数控直流电源制作.docx
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数控直流电源制作
数控直流电源制作
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设计时间：
20/02/28～20/03/06
数控直流电源制作
摘要：
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，各个领域，本文将介绍一种数控直流电源，本电源由显示电路、稳压电路、数模转换电路、放大电路四部分组成，准确说就是模拟电源提供各个芯片电源，LCD1602显示器、放大器所需电压，显示电路用于显示电源输出电压，电流的大小。
数控直流电源与传统的稳压电源相比具有操作方便。
本设计以80C31单片机为核心，集成运算放大器和DAC0832数模转换器构成具有深度负反馈的输出可控的直流稳压电源。
由三端集成稳压器（7805、7815、7915）给各单元电路提供所需的工作电压。
本系统由单片机做控制，输出电压在（0～9.9V）之间变化，实现0.1V的步进功能控制，输出电压采用LED共阴极数码显示。
简易数控直流电源与传统稳压电源相比具有操作方便、显示稳定度高、使用广泛等特点。
关键词：
单片机80C31 数模转换器DAC0832 三端集成稳压器
数控直流电源的应用及特点
本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易数控直流电源的设计。
数控直流电源是一种常见的电子仪器也是电子技术常用的设备之一，广泛应用于电路，教学试验和科学研究等领域。
以单片机系统为核心设计的新一代数控直流电源，它不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能优越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对数据进行各种计算，从而可排除和减少模拟电路引起的误差，输出电压和限定电流采用输入键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值，且兼备双重过载保护及报警功能， 特别适用于各种有较高精度要求的场合。
一、系统组成与原理概述
本文所设计的数控直流电源与传统稳压电源相比，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，原理方框组成图见图１。
它共由六部分组成。
输出电压的大小调节通过“＋”、“－”两键操作，控制可逆计数器分别作加、减计数，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：
一路用于驱动数显电路，指示电源输出电压的大小值；另一路进入Ｄ／Ａ转换电路，Ｄ／Ａ转换器将数字量按比例转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制调整输出级输出所需的稳定电压。
为了实现上述几部分电路的正常工作，需另制±１５Ｖ和±５Ｖ的稳压直流电源及一组未经稳压的１２～１７Ｖ的直流电压。
二、具体实现电路
根据以上数控直流电源的方框图，采用集成电路设计了输出电压为０～９．９Ｖ的数控电源，详细电路原理如图２所示。
1．电路简介
两按钮开关作为电压调整键与可逆计数器的加计数和减计数输入端相连，可逆计数器采用两片四位十进制同步加／减计数集成块７４ＬＳ１９0级联而成，把第一块的进位和借位输出端分别接到下一组的加计数端和减计数端。
两级计数器总计数范围从００００００００至１００１１００１（即０～９９）。
数显译码驱动采用两块７４ＬＳ２４８集成块，７４ＬＳ２４８为四线－七段译码器／驱动器，内部输出带上拉电阻，它把从计数器传送来的二－十进制的８４２１码转换成十进制码，并驱动数码管显示数码。
数模转换电路采用两块ＤＡＣ０８３２集成块，它是一个８位数／模转换器，这里只使用高４位数字量输入端。
由于ＤＡＣ０８３２不包含运算放大器，所以需要外接一个运算放大器相配，才构成完整的ＤＡＣ，低位ＤＡＣ输出模拟量经９∶１的分流器分流后与高位ＤＡＣ输出模拟量相加后送入运放，运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压，运放采用具有调零端的低噪声高速率优质运放ＮＥ５５３４。
调整输出级采用运放作射极跟随器，使调整管的输出电压精确地与Ｄ／Ａ转换器输出电压保持一致。
调整管采用大功率达林顿管，确保电路的输出电流值达到设计要求。
数控电源各部分工作所需的±１５Ｖ和＋５Ｖ稳压电源由固定集成稳压器７８１５、７９１５和７８０５提供，调整管所需输入电压经简单整流、滤波即可得到，但要求能提供５Ａ的电流。
硬件电路的设计
2.1系统总体结构
以单片机89C51为核心，包括四个功能模块：
处理键盘数据,控制D/A,A/D输入输出,LED显示，系统总体结构框图如图1所示。
由键盘输入控制数据;单片机与DAC0832相连，实现将CPU运算预置数字大小转换成对应的控制电压;控制电压输出到稳压电路，使基准电压发生变化，经过稳压管调整后输出;ADC0809采样电阻信号，将模拟信号转换为数字信号，经单片机处理后，输出到LED，显示当前电压并与键盘输入的控制数据进行比较，做出相应反应。
2.2电源部分
采用通常的桥式全波整流、单电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件。
输出电路由+15V稳压供给，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。
所有的集成稳压器根据功耗均安装有充分裕量的散热片。
电路原理如图2。
2.3数/模转换模块
2.4模/数转换模块
用8位AD转换ADC0809芯片完成数据采集功能，做成闭环回路。
ADC0809内部带有输出锁存器，它可以与AT89C51单片机直接相连。
初始化时，使ST和OE信号全为低电平。
送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。
在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。
是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。
当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。
如图4所示。
ADC0809片选端与89C51的P2.7口相连，我使用IN0通道，故接口地址为7FF8H。
2.5键盘与显示模块
键盘采用4个键的独立式键盘，这样编程容易，硬件也简化了许多。
显示电路通过对单片机串口的编程,实现了单片机与LED的串行接口,外接硬件只需再接一片74LS07和74LS164即可完成。
（其中74LS07的作用是正相驱动电流。
74LS164作为8位LED的段码输出口）通过该接口与6个7段LED管相接,其原理图如图5所示。
2.1 数控直流电源的组成 简易数控直流电源由稳压电源部分、数字显示部分、输出部分、数控部分、“+”“-”按键五部分组成。
2.2 单元电路的设计
2.2.1 输出电路 输出电路是由三端固定输出稳压器件7805、运算放大器A和DAC电路所组成的输出电路。
在该电路中U23=5V，Uo=U23+U3，若DAC的输出为－5V～＋4.9V，则UO=0～9.9V。
该电路的稳压性能7805保证，步进电压由DAC输入的数字量控制。
这种电路输出电压的精度取决于7805输出电压的误差；运放的跟随误差以及DAC的积分非线性。
步进值的误差直接与DAC的位数有关。
2.2.2 数控部分 数控部分应具备的功能有：
输出电压可预置，且能以“步进”或“扫描”的工作方式加（“+”）或减（“－”）。
数控部分的输出应直接控制数码电阻网络各个开关。
微控制器（MCU）又称单片机，数控部分为MCU电路。
MCU的芯片品种繁多，芯片的选择应考虑价格，软件成熟，满足功能要求等因素，因此本设计选用80C31单片机。
两位BCD码拨盘开关将预置量输入到MCU并口，两位LED显示电路由MCU串口送入数值（输出电压）。
单独设置的“+”“-”二个按键由并行口进行检测。
DAC接收MCU数据总线传送的数据，并据以确定输出电压。
在软件的控制下，MCU开机后先将预置值读入，在送去显示的同时，送入DAC，并产生相同的输出电压。
然后不断循环检测“+”“-”两键是否按下。
若检测到有键按下，将使显示值和输出电压相应增减0.1V。
若检测到按键时间超过0.5s，则认为需连续增减，即处于“扫描”方式。
由于80C31片内RAM仅有128B容量不够所以要扩展片外RAM，因此由80C31、74LS373和8KB容量的2764组成MCU最小系统。
2.2.3 稳压电源 从电路简单、经济考虑，本设计采用三端固定输出集成稳压器。
采用7805、7815、7915作为它们的输出电压分别为＋5V、＋15V、－15V，输出电流为1.5A。
直流稳压电源采用桥式全波整流，单电容滤波，三端固定输出集成稳压器件。
输出电路由7815提供+15V电压，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。
2.2.4 显示电路 显示电路由两个数码管和两个74LS164组成。
两个数码管分别组成显示电路的十位、个位，由于两个数码管至少需要14根I/O线，为节约资源，采用串行输入并行输出的74LS164进行驱动输出。
单片机的两个并行分别作为信号输出口和时钟控制信号。
采用单片机的P3.2、P3.3作为控制加减的控制。
该实现方式是通过80C31串行输入，再并行输出到74LS164， 显示方式采用静态显示方式，80C31串以移位寄存器来驱动两位LED共阴极数码显示器，占用资源少，仅二根线。
3 软件设计
两位BCD码拨盘开关K3、K4，用以设置输出电压。
K3、K4输入的P1口由电阻网络RN上拉。
设置为低电平有效。
“+”“－”键由10K电阻上拉，低电平有效输入至P3.2和P3.3口线。
软件采用查询方式访问这两个键。
3.1 80C31资源分配
TXD、RXD 以串口方式0输出接移位寄存器/显示器。
P3.2 “+” 键
P3.3 “－”键
P0.0～P0.3 预置数BCD码输入（低位—十分位）
P0.4～P0.7 预置数BCD码输入（高位—个位）
FFFEH DAC 地址
42H D输出电压数值寄存
41H 40H 显示缓冲寄存，BCD码。
3.2 程序流程设计 复位后首先进行初始化工作，然后从BCD拨盘开关取输出电压预置值，经取反和十—二进制数转换后存入寄存器42H。
预置值经串口输出送往显示器。
由于输出电压数值是以0.1V做为基本单位的（即5V为50），所以送往显示的数值自动在高位加入小数点。
以后输出电压值经标度变换后送DAC，由输出电压形成对应的输出电压。
程序将检测有无键按下，若无键按下，则不断地继续检测，直到有键按下。
检测到有键按下后，首先延时20ms进行去抖处理，再判别是“+”还是“－”键若为“+”键，则42H中的数据加1，再判断是否已加至100，若是则42H复0，否则将数据送去显示和输出。
若判别为“－”键，则数据减1，再判断是否已减至FFH，若是则42H赋值为99；否则将数据送去显示和输出。
只要点动“+”“－”键的时间小于0.5s，则每次步进增减0.1V。
若一直按键，只要时间超过0.5s，则不停的步进，直到松开按键为止。
２．电路调试
调节步骤如下：
１）输入数字００００００００，短接ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＦ，调运放调零电位器Ｒｗ，用数字万用表检测，使输出电压Ｖｏ＝０±１ｍＶ．
２）输入数字１００１１００１，调整ＲＥ１、ＲＥ２、ＲＦ，使输出电压Ｖｏ达到预定的满量程值９．９Ｖ。
３．主要技术指标
本文所设计数控直流电源的电压输出范围为０～９．９Ｖ，步进值为０．１Ｖ，输出纹波电压不大于１０ｍＶ，输出电流为５Ａ。
三、改进措施
本设计主要对简易数控直流电源电路进行了简单的设计与阐述。
本设计系统主要由硬件部分和软件两部分组成，以单片机为核心，控制整个电路工作。
数模转换器和集成运算放大器构成的具有深度负反馈的数字式可控直流电源。
本电源输出电压大小尚受限制，在需要较高输出电压时，在不改变调节精度（即步进值）的前提下，只要增加计数器的级联数和相应Ｄ／Ａ转换器的个数，扩大数显指示范围，配合选用高电压输出运放，就能轻易地满足要求。
当需要正负对称输出电压时，只要另增一组电源，对Ｄ／Ａ转换器及调整输出电路稍作改动即可达到目的。
结论
在本次设计过程中，我发现了很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很艰难的一件事，主要原因是我们没有动手设计过电路，还有资料的查找也是以大难题，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，力争把这门课学好，学精。
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