数控直流稳压电源设计

1、 数控直流稳压电源设计摘要 本文介绍了以8051单片机为控制单元，以数模转换器DAC0832输出参考电压，以该参考电压控制电压转换模块LM317的输出电压大小。该电路设计简单，应用广泛，精度较高等特点。LM317系列三端可调式集成稳压器的方法。 关键词 单片机（AT89C51），数模转换器（D/A），液晶，键盘一、设计任务设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。二、设计要求1.基本部分（1）输出电压：范围015V，步进0.1V，纹波不大于40mV；（2）输入电压值由液晶显示；（3）自制键盘，可以由键盘输入电压值 ；（4） 输出电压值在输出端用万用表测得。 2发挥部分 （1）输出电压可预置在0

2、15V之间的任意一个值； （2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）； （3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。 图1设计示意图目录引言11、设计原理与总体方案 22、硬件电路设计 3 2.1 DAC电路 3 2.2 AGC控制电路 4 2.3 键盘部分6 2.4 显示部分 7 2.5 稳压输出 8 3、软件设计流程 94、总体设计电路 105、调试过程与结果分析 11 5.1调试过程 11 5.2结果分析 11总结 13参考文献 14附录1 元件清单 14附录2 参考源程序 15 引言 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。在电子电路中

3、，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, 但均存在以下二个问题: 输出电压是通过粗(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,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。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

4、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。利用数控直流电源，可以达到每步0.04 V的精度，输出电压范围0-15V。1、设计原理与总体方案鉴于目前数控直流源一般采取运放构成的电流-电压转换电路与单片机结合，设计方案大多为开环系统，主控制器仅用于数字给定及显示，没有对输出电流进行检测和控制。本文在传统电路设计的基础上，利用控制系统中反馈与控制原理，引入电流负反馈，在采样电阻上获取和电流成正比的采样电压，并接人运算放大器的反向输入端，实现负反馈，形成恒流输出的闭环控制系统；软件方面，将具

5、有全局寻优能力但收敛速度慢的遗传算法和具有收敛速度快且局部寻优能力强的直接搜索法结合在一起，设计基于遗传算法和直接搜索策略的混合优化算法，充分利用了遗传算法的全局搜索能力并以此作为优化过程的“粗调”，同时利用直接搜索法良好的局部搜索能力作为优化过程的“微调”，集中了两者的优点，而克服了两者的弱点，得到的目标函数值较遗传退火策略更优，而且一致性更好，用于PID参数整定是具有整定速度快，调节时间短，稳态误差小等优点。同时结合PID算法，形成软件闭环，实现对输出电流的精确控制。系统工作原理如下：由键盘预置电压值，输入到单片机；采样电阻采集的电压信号经D/A转换器送入单片机，当两值之差绝对值为零或不大

6、于设定值时，不作任何调整；当两值之差大于设定值时，运用PID算法进行调整，送人DA转换，调整输出电压，直到差值在允许的范围内。单片机控制液晶显示电流的设定值、实际输出值和电压步进值。2、硬件电路设计总体设计图：AT89C51矩阵键盘液晶显示DA转换AGC控制稳压输出图2 系统总设计图2.1 DAC电路 一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。下图是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。 图3 DAC0832的逻辑框图和引脚排

7、列D0D7：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。XFER：传送控制信号，低电平有效。WR1：写信号1，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（-1010V）。Vcc：是源电压（+5+15V）。DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。AGND：模拟地 NGND：数字地，可与AGND接在一起使用。2.2 AGC控制电路自动增益控制(AGC)电路原理及作用 自动增益控制电路的作用是：当输入信号电压

8、变化很大时，保持接收机输出电压恒定或基本不变。具体地说，当输入信号很弱时，接收机的增益大，自动增益控制电路不起作用；当输入信号很强时，自动增益控制电路进行控制，使接收机的增益减小。这样，当接收信号强度变化时，接收机的输出端的电压或功率基本不变或保持恒定。因此对AGC电路的要求是：在输入信号较小时，AGC电路不起作用，只有当输入信号增大到一定程度后，AGC电路才起控制作用，使增益随输入信号的增大而减少。   为实现上述要求，必须有一个能随外来信号强弱而变化的控制电压或电流信号，利用这个信号对放大器的增益自动进行控制。由上述分析可知，调幅中频信号经幅度检波后，在它的输出中除音频

9、信号外，还含有直流分量。直流分量大小与中频载波的振幅成正比，也即与外来高频信号成正比。因此，可将检波器输出的直流分量作为AGC控制信号。AGC电路工作原理：可以分为增益受控放大电路和控制电压形成电路。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压U0而改变。控制电压形成电路的基本部件是AGC整流器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。运算放大器UA741（或F007）： 图4运算放大器UA741 它是八脚双列直插式组件，脚和脚为反相和同相输入端，脚为输出端，脚和脚为正、负电源端，脚和脚为失调调零端，脚之间可接入一只几十K的电位器并将滑动触头接到负电源端。 脚为空脚如果一个运

10、放如不能调零，大致有如下原因： 组件正常，接线有错误。 组件正常，但负反馈不够强（RFR1 太大），为此可将RF短路，观察是否能调零。 组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。组件内部损坏，应更换好的集成块。2.3 键盘部分矩阵式键盘的结构与工作原理： 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口(如P1口)就可以构成4*4

11、=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。 矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，下图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。 图5矩阵式键盘的接线图2.4 显示部分 表1液晶1602

12、A各个管脚的介绍：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极2.5 稳压输出LM317工作原理： LM317的输入最高电压为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

13、于地.输入和输出引脚对地要接滤波电容.3、 软件设计流程开始稳压输出有键按下无键按下液晶显示启动DA转换数值变换键盘扫描初始化 图6 软件设计流程图注：在稳压输出端用万用表的电压档测输出电压，将会基本等于从键盘的输入电压4、总体设计电路电路图如下图所示: 图7 总电路设计图5、调试过程与结果分析 5.1调试过程 1、单片机没有工作：AT89C51芯片有问题。 2、液晶未显示：液晶的三管脚电压未调合适，即显示字符的灰度未调合适。 5.2结果分析 表2测得的数据和从键盘输入的数据：稳压输出端所测电压（V）从键盘输入的电压（V）002.913.04.875.06.737.00.560.69.6510

14、.0 数据分析: 从上面表中的数据来看，输入数据越大，误差越大；输入数据越小，误差越小。 误差分析： 1.由于所用电源为四个：+12V、-12V、+5V、-5V，电源不够稳定 2.电路中元器件的影响 3.LM317输出电压不够稳定4.外界对输出电压的干扰，导致输出有误差5.运放未调零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

15、调零等）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。 在此次课程设计过程中，特别要感谢课程设计指导老师梁老师！感谢您在这段日子了对我亲切的关怀和悉心的指导。由于本人自身知识有限，所以从课题的选择到论文最终定稿这个过程中遇到了不少困难。在老师的耐心指导与督促之下，本论文经过多番修改终于顺利地完成。这个过程由始至终都离不开老师的辛勤。借此机会，我也感谢大学四年期间所有指导过我的老师，感谢他们对我无私的教诲和帮助，感谢他们的谆谆教导。参考文献1National Semiconductor Corporation Linear Databook 1（1987 Rev.1）第1-页2实

16、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 附录1（元件清单）表3元器件清单：器件名称型号数量电阻1K(4) 10K(1) 240(2)8电容10UF(2) 30PF(2) 104(1)5二极管IN40072按键1排阻10K1矩阵键盘4×41滑动变阻器10K(2) 50K(1)

17、3晶振12M1运算放大器UA7412数模转换器DDAC08321稳压器LM3172液晶1602A1单片机AT89C511附录2（参考源程序，C语言）#include<reg51.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/sbit st=P20;/sbit eoc=P21;/sbit le=P22;sbit rs=P24;sbit rw=P25;sbit ea=P26;uchar num,i,key,j=0;float a2;uchar keyscan(void);ucha

18、r code table6="Please"uchar code table116=" enter letter."uchar code table216="0123456789abcde."float table36;uchar code table48="volt(v):"uchar code table56="error!"uchar table66;void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);

19、void write_com(uchar com) rs=0; rw=0; P0=com; delay(5); ea=1; delay(5); ea=0;void write_date(uchar date) rs=1; rw=0; P0=date; delay(5); ea=1; delay(5); ea=0;void disvol()write_com(0x80+0x40); /写电压for(num=0;num<8;num+) write_date(table4num); delay(10); void init() delay(5); write_com(0x38); write_

20、com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80); for(num=0;num<6;num+) write_date(tablenum); delay(20); write_com(0x80+0x40); for(num=0;num<0x10;num+) write_date(table1num); delay(20); void diserr() write_com(0x80+0x40); for(num=0;num<6;num+) write_date(table5num);delay(20); de

21、lay(2000); void he_zhi() uint a1,a3,c11,c12; float b1,b2,b3,b4,c1,c2,h; if(table30!='.') /整数加点 if(!table31) if(j=1) table31='.' if(!table32) if(j=2)table32='.' if(table31='.') b1=table30; b2=table32/10; b3=table33/100; h=b1+b2+b3; a2=h*256/10; a3=a2; a1=a3+1; c1=a2-a3

22、; c2=a1-a2; c11=1000*c1; c12=1000*c2; if(c11>c12) P1=a1; else P1=a3; /光标显示位 if(j=1) write_com(0x80+0x49); if(j=3) write_com(0x80+0x4b); if(j=4) write_com(0x80+0x4c); else if(table32='.') b1=table30*10; b2=table31; b3=table33/10; b4=table34/100; h=b1+b2+b3+b4; if(h<=10) a2=h*256/10; a3=

23、a2; a1=a3+1; c1=a2-a3; c2=a1-a2; c11=1000*c1; c12=1000*c2; if(c11>c12) P1=a1; else /c11<=c12 if(a3=256) / P1=255; else / P1=a3; if(j=2) write_com(0x80+0x4a); else write_com(0x01);diserr(); elsewrite_com(0x01);diserr();if(table30='.') write_com(0x01); diserr();void qingchu(uchar p)uchar

24、 z;for(z=0;z<=5;z+)table3z=p; /*void adc() char cha; uchar getdata;st=0;delay(2);st=1;delay(2);st=0;delay(5); if(eoc=1) getdata=P1; delay(5); cha=getdata-a2; P1=a2-cha; le=0; le=1; */ void main() init(); delay(4500); write_com(0x01); write_com(0x80+0x40); write_com(0x0f); disvol(); i=0x80+0x48; w

25、hile(1) key=keyscan(); delay(100); switch(key) case 0x7e:write_com(i); write_date(table20);table3j=0;j+;i+;break;/0 case 0x7d:write_com(i); write_date(table21);table3j=1;j+;i+;break;/1 case 0x7b:write_com(i); write_date(table22);table3j=2;j+;i+;break;/2 case 0x77:write_com(i); write_date(table23);table3j=3;j+;i+;break;/3 case 0xbe:write_com(i); write_date(table24);table3j=4;j+;i+;break;/4 case 0xbd:write_com(i); write_date(table25);table3j=5;j+;i+;break;/5 case 0xbb:write_com(i); write_date(table26);table3j=6;j+;i+;break;/6 case 0xb7:write_com(i); write_da