基于51单片机的数控直流电源的设计及仿真指导书.docx
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基于51单片机的数控直流电源的设计及仿真指导书
XX工贸职业技术学院
2013~2014学年第二学期毕业设计
指导务书
课程名称：
?
基于51单片机的数控直流电源的设计与仿真?
专业：
自动化适用年级：
11级
班级：
11自动化班指导教师：
侯益坤日期：
2013-12
一、概述
毕业设计是完成教学方案到达专业培养目标的一个重要的教学环节；是教学方案中综合性最强的实践性教学环节，它在培养和提高学生综合运用专业知识分析和解决实际问题的能力，并进展工程技术人员所必须具备的根本素质的训练等方面具有很重要的意义。
二、毕业设计〔论文〕的目的
1．灵活运用并稳固和扩大学生所学到的根底知识和专业知识。
2．对学生进展一次根本技能和工程设计的综合训练，培养学生分析和解决本专业技术实际问题的能力。
它包括：
查阅和综合分析各种文献资料、掌握使用工程技术规X和手册、图表等技术资料的能力；阅读专业外语的能力；计算和设计能力；试验或测试以及数据处理的能力；计算机应用能力；绘图和设计说明书〔论文〕的撰写等方面的能力。
3．指导学生深入钻研本专业某一方面的科学技术问题。
4．培养学生树立严肃认真的工作作风，实事求是、严密论证的科学态度，团结勤奋、协同作战的优良作风和应有的职业道德。
三、毕业设计〔论文〕的要求
1．综合运用所学的根底课、技术根底课和专业课解决一个单片机应用方面的实际问题。
2．针对课题需要能够选择和查阅有关技术手册、资料，以提高自学能力。
3．通过查阅资料、用户需求分析、方案设计、系统调试和编写毕业设计说明书等各个环节，熟悉解实际问题的工作程序和方法。
4．认真地编写毕业设计〔论文〕说明书，学会编制技术资料的方法。
5．树立正确的设计思想和严谨的工作作风，培养学生的团队精神和全局观点、生产观点和经济观点。
四、毕业设计的课题：
基于51单片机的数控直流电源的设计与仿真
五、毕业设计的过程
毕业设计过程分为：
资料收集阶段、分析和方案阶段、设计阶段、调试维护阶段、毕业设计说明书编写阶段和毕业辩论阶段。
六、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,它所给人带来的方便也是不可否认的,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，智能化方向开展.本文所介绍的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示，主要用于要求电源精度比拟高的设备，或科研实验电源使用，并且此电路主要由单片机，数模转换，电压放大，液晶显示等电路，具有控制精度高，抗干扰性强，制作比拟容易等优点。
〔1〕数控步进直流稳压电源的工作原理
图1所示为数控稳压电源的工作原理框图。
它以51单片机作为系统控制核心．配以D\A转换模块，电压放大模块，功率放大，电源模块、液晶显示模块及按键处理等组成。
图1工作原理图
电路的工作原理：
当插上电源后，经过电源模块的转换，为单片机和液晶显示器，电压放大模块和稳压电路提供必要的工作电压。
其中，单片机和液晶显示器用的是5V电压，电压放大模块和稳压电路用的是15V电压。
提供电压后各模块工作，单片机输出数字0到数模转换器，结果数模转换，电压放大和稳压电路后输出0V电压，而后那么判断电压加减键有没有按下，没有的话那么继续扫描按键，输出电压不变；有的话那么进展按键识别后把相应的数字送入数模转换器，经数模转换，电压放大和稳压电路后输出按键设置的相应电压，返回继续进展按键扫描，重复前面的工作。
当复位按键被按下后，单片机将重新工作，电压初始值变为0V。
1.单片机的选用：
单片机选用51单片机。
2.电源模块的设计与实现
在本系统中，要求能带动较大的电流，而且对纹波的要求很高，电源局部的电路图如图2所示。
50Hz交流220V电压经过变压器，输出约±20V交流电压，经过全桥进展整流，通过电容滤波，1000uF、100uF0.1uF用于滤除电源中的高频交流成分。
采用三端稳压集成电路LM7815驱动放大器LM317，使电源输出电流带动一定的负载，以满足电压源的需要。
LM7815输出后经过100欧电阻降压后再送入三端稳压集成电路LM7805，为单片机和液晶模块工作提供电压
图2电源电路
3.液晶显示模块电路的设计及实现
由于考虑仪器的显示需求较为简单和开发本钱，这里选用性价比拟高的LCD点阵字符型模块RT1602C。
本设计中LCM与单片机接口电路如以下图1：
利用P0口控制，P1口作为8BIT数据线传输。
关于LCD点阵字符型模块RT1602C的资料:
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
本实验以常见的RT1602C字符型LCD模块。
1602B可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符比照度调节和背光。
RT1602C外观如以下图所示：
1602引脚说明：
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
比照度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据/命令选择
12
D5
双向数据口
5
R/W
读/写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
VDD：
电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；
VL：
LCD比照度调节端，电压调节X围为0－5V。
接正电源时比照度最弱，接地电源时比照度最高，但比照度过高时会产生“鬼影〞，因此通常使用一个10K的电位器来调整比照度，或者直接串接一个电阻到地；
RS：
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；
R/W：
读写控制端。
R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；
E：
LCD模块使能信号控制端。
写数据时，需要下降沿触发模块。
D0－D7：
8位数据总线，三态双向。
如果MCU的I/O口资源紧X的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。
本充电器就是采用4位数据传送方式；
BLA：
LED背光正极。
需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；
BLK：
LED背光地端。
LCD与单片机的接口电路
4.单片机和D\A转换的数据传送的设计与实现
单片机和D\A转换TLC5615的数据传送通过单片机本身具备的串行通信接口SPI方式实现，其电路如3所示
图3
SPI串行通信原理
串行通信是计算机与外界交换信息的一种根本方式。
所谓串行通信是指将一个数据字按顺序逐位分时传输的方式。
串行外围接口SPI是一种单片机外设芯片同步串行扩展接口，由摩托罗拉公司首先推出。
SPI通信模式常用于CPU与外围设备如串行EEPROM、移位存放器、显示驱动器和A/D转换器的通信。
SPI接口可以用全双工方式同时发送和接收8位数据，它共定义了4根信号线，这四根信号线分别定义如下：
1.串行数据输出线SDO。
作用是单向传送数据，先送高位，后送低位。
2.串行数据输入线SDI。
作用是单向传送数据，先送高位，后送低位。
3.同步串行时钟线SCK。
作用是由主机向从器件传送时钟信号，使收发双方操作同步。
在8个时钟周期内，主机、从器件之间完成一个字节的数据交换。
从器件方式选择线SS。
它是从器件选通信号输入端。
SPI模式的工作原理
单片机中的数据通常为8位，在进展串行数据发送时，首先将该8位数据，并行送入移位存放器，并在移位脉冲的作用下，由左向右或者由右向左移出存放器，在进展串行数据接收时，在移位脉冲的作用下，将引脚上的电平读入移位存放器。
然后，将该8位数据，并行送出移位存放器。
1TLC5615串行数模转换器简介
TLC5615为美国XX仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。
带有上电复位功能，即把DAC存放器复位至全零。
TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购置。
11TLC5615的特点
〔1〕10位CMOS电压输出；
〔2〕5V单电源供电；
〔3〕与CPU三线串行接口；
〔4〕最大输出电压可达基准电压的二倍；
〔5〕输出电压具有和基准电压一样极性；
〔6〕建立时间125μs；
〔7〕内部上电复位；
〔8〕低功耗，最大仅175mW。
TLC5615数模转换最终输出的模拟量为D\A=5V*DN\1023（DN为单片机送入TLC5615数模转换器的10位数据）
5.稳压电路的设计与实现
该局部电路主要由LM324集成芯片加上一些电阻元件构成，其电路如图4所示
LM324集成芯片简介
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如下图。
它的内部包含四组形式完全一样的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+〞、“-〞为两个信号输入端，“V+〞、“V-〞为正、负电源端，“Vo〞为输出端。
两个信号输入端中，Vi-〔-〕为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+〔+〕为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位一样。
LM324的引脚排列见图2。
由于LM324四运放电路具有电源电压X围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
恒压电路的实现
TLC5615数模转换器把模拟电压D\A送出后经过U1：
A跟随器，电压变为-D\A，在经过U1：
B电压放大处理，其电压值为UB,那么
UB=-（-D\A*R3\R5+（-）15*R4\R5）=
=-D\A*2.55+1.25
在经过U1：
C的增益为1的反相比例放大器后其输出电压U为
D\A*2.55-1.25
再把前面D\A=5V*DN\1023代入得，输出
U=5V*DN\1023*2.55-1.25=0.00125DN-1.25
所以输出电压跟负载值的大小无关，只受单片机的输出数据DN控制，所以实现了恒压控制
通过按键改变单片机的输出数据，即可实现步进控制
提高单片机的带负载能力电路
LM317是可调3端电压稳压器，在输出电压X围为1.2伏到3.7伏时能够提供超过1.5安德电流，此稳压器非常易于使用，只要两个外部电阻来设置输出电压。
此外还使用内部限流，热关断喝平安工作区补偿使之根本能防止烧断保险丝。
为使该数控电源具有一定的负载能力，采用LM317稳压电路输出，放大电压U接在LM317的1引脚上，由于LM317的特性决定了其引脚2电压比引脚1电压恒定高出1.25V，故引脚2的输出电压即为最终输出电压OUT
OUT=U+1.25=0.00125DN
为此，当单片机输出的数字量为0-960以步进为8的变化时，输出电压的即可以0.1V变化
6.按键电路的设计与实现
矩阵式键盘的构造与工作原理：
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。
在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在穿插处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。
这样，一个端口〔如P1口〕就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比方再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线那么只能多出一键〔9键〕。
由此可见，在需要的键数比拟多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式构造的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口那么作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，那么输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
具体的识别及编程方法如下所述。
矩阵式键盘的按键识别方法
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法〞。
行扫描法行扫描法又称为逐行〔或列〕扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
1.判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，那么表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相穿插的4个按键之中。
假设所有列线均为高电平，那么键盘中无键按下。
2.判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
假设某列为低，那么该列线与置为低电平的行线穿插处的按键就是闭合的按键。
独立式键盘的优缺点：
独立式键盘的控制线路简单，方便，键盘程序也较简单，特别是按键较少的情况下，能很好的简化按键电路。
但按键较多时会占用较多的单片机I\O口。
在电路设计中，单片机有限的I\O口是非常重要的资源，必须科学合理的利用这些资料才能保证够整个电路使用，所以我们往往不使用这种键盘方式。
我们这个电路虽然按键较少，但考虑到电路接线较少，功能还不够完善，为了更方便的为以后完善电路功能，更好地去扩展功能，选择了矩阵式键盘方式。
电路图如图5
7、参考电路原理图
八、系统编程软件
本系统软件采用C语言编写。
九、毕业设计的成绩评定
根据学生的完成毕业设计和毕业辩论情况，按照以下的标准评定学生的毕业设计成绩：
（1）优秀
能按期完成毕业设计任务书规定的根本任务；硬件和软件完
成，功能均正常。
能熟练地综合运用所学理论和专业知识；独
立工作能力较强，科学作风严谨；论文书条理清楚，论述充分，
文字通顺，符合技术用语要求，符号统一，编号齐全，书写工
整。
（2）良
能按期完成毕业设计指导书规定的根本任务；硬件和软件完
成，绝大部份能功能正常；较好地运用所学的理论和专业知识；
辩论时，思路清晰，能正确地答复主要问题。
（3）中
根本完成毕业设计指导书规定的根本任务；硬件和软件根本
完成，部份能功能正常；在运用所学的理论和专业知识上根本
正确，但在非主要内容上有欠缺和缺乏；小的缺陷。
辩论时，
对主要问题的答复根本正确，但分析不够深入。
（4）及格：
在指导教师指导帮助下，根本按期完成任务，但硬件或软件
存在很多缺陷，个别能功能正常；独立工作能力较差且有局部
功能未能完成。
工作不够认真，有个别明显错误．辩论时，主
要问题能答出，或经启发后才能答出，答复以下问题较浅薄。
（5）不及格：
未按期完成任务书规定的任务；硬件或软件均未完成。
根本
概念和根本技能未掌握，在运用理论和专业知识中出现不应有
的原那么错误；
十、毕业设计〔论文〕撰写格式与打印要求
升级会员 