单片机控制的数控电源

1、摘要：本文介绍了一种以AT89S51单片机为核心设计制作的数控电源装置。它通过逐步按下按钮来调整输出电压。设备可实时显示电压调整过程和输出电压结果。电压调节范围宽，精度高，调节方便。同时具有电流监测过流保护功能。它是计算机技术与数模转换技术相结合的一种具体应用。关键词：键盘、步进、显示、调整、D/A转换前言：直流稳压电源常用于电子技术领域，广泛应用于电子设备的科研、生产和生产。在生活的各个领域中，传统直流电源输出电压的调节需要通过粗调（波段开关）和微调（电位器）来调节。当电压变化0.1V时，难度较大，不易实现。使用时间长了，波段开关和电位器难免接触不良，电阻值发生变化，势必影响输出电压的调节效

2、果。在普通直流电源中，常使用指针式电压表来指示电压的大小。这种仪表误差较大，指示的电压值只能作为参考。不能准确显示实际电压值，精度差。从直流稳压电源的结构来看，直流稳压电源大多采用串联稳压电路来限制过载电流或采用电流切断保护电路。电路复杂，稳压精度不高。现代科学技术正在发生突飞猛进的变化。数字技术与微机技术相结合，实现了直流电源的智能化开发和应用，既可以解决传统直流稳压电源的各种问题，又可以实现传统直流稳压电源。不可能的功能。这是电源技术的一个里程碑，而本文介绍的单片机数控电源的设计就是这两种技术的具体应用。文本一、程序的选择数控电源电路中电压的逐级调整有三种方案。首先是使用标准逻辑器件，由于

3、集成度低，很难改变。二是采用PLC等可编程逻辑器件，外围元件少，可根据现场工控设备的实际控制要求，改变设计程序即可满足。编程简单，但价格和成本相对较高。三是采用单片机等微处理器，通过编程可以方便地满足控制要求，信号处理容易实现，成本低。二、设计要求：输出电压为：0.0V 9.9V2：输出电压的调整方式为步进式，步进式表示每按一次按键，电压有0.1V的变化。3：最大输出电流为100mA。4：电路具有过流保护功能。5：用两位数码管显示电压的调整过程和输出电压的大小。三、硬件设计框图如下数码管显示电路数码管显示电路 键盘电路键盘电路单片机电路单片机电路数字数字/模拟转换电路 模拟信号放大电路模拟信号

4、放大电路 负载负载过流保护电路过流保护电路 如图，通过键盘按下需要输出的电压，每一步向单片机输入0.1V，单片机驱动数码管显示电压的过程调整。调整完成后，将数码管显示的十进制数发送给数码管。在模拟转换电路DAC0832的数据线上进行D/A转换。此时数码管显示的数据不仅是送D/A转换的十进制数，即BCD码（00H99H），还有数控电源输出的电压值。输出电压范围为（0.0V 9.9V）。数模转换电路输出的模拟电压很小。模拟信号的电压经外接补偿运放LM301放大，使输出电压与数码管显示的数值一致，满足负载的实际要求。经过三极管的电流放大电路后，输出电流增大，负载变化对输出电压的影响减小，负载上的电压

5、稳定。为了防止在负载电阻变得很小的情况下输出电流过大而危及电源的安全，即使在电源输出端短路的情况下，也增加了一级电流保护电路到电路。当输出电流超过允许值时，过流保护动作，关闭D/A转换电路，使输出电压为0，同时给出报警信号。这是对这种压力调节装置的整个工作过程的简要说明。四、本设备使用的主要硬件简述：1：单片机AT89S51由ATMEL公司生产，采用PDIP-40封装。它具有4KB在系统可编程FLASH程序存储器ROM和256B数据存储器RAM，可外部扩展至64KB。外部程序存储器 ROM 被统一寻址。是的，内部ROM地址从0000H到0FFFH，外部ROM地址从1000H到0FFFFH，RO

6、M总共有64KB。外部数据存储器 RAM 单独寻址。内部RAM的地址从0000H到00FFH，共有256B。外部 RAM 的地址为 0000H 到 0FFFFH，共有 64KB。 CSVCCAT89S51单片机具有时钟静态工作模式，降低了自身功耗，非常适合便携式仪器。该单片机的外部40个引脚和功能与INTEL公司的8051系列单片机相同，应用指令和时钟频率相同，此处不再赘述。 CSVCC WR1ILE1 20 2 193 184 175 166 157 148 139 1210 114 WR1ILE1 20 2 193 184 175 166 157 148 139 1210 114 sAGN

7、DXFERWR2是与MCS51系列微控制器完全接口AGNDXFERWR2DI4 DI2 DI3兼容的匹配数字/模拟，8 位分辨率DI4 DI2 DI3 DI1DI6DI5转换芯片，其PDIP-20 pinout如图 DI1DI6DI5DI7 VR DI0DI7 VR DI0IOUT2 RFIOUT2 RFIOUT1DGNDIOUT1DGNDDI0 - DI7为8位数据输入线，VR接参考电源，IOUT1和IOUT2用于输出模拟电流，RFB用于将输出端的反馈信号引入芯片。 CS为片选信号，WR1为输入锁存写选通信号，ILE为输入锁存使能信号。当 CS 和 WR1 为低电平，ILE 为高电平时，输入

8、锁存器的使能信号 LE1 有效，单片机传输的数据通过 DI0-DI7 数据线锁入输入锁存器。 XFER为数据传输控制信号输入线，WR2为DAC寄存器写选通信号输入线。当XFER和WR2同时有效时，DAC锁存器的使能信号LE2有效，再次锁定输入锁存器的锁存数据。将其存储在DAC锁存器中，同时进入D/A转换器开始转换为模拟信号。AGND为芯片模拟电路的接地点，DGND为芯片数字电路的接地点。将 DACO832 连接到微控制器有三种方法，如下所述。(1) 直通模式：CS、WR1、WR2、XFER 信号管脚均直接接地。当 ILE 引脚接高电平时，输入锁存器和 DAC 锁存器处于直通模式。一旦8位数字量

9、送入DI0-DI7数据输入线，立即进行D/A转换，直接完成一次D/A转换，无需选通。这种方法简单，很少使用。(2)单缓冲方式：WR2和XFER直接接地，使DAC锁存器处于直通状态，输入锁存器处于受控状态。只要数据通过输入锁存器，就可以完成D/A转换，有一个门控过程。(3)双缓冲模式：输入锁存器和DAC锁存器都处于受控状态。这时，当单片机的数据送到8位数据线时，经过两次选通就可以完成D/A转换。它的优点是可以同时进行数据接收和转换的启动。下一个数据可以在 D/A 转换的同时接收。提高了转换速度。该装置不强调工作速度，可输出转换后的模拟电流，与单片机直通连接。3：运算放大器LM324它由4组相同的

10、运算放大器组成，是一种高倍率的直接耦合、线性集成放大器。每组运算器有两个输入端（同相输入端和反相输入端）和一个输出端。使用时可作为反相比例放大器，信号可从反相端输入。作为同相比例放大器，信号可以从同相端输入。用作微分比例放大器时，可以同时从正负端输入信号。 LM324 可用于放大直流信号。本设备使用LM324将DAC0832输出的模拟电流转换为模拟电压输出，后面的调试过程会介绍。RG RG1 82 73 64 54RG RG1 82 73 64 5V+VIN-INA126 的引脚如左图所示V+VIN-V0VINV0VINREFVREFVINA126 是一款用于便携式仪器和数据采集系统的低噪声差

11、分信号采集精密仪器放大器该部分设计有两个运算放大器。 INA126 用于单电源时，其共模电压为 1/2VCC。如果使用的传感器是桥式传感器，则中点电位为 1/2VCC。当输入信号为0时，输出直流电压为1/2VCC。在两个 RG 1 和 8 之间连接一个可调电阻，以调节 INA126 的电压放大倍数。其参数如下a：宽电源电压供电范围：（1.35V18V）b：低失调电压：最大 250Ac：低失调漂移电压：最大 3V/度d：低静态电流：最大 175Ae：低噪音：380dB maxf：低输入偏置电流：（+250nA-250nA ）该装置采用可调电阻W2调节INA126的电压放大倍数，使数控电源输出电流

12、为100mA时，74LS14的输出电压反向，输出为低电平，单片机进入外部中断0的中断服务程序。5：显示解码驱动MC14495MC14495可将十六进制数对应的BCD码翻译成可在数码管上显示的七段字符码，驱动LED数码管点亮显示芯片。6：与门芯片CD4082BECD4082是一个4输入1输出的与门电路。当所有 4 个输入为高时，输出为高，当一个输入为低时，输出为低。电路中，CD4082输出的低电平使单片机进入外部中断1的中断服务程序。7：外补通用运算放大器LM301LM301是一款单片通用外补偿运算放大器，具有输入输出过载保护、零失调电压调节、无阻塞现象、输入电流小、保证漂移。最大电源电压为18

13、V，最大输入失调电压为10V，最大温漂电压为30V/度，最大输入失调电流为70PA，最大输入偏置电流为0.3A。本装置采用LM301将LM324输出的模拟电压放大到与数码管显示的数据相同。电路中使用的其他元件的型号规格见附录二。五、软件程序设计程序中使用外部中断 0 和外部中断 1，外部中断 0 用于 CNC 电源输出电流过大时进行保护。关闭 D/A 转换并显示报警信息。由于过流保护的重要性，其中断优先级设置为高。外部中断 1 用于 4 个按键的操作，分别是数字选择键、递增键、递减键和 D/A 转换键。单片机开机时，单片机初始化，两个数码管都显示0，负载上没有电压。当键盘上的任意键被按下时，单

14、片机程序进入外部中断1。在这个中断服务程序中，首先延迟按键的抖动以消除抖动。然后判断是否有按键按下，如果没有按键则返回主程序。如果某个键被按下，则根据被按下的键的键号产生相应的操作，执行后返回主程序。按 K1 键确定要调整的数字。每按一次，数码管交替显示00和01。 00 表示要调整的十位，01 表示要调整的一位。按K2键相应位加1，按K3键相应位减1。两个数码管分别显示电压调整过程。使用寄存器R3 保存十位数值，使用寄存器R5 保存一位数值。通过按K2和K3调出一个数据，按K4时，R3和R5这两个寄存器中的数字组成一个十进制数，送到DAC0832完成数模转换。寄存器R3和R5用于存放程序中的

15、数字，有利于十进制数的两位数的调试和组合。程序流程图见附录3程序见附录四，六、调试过程单片机数控电源工作原理见附录1，数控电源输出电压通过手动按钮步进调节，每步进0.1V，输出电压范围为（ 0.0V 9.9 V)，调整电压一共需要99步，BCD码为（00H99H），其数字量为十六进制数（00H63H），发送到DAC0832的8位数据线，公式为数模转换为：255/5=D/A。D为已知数字量，模拟电压A=5D/255，最大输出模拟电压A=599/255，计算A=1.94V，所需输出电压为9.9V，则电压放大倍数为Av=9.9/1.94=5.1倍。按键盘输入DAC0832数字量，测量LM324转换后

16、的模拟输出电压，与理论计算的输出电压数据比较如下。表1：DAC0832数模转换电路测试结果表，输入数据理论输出模拟电压/V实测输出模拟电压/V绝对误差/相对误差/%00H0.000.000.000.010H-0.31-0.300.013.220H-0.63-0.620.011.630H-0.94-0.930.011.140小时-1.25-1.240.010.850小时-1.57-1.550.021.360H-1.88-1.860.021,163H-1.94-1.920.021.0由上表可知，经DAC0832数模转换后LM324输出端测得的模拟电压与理论推导数据存在一定误差。LM301用于放大L

17、M324经过数模转换后输出的模拟电压。从附录1的原理图可以看出，DAC0832输出的电流模拟信号从IOUT1送到LM324的反相端。这是一个反相运算放大器。输出模拟电压为负值。再经LM301放大，与两位数码管的数据相同。 .三极管T1和T2组成的达林顿管结构的发射极输出器件放大负载的电流，会降低数控电源的输出电阻，使负载变小，即输出电流较大时，数控电源的输出电压会下降。不要太多。 LM301反馈电阻接法可以进一步降低其输出电阻，稳定数控电源的输出电压。以下是数控电源输出端接100欧负载时实测输出电压与所需输出电压数据对比表表二：所需输出电压/V实测传输电压/V绝对误差相对误差%0.00.000

18、.000.001.01.01+0.011.002.02.01+0.010.503.03.01+0.010.334.04.02+0.020.505.05.02+0.020.406.06.03+0.030.507.07.04+0.040.578.08.05+0.050.629.09.04+0.040.44通过表2和表1的分析比较，测得的输出电压经运放LM301放大调整后，所需的电压误差精度高于LM324的输出电压误差精度。数控电源的过流保护来自采样电阻R9上的电压。采样电阻R9与负载RL串联。与RL相比，R9的电阻极小。正常工作时，其上的电压降很小。它不会影响 RL 上的电压。当输出电流增加时，R

19、9上的电压增加，R9并联到差分精密仪表运算放大器INA126的IN+和IN-输入端。调节INA126的1、8脚两个RG端的电位器W2，确定INA126的电压放大倍数。当输出电流达到保护动作值时，R9上的电压升高，INA126的输出电压进行反向施密特触发器比较。器件 74LS14 的输出从高电平 5V 翻转到低电平 0V。这个低电平信号被送到AT89S51 MCU的外部中断0（INT0），使MCU程序进入外部中断0的服务程序。在这个程序中，00H数据被送到DAC0832，D/ A转换关闭，负载上的输出电压为0V，两个数码管同时显示EE的报警信号。此时，根据实际情况，按键盘调出相应的数据，发送给D

20、AC0832，使输出电压满足负载要求。表3：负载为100欧时，测量计算得到的过流保护电路数据如表所示NC电源输出电压/V0.002.014.026.038.0410.05数控电源输出电流/mA0.0020.140.260.380.4100.5INA126 输出电压/V0.000.601.231.862.493.1174LS14输出电压/V5.005.005.005.005.000.20当数控电源输出电流达到100.5mA时，INA126的输出电压为3.11V，使74LS14的输出电平反转。七、注意事项1：本设备供电电压为+12V、-12V、+5V。单片机AT89S51和数模转换DAC0832采

21、用+5V电压供电，运放LM324和差分精密仪表放大器INA126采用+12V和-12V两种电压供电。注意不要给单片机加12V电压，或者电路中的任何5V电源，以免烧坏单片机等意外。2：采用步进法调整数据时，输出电压不能随之变化，使调整过程中加在负载上的电压不能满足要求。完成数据的步进调整后，再次按K4键，实现D/A转换，输出电压给负载综上所述：本装置采用单片机和各种芯片设计制造数控直流电源。电源的输出电压由键盘逐步调整。这种电压调节方法比使用电位器更方便、更准确。每次调整的电压仅为0.1V，提高了精度。用数码管显示电压调整过程和输出电压比指针表更准确直观。分两步调节电压和输出电压，使电压满足负载

22、的要求。输出电流采用闭环实时监控保护，提高了设备的使用功能。如果在该电路中加入变压器、整流器、滤波和功率放大器，并在软件程序设计中考虑抗干扰因素，可用于10V以下精确稳压的实用电源。至：在撰写论文的过程中，我得到了石瑞马电源秀研工程师的大力帮助，在此表示感谢。由于本人知识有限，写作时间短，有些问题没有完全理解，解释不好，文中的错漏在所难免。观点。参考文献。1：王维清、邱文勋。 51单片机应用开发案例精选：人民邮电，2007.72 ：何建国。单片机在电子电路设计中的应用。：清华大学，2006.53：史文华。单片机原理与应用：中国电力，2005.24：大明。单片机控制应用技术：机械工业，2006.

23、45：傅家菜。单片机控制工程实用技术：化工，2004.5附录一：MCU数控电源工作原理图附录二：组件列表序列号元件符号组件名称型号规格数量评论1R1R4碳膜电阻器RXT-5.1K-1/4W42R5碳膜电阻器RXT-4.7K-1/4W13R6、R7、R10碳膜电阻器RXT-10K-1/4W34R8碳膜电阻器RXT-47K-1/4W15R9碳膜电阻器RXT-5R-1/4W16W1可调电阻134T-8.7K17W2可调电阻B102AE-1K18C1电解电容器CXD-10UF-25V19C2、C3陶瓷电容器CP-30PF210H晶体振荡器12MHZ111T1, T2三极管S9014-C331212引领

24、数码管ULS-3161AS213K1K4按钮414U1运算放大器LM324115U2单片机AT89S51116U3BCD解码驱动MC14495217U4数模转换DAC0832118U5精密仪表放大器INA126119U6六个反相施密特触发器74LS14120U7四输入与门集成块CD4082BE1附录 3：程序流程图1：主程序和外部中断0过流保护报警程序开始开始系统初始化系统初始化开中断开中断0和中断130H30H，40H，50H内容清零等中断等中断结束结束NONOINT1=0INT0=0NONOINT1=0INT0=0YESYESYESYESA P2A 0EEHA P2A 0EEHA （A）A

25、 （A）0FHP1 A20H AP0 00H20H AP0 00H延时延时10毫秒按键去抖动A P2A P2A （A （A）0FHNOA=20HNOA=20HYESYESD/A转换数值减少数值增加数据位选择D/A转换数值减少数值增加数据位选择A=20H2：数据位选择程序A=20HNOP2.0=0NOP2.0=0YES主YES主SA 50HA 50HA=0A=0NOYESNOYES50H 50H 00H50H 01HP1 （P1 （50H）等中断等中断A=20H3：D/A转换程序A=20HNOP2.3=0NOP2.3=0YESYES A R3 A R3A3A30 A7A （A （A）R5DPTR

26、 ADPTR AP1 AP1 A等中断等中断A=20H4：数值增量程序A=20HNOP2.1=0NOP2.1=0YESYESA 50HA 50HA=0A=0调十位调个位NOYES调十位调个位NOYESA 40HA 30HA 40HA 30H P1 A R3 A P1 A R3 A R5 AA3 R5 AA30 A7 P1 A40H （ P1 A40H （40H）+130H （30H （30H）+1NOR5=09HR3=NOR5=09HR3=09HNOYESYESYESYES40H 00H30H 00H40H 00H30H 00H等中断等中断A=20H5：数值缩减程序A=20HNOP2.2=0N

27、OP2.2=0YESYESA 50H（505A 50H（505A=0A=0调十位NO调个位YES调十位NO调个位YESA 30HA 40HA 30HA 40H R3 A P1 A R3 A P1 AA30 AA30 A7 R5 A P1 A P1 A40H （40H）40H （40H）130H （30H）1 A R3 A R3NONOA=00HNONOA=00HA=00HYESYESYESYES40H 09H30H 09H40H 09H30H 09H等中断等中断附录四：程序组织结构 0000H ;主程序启动LJMP 主要；主程序跳转到 MAIN组织机构 0003H ;外部中断0入口地址LJMP

28、 WZT0;外部中断 0 跳转到 WZT0组织机构 0013H；外部中断1入口地址LJMP WZT1；外部中断1跳转到WZT1有机玻璃 0100H ;主程序在标号为MAIN且地址为0100H的地方执行主:MOV SP,#70H ;设置堆栈指针地址为70H移动IE，#85H；打开中断0和中断1SETB IT1；外设中断 1 触发方式为负脉冲下降沿CLR IT0;外设中断0触发方式为低电平SETB PX0;外围中断是高优先级MOV P0,#00H ; DAC0832 输出的数据为 00HMOV P1,#00H ;两个数码管都显示0MOV P2,#0FFH ;将P2口设置为键盘输入口移动 30H,

29、#00H ;输出电压十位缓冲存储器30H容量为00H移动 40H, #00H ;输出电压个位缓冲存储器 40H 为 00H移动 50H, #00H ;十位和个位的选择缓冲存储器 50H 为 00HSJMP $;主程序在这里等待中断有机玻璃 0200H；外部中断 1 在标签 WZT1 和地址 0200H 处执行WZT1：推PSW；将 PSW 压入堆栈推加速；将 ACC 压入堆栈SETB RS1；注册选择组 2MOV A，P2；将端口P2的每个key的内容读入累加器ANL A,#0FH ;只保留读取数据的低四位移动 20H,A ;数据结果存储在20H呼叫蒂姆斯；延迟0.1秒，消除按键抖动MOV A

30、, P2 ;延迟时间到后，读取P2的数据ANL A, #0FH ;保留P2数据的低四位CJNE A，20H，关键；比较A和20H中的内容，如果没有按键，则转到KEY，如果有按键，则执行序列JNB P2.0,KEY0 ;判断数据位选择键是否按下JNB P2.1,KEY1 ;判断数据增加键是否被按下JNB P2.2,KEY2;判断是否按下了数据缩减键JNB P2.3,KEY3;判断数模转换键是否按下KEY:POP ACC;当没有按键被按下时，将 ACC 和 PSW 的内容弹出堆栈POP PSW视网膜；中断结束，返回主程序SJMP$继续等待中断KEY0:AJMP KEY00 ;由数据位选择的程序在标

31、签 KEY00 处执行KEY1:AJMP KEY10 ;数据添加程序在标签KEY10中执行KEY2：AJMP KEY20；数据缩减程序在标签 KEY20 处执行KEY3：MOV A，R3；进行数模转换，读取R3的十位数据内容交换一个; A的高低四位交换奥尔拉，R5； A 和 R5 位数据兼容 OR 操作，存储在 AMOV P1,A;结果发送到P1端口让数码管显示发送到DAC0832的数据MOV P0,A ;结果发送到端口 P0 开始数模转换LJMP 密钥；数模转换程序完成，返回主程序KEY00：MOV A，50H；数据位选择，50H内读取数据JZ KEY01;判断(A)=00H，转KEY01M

32、OV 50H, #00H ;(A)=01H, 发送 00H 到 50HSJMP KEY02;转到KEY02KEY01:MOV 50H,#01H;(A)=00H，发送01H到50HKEY02：MOV A，50H；读入 50HANL A，#0FH；保留50H的低四位数据移动 P1,A ;发送 50H 到端口 P1 进行显示LJMP 键；返回主程序KEY10：MOV A，50H；数据增加执行，读取50H数据JZ KEY12 ;根据50H中的数据判断是增加个位还是十位MOV A，40H； (50H)=01H，将要加的一位读入一位寄存器的40H数据移动 P1,A ;显示40H数据MOV R5,A; 40H数据存储在R5中CJNE R5，#09H，KEY11；如果40H存储在R5中的数据不是09H，则传输到KEY11移动 40H, #00H ;当显示的40H内容为09H时，将40H内容清0LJMP 密钥KEY11:INC 40