[硕士论文精品]数控稳压电源论文

数控直流电源摘要本实验设计了一个以单片机89C51为基本控制核心的简易数控直流电源。该设计包括直流电源输入及输出两部分，可完成09V之间各不同幅值的电压的输出，输出电压并直接显示到液晶显示屏上，并可扩展输出正弦波三角波方波等波型。其中电压输出部分，既可手动的每按”键一下进行每01V大小的上下调整，也可长按”键使其自动的递增或者递减，直到需要的数值。单片机编程部分是基于KEILC软件上设计，并在实物上进行了验证。该系统具有抗干扰性能好，可靠性高，及最终输出电压值与真实显示值精确度较高等优点。关键词89C51，直流电压输出，直流电压输入ABSTRACTTHISEXPERIMENTHASDESIGNEDTAKEMONLITHICINTEGRATEDCIRCUIT89C51ASTHEBSICCONTROLCORSIMPLNUMRICALCOTRLDIRECTCURNTPOWERSUPLYTIDSIGNIPUTSANDOUTTSTWOPARTSINCLUDINGTHDIRECTCURENTPOERSUPLY,MAYCOMPLETBETWE015VEACHDIFERTPEAKTOPAKVALUVLTAGOUTT,THEUTOATICSCANOUTPTVOLTGNIRCTLYDMNSTRTEDONTHELEDNUMRICALCODEISPLAYTBE,ANDMAYEXPANTHEOUTPTRIAGLWAV,ANDSOONVOLTAGETYPVOLTAGEOUTPTUIT,LSOYMUALVERYTIMEPRESS“THEKEYTCARONEACH01VSIZEABOTOADJUST,ALSOYLONGPRSS“THEKEYTOUSEITSUTOMTICTOINCRESEPRGRESSIVELYORTDECRASEROGRESSIVLY,UNTILNEDTHEVALE,CARIESOTHETRIMINGMNLITHICINTGRTEDCIRCUITPROGRAMINGPARTISAGINDSIGNSBASEDOWAVE60SOFTWAREON,ANDCARIESNTHETSTOTHEMTERIALOBJECTDEUGING,THISSYSTEMHSTHRSISTACETOITRFRNCEWL,TRLIILTYISHIG,ADFIALYOUTPTVOLTAGEVALUENDREALDEMOSTRATIONVALUEPRECISIONIERMERITKEYWORD89C51,DCVOLTAGEOUTPT,DCVOLTAGEINPUT学校SMC设计者ZHF，OL，HLF完成日期201720数控直流电源三明学院物理与机电工程学院2目录1设计任务及要求11设计任务212设计要求121设计要求2122发挥部分32方案比较并确定21设计方案一3211方案一方框图212方案一原理框图422设计方案二221方案二方框图4222方案二原理框图523方案的优缺点及选择3硬件部分原理及设计531单片机部分32数模转换部分633运算放大和功率放大部分734电压测量部分835按键部分936液晶显示部分37电源输入部分94软件部分设计1041主程序流程图5系统调试测验151系统调试52系统测试12521系统功能测试522系统指标测试12523系统误差分析6总结137参考资料8附录14数控直流电源三明学院物理与机电工程学院3一设计任务及要求1设计任务设计制作具有一定电压范围和功能的数控电源原理如题目所示。2设计要求1基本要求A输出电压范围099V步进01V纹波不大于10MVB输出电流500MAC用”键控制输出电压进行增/减调整发挥部分A自动扫描输出电压B扩展输出三角波等电压种类C输出电压可预置在015V之间的任意值二方案比较并确定根据设计要求，小组成员拟列了2个方案，原理上基本能够实现要求1方案一是以型号89C51单片机为控制核心进行设计的，通过按键进行控制，单片机控制数模转换芯片DAC0832，其输出050V的电压，因为要求电压为010V所以必须再经过放大器放大，并通过稳压电路和功率放大电路输出一个较稳定的直流电压，并在液晶上显示出来，并时刻刷新调整电压后的幅值。A方框图如下B原理框图如下稳压及功率放大放大器数模转换单片机键盘液晶显示输出电源输入模数转换测量部分数控直流电源三明学院物理与机电工程学院42方案二是以单片机89C51为控制核心，外接按键进行控制，单片机控制8个继电器，且每个继电器串联一个一定阻值的电阻，电阻之间的关系为以2为参数的等比数列，继电器之间为并联形式。最终电压幅值可经过一个稳压电路后稳定输出。且最后输出的电压值可通过单片机控制在数码显示管上显示出来，并时刻刷新调整电压后的幅值。A方框图如下稳压器等比电阻网络8个继电器单片机键盘输入电源输入稳压输出显示输出数控直流电源三明学院物理与机电工程学院5B。原理框图如下3两种方案比较方案一的电源电压切换采用DAC控制速度比较快，切换方便，且可以输出较高频率的几种波形，所需器件较少，元器件较常见而且便宜，缺点是放大器的电压要求比较高，需要010V的输出，需要多种电源供电。方案二采用继电器控制为机械式。基本原理简单，实现比较方便，电源电压也可以调整到较精确的数值，但是它需要较大的工作电流，原器件价格较贵，而且继电器会产生噪声污染。比较之后，两种方案各有优缺点但是第一种方案控制更简单，调试也比较方便，故我们选择了方案一。三硬件部分原理及设计我们采用的是设计方案一。1单片机89C51单片机89C51是本设计中的控制核心，是一个40管脚的集成芯片，管脚图如下。引脚部分单片机接脚基本电路部分与普通设计无异，40脚接VC5V，20脚接地。X1，X2两脚接12MHZ的晶振，可得单片机机器周期为1微秒。RST脚外延一个RST复位键，一端接VC，一端通过10KP1P289C51P3LED显示键盘输入继电器电阻网络稳压器电压输出外部电源部分数控直流电源三明学院物理与机电工程学院6电阻接地。P2口中，02口口则分别通过一个按键接地，通过软件编写实现3个按键的各种功能，P0口是连到DAC0832中的D07。并且和液晶显示器的数据口复用，液晶显示器的三个控制都为P25P27，TLC1543的五个口分别为P10P14五个口。下图是我们的最小系统板图2数模转换部分数控直流电源三明学院物理与机电工程学院71脚CS（反）2脚WR1（反）3脚AGND4脚D35脚D26脚D7脚D08脚REF9脚REF10脚GND1脚IOUT112脚IOUT213脚D714脚D615脚D516脚D417脚XFER（反）18脚WR2（反）19脚ILE20脚VCDAC0832是一款常用的数摸转换器，它有两种连接模式，一种是电压输出模式，另外一种是电流输出模式，为了设计的方便，选用电压输出模式。这个芯片共有20个管脚，管脚分布图如上，它有三种工作方式不带缓冲工作方式，单缓冲工作方式，双缓冲工作方式。该电路采用单缓冲模式，由电路图可知，由于/XFER0/WR20/ILE1，DAC寄存处于工作状态。所以只要把/WR1和/CS置低电平时，写P0口，则该数字信号立即传送到输入寄存器，并直通至DAC寄存器，经过短暂的建立时间，即可以获得相应的模拟电压，一旦写入操作结束，/WR1和/WR2立即变为高电平，则写入的数据被输入寄存器锁存，直到再次写入刷新。由图可知，IOUT1和IOUT2分别接OP07的反相端和同相端，其输出电压范围为VOUTVREFDI/256，我们的参考电压VREF是5V，故VOUT输出为05V。由于我们的扩展部分要求输出负电压，因此我们在第一个OP07后面还加了一个扩展电路，加了一个反向加法器，其输出电压VO（UI/R1U1/R2）R32UI3882，于是输出电压的变化范围为38823882。3运算放大和功率放大部分从DA端输出的是幅值3882的电压，而我们要的是幅值为10V的电压，因此还要加一级运算放大器，放大倍数25倍，放大器选择范围比较大，只要放大器满足放大值达到010V，频率要求不高。但由于实验室只提供7815，7915最大提供电源为15V和15V，因此不可避免线性度有较大要求。而放大值要有要求有正负输出，不可避免的需要同时用到正负量程。因此对放大器的调零也有较大要求。OP07是高精度，低失调电压的运算放大器，而且价格便宜，因此我们选用。经此运放后，幅值可以达到要求，但是电流很小（OP07短路电流不大于32MA），因此，我们再加了功率放大电路，由上所述，我们要输出正负电压，则功放电路必须要用到推挽输出电路，这部分的电路如下图所示数控直流电源三明学院物理与机电工程学院84电压测量部分TLC1543是CMOS、10位开关电容逐次逼近模数转换器。这些器件有三个输端和一个3态输出端片选（CS）输入/输出时钟（I/OCLOCK）、地址输入（ADRES）和数据输出（DATOUT），这样就和主处理器的串行口有一个直接的4线接口。这些器件可以从主机高速传输数据。除了高速的转换器和通用的控制能力外，这些器件有一个片内的14通道多路器可以选择1个输入中的任何一个或3个内部自测试（SELFTEST）电压中的一个。采样保持是自动的。在转换结束时，“转换结束”（EOC）输出端变高以指示转换的完成。这些器件中的转换器结合外部输入的差分高阻抗的基准电压，具有简化比率转换、刻度以及模拟电路与逻辑电路和电源噪声隔离的特点。电容的设计可以使在整个温度范围内有较小的转换误差。引脚和封装如下数控直流电源三明学院物理与机电工程学院9我们要求测量1010V的电压，而一般此芯片只能测量05V的电压，为此，我们待测电压不是直接接到芯片的模拟输入端，我们对测量电路做了一些改变,UO025UI25，当UI为10V时，UO正好输出为05V，由于取样电阻的不精确和5V电压的不是很稳定，此电路的唯一缺点是精度不是很高，测量电路如下所示5按键部分设计中共用到按键数为4个，其中一个为单片机上的复位键，另外3个分别命名为K13，分别接到P21P23。功能键为K1键，可以切换功能，相当于菜单键；2键加键，当功能键为输出稳压时，可以对输出设置步进01V加，也可以连加，当功能键为其他波形输出时，可以对其输出频率步进加或连加；K3键减键，当功能键为输出稳压时，可以对输出设置步进01V减，也可以连减，当功能键为其他波形输出时，可以对其输出频率步进减或连减。图见1。6显示部分我们用到的是LCD1602显示器，此显示器显示量丰富，且接口和操作非常简单，比起数码管显示好处很多。控制口为P25P27,数据口为P0，在第一部分已有讲述这里不再详述。7电源输入部分数控直流电源三明学院物理与机电工程学院10实验中主要采用L7805，L7815，L7915三种稳压器，外加电源部分设置成/20V，可由220V电源经变压得到，并将20V直接接到L7815，稳压后输出为15V，将20V通过L7915，稳压后输出为15V，并将/15V电压加载到放大器的电源正负管脚上，另外DAC0832的电源管脚20脚和19脚ILE脚也要接15V。再将15V又经过L7805后变成5V，这个压值可供应到单片机电源及显示部分。还需要在7815的1，3脚，L7915的2，3脚以及L7805的1，3脚各自与地之间并联连上220微法电解电容和01微法磁片电容，目的是为了滤除低频杂波和高频杂波。四软件部分设计系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各功能程序是在WNIDOWSXP环境下采用KEILC软件编写的，可以实现对按键输入电压值，对电压增加/01V，输出正弦波，三角波，方波，并且频率都可以调整，等功能1主程序流程图（图1）数控直流电源三明学院物理与机电工程学院1五系统调试测验1系统调试（1）电源部分调试先断开所有除输入电源以外的其他电源接入线，在外部电源输入部分加入正负20V的电压，通过L7815的1脚，和L7915的2脚，后用万用表测量L7815的3脚为15V，L7915D3脚为15V，805的3脚为5V，同时测试单片机，DA0832，放大器等底座接口供电。电源部分正常。（2）调试LED显示编制简单的显示小程序，验证正常。（3）按键测试用程序验证，无误。（4）DAC测试我们第一次测试的时候，发现给P0口送数据的时候，得到的电压并不是我们所要的电压，而且变化没有任何规律，于是我们又是网络上查资料，又是检查电路板，但是都没有发现问题，最后发现是IOUT1和IOUT2和OP07的同相端和反相端接反了，就这么一个简单的问题，导致我们花费很多的时间，并且这部分是此设计的关键部分，我们差点因此放弃，这个问题被发现以后，此后的进展也比较顺利，当VREF为5V，P0口0XF时，OP07输出端输出49V，送入其他的几个数据，输出也正常。（5）放大器调试这是我们比较犯难的地方，因为有时输出和输入的差距比较大，经过我们细心排查，发现是对电阻的要求比较高，我们没有精密电阻，于是从一大堆电阻中一个个检测，直到和我们需要的最接近为止，OP07对电源的要数控直流电源三明学院物理与机电工程学院12求也比较高，为此，我们把电源模块和放大模块独立制作调试。（6）ADC调试这部分不难，唯一的要求是输入参考电压要很稳定。电路和程序调试正常。2系统测试（1）系统功能测试（详细叙述略）A系统操作及面板说明B符合设计提出的基本功能及提出的部分发挥功能（2）系统指标测试当输出端接空载时，测量仪器为示波器测量时间201年7月20日数据记录（室温下）123456789预置电压/VI按键输入，液晶显示011020506080909599输出测量电压值/VO（液晶显示）011020496081919699实测电压/V（仪器测量）0121042015016058169229681010预置电压误差（|VI|/I）24050208224182预置电压误差（|VOV|/VO）240522080713082数控直流电源三明学院物理与机电工程学院13（3）系统误差分析从电路的原理框图可以看出，系统的主要误差有两个方面A0832的量化误差0832为8位D/A转换器，满量程为10V的量化误差为/05LMBS/20MV。按满度归一化的相对误差为/02。如图所示为部分测试点的误差B放大器放大的线性失真引起的误差，以及经过零点的调零误差。C基准电压温漂引入的误差（4）误差调整可以采用精度更高的10位DAC，采用线性度较好的的放大器，增加系统正负放大器电源供电电压等。因器材限制，并未采用以上方法。六总结本设计成品经过多次测量，基本上满足了设计要求所需的各项指标。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，明了，整体美观，充分发挥软件变成方便灵活的特点，来满足系统设计要求。但是因为时间有限，该系统还有许多不足之处需要改进，比如电压精度问题等等。在本次设计的过程中，我们也遇到了许多突发事件和各种困难，（如电源干扰，放大器调零，元器件不小心被烧坏等等）设计制作曾一度中断，但通过仔细分析和自我状态调整后解决了问题。在这个、过程中我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。另外，我们意识到我们的基础还很薄弱，以后的学习中，要把更多的时间和精力投入到学习中来，当然，也要注意方法，要多和老师和其他同学交流。七参考资料数控直流电源三明学院物理与机电工程学院141全国大学生电子设计竞赛培训系列教材高吉祥电子工业出版社2实用稳定电源150例张国峰、张维编，人民邮电出版3标准集成电路数据手册集成稳压器第59页4EDA技术使用教程潘松，黄继业科学出版社，5全国大学生电子设计竞赛训练教程黄智伟电子工业出版社6数字电路技术浙江大学出版社7单片机中级教程张俊膜北京航空航天大学出版社8电子器材大全电子工业出版社9电子线路设计应用手册张友汉科学出版社八附录附录一本设计实验中所使用的仪器及器材A主要仪器计算机,电源,万用表,函数信号发生器,示波器,30W电烙铁,剥线钳,镊子,螺丝开,B主要器材实验板一块,万用板若干，单片机89C51,数模转换DAC0832,放大器OP07,TLC1543，稳压芯片LM33650，稳压器L7815,L7805,L7915,各种大小数值的电阻,变阻器,电容,导线若干,按键,LCD1602,12MHZ晶振,导通二极管器材芯片的管脚请查阅第三部分的各个硬件部分附录二方案一电路图（最小系统板）数控直流电源三明学院物理与机电工程学院15方案一电路图（各模块图）附录三设计实物图一实际测试图稳压输出测试前面显示为设定值，后面为测量值数控直流电源三明学院物理与机电工程学院16稳压测试正弦波测试三角波测试数控直流电源三明学院物理与机电工程学院17方波测试数控直流电源三明学院物理与机电工程学院18二15,5V电源三DA模块数控直流电源三明学院物理与机电工程学院19四运放和功放模块五ADC检测模块数控直流电源三明学院物理与机电工程学院20六最小系统板附录四编译后的软件界面数控直流电源三明学院物理与机电工程学院21程序有约1000行，就不一一贴上来了，只贴主程序代码，主要功能是按键的切换，及怎么调用各个子程序，MAINCINCLUDEIL“TYPEH“INCLUDE“KEH“IL“1602H“INCLUDE“DAC0832H“IL“MYFUNH“INCLUDE“WAVEH“IL“TLC1543H“STAICU8KEY_NUM0U8DAC_VALUE0CODET0“VOLTAGEOUTPUT“U8CT1“WR00VRD00V“CODET2“SINEWAVE“U8CT3“FREQUENCYHZ“CODET4“TRIANGLEWAVE“U8CT5“SQUAREA“U8CODEWAVE/正弦波1/4波形函数表数控直流电源三明学院物理与机电工程学院2100,102,103,105,107,109,110,112,114,116,17,119,121,123,124,126,128,129,131,133,134,136,137,139,141,142,144,145,147,148,150,152,153,154,156,157,159,160,162,163,164,166,167,168,169,171,172,173,174,175,177,178,179,180,181,182,183,184,185,186,187,187,188,189,190,191,191,192,193,193,194,195,195,196,196,197,197,197,198,198,198,199,199,199,199,200,200,200,200,200,/定时器1初始化/VOIDTIME1_INITMOD|10/定时器1方式1TH1655352000/256L12000256TR11EA1T11VOIDSYSTEM_INIVOIDIO_INIDAC0832_INILCD_INITIME1_INIVOIDMAINSTAICU8K0,T1STAIC16TEMP_RDU8NSYSTEM_INI/初始化WHILE1SWITCHK/根据当前状态进入相应处理函数CASE0IFT1数控直流电源三明学院物理与机电工程学院23T0/后面要显示的要一直刷新，这里并不需要一直刷新，加此语句LCD_POSITON0,0,T0LCITON0,1,T1IFKEY_NUMK1/满足次态状态标志K加1KEY_NUM0T1KBREAKIFKEY_NUMK2/当前状态执行动作KEY_NUM0DAC_VALUEVOLTAGE_JIADAC_VALUELCD_POSITON_DAC_VALUE3,1,D_VALUEBREAKIFKEY_NUMK3/当前状态执行动作KEY_NUM0DAC_VALUEVOLTAGE_JIANDAC_VALUELCD_POSITON_DAC_VALUE3,1,DL/BREAKTEMP_RDREFRSH_DIS_BUFFER4LCD_POSITON_RD12,1,TEMP_RDBREAKCASE1IFT1T0LCD_POSITON0,0,T2LCITON0,1,T3LCD_POSITON_SHZ1,1,N数控直流电源三明学院物理与机电工程学院24WHILEKEY_NUMK1/用DOWHILE语句试下应该不行，K1没按下时，执行动作，否则，跳出循环，判断K的值KEY_NUM0SIN_WAVEN,WAVEIFKEY_NUMK2/当前状态执行动作KEY_NUM0N1LCD_POSITON_SHZ1,