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数控电源13V99V

目录

摘要1

第一章引言2

1.1课题的背景和意义2

1.2数控电源的发展2

1.3国内外发展状况3

1.4系统功能4

1.5研究方法和研究目标4

第二章方案论证与比较5

2.1稳压电源的分类5

2.2方案分析与选择5

2.3三端集成稳压芯片6

2.4数字显示部分7

第三章系统总体设计和主要芯片介绍8

3.1系统总体设计8

3.2STC89C528

3.3DAC080811

3.4NE553212

3.5LM31713

3.6LM78/7914

第四章硬件设计17

4.1单片机与数码管接口电路17

4.2数模转换芯片DAC0808与单片机STC89C52接口电路17

4.3输出电路18

4.4晶振电路19

4.5复位电路19

4.6电源输入部分20

第五章软件设计21

5.1中断控制程序21

5.2系统主流程图21

5.3系统开发环境22

5.2系统仿真调试28

第六章小组设计介绍32

6.1Protel99SE的概述32

6.2原理图及PCB的绘制33

6.3实物的制作与包装36

6.4误差分析37

5.5设计过程中的问题38

总结39

致谢40

参考文献41

基于单片机的数控电源设计

摘要:

单片机实现的数字式可调稳压电源由于原理简单、稳定性好、精度高、成本低、易实现等诸多优点而受到越来越广泛的重视。

其性能优于传统的可调直流稳压电源，操作方便，非常适合一般教学和科研使用。

本课题设计了一种基于单片机的数控稳压电源。

该电源由模拟电源、控制电路、数模转换电路、放大电路、显示电路等部分构成，能输出1.3V－9.9V电压范围，步进值为0.1V的直流电源。

设计报告介绍了STC89C52单片机应用中的键盘扫描原理、数码管动态显示原理、定时中断原理,从而了解单片机相关指令在各方面的应用，同时还介绍了数模转换芯片DAC0808及NE5532的工作原理。

概述了数字式可调稳压电源的基本原理，详述了数字式可调稳压电源系统的硬件电路设计和数字式可调稳压电源系统的软件设计。

关键词:

数控单片机直流稳压数模转换

第一章引言

1.1课题的背景和意义

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的误差，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年代才真正的发展起来的，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，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己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。

从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。

目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

利用数控电源，可以达到每步0.1V的精度，输出电压范围0~9.9V，电流可以达到500mA。

数控技术方面的发展是以51系列单片机为主控单元电路的拓扑和软开关技术等电子技术的完善为主要标志。

数字化则应属于控制方面的重要发展方向，随着信息技术的突飞猛进，将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用。

数控电源目前的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态特性;更好的环保性能;智能化与高可靠性;更广泛的应用等方向发展。

1.2数控电源的发展

数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。

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，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己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。

从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。

1.3国内外发展状况

电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电源技术属于电力电子技术的范畴。

电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。

迄今为止，电源已成为非常重要的基础科技和产业，并广泛应用于各行各业，从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，其发展趋势为高频、高效、高密度化，低压、大电流化和多元化。

同时，封装结构、外形尺寸日趋接近国际标准化，以适应全球一体化市场的要求。

当前在国内外电源产业中，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC/DC开关电源、DC/DC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。

而产品价格、性能指标、品牌效应及使用寿命一直是用户最关心的问题。

这就促使国内外电源生产商朝着应用技术数字化、硬件结构模块化、产品性能绿色化智能化的方向发展。

电源采用数字控制，具有以下明显优点:

1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

1.4系统功能

系统电压调节范围为1.3～9.9V，最大输出电流1A，具有过载和短路保护功能。

输出电压可用1602LCD液晶显示。

键盘设有3个键，复位键，步进增0.1V一个键，步进减0.1V一个键。

复位键用于启动参数设定状态（5V），步进增减键用于设定参数数值，确认键用于确认输出设定值[2,3].

电源开机设定电压输出默认值为1.3V。

通过步进增减按键功能选择可在不同的设定参数之间切换，再按确认键进入设定电压输出状态。

若按复位键，则电压输出恢复5V。

系统设有自动识别功能，将不接受超出使用范围（1.3～9.9V）的设定值。

1.5研究方法和研究目标

1研究方法

此次毕业设计我从一开始选题就目的明确，在毕业设计课题确定下来后，通过运用大学三年所学的专业知识和查阅参考了一系列的资料完成的。

针对题目的要求，首先对整个设计思路进行规划，例如：

要用到什么模块，模块应该怎样分布，怎么协调好这些模块。

然后针对方案的可行性进行反复的参照对比，敲定最终设计方案，在敲定方案之后，查阅参考相关资料进行硬件电路的各个模块的设计，同时软件模块也同步进行，经过不断的检测，编译，将正确的代码下载到硬件电路中，最后一次次的调试系统，通过不断的修改来完善系统。

2研究的目标

设计一个基于单片机的数控稳压电源，具体目标要求如下：

输入为220V/50H，稳压输出范围：

1.3－9.9V可调,步进0.1，电压纹波不大于20mV；

（1）电压能用数码管显示，能用按键的方式设定相应的输出参数；

（2）把所学理论知识实践化，了解和掌握数按稳压电源的性能；

（3）了解和掌握运用Protel99SE电路设计软件设计电路、绘制原理图及PCB；

（4）熟练解决电路调试中出现的问题；

（5）解决传统直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、稳压精度不高、不易调准、电路构成复杂、体积大等缺点。

第二章方案论证与比较

2.1稳压电源的分类

稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源。

我们必须弄清楚各个类别的特点，才能从中选出最佳方案。

图2-1电源种类图

2.2方案分析与选择

方案一：

数控部分用单片机带动数模转换芯片提供线性稳压电压的参考电压。

优点：

对于单片机，系统工作在开环状态，对数模转换的精度要求较高，设计成本低。

缺点：

功耗较大，LED数码管输出显示不是系统的精确输出电压，须对它进行软件补偿。

方案二：

数控部分用AVR单片机的PWM组成开关电源，再利用AVR的AD转换对输出电压进行实时转换，利用软件进行电压调整以达到稳压。

系统框图如图2-2

图2-2方案二框图

优点：

硬件简单，稳压的大部分工作由软件完成，对单片机的运行速度要求很高，利用手头的ATmaga16L单片机最高8MHz工作频率很难达到速度要求。

对软件要求较高，功耗小。

缺点：

输出纹波电压较大，对硬件的要求很高。

方案三：

用AVR单片机控制PWM芯片组成开关电源。

优点：

降低了对单片机的运行速度要求。

缺点：

电路较复杂（该方案很快被否定）。

方案二简单的电路结构起初很吸引我，但是后来了解到AVR单片机的PWM的精度用于开关电源比较勉强，而且开关电源有个通病：

纹波电压大，考虑到设计目标对电源的功耗要求不是很严，同时为了保证纹波足够小也鉴于自身对于51单片机和线性电源较为熟练，故选择方案一。

2.3三端集成稳压芯片

方案一:

采用LM317可调式三端稳压器电源

LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压.,不过它只能连续调正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路;由一个电阻（R）和一个可变电位器（RP）组成电压输出调节电路，输出电压为:

Vo=1.25（1+RP/R）.

方案二:

采用7805三端稳压器电源

固定式三端稳压电源（7805）是由输出脚Vo，输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+5V，它属于CW78xx系列的稳压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端也要接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路的稳定性也比较好，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

本设计只需使用到5V输出作为单片机的电源输入，所以选用方案一

2.4数字显示部分

显示部分采用的是两位一共阳极数码显示管。

它由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。

位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

颜色有红，绿，蓝，黄等几种。

广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

下面将介绍常用内部引脚图片

10引脚的是一个7段两位带小数点10透过分时轮流控制各个的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O口，而且功耗更低。

第三章系统总体设计和主要芯片介绍

系统主要芯片有STC89C52，D/A转换器（DAC0808），NE5532，LM317,78/79XX等。

3.1系统总体设计

本设计采用STC89C52单片机作为整机的控制单元，经过D/A转换器（DAC0808）输出模拟量，最后经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着输出功率管的基极电压的变化，间接地改变输出电压的大小。

电路系统结构如图1所示，系统选用STC89C52单片机为控制核心，外部扩展D/A转换器（DAC0808）驱动芯片用以实现电压输出功能，同时两位一体数码显示管显示相应的输出电压值。

单片机计算设定值与A／D转换采样反馈值的偏差以及偏差的变化率，得出相应的输出值，由D／A转换变换为模拟量去驱动电压输出控制电路，从而使电压稳定在设定值[5]。

图3-1系统框图

各模块功能如下：

1按键模块：

调节电源的电压的增减和复位。

2显示模块：

用于完成对系统状态显示及操作提示功能。

3电源模块：

用于完给单片机和驱动芯片供电的功能。

4输出模块：

用于给外部需要相应电压的电路设备供电。

3.2STC89C52

STC89C52是美国Atmel公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），STC89C52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。

主要功能特性：

·兼容MCS51指令系统。

·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM，32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，时钟频率0-24MHz，可编程UART串行通道。

·3个16位可编程定时/计数器中断，2个串行中断，2个外部中断源，共6个中断源，2个读写中断口线。

其引脚排列图如下图3-2：

图3-2STC89C52的引脚排列

引脚功能如下：

·Vcc：

电源电压

·GND：

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。

·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，它们被内部上位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，如下表3-1所示：

表3-1P3口的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

·RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片复位。

·ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

·EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。

·XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

·XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.3DAC0808

DAC0808是以CMOS工艺制造的8位D/A转换芯片，它的分辨率为8位，即从1/255到1。

其特点：

8位并行、中速（建立时间1us）、电流型、价格低廉、接口简单，在单片机控制系统中得到了广泛的应用。

图3-3所示是它的内部结构图。

图3-3DAC0808内部结构

DAC0808是8位数模转换集成芯片，电流输出，稳定时间为150ns,驱动电压±5V,33mW。

DAC0808可以直接和TTL,DTL和CMOS逻辑电平相兼容。

图3-4DAC0808引脚图

引脚功能

A1—A8:

8位并行数据输入端（A1为最高位，A8为最低位）

VREF（＋）:

正向参考电压（需要加电阻）

VREF（－）：

负向参考电压，接地

IOUT:

电流输出端

VEE:

负电压输入端

COMP：

compensation（补偿），补偿端，与VEE之间接电容（R14=5kΩ时，（R14为14引脚的外接电阻），一般为0.1uF，（电容必须随着R14的增加而适当增加）

GND：

接地端，VCC：

电源端，在proteus中都已隐藏

3.4NE5532

NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。

相比较大多数标准运算放大器，如1458，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。

这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器中。

由于噪音非常重要，因此建议使用5532，因为它能保证噪声电压指标

NE5532特点：

•小信号带宽：

10MHZ

•输出驱动能力：

600Ω，10V有效值 

•输入噪声电压：

5nV/√Hz（典型值） 

•直流 电压增益：

50000 

•交流电压增益：

2200-10KHZ

•功率带宽：

140KHZ

•转换速率：

9V/μs

•大的电源电压范围：

±3V-±20V 

•单位增益补偿

NE5532引脚图：

图3-5  NE55328脚引脚图

NE5532内部原理图:

                                                      图3-65532内部电路图

3.5LM317

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。

通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。

使用输出电容能改变瞬态响应。

调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。

LM317能够有许多特殊的用法。

比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过/LM317的极限就行。

当然还要避免输出端短路。

还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。

特性简介

可调整输出电压低到1.2V。

保证1.5A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

LM3171.25V至37V连续可调。

绝对最大额定值见表3-2

表3-2LM317参数

符号

参数

值

单位

VI-O

输入－输出电压差

40

V

IO

输出电流

内部限制

Top

工作结温

LM117

-55到150℃

LM217

-25到150

LM317

0到125

Ptot

功耗

内部限制

Tstg

储存温度

-65到150

℃

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接滤波电容。

3.6LM78/79

用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率

的条件下不用）。

当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：

并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。

另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。

在lm78**、lm79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。

这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图所示。

图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。

这样标注便于记忆。

引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。

从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。

对于lm78**正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚，如附图所示。

对与lm79**负压系列，输入为最低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，即①脚，如附图所示。

LM7805典型应用电路图:

图3-7LM317典型电路图

lm78XX系列集成稳压器的典型应用电路图，是一个输出正5V直流电

压的稳压电源电路。

IC采集成稳压器lm7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。

当输出电流较大时，lm7805应配上散热板。

为提高输出电压的应用电路。

稳压二极管VD1串接在lm78XX稳压器2脚与