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1、单片机；数控；稳压电源AbstractIn order to easily and quickly adjust the voltage, the article describes a microcontroller-based design method for NC power supply. NC-based Microcontroller regulated power supply circuit structure is simple, drawing easier. System is mainly by the microcontroller, D / A conversio

2、n, integrated operational amplifier and a number of the transistors, resistors capacitor combination. In the design，Microcontroller used for control the output voltage, the output voltage with low resistance to sampling, the ADC for the internal use of microcontroller A / D conversion, and then use

3、software to calculate the output current, also shows the size of the output current and voltage in the 1602 LCD. NC power output stage of the current amplification by placing a temperature sensor to real-time monitoring system temperature, the time when the system temperature is too high, CNC automa

4、tically cut power output. Through practice you can know, using the power of the method of high precision NC design, easy adjustment, intuitive readings, and simple circuit structure.Through research projects, using STC12C5A08S2 microcontroller, DAC082 D and 1602 LCD module and so on components to de

5、sign the NC power supply. In this research, the keyboard to adjust the output of digital single chip, and then by the line D / A digital-analog converter, amplified voltage output and the MCU after the corresponding voltage output digital value. After sampling at the output, by the software program

6、to calculate the current size of the system output and sent to LCD display. The whole system can be divided into three main parts: power supply part, control part and output part of the regulator.Key words: Microcontroller; NC; Stablevoltage source目 录引言 11 绪论 12 方案论证与比较 23 硬件系统的设计 34 硬件电路中使用的主要元器件介绍

7、 44.1 STC12C5A08S2单片机的介绍 44.2 数字/模拟（D/A）转换芯片介绍 54.3 1602液晶显示模块简介 64.4 运算放大器的简介 74.5 其他元器件 75 单元电路设计 75.1 供电电路的设计 75.1.1 主电源电路设计 85.1.2 辅助电源的设计 85.2 单片机最小系统电路的设计 95.3 键盘和显示电路的设计 95.4 数字/模拟转换电路的设计 105.5 放大稳压电路的设计 115.6 电流检测和保护电路的设计 125.6.1 电流检测和过流保护电路设计 125.6.2 过压保护电路的设计 135.6.3 过热保护电路的设计 135.7 指示信息电路

8、 136 软件程序的系统设计 137 电路的制作与调试 147.1 电路系统的制作 147.2 供电电路的调试 147.3 单片机程序的调试 167.3.1 1602液晶驱动和初始化程序的调试 167.3.2 DS18B20温度传感器程序的调试 177.3.3 键盘检测程序的调试 187.3.4 数字/模拟转换控制程序的调试 197.3.5单片机内部ADC的程序调试 207.4 硬件系统输出的调试 217.4.1 输出电压的调试 217.4.2 输出电流的调试 227.4.3 注意事项 238 系统的测试和误差分析 238.1 系统的测试结果 238.1.1 系统输出电压和过压保护的测试 24

9、8.1.2 系统输出电流和过流保护的测试 268.2 误差分析 278.2.1 输出电压的误差分析 278.2.2 输出电流的误差分析 279 总结 28谢 辞 29参考文献 30附 录 31附录一 基于单片机的数控稳压电源的电路系统原理图 31附录二 电路系统的PCB图 32附录三 焊接好的电路系统 33引言随着电子电路计数的发展，在电子电路和电气设备中，通常都需要各种稳定的电压源供电。直流电源可分为两大类，一类是化学式的电源，如各种各样的干电池、蓄电池、充电电池等电源，其优点是体积小、重量轻、携带方便等，缺点是成本高，易污染。另一类是稳压电源，它是把交流电（市电）220V的电压经变压器变为

10、合适的电压数值，然后通过整流、滤波和稳压电路，得到稳定的直流电压，这是现实生活中应用比较广泛的一类。如今 “数字化”的浪潮几乎席卷了电子技术应用的大部分领域。其不仅广泛地应用于电子仪器仪表、工业程序控制、办公自动化，计算机以及通信领域，而且还广泛应用于电视机，音响等家用电器领域以及电子小制作领域。另外，这些电子电路和电气设备上运用的直流电都是低压电，而且在不同电子设备上要求的直流电大小也是不一样的，针对目前这种情况，本次设计的就是0至25.0V的数字控制最小步进值为0.1V的可调直流稳压电源。以单片机系统为核心而设计的新一代的数控直流稳压电源，它不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能优越，而且

11、由于单片机具有计算和控制逻辑能力，利用它对数据进行各种计算，可排除和减少模拟电路引起的误差，另外输出电压采用键盘调节的方式，使得电源的外表美观，操作使用方便，克服了传统直流电压源的缺点，具有较高的使用价值。单片机对直流稳压电源进行控制，改善了电源的性能，使用方便灵活，且成本较低，同时控制系统在软件程序上还可进一步改进，以扩展其功能，而并不需要增加硬件开销，从而提高电源的性能价格比。此稳压电源的特点就是在0到25.0V之间的电压值内，步进可以调节，每次调节的步进值为0.1V（细调）、1V（中调）或者5V（粗调），这样该直流稳压电源的应用范围就会非常广泛。不仅可以应用于工业、农业，国防中的许多电子

12、设备中，还可以应用于学习、生活，科教中的很多地方。 这款直流数控步进稳压电源在设计时考虑到它的安全性及稳定性，而且使用方便，是一款非常适用的直流稳压电源。当然，在这次设计中由于时间和能力的关系，其中难免有些不足的地方，希望大家能够批评指正！1 绪论什么是数控稳压电源？数控稳压电源是一种数字直流电源。当输入数字量变化时，输出的电压也会做相应的变化，在输入的数字量不变的时候，输出的电压能够保持稳定，不会随负载的变化而变化。而稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等，前者表示输入电压的变化对输出电压的影响；纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时

13、，电压回到正常值所需时间。直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛地应用于电路，教学设备和科学研究等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多但均存在以下问题：输出电压是通过粗调（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（如1.1V变到1.2V），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。常常通过硬件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。本课题设计的基于单片机的数控直流稳压电源，电路结构相对简单，使用的器件价

14、格低廉，性能优越。另外，由于单片机的计算和控制能力，利用它对数据进行各种运算，从而可大大降低模拟电路对系统引起的误差，输出电压直接采用按键输入的调节控制方式，输出电流由单片机软件程序计算，输出电压电流使用1602液晶显示，操作使用方便，克服了大部分传统直流电压源的缺点。设计中基于单片机的数控稳压电源利用单片机系统对直流稳压电源进行软件控制，电压电流的实时显示也由软件程序来控制，大大提高了系统的可读性，让人操作使用起来更方便，从而让电源的优越性得到更充分的体现。本设计课题基于单片机的数控直流稳压电源可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等。2 方案论证

15、与比较根据任务书的要求，通过查阅相关资料可知，本课题基于单片机的数控稳压电源的设计主要有以下两种方案：方案一：原理框图如图2.1所示，这里使用了三端可调试集成稳压器LM317T，它的输出电压在1.25V至37V之间可调，输出最大电流1.5A，满足了输出电流要求。利用了单片机来控制一些分立元件进而控制LM317T输出电压调节端，在其输出端利用二极管压降，使其输出电压满足从0V开始，最小步进值为0.1V，最高达到20V以上。这样可以满足任务书对系统要求。图2.1 方案一的原理框图 方案二：原理框图如图2.2所示，直接利用单片机的I/O输出数字量，经过D/A转换后变为模拟量，把输出的模拟量放大转换为

16、模拟电压，经过电压电流放大电路，稳压电路，使输出电压从0V开始，最小步进值为0.1V，最高达到20V以上，输出电流大于1A，这样也可以满足了系统设计的要求。图2.2 方案二的原理框图通过比较方案一和方案二，由于方案一利用了单片机控制分立元件达到控制三端集成稳压器LM317T的调节端，其实际调节起来难度比较大，而且分立元件电路部分用到的期间数目会比较多，造成电路系统比较较复杂，操作起来比较难。因此，放弃方案一的设计思路。而方案二调节起来相对比较容易，电路实现起来也比较简单易行，故本课题基于单片机的数控稳压电源的设计采用方案二来实现。3 硬件系统的设计 根据任务书的要求，本课题基于单片机的数控稳压

17、电源的设计系统需要满足输入为220V，50Hz的交流电，输出电压从0到19.9V，最小步进值0.1V，电流达到1A以上，用键盘调节输出电压的大小，同时能实时显示输出电压和电流的大小，并且具备过热、过流、过压保护功能。设计的时候，在方案二的基础上，进一步完善，硬件系统框图如图3.1所示，它包括1602液晶显示电路、键盘电路、单片机电路、数字/模拟（D/A）转换电路、放大稳压电路，电流检测和过流保护电路，过热保护电路等。图3.1 系统框图图3.1所示基于单片的数控稳压电源的输出电压由键盘控制，通过键盘把需要输出的电压值以步进方式输入到单片机，再由单片机输出相应的数字量给D/A转换器缓存，通过D/A

18、转换电路进行数字/模拟转换，最后由放大稳压电路输出所需要的电压值。1602液晶显示电路用来实时显示输出电压、电流以及系统（主要是功率放大管旁边）的温度大小，用来控制过热保护。供电电路主要用来给电路系统中各部分电路提供合适的电源。放大稳压电路包括电压放大、电流放大，以及稳压三个部分功能。电压放大使输出电压满足系统要求，电流放大降低负载变化对输出电压的影响。由戴维南定理可以知道，整个数控电源可以等效为一个理想电压源和一个电阻串联电路。由于电源内阻存在，当负载电阻变化的时候，回路电流将发生改变，从而使电源输出电压发生变化，为了减小负载变化对输出电压的影响，输出电阻应该尽量减小，或者加大输出电流的额定

19、值，因此需要加一级电流放大。稳压电路是为了保证输出电压比较稳定，受负载变化影响小。为了防止当负载较小的时候，电流过大而危及系统安全，另外由于要求显示输出电流大小，所以需要一个过流保护和电流检测电路，用于对系统进行过流保护和采样系统输出的电流，以便实时显示电流。防止系统某些元件出现故障造成输出电压超过想要输出的实际电压，电路中需要一个过压保护电路。无论是过压、过流或是电路系统过热，保护电路均是将强制输出电压变为0.0V，并给出警告信号，然后可以通过重新调节按键，使其继续工作。4 硬件电路中使用的主要元器件介绍4.1 STC12C5A08S2单片机的介绍单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器

20、以及各种输入/输出接口的芯片，这样的一块芯片就具有计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。而它图4.1 STC12C5A60S2系列单片机引脚的功能实现要靠使用者自己来编程实现。单片机的型号有很多，例如，AT公司的AT89系列单片机，STC公司的STC系列单片机，TI公司的MSP430系列单片机等等。本课题设计使用的单片机器件为STC公司的STC12C5A60S2系列中的STC12C5A08S2，其为双列直插式DIP-40封装，引脚分布如图4.1所示。其具有以下一些特性（仅介绍本课题使用到的特性）：增强型8051CPU，1个时钟/机器周期高速运行，与传统的8051兼容；工作电压3.

21、5V至5V；工作频率0至35MHz；通用I/O口（36/40/44个），复位后为准双向口/弱上拉；片上集成1280字节RAM；用户应用程序空间8K；8路10位ADC，P1口输入，转换速度可以达到250K/S（每秒钟25万次）；外部中断I/O口7路，传统的下降沿或者低电平触发中断。其引脚功能如下：P0/P1/P2/P3：双向8位三态I/O口，可以作位控制，其中P1口也是单片机内部8路ADC的输入端口，P3.2和P3.3为外部中断0和1的输入信号控制端。P4.7/RST：复位信号输入端口，当输入连续两个机器周期以上的高电平脉冲有效，用来完成单片机的复位初始化操作。XTAL2/XYAL1：接外部晶体

22、振荡器的两个引脚，外部时钟由这两个引脚接入单片机。Vcc/Gnd ：电源正极/电源地。ALE：地址锁存允许端。NA：程序存储器允许。EX_LVD：该端口届低电平时，单片机只访问外部程序存储器。接高电平时，单片机访问内部程序存储器。4.2 数字/模拟（D/A）转换芯片介绍数字量是用二进制代码按数位组合起来的，每一位代码都有一定的权。为了将数字量转换成为模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即得到与数字量成正的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。本次课题设计所使用的D/A转换芯片为DAC0832。DAC0832是使用非常普遍的8位D/A转换器。由于其片内有输

23、入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC0832芯片数据输入可以采用双缓冲、单缓冲和直通三种方式。DAC0832以电流形式输出，当需要转换为电压输出时，可外接运算放大器。本课题中 图4.2 DAC0832引脚使用的DAC0832是双列直插式DIP-20封装，如图4.2所示，其主要特征有：分辨率为8位；电流建立时间1s；数据输入可以采用双缓冲，单缓冲或者直通方式；输出电流线性度可在满量程下调节；逻辑电平输入与TTL电平兼容；单一电源供电5V15V；低功耗。其引脚的功能如下：片选信号输入端，低电平有效。输入寄存器的写选通端，负脉冲有效。当=0，ILE=1时，有效时D0-D7状态被锁存到输入寄存

24、器中。 D0 - D7：数据输入端，TTL电平，有效时间大于90ns。 VREF：基准电压输入端，电压范围为-10V-10V。Rfb：反馈电阻端口，芯片内部与IOUT1接有一个15K电阻。 IOUT1：电流输出端，当输入为全1时，电流最大。 IOUT2：电流输出端，其与IOUT1端的电流值和为一个常数。数据传输控制信号输入端，低电平有效。DAC寄存器的写选通端，负脉冲有效（脉冲宽度大雨500ns）。为0且有效时，输入寄存器的状态被传送到DAC寄存器中。 ILE：数据锁存允许信号输入端，高电平有效。 VCC：电源电压，电压范围+5V - +15V。 AGND/DGND：模拟地和数字地。4.3 1

25、602液晶显示模块简介图4.3 1602液晶模块液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性,20世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、表4.1 1602各引脚功能编号符号引脚说明1VSS电源地端2VDD电源正极3VO液晶显示对比度调节端4RS数据/命令选择端（H/L）5R/W读写选择端（H/L）6E使能信号7D0数据口8D19D210D311D412D513D614D715BLA背光电源正极16BLK背光电源负极面并且配合背光灯管构成画面。液晶可以分为字符型液晶和图形型液晶，前者只可以显示ASCII码字符，如1602，0802等，

26、后者不仅仅可以显示ASCII码字符，还可以显示各类图形，汉字，如12232，12864等。在本课题中，考虑到价格、实际使用情况和方便购买等因素，使用的是1602液晶模块。1602液晶模块是用于显示输出电压、电流以及系统温度的大小，在第一行显示输出电压和系统温度，第二行显示输出电流大小。其外形和尺寸如图4.3所示。1602液晶模块的主要技术参数有：显示容量为每行16个字符，一共有两行，共可显示32个字符；工作电压为4.5V到5.5V之间；工作电流为2.0mA（5.0V）；字符尺寸为宽2.95mm，高4.35mm。其各个引脚功能如表4.1所描述。4.4 运算放大器的简介运算放大器，英文描述 Ope

27、ration Amplifier（OA），是应用非常广泛的一类线性集成电路，其种类繁多。在运用方面，不仅仅可以把微弱信号放大，还可以作为反相器、电压比较器、电压跟随器、加法器、积分器、微分器等等，所以他被称为运算放大器。在本课题设计中使用了两种不同的运算放大器：双电源运算放大器OP07和单电源运算放大器LM258。在设计中使用的OP07和LM258均为双列直插式DIP-8封装。OP07是一种高精度的双电源运算放大器，适合于精度要求较高的场合，其主要特点有：低输入失调电压，最大约为75V；很低的电压温度漂移和时间漂移；较好的噪声抑制，最大约为0.6V；供电电压电压范围宽，3V至22V。OP07运

28、算放大器在本课题设计中主要是用作电压放大器。LM258是一种内部有频率补偿的高增益单电源双运放放大器，适合于电压范围很宽的单电源使用，其主要特点有：直流电压增益高（约为100dB）；电源电压范围宽，3V至30V；低功耗电流；低输入失调电压和失调电流；输出电压摆幅大，约为0V至Vcc-1.5V。LM258运算放大器在本课题设计中主要是用作电压放大器和电压比较器（过流和过压判断）。4.5 其他元器件在本次课题设计中还使用了三端集成稳压管LM317T，7812和7912；TIP41c NPN、TIP42c PNP、9014 NPN三极管、DS18B20温度传感器，以及若干电阻电容和二极管等元器件，这

29、里就不再一一介绍了，具体可以参看附录一中电路系统原理图。5 单元电路设计5.1 供电电路的设计图5.1 供电电路原理框图因为本课题要求输入的是市电（220V，50Hz），所以首先要设计一个供电电路。供电电路的原理框图见图5.1。首先把市电变压到合适的交流，再经过整流，滤波，然后送去稳压器稳压，输出再经过一次滤波，最后给电路系统供电。在本次设计的硬件系统中使用到以下几种电源：主电源+27V，运放供电电源12V，单片机供电电源+5V。本次课题设计使用的变压器有两个档次双24V和双12V，为了降低设计中某些元器件压降差，减少器件功耗，提高效率，设计中使用了两次整流。5.1.1 主电源电路设计图5.2 主电源电路如图5.2所示，市电（220V，50Hz）经过变压器变压后，获得有效值约为24V的交流电，再使用整流桥将交流电变为直流电，此时得到的是纹波很大的直流电，需要使用大电容来进行滤波