电子设计竞赛

1、 电子设计竞赛报告题 目: 简易数控直流电源 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号：指导教师： 教师职称： 评语及成绩：指导教师：日 期：摘要：本系统以直流电压源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，设置步进等级可达0.1V，输出电压范围为09.9V，并由数码管显示输出电压值。由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟电流量，再经过运算放大器隔离放大输出模拟电压量，控制稳压芯片L7805电压的变化而输出不同的电压。实际测试结果表明本系统输出电压值精确度较高。本系统实

2、际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。  关键词：数控直流电源, AT89S52,DAC0832,OP07目 录1 总体方案设计：11.1提出方案11.2论证方案11.3系统描述：21.4系统总方框图22、单元模块设计：32.1显示电路设计32.2数模转换电路设计42.3键盘电路的设计52.4数控电源的原理图73.单片机控制直流电源软件设计73.1 软件系统流程图73.2软件程序的系统设计流程说明103.3 程序114. 电路的调试134.1软件程序流程调试134.2 硬件部分在Proteus软件上进行仿真调试144.3 硬件部分调试步骤15附录一：系统总原理图17附录二

3、：系统PCB图18附录三：元器件清单19简易数控直流电源设计1 总体方案设计：1.1提出方案1、方案一：此方案采用传统的调整管，整流滤波电路后接调整管使输出电压稳定。其采用二进制计数器和十进制计数器同时运行的方法，其中二进制计数器的输出经DAC后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进，十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值。为保证系统正常工作，需令双计数器同步工作。2、方案二：此方案不同于方案一之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为EEPROM的地址输入，而由EEPROM的输出经DAC后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。由于只使用了一套计数器，

4、回避了方案一中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制数据烧录在EEPROM中，使系统设计灵活性降低。3、方案三：此方案不同于上面两种方案的是，控制部分采用单片机。AT89S52单片机属51系列单片机，外部接DAC0832，此方案使得输出部分不再采用调整管，而是在DAC后经过功率放大得到。单片机的使用使得系统可编程，灵活性将大大增加。1.2论证方案1、控制部分方案一、二中，控制部分中小规模器件较多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。而在方案三中采用单片机实现控制部分的功能，同时便于系统的扩展。2、输出部分方案一、二中，输出端为了抑制纹波而并联的大电容降低了系统的响应速度

5、，这样输出电压难以跟踪快变的输入，方案三中的输出电压波形与D/A变换输出波形相同，减小了输出误差。3、显示部分方案一、二中的显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为D/A变换的输入量，由于D/A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案三中采用DAC0832直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。综上所述，我们选择方案三作为直流稳压电源的实现方案。1.3系统描述：此设计包括显示电路、键盘电路、单片机电路、数模转换电路、模拟信号放大电路的设计。数控电源的输出电压数值由键

6、盘控制。通过键盘把需要的输出的电压值以步进方式输入到单片机。这里需要注意的是在使用步进方式调整数据时，输出电压不能随着变化，以避免在调整过程中加到负载上的电压不能满足要求。输出电压应该在完成步进调整以后再发生变化，直接向负载施加所需要的电压值。显示电路既可用来显示输出的电压值，也可以用来显示键盘电路调整的过程。在使用键盘完成输出电压的调整后，输出电压对应的数据分别送入数模转换器，数模转换器产生输出模拟电压。数模转换器输出的模拟电压随着它的输入数据的变化而变化，从而实现了输出电压的步进调整，数模转换器的输出模拟电压不一定满足要求，如果不满足输出电压的要求，将需要添加一个电压放大器。模拟信号放大电

7、路包括电压放大和电流放大部分，前者是输出电压满足要求，后者降低负载变化对输出电压的影响。对负载而言，由戴维宁定理，整个数控电源可以等效为一个理想的电压源和一个电阻串联电路。由于电源的内阻的存在，当负载电阻变化时，回路电流将发生变化，从而使得电源的输出电压发生变化。为减小负载变化多输出电压的影响，输出电阻应该尽量地减少，或者加大输出的电流的额定值，因此需要添加一级电流放大器。1.4系统总方框图系统总方框图如图1-1所示键盘控制器电压源负载电源数码管显示图11 数控系统硬件部分组成框图2、单元模块设计：2.1显示电路设计2.1.1 74LS164 简介74LS164是一个8位移位寄存器芯片，其电源

8、电压为7V，输入电压为5.5V，工作环境温度为070°C其电特性为fm36MHZ,pn80mW。2.1.2具体电路设计电路部分原理图如图2-1所示图2-1显示部分电路原理图数控电源的数据显示采用数码管显示，基于并口输出口P1的数码管电路如图所示，使用了两个74LS164驱动两个数码管。从单片机的TXD引脚来的同步移位信号同时加载；两个74LS164的引脚CLK，从单片机TXD引脚来的串行信号加到第一个74LS164的串行数据的输入口，从第一个74LS164的引脚Q7移出的串行数据在加到第2个74LS164的串行数据的输入口。在采用同步移位方式的串行输出时，每传送一个字节的数据需要8个

9、机器周期，因此两个显示代码的输出语句间隔必须大于8个机器周期。AT89S52的程序空间和数据空间中的每个字节包括8位二进制数，它也可以表示为具有2位十六进制的数。利用图所示的电路可实现3位十六进制的数被分解为2个1位的十六进制数，它们然后分别被进行译码和串行发送。实现一个字节2位十六进制数显示，电路中的两个数码管可以用来显示输出电压的个位和十分位。此电路调试，可以将单片机写入简单的程序，将串行数据转换成并行显示，通过程序写入数据，使数码管显示00，如果显示不正确的，查看电路板焊接。2.2数模转换电路设计由于采用了粗调和细调分段控制，辅助以软件修正，可以较好地提高电压输出精度，从成本和元件采购方

10、面综合考虑，采用DAC0832电路作为D/A转化电路。2.2.1 DAC0832简介DAC0832是一个8位D/A转换器芯片，单电源供电，从+5V+15V均可正常工作，基准电压的范围为±10V，电流建立时间为1µs，CMOS工艺，低功耗20mA。它由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成。 2.2.2 具体电路设计在设计中采用直通方式。数模转换电路原理图如图2-2所示，图2-2数模转换电路原理图按照数据的输入模式，数模转换器有并行输入和串行输入模式，前者如DAC0832，后者如DAC7611。这里采用的DAC0832，由于所涉及的数控电源只需要一

11、路输出，为简化电路组装和程序设计DAC0832的硬件电路采用如图所示的单缓冲方式的接口电路。由于AT89S52的引脚P27与DAC0832的引脚CS和XFER相连接，因此数模转换器的地址为07FFH. D/A转换电路主要由AT89C51（单片机）、数/码转换器DAC0832及TL082差分放大器等芯片组成。AT89C51的P1口作为数据端口与DAC0832的8位数据线相连。AT89C51内含4K字节的ROM，无需外部存储器，因此选用它可使电路得到简化。本系统中，因为CPU的工作任务是单一的，而且数据传送的目的地址也是单一的，因此，DAC0832采用直通的工作方式，改芯片的CS/(低电平有效)、

12、WR1/、XFER/、WR2/四个使能端均与地相接处有效状态，这个工作方式不需要给DAC0832分配地址空间，CPU的P1口的数据变化直接反映到DAC0832的输出。2.3键盘电路的设计 2.3.1 74ALS21简介74ALS321是一个双4输入与门（正逻辑），其工作的电源电压为7V，输入电压为5.5V，其工作环境温度为070°C，其主要电特性的典型值如下：LplH为7.6ns，LpHl为8.8ns,Po为80mW。 2.3.2 具体电路设计键盘电路原理图如图2-3所示图2-3键盘显示电路原理图 数控电源的键盘电路采用的如图所示的基于中断方式的独立式键盘电路，键盘电路使用的是AT8

13、9S52单片机的外部中断1。 独立式键盘锁需要的硬件电路结构和软件结构都比较简单，应用它不仅可以向单片机输入开关量的控制信号，而且也可以输入数据。键盘中的4个按键现在分别扮演4个不同的“角色”；按键KEY0用来进行功能选择以实现输入多个数据，因此它称功能键（FUN）；按键KEY1用来在完成功能选择以后对数据进行加1操作，因此它被称为数据加键（+）；按键KEY2的用途与按键KEY1相似，它对数据进行减1操作，因此它被称为数据减键（-）；按键KEY3用来把输入的数据送到目的地，因此它称为执行键（ENTER）。由于要求数控的输出电压的范围为0.0-9.9V调整步进值为0.1V,这时如果使用按键（+）

14、从系统复位的输出的0.0调整到最大输出的9.9V按键的动作要重复99次，仅适用按键（+）或者（-）使对应的内部数据存储器的存储单元的数据加1或者减1将很麻烦，为减少按键的次数，数控电源的输入数据可以分为2个档输入，即由两个功能选择分别完成高位和低位数据的输入，即输出电压的个位和十分位的输入，这时每个档的输入数据的范围为0-9。2.3.4放大电路设计放大电路原理图如图2-4所示图2-4放大电路原理图放大电路包括两级：电压放大电路和电流放大电路。由DAC0832数模转换电路的测量数据，当它的输入数据为00-99时，对应得输出模拟电压为0.01V-1.91V，因此需要一级电压放大电路，它将输出满足数

15、控电源要求的0.09.9V电压，电流放大器用来降低数控电源的输出电阻，使得当负载电阻较小时，即输出电流较大时，数控电源输出电压不会下降得太多。电压放大电路和电路放大电路如图所示。电压放大电路由运算放大器组成。电流放大电路采用三极管的射极输出器电路以降低输出电阻。本次采用的三极管为8050和TIP122， 在图所示电路中运算放大器的反馈来自数控电源的输出端，而不是来自运算放大器的输出端。采用这样的连接方式，数控电源的输出端会产生电压负反馈信号，从而进一步降低输出电阻，也就是稳定电压输出。2.4数控电源的原理图2.4.1 数控电源的硬件设计原理图（见附录一）2.4.2数控电源的硬件设计PCB图（见

16、附录二）3.单片机控制直流电源软件设计3.1 软件系统流程图3.1.1 软件系统主流程图主流程图见图31。开始初始化键盘扫描显示DA转换结束YN图31 主流程图3.1.2 DA 转换部分流程图 DA转换部分流程图见图32。读高位数据 开始函数定义中断服务程序空旋环读低位数据送转换数据中断服务程序Return(0)转换是否完成YN 返回图32 DA转换部分流程图3.13 按键部分流程图 按键部分流程图见图33。键盘识别是否有键按下去抖动确定按键物理地址计算键码等待键释放YN 返回图33按键部分流程图3.1.4 显示部分流程图 显示部分流程图见图34。N开始测字符串长度读取第一个字符最后一个字符读

17、取下一个字符Y结束图34显示部分流程图3.2软件程序的系统设计流程说明单片机的初始化。单片机初始化包括如下内容。调整堆栈指针SP，例如把堆栈指针调整到70H以避开工作寄存器区域。需要使用的内部数据存储器存储单元的初始化设置数控电源的开机输出电压，例如通过向数模转换器写入数值0使得数控电源开机输出电压为0，这部分也可以通过添加电路实现输出电压的预置。允许CPU中断、允许外部中断1中断、。外部中断1的中断信号由键盘电路产生。上述初始化工作完成后，单片机通过执行一条自跳转语句来等待操作者通过键盘输入中断信号。当按下按键，单片机进入外部中断1的中断服务程序。由软件来修复中断程序中的抖动问题，然后判断是

18、哪个按键被按下，输入数值，在完成数据输入以后，这个数据被送到数模转换器产生对应的模拟电压，这个数据也同时送到显示电路。为了方便键盘调整，在使用键盘输入数据时，当前的数据送到显示电路。键盘处理、数模转换器的控制和数据的显示都在外部中断1的中断服务程序中完成的，这些工作的完成以后，单片机将退出中断，继续执行自跳转语句来等待操作者再次输入需要输出的电压值。3.3 程序单片机原程序： ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0013H AJMP KEY ORG 030H MAIN: MOV SP, #70H MOV 50H,#00H MOV 51H,#00H MOV 52H,#00H MOV

19、IE, #84H HERE: AJMP HERE KEY: MOV A, P1 ANL A, #0FH MOV 20H,A ACALL D10MS MOV A, P1 ANL A, #0FH CJNE A, 20H KEYE JNB 00H, KEY0 JNB 01H, KEY1 JNB 02H, KEY2 JNB 03H, KEY3KEYE: RETIKEY0: AJMP KEY00KEY1: AJMP KEY10KEY2: AJMP KEY20KEY3: MOV A, 51H MOV B, #0AH MUL AB ADD A, 52H MOV DPTR,#7FFH MOVX DPTR ,A

20、 MOV 61H,51H MOV 62H,52H ACALL LED2B RETIKEY00:MOV A,50H JZ KEY01 MOV 50H,#00H AJMP KEY02KEY01:MOV 50H,#01HKEY02:MOV 61H,#10H MOV 62H,50H ACALL LED2B RETIKEY10:MOV A, 50H JZ KEY12 MOV A,51H CJNE A,#09H,KEY11 MOV 51H,#00H AJMP KEY14KEY11 INC 51H AJMP KEY14KEY12:MOV A,52H CJNE A,#09H,KEY13 MOV 52H,#00

21、H AJMP KEY14KEY13: INC 52HKEY14 MOV 61H,51H MOV 62H,52H ACALL LED2B RETIKEY20:MOV A,50H JZ KEY22 MOV A, 51H JZ KEY21 DEC 51H AJMP KEY24KEY21:MOV 51H,#09H AJMP KEY24KEY22:MOV 52H,#09H JZ KEY23 DEC 52H AJMP KEY14KEY23:MOV 52H,#09HKEY14:MOV 61H,51H MOV 62H,52H RETILED2B .LED1 . END4. 电路的调试4.1软件程序流程调试首先

22、利用按键（FUN）选择对应的数模转换器的输入的数据位。不同的数据位可以用不同的数字来表示，例如数字1表示输出电压的个位，数字0表示输出电压的十分位。不同的功能选择对应不同的内部数据存储器的存储单元。在完成功能选择以后，就可以使用数据加键（+）或者数据减键（-）调整输入数据的过程中，数据只被送到数码管进行显示它并没有被送到模数转换器。在完成所用的数据输入以后，通过按下执行键(ENTER)把需要进行转换的数据送到数模转换器，并启动它的转换过程。当键盘发生按键动作时，键盘电路就产生外部中断信号，单片机将执行键盘中服务程序，在键盘中断服务程序中，首先应用软件的方法实现按键的去抖动；接着判断键盘中的哪个

23、按键被按下，最后跳转到相应的按键处理程序。由于键盘电路具有4个按键，因此对应的具有4个案加你处理程序；数据位的选择处理程序、数据加1处理程序、数据减1处理程序和数模转换程序。数据位选择处理程序用来在两种需要调整的数据位之间进行切换。例如进入该处理程序之前数据位缓冲存储器内容为0，表示对应暑促电压的十分位，进入该处理程序之后数据缓冲器内容被改为1，表示对应输出的电压的个位，反之亦然。数据位缓冲器存储器内容将会影响到数据加1处理程序和数据减1处理程序的处理结果。数据位缓冲存储器内容被送去显示以方便操作。数据加1处理程序首先对数据位缓存储器的内容进行判断，然后准备对不同的数据位进行处理。在进行数据处

24、理之前，对应的数值被判断，如果不为0，该位数据减1；否则，该位数据赋值为9。调整以后的输出电压值被送到显示。数模转换器处理程序把个位数据缓冲存储器的数据和十分位数据缓冲存储器的数据结合在一起，形成一个数据动刀数模转换器DAC0832产生模拟电压。在完成程序向单片机的血案在并组装好硬件电路时，就可以观察程序的执行情况，如果仅观察键盘电路的执行情况，显示电路必需和键盘电路连接，数模转换电路可以不连接。当按下功能键（FUN）时，第1个数码管将熄灭，第2个数码管将显示数位标志，如果显示0，表示十分位；如果显示1，表示个位。连续按下功能键（FUN），显示在0和1之间切换，表示数据的调整在十分位和个位之间

25、切换。当按下数据减键（-）时，两个数码也将同时显示输出电压的个位和十分位。取决于当前的调整数位，按一次数据减键（-），对应的数据位的数值减1，另一数据位的数值保持不变，当数值减到0，再按一次减键（-），对应的数据位的数值为9。当按下执行键(ENTER)时，数模转换器的工作被启动。在程序中包括了键盘中断服务程序相关的数据位缓冲存储器、输出电压个位数据缓冲存储器和输出电压十分位数据缓冲存储器的数值初始化和中断允许寄存器(IE)的设置。在键盘中断服务程序中，在使用JNB指令完成具体按键判断之后并没用直接进入对应的处理程序。在JNB指令与对应的处理程序之间还使用了AJMP指令，这样做的原因是JNB指令

26、的跳转的范围较小，JNB指令的跳转的范围是以紧跟着该指令的下一条指令的开始地址为基准的-128127字节，即向前128个字节，向后127字节。4.2 硬件部分在Proteus软件上进行仿真调试将电路原理图，各个子系统的原理图在Proteus软件上编画好。根据电路原理图和AT89S52单片机芯片的性能编写程序。通过KEIL软件编写程序，利用编程器向单片机里烧写程序。将电源模块和各个引脚在Proteus上接好，并设计系统所需要的5V电源。通过Proteus软件自动调节电位器，使设计输出10V电压。带负载测试，通过自动设计设定电压电压为0，2V ,4V 6V ,8V, 10V，测试输出电压大小。Proteus软件将测试的数据自动记录下来并汇总。4.3 硬件部分调试步骤根据电路原理图，各个子系