersupplyhassomefunctionssuchaspresettingvoltage,steppingadjustment,displayingtheoutputvoltagesignalsandcurrentsignalsatthesametime.Thispaperintroducesageneraldesigningplanofthesystem,whichismainlyconsistedofmicro-controllermodule,DCRegulatorsmodule,voltage/currentsamplingmodule,displaymodule,keyboardmodule,powersupplymodule.Thesystemisbasedontheprincipleofsingle-chipmicrocomputertocontroltheunitSTC89C52toDAC0832digital-to-analogconverterchipreferencevoltagetocontroltheoutputvoltageLM317outputvoltageconversionmodulesize,whiletheoutputvoltageregulator,currentuseofanalog-to-digitalconverterADC0832chipsamplingofvoltageandcurrentconvertedtodigitalsignals,andthenthroughthesingle-chipclosed-loopcontroltoachieve.ArticleonthemainDCpowersupplyCNCperformanceparametersweremeasuredandsummarized,andtheirdevelopmentprospects.
Keywordsmicrocontroller（MCU），theDigitaltoAnalog（DAC），theAnalogtoDigital（ADC），theclosed-loopcontrol
目录
1.前言………………………………………………………………………………1
1.1研究背景及意义…………………………………………………………………1
1.2国内外研究现状…………………………………………………………………1
1.3课题的主要内容…………………………………………………………………2
1.4论文的总体结构…………………………………………………………………3
2.方案论证与设计基础知识…………………………………………………………3
2.1方案设计与论证…………………………………………………………………3
2.2主控单片机（MCU）………………………………………………………………5
2.3液晶显示屏（1602）……………………………………………………………6
2.4三端可调稳压器…………………………………………………………………8
2.5运算放大器OP07………………………………………………………………9
2.6数模转换芯片…………………………………………………………………10
2.7模数转换芯片…………………………………………………………………11
3.系统电路原理及硬件实现………………………………………………………12
3.1系统总体框图…………………………………………………………………12
3.2系统模块电路设计……………………………………………………………13
3.2.1单片机控制模块………………………………………………………………13
3.2.2稳压控制模块…………………………………………………………………14
3.2.3电压与电流采样模块…………………………………………………………15
3.2.4显示模块………………………………………………………………………18
3.2.5电源模块………………………………………………………………………19
3.2.6键盘模块………………………………………………………………………20
3.3系统整体原理图………………………………………………………………20
4.系统的软件设计…………………………………………………………………21
4.1软件设计思路…………………………………………………………………21
4.2系统软件流程…………………………………………………………………21
4.2.1主程序模块……………………………………………………………………21
4.2.2闭环比较程序模块…………………………………………………………23
5.系统测试与误差分析……………………………………………………………24
5.1系统测试………………………………………………………………………24
5.1.1软件测试……………………………………………………………………24
5.1.2硬件测试……………………………………………………………………24
5.1.3系统整体测试…………………………………………………………………25
5.2误差分析………………………………………………………………………26
6.设计总结和展望…………………………………………………………………27
致谢…………………………………………………………………………………29
参考文献……………………………………………………………………………30
附录1系统整体原理图………………………………………………………………31
附录2系统源程序……………………………………………………………………32
1.前言
1.1研究背景及意义
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。
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。
直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。
在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。
而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。
然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通的直流稳压电源品种有很多,但均存在以下二个问题:
输出电压是通过粗调（波段开关）及细调（电位器）来调节。
这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时,困难就较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。
稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。
在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。
但在实际生活中，都是由220V的交流电网供电。
这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。
滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。
传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，并由电压表指示电压值的大小。
因此，电压的调整精度不高，读数欠直观，电位器也易磨损。
而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。
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，而在一些高能物理领域，更是急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。
1.2国内外研究现状
从十九世纪90年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发
1
展。
在上世纪80年代的第一代分布式供电系统开始转向到上世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。
随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。
如今随着直流电源技术的飞跃发展,整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守。
并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。
如：
扬州鼎华公司近些年来结合美国SorensenAmrel等公司的先进技术，成功开发了单机最大功率120KW智能模块电源，可以并联32台（可扩展到64台），使最大输出功率可以达到7600kW以上。
智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。
它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。
而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。
1.3课题的主要内容
1、如何实现对电源的输出控制
系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输出电压在电源量程范围内步进可调，精度要求高。
实现的途径很多，可以用DAC的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题。
2、数控直流电源功能的完备
数控直流稳压电源要实现电压的键盘化输出控制，同时要具备输出、过压过流保护及数组存贮与预置等功能。
另外，根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。
如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。
3、性能指标
输出最大电压:
1.5-30V
输出最大电流:
5A
2
电压步进:
0.1V
电压分辨率:
0.02V
1.4论文的总体结构
第一部分简要介绍课题的背景、意义、国内外研究现状，介绍本文的主要研究内容,包括实现的目标、功能的完备和性能指标。
第二部分提出了数控直流电源的总的设计思路和几种实现方案论证，以及相关系统实现的功能，对这些方案的可行性进行比较分析，选择了一种基于51单片机系统的数控直流电源的方案，并对该方案运用的基础知识和使用的器件作出扼要的介绍。
第三部分模块化详细阐述了基于51单片数控直流电源的系统整体结构和设计框图，包括数据单片机控制模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、电源模块及键盘模块。
第四部分主要阐述了数控直流电源的软件系统的设计思路和软件设计流程。
第五部分对数控直流电源的性能参数进行测量与评估，以及对误差进行分析。
第六部分对本数控直流电源的给出了本课题的结论，并对其发展前景进行了展望。
2.方案与设计基础知识
2.1方案设计与论证
根据设计的要求：
1、最高输出电压1.5-30V，最大输出电流5A。
2、电压步进0.1V。
3、纹波系数尽可能小，输出稳定。
4、有限按键操作方便，LCD显示界面。
5、闭环控制理论的嵌入式软件实现。
特色及基本技术路线：
1、低成本解决方案。
2、直观的实验效果。
3、经典理论验证平台先硬件后软件，先局部后整体。
我设计出以下三个方案：
方案一：
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，稳压范围宽，电路形式灵活多样，功耗小，效率高。
在制作过程中发现，PWM
3
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、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块四部分构成,形成开环控制。
方案原理示意图见图2-1：
图2-1方案二原理框图
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的电压输出端接放大器OP07的输入端，设定放大器的放大倍数为5，输出到电压模块LM3317的电压分辨率0.1V。
所以，当MCU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。
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的输出电压大小，通过放大器放大，给电压模块作为最终输出的参考电压，真正的电压，电流还是由电压模块LM317输出。
4
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/电流采样电路，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、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。
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。
方案原理示意图见图2-2。
图2-2方案三原理框图
依据设计要求中说提出的特色及基本技术路线，所以最后选用方案三。
2.2主控单片机（MCU）
2.2.1STC89C52简介
STC89C52为8位单片机，程序存储器为8K，外部可扩展至64KB，内部RAM为512B，可扩展至64KB，4组可位寻址的8位输入/输出口，即图中P0，P1，P2，P3。
有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
在内
5
部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
图2-3STC89C52引脚图
2.2.2引脚说明
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
2.3液晶显示屏（1602）
2.3.1LCD1602简介
LCD1602可以在LCD显示屏上完整显示32个英文字符和日文等一些字符,适合显
示英文文字信息量较小的地方.可以应用在计算器,频率计,信号发生器,时钟等产品上。
6
图2-4LCD1602
1、显示容量:
16X2个字符.
2、芯片工作电压:
4.5-5.5V
3、工作电流2MA（5.0V）不包括背光电流.
4、模块最佳工作电压为5V
5、字符尺寸:
2.95X4.35（WXH）mm
6、带有英文和日文字库,使用方便.
2.3.2引脚接口说明
表2-1LCD1602引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极
3
VL
液晶显示偏压信号
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
5
R/W
读/写选择端（H/L）
6
E
使能信号
7
D0
Data1/0
7
8
D1
Data1/0
9
D2
Data1/0
10
D3
Data1/0
11
D4
Data1/0
12
D5
Data1/0
13
D6
Data1/0
14
D7
Data1/0
15
BLA
背景光源正极
16
BLK
背景光源负极
2.4三端可调稳压器
LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。
LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
可调整输出电压低到1.2V。
保证1.0A输出电流。
典型线性调整率0.01%。
典型负载调整率0.1%。
80dB纹波抑制比。
输出短路保护。
过流、过热保护。
调整管安全工作区保护。
标准三端晶体管封装。
电压范围1.25V至37V连续可调。
LM317工作原理：
LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.5----32V...电流1.5A...不过在用的时候要注意功耗问题...注意散热问题。
LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。
输入引脚输入正电压,输出引脚接负载,电压调节引脚一个引脚接电阻（200左右）在输出引脚,另一个接可调电阻（几K）接于地.输入和输出引脚对地要容。
8
LM317标准应用电路图
图2-5LM317应用电路
LM317的输出电压：
Vout=1.25V（1+R2/R1）+IAdjR2。
因为IAdj控制在小于100uA，IAdjR2这一项的误差在多数的应用中可以忽略，这时的输出电压为Vout=1.25V（1+R2/R1）。
2.5运算放大器OP07
OP07低噪声高精度运算放大器
图2-6OP07引脚图
9
2.5.1特点
1、低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）
2、极低的输入失调电压—10μV
3、极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃
4、具有长期的稳定性—0.2μV/MO
5、低的输入偏置电流—±1nA
6、高的共模抑制比—126dB
7、宽的共模输入电压范围—±14V
8、宽的电源电压范围—±3V～±22V
9、可替代725、108A、741、AD510等电路
2.5.2应用简介
OP07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。
可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。
2.6数模转换芯片
D/A转换芯片DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。
如图2-6所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。
DAC0832的逻辑框图和引脚排列。
10
图2-7DAC0832引脚图
D0~D7：
数字信号输入端。
ILE：
输入寄存器允许，高电平有效。
CS：
片选信号，低电平有效。
WR1：
写信号1，低电平有效。
XFER：
传送控制信号，低电平有效。
WR2：
写信号2，低电平有效。
IOUT1、IOUT2：
DAC电流输出端。
Rfb：
是集成在片内的外接运放的反馈电阻。
Vref：
基准电压（-10~10V）。
Vcc：
是源电压（+5~+15V）。
AGND：
模拟地NGND：
数字地，可与AGND接在一起使用。
2.7模数转换芯片
2.7.1A/D转换芯片ADC0832介绍
ADC0832是具有多路转换开关的8位串行I\OAD转换器，转换速度较高。
正常情况下，ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是/CS、CLK、DO和DI，但由于DO与DI在通信时并未同时使用，并且与单片机的接口是双向的，在/CS变低后的前3个时钟周期内DI端被检测，DO端呈高阻态。
数据转换开始后，DI线被禁止，直到
11
下一次转换开始，所以在I/O口资源紧张时可以将DI和DO并联在一根数据线上使用。
图2-8ADC0832引脚图
2.7.2ADC0832接口说明
1、CS_片选使能，低电平芯片使能。
2、CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
3、CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
4、GND芯片参考0电位（地）。
5、DI数据信号输入，选择通道控制。
6、DO数据信号输出，转换数据输出。
7、CLK芯片时钟输入。
8、Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
3.系统电路原理及硬件实现
3.1系统总体框图
系统的总体设计方案主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。
12
输出显示（LCD1602）
MCU
STC89C52
EEPROM
数据存储
（24C02）
数模转换
DAC0832
按键（三个）
电压放大
OP07
可调
稳压
LM317
输出
模数转换
ADC0832
电压跟随器
升级会员 