简易数控直流电源.docx
《简易数控直流电源.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《简易数控直流电源.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
简易数控直流电源
一.绪论
1.1设计背景
随着电子技术的迅猛发展，各种电子产品层出不穷，不过不管是哪种电子产品或设备，都需要电源供电才能进行正常的工作，而且对于不同的产品或设备来说，其需要不同的工作电源，但是往往市面上的很多电源模块都只能输出固定而单一的电压，从而不能提供各种不同数值的电压，因此，在这里做一个数控直流电源的设计。
该数控电源采用步进调整方式，调整范围为0.0V～9.9V，调整手段采用按键进行调整，当需要改变电压值时，启动数控系统，输入想要得到的电压值，再按下确定键，即可输出相应的电压。
该系统采用单片机作主控器件，结合软件和硬件设计方法，使该系统的结构较简单，可控性强，使用也很方便。
1.2设计任务
1.基本功能实现：
（1）可输出电压：
范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；
（2）可输出电压值由数码管显示；
（3）由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减；
（4）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出输出±15v,+5v；
（5）自拟验收方案：
对基本功能实现证明。
2．扩展功能与创新：
（1）输出电压可预置在0~9.9v之间的任意一值。
二.方案论证
实现某一种系统功能或技术指标都具有多种可行的设计方案，每一种设计方案针对不同的应用场合都具有它自己的优缺点，在设计的过程中要考虑到其功能、技术指标、成本和所需求的技术条件等方面的因素
电源输出的调整方式有连续调整和步进调整两种，前者适合采用模拟电路来实现，而后者适合采用数字电路来实现，由于本设计要求电源输出电压的调整方式为步进调整方式，因此，这里采用数字电路来实现对出电压的控制。
数字集成电路包括标准逻辑器件、微处理器和可编程逻辑器件，标准逻辑器件是数字系统中使用较普遍的器件，其优点是工作速度快，但是集成度低，器件功能固定，使用它将使电路中器件数量增多，从而导致系统体积较大，成本也较高，并且不易改变系统功能。
微处理器和可编程逻辑器件可以克服上诉缺点。
可编程逻辑器件工作速度快，但是实现信号处理比较麻烦，价格也较昂贵；微处理器实现信号处理较方便，其中单片微型计算机的使用较为普遍，单片机是在一块芯片上集成了计算机的主要功能部件，它的指令系统是按照工业控制要求设计，可通过软件方便的实现多种功能，使硬件系统电路结构变得简单，且价格较便宜，是一个性价比较高的微处理器，它虽然工作速度较慢，但由于数控电源属于低速系统，对工作速度要求不高，使用单片机完全可以达到要求，因此，在这里采用单片机做数控直流电源的主控器件。
由于单片机输出的信号为数字信号，而所需要的是模拟信号，所以，经过单片机输出的数据必须经过数/模转换电路转换成标准的电压信号。
三.硬件系统设计
3.1总体设计框图
数控直流电源的硬件电路组成框图如图3.1所示，它包括电源模块、控制电路、键盘电路、显示电路、数/模转换电路以及电压放大电路。
图3.1电路组成框图
数控电源输出电压用键盘控制，实现电压的可预置输入或步进调整，显示电路将用来显示输出的电压值，输出的电压通过D/A转换和放大电路转换成所需要的电压值
3．2控制电路的设计
控制电路主要由单片机组成，现在市场上较多的是AT系列单片机，但是其内部没有自带的串行通信协议，不能直接用软件将程序通过串口写入程序存储器，需要使用专用的程序烧写器才能将程序写入，这受到设备条件的限制而难以实现，而STC系列单片机则可以通过串口直接将程序写入，所以本设计中采用STC89C52RC单片机。
3.2.1STC89C52RC单片机简介
1．ST89C52RC的内部结构
ST89C52RC的内部结构如图3.2所示，它包括：
◆一个8位CPU；
◆一个片内振荡器及时钟电路；
◆8KBFLASH程序存储器，1KEEPROM存储器；
◆512字节RAM数据存储器；
◆并且可寻址64KB外部RAM或ROM空间；
◆4个8位可编程I/O口；
◆3个16位的定时/计数器；
◆一个可编程全双工串口；
◆8个中断源、4个中断优先级。
图3.2ST89C52RC的内部结构
2．STC89C52RC的功能
STC89C52RC单片机同样采用的是8051的内核，与其他大部分单片机兼容，并且功能也比普通单片机强大，其存储器（包括数据存储器和程序存储器）容量比普通的51单片机要大，程序存储器主要采用FLASH存储器，可方便的擦写程序，同时还带一个8位的A/D转换器，最重要的是它采用ISP在线编程，配备了专门的程序下载软件，可直接通过串口将程序下载到单片机的FLASH程序存储区，并且掉电后不会丢失，大大降低了系统设计对设备的要求，这也是在本设计中采用此单片机的重要原因。
STC89C52RC单片机ISP编程原理图如图3.3所示：
图3.3STC89C52RC单片机ISP编程原理图
3.3键盘电路的设计
本设计采用基于中断方式的矩阵键盘电路，键盘电路使用STC89C52RC单片机的外部中断1，利用中断来判断是否有键按下，并确定键值。
键盘电路如图3.4所示，包括按键、上拉电阻和四输入与门（CD4082）。
图3.4键盘电路
3.3.1CD4082芯片简介
该芯片采用DIP-14封装，是一个标准逻辑门器件，它包含两组四输入与门，用它可实现四线状态的判断，其真值表如表3.1所示。
表3.1CD4082真值表
输入
输出
A
B
C
D
OUT
0
×
×
×
0
×
0
×
×
0
×
×
0
×
0
×
×
×
0
0
1
1
1
1
1
由表3.1可以看出，当输入有一路为低电平，不管其它三路为何值，输出都为低电平，只有当输入全为高电平时，输出才为高电平，可见用CD4082可以方便读取按键信号，从而通过中断实现对按键对的控制。
3.3.2键盘原理
采用矩阵键盘可以在使用单片机较少I/O口的情况下实现多个按键，电路结构和软件结构也较简单。
将各按键分别和单片机的P1口相连，高四位接4个上拉电阻，并接到CD4082的输入口IN2上，低四位通过程序保持在低电平状态，当有键按下时，该按键的高电平端必然被拉为低电平，即CD4082的其中一个输入口为低电平，通过逻辑与运算后，OUT2端输出低电平，将其与单片机的INT1相连，即可实现对键盘的控制，再通过程序对键值进行扫描，即可判断是哪个键按下。
3.3.3键盘功能设置
确定是哪个键按下后，还要知道该建是什么功能，才能进行相应的处理。
键盘各按键的功能分别是启动键（STARTUP）、加键（+）、减键（-）、清除键（CLEAR）、确定键（ENTER）以及数字键0～9。
启动键实现系统的启动，以改变输出电压的值，即必须在按下启动键后，才能对当前电压值的改变，这样可以防止在不需要改变电压值时不小心按下数据键或加、减键，从而改变电压值；加键（+）实现对输出电压加0.1V操作；减键（-）实现对输出电压减0.1操作；清除键（CLEAR）可清除在操作过程中错输入的数据；确定键（ENTER）实现对已设置好的数据的输入操作。
由于本设计要求数控电源的输出电压调整范围为0.0V～9.9V,步进值为0.1V，如果要实现从0.0V调整到9.9V，则需要重复操作99次，由此可见，仅使用加键或减键来实现对数据加1或减1操作将会很麻烦，为了减少按键的次数，可采用分档输入方式，即增加一个换档键，在个位和十分位之间进行切换，再分别对个位或十分位的数据进行加、减操作，这样相对于仅使用加减键来实现数据调整明显要方便很多，但是要实现输出电压从0.0V调整到最大输出值9.9V也要重复18次操作，还是不够方便。
另一种方式是直接输入想要的数据，即通过数字键0～9直接输入电压值，这样就使操作变得非常方便，只需两次就可以输入一个数据，大大减少了按键次数。
因此，本设计采用可预置输入方式。
在操作过程中，若要改变当前输出电压的值，应先按下启动键（STARTUP）,让系统进入数据设置状态，数码管显示开始闪烁，然后输入想要输出的电压值，同时，两个数码管会显示所输入的数据，当然，如果想要设置的值比当前值大（或小）的不多，则可利用加（或减）键将数据调整为目的值，然后在按下确定键（ENTER）,即可输出目的电压值，这时数码管停止闪烁。
3.4显示系统设计
由于本系统设计的是数控电源，随时都要知道所输出的电压值，所以，显示电路是少不了的，这里是用译码器译码后用LED数码管进行显示，下面将分别介绍。
3.4.1译码电路
在本设计中的显示译码电路采用集成电路CD4511,译码器CD4511是专为共阴数码管输出显示信号的七段译码器，用它可方便的进行数据显示。
CD4511真值表如表3.2所示。
表3.2译码器CD4511真值表
输入
输出
LE
BI
LT
D
C
B
A
a
b
C
d
e
f
g
显示内容
×
×
0
×
×
×
×
1
1
1
1
1
1
1
8
×
0
1
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
0
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
Blank
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
Blank
1
1
1
×
×
×
×
＊
＊
译码器CD4511有3个控制信号端，由真值表可以看出，当控制信号LT为0时，不管其他两个控制信号端和数据输入端为何值，输出都全部为高电平，也就是数码管全部亮；当LT为1，BI为0时，不管LE和输入端为何值，输出全部为低电平，也就是数码管全灭；当LE为0，BI和LT为1时，译码器为数码管输出显示数据，当LE、BI和LT都为1时，不管输入是何值，输出都为高阻状态。
由以上分析可以看出，用BI端可以控制数码管显示的亮灭状态，因此，在本设计中，将控制信号端LE直接接地，LT直接接电源，再把控制信号端BI与单片机I/O口相连，即可在正常显示数据的同时，用程序控制数码管的亮灭。
3.4.2显示电路
在本设计中，因为需要显示的内容只有两位数据，所以用两个七段LED数管显示即可。
1.LED数码管
七段LED数码管是由七个发光二极管按段数码形式组成的器件，有共阴极CC（CommonCathode）和共阳极CA（CommonAnode）两种，如图3.5所示。
共阴极的LED数码管，应把公共端COM接地，当某个阳极上接到高电平，相对应的这一段就亮，如图3.5（a）所示。
相反，共阳极的LED数码管，应把公共端COM接高电平，当某个二极管的阴极接到低电平，相对应的这一段就亮，如图3.5（b）所示。
本设计采用的是共阴LED数码管，工作时，将数码管的公共端com接地，段选a、b、c、d、e、f、g端分别和译码器CD4511的输出端a、b、c、d、e、f、g相连，便可显示。
不过
（a）共阴极（b）共阳极（c）引脚结构
图3.5七段LED数码管
由于译码器CD4511输出的驱动电压为5V，如果直接将数码管与译码器相连的话，电流将会很大，但是LED发光二极管所能承受的电流有限（通常点亮一个LED的电流为5～50mA），所以，必须在数码管和译码器之间接上一个一定大小的限流电阻，才能保证数码管正常工作。
2.显示方式
LED显示电路有静态显示和动态显示，静态显示是指所有的LED数码管同时显示，这种显示方法使得软件结构比较简单，显示效果好，不过电路结构比较复杂，占用处理器的端口较多，功耗也较大。
动态显示是指处理器定时地对LED数码管扫描，数码管分时工作，每次只有一个数码管显示，由于扫描的频率比较高，又因人眼的视觉暂留，所以，看起来，似乎所有的数码管同时在显示，采用这种方法的电路结构变得较简单，占用处理器的端口较少，功耗也较低，不过软件结构比较复杂，必须要在软件中消隐，而且显示的效果受到扫描频率的影响。
由于本系统中要显示的数据只有两位，若采用静态显示，由于前级要接译码器，只需一个8位I/O口即可，电路结构不是很复杂，分别将两个译码器并接到单片机的P0口上即可，而且软件结构也很简单。
显示电路如图3.6所示。
图3.6显示电路
3.5数/模转换电路设计
由于数控电源输出的是模拟信号，而单片机输出的是数字信号，所以，必须要通过数/模转换。
数/模转换芯片众多，有电流输出，也有电压输出，分辨率也有所不同，有8位，12位，16位等等，不同的分辨率，价格也有很大的差距，因数控电源输出的精确度要求不是很高，且从成本上考虑，这里使用8位的数/模转换器DAC0832即可。
3.5.1DAC0832的结构及引脚功能
DAC0832是用CMOS工艺制成的8位D/A转换芯片，其内部结构如图3.7所示，它主要包括两个8位寄存器和一个8位D/A转换器构成，其两个寄存器可以进行两次缓冲操作，使器件的操作有更大的灵活性。
图3.7DAC0832结构及引脚图
DAC0832芯片采用20引脚双列直插封装，各引脚功能如下：
CS:
片选信号（低电平有效）。
ILE：
输入锁存允许信号。
WR1:
写信号1（低电平有效）。
由图3.7可见，当ILE=1时，且当CS与WR1同时有效才能把数字量锁存到8位输入寄存器中；当WR1为高电平时输入数据锁存到输入寄存器中。
以上三个信号构成一级输入锁存。
XFER:
控制传送信号。
WR2:
写信号2（低电平有效），用于将锁存在输入寄存器数据送到DAC寄存器中，只有在XFER和WR2同时有效时才把输入寄存器中的数据锁入DAC寄存器中。
这样构成了二级锁存。
D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平。
Iout1和Iout2：
输出电流。
其中Iout1在D/A寄存器内容全为1时，输出电流最大；Iout2
在D/A寄存器内容全为0时，输出电流最大，Iout1和Iout2之和为常数。
AGND：
模拟信号地。
DGND：
数字地。
UREF：
基准电压。
一般为-10V～+10V。
Rfb：
反馈电阻。
该电阻被制作在芯片内，用作运算放大器的反馈电阻。
3.5.2DAC0832的工作方式
1．直通工作方式
将CS,WR1,WR2和XFER引脚都直接接数字地，ILE引脚接高电平，芯片处于直通状态。
此时，8位数字量只要输入到DI7～DI0端，就立即进行D/A转换，但在此种方式下，DAC0832不能直接与单片机的数据总线连接，故很少采用。
2．单缓冲工作方式
此方式是使两个寄存器中的一个处于直通状态，另一个工作于受控锁存状态，或两个寄存器同时受控打开、关闭。
一般是使DAC寄存器处于直通状态，即把WR2和XFER端接数字地，或者将两个寄存器的控制信号并接，使之同时选通，此时，数据只要写入DAC芯片，就立刻进行转换，这种工作方式接线比较简单，适合于一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的应用场合。
3．双缓冲工作方式
在双缓冲工作方式下，单片机要对两个寄存器分别控制，要进行两步写操作：
先将数据写入输入寄存器，再将输入寄存器中的内容写入DA寄存器并启动转换。
双缓冲工作方式可以使数据接收和启动转换异步进行，在D/A转换的同时，接收下一个转换数据，因而提高了通道的转换速率。
在要求多个输出通道同时进行D/A转换时使用双缓冲工作方式。
3.5.3DAC0832的数字接口
因在本系统中，单片机不仅要送D/A转换数据，还要送显示数据，且都是和P0口相连，而且，数控电源的转换速率要求不高，输出也只有一路，因此，本系统采用单缓冲工作方式DAC0832与单片机的连接电路图如图3.8所示。
图3.8DAC0832与单片机的连接电路图
当需要进行转换时，CS和WR有效，单片机从P0口输出数据到DAC0832上，并启动转换，
这时，DAC0832将转换后的电流值从Iout1和Iout2输出。
3.5.4DAC0832的模拟输出
DAC0832转换器输出的是电流信号，因此必须要经过电流-电压转换才能输出电压信号，电流-电压转换电路如图3.9所示。
图3.9电流-电压转换电路
DAC0832是8位数/模转换器，基准电源为+5V时，其输出电压的计算公式为
D—输入数据；
u—输出电压.
因为DAC0832的分辨率不是很高，所以转换精度必然有些欠缺，不过由于数控电源的电压输出范围为0.0V～9.9V，步进电压调整值为0.1V，而DAC0832的输出模拟电压步进值约为0.02V，若再放大5倍，则刚好使数控电源的步进值为0.1V，当输入数据为65H（十进制101）时，输出电压u=
≈1.98V,再放大5倍后约为9.9V，即为要求的最大值。
因此，DAC0832转换器的数据输入范围为00～65H，以提供100个调整步进。
3.6放大电路设计
数控电源要求的输出电压范围为0.0V～9.9V，而经数/模转换后输出的电压最大值只有5V,因此必须经过放大才能达到要求。
放大电路如图3.10所示。
图3.10放大电路
放大电路采用集成运算放大器LM358进行放大，LM358是通用单电源双集成运算放大器，可以方便的实现比例运算放大。
本设计采用反向比例运算放大电路，如图10所示。
这里采用的是反向比例运算电路，在反向输入端接上一个10K的电阻，再在输入端和输出端接上一个50K的反馈电阻，这样就可以得到输出电压
=
=
=5
即输出电压是输入电压的5倍，因经数/模转换单元输出的电压步进值约为0.02V，这时经放大电路输出电压的步进调整值就约为5×0.02V=0.1V,即可达到设计要求。
3.7电源电路设计
作为一个电路系统来说，电源当然是必不可少的，这里需要三电源供电，即+5V、±15V。
+5V供数字部分使用，±15V供模拟放大部分使用，三种电压都共用一个地。
电源电路如图3.11所示，首先采用带中间抽头的15V变压器，获得±15V的交流电压，再通过整流、滤波电路，获得±15V的直流电压，这时已经获得了两个电压值，再利用所获得的电压进行处理，即可获得+5V电压，这里采用三端稳压器LM7805，LM7805的稳压输出值为+5V，正好符合要求，它的体积较小，且只有三个引脚，即输入、接地和输出，接线比较方便，重要的是用它来降压可使电路结构很简单。
图3.11电源电路
四.软件系统设计
4.1程序流程图
对于单片机控制系统来说，软件系统的设计是必不可少的，这里采用Keil软件为开发平台，C语言为程序设计语言，以模块化结构进行程序设计。
不过这里Keil软件不包含STC系列单片机，因此，在程序编译成功后，要通过STC系列单片机专用的下载软件将程序写入单片机的Flash程序存储区域。
程序分为几大模块，包括主程序、中断服务程序、键盘扫描程序、键值处理程序。
程序流程图4.1所示：
图4.1程序流程图
本系统是将按键信号与外部中断1口相连，这样程序的设计就方便许多，在无键按下时，程序不做任何处理，只保持显示当前数据状态，当操作者按下键后，单片机将自动进入外部中断1的中断服务程序。
中断服务程序中只作设置一个标志位的操作，让系统知道已经有键按下，然后，在主程序中调用键值扫描和键值处理程序，以判断按键为何种功能，进而进行相应的操作。
在进行预输出的电压值的设置过程中，系统会同步显示当前所输入数据值，当按下确定键后，系统立刻启动D/A转换，并输出相应的电压值，并且系统恢复初始状态。
4.2程序设计
各关键程序段如下：
1.主程序：
#include“define.h”
externCtrPower_Deal（）;
externScan_Key（）;
INIT（）
{
P1=0xf0;
DIS=1;
DispData0=0;
DispData1=0;
DispData=0;
Fun_flag=0;
Int_flag=0;
DataCnt=0;
TMOD=0x01;
TH0=0xDB;
TL0=0xFF;/*定时10mS*/
ET0=1;
TR0=1;
EX1=1;
IT1=1;
EA=1;
}
voidmain（）
{
INIT（）;
while
（1）
{
if（Int_flag==1）
{
Scan_Key（）;
CtrPower_Deal（）;
Int_flag=0;
}
P0=DispData;
}
}
2.外部中断1服务程序：
#include“define.h”
voidint1（void）interrupt2
{
EX1=0;
Int_flag=1;
EX1=1;
}
3.定时器0中断服务程序：
#include”define.h”
voidt0（void）interrupt1
{
ET0=0;TR0=0;
LedCnt++;
if（LedCnt==30）
{
LED=~LED;
if（Fun_flag==1）
{
DIS=~DIS;
}
LedCnt=0;
}
TH0=0xDB;
TL0=0xFF;
TR0=1;ET0=1;
}
4.键盘扫描程序：
#include”define.h”
dly（uintn）
{
uchari;
while（n--）
{
for（i=0;i<=125;i++）
{;}
}
}
voidScan_Key（）
{
uchari,j,m,n;
m=P1&0xf0;
if（m!
=0xf0）
{
升级会员 