单极性可调精密直流稳压电源的设计实现本科毕业论文.docx
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单极性可调精密直流稳压电源的设计实现本科毕业论文
电子电路实验
综合设计实验总结报告
题目：
单极性可调精密直流稳压电源的设计实现
摘要
在各种电子电路实验及日常生活中，电源是一种必不可少的仪器，目前所用的电源大多是只有固定电压输出（例如常用的有：
±5V、±12V或±15V）。
其缺点是输出电压不可人为的改变；输出精度和稳定性都不高，在测量上传统的电源一般采用指针式或数字式来显示电压或电流，需要搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值，然而电位器的阻值特性非线性，在调整时又要花费一定的时间，且会产生漂移。
本次电子电路实验是以STC89C51单片机为核心来进行设计的单极性可调精密直流稳压电源。
主要由单片机控制模块、D/A转换模块、功率放大模块、键盘模块、数码管显示模块和串口下载模块等几大部分构成。
单极性可调精密直流稳压电源通过硬件电路和软件程序相结合，由单片机通过D/A来控制功率放大器输出电压，在误差不大于4mV的条件下输出电压范围为0～5V，输出电压的步进值分为三种：
20mV、100mV、1V。
同时将输出的信号经过功率放大器模块，保证输出的电流不小于0.2A，用于驱动外部设备。
D/A转换模块是是采用DAC0832数模转换器将设置电压值转换成模拟量，再通过运算放大电路来实现电压的正向稳定输出。
键盘设置了“左移”、“右移”、“加”、“减”及“设置和触发”五个按键，实现三种步进的增减及任意位上数值的增减。
数码显示部分显示输出电压的预定值（0～5V）。
单极性可调精密直流稳压电源具有设置灵活、操作简便等优点，具有初步的智能化功能。
关键词：
单极性可调精密直流稳压电源；
单片机最小系统；
DAC0832数模转换；运放LM324；
连续步进可调；
第一章概述
1.1直流稳压电源的发展方向
1.2国内发展现状
1.3系统研究方向
第二章设计选题及设计任务要求
1.1设计选题
1.2设计任务要求
第三章系统概述
3.1方案对比及论证
3.2总体方案对比及论证
3.3各模块方案论证
3.4可行性分析
3.5系统总体设计
第四章主要器件介绍
4.1STC89C51简介
4.2晶振的使用
4.3DAC0832工作原理
4.4LM324工作原理
4.5译码器74LS47
4.6数码管显示原理
第五章硬件单元电路设计
5.1控制电路的设计与分析
5.2DAC0832数模转换及功放的设计与分析
5.3串口下载电路的设计与分析
5.4键盘控制的设计与分析
5.5数码显示控制的设计与分析
第六章系统软件设计
6.1系统总程序设计
6.2系统程序流程图
第七章安装调试及测试数据分析
7.1安装调试的步骤
7.2安装调试出现的问题及原因分析
7.3数据测量
7.4测量仪器介绍及误差分析
结束语
参考文献
附录一
附录二
附录三
第一章概述
1.1直流稳压电源的发展方向
1.1.1智能化
目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用单片机的。
以单片机最小系统为主体取代传统仪器的常规电子线路，将软件程序与硬件电路相结合，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。
直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。
具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点:
①操作自动化。
系统的整个测量过程如量程选择、数据的采集、传输与处理以等都用单片机来控制操作，实现测量过程的全部自动化。
②具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。
③具有友好的人机对话能力。
智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。
1.1.2数字化
在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。
在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。
但是，现在数字信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点。
1.1.3模块化
电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的模块化。
模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。
1.1.4绿色化
电源系统的绿色化有两层含义：
首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能（或少）对电网产生污染，国际电工委员会（IEC对此制定了一系列标准，如工EC555,IEC917,IECI000等。
20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。
1.2国内发展现状
在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。
一方面，电源产业规模的
发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品；目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。
但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:
在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。
目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。
国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。
总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。
1.3系统研究方向
本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。
智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。
数字化主要是指系统输出电压通过7段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。
模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。
第二章设计选题及设计任务要求
1.1设计选题
设计选题三十六单极性可调精密直流稳压电源的设计实现
1.2设计任务要求
1.2.1设计任务
本设计是以单片机为控制核心的单极性可调精密直流稳压电源的设计过程。
本系统以单片机模块、D/A模块、功率放大器模块等构成。
单片机通过D/A来控制功率放大器输出电压。
该系统要求输出电流不小于0.2A。
在误差不大于4mV的条件下输出电压范围为0-5V，输出电压的步进值分为三种：
20mV、100mV、1V。
1.2.2设计要求
（1）运用单片机系统控制输出误差不大于4mV、输出电压范围为0-5V的任意电压值。
（2）该电压值的输出步进值分为三种：
20mV、100mV、1V。
（3）该系统要求输出电流不小于0.2A。
第三章系统概述
3.1方案对比及论证
根据设计任务与指标要求，从总体方案的选择、各主要模块的选择及可行性分析三方面进行了方案对比论证：
3.2总体方案对比及论证
方案一：
图3.1.1方案一框图
此方案使用十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。
方案二：
图3.1.2方案二框图
此方案的控制部分采用STC89C51单片机，输出部分也不采用传统的调整管方式，而是在D/A转换之后，经过稳定的功率放大而得到，因为使用了单片机，整个系统可编程，使得系统灵活性大大增加。
方案对比论证：
（1）数控部分：
方案一中采用中、小规模器件实现的数控部分，使用芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。
在方案二中采用了8951单片机完成整个数控部分的功能，同时，STC89C51作为一个智能的可编程器件，便于系统功能的扩展。
（2）输出部分：
方案一中采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出步进增加/减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出电压的影响，而方案二中使用运放起到电压电源抑制比的作用，可以大大减少输出端的纹波电压。
综上考虑这里采用方案二。
3.3各模块方案论证
根据设计任务与指标要求，从D/A数字模拟转换模块、按键控制模块、数字显示模块、下载模块的四方面进行了方案对比论证：
3.3.1D/A数字模拟转换模块
方案一：
采用MX7541是高速高精度12位数字/模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达0.012%，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。
方案二：
采用DAC0832，DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟转换芯片。
本系统是基于51单片机的单极性可调精密直流稳压电源的设计，8位的单片机，而MX7541是12位数字输入的，因此须用锁存器。
而此单极性可调精密直流稳压电源要求步进20mV、100mV、1V，DAC0832完全可以达到，且DAC0832可保证输出电压精度为0.004V。
综上考虑，在这里选择常用的DAC0832。
3.3.2按键控制模块
方案一：
采用矩阵键盘，由于按键多可实现电压值的直接键入。
方案二：
采用一般的电平判键按钮，实现方法很简单，但一个端口最多只实现8个按键。
由于本数控电源需要用的按键不多，要实现步进为20mV、100mV、1V的设计要求，只需用一个“+”按键、一个“-”按键、一个“位左移”按键、一个“位右移”
按键和一个“触发”按键，按键时可直接设定相应电压。
5个按键就可实现本题的设计要求。
综上考虑，故这里采用方案二。
3.3.3数字显示模块
方案一：
选用三位七段数码管显示，用普通的数码管显示简单的数字。
方案二：
选用液晶显示,显示的内容更加的丰富。
此系统显示的只是最终设定输出的三位电压值，只需显示出三个数字，数码管更加的实惠经济，编程简单。
因此在这里选择了方案一。
3.3.4下载模块
方案一：
选用串口下载的方式，运用九针串口与MAX232相结合进行单片机与计算机的通信。
方案二：
选用USB下载的方式，运用USB口与PDIUSBD12相结合进行单片机与计算机的通信。
鉴于MAX232更容易购得且均可达到预期目标，故我选择了方案一。
3.4可行性分析
3.4.1排除问题的可行性讨论
此设计要求最终制作出实体，因此，设计原理图时应着重考虑设计最终的电路板的可行性。
在设计时要对每一个电路模块仔细检查，查阅其他书籍进行校对，还要进行实物实验，以确保设计的可实现性。
在最后的电路板的调试阶段，需要诊断模块程序和单片机仿真机合作进行，从而克服调试程序本身的不可靠性，可方便地进行调试及错误诊断。
以上对设计中可能遇到的较为重要的问题进行了分析并提出了解决方法，基本上可以解决。
3.4.2经济上的可行性讨论
本设计是一个实验系统，所选芯片的价格合理，成本低，所以经济上本设计完全可行。
3.5系统总体设计
3.5.1系统框图
实验要求设计单极性可调精密直流稳压电源，由此本系统可分为单片机最小系统、D/A转换模块、功率放大模块、按键控制模块、数字显示模块、串口下载模块六个模块组成，系统总体框图如图3.4.1所示。
图3.4.1系统总框图
3.5.2系统设计思路
首先根据设计要求确定系统的六大模块。
将一个系统的设计划分成一系列模块，然后进行各部分电路的设计。
然后经过方案比较确定了各个模块的基本电路：
串口下载电路由九针串口和MAX232组成，用于单片机与电脑串口相连接进行程序下载；通过程序产生不同的电压值；利用DAC0832数模转换配合LM324运放电路，实现不同电压值的输出及稳定；通过按键来进行电压值的设定；控制电路由单片机最小系统及外围电路组成，单片机采用STC80C51，通过I/O口进行对系统的控制。
系统程序用C语言在KEIL环境下编写。
程序共分为四个部分：
主函数、按键扫描函数、延时子函数、数码显示子函数。
编写完成并编译无误后由串口下载电路下载到单片机中进行调试。
3.5.3系统工作原理
D/A转换器（DAC）输入的是数字量，经转换输出的是模拟量。
DAC的技术指标很多，如：
分辨率、满刻度误差、线性度、绝对精度、相对精度、建立时间、输入/输出特性等。
分辨率：
DAC的分辨率反映了它的输出模拟电压的最小变化量。
其定义为输出满刻度电压与
的比值，其中n为DAC的位数。
如：
8位DAC的满刻度输出电压为5V，则其分辨率为
。
建立时间：
是描述DAC转换速度快慢的参数。
其定义为从输入数字量变化到输出达到终值误差
LSB（最低有效位）所需的时间。
高速DAC的建立时间可达1us。
接口形式：
在DAC输入/输出特性之一。
包括输入数字量的形式，十六进制式BCD，输入是否带有锁存器等。
DAC0832为8位D/A转换器。
单电源供电，范围为+5V～+15V，基准电压范围为
。
电流的建立时间为1us。
CMOS工艺功耗20mw。
输入设有两级缓冲锁存器。
电压的计算方式：
设计要求单极性可调精密直流稳压电源，步进分别为20mV、100mV、1V，因此要准确选择D/A的参考电压
=5V，计算方法如下：
数字量取Dn取0～255，
取5V,即数字量每步进1，达到步进20mV，数字量每步进5，达到步进100mV，数字量每步进50，达到步进1V。
输出的电压U1out，再从2IN-输入，U2out输出,实现电压正向等值输出，
再从3IN+输入，U3out输出，实现与功率放大管E13007的隔离。
第四章主要器件介绍
4.1STC89C51简介
本电子电路设计的直流稳压电源的核心控制器件选用STC89C51单片机。
STC89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，是MCS-51系列单片机的派生产品；它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的8052单片机完全兼容，DIP-40封装系列与8051为pin-to-pin兼容，指令代码是与8051完全兼容的单片机。
STC89C51可以代替AT89C51，功能更强，速度更快，寿命更长，价格更低。
外型：
40个引脚，双列直插DIP-40。
STC89C51可以完成ISP在线编程功能，而AT89C51则不能。
将AT89C51中的程序直接烧录到STC89C51中后，STC89C51就可以代替AT89C51直接工作（一般都不需要做任何改动即可正常工作）。
STC89C51内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失。
还增加了两级中断优先级，等等。
STC89C51单片机具有增强型12时钟/机器周期、6时钟机器/周期任意选择，工作电压为5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（5V单片机）；工作频率范围：
0-40MHZ，相当于普通8051的0-80MHZ。
实际频率可达48MHZ。
用户应用程序空间为4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节；片上集成1280字节/512字节RAM；有32/36个通用I/O口，P1/P2/P3/P4是准双向口；集成ISP（在系统可编程）/IPA（在应用可编程），无需专用的编程器/仿真器，可通过串行口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒就可以完成一片，具备EEPROM功能，工作温度范围在0-750，共有3个16位定时器/计数器，其中定时器T0还可以当成2个8位定时器使用；封装形式有DIP-40，PLCC-44，PQFP-44等。
引脚图如图：
图4.1.1STC89C51引脚图
4.2晶振的使用
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
单片机工作,就是靠晶振起振才能工作。
窗体顶端
参考资料：
这种电路是单片机内部振荡电路，由只需要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚边接一个晶体振荡器或一个陶瓷振荡器，并通过两个电容后接地即可，XTAL1和XTAL2分别为单片机片内反相器的输入和输出端口，因为单片机内部工作需要时钟，产生机器周期，振荡电容一般选取10-30PF，振荡电路的频率要满足单片机的工作频率要求，单片机才能正常工作，如89S52,其工作频率为0-33MHz
每个晶振都会有它的参数：
中心频率：
Hz。
晶振的频率
稳定度：
PPM 。
温度对晶振频率的影响这个数字越大晶振就越稳定
可调范围：
PPM 。
晶振频率的可调范围这个数字越大那晶振频率的可调范围就越小
负载电容：
PF。
晶振在中心频率下所要求的电容值
谐振电阻：
欧姆。
晶振的交流电阻
震荡方式：
基频和泛音。
基频的震荡方式一般都不会高于25MHz。
如果要更高的频率就可以用泛音晶振。
泛音的次数一般是单数如3次泛音、5次泛音、7次泛音。
当晶振接到震荡电路上，在震荡电路所引入的电容不符合晶振的负载电容的容量要求时，震荡电路所出的频率就会和晶振所标的频率不同。
例如：
一个4.0000MHz +-20PPN负载电容是16PF的晶振
当负载电容是10PF时，震荡电路所出的频率就可能会是4.0003MHz；
当负载电容是20PF时，震荡电路所出的频率就可能会是3.9997MHz。
晶振负载电容有2种接法：
并联在晶振上或串联在晶振上
4.3DAC0832工作原理
直流稳压电源的数模转换采用通用芯片DAC0832。
DAC0832的原理框图如图4.2.1所示。
DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入
控制电路四部分组成。
8位输入寄存器用于存放主机送来的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存，由加以控制；8位DAC寄存器用于存放待转换的数字量，由加以控制；8位D/A转换器输出与数字量成正比的模拟电流；由与门、非与门组成的输入控制电路来控制2个寄存器的选通或锁存状态。
图4.2.1DAC0832原理框图
当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。
4.4LM324工作原理
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。
内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。
电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。
它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为O～VCC。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。
每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，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相位相反；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相同。
LM324的引脚排列见图4.3.2。
图4.3.1 图4.3.2
图4.3.3LM324引脚图
LM324工作电压
LM324的特点：
1.短跑保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作：
3V-32V
4.低偏置电流：
最大100nA（LM324A）
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，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。
4.5译码器74LS47
74LS47是BCD-7段数码管译码器/驱动器，74LS47的功能用于将BCD码转化成数码块中的数字,通过它解码，可以直接把数字转换为数码管的显示数字，从而简化了程序，节约了单片机的IO开销。
因此是一个非常好的芯片！
但是由于目前从节约成本的角度考虑，此类芯片已较少用，大部份情况下都是用动态扫描数码管的形式来实现数码管显示。
74LS47译码器原理：
译码为编码的逆过程。
它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。
实现译码的逻辑电路成为译码器。
译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。
74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用。
74LS47是由与非门、输入缓冲器和7个与或非门组成的BCD-7段译码器/驱动器。
通常是低电平有效，高的灌入电流的输出可直接驱动显示器。
7个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的BCD数据及其补码至7个与或非译码门。
剩下的与非门和3个输入缓冲器作为试灯输入（LT）端、灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）端及动态灭灯输入（RBI）端。
（1）LT：
试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。
当LT=0时，无论输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为低电平，若驱动的数码管正常，是显示8。
（2）BI：
灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。
BI=0时。
不论LT和输入A3，A2，A1，A0为何种状态，译码器输出均为高电平，使共阳极7段数码管熄灭。
（3）RBI：
灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。
当对每一位A3=A2=A1=A0=0时，本应显示0，但是在RBI=0作用下，使译码器输出全1。
其结果和加入灭灯信号的结果一样，将0熄灭。
（4）RBO：
灭零输出，它和灭灯输入BI共用一端，两者配合使用，可以实现多位数码显示的灭零控制。
4.6数码管显示原理
4.6.1数码管结构
输出电压采用7段数码管进行显示。
数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、R、U、Y、符号“”及小数点“”。
数码管的外型结构如4.5.1（a）所示。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图4.5.1（b）和图3.4（c）所示。
（a）外型结构（b）共阴极（c）共阳极
图4.5.1数码管结构图
4.6.2数码管工作原理
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通
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