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数控直流电源

基于51单片机的数控直流电源

摘　要本文主要论述了一种基于51单片机为核心控制器的数控直流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AT89S52；数模转换器（DAC）；模数转换器（ADC）

1绪论

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，这既降低惠州学院毕业论文了家用电器的成本，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。

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基于51单片机数控直流电源的设计来结合美国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。

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。

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。

2系统方案与论证

为了能够设计出一个性能可靠，精确度较高，连接稳定的数控直流电源，本设计给出了三种方案。

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，PWM3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。

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。

方案三：

用D/A和运算放大器做电流源，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。

原理示意图见图2.1。

图2.1系统原理框图

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。

3系统硬件设计

本设计方案，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。

3.1控制器模块

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。

51单片机（89C52）掉电存贮单元（24C02）LCD显示单元电压控制单元（LM317）按键电路电源电路输出电压/电流采样有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3.1为STC89C52引脚图。

图3.1STC89C52引脚图

该单片机主要管脚有：

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。

MCU模块即为单片机部分，整个控制都是依靠单片机完成。

从功能和价位以及本题目要求来看，我选择51系列STC89C52作为本方案的控制核心，P0口接液晶显示LCD1602作为输出数据显示传输，同时P20、P21、P22是液晶LCD控制端口；P1口接DAC0832作为输出数据传输,P30为DAC0832控制端口；P31、P32、P33接三个独立键盘作为输入数据传输；P34、P35接容量为2K的数据存贮器24C02，可以实现掉电数据贮存和预置数据贮存；P25、P26、P27接ADC0832作为输入/输出数据传输。

图3.2单片机控制电路

3.2显示模块

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,可以清晰显示出同时还能显示英文名称和电压/电流单位,电压（三位数字:

十位、个位、小数位），电流（三位数字：

个位、两位小数）。

通过单片机编程控制第4脚RS数据/命令选择端（H/L），第5脚R/W读/写选择端（H/L），第6脚E使能信号，从而实现显示效果。

它的显示运行原理如下：

读状态：

输入：

RS＝L，RW=H，E=H；输出：

D0～D7=状态字

写指令：

输入：

RS＝L，RW=L，D0～D7=指令码，E＝高脉冲；输出：

无

读数据：

输入：

RS＝H，RW=H，E=H；输出：

D0～D7=数据

写数据：

输入：

RS＝L，RW=L，D0～D7=数据，E＝高脉冲；输出：

无

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。

图2.2为LCD1602。

图3.3LCD1602显示

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.

3.3稳压器模块

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。

基于51单片机数控直流电源的设计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。

图3.4LM317标准应用电路图

LM317的输出电压：

Vout=1.25V（1+R2/R1）+IR2。

因为I控制在小于100uA，IR2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）。

本稳压控制模块设计主要是用DAC0832输出的参考电压去控制LM317输出大小变化。

其中DAC0832的基准电压Verf来源是通过调节LM336-5V基准源。

控制器STC89C52的P1口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接P3.0，/WR2和/XEFR接地，让DA工作在单缓冲方式下。

DA的8脚接参考电压，参考电压电路如图所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V，通过DAC的输出电流转换为电压的公式可以求得DAC0832的11脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。

在此电路中，R为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小），阻值为0.35，因而采样电阻的功率可以由P=I2*R算出。

由LM317应用电路分析可得，设运算放大器OP07的输入电压分别为Ui1、Ui2，输出电压为Vo1。

电源输出电压为Uout=Uo1+Uref*（1+R22/R23）=Uo1+1.25*（1+R22/R23）=Uo1+1.8，其中Uref为R23两端的电压，所以最小输出电压为1.8V,输出到电压模块LM317的电压分辨率=0.02V×5=0.1V。

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。

图3.5稳压控制电路

3.4采样模块

电压采样电路是在输出回路中并联两个可调电阻，调节使R12/（R11+R12）=1/5,则从两个电阻之间采样电压为0.2Uo（Uo为电源输出电压）与系统DA转换5Ui对应，然后通过运算放大器TS914连接成的电压跟随器，对采样到的电压输入到模数转换器ADC0832转换成数字信号，输入到单片机系统进行处理。

图3.6电压采样电路

电流采样电路，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC进行A/D转换。

最后数据由单片机系统进行相应处理，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。

在输出回路中串联一个采样电阻，从采样电阻上得到一个反馈电压。

由运算放大器L272组成的差分比例运算电路，输出电压为Uo=R16/R15*（Ui1-Ui2）=20*（Ui1-Ui2），Ui1、Ui2分别为采样电阻R19两端的电压。

由于采样电阻阻值（0.35Ω）很小，在该电阻上的压降相应也小，即压降就为电流。

其电流控制电路图如图所示，放大倍数Au=R16/R15=60/3=20，经运放过来的电压通过A/D转换，送给单片机处理，从而实现压控稳流。

图3.7电压采样电路

4系统软件设计

当系统上电，立刻进行初始化，分别是端口初始化，D/A、AD初始化，定时器初始化；然后系统默认电压，默认电流。

基本思路：

按键扫描→D/A转换、电压/电流数值显示→读A/D转换并比较纠正电压/电流数值显示→按键扫描，按前述循环。

程序运行后，开始检测是否有键按下，若有则进入设定按键功能。

液晶LCD1602直接显示CPU设定的数值，使CPU资源得到充分利用。

同时系统不断采集外部数据，经过相关运算、分析，然后发出命令对实际值进行相应的修正，控制输出电压可调、稳定。

图4.1主程序流程图

流程图如图3.2所示，通过调用闭环比较子程序得出实际值与设定值的差值，如果是实际值大于设定值则将原来的显示设定值减去这个差值再送去转换，如果是实际值小于设定值则将原来的显示设定值加上这个差值再送去转换。

图4.2闭环比较流程图

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Designofthe51microcontrollernumericalcontrollerDCpower

GuChenghu

（DepartmentofPhysics，DezhouUniversity，Dezhou，253023）

AbstractThemethodofthispaperbasedonthe51microcontrollercoreofthenumericalcontrollerDCpowersupplydesigntheoryandrealization.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.Keywords

Keywordsmicrocontroller（MCU），theDigitaltoAnalog（DAC），theAnalogtoDigital（ADC）

致谢

在大三一年的学习过程中，得到了我的教学老师张秀梅的悉心讲授。

并在实验教学过程中得到了张福安老师的指导，他们严谨的治学态度和谦和的为人给我留下了深刻的印象。

在我的课程设计阶段，虽然张秀梅老师公务繁忙，教学任务重。

依然对我的设计工作悉心指导，对我的设计方向和研究内容做了大量的工作。

我要感谢课题组的各位同学，正是你们的配合和帮助，才使课题得以顺利完成，在此也真诚的谢谢你们。

最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。

还有许许多多给予我学业上鼓励和帮助的师长、朋友，在此无法一一列举，在此也表示忠心地感谢！

附录1系统总电路图

附录2程序

#include

#define　uchar　unsigned　char

#define　uint　usigned　int

#define　Nop（）-nop-（）

#define　DAT　P0

uchargo;

sbitK1＝P3^1；//第一个键

sbitK2＝P3^2；//第二个键

sbit.K3＝P3^3；//第上个键

sbitWR=P3^O；//DAC的控制端

//位定义

#defineLcd-DataPO//定义数描i;iJ口

sbit.RS=P2^0；//定义连接端口

sbitRw=p2^1;

sbitE=p2^2;

sbitBusy=p0^7;

bithol

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