毕业设计论文(基于51单片机数控直流电源的设计

基于51单片机数控直流电源的设计 摘要 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。 关键词 单片机（MCU）；数模转换器（DAC）；模数转换器（ADC）；闭环控制 Based 51microcontroller numerical DC power supply design 惠州学院毕业论文 Author：Liu Xue Major：Electronic information technology Teacher：Huang Lin Title：Associate Professor Abstract paperbased 51microcontroller core numericalcontroller DC power supply design theory powersupply has some functions presettingvoltage， stepping adjustment， displaying outputvoltage signals currentsignals sametime. paperintroces generaldesigning plan system，which mainlyconsisted micro-controllermole， DC Regulators mole， voltage/current sampling mole， display mole， keyboard mole， power supply mole. single-chipmicrocomputer unitSTC89C52 DAC0832digital-to-analog converter chip reference voltage outputvoltage LM317 output voltage conversion mole size， while outputvoltage regulator， current use analog-to-digitalconverter ADC0832 chip sampling currentconverted digitalsignals， single-chipclosed-loop control achieve.Article mainDC power supply CNC performance parameters were measured developmentprospects. Keywords microcontroller (MCU)， Analog(DAC)，the Analog Digital(ADC)， closed-loopcontrol 1.1研究背景及意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 1.2 国内外研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 基于51 单片机数控直流电源的设计 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 2.2主控单片机(MCU) 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 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 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 1.前言 1.1 研究背景及意义 惠州学院毕业论文 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， 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， 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 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 国内外研究现状 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 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 基于51 单片机数控直流电源的设计 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来 结合美国Sorensen Amrel 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。 1.3 课题的主要内容 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 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:1A 电压步进:0.1V电压分辨率:0.02V 惠州学院毕业论文 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.方案与设计基础知识 2.1 方案设计与论证 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。 5、闭环控制理论的嵌入式软件实现。 特色及基本技术路线、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，PWM 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 基于51 单片机数控直流电源的设计 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： 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。 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 （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 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 惠州学院毕业论文 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 主控单片机(MCU) 2.2.1 STC89C52 简介 STC89C52 40个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 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 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 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。 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 基于51单片机数控直流电源的设计 图2-3 STC89C52 引脚图 2.2.2 引脚说明 主要管脚有：XTAL1（19 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 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 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 11脚定义为 I2C 总线控制端口，分别连接 N1 SCLS（19脚）端口，12 脚、27 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。 2.3 液晶显示屏（1602） 2.3.1 LCD1602 简介 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。 惠州学院毕业论文图2-4 LCD1602 1、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. 2.3.2 引脚接口说明 表2-1 LCD1602 引脚说明 编号 符号 引脚说明 VSS电源地 VDD电源正极 VL液晶显示偏压信号 RS数据/命令选择端（H/L） D0Data 1/0 D1Data 1/0 基于51 单片机数控直流电源的设计 D2Data 1/0 10 D3 Data 1/0 11 D4 Data 1/0 12 D5 Data 1/0 13 D6 Data 1/0 14 D7 Data 1/0 15 BLA 背景光源正极 16 BLK 背景光源负极 2.4 三端可调稳压器 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。 可调整输出电压低到1.2V。保证1.0A 输出电流。典型线dB 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 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。 LM317标准应用电路图 惠州学院毕业论文 图2-5 LM317 应用电路 LM317 的输出电压：Vout=1.25V(1+R2/R1)+I Adj R2。因为 Adj控制在小于 100uA， AdjR2 Vout=1.25V(1+R2/R1)。2.5 运算放大器OP07 OP07 低噪声高精度运算放大器 图2-6 OP07 引脚图 基于51单片机数控直流电源的设计 2.5.1 特点 1、低的输入噪声电压幅度—0.35 μVP-P (0.1Hz 10Hz)2、极低的输入失调电压—10 4、具有长期的稳定性—0.2μV/MO 5、低的输入偏置电流— 1nA 6、高的共模抑制比—126dB 7、宽的共模输入电压范围—14V 8、宽的电源电压范围— 3V 22V9、可替代725、108A、741、AD510 等电路 2.5.2 应用简介 OP07 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。可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比 较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器 仪表中。 2.6 数模转换芯片 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。如图2-6 所示，它由倒T 型R-2R 电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF 四大部分组成。 DAC0832 的逻辑框图和引脚排列。 10 惠州学院毕业论文 图2-7 DAC0832 引脚图 D0~D7：数字信号输入端。 ILE：输入寄存器允许，高电平有效。 CS：片选信号，低电平有效。 WR1：写信号1，低电平有效。 XFER：传送控制信号，低电平有效。 WR2：写信号2，低电平有效。 IOUT1、IOUT2：DAC 电流输出端。 Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻。 Vref：基准电压（-10~10V）。 Vcc：是源电压（+5~+15V）。 AGND：模拟地 NGND：数字地，可与AGND 接在一起使用。 2.7 模数转换芯片 2.7.1 转换芯片ADC0832介绍 ADC0832 是具有多路转换开关的8 位串行I\O AD 转换器，转换速度较高。正常情 况下，ADC0832 与单片机的接口应为4 条数据线，分别是/CS、CLK、DO 和DI，但由 于DO 与DI 在通信时并未同时使用，并且与单片机的接口是双向的，在/CS 变低后的前 个时钟周期内DI端被检测，DO 端呈高阻态。数据转换开始后，DI 线 单片机数控直流电源的设计 下一次转换开始，所以在I/O 口资源紧张时可以将DI 和DO 并联在一根数据线 接口说明 1、CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 2、CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/-使用。 CH1模拟输入通道 1，或作为 IN+/-使用。 4、GND 芯片参考 电位（地）。5、DI 数据信号输入，选择通道控制。 6、DO 数据信号输出，转换数据输出。 7、CLK 芯片时钟输入。 8、Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。 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、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。 12 惠州学院毕业论文 3-1 系统总体框图 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STC89C52 作为本方案的控制核心，P0 口接液晶显示 LCD1602 作为输出数据显示传输，同时P20、P21、P22 是液晶LCD 控制端口；P1 DAC0832作为输出数据传输，P30 为DAC0832 控制端口；P31、P32、P33 接三个独立键 盘作为输入数据传输；P34、P35 接容量为2K 的数据存贮器24C02，可以实现掉电数据 贮存和预置数据贮存；P25、P26、P27 接ADC0832 作为输入/输出数据传输。 13 输出显示 (LCD1602) MCU STC89C52 EEPROM 数据存储 (24C02) 数模转换 DAC0832 按键(三个) 电压 放大 OP07 可调 稳压 LM317 输出 模数转换 ADC0832 电压 跟随 TS914电压电路 电流放大并 转换成电压 (L272) 电压 采样 电流 采样 电源(+15V、-15V、+5V) 输入 基于51 单片机数控直流电源的设计 图3-2 单片机控制电路 3.2.2 稳压控制模块 本稳压控制模块设计主要是用DAC0832 输出的参考电压去控制LM317 输出大小 变化。其中DAC0832 的基准电压Verf 来源是通过调节LM336-5V 基准源。 控制器 STC89C52 的P1 口和DAC0832 的数据口直接相连，DA 的/CS 和/WR1 连接后接P3.0， /WR2 和/XEFR 接地，让DA 工作在单缓冲方式下。DA 脚接参考电压，参考电压电路如图3-3 所示，通过调节可调电阻调节LM336 的输出电压为5.12V，DAC 的输出 电流转换为电压的公式为： 所以在DAC0832的11 脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA 输入数 据端每增加1，电压增加0.02V。 在此电路中，R 为取样电阻，采用康铜丝绕制（阻值随温度的变化较小），阻值为 0.35，因而采样电阻的功率可以由P=I 算出。由图3-3和图2-5 LM317应用电 路分析可得，设运算放大器OP07 的输入电压分别为U i1 14惠州学院毕业论文 电压输出端接运算放大器OP07 的输入端，该放大电路运用了典型的差分式放大电路， 并由差分放大公式 o1=Au(U i1 i2)且放大值Au=（R17+R18）/R17，得输出电压与输 入电压关系 o1=（R17+R18）/R17*(U i1 i2)=（1K+4K）/1K*(U i1 电源输出电压为Uout=Uo1 +Uref*(1+R22/R23)=U o1 +1.25*(1+R22/R23)=U o1 +1.8，其中 Uref 为R23 两端的电压，所以最小输出电压为1.8V， 输出到电压模块LM317 的电压分辨 率=0.02V5=0.1V。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。 图3-3 稳压控制电路 3.2.3 电压与电流采样模块 15 基于51 单片机数控直流电源的设计 图3-4 采样电路电压与电流采样模块是系统的重要组成部分，ADC0832 是一个8 位的逐次逼近型 ADC，它与一个两通道的模拟器连接，能对来自端口的两路单端输入电压进行采样。其 中单端电压输入以0V (GND) 为基准。对ADC 的说明：以输入电压为标准，如果输入 电压大于设定的电压值，则减小DA 输出电压一位数值，再采样回为比较，如此循环， 直到输入的电压等于设定的电压值或者接近设定的电压值（有时不可能完全相等）。同 理，如果输入电压小于设定的电压，则增大DA 输出电压一位数值，再采样回为比较， 如此循环，直到输入的电压等于设定的电压值或者接近设定的电压值。这样，就能达到 闭环反馈的目的。 （1）电压采样电路 电压采样电路(如图3-5 所示)是在输出回路中并联两个可调电阻，调节使R12/ （R11+R12）=1/5，则从两个电阻之间采样电压为0.2Uo(Uo 为电源输出电压)与系统DA 转换5U 对应，然后通过运算放大器TS914连接成的电压跟随器，对采样到的电压输入 到模数转换器ADC0832 转换成数字信号，输入到单片机系统进行处理。 16 惠州学院毕业论文 图3-5 电压采样电路 （2）电流采样电路 电流采样电路(如图3-6 所示)，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器 对采样电压进行放大，再送到ADC 进行A/D 转换。最后数据由单片机系统进行相应处 理，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。在输出回路中串联一个采样 电阻，从采样电阻上得到一个反馈电压。由运算放大器L272 组成的差分比例运算电路， 输出电压为U =R16/R15*(Ui1 i2)=20*(U i1 i2分别为采样电阻R19 两端的电 压。由于采样电阻阻值(0.35Ω)很小，在该电阻上的压降相应也小，即压降就为电流。其 电流控制电路图如图3-6 所示，放大倍数Au=R16/R15=60/3=20，经运放过来的电压通 转换，送给单片机处理，从而实现压控稳流。17 基于51 单片机数控直流电源的设计 图3-6 电流采样电路 3.2.4 显示模块 显示的方式很多，主要分为两类：LED 显示，LCD 显示。前者显示亮度高，制作 成本低，适合做远距离显示，但由于其耗电较大，所用端口随显示的数据位数增加而增 加。如果采用动态扫描方式显示，则占用CPU 的时间，如果采用静态显示则需要加锁 存器，耗费硬件制作时间，就该题目要求来说，需要设定电压显示，又与实际电压比较 再显示，LCD 显示更为清晰、直观，从上面诸多因数来看，采用LCD 显示比较理想。 LCD 最常用的就是1602 液晶模块。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，可以清晰显示出同时还能 显示英文名称和电压/电流单位，电压(三位数字:十位、个位、小数位)，电流（三位数字： 个位、两位小数）。通过单片机编程控制第4 脚RS 数据/命令选择端(H/L)，第5 使能信号，从而实现显示效果。它的显示运行原理如下：读状态：输入：RS＝L，RW=H，E=H；输出：D0～D7=状态字 写指令：输入：RS＝L，RW=L，D0～D7=指令码，E＝高脉冲；输出：无 读数据：输入：RS＝H，RW=H，E=H；输出：D0～D7=数据 写数据：输入：RS＝L，RW=L，D0～D7=数据，E＝高脉冲；输出：无 18 惠州学院毕业论文 图3-7 LCD1602 显示电路 3.2.5 电源模块 电源模块是让AC220V 电源通过变压器降压，整流滤波后得到要调节电源输入端 （POWER-INPUT）；降压为AC15V 整流滤波后经过三端稳压7815，7915 得到DC 15V 电压为运算放大器供电；同时，降压为AC5V 整流滤波后经过三端稳压7805 得到DC+5V 电压为单片机和其它芯片提供工作电源。 图3-8 电源电路 19 基于51 单片机数控直流电源的设计 3.2.6 键盘模块 系统中键盘模块设计三个按键KEY1、蓄电池回收多少钱一斤KEY2、KEY3，如图3-9 所示，分别由单片 机P31、P32、P33 口输入。KEY1 为翻页按键，最近设置的电压大小保存在EEROM里 面，比如5 个电压，按一下KEY1，电压变为下一个，省去了反复设置电压的麻烦，KEY2 为电压+，KEY3 为电压-，按一下KEY2，当前电压增加0.1V，按一下KEY3，当前电 压减小0.1V。 图3-9 键盘电路 3.3 系统整体原理图 本设计的数控直流电源是由STC89C52 为主控模块，DAC0832 为数模转换器， ADC0832 为模数转换器，三端稳压可调LM317 为控制输出芯片，键盘模块由三个独立 按键组成；系统实现闭环控制。系统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，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。 系统整体原理图(见附录1)。 20 惠州学院毕业论文 4.系统的软件设计 4.1 软件设计思路 当系统上电，立刻进行初始化，分别是端口初始化，D/A、AD 初始化，定时器初 始化；然后系统默认电压，默认电流。基本思路：按键扫描 转换、电压/电流数值显示 转换并比较纠正电压/电流数值显示按键扫描，按前述循环。 4.2 系统软件流程 4.2.1 主程序模块 流程图如图4-1 示，负责与各子程序模块的接口和检查键盘功能号。程序运行后， 开始检测是否有键按下，若有则进入设定按键功能。液晶LCD1602 直接显示CPU 设定 的数值，使CPU 资源得到充分利用。同时系统不断采集外部数据，经过相关运算、分 析，然后发出命令对实际值进行相应的修正，控制输出电压可调、稳定。 21 基于51 单片机数控直流电源的设计 图4-1 主程序流程图 22 初始化 开始 调用闭环程序比较子程序 子程序是空载 标志置数 调用电压设定子程序 0．1V子程序 0．1V子程序 惠州学院毕业论文4.2.2 闭环比较程序模块 流程图如图所示，通过调用闭环比较子程序得出实际值与设定值的差值，如 果是实际值大于设定值则将原来的显示设定值减去这个差值再送去转换，如果是 实际值小于设定值则将原来的显示设定值加上这个差值再送去转换。 图4-2 闭环比较流程图 23 保护现场 实际—设定 差值大于1 负标志位为0 显示设定值+差值 显示设定值-差值 把结果显示 保留显示设定值 恢复现场 返回 基于51单片机数控直流电源的设计 5.系统测试与误差分析 5.1 系统测试 5.1.1 软件测试 1、测试软件 程序编译器keil uvision2 程序烧录器STC-ISP V35 2、编译结果 在编制完C 语言后，即在keil uvision2 界面下，进行了调试，结果如下： 根据提示，我找到了，程序在编写上的错误，加以改正，再次进行调试。通过上述 简单的测试，证明此次设计的程序基本上正确无误。然后，将烧录了程序的单片机 STC89C52 接到系统电路中，查看系统电路的运行情况；如果程序逻辑有问题可进一步 修改，直到系统正常运行。 5.1.2 硬件测试 1、DAC0832 的参考电压的调试，调节滑动变阻器R10 使三端稳压器LM336-5.0 定输出电压为5.12V。由于三端稳压器LM336-5.0性能不稳定和输出要求精度高，必须 要细心、耐心调试，直到输出电压达到要求。 2、运放OP07 的正输入端电压是来自于DAC0832 的输出。调试过程中，不但要测 量正输入端电压是否按0.02V 步进，而且还要测量OP07 的输出端电压是否为0.1V 进；由于电阻会存在误差，测试时又要考虑是否需要稍微增加或减少DAC0832的输入 参考电压V ERF ，以保证系统的精确度。 24 惠州学院毕业论文 3、运放OP07 采用双电源供电。如果双电源存在不平衡性会造成放大的误差，这时 候需要调零，细心、反复调节滑动电阻R21 使放大系统达到平衡。 4、数控电源的最终输出端没有达到步进为0.1V 的指标，检查三端稳压器LM317 性能的好坏和是否有误差；如果LM317 性能良好，需要协调前面三个步骤的调试，使 最终的输出电压达到要求。 5.1.3 系统整体测试。 1、测试工具 开关电源T-50 系列 双踪示波器 数字万用表 2、测量结果 表5-1 电压测试表 系统理论值 系统测量值 误差(V) 显示电压值（V） 理论码值（bit） 实测码值（bit） 实测电压值(V) 3.0 00011110 00011110 3.2 0.2 4.5 00101101 00101100 4.6 0.1 5.0 00110010 00110001 5.1 0.1 5.5 00110111 00110110 5.6 0.1 6.0 00111100 00111011 6.0 6.501000001 01000000 6.6 0.1 7.0 01000110 01000101 7.2 0.2。

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。