简易单片机数控电源.docx

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简易单片机数控电源

广西理工职业技术学院

毕业设计（论文）

题目：

简易数控电源

系别：

电气工程系

专业班级：

11机电3班

姓名：

XXX

学号：

20114077

指导教师：

XX

二〇一三年八月二十日

摘要：

数控直流稳压源就是能用数字来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；本文介绍了利用数/模转换电路、辅助电源电路、去抖电路等组成的数控直流稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略；它与传统的稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其结构简单、制作方便、成本低，输出电压在1～15V之间连续可调，其输出电压大小以0.05V步进，输出电压的大小调节是通过“＋” “－”两键操作的，而且可根据实际要求组成具有不同输出电压值的稳压源电路。

该电源控制电路选用89C51单片机控制主电路采用串联调整稳压技术具有线路简单、响应迅速、稳定性好、效率高等特点。

最后对文章进行了总结、致谢、参考文献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。

关键词：

单片机（MCU）；数模转换器DAC；稳压输出

Abstract:

NumericalcontrolDCvoltagesourceistousenumberstocontroltheoutputvoltage,DCvoltagesourceandtheoutputDCvoltagetoremainstable,accurate;thispaperdescribestheuseofCNCdigital/analogconversioncircuit,auxiliarypowercircuit,debouncecircuitofdirectcurrentvoltagestabilizedpowersupplycircuit,introducesthebasiccircuitthestructureandcontrolstrategyofpowersupply;comparedwiththetraditionalmanostat,hastheadvantagesofconvenientoperation,highvoltagestabilitycharacteristics,whichhastheadvantagesofsimplestructure,convenientmanufacture,lowcost,theoutputvoltageisadjustablecontinuouslybetween1~15V,itsoutputvoltageto0.05Vstep,thesizeoftheoutputvoltageisregulatedby""+"-"twokeyoperation,andaccordingtotheactualrequirementsofvoltagesourcecircuitiscomposedofdifferentoutputvoltage.Thepowercontrolcircuitadopts89C51single-chipcontrolofthemaincircuitadoptsserialvoltageregulatetechnologyhastheadvantagesofsimplecircuit,quickresponse,goodstability,highefficiency.Finally,thearticlesummarized,acknowledgements,referencesattheendofthispaper,mainperformanceparametersofthenumericalcontrolDCpowersupplyarestudiedandsummarized,anditsdevelopmentprospect.

Keywords:

singlechipmicrocomputer（MCU）;digitaltoanalogconverter;voltageoutputDAC;

前言

1.1研究背景及意义

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。

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耑要有低纹波、宽调整范的高压电源，而在一些高能物理领域，更是急耑电脑或申片机控制的低纹波、宽调整范闱的电源。

1.2国内外研究现状

20世纪80年代，出现了一种叫作开关式稳压电源，这种电源是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。

开关型稳压电路中的调整管工作在开关状态，因而功耗小，电路效率高。

开关电源的种类很多，按调整管与负载的连接方式可分为串联和并联型，串连开关稳压电路是降压型电路，并联开关型稳压电路是升压型电路。

按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、脉冲频率调制型（PFM）和混合调制。

这其中尤以PWM最为盛行，这种电源在开关和稳压方面功能非常优越，但在电压输出精度方面仍存在缺陷，旋钮式远不能满足工业需求，数控技术的发展给电源的发展注入新的活力，数控逐渐成为一种趋势随着人们生活水平的不断提高，数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展.本文所介绍的数控。

1.3数控电源技术

电源技术尤其是数控电源技术是一门践性很强的工程技术，服务于各行各业。

众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了许多不精确的人为操作，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的就是显示输出电压、电流，预置输出电压值等功能。

就是在实验开始前对一些参数进行预设。

这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。

因此，直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化与智能化。

1.4数控电源的主要用途

直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。

传统的多功能直流稳压电源功能简单、比较难于控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通直流稳压电源品种很多,但均存在以下二个问题:

1）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（如1.05～1.07V）,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。

2）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，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。

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[1]。

在一些测试设备中需要数控直流稳压电源，以便在测试过程中按测试要求随时改变输出电压。

在普通可调直流稳压电源中，通过调节电位器去改变取样电压值，从而获得不同的输出电压。

1.3课题的主要内容

1.3.1.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來替代传统直流稳压电源十手动旋转电位器，实现输出电压在电源量程范围内步进微调，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成分压电阻，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。

1.3.2.数控直流电源功能的完备

数控直流稳压电源要实现电扭的键盘化输出控制，同时要具备输出、显示。

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。

1.3.3.性能指标

输出大大电压:

15V输出电流:

500mA

电压步进:

O.05V

电压分辨率:

0.05V

1.4论文的总体结构

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FI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儿种实现方案论证，以及和关系

统实现的功能，对这呰方案的可行性进行比较分祈，选择了一种基于51.宇.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山扼要的介绍。

第三部分模块化详细阐述了基于51单片数控宜流电源的系统整体结构和设计框罔，

包括数据单片机控制模块、稳压控制模块、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系统的设计思路和设计流程。

第五部分对数控直流电源的性能参数进行测量与评估，以及对误差进行对比。

第六部分对本数控直流电源的给出了本课题的结论。

2设计任务及要求

2.1方案设计与论证

2.1.1、根据设计的要求：

1、最高输山电压I5V，输山电流500mA。

2、电压步进0.05V

3、纹波系数尽不大于10mV，输山稳定。

4、有限按键操作方便，显示界面。

2.1.2、特色及基木技术路线：

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。

我设计出以下两个方案：

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，稳压范岡宽，电路形式灵活多样，功耗小，效率高。

在制作过程屮发现，PWM占空比的线性变化使相应的电流虽非线性变化，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和运箅放大器做电流源，即釆用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、键盎模块、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:

电压输出单元（lm317）

52单片机

（89c52）

按键电路

Lcd1602显示

电源电路

图2-1-1方案设计图

采用常用的51芯片作为控制器，P2口和DAC0832的数据口直接扣连，DA的电压输出端接放大器lm358的输入端，设定放大器的放大倍数，输出到电压模块LM3317。

当MCU输出数据增加1的吋候，最终输出电压增加0.05V，当调节电压的吋候，可以以每次0.05V的梯度增加或荇降低电压。

Lcd1602示电路，显示四位数，分別组成显示电路的十位、个位、小数点两位。

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。

2.2主控单片机AT89C51单片机

2.2.1AT89C51简介

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统和输出管脚，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。

ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

此单片机的引脚图如图6-1所示：

图6-1AT89C51引脚图

2.2.2引脚说明

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，分別与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。

2.2.3AT89C51接口设计

如图6-4所示，课题设计用51系列单片机来对硬件控制，其中P0口对应数码显示接口与D/A转化模块的输入接口，P1口对应键盘接口与外接计算机控制，P2口对应A/D转化的输出接口和ULN2003的输入端。

图6-4单片机接口设计

2.3显示模块

2.3数码显示输出部分

这是决定系统使用是否方便的关键。

这里又有两个方案。

方案一：

采用电阵式液晶显示器（LCD）显示。

虽然其功能强大，可显示各种字体的数字，汉字，图象，还可以自定义显示内容，但是编程复杂，需要消耗大量时间完成显示部分的编程工作，成本也比普通数码管贵。

方案二：

采用通用LED数码管显示。

虽只能显示非常有限的符号和数码字，但是在本设计中完全满足显示需要，且编程简便，可节约大量时间。

分析以上两种方案的优缺点，本设计采用方案二。

数码管LED串口显示模块通常有两种显示方法:

动态显示和静态显示。

动态显示：

连接方法是将每个二极管的同名端连在一起，而每个显示器的公共极各自独立的接受I/O线控制，CPU向字段输出端口输出字型码，所有显示器接受到相同的字符，而要使用哪个显示器要取决于他们的COM的电平，而这段是由I/O端控制的，由单片机输出。

动态扫描时连续的动态扫描，只是肉眼暂留现象，乃发光二极管的余辉效应，给人的感觉是一组稳定的显示数据。

静态显示：

静态显示显示效果好，但是功耗大，但不占用端口，只需两个串口线输出，变成较为简单。

而且采用静态显示需要的驱动器件多，硬件成本相对更高。

比较以上两种方案，方案一硬件简单程序复杂，方案二硬件复杂程序简单，考虑到实惠和对自己的编程锻炼，选择方案动态显示。

动态扫描方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段（a—g和dp）同名端连在一起，而每个显示器的公共极各自独立的接受I/O线控制。

CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受到相同的字型码，但究竟使用哪个显示，则取决于公共极端，而这一端是由/WR和/RD控制的，由单片机决定何时显示哪一位。

动态扫描用分时的方法去轮流控制各个显示的COM端，使各个显示器轮流亮。

在轮流点亮扫描过程中，每为显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，给人的印象就时一组稳定的显示数据。

设计采用四位共阴个数码管显示输出的电压。

如上图

2.4三端可调稳压器

LM317是美国国家半异体公司的三端可调正稳乐器集成电路。

LM317的输出电压范围是1.25V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。

可调整输出电压低到1.2V,保证1.5A的输出电流。

典型线忱调整率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^电压范岡L25V至37V连续可调LM317工作原理：

LM317的输入最同电压为30多伏，输山电1.25…-32V...电流1.5A...不过在用的时候耍注意功耗问题...注意散热问题。

LM317有三个引脚.一个输入一个输山一个电压调节。

输入引脚输入正电压，输山引脚接负载，电压调节引脚一个W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。

图2-4-1LM317标准应用电路图

2.5运算放大器lm358

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的合。

特性：

内部频率补偿

直流电压增益高（约100dB）

单位增益频带宽（约1MHz）

电源电压范围宽：

单电源（3—30V）

双电源（±1.5一±15V）

低功耗电流，适合于电池供电图2-5-1lm358运放引脚图

低输入偏流

低输入失调电压和失调电流

共模输入电压范围宽，包括接地

差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）

2.5.2应用简介

Lm358高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。

可广泛皮用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大。

2.6数模转换芯片

D/A转换芯片DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。

它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放人器和参考电压VREF四大部分组成。

图2-6-1DAC0832的逻辑框图和引脚排列

引脚说明：

DI0~DI7：

数据输入线，TLL电平。

ILE：

数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。

CS：

片选信号输入线，低电平有效。

WR1：

为输入寄存器的写选通信号。

XFER：

数据传送控制信号输入线，低电平有效。

WR2：

为DAC寄存器写选通输入线。

Iout1:

电流输出线。

当输入全为1时Iout1最大。

Iout2:

电流输出线。

其值与Iout1之和为一常数。

Rfb:

反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.

Vcc:

电源输入线（+5v~+15v）

Vref:

基准电压输入线（-10v~+10v）

AGND:

模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.

DGND:

数字地,两种地线在基准电源处共地比较好

工作方式：

根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：

直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。

所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图：

D/A转换结果采用电流形式输出。

若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。

运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。

DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接

3.系统电路原理及硬件实现

3.1系统总体框图

系统的总体设计方案主要由微控制器模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块构成。

MCU

AT89C51

输出显（lcd1602）

数模转换

Dac0832

锁存器

74HC573

运算放大器（lm358）

锁存器

74HC573

按键部分

可调稳压器（lm317）

数模转换

Dac0832

输出

电源输入部分

图3-1硬件系统总框图

3.2系统模块电路设计

3.2.1单片机控制模块

MCU模块即为单片机部分，整个控制都是依靠单片机完成。

从功能和价位以及本题目要求来看，我选择51系列AT89C51作为本方案的控制核心，PO口U接液晶显示LCD1602作为输出数据显示传输，同吋P3.0、P.1、P.2是液晶LCD控制端口；P2口接两个锁存器74HC573作为扩展口接DAC0832数据传输,其控制脚分别是P3.3和P3.4，本设计采用直通方式；P3.5、P3.6接两个独立键盘作为输入键盘；其电路图见附录1；

3.2.2稳压输出模块（lm317）

LM317能够有许多特殊的用法。

比如把调整端