基于单片机的数控电源设计论文文档格式.docx

1、第3章 各单元硬件设计 83.1 主控芯片 83.2 A/D模块 103.3 D/A模块 113.4 可调稳压芯片 123.5 显示模块 133.6 存储器模块 15第4章 软件程序设计 174.1 系统软件设计说明 174.2 系统总体流程图 18第5章 测试数据、结果分析 225.1 测试方法与仪器 225.2 测试结果分析 22总结 23致谢 24附录一 原理图 25第1章 概述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。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔

2、的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。数控技术方面的发展是以51系列单片机为主控单元电路的拓扑和软开关技术等电子技术的完善为主要标志。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与制等三部分。数字化则应属于控制方面的重要发展方向，随着信息技术的突飞猛进，将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用。数控电源目前的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态特性;更好的环保性能;智能化与高可靠性;更广泛的应用等方向发展。第2章 系统方案设计与论证2.1 设计要求设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电

3、源。基本要求如下：1）电压步进0.1V；2）输出电压范围010V，纹波系数较小；3）输出电压小于0.1V；4）由“+”、“”两按键控制电压输出量的增与减；5）带负载能力强；2.2 系统设计框图 输出 220V 图2.2 原理框图系统设计原理：系统设计大致如上框图所示，我们设计任务是将市电220V由变压器变压再整流滤波得到直流电压，由主控芯片控制稳压芯片而达到输出可调稳压电源。系统主控芯片通过检测按键值进行处理，控制相应的D/A输出量，输出量经外部电路转换成电压值然后输入至稳压芯片的控制极，而达到电压可调。为了保证电压输出的可靠性,我们在输出端引入反馈电压经A/D转换成数字量，然后由主控芯片实时

4、控制和修正输出电压。独立按键对输出电压0.1V步进。主控芯片处理的信息以及相应的操作都由LCD12864显示。2.3 系统方案论证2.3.1主控芯片模块设计中我们主要采用C8051f120单片机作为主控芯片。相对于AT89S52型号单片机，C8051F120具有更大的优势。C8051F120具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，64个数字I/O口，真正12位或10位、100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。128K或64K可在系统编程的FLASK存储器。5个通用的16位定时器。具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵

5、列。片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等等。在这些方面强于AT89S52单片机，而且运行速度快，对于编程更灵活，思维更宽阔。使用C8051F120更优于我们设计电路。2.3.2 D/A和A/D模块因为我们选用的主控芯片内部包含真正的12位A/D和12位D/A，因此我们直接可以利用其内部资源来满足我们的设计需求。相对于外部A/D芯片如ADC0809，它可编程速率最大可达到500ksps。同样有8个外部输入（单端或差分）。可编程放大器增益：4、2、1、0.5。具有多种启动转换方式。相对于外部D/A芯片如DAC0832，它是12位D/A。可用定时器触发同步输出，用于产生无抖动波形，而且还有两

6、路输出可任意选择。因此我使用内部自带的更利于我们软硬件的设计。2.3.2 显示模块方案一：选用数码管显示，用普通的数码管显示简单的数字、符号、字母。方案二：选用液晶LCD12864显示。LCD12864可以显示多个字符和中文以及图形，可用软件进行调制，有很强的兼容性以及可操作性。显示的内容更加丰富，操作简单，更直观、可显示人机对话的效果。在设计我们显示的内容有当前电压值和带上负载后的当前电流值，数值位数要求达到0.01，而且还能显示出我们系统当前的运行状态。显然数码管显示无法达到我们的设计要求，而且动态扫描显示占用的系统时间比LCD长。因此我们选用方案二。2.3.3 按键模块采用矩阵键盘，由于

7、按键多可实现电压值的直接键入。采用一般的电平独立按键，实现方法很简单，但一个端口最多只实现8个按键。由于我们设计的电路中只要求显示输出电压的步进，对电压的增与减，因此只需要两个按键。而矩阵占用核心芯片的I/O口较多，而且大多数按键是多余的。使用独立按键更便于系统设计。2.3.4 可调稳压芯片三端可调稳压芯片有多种，其中正电压调整最常见的有LM317、LM318等几种。本系统的输出电压范围是0+10V为正电压输出。上面列举的几种都可满足我们的电压输出。因此要考虑它们的输出电流值。下面是几种几种型号的输出电流与电压的对照表如表1；表1 常用输出电流与电压表型号输出电流（A）输出电压（V）LM317

8、0.51.2537LM3185LM196101.2515根据我们的设计要求，以上的型号都能满足要求，在根据成本和现有材料，我们选择了LM317三端可调稳压芯片。2.4 本章小结本章主要介绍了对该系统的分析论证和方案的确立，以及原理框图的设计和阐述，在下一章介绍各单元硬件电路具体的设计方案。第3章 各单元硬件设计本系统选用的模块包括：单片机系统，D/A转换和A/D取样模块，LCD12864显示模块。3.1 主控芯片C8051F120系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有64个数字I/O引脚（100TQFP封装）或32个数字I/O引脚（64脚TQFP封装）。 高速、流水线结构的80

9、51兼容的CIP-51内核。 全速、非侵入式的在系统调式接口（片内）。 真正12位或10位、100ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。 真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关。 两个12位DAC，具有可编程数据更新方式。 128K或64KB可在系统编程的FLASH存储器。 8448字节的片内RAM。 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口。 5个通用的16位定时器。 具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F120器件是真正独立工作的片上系统。

10、所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产片MCU进行非侵入式、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器的寄存器，支持断点、观察点、单步运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。C8051F120内部原理图如图3.1。3.1 C8051F120内部原理图根据它的内部资源我们合理的设计电路，以及I/O口的分配来完成我们设计指标。3.2 A/D模块本系统的A/D模块是直接利用主控芯片内部的12位ADC，8通

11、道模拟多路开关可配置选择任意一路。ADC采样基准电压有两路可供选择，其一是外部基准电压（3.3V），其二是内部基准电压（2.44V），我们设计采用内部基准电压。设计电路如图3.2图3.2 A/D设计电路图A/D取样电路中，输出电压比较大，而芯片I/O口最大电压是3.3V，因此最大输入电压不得超过3.3V，否则可能会烧掉该通道，因此电路前级射极跟随器提高输入电阻起到分压作用，并且将电压衰减11倍。后级放大器可滤除可能出现的负电压，通道输入只存在正电压，另外输出加一组二极管起到保护作用。A/D采样模拟量转换为数字量公式：code=data2.44114096。3.3 D/A模块D/A模块同样是直接

12、利用主控芯片内部的12位DAC，两路输出DAC0、DAC1也可配置选择任意一路。DAC转换基准电压也有两路可供选择，电压和ADC模块一样。DAC转换输出的是电流型，而我们设计电路是控制可调稳压芯片的电压输出，因此我们必须将电流量转换成电压。其与主控芯片连接和硬件设计电路如图3.2。图3.3 D/A模块转换图C8051F120DAC接口可按二级缓冲器方式、单缓冲方式和直通方式联接。DAC0脚输出的为一个模拟电流值，D/A输出电压信号比较微弱，因此必须将小信号放大才能控制。电路设计中我们采用运算放大器设计，前级同相放大电路放大输入信号，再经过射极跟随器提高可调芯片的带负载能力，信号输出经过低通滤波

13、器滤除高频部分提高抗干扰能力。3.4 可调稳压芯片LM317是一种三端可调正稳压器集成电路。LM317的输出电压范围是1.25V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM317能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节

14、高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。LM317是标准三端晶体管封装如图图3.4 LM317封装图电路中输出电压可调LM317起到了非常重要作用，CPU控制D/A转换经过后级处理输出控制LM317控制极达到输出可调。电路如图3.5。图3.5 LM317电路图3.5 显示模块系统设计电路中我们使用LCD12864作为显示模块器件。LCD12864硬件特性如下： 提供8位，4位并行接口及串行接口可选 并行接口适配M6800时序 自动电源启动复位功能 内部自建振荡器 6416位字符显示RAM（D

15、DRAM最多16字） 2M位中文字型显示ROM（CGROM），总共提供8192个中文字型（1616点阵） 16K半宽字型ROM（HCGROM），总共提供126个西文字型16位字符产生RAM软件特性如下： 文字与图形混合显示功能 画面清除功能 显示开/关功能 光标显示/隐藏功能 显示移位功能 垂直画面旋转功能 休眠模式LCD12864设计电路接口简单，使用方便，只需一个电位器调节显示的对比度。其电路如图3.4。图3.6 LCD12864电路图LCD12864管脚与单片机的各个接口信号如表2。表2 接口信号表管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源负2VCC3.0+5V电源正3V0对比度调整

16、4RSH/L数据端RW指令段6EN使能端714DB0DB7三态数据线15PSB并/串16NC空17RESET复位端18VOUT驱动电压输出端19A背光源正端20K背光源负端3.6 存储器模块AT24C02是低功CMOS型EEPROM，与CAT24WC01/02/04/08/16同系列，内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。采用了IIC总线进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I/O线，且支持在线编程，实时存取数据十分方便。IIC总线简介：1） IIC总线电气标准。2） 两线制。SDA和S

17、CL。3） 标准模式下速率达100Kbps，快速达400Kbps。4） 总线上器件地址由器件内部硬件和外部地址引脚同时决定。5） 片上滤波器可以滤除干扰信号，传送稳定。6） 采用开漏工艺，SDA和SCL需外接上拉电阻。设计存储模块电路非常简单，下图3.6是单元电路。图3.6 存储模块电路图第4章 软件程序设计软件设计是实现电压可调的关键所在。输出电压可调取决于LM317控制极的电压值，因此我们主控芯片CPU通过D/A转换输出电压值直接联接至可调芯片，而D/A转换的值直接受控于单片机软件编程。4.1 系统软件设计说明在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象

18、的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要位置。对于本系统，软件更为重要。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一个部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫做模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是：1、 单个模块比起一个完整的程序易编写及测试；2、 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；3、 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。4.2 系统总体流程图系统总体流程图如下图： 否 是 是 否 本软件程序设计大致流程：程序启动运行时各部分模块初始化，包括

19、LCD12864、系统时钟、各I/O口配置、定时器以及中断初始。输出电压设置初始值为0V。程序执行后开始按键扫描，检测到有按键按下时判断是增还是减，从而DAC0控制电压输出的增与减，并且对电压值实时保存与显示。A/D采样输出值，反馈至CPU处理，反馈值与设定值比较，如果误差较少就返回主函数，否则进行软件修正并且将数值实时保存，以便下次开机时数据不会丢失。下面是我们程序重要组成部分AT24C01保存数据子程序：#includeintrins.h#include iic.h#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit SCL =

20、 P01;sbit SDA = P00;void ic_delay（int t） /IIC延时子函数 while（t-） ;unsigned char iic_read_date（） /一个字节读函数 unsigned char value,i; SCL=0; for（i=0;i8;i+） SCL=1; value=1; ic_delay（40）; value|=SDA; SCL=0; ic_delay（20）; return value;void iic_write_dat（unsigned char dat）/一个字节写函数 unsigned char i,temp; temp=dat;/

21、 SCL=0; temp ic_delay（20）; SDA=CY; ic_delay（30）; SCL=1; ic_delay（10）; SDA=1;void stop（void） /结束子函数 SDA=0;void start（void） /开始子函数 ic_delay（40）; SDA=0;void respons（） /应答子函数 unsigned char i; while（SDA=1）&（i250） i+;unsigned char iic_read_byt（unsigned char add）/读地址内容 unsigned char a,adds; adds=add; SFRPA

22、GE = CONFIG_PAGE; start（）; iic_write_dat（0xa0）; respons（）; iic_write_dat（adds）; iic_write_dat（0xa1）; a=iic_read_date（）; stop（）; return a; void iic_write_add_dat（unsigned char address,unsigned char date）/写地址写数据 iic_write_dat（address）; iic_write_dat（date）;第5章 测试数据、结果分析5.1 测试方法与仪器测试仪器包括数字万用表、数字示波器、直流稳压

23、电源等。测试方法，数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、输入及输出电压值等参数。示波器用于测试输出电压的纹波以及各运算放大器的输出值参数。直流稳压电源在测试期间一路为各芯片供电电压，另一路为可调稳压芯片的输入电源。5.2 测试结果分析我们的设计要求是可调电压范围010V，步进0.1V，因此我们的测量参数精确0.01V。实际测量过程中避免不了误差实际值在理论值的上下波动，我们通过硬件的改进与软件的修正将误差降至最小。下表3是我们的测试结果。表3 测量数据结果理论值0.5V1.0V1.50V2.0V2.5V3.0V实际值0.01 V0.49 V0.101V1.48V1.95V2.55V3.06V3

24、.5V4.0V5.0V6.0V7.0V9.0V10.0V3.51V4.015.03V5.96V7.03V9.01V9.98V由上表的电压实测值与显示值对比值，可见该电源想退误差小于0.1，按下“+”、“”键时，电压步进0.1V精度也基本符合设计要求。总结在我们这一组的共同努力下以及软硬件的配合下，各项要求基本上实现了。但在高指标上有些欠缺。电源供电模块的纹波系数能够小于要求值，外部电路供电正常。输出电压值可调，步进0.1V。利用A/D反馈电压修正输出电压。输出电压负载后A/D采样检测出电流值，而且电源带负载能力比较强。设计中运用了数电、模电以及单片机和C语言编程知识，同时在一些单元电路使用Protues仿真软件进行模拟仿真，在电路仿真中比较成功。同时我们还使用计算机绘图软件DXP2004绘制PCB板和制作印制电路板，这些硬件工作做得都非常顺利。这次的设计同样是遇到了很多的困难，硬件电路设计功底不足，遇到问题时，解决问题的思路不清晰，以致在调试过程中出现低级错误。制作PCB板缺乏一些经验，板子的外观不够美观以及有