基于单片机数控电源的设计

摘要此设计要实现的是基于单片机的数控稳压电源的设计，设计的电路中是以单片机为主控元件的，并设计好其他的电路模块形成一个整体电路，来达到可输出并且能够显示电压数值的功能，同时还兼具步进功能。在此次设计中将重点讲解该电路的硬件方面各模块的设计和功能的实现。其重要构成包括单片机部分，稳压控制部分，数码管显示部分，TLC5651模块，整流滤波及稳压模块，MOS管放大模块等。此次设计的系统通过将上述模块进行有机结合后，形成一个功能完好的电路，中间还要进行程序的编写，然后通过测试的方法来检验电源的性能，对于所出现的问题进行相应的分析，最后通过对整个设计过程进行总结思考。关键词：稳压电源，单片机，数控。目录TOC\o"1-4"\h\u132131绪论 1183602关于数控电源总体方案的选择 1224982.1引言 134242,2设计的主要的任务方案的挑选 163082.2.1设计任务 168002.2.2设计方面的主要要求 1299072.2.3有关设计方案的分析与选择 193222.2.4方案的优缺点及选择 2325603硬件部分的电路原理及设计 210663.1单片机部分 2326473.1.1STC89C51单片机的引脚功能 3204823.1.2STC89C51单片机在电路中的功能实现 3129353.2数模转换部分 4317493.2.1TLC5615芯片的概述 4178143.2.2TLC5615芯片结构 4192533.2.3TLC5615芯片在电路中的应用 4220373.3放大器部分 4230843.3.1关于放大器部分设计元件的概述 4143183.3.2放大器部分工作原理在电路中的实现 461483.4电源输入及稳压部分 595693.4.1关于电源输入部分个元件的概述 5264603.4.2关于电源输入部分的工作原理的实现 6190503.5按键部分 6124633.5.1按键部分的功能简述 6287353.6数码显示输出部分 6144373.6.1数码管概述 6290953.6.2数码管在电路中的工作原理 7241163.7过流检测及报警部分 7100543.7.1过流检测及报警部分的简述 7227383.7.2过流检测及报警部分的功能实现 7130754.软件部分设计 9225464.1程序简要流程图 932044.2程序编写 1022525电路整体功能概述 10315586.系统调试测验 1144346.1系统调试 11236656.1.1硬件方面的调试 1146686.1.2软件方面的调试 11119266.2系统测试 11222166.2.1系统功能测试 128026.2.2系统误差分析 12310247.总结 12102138.致谢 1388559.参考文献 141273510.附录 141绪论现今，有关电方面的各种技术已然在社会上的各个领域中有了极为深入与广泛的应用，其中的数控电源技术就可以代表。现在的数控电源技术已经有了比较好的发展，其中融合了其他领域的一些技术，如自动控制理论等。当今社会，各项技术都处在高速发展的时期，随着计算机应用的不断深入，许多技术都已经往自动化和精密化发展，由此对电源来说，势必也要进入这发展的浪潮中，那么对提高电源的整体性能就势在必行。由于数控电源在许多的电子产品中都有极为广泛的应用，那么数控电源的性能和运行过程中产生的不足和误差都要进行考虑，这些都是不能够忽视的。在上世纪80年代左右，数控电源开始了比较不错的发展，许多理论开始建立，这为以后数控电源的快速发展打下了基础。但一些方面的缺点还是一时难以改变，比如精度方面不易达到标准，可靠性方面也较差等。到了上世纪90年代左右，如单片机技术，控制理论等都有了不错的发展与应用，此时的数控电源的发展也因为各项技术的发展而不断推进，此时的有关数控电源的一些技术都日趋完善，已经出现了总体性能较好的产品。此次设计的是基于单片机的数控电源的设计，希望通过此次的设计研究，进一步的理解数控电源的工作机理，并由此启发一些思维。2关于数控电源总体方案的选择2.1引言数控电源较一般形式的电源是有比较多方面的好处的，其中数控电源的优势如下：采用数字控制可以使得电路整体性能得到提高，更加的智能化。且其中加入的一些集成元件可以很好地进行电路功能的完成，与单片机相配合后，会使得电路更加的完善。在控制方面，由于采用数字控制，在进行一些功能的时候，可以通过改变程序信息来实现，从而避免对实际电路的改变。采取数字控制的电源对于出现的故障时较易进行判别，出现故障后，可以比较好的进行维护。而且对于在线修改程序信息也是可进行的，方便了很多实际操作的问题。2,2设计的主要的任务方案的挑选2.2.1设计任务由单片机作为主控芯片，作为电路的核心，通过设计其他的一些电路模块，使得最终能呈现出一个能够输出稳定电压的电源。2.2.2设计方面的主要要求本次设计的由单片机控制的电源要达到输出电压能够稳定且精准的要求，电压值的最终显示要控制在0V-15V之间，而且通过电路中的相应部分，能够使电路能够有步进功能，且步进值控制在0.1V。2.2.3有关设计方案的分析与选择待选方案一：在此方案中打算运用数字电路的知识来设计电路，该种方法是可以很好地解决电路硬件之间的排列问题，但是该电路由于是不接触一些基本的模拟元件，会使得原本较为简单的设计不可避免的变得复杂，导致一些功能实现会变得极其困难，对于我所设计的电路而言难度会增加很大。待选方案二：将单片机运用到所要设计的电路中，通过一些其他基本的电路元件以构成以构成一个完整的电路，单片机的应用会使得整个的电路合理有序。对于输出电压值的显示方面，采用的是TLC5615数字/模拟转换器进行数模转换的方式，经过由运算放大器OPA2107和IRF2107共同构成的负反馈系统，可以得到输出电压，期间还会通过具有分压作用的电位器，使得输出精准。最终的电压显示由LED数码管显示。2.2.4方案的优缺点及选择在控制方面，方案一的主要是通过对数字电路的设计的实现，其特点表现为电路的最终实现是比较复杂的，而对待选方案二来讲，待选方案二的设计中中引入了单片机，单片机主控功能的采用会使得整个电路的整体功能得到一个很大的提升，整个电路的可靠性比方案一好，出现故障时也是较方案一好排查和修复，还有一点很重要就是关于后期的排查问题方面，如果方案二出现了问题，是可以随时在线更改的，极大的方便了后期调试的问题，如果采用方案一，那么对于这一方面来说，无疑在后期会长增加许多的工作量，且操作会很大。综上所述，选择方案二是更易于进行的，更容易体现电路功能，更易于后期的调试工作。所以，选择方案二。其功能图如下所示：3硬件部分的电路原理及设计3.1单片机部分关于51单片机部分，日常接触到的很多，51单片机其性能是非常不错的，且能耗又低，功能极为广泛，在生活中具有广泛的应用。对于51单片机我们在日常生活和学习中接触到很多，对于其功能也是较为熟悉的，对于其内部结构功能的讲述不涉及，会在接下来具体到每个模块中讲述。3.1.1STC89C51单片机的引脚功能89C51单片机是所设计电路构成中的主控部分，在控制中居于核心地位，该单片机的引脚共有40个，其中40口接的是电源正极，20口接地。RST起到的作用是复位，要在外电路延伸一个按键以实现其功能。P0口之中0,1,2,3的每一个都要接入一个三极管的基极，而每一个三极管的集电极则接入到数码管中。4,5,6,7口每一个都外接一个按键接地。对于P1口的8个端口，则是接入到数码管中的a,b,c,d,e,f,g,dp上。对于P2口，则是接入到TLC5615的8个引脚上。对于单片机的引脚功能部分在设计中花费了大量的时间去体会，以此能够在后面的各模块功能理解和设计上更加的得心应手。3.1.2STC89C51单片机在电路中的功能实现因为单片机在电路中起的是一个主控的作用，很多信号的处理都要由单片机来发出与接收，那么有关STC89C51单片机在电路中的功能实现问题是可以在接下来的一些模块中可以结合起来看，且上面已经谈到了引脚功能图，一些大致的功能已经体现出来，我会在接下来的每个模块中具体讲到每个模块怎样接执行单片机的信号。3.2数模转换部分3.2.1TLC5615芯片的概述数模转换功能的实现，及稳压输出的实现，此次设计中是通过TLC5651来实现的，工作在+5V的环境中。3.2.2TLC5615芯片结构对于TLC5615的具体功能结构图已经在下面给出，可以知道TLC5615的引脚有8个，其中8引入+5V，而5则接地，引脚7起到的作用是输出电压，1,2,3,脚接的分别是单片机的P34,P33,P32；引脚6接入的的是2.5V的电压。该功能在整个电路设计中的作用是较为核心的。3.2.3TLC5615芯片在电路中的应用对于TLC5615在该电路中的具体应用方面是很有必要进行说明的，因为在电路正常运行中，单片机的对应端口会发出信号，而该信号是数字信号，但是要在其他模块中进行信号传递，必须变为模拟信号，那么这个作用就由TLC5615来承担了，而且在采样的环节，单片机需要进行处理，需要得到的信号为数字信号，那么同样也需要TLC5615来进行相应的处理。该部分通常会配合放大器部分共同完成一个完整的功能，在放大器部分将会讲到这两部分之间的联系。3.3放大器部分3.3.1关于放大器部分设计元件的概述该部分运用的芯片是LM358和MOS管F924N,同时还需要接入一个电位器来构成这部分的电路。而且这部分的功能是和上述讲到的数模转换电路紧密结合在一起的，在只是在此细化来说。3.3.2放大器部分工作原理在电路中的实现该部分的作用主要是放大电信号，当单片机的信号有端口发送给TLC5615时，TLC5615会将该信号转化为模拟信号，但是同时该信号会存在过小的问题，所以在整个电路的设计中是有必要设计放大电路的，因为其担负着将电路信号放大的作用，其工作原理是信号被送到了LM358的反相端，在这时MOS管的放大作用就发挥出来，电位器在其中发挥着调节作用，在电路运行中可以对其上面的旋钮进行调节。同时该部分还存在这负反馈的作用，这样MOS管就可以保证能够输出稳定的电压。3.4电源输入及稳压部分3.4.1关于电源输入部分个元件的概述该部的结构功能图如下所示，其中的P2是接线柱，为整个电路的电压输入端口，一般来说，设计整流电路的经典方法是，通过四个二极管的的一定的连接可形成，但是由于镇刘巧元件同样有着这样的功能，而且只需要一个元件即可，选用整流桥就可以简化电路，但是工作原理还是如图中所示那样。其中的电容C6起到的是滤波作用。还有就是需要稳压芯片TL431，稳压管7805和7812.3.4.2关于电源输入部分的工作原理的实现电流经过滤波整流后，稳压管7805和稳压管7812，其中7805与7812的接地端共同接地，且在其输出端通常要接入一个电容，来完善电路的功能。这些的作用是使得整流滤波后的电压能够稳定输出，其中7812的耐压值是比7805大的，也因此7812的作用是保护7805，使得7805能够稳定地输出5V的电压，为其他模块电路供电。3.5按键部分3.5.1按键部分的功能简述按键部分在整个设计的电路中对于其他功能电路是较为简单的，主要有复位，步进等功能，该按键部分一共由是4个开关构成，4个开关的同一端分别接入到单片机的P20~P23口，而另一端则同时接地，其功能原理如下：当按键按下时，对应的P20~P23口为低电平，单片机可以就此检测到，并产生响应；当按键弹起，则对应的P20~P23是高电平。这里提到的按键部分的功能与数码管部分的功能关联程度高，其功能将在下面要讲到的数码管显示中体现出来。按键部分的结构功能图如下所示：3.6数码显示输出部分3.6.1数码管概述这次设计的目标之一是要看出电压数值的，那么显示功能就要有元件承担，本次选用的是数码管。对于数码管的连接方式而言，我们是比较熟悉的，一般就两种方式，根据连接方式的，可以分为共阳极和共阳极数码管。其内部功能的实现就是有多个二极管来实现，我在本次的设计中所采取的连接方式是共阳极。3.6.2数码管在电路中的工作原理为了使电路更加的实用方便，特别用四位一体的共阳极数码管来设计，此外还需设计一个驱动电路来驱动数码管，该驱动电路由4个S8550三极管来构成。上述所讲到的单片机所对应的功能端口就接入到此数码管的阴极，而数码管的位选端则要分别接上单片机的P24~P27口，那么这样就可以使数码管的功能得以实现。此外还需要在电路中接入4个1K的电阻，这些电阻的作用主要是限制基极电流，防止电流过大进而起到保护电路的作用，因为三极管是工作在开关状态下的，这些电阻的加入还可以使三极管导通。另外电路中还须接入一个0.22K的电阻，此电阻的直接作用体现的是限制电流，进而体现的是决定二极管的明亮程度。数码管的结构功能图如下所示3.7过流检测及报警部分3.7.1过流检测及报警部分的简述在一般的其他电路中为了体现整体电路功能的完整性和安全性都会进行过流检测和报警电路的设计，而此设计中也要设计此部分电路，该电路的主要功能是进行过流检测和电路的报警功能，其功能的实现如下所述。3.7.2过流检测及报警部分的功能实现这里通过对过流检测与报警功能的分开讲述来说明，首先先讲述过流检测部分，该部分功能的实现主要是通过芯片LM358来实现，此处的LM358实现功能涉及到了反相比例电路的原理。对于下图做简单的说明，P1口是作为电源的输出端，电流检测电阻为R11，该电阻的作用是可以将电流变换成电压，而后通过LM358的反相放大倍速，而之后进行的动作就是使之和标准电平相比，若果所得电压高于标准电平，则信号会送到单片机处，单片机也会由此来发出指令使得功能能够实现。过流检测部分的结构功能图如下所示。接下来说明报警部分，该部分的电路构造相较于其他部分也是较为简单的，设计该模块所需的元件很简单，一般请情况下只需要电阻，三极管和蜂鸣器。该模块只与单片机的P36口连接。其工作原理主要是单片机的P36口的信号来决定三极管的导通，具体表现为当P36口显示为高电平时，三极管断开，整个电路相当于开路，蜂鸣器不发出警报；另外该端口显为低电平时，三极管的状态导通，电流也由此可以在整个电路中流过，蜂鸣器也就凭此来发挥警报作用。电路中的报警电路总体功能实现较为简单，其的结构图如下所示。4.软件部分设计软件部分是该设计系统的又一核心，是电路整体功能实现的又一重要部分，软件系统编写质量的高低，会直接影响到整个硬件电路的运行时的表现，编写好软件部分尤为重要。在设计时应该考虑多方面，尽量使得设计出来的程序有较为不错的可操作性，实用性和系统性。此部分设计好后要与硬件电路部分进行充分的功能调试，通过不断的试验使得软件部分和硬件电路部分更加趋于完善，关于调试部分的说明将在接下来的叙述中展开。4.1程序简要流程图4.2程序编写由于篇幅过长,在此省略。程序的具体的功能将在实际电路中表现。5电路整体功能概述通过前面每个单元的介绍，已经可以知道该设计大总体电路可以大致分为单片机模块电路，电源输入部分电路，放大器部分电路，稳压部分电路，电流采样部分电路，显示电路，按键部分电路，过流检测及报警部分电路等构成。有必要对电路总体的功能进行一个完整的概述，首先讲到的是电源输入部分，此部分是为整个电路的一些芯片和功能实现而设计的，其提供的电压称为基准电压，主要为单片机的正常运行提供5V的电压，还有一些其芯片。然后是单片机部分，这是整个电路的控制核心，电路的核心运行问题的指令从这里发出，其它部分电路都受到该部分的控制，其连接的是数码管显示电路，能够通过按键部分去调节显示输出电压的大小，还对输出电压进行采样，以达到精准输出的功能，预设的电压经过单片机的相应端口送到了D/A转换电路，数字信号变成模拟信号进入到电路中输出，这里用到的芯片是TLC5615,该芯片的作用在整个电路中也是很核心的，肩负着模拟信号与数字信号之间的相互转换；此时放大电路的功能体现出来了，因为通过数模转换器转换出来的信号存在着信号太弱的问题，必须经过放大电路，这里用到的LM358和F9Z24N，还有就是还需接一个电位器来构成一个负反馈系统，可以通过调节电位器来调节比例，进而体现到输出电压的大小变化，以此来完成完整功能的实现。以上就是对整个电路中较为重要的电路部分进行的运行说明。对于软件部分，只是要注意编写的程序的正确性，和硬件部分电路的契合，对于具体的编写请看附录。6.系统调试测验6.1系统调试此过程中会用到一些仪器来进行辅助分析，如示波器，对于放大电路部分的调试来说，可以用示波器观察其状态，以便于辅助分析。6.1.1硬件方面的调试硬件测试方面主要我按照之前将每个部分分别进行测试，测试结果如下：对于放大器部分的调试，在整个的测试中是比较占用时间的，因为这里的调试时关乎到电压输出的精确问题，对于TLC5615J，LM358和电位器进行一个整体协调的测试最终达到了输出的要求。对于输入电源部分，这次的测试中对需要供电的几个元件分别进行了测试，结果发现是正常的。对于数码管的显示部分，由于只需测定其显示功能的正常即可，所以不需用电路的完成程序去测定，只需要编写一个简单的程序去测定即可，如能正常显示，则表示数码管的显示功能是完全正常的，最终的测试结果是正常。对于案件部分来说，这部分在电路完整程序编写好后进行测定，按下每个按键发现都能显示其相应的功能，测定结果为正常。6.1.2软件方面的调试此次测试用到了要用到编译器和烧录器，在编写了玩程序后进行测试时，通过应用的提示，去分析所编写程序的错误与不足，通过不断的修改，最终得到了较为合适的程序，之后通过后程序烧录器将程序烧录到51单片机上，然后将单片机接到硬件电路中进行进一步的查看，如果在硬件电路中运行出现问题则说明程序还是存在一定的问题，在这次过程中就出现了这样的情况，要找到所要修改的不合适的地方最后，通过一次次的修改，最终得到了适合的程序，使得整体电路能够正常的运转。6.2系统测试当前面的调试部分完全结束，那么此时最后的测试就可以进行了，通常要用到一些测量的仪器，如万用表，其功能是用来在输出端测定试剂电压的大小，然后和预置电压，和数码管显示电压相比较分析。6.2.1系统功能测试6.2.2系统误差分析本次测量的数据基本是符合预期的，但还是出现了一些误差，对于其分析如下:TLC5615的误差，TLC5615是数模转换器，存在一定的量化误差，这会使得整个结果出现误差。其他器件和线路因为一些稳定的因素也会造成一定的误差存在。7.总结这次毕业设计的所设计的知识点是比较多的，除了一些之前在课堂学习到的知识外，还有不少的知识点就需要去查阅文献里解决，对于一个电路，这次我的思路是将整个电路拆封成一个个功能模块，通过对每个模块的准确设计，最后将每个部分进行一个有机的融合，对于整体要进行比较细致的考虑，最终得到一个整体电路。本次所设计的数控电源，经过基础的调试测试，已经具有一定的实用性，其输出的电压已经可以满足一些电子产品的供电。这次所设计电路的元件由51单片机，TLC561模块,，放大电路模块，显示模块电路，采样及稳压电路，按键电路等构成。整体的功能可以简述如下，通过单片机的处理，单片机从对应的端口发出信号给数码管显示电路，另一方面P0口发出信号给D/A转换电路，在压后进行输出，此时单片机会对输出的电压进行采样，经过模/数转换电路后回到单片机，此时单片机会做出响应，以此来达到精准输出的功能。这次的电路设计中，我的能力得到很大的提升，因为所涉及到的东西很多，很多方面都需要去进行考虑，在一开始的电路规划中，就得考虑如何让电路的整体功能的以实现，同时让所设计电路更加简单，然后要考虑用何种元件才会更加符合电路，再到实际电路的制作，我更加可以体会到每个部分电路所起到的作用和他们之间的功能联系，，然后是测序的设计电路的测试，程序的设计我尽量用简单的设计来实现功能的完全，让整个硬件电路和测序更加的契合；之后到调试，关于调试这方面其实可学习的地方特别多，因为所设计的电路难免会出现一些问题，此时的调试工作，是最能体现和提高所学知识的地方，能够使所学知识和实践结合起来解决问题，最后就是关于论文的撰写，可以说以上的这些环节，每一个都是让我能力得到提升的，没余个环节都是所学知识与实践的结合产物。此次的设计中遇到的困难是不少的，一开始的时候对于所要设计的东西都有点不知从何下手，但是经过自己查阅了一些资料和结