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bishe数控直流电压源设计

目　　　　　　　　　录　

数控直流电压源设计

摘要：

本设计是以AT89C52单片机为核心控制芯片，实现数控直流电源功能的方案。

设计采用8位精度的DA转换器DAC0832、三端可调稳压器LM350和UA741运算放大器构成稳压源，实现了输出电压范围为＋1.4V～+9.9V，电压步进0.1V的数控稳压电源，具有较高的精度与稳定性。

另外该方案采用了两个按键实现输出电压的方便设定，具有微调整功能，显示部分我们采用了LED数码管来动态显示输出电压值。

我们自行设计了

15V和5V电源为系统供电。

该电路的原理是通过MCU控制DA的输出电压大小，通过放大器放大，放大后的电压作为LM350的参考电压，真正的电压还是由电压模块LM350输出。

利用两个按钮调整电压、并且通过共阴极三位一体LED显示输出的电压值。

设计使用3三位一体数码管，可以显示三位数，一个小数位，比如可以显示5.90V，采用动态扫描驱动方式。

与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高以及其输出电压大小采用数码显示的特点。

关键词：

数控；步进；动态显示；三端可调稳压器

第一章序言

1.1研究目的及研究意义

稳压电源按输出电压的类型分为直流稳压电源和交流稳压电源。

其中直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，直流稳压电源有许多基本功能和要求，例如输出电压值能够在额定输出电压值以下任意设定和正常工作；对输出的电压值要求精确的显示和识别。

而普通的直流稳压电源或多或少存在这样或那样的问题，它们的电压输出是通过波段开关和电位器来控制的，当输出电压需要精确输出，或者在一个小范围内微调时，困难相对来说就很大；而且，随着使用时间的增加，模拟电路元器件在使用过程中难免发生磨损，波段开关与电位器均会或多或少产生接触不良现象，这会造成电压输出的误差。

另外，传统的串联型稳压电路构成较为复杂，稳压精度不高。

总体来说，传统稳压电源实现方式亟待改进。

现当代社会是信息技术不断发展的社会，模拟技术逐渐被更为优越方便的数字技术取代，大规模的社会化生产也要求更高的技术和效率。

众多家用电器以及各类电子电气设备均需要直流稳压电源对其进行供电。

而我们生活中用电均为220v的交流供电，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。

滤波器用于滤除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。

基于单片机控制的数控直流电压源可以克服模拟稳压电源构成复杂，元器件磨损严重，稳压精度不高，读数不方便等缺点，更稳定更直观的完成模拟稳压电源的任务。

而且成本小，经济实惠，便于在大规模的社会生产中采用。

所以，对于数控直流电压源的研究与设计步进是技术上的革新，而且有实际的经济性，可以提高生产效率，是现代工业生产应用中的不二选择。

1.2国内外研究现状

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。

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，各种类型专用的集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，已经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。

而且，从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中的直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。

在八十年代的第一代分布式供电系统开始转向到二十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。

早在九十年代，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。

随着时间的推移，由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。

现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，自动运行[7]。

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，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子。

但人们对它的要求也越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好更方便的设施，就需要从数字电子技术入手，一切向数字化和智能化方向发展。

1.3本课题研究内容及方法

随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域，本文将设计一种数控直流电源，本电源由电源电路、显示电路、控制电路、数模转换电路，电压调整电路五部分组成，含有单片机系统、键盘、数码管显示器、D/A转换电路、电压反相放大电路，稳压电路等几部分。

单片机系统选用AT89C51型号单片机，独立式键盘,采用DAC0832输出模拟量，UA741作反相放大器件，LM350作稳压器件。

电源电路负责提供各个芯片电源、数码管、放大器所需电压；显示电路用于显示电源输出电压的大小，并直观的显示按键电路对电压的调整；控制电路在本设计中居于中心大脑地位，负责数据的处理与传送，将数字信号传递给数模转换电路，将键盘电路的调整输出给数模转换电路和显示电路；数模转换电路负责将数字信号转变为模拟电压信号并输出给电压调整电路；电压调整电路负责将数模转换电路输出的电压信号倒相放大传送给稳压电路；整个系统的最后一步——稳压电路，负责把最后形成的直流电压信号输出。

该数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比具有直观，操作方便，电源稳定性高以及输出电压大小可精细调节等特点。

本数控直流电压源，可以达到每步电压调整0.1V的精度，输出电压范围1.4V至9.9V，电流可以达到3A。

针对以上问题，本课题设计了一种以单片机为核心的数控式高精度简易直流电源的设计，该电源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高，特别适用于各种有较高精度要求的场合。

其设计方法是由单片机通过D/A，控制驱动模块输出一个稳定电压，同时稳压方法采用三端可调稳压管进行调整，输出电压通过电阻反馈给运放，与设定值进行比较，若有偏差则调整输出。

工作过程中，单片机输出驱动LED显示，通过键盘可设置和调整电压值。

该电路具有设计简单，应用广泛，精度较高等特点。

第二章数控直流电压源设计方案

2.1原理介绍

本设计采用以单片机作为控制元件来实现数控直流电压源的设计。

本设计采用AT89C52芯片作为单片机的控制单元，以常用的DAC0832作为D/A转换单元，AT89C52芯片的P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的

，

，

，

接地，让DA工作在直通方式下。

DA的8脚接参考电压，DA的参考电压接5V电源，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5V/256约等于0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。

通过运放UA741将DA的输出电流转化为电压，再通过运放UA741将电压反相并放大。

最后经LM350调整输出电压并稳压。

其具体硬件框图如图2.1所示：

图2.1数控直流电压源硬件框图

2.2设计方案优势

89C52单片机作为一个整体，完成整个数控部分的功能。

89C52作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。

方案中使用运算放大器放大电压，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减少输出端的纹波电压，避免了线性调压电源整流滤波后的纹波对输出的影响。

该方案中采用三位数码管直接对电压值进行显示，可以直观明了的反映电压值以及其对按键所作出的电压变化。

根据上述数控直流电压源硬件框图2.1，我们选用以下芯片来实现该数控直流电压源的硬件电路接线：

AT89C52单片机，DAC0832数模转换器，集成运放UA741，电压稳压器LM350等。

2.3数控直流电压源所用元器件

2.3.1单片机AT89C52芯片

AT89C52是一种带8K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

它的特点是，拥有8K字节可编程FLASH存储器，256*8位内部RAM，三个16位定时器/计数器，8个中断源，拥有低功耗的闲置和掉电模式，以及片内震荡器和时钟电路。

图2.2AT89C51引脚图

AT89C52的引脚如图2.2所示。

AT89C52的引脚功能如下[1]：

VCC：

供电电压。

　　GND：

接地。

　P0口：

　P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

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

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.3.2数模转换器DAC0832

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。

与微处理器完全兼容。

它的特点有，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，需要+5V~+15V的电源供电。

DAC0832是一种典型的8位转换器，内部为双缓冲寄存器即输入寄存器和DAC寄存器，

、

分别为该寄存器的写信号输出端，ILE为输入锁存使能端，高电平有效，

为片选端，

为传输控制端，它和

共同控制DAC寄存器的工作状态。

DAC0832有两个接地端，一般情况下，这两个地端均并联接地。

DAC0832的D/A转换电路为倒T型R-2R电阻网络，故有Iout1和Iout2两个电流输出端，根据不同的电路组成，该芯片可以有两种输出模式，一种为电流输出模式，这种模式基准电压加在VREF端，由Iout1，Iout2输出的电流经运算放大器相加后输出；另一种为电压输出模式，这种模式基准电压加在Iout1和Iout2之间，模拟电压加从VREF端输出。

本设计采用电流输出模式，再使输出电流通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现相应的模拟信号电压输出。

该D/A转换器有三种工作方式：

直通方式，单缓冲工作方式，双缓冲工作方式。

该电路采用直通方式，DA的

、

、

和

接地，让DA工作在直通状态下[1]。

数模转换器DAC0832结构图如图2.3所示。

图2.3DAC0832结构图

2.3.3集成运放UA741

UA741是一款集成运算放大器。

集成运算放大器是一种高增益多级直接耦合放大器，其各部分的作用如图2.4所示[2]：

图2.4集成运放UA741组成框图

（1）差动输入级使运放有尽可能高的输入阻抗及共模抑制比。

（2）中间放大级由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。

（3）输出级可使运放具有一定幅度的输出电压、输出电流和尽可能小的输出电阻。

在输出过载时有自动保护作用以免损坏集成块。

输出级一般为互补对称推挽电路。

（4）偏置电路为各级提供合适的静态工作点。

为使工作点稳定，一般采用恒流源偏置电路。

在本设计中用到的UA741共有两个基本作用：

放大电压和反相作用。

其引脚图如图2.5所示：

图2.5UA741引脚图

2.3.4电压稳压器LM350

LM350是可调节3端正电压稳压器，在输出范围为1.2伏到33伏时能够提供超过3安的电流。

此稳压器非常易于使用，只需要两个外部电阻来设置输出电压。

此外还使用内部限流、热判断和安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。

LM350服务于多种应用场合，包括局部稳压、卡上稳压。

该器件还可以用来制做一种可编程的输出稳压器，或者，通过在调整点和输出之间接一个电阻，LM350可用作一个精密稳流器。

它的主要特点有[6]，

输出电流超过3安

②输出电压在1.2伏和33伏之间可调节

③内部热过载保护

④不随温度变化的内部短路电流限制

⑤输出晶体管安全工作区补偿

⑥对高压应用孚空工作

⑦标准3引脚晶体管封装

⑧避免置备多种电压

图2.6LM350基本工作原理电路图

LM350是三端浮动稳压器，其基本电路工作原理如图2.6所示。

工作时，LM350建立并保持输出与调节端之间的电压Iadj，这一参考电压由R1转换成编程电流，该恒定电流经R2到地。

其稳压输出电压由式2.1给出：

（2.1）

其中Vref为R1两端电压。

因为调节端的电流在式中代表误差项，所以LM350设计成控制Iadj小于100微安并使这之保持恒定。

为达到这一点，所有静态工作电流都返回到输出端。

这样就需要最小负载电流表。

如果负载电流小于最小值，输出电压会上升。

因为LM350是浮动稳压器，所以只有电路两端电压差对性能是重要的，工作对地呈高电压也就成为可能。

LM350还能提供极良好的负载调整率，但为实现最优性能需要注意几点。

编程电阻R13应尽可能连接在与稳压器靠近处，以使与参考电压有效串联线路压降最小，避免调整率变差。

R2接地端可以回到靠近负载接地端处，以提供远程接地取样并改进提高负载调整率。

第三章数控直流电压源硬件电路的设计

根据数控直流电压源的硬件框图，我们把该设计的硬件电路分为以下六个部分并分别概述其原理。

这六个部分分别是：

D/A转换电路，电压调整（反相放大及稳压输出）电路，时钟振荡电路，电压预置复位电路，键盘电路，显示电路。

3.1D/A转换电路的工作原理

本设计是采用DAC0832实现数据的数模转换，其数据口与单片机的P0口直接相连，DA的

，

，

和

互相连接后接地，让DA工作在直通方式下。

DA的8脚接参考电压，为简化设计，在本次设计中采用5V的参考电压，DAC的8脚输出电压的分辨率为5V/256=0.0195

0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，就意味着电压输出增加0.02V。

再在DA的电压输出端接运放UA741，将DA输出的模拟电流转换为电压。

如此一来，我们只要改变单片机P0口的数据输出便可改变DAC0832的输出电压，设当P0口得输出数据为00H时，DAC0832的输出电压就为0V。

其电路图如图3.1所示。

图3.1D/A转换电路工作原理图

3.2电压调整电路的工作原理

本设计这一部分的工作原理为：

将前一步电路输出的反相电压再接上一个UA741进行放大，此UA741采用反相接法，由于前一个UA741中输出的电压是负电压，所以该部分接上的UA741作为负反馈放大电路对输出电压进行反相放大，再通过一个可调的滑动变阻器调节该运算放大器的电压放大倍数。

接下来，该集成运放UA741的输出端通过电阻接到LM350的调整端，通过改变UA741的输出电压U即可控制LM350的输出电压，也就是数控电压源的最终输出电压值。

如图3.2所示，因为输出电压Vout=Vref*（1+R12/R13）+Iadj*R2,设节点A的电压为Ux,运放UA741的输出电压为U，则有Vout-Ux=Vref,又有Ux=[（Vout-U）/（R12+R13）]*R12+U,由此可见,Vout与U之间存在线性关系，Vout随着U的变化而变化，改变电位器R6的阻值即可改变U的值，进而改变整个电路的输出Vout。

数值计算：

（1）输出电压最小值Vmin的计算

由LM350的输出电压公式可知Vmin=1.25

（1+27/220）=1.4V

（2）单片机送给0832的数值

在设计时，要求单片机送给0832的数值为00H时，输出端输出的电压为1.4V，及单片机送给0832的数值为0FFH时，输出端输出的电压值为9.9V，所以每当电压增加0.1V时，单片机送给0832的数值就要增加3。

所以在编程时，按一下步进按键，P0口的数据便要变化3。

所以可以通过调节电位器来改变运放的放大倍数，使单片机送给0832的数值增加3时，输出电压就要增加0.1V。

电压调整电路的工作电路图如图3.2所示。

Vout口输出的即是最终电压。

图3.2电压调整电路的工作原理图

3.3时钟振荡电路的工作原理

单片机控制中心的各项工作都是在时钟信号的控制下协调工作的，单片机的时钟电路可为单片机提供一个时钟信号。

单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

51单片机芯片内部就有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。

而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体管振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。

单片机时钟电路可分为内部时钟电路和外部时钟电路。

只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

电容器C1和C2的主要功能是协调振荡器频率及帮助振荡器起振，其电容值一般在20pF－60pF，典型值为30pF。

外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。

此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。

一般要求外部信号高电平的持续时间大于20μs，且为频率低于12MHz的方波【1】。

本设计采用内部时钟电路来确保整个电路的协调工作。

电路图如图3.3所示：

图3.3时钟振荡电路的工作原理图

3.4电压预置复位电路的工作原理

复位是单片机的一个重要工作方式。

在单片机工作时，上电时首先要复位，发生故障后也要复位。

复位操作有两种基本形式：

一种是上电复位，另一种是按键复位。

按键复位即是，若要复位时，只要按图3.4中的KEY1键，电源VCC经电阻R4、R41分压，在RESET端产生一个复位高电平。

在上电复位时，电路要求接通电源后，通过外部电容充电来实现单片机自动复位操作。

上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。

RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

单片机复位期间不产生ALE和

信号，即ALE=1和

=1。

这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。

复位后：

PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行；SP值为07H值，表明堆栈底部在07H，需重新设置SP值；单片机在复位后，已使P0～P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备【1】。

具体的复位电路图如图3.4所示：

图3.4电压预置复位电路的工作原理图

3.5键盘电路的工作原理

3.5.1键盘电路的分类

键盘接口通常包括硬件和软件两部分。

硬件是指键盘的结构及其主机的连接方式；软件是指对键盘操作的识别与分析，即键盘管理程序。

键盘一般是一组开关（按键）的集合。

常用的按键有三种：

机械触点式：

利用金属的弹性使按键复位。

导电像胶式：

利用利用橡胶接弹性使按键复位。

柔性按键：

外形及面板布局等可按整机要求设计，在价格、寿命、防潮、防锈等方面显示出较强的优越性。

键盘按其工作原理又可分为编码式键盘和非编码式键盘。

这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。

编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别；

非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。

非编码式键盘接照与主机连接方式的不同，可分独立式键盘和矩阵式键盘。

（1）独立式键盘：

独立式键盘中，每个按键占用一根I/O口线，每个按键电路相对独立。

I/O口通过按键与地相连，I/O口有上拉电阻，无键按下时，引脚端为高电平，有键按下时，引脚电平被拉低。

I/O口内部有上拉电阻时，外部可不接上拉电阻。

（2）矩阵式键盘：

行列式键盘采用行列电路结构，当按键较多时所占用的口线相对较少，键盘规模越大，其优点越明显。

所以，当按键数目大于8时，一般采用矩阵式键盘结构。

本设计采用机械触电试键盘按非编码方式工作。

3.5.2