简易数控直流电源课程设计.docx
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简易数控直流电源课程设计
电子设计竞赛报告
题目:
简易数控直流电源
评语及成绩：
指导教师：
日期：
摘要
本文设计的是一个简易数控直流稳压电源，利用C8051F330D单片机及其集成的D/A和A/D转换模块来控制电压的输出和电压值的显示，利用8个数码管显示及键盘控制芯片CH425来驱动4个数码管显示电源输出电压值，能输出0～9.9V电压，最大可以输出2A的电流，通过改变基准电压来实现0.1V步进并且显示输出电压值的要求，纹波不大于50mV。
并且设计的电源具有过流保护功能。
关键词：
单片机，放大器，数控电源，液晶显示
1设计任务
设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。
其原理示意图如下：
1．1基本要求
（1）输出电压：
范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于50mV；
（2）最大连续输出电流：
2A；
（3）输出电压、电路值可数码管显示；
（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减。
1.2发挥部分
（1）输入电压12V，输出0～＋24V，步进0.1V，纹波不大于10mV；
（2）最大连续输出电流：
10A。
根据以上的这些设计要求，提出了以下三种方案，并进行了比较。
2总体方案设计
2.1三种方案
方案1
此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A转换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出的步进。
十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值。
方案2
此方案不同于方案1之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，令一面其输出作为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。
由于只使用一套计数器，回避了方案一中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制器烧录在EPROM中，使系统设计的灵活性降低。
方案3
此方案的控制部分采用C8051F330D单片机，该单片机集成了D/A和A/D模块，有单片机内部的D/A输出控制基准电压，从而改变输出电压，使设计大大简化，采用单片机可以编程，使系统地方灵活性大大提高。
2.2三种方案比较
2.2.1数控部分
方案1、2中采用中、小规模器件实现系统数控部分，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（例如方案一中的双计数器一但出现计数不同步，会导致显示电压与输出电压不同步）。
方案3中采用了C8051F330D单片机完成整个数控部分的功能，同时，330D作为一个智能化可编程器件，便于系统功能的扩展。
2.2.2显示部分
方案1、2中的显示输出是电压是对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为D/A变换的输入量，由于D/A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大的偏差。
方案3中采用A/D转换模块直接对输出电压进行采样并显示输出电压实际值，一但系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。
在方案3中还采用了数码管驱动及键盘控制芯片CH452，不仅简化了接口引线和电路，而且还提高了CPU的利用率。
2.3系统描述
如前所述，虽然方案3有许多优点，但方案1、2对于完成设计要求并非不可行，而且在某些方面还有自己的优势。
之所以采用方案3，一个很重要的考虑就是系统使用了单片机，使电路扩展和控制方便。
系统框图如图2.3。
交流电网电压经变压器后变为交流低压，经过预稳后，再经整流滤波电路输出，其输出电压再经二次稳压后输出。
通过单片机控制D/A模块的输出来改变二次稳压电路的基准源，从而实现步进的要求，输出的电压经A/D模块转换后送出显示。
图2.3系统总体框图
3单元模块三设计与分析
3.1预稳电路的设计与分析
为了使电源有比较高的稳定度，在电源实现一次稳压不能达到要求，所以设计中采用了二次稳压的方法，在种稳压方法中，第一级稳压电路承担了电网波动的绝大部分，相应的减轻了第二级稳压电路的负担，第二级稳压电路侧重于低噪声和低漂移的设计。
第一级稳压电路称预稳电路，是简单的稳压电路，一般有五种常用预稳电路，有串联反馈型扩展电流型，在这个设计中由于输出电流较大，因此采用串联反馈式预稳电路，目的是提高稳定度。
具体电路图如图3.1所示。
图3.1预稳电路
图3.1中D9是恒流二极管SEMITEC（E-5010），恒流二极管是一种在很宽的电压变化范围内提供恒定电流的新型器件。
它的直流电阻很低，交流电阻高达1M
以上，可以使放大管增益提高很多，从而大大提高稳压性能。
Q1调整管，Q9充当放大器，R2和W1构成了基准电压源。
T1是变压器，D1是整流桥。
R9和R10构成了取样电路，下面来具体分析电路的各个参数。
根据最大输出24V电压和2A的电流的设计要求，第一级预稳电路要输出28V的电压和I=2.1A的电流。
假定调整管的电流放大倍数10000倍，则调整管的基极电流：
mA
（1）确定对整流滤波电路的要求
由电路原理知道，输入电压比输出电压要高3～8V再考虑电网交流电压有10%的波动，所以输入电压
V，根据要求整流输出电流取
A。
（2）选择合适的复合调整管
A
V
W
根据以上要求可以选择大功率管2SD2156，其参数：
V，
W，
（3）基准电压电路的选定
取分压比为0.3，则稳压管的稳定电压
V，选用2CW57硅稳压管，其参数为：
V，
mA，
根据设计的要求，则限流电阻应满足下式：
计算后取
。
（4）取样电路的计算
根据电路要求，流过取样电路的电流为:
取
mA
则
，
（5）比较放大电路选取
采用三极管3AX31C做比较放大管，其
。
（6）电容的选取
电容的作用是滤波，选取合适即可，不比必定量计算，C1的取值为
V，C3的取值
V。
（7）整流桥的选定
整流桥采用分离元件。
流经每个二极管的平均电流为
A，假定变压器负边输出为35V，每个二极管承受的反向电压为
V,选定二极管型号为QLA62～L，它的额定电流为2A，最大反向电压可达100V。
（8）变压器的设计
根据要求变压器的输出电压为35V，输出电流为2.15A，考虑到变压器的70%效率，变压器功率为
W,匝数比为6:
1。
3.2二次稳压与扩流电路的设计与分析
二次稳压与扩流电路采用仍然是采用串联反馈式加达林顿管扩流的方式，采用这种方式使电路简单，调节方便灵活，线性好，纹波干扰小，它输出电压的范围不受调整元件的耐压限制，而且各项技术指标都可以做的很高。
设计电路图如图3.2所示。
图3.2中Q2和Q3构成了复合调整管，A1是集成运算放大器，作为比较放大部分，Q4和R5够成了过流保护电路。
R4和Rp1一端接单片机的P0.1口，另一端接运放反向输入端。
下面分别加以计算说明，二次稳压与扩流电路如图3.2所示。
图3.2二次稳压与扩流电路
一级稳压电路输出的电压为28V，电流最大为2.1A,要求二级稳压输出最大24V，最大2A的电流。
根据串联反馈式稳压电源的原理有输出电压为：
式中Rx1是变阻器接入反馈回路中的阻值，假定
V,则
=10
设取样电路的分压比为
，根据取样之路电流小于输出最大电流的十分之一，取样之路的电流应该小于200mA，电阻应大于
，取Rp2=5K，R6=14K，R11=1K，符合要求。
由于单片机的输出最大电流为2mA，要将此信号放转换成电压信号，并且放大，再单片机的P0.1输出端加上一个电阻，取值为5K,在并上一个5K的变阻器，此变阻器可以调节单片机向稳压源输出的电压，即稳压源的基准电压。
为了使输出的电压稳定度高，运放采用高精密运放OP07，关于OP07将在第四节作以简单的介绍。
由于OP07的输出电流不能满足2A的大电流要求，所以在输出端采用复合管扩流。
复合管的放大倍数在100倍以上就可以满足要求。
Q2的基极电流较小，取一般的中功率管考即可满足要求，这里选择TIP31C三极管，TIP31C参数见表3.2。
表3.2TIP31C参数表
晶体管型号
反压Vbe0
电流Icm
功率Pcm
放大系数
特征频率
管子类型
TIP31C
100V
3A
40W
40-50
*
NPN
考虑到Q3的基极电流以及集电极电流大，应选用大功率三极管。
具体计算参数如下：
A，
V，
W。
根据此要求，选择2SC4138，其集电极允许最电流为10A，允许最大功率是80W，集电极基极间的反向击穿电压为400V，满足上述要求，为了不使管子热损坏，使用时应加上散热片。
放大器A2接成电压跟随器的形式，由取样电路取样来的电压，经跟随器送入单片机内部的A/D转换模块，经处理后送显示。
此运放选为LM324即可，此芯片的资料会在后面作以简单的介绍。
R5和Q4组成了过流保护电路，正常情况下，Q4不起作用，当R5两端的电压达到Q4的开启电压，即
时，Q4开始工作，使经过调整管上的电流得以分流，以保护调整管。
根据公式：
，为了防止电流Im大于2.1A,电阻R5取0.3
。
Q4选择晶体管2SC2655。
3.3辅助电源的设计与分析
由于设计中有运算放大器和单片机，这些器件需要单独供电，所以本设计中还需要设计一组辅助电源，目的是为这些器件提供工作电源。
其中单片机是3.3V供电，两运放是15V供电，所以需要设计±15V电源和＋3.3V电源。
用到了LM7815和LM7915以及HT1033。
电源设计由于C8051F330D单片机是3.3V供电，为了得到3.3V电源，需要在+5V电源后再加一级稳压电路，+5V电源采用LM7805稳压器，直接由+15V电源输入，+5V电源不再分析，3.3V电路图如图3.3所示。
图3.3+3.3V电源
其中稳压器采用HT1033，为了使单片机工作更加稳定，在电路中加入了几个电容，防止脉冲干扰，其中
、
可以选择22
F的电容，其耐压为25V即可，
选择一个小的104电容即可。
3.4控制电路的设计与分析
本系统要求电压值要求以0.1V步进，为了实现这个要求采用了单片机改变基准电压的方式，因此设计中的控制电路是以单片机为核心的。
单片机最小系统图如图3.4所示。
图3.4中以C8051F330D单片机为核心器件，该单片机的有关知识将在第四节中作以简单的介绍。
图中
、
和
构成了单片机的时钟电路，为单片机提供精准的时钟。
为了调节步进值，设计了两个按键，可以对基准电压进行以0.1V的递增和递减，S2是增加键，S2是减小键。
单片机的P0.5，P0.6，P0.7分别接以CH452为核心的显示模块的LOAD，DCLK，DIN三个端口，P0.1，P0.4分别接稳压部分的基准源输入和采样电路的输出。
J2为单片机调试、复位等端口所用的插座，目的是使控制模块与外围电路的接口更加明了简洁。
和
一般选择大小相同的35
F的电容即可。
图3.4单片机最小系统图
3.5显示电路的设计与分析
显示电路采用以CH452为核心的显示模块，CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片，它内置时钟振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64只LED，具有BCD译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH452通过可以级联的4线串行接口或者2线串行接口与单片机等交换数据。
本电源采用4线接口与单片机相连。
CH452通过4线串行接口与单片机C8051F330D相连接。
CH452的段驱动引脚串接了电阻R1（270
），用以限制和均衡段驱动电流，在5V电源电压下，串接270
电阻通常对应段电流10mA。
电容C1和C2布置于J5的电源引脚附近，用于电源退耦，减少驱动大电流产生的干扰。
字驱动引脚DIG7～DIG0分别连接8个数码管的阴极，用以控制数码管的亮与灭，SEG7～SEG0分别接数码管的阳极，8个数码管采用分时复用的工作原理，扫描显示。
另外CH452需要+5V供电。
4系统软件的设计与分析
本设计是数控可调直流稳压电源，由于模拟稳压部分的设计比较简单，且技术上已经相当成熟，所以本设计的关键是软件的设计，它直接决定了电源能否以0.1V的步进值步进，下面就详细介绍本系统中软件的设计方案。
4.1软件总体设计思路
若要求通过改变基准电压来实现0.1V步进并且显示输出电压值的要求，那么一定要用到D/A和A/D模块，另外还必须要设计两个按键和一个显示模块。
所以软件也是分为这主要的四个部分来进行设计的。
其总体设计思路是：
通过按键来调节D/A输出，从而改变基准电压，使其可以步进。
通过A/D读进输出的电压值，经过处理送显示模块显示。
根据要求以及模拟稳压部分的设计有下式：
其中
的前的系数是一个定值10，只要保证其中
按照0.1V步进即可，而
大小由R和单片机输出的电流有关，R是单片机外接电阻网络，可以调节，连接方式如图4.1所示：
图4.1.1取压电路图4.2D/A转换流程图
图4.1中R4和Rp1的阻值都为5K，那么
，式中k是变阻器分压比，k和Rp1都是定值，假定
mA时，输出电压为24V，此时kRp1=2.4K。
一旦k和Rp1确定后，单片机DAC模块输出电流的电流步进值就可以确定了，即为
A，即0.00416mA。
单片机的IDA0是一个10位的电流输出的DAC，输出的最小电流是
mA。
此系统中通过改变按键输入DAC的二进制数据来改变电流的大小，我们已知道每按一次键，就要使DAC的输出改变0.00416mA，那么对应要改变的二进制数据就是
=4.25，只能取整数4，因此每按一次键就要使二进制数加或减4，这样就可以使电压能以0.1V步进了。
主程序流程图如图4.1.2所示。
4.2D/A模块的设计
330D中有一个10位的电流ADC，通过改变其寄存器中的二进制值来改变输出电流，操作D/A模块时写数据时先写低位，后写高位，D/A转换流程图如图4.2所示
4.3A/D转换与数据处理模块的设计
这部分是将采样得到的输入电压的模拟量转换成数字量的过程，将输入的模拟量经过标度变换，然后经BCD码转换，作为下一步送显示的数据。
由于采样后经ADC转换后可能存在误差，因此采入的样值还需要进一步处理，即校准，校准是用采样得到的值减去当输出为0时ADC转换所得到的值
，上面的所用到的变换方式见下面两个公式，A/D转换流程图如图4.3
4.4显示模块设计
此系统中的显示采用CH452显示驱动模块。
注意：
CH452的数据格式是12位，其中有4位是命令，8位是数据。
显示模块程序流程图如图4.4所示。
4.5按键程序的设计
系统采用了两个按键，用来控制调整在基准值的基础上增4或者减4，按键扫描程序得到键值，经按键处理程序来判断是哪个键按下，从而转入基准值的调节，按键流程图如图4.5所示。
5主要元器件介绍
本系统采用了很多性能优良的器件，这些器件的具体用法及其参数，在前面没有具体介绍，这里将用到的一些部分功能详细介绍一下。
5.1C8051F330D的简介
C8051F330D是新华龙公司的新一代系统型MCU，与51系列单片机相比，有很多优点，下面主要介绍一下该芯片的概况和端口以及ADC和DAC模块。
C8051F330D器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。
它使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51指令集完全兼容。
CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、768字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及17个I/O端口。
C8051F330D器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为24.5MHz±2%，该振荡器的周期可以由用户以大约0.5%的增量编程；器件内集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部CMOS时钟源产生系统时钟。
如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。
C8051F330D器件具有片内SiliconLabs2线（C2）接口调试电路，支持使用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在系统调试。
SiliconLabs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点和单步执行。
不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。
5.2CH452的简介
5.2.1概述
CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。
CH452内置时钟振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64只LED，具有BCD译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH452通过可以级联的4线串行接口或者2线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片机提供上电复位信号。
5.2.2显示驱动
（1）动态显示扫描控制，直接驱动8位数码管、64只发光管LED或者64级光柱。
（2）可选数码管的段与数据位相对应的不译码方式或者BCD译码方式。
（3）数码管的字数据左移、右移、左循环、右循环。
（4）任意段位寻址，独立控制各个LED或者各数码管的各个段的亮与灭。
（5）4线串行接口：
支持多个芯片级联，时钟速度从0到2MHz，兼容CH451芯片。
（6）4线串行接口：
DIN和DCLK信号线可以与其它接口电路共用，节约引脚。
5.2.3功能说明
（1）单片机（也可以是DSP、微处理器等控制器）通过4线串行接口或者2线串行接口控制CH452芯片，CH452的数码管显示驱动与键盘扫描控制之间相互独立，单片机可以通过操作命令分别启用、关闭、设定这两个功能。
CH452的4线
串行接口是由硬件实现的，单片机可以频繁地通过串行接口进行高速操作，而绝对不会降低CH452的工作效率；但是2线串行接口是由软件与硬件共同实现的，所以不适合不间断地频繁操作。
（2）CH452对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为DIG0至DIG7。
CH452内部具有电流驱动级，可以直接驱动0.5英寸至1英寸的共阴数码管段驱动引脚SEG6～SEG0分别对应数码管的段G～段A，段驱动引脚SEG7对应数码管的小数点，字动引脚DIG7～DIG0分别连接8个数码管的阴极；CH452可以改变字驱动输出极性以便直接驱动共阳数码管（译码方式），或者通过外接反相驱动器支持共阳数码管，或者外接大功率管支持大尺寸的数码管。
CH452可以工作于BCD译码方式，该方式主要应用于数码管驱动，单片机只要给出二进制数BCD码，由CH452将其译码后直接驱动数码管显示对应的字符。
BCD译码方式是指对数据寄存器中字数据的位4～位0进行BCD译码，控制段驱动引脚SEG6～SEG0的输出，对应于数码管的段G～段A，同时用字数据的位7控制段驱动引脚SEG7的输出，对应于数码管的小数点，字数据的位6和位5不影响BCD译码。
下表为数据寄存器中字数据的位4～位0进行BCD译码后，所对应的段G～段A以及数码管显示的字符。
CH452译码表如表5.2.3所示。
表5.2.3CH452译码表
位4～位0
段G～段A
显示的字符
位4～位0
段G～段A
显示的字符
00000B
0111111B
0
10000B
0000000B
空格
00001B
0000110B
1
10001B
1000110B
-1或加号
00010B
1011011B
2
10010B
1000000B
-负号减号
00011B
1001111B
3
10011B
1000001B
=等于号
00100B
1100110B
4
10100B
0111001B
[左方括号
00101B
1101101B
5
10101B
0001111B
]右方括号
00110B
1111101B
6
10110B
0001000B
_下划线
00111B
0000111B
7
10111B
1110110B
H字母H
位4～位0
段G～段A
显示的字符
位4～位0
段G～段A
显示的字符
01000B
1111111B
8
11000B
0111000B
L字母L
01001B
1101111B
9
11001B
1110011B
P字母P
01010B
1110111B
A
11010B
0000000B
.小数点
01011B
1111100B
b
11110B
SELF_BCD
自定义字符
01100B
1011000B
c
其余值
0000000B
空格
01101B
1011110B
d
SELF_BCD是由“自定义BCD码”命令
定义的新字符，复位后默认值为空格
01110B
1111001B
E
01111B
1110001B
F
5.3OP07简介
OP07是一种高精度低失调电压的精密单片运算放大器，具有很低的输入失调电压和极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声及长期稳定等特点，用于微弱信号的放大，如果使用双电源。
能达到最好的放大效果。
OP07的优良特性使它特别适合作前级放大器，放大微弱信号，广泛应用于稳定积分、比较器，密绝对值电路、及微弱信号的精确放大，使用OP07一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。
OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平衡（调零端）；2为反向输入端；3为正向输入端；4接地；5空脚；6为输出；7接电源+
5.4LM324简介
5.4.1简介
LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
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相同。
LM324引脚功能说明：
5.4.2特点
短路保护输出、真差动输入级、可单电源工作：
3V-32V、低偏置电流：
最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有内部补偿的功能、共模范围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能
这个是最常用的运算放大器1，2，3脚是一组5，6，7脚是一组，8，9，10脚是一组，12，13，14脚是一组，剩下的两个脚是电源，1，7，8，14是各组放大器的输出脚，其它的就是输入脚。
6系统调试
根据题目各项技术指标要求作了系统全面的测试。
通过键盘输入各项参数，控制输入的电压步进增减电压从0-9.9V娈化。
6.1计数及显示部分的调试
（1）初始上电数码管上显示0.0，按动一次“+”键，数码管显示0.1，再按动一次显示0.2，继
续
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