毕业设计论文基于51单片机数控直流电源的设计.docx
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毕业设计论文基于51单片机数控直流电源的设计
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。
单片机（
MCU
）；数模转换器（
DAC
）；模数转换器（
ADC
）；闭环控制
惠州学院毕业论文Basedonthe51microcontrollernumericalDC
powersupplydesignAuthor
：
LiuXuezhiMajor
：
Electronicinformationtechnology
Teacher
：
HuangLinTitle
：
AssociateProfessorAbstractThemethodofthispaperbasedonthe51microcontrollercoreofthenumerical
controllerDCpowersupplydesigntheoryandrealization.Thepowersupplyhassome
functionssuchaspresettingvoltage,steppingadjustment,displayingtheoutputvoltage
signalsandcurrentsignalsatthesametime.Thispaperintroducesageneraldesigningplanof
thesystem,whichismainlyconsistedofmicro-controllermodule,DCRegulatorsmodule,
voltage/currentsamplingmodule,displaymodule,keyboardmodule,powersupplymodule.
Thesystemisbasedontheprincipleofsingle-chipmicrocomputertocontroltheunit
STC89C52toDAC0832digital-to-analogconverterchipreferencevoltagetocontrolthe
outputvoltageLM317outputvoltageconversionmodulesize,whiletheoutputvoltage
regulator,currentuseofanalog-to-digitalconverterADC0832chipsamplingofvoltageand
currentconvertedtodigitalsignals,andthenthroughthesingle-chipclosed-loopcontrolto
achieve.ArticleonthemainDCpowersupplyCNCperformanceparametersweremeasured
andsummarized,andtheirdevelopmentprospects.Keywordsmicrocontroller（MCU）
，
theDigitaltoAnalog（DAC）
，
theAnalogto
Digital（ADC）
，
theclosed-loopcontrol基于51单片机数控直流电源的设计1.
前言………………………………………………………………………………
1
1.1
研究背景及意义…………………………………………………………………
1
1.2
国内外研究现状…………………………………………………………………
1
1.3
课题的主要内容…………………………………………………………………
2
1.4
论文的总体结构…………………………………………………………………
3
2.
方案论证与设计基础知识…………………………………………………………
3
2.1
方案设计与论证…………………………………………………………………
3
2.2
主控单片机
（MCU）………………………………………………………………5
2.3
液晶显示屏（
1602
）……………………………………………………………
6
2.4
三端可调稳压器…………………………………………………………………
8
2.5
运算放大器
OP07………………………………………………………………9
2.6
数模转换芯片…………………………………………………………………10
2.7
模数转换芯片…………………………………………………………………11
3.
系统电路原理及硬件实现………………………………………………………
12
3.1
系统总体框图…………………………………………………………………12
3.2
系统模块电路设计……………………………………………………………
13
3.2.1
单片机控制模块………………………………………………………………
13惠州学院毕业论文3.2.2
稳压控制模块…………………………………………………………………
14
3.2.3
电压与电流采样模块…………………………………………………………
15
3.2.4
显示模块………………………………………………………………………
18
3.2.5
电源模块………………………………………………………………………
19
3.2.6
键盘模块………………………………………………………………………
20
3.3
系统整体原理图………………………………………………………………
20
4.
系统的软件设计…………………………………………………………………
21
4.1
软件设计思路…………………………………………………………………
21
4.2
系统软件流程…………………………………………………………………
21
4.2.1
主程序模块……………………………………………………………………
21
4.2.2
闭环比较程序模块…………………………………………………………
23
5.
系统测试与误差分析……………………………………………………………
24
5.1
系统测试………………………………………………………………………
24
5.1.1
软件测试……………………………………………………………………
24
5.1.2
硬件测试……………………………………………………………………
24
5.1.3
系统整体测试…………………………………………………………………
25
5.2
误差分析………………………………………………………………………
26
6.
设计总结和展望…………………………………………………………………
27
致谢…………………………………………………………………………………
29
参考文献……………………………………………………………………………
30
附录
1
系统整体原理图………………………………………………………………
31
附录
2
系统源程序……………………………………………………………………
32基于51单片机数控直流电源的设计1.1.1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。
1.2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1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。
1.31
、如何实现对电源的输出控制
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。
2
、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。
3
、性能指标
输出最大电压
:
15V
输出最大电流
:
1A2惠州学院毕业论文电压步进
:
0.1V
电压分辨率
:
0.02V
1.4
第一部分简要介绍课题的背景、意义、国内外研究现状，介绍本文的主要研究内容
包括实现的目标、功能的完备和性能指标。
第二部分提出了数控直流电源的总的设计思路和几种实现方案论证，以及相关系
统实现的功能，对这些方案的可行性进行比较分析，选择了一种基于
51
单片机系统的
数控直流电源的方案，并对该方案运用的基础知识和使用的器件作出扼要的介绍。
第三部分模块化详细阐述了基于
51
单片数控直流电源的系统整体结构和设计框图，
包括数据单片机控制模块、稳压控制模块、电压
/
电流采样模块、电源模块及键盘模块。
第四部分主要阐述了数控直流电源的软件系统的设计思路和软件设计流程。
第五部分对数控直流电源的性能参数进行测量与评估，以及对误差进行分析。
第六部分对本数控直流电源的给出了本课题的结论，并对其发展前景进行了展望。
2.2.1根据
设计的要求：
1
、最高输出电压
15V
，最大输出电流
1A
。
2
、电压步进
0.1V
。
3
、纹波系数尽可能小，输出稳定。
4
、有限按键操作方便，
LCD
显示界面。
基于51单片机数控直流电源的设计5
、闭环控制理论的嵌入式软件实现。
特色及基本技术路线：
1
、低成本解决方案。
2
、直观的实验效果。
3
、经典理论验证平台先硬件后软件，先局部后整体。
我设计出以下三个方案：
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。
方案原理示意图见图
2-1
：
惠州学院毕业论文图
2-1
方案二原理框图采用常用的
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。
4方案三：
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51单片机
（8051）
掉电存贮
单元
（24C02）
三位数码管显示
单元
电压控制单
元（LM317）
按键电路
电源电路基于51单片机数控直流电源的设计（电压）；使用电压
/
电流采样电路，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。
方案原理示意图见图
2-2
。
图
2-2
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。
2.2（MCU）2.2.1STC89C52
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
采样惠州学院毕业论文有
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
2-3STC89C52
引脚图2.2.2
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。
基于51单片机数控直流电源的设计2.31602
2.3.1LCD1602
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。
6图
2-4LCD16021
、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
.惠州学院毕业论文2.3.2表
2-1LCD1602
引脚说明
编号符号引脚说明
1VSS
电源地
2VDD
电源正极
3VL
液晶显示偏压信号
4RS
数据/命令选择端（H/L）
5R/W
读/写选择端（H/L）
6E
使能信号
7D0Data1/078D1Data1/0
9D2Data1/0
10D3Data1/0
11D4Data1/0
12D5Data1/0
13D6Data1/0
14D7Data1/0
15BLA
背景光源正极
16BLK
背景光源负极2.4
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。
8LM317
标准应用电路图惠州学院毕业论文图
2-5LM317
应用电路LM317
的输出电压：
Vout=1.25V（1+R2/R1）+IAdjR2
。
因为
IAdj控制在小于
100uA
，
IAdjR2
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）
。
2.5
OP07OP07
低噪声高精度运算放大器图
2-6OP07
引脚图基于51单片机数控直流电源的设计
92.5.1
1
、低的输入噪声电压幅度—
0.35μVP-P（0.1Hz
～
10Hz）
2
、极低的输入失
升级会员 