数控电压源的设计论文.docx

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数控电压源的设计论文

XXXXXXXXXXXXXX

本科生毕业设计（论文）

学院：

XXXXXXXXXXXXXXX

专业：

XXXXXXXXXXXXXXX

学生：

XXXXXXXXXXXXXXX

指导教师：

XXXXXXXXXXXXXXX

完成日期：

XXXXXXXXXXXXXXX

XXXXXXXXXXXXXXXXX本科生毕业设计（论文）

数控电压源的设计（实物制作）

总计毕业设计（论文）38页

表格3表

插图17幅

摘要

本课题以LM2576-ADJ作为调整输出电压的主控器件，通过调节按键来调整输出电压。

同时借助AD0832进行A/D转换并一次将需要显示的信息提供给数码管。

本系统由五个模块构成，分别为LM2576输出电压控制模块、单片机、数码管显示模块、整流滤波模块以及AD0832A/D转换模块，通过这几个模块的有机组合，构成一个完整的数控稳压电源。

该稳压电源具有数字显示功能，还具有能耗低、电压稳的优点。

关键词：

LM2576；输出电压；单片机；数码管

Abstract

ThistopictoaLM2576-ADJasmaincontroldevicetoadjusttheoutputvoltage,byadjustingthesliderheostatvaluetoadjusttheoutputvoltage.AtthesametimeuseAD0832toA/DconversionandAwillneedtodisplaytheinformationprovidedtodigitaltube.Thissystemiscomposedofsixmodules,respectivelyLM2576outputvoltagecontrolmodule,microcontroller,digitaltubedisplaymodule,rectifierfilteringmodule,AD0832A/DconversionmoduleandDS18B20temperaturemeasurementmodule,throughtheorganiccombinationofseveralmodules,constituteAcompletenumericalcontrolregulatedpowersupply.Theregulatedpowersupplywithdigitaldisplayfunction,butalsohastheadvantagesoflowenergyconsumption,thevoltagestability.

Keywords：

LM2576;Theoutputvoltage;Singlechipmicrocomputer;Digitalt

第一章概述

1.1引言

电源技术的发展在现代工业的发展中起到了不可替代的作用。

各行各业的发展都离不开电源，随着技术的不断发展，对电源的性能要求越来越高，电源提供电压的稳定性以及电压的精度是电源的重要性能指标。

为了提高电源的性能，数控电源技术应运而生，经过多年的发展，应经成为一个热门的研究领域。

数控电源技术发展到今天已经成为了一个与多个学科（电子、控制等）理论相互交织的综合学科。

新技术的不断发展，为数控电源技术的发展提供了更先进的实验设备和试验方法，但也提出了更高的性能要求。

随着科技的不断进步，对电源有精确控制要求的领域越来越多，传统的电源显然是满足不了需求的，因此，数控电源的市场越来越大，研究的人也越来越多，数控电源已经成为当今世界各行各业发展必不可缺的重要设备。

电源的数字化、智能化是电源技术的未来发展方向。

在实验室中，稳定的可调直流电源有着不可取代的地位，很多实验的成败都取决于电源的性能。

一般常见的直流稳压电源主要通过粗调波段和细调电位器的手段来控制对电压的输出，电压值的读取依赖于指针的显示，这种方式具有以下几个面向的缺点：

（1）指针式的电压值获取方式不够精确，误差较大；

（2）对电压稳定性的控制能力不够精细；（3）电压的调节难度很大；（4）电位器比较容易磨损；（5）电路的构成极为复杂，导致电源的体积很大，给使用带来很多不便。

上述问题的一个比较理想的解决方案就是将电压值的获取以数字显示的形式给出，同时基于单片机进行控制。

本文的主要思路是，基于单片机和外围电路，以及其他元器件实现数控式可调稳压电源的设计。

该设计具备设定显示电压值输出、输出稳定电压值、存储等便捷功能。

在此作品的研究和设置过程中，设计者能更熟练的掌握单片机基本原理，还能学习到一些外围电路的基础知识，更重要的是，使用c语言进行软件开发的能力得到了较大的提升。

1.2数控电压源的意义

在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到关键性的作用。

电源技术尤其是数控电源技术是一门可用于各行各业的，实践性很强的工程技术。

电力电子技术是电能应用的最佳技术之一。

现如今电源技术囊括了电气、电子、控制理论、系统集成和材料等诸多3.3STC89C51单片机引脚说明学科领域。

随着通讯技术和计算机不断发展的现代信息技术革命，给电力电子技术创造了广阔的发展空间，同时也对电源的提供提出了更高难度的要求。

因为数控电源在电子装置中有较高的使用率，普通电源在使用中产生的极小误差都会影响整体系统的精确度。

电源在使用时会造成诸多不良后果，正因为如此，电源的数字化控制才成为了人们追求的永恒目标之一，它为人类提供的方便也是无可估量的，其中数控直流稳压电源的成功就是一个典型例子，这使得人们对它的性能要求也越来越高。

简言之，要想为现代人的工作，生活，科研，提供更好更方便的设施就得从数字电子技术入手，一切以数字化，智能化方向发展为目标。

对我们学生而言，能在大学的实验室和课程设计中，一个稳定可调的直流电源是十分有必要的。

传统的直流稳压电源输出电压是通过细调电位器及粗调波段来调节的，并由电压表指示电压值的大小。

这种直流稳压电源有电位器易磨损、读数不直观、稳压精度低、调准难、电路构成不简化、体积大等显而易见的缺点，而以单片机控制为基础的数字式可调稳压电源可以轻松解决以上问题。

此设计主要采用单片机和外围电路及其它元器件，设计一个数控式可调稳压电源。

该设计具备设定显示电压值输出、输出稳定电压值、存储等便捷功能。

在此作品的研究和设置过程中，设计者能更熟练的掌握单片机基本原理，还能学习到一些外围电路的基础知识，更重要的是，大幅度的提高了C语言的软件编程能力。

1.3国内外现状研究

数控电压源技术作为通信工程的一个重要的研究方向，经过多年的不断发展，已经成为一种体系完整的高科技技术。

信息产业是数控电压源技术早期的主要应用领域，随着信息技术的不断发展，对数控电压源技术的要求越来越高，同时信息技术的发展成果也不断的应用到数控电压源技术领域。

这样，二者形成了一个相互促进、相互借鉴的关系，在这种相辅相成的关系的促进下，二者都取得了长足的发展。

发展到今天，电源已经成为各行各业必不可少的设备，对电源技术的研究也扩展到了各行各业。

目前电源技术的主要前进方向是设计制造频率更高、效率更高、密度更高、电流更大的低压多元化电源，另外，为了适应全球一体化发展进程的要求，封装和外形尺寸的标准化也是一个不可阻挡的趋势。

电源技术发展到今天，产生了各种各样的技术，也设计制造了样式各异的电源。

当前，在主流市场上占有一定份额的主要有：

整流焊接电源DC/DC开关电源、UPS、线性稳压电源、光伏逆变电源、点解电镀电源通讯用的AC/DC开关电源、正弦波逆变电源、交流变频调速电源、风光互补型电源、电力操作电源、中频感应加热电源等。

影响用户对电源的选择的要素有很多，其中主要的有：

品牌效应、价格因素、电源性能等，而为了更好的应对客户的需求，各电源生产厂商都将发展目标定位于数字化、绿色化、智能化、模块化。

1.4数控电压源的设计要求

本设计的目的是为不同型号的低压电器提供稳定的电压，通过调节按键可调出0～20V稳定的电压，方便使用。

本设计主要是基于LM2576而设计制作用7805可直接输出+5V稳定的电源为单片机供电。

第二章方案论证与比较

根据对现状的分析，以及选题的指导，本课题的主要任务是设计出能够数字显示的数控稳压电源，为了实现这个功能，本文将所要设计的系统划分成了四个功能模块：

按键模块、单片机模块、输出电压控制模块、LED显示模块。

如图2-1所示：

图2-1功能模块图

2.1输出电压控制模块

输出电压控制模块的实现依赖于稳压器的选择，常见的稳压器有两种：

LM317和LM2576，下面对这两种稳压器进行简介。

LM317可以提供1.2~37V范围内的电压输出，能够提供的电流为1.5A，是一种三端可调节的线性正电压稳压器。

LM317基于线性调节的工作方式，会导致大量的热量流失，带来的坏处一是效率变低，二是浪费的热量还会给稳压器带来负担，需要散热。

最重要的是单片机不能直接到LM317。

LM2576可以提供1.23~18V范围内的电压输出，能够提供的电流为3A，是一种降压型的开关式稳压器，采用完全导通或关断的方式取代线性调节的方式，减少了热量损耗，提升了工作效率，同时还内置了过热和过流两种防护措施，可以摆脱散热片。

综上所述，LM2576的性能明显优于LM317，因此本文选用LM2576作为输出电压控制模块。

2.2显示模块

显示模块也有多种备选方案，最常用的有LED数码管和LCD液晶显示屏。

两种显示方式各有优缺点，LED价格简单、使用方便而且亮度较高，但能耗大；LCD功耗小、接口简单、显示清晰，但价格昂贵，使用复杂。

结合对比权衡以及课题的具体需求，本文决定选用LED作为解决方案。

2.3控制芯片的模块

芯片的控制模块主要靠单片机来实现，单片机有有多种型号，比较常见的有两种，分别是：

51系列单片机和凌阳系列单片机。

51系列单片机的优势是价格便宜，有较强的算术计算能力，而且逻辑控制算法的实现比较灵活，同时功耗较低、技术比较成熟，有很好的抗干扰性能。

凌阳系列单片机可以看作是专业版的51系列单片机，其可以实现更加复杂的逻辑控制，进行了更高层次的聚合，体积进一步减小，运算速度进一步提高，常用于大规模系统的控制，但价格比较昂贵。

因为51单片机价格低于凌阳系列，且本次设计需要的处理速度较低，出于经济和方便的角度考虑，方案1为最佳方案。

2.4按键模块

键盘接口通常包括两部分，一是硬件部分，二是软件部分。

硬件是指主机的连接方式及其键盘的结构；软件是指键盘的管理程序。

常用的按键有三种：

机械触点式：

利用金属的弹性使按键复位。

导电橡胶式：

利用橡胶良好的接触性使按键复位。

柔性按键：

面板布局还有外形等可以按照整机要求设计，在使用寿命、防潮、防锈、价格等方面体现出其较强的优越性。

第三章控制电路设计

3.1STC89C51简介

STC89C51是CMOS8位微控制器的一种，具有功耗低、性能高的特点。

STC89C51在单芯片上有8位的CPU以及系统可编程Flash，同时整体上还包含了8K的系统可编程Flash存储器，这些特性使得STC89C51具备了灵活有效的特征，也使得它可以适用于非常多的嵌入式控制应用系统。

STC89C51主要由以下部分组成：

256ByteRAM、4KEEPROM、4KByteFlash、MAX810复位电路、32位I/O口线、16bit定时器/计数器3、看门狗定时器、全双工串行口等。

STC89C51在频率为0时进行相关的逻辑操作，它提供了两种节电模式，软件可以在两种中任意选择。

当处于空闲状态时，进入空闲模式，CPU不再工作，但是RAM、串口等部件却可以继续工作；当处于掉线状态时，进入掉线保护模式，RAM中的内容可以被保存下来，其他一切操作都停止，直到硬件恢复正常或下一个中断到达为止。

图3-1STC89C51引脚图

3.2STC89C51主要相关参数

1.内核：

51内核；

2.内存容量：

512B;

3.中断源:

8个；

4.通用I\O口：

32\36个；

5.UART：

1个；

6.外形封装：

40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等；

7.工作频率：

0~40MHZ;

8.定时器\计数器：

16位3；

9.Flash容量：

4KB;

10.工作电压：

3.8~5.5V；

11.机器周期：

6时钟（增强）/12时钟（普通）。

3.3STC89C51引脚说明

GND：

接地。

VCC：

供电电压。

P0口：

P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每个引脚可用来吸收8TTL门电流。

如果P0口的管脚接收到的第一个写入为1，那么就代表此输入为高阻输入。

P0还可以作为存储器来使用，作为第八位数据/地址，外部程序可以对其访问。

另外，P0口在FIASH编程中的主要作用是提供原码的输入口。

P1口：

P1口也是一个8位双向I/O口，并配有内部上拉电阻，可以接收4TTL门电流。

P1口即可以作为输入，也可以作为输出，具体是输入还是输出由电平的高低决定，高电平时为输入，低电平时为输出。

用于FLASH编程时，作为第八位地址接收。

P2口：

P2口也是一个8位双向I/O口，并配有内部上拉电阻，可接收4个TTL门电流。

P2口也是既可以作为输入，也可以作为输出，输入还是输出也是取决于管脚电平，当管脚处于高位时是输入，当管脚处于低位时是输出。

P2口也可以用于外部程序的数据存储，以及FLASH编程。

P3口：

P3.0：

串行输入口

P3.1：

串行输出口

P3.2：

外部中断0

P3.3：

外部中断1

P3.4：

记时器0外部输入

P3.5：

记时器1外部输入

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

I/O口既可以作为输入口，也可以作为输出口，当作为输入口时，可以通过对端口或引脚的读取进行工作。

对端口进行读取时，数据主要来自于端口锁存器，而不是外部，在内部总线中对所读取的信息进行各种操作以后，再重新写入端口锁存器。

当对引脚进行读取时，数据是真正来源于外部。

在上面对STC89C51引脚进行描述的图中，可以看到两个三角形，这两个三角形分别代表的就是对端口和引脚的读取操作。

具体什么时候通过端口，什么时候通过引脚，并不是本文关注的内容，相应的输入缓冲器CPU会自动进行处理。

需要注意的是，在对引脚进行读取之前，必须对端口进行置1操作，只有这样才能确保读入的准确性，若对端口进行置1操作，即使引脚上输入的确实为1，那么在场效应管低阻抗效应的影响下，使得实际的输入就未必是1。

正是由于这个对端口置1的准备动作的存在，这样的I/O口通常会被称为准双向口，STC89C51的P0到P3口都是这种情况。

ALE/PROG：

当对外存进行访问时，低位字节被锁存于地址锁存的输出电平。

当用于FLASH编程时，这个引脚的主要作用是输入编程脉冲。

平时状态下，ALE以1/6振荡器频率稳定的输出正脉冲信号。

它的这种特性使得它可以被当做外部输出脉冲使用，也可以提供定时的功能。

当作为外存使用时，该引脚将跳过一个ALE脉冲。

将SFR8EH地址置为0可以有效的对ALE的输出进行禁止，处于这种状态时，只有遇到MOVC或MOVX指令时，ALE才会被激活，并且引脚会被少量的拉高。

RST：

复位输入。

/EA/VPP：

当/EA处于低电平状态时，不管有没有内部程序存储器，都使用外部程序存储器。

需要注意的是，当采用加密方式1时，/EA会将内部锁定为RESET状态。

当/EA处于高电平状态时，将使用内部程序存储器。

当用于FLASH编程时，该引脚的作用是提供12V的编程电源。

/PSEN：

外部程序存储器选通信号。

当从外部程序的存储器中读取指令时，/PSEN是有效的，但当访问的是外部的数据存储器时，/PSEN是无效的。

XTAL1：

来自内部时钟工作电路和反向振荡放大器的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.4单片机最小系统

单片机最小系统指的是整个单片机系统最核心和必不可少的部分，主要包括单片机以及时钟、电源和复位等部件。

当单片机处于最小系统状态时，可以执行，并提供最基本的功能，而要实现比较复杂的功能就需要对最小系统进行扩展，如增加存储器和A/D转换。

是包含ROM/EPROM的，简单可靠的单片机最小系统。

STC89C51单片机的结构在图3-2中，通过图3-2可以看出，只需将STC89C51芯片接上复位电路以及电源，就可以作为最小系统来使用，但此时它能提供的控制功能是非常有限的，也因此只能用于小型控制单元。

图3-2单片机最小系统图

1.时钟电路

STC89C51单片机的时钟信号可以通过内部时钟方式和外部时钟方式两种方式产生。

其中内部时钟方式如图3-3所示。

在图中可以看出，内部时钟依赖于振荡电路，当XTAL1和XTAL2引脚外接上晶振时，振荡电路就会变成自激振荡器，这样内部的时钟信号就会不断的产生。

图中的两个电容主要用来快速振荡并维持频率稳定，电容值维持在5~30pF之间，典型状况下为30pF。

晶振的振荡频率需要控制在1.2~12MHz之间，一般取12MHz或6MHz。

图3-3内部时钟电路

2.复位电路

当RST引脚上的高电平在两个机器周期中连续出现时，复位操作就会被触发。

若两个周期以后电平的状态还是高电平，那么复位操作就一直被执行下去，直到电平状态恢复到低电平为止。

常见的复位电路实现方式有按钮手动复位和上电自动复位两种。

最简单的自动复位依赖于复位电容的充放电，只要Vcc的上升时间在1ms之内，就可以实现自动复位；手动复位需要借助人工按按钮的操作，有两种比较常见的方式：

脉冲和电容，其中电平复位依靠电源Vcc与RST（9）端的连通来实现，本文选用的就是手动复位方式。

图3-4给出了手动复位的电路图，当时钟频率的要求是11.0592MHZ时，电容值取10uF，电阻值取10kΩ。

图3-4按钮复位电路

3.5中断技术

中断技术主要是指单片机在中断请求源的请求下，做出快速有效的处理，在实时控制、检测中发挥着重要的作用。

中断技术的实现依赖于单片机中的中断系统。

当中断请求指令到达单片机时，正在执行的主程序会被强制暂停，中断服务处理程序开始运行，当中断服务处理程序执行完毕以后，主程序重新被唤醒，从之前的断电出继续执行。

图3-5给出了中断的响应以及处理的整个流程。

图3-5中断响应和处理过程

中断技术在提高单片机效率上的作用是非常显著的，因为若没有中断系统，单片机就需要不断的查询是否有新的服务请求，这种查询是对资源的极大浪费，而中断技术，使得当新的服务请求发生时，直接进行处理，能够有效提高单片机的效率，更好地满足实时性的要求。

第四章数控稳压电源电源电路模块

4.1整流滤波电路

市电是交流电，其电压虽然标识的是220V，但实际上220V只是一个平均值，它存在着波动，因此当需要比较稳定的直流电压时，就需要整流滤波操作。

整流滤波的操作有整流滤波电路来实现。

本文选用的整流滤波电路是桥式的，因为桥式的实现非常简单，而且能够达到本文的需求。

桥式电路的结构如图4-1所示。

图4-1桥式整流滤波电路图

4.2输出电压控制的设计

LM2576系列开关稳压集成电路的常见功能性能指标如下：

（1）开关频率：

52kHz;

（2）最大输出电流：

3A;

（3）工作模式：

有正常模式和低功耗模式两种，可以通过外部控制进行选择;

（4）所需外部元件：

可调6、不可调4;

（5）输出电压：

常见的有ADJ（可调）以及3.3V、5V、12V、15V，可以根据需要进行选择;

（6）工作模式控制：

TTL电平兼容;

（7）转换效率：

受输出电压的影响，在75%～88%之间波动;

（8）最高输入电压：

LM2576HV/LM2576（60V/40V）;

（9）器件保护：

主要有电流限制和热关断两种形式;

（10）控制方式：

PWM;

（11）工作温度：

零下40摄氏度到零上125摄氏度之间；

（12）封装形式：

TO-220或TO-263。

电压控制电路的设计，以LM2576为中心，再配以滑动变阻器、电容、二极管以及电阻等元器件，通过对滑动变阻器的控制实现输出电压的变化。

电容等元器件的使用要遵循一定的规则：

C3的输入电容值大于或等于100μF，而且需要在尽可能靠近输入引脚的位置进行安装，相应的耐压值能够承受最大输入电压等。

C4的输出电容值计算公式如下所示（μF）：

C≥13300×Vin/Vout×L

上面的公式中，Vout代表的是输出电压，Vin代表的是最大输入电压，L指的是电感L1的取值，来自于计算和查表，以μH作为度量单位。

为了安全使用，电容的耐压值不能小于电压的1.5到2倍，同样道理，二极管的额定电流也不能小于最大电流的1.2倍，同时为了避免短路带来的击穿风险，二极管的额定电流值还不能比LM2576的最大电流值小，二极管的反向电压也要至少为输入电压的1.25倍。

基于以上论述的考虑，本文决定选用肖特基二极管，以满足本设计的需求。

在系统设计中考虑到单片机和其他器件的电源供电问题而用一个变压器将220V交流电后再经电桥整流，获得25V的平稳电压，然后用稳压管L7812、L7805分别进行两次稳压，获得12V和5V的稳定电压，5V是AT89S52单片机的工作电压。

具体电路如图4-2所示：

图4-2电源输出电路图

4.3D/A转换和显示电路的设计

DAC0832是一种D/A转换芯片，具有双通道、8位分辨率的性能，由美国半导体公司生产。

DAC0832因为其性价比高、兼容性强、体积小的优势，占据了很大的D/A转换芯片市场份额，是很多单片机用户的首选。

学习并熟练使用DAC0832可使我们了解D/A转换器的原理，并提高我们单片机技术的水平。

芯片如下（图4-3）所示：

图4-3DAC0832芯片图

芯片接口说明如下所示：

DO：

信号输出接口，主要用于D/A转换的输出；

DI：

信号输入接口，主要用于命令的输入；

CLK：

时钟，频率不超过600K赫兹；

CH0：

频道0，可作为正/负输入端使用；

CH1：

频道1，可作为正/负输入端使用；

GND：

接地；

Vcc/REF：

电源输入/参考电压输入。

CS_：

片选，只有在低电平时才能发挥作用；

DAC0832的工作原理：

单片机与DAC0832之间通常需要用四根数据线相连，分别是CLK、CS、DO、DI。

但考虑到DI和DI在实际的使用过程中，不会同时同时被占用，而且单片机接口通常也是双向的，因此在实际的使用中DI和DO可以用一根数据线并联连接。

当DAC0832的CS端的电平为高电平时，DAC0832是无法工作的，此时DI/DO端口以及CLK端口的电平不产生任何影响，因此可以任意选择；当DAC0832的CS端的电平为低电平时，DAC0832芯片进入工作状态，此时时钟脉冲通过CLK端输入，数据信号也通过DI端进入，当第1个脉冲行将结束时，DI端必须处于高电平状态，以便信号的启动。

DI端使用2位的数据对通道功能的选择进行编码，此步骤完成在第2、3个脉冲下沉之前。

这两位编码可以组合出四种情形如下：

当编码为“11”时，只有CH1通道起作用；当编码为“10”时，进队CH0通道起作用；当编码为“01”时，CH1被当成正输入端使用，而CH0责备当成负输入端使用；当编码为“00”时，CH1被当做负输入端使用，而CH0则被当作正输入端使用。

当第三个脉冲结束以后DI端的使命就完成了，DO端开始发挥作用，将转换的数据读取过来并进行输出。

从第四个脉冲完成，一直到第十一个脉冲完成，DO端会按照从高到低的顺序依次输出一个字节的8位转换结果，从第十一个脉冲