数控直流电压源的设计 毕业设计 好.docx

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数控直流电压源的设计毕业设计好

数控直流电压源的设计

摘要

直流稳压电源的应用非常的广泛，质量优良的直流稳压电源才能满足电子现在的要求。

所以，直流稳压电源的设计颇为重要，特别是数控直流电压源。

本文主要介绍数控直流电压源的设计，将单片机数字控制技术，有机的融入直流稳压电源的设计中，就能设计出一款高性价比的多功能数字化通用直流稳压电源。

本文论述了一种基于基于AVR16单片机为核心控制的数控直流电压源的设计原理和实现方法，该电源具有电压可预置、可调整、输出的电压信号和预设电压信号可同时显示。

本系统主要包含LCD1602显示模块、4*4矩阵键盘模块、功率放大电路（推挽输出），和辅助电源+15V,-15V,+5V。

本文所设计的数控直流电压源与传统稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示。

数控直流电压源在研究单位、实验室、工业生产线等实际应用中有诸多优势，值得进一步学习和研究。

关键词：

单片机数控LCD1602

Abstract

Theapplicationofdcvoltagestabilizerveryextensive,qualityexcellentdcvoltagestabilizercanmeettherequirementsofelectronicnow,so,dcvoltagestabilizerdesignareimportant,especiallythenumericalcontroldcvoltagesourcethispapermainlyintroducesthenumericalcontroldcvoltagesourcedesign,besinglechipmicrocomputercontroltechnologydigital,organicintegrationintothedcvoltagestabilizerdesign,candesignahighratioofperformancemulti-functiondigitalgeneraldcvoltagestabilizer

ThispaperdiscussestheAVR16basedonsinglechipmicrocomputerasthecorecontrolbasedonthenumericalcontroldcvoltagesourcedesignprincipleandmethod,thepowersupplyvoltagepresetwithadjustableoutputvoltagesignalandthevoltagesignalcanalsoshowsthatthissystemmainlyincludeLCD1602displaymodule4*4matrixkeyboardmodulepoweramplifiercircuit（thepush-pulloutput）,andauxiliarypower+15V,-15V,+5V

ThedesignoftheCNCdcvoltagesourceandthetraditionalmanostat,itischaracterizedbyeasyoperationvoltagestabilityhighcharacteristic,theoutputvoltagesizeusingdigitaldisplaynumericalcontroldcvoltagesourceresearchunitinlaboratoryofindustrialproductionline,inpractice,therearemanyadvantages,deservesfurtherstudyandresearch

Keywords:

asingle-chipmicrocomputer,numericalcontrol,LCD1602

1前言

1.1研究背景及意义

数控直流电压源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。

传统的多功能数控直流电压源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通直流电压源品种很多，但均存在以下二个问题:

（1）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，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。

（2）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。

在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。

但在实际生活中，都是由220V的交流电网供电。

这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。

滤波器用于滤除整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。

传统的直流电压源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，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数控直流电压源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。

随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的突飞猛进，现代工业应用的数控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源，特别是在一些高能物理领域，急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。

1.2国内外研究现状

从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。

在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

早在90年代中期，半导体生产商们就开发出了数控电压源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处于劣势，因而无法被广泛采用。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电压源”的新产品。

现今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信、遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。

本次毕业设计设计的数控直流电压源主要由单片机系统、键盘、显示屏、稳压电路等几部分组成。

单片机系统选用Amega16avr型号单片机，采用独立式键盘及LM7805、TL431等作为稳压器件。

1.3课题研究方法

随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域，本文将介绍一种数控直流电压源，本电源由电源电路、显示电路、控制电路、三部分组成。

准确说就是电源电路提供各个芯片、放大器所需电压，显示电路用于显示电源输出电压的大小，同时分析了数字技术和模拟技术相互转换的概念。

与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高。

数控直流电压源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。

目前所使用的直流稳压电源中，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

本课题设计了一种以单片机为核心的数控式高精度简易直流稳压源的设计，该电源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高，特别适用于各种有较高精度要求的场合。

其设计方法是由单片机程序控制A/D，控制驱动模块输出一个稳定电压，同时稳压方法采用三端可调稳压管进行调整，输出电压通过电阻反馈给运放，与设定值进行比较，若有偏差则调整PWM波。

工作过程中，单片机输出驱动LCD显示，通过键盘可设置和调整电压值。

该电路具有设计简单，应用广泛，精度较高等特点。

2数控直流电压源的方案介绍

2.1数控直流电压源的方案论证

目前数控直流电压源已广泛使用，要实现目标其方案比较多，主要有以下几种方案：

方案一：

采用调整管的双计数器的数控直流电压源的设计

此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。

十进制计数器通过译码后数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双十计数器同步工作。

其硬件框图如图2.1所示：

图2.1方案一硬件框图

方案二：

采用调整管的十进制计数器的数控直流电压源的设计

此方案不同于方案之一处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进，只使用了一套计数器，回避了方案二中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低。

其硬件框图如图2.2所示：

图2.2方案二硬件框图

方案三：

采用单片机的数控直流电压源的设计

采用常用的Amega16avr芯片作为控制器，通过键盘设定预设值，通过改变PWM的值来改变输出的电压，经过采样，功率放大过后进入单片机，由单片机去控制PWM的改变，最后由LCD1602显示出预设电压和输出电压。

其硬件框图如图2.3所示：

图2.3方案三硬件框图

2.2方案比较

方案一、二中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。

在方案三中采用了ATmega16avr单片机完成整个数控部分的功能，而且ATmega16avr功能强，高速度是其最主要的优点，内部集成了较多的中断源和定时器资源及EPROM的优点，多模式的PWM波形输出，很好的满足了本系统的设计要求。

方案一、二中采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出步进增加或减少，这不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响，而方案三中使用运算放大器放大电压，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减少输出端的纹波电压。

方案一、二中的显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为D/A变化输入量，由于D/A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差，而方案三中采用LCD1602直接对电压值进行显示。

总之，方案三的优点是具有精度高，使用方便，硬件电路简单等特点，它使用了单片机，使得进一步扩展功能较为方便；方案一、二的优点是电路结构简单，其缺点是使用比较复杂，精度没有那么高。

考虑到各种因素，本设计采用方案三。

3数控直流电压源的工作原理

3.1整体电路框图

数控直流电压源的电路框图如图3.1所示：

图3.1数控直流电压源电路框图

3.2工作原理

本设计介绍了以ATmega16avr单片机为控制单元，经变压器后输出的两路+15V和-15V的电压，一方面为运放和推挽电路供电，另一方面后经可调分流基准源TL431稳压后得到的电压作为A/D采样的参考电压，经三端稳压集成器LM7805后得到的电压作为单片机供电源，通过单片机改变PWM波而达到改变输出电压的方法。

3.2.1内部A/D转换电路工作原理

（1）A/D转换电路框图如图3.2所示：

图3.2A/D转换电路框图

（2）逐次逼近式ADC的转换原理

ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。

ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。

单端电压输入以0V（GND）为基准。

ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

ADC由AVCC引脚单独提供电源。

AVCC与VCC之间的偏差不能超过±0.3V。

标称值为2.5V的基准电压，以及AVCC，都位于器件之内。

基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。

ADC通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。

最小值代表GND，最大值代表AREF引脚上的电压再减去1LSB。

通过写ADMUX寄存器的REFSn位可以把AVCC或内部2.5V的参考电压连接到AREF引脚。

在AREF上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。

模拟输入通道与差分增益可以通过写ADMUX寄存器的MUX位来选择。

任何ADC输入引脚，像GND及固定能隙参考电压，都可以作为ADC的单端输入。

ADC输入引脚可选做差分增益放大器的正或负输入。

如果选择差分通道，通过选择被选输入信号对的增益因子得到电压差分放大级。

然后放大值成为ADC的模拟输入。

如果使用单端通道，将绕过增益放大器。

通过设置ADCSRA寄存器的ADEN即可启动ADC。

只有当ADEN置位时参考电压及输入通道选择才生效。

ADEN清零时ADC并不耗电，因此建议在进入节能睡眠模式之前关闭ADC。

ADC转换结果为10位，存放于ADC数据寄存器ADCH及ADCL中。

默认情况下转换结果为右对齐，但可通过设置ADMUX寄存器的ADLAR变为左对齐。

如果要求转换结果左对齐，且最高只需8位的转换精度，那么只要读取ADCH就足够了。

否则要先读ADCL，再读ADCH，以保证数据寄存器中的内容是同一次转换的结果。

一旦读出ADCL，ADC对数据寄存器的寻址就被阻止了。

也就是说，读取ADCL之后，即使在读ADCH之前又有一次ADC转换结束，数据寄存器的数据也不会更新，从而保证了转换结果不丢失。

ADCH被读出后，ADC即可再次访问ADCH及ADCL寄存器。

ADC转换结束可以触发中断。

即使由于转换发生在读取ADCH与ADCL之间而造成ADC无法访问数据寄存器，并因此丢失了转换数据，中断仍将触发

3.2.2电源电路

本设计的输出电压采用变压器提供一个交流电，然后经过整流桥进行全波整流，并分别经过LM7815和LM7915这两个集成稳压器，最终得到+15V和-15V的直流电。

这两路电压一方面为运放和推挽输出电路供电，一方面+15V通过三端正电源稳压器LM7805后得到稳定的+5V电压为单片机供电,-15V则经过一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源TL431，通过调节R10和R11这两个电阻，得到Verf（5V），作为A/D采样的参考电压。

如下图3.3所示：

图3.3电源电路图

3.3推挽输出电路工作电路图

如图3.4所示：

图3.4推挽电路工作电路图

4单元电路工作原理

4.1时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

4.1.1时钟振荡电路图

时钟振荡电路图如图4.1所示：

图4.1时钟振荡电路图

4.1.2时钟信号的产生

单片机内部有一个高增益、反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，其输出端为引脚XTAL2。

而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体管振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。

只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶体振荡器就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

电容器C3和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5－30pF，典型值为30pF。

外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。

此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。

一般要求外部信号高电平的持续时间大于25μs，且为频率低于16MHz的方波。

4.2复位电路

复位操作有两种基本形式：

一种是上电复位，另一种是按键复位。

按键复位电路图如图4.2所示。

由于AVR16单片机是低电平复位，这样是为了让单片机在硬件上永不复位，在此设计中按键永远不需要按下去，软复位是由单片机内部的程序去控制的。

图4.2复位电路图

4.3键盘接口电路

4.3.1键盘电路

键盘接口通常包括硬件和软件两部分。

硬件是指键盘的结构及其主机的连接方式；软件是指对键盘操作的识别与分析，即键盘管理程序。

键盘一般是一组开关（按键）的集合。

常用的按键有三种：

机械触点式：

利用金属的弹性使按键复位。

导电像胶式：

利用利用橡胶接弹性使按键复位。

柔性按键：

外形及面板布局等可按整机要求设计，在价格、寿命、防潮、防锈等方面显示出较强的优越性。

键盘按其工作原理又可分为编码式键盘和非编码式键盘。

这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。

编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别。

非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别。

非编码式键盘接照与主机连接方式的不同，可分独立式键盘和矩阵式键盘。

（1）独立式键盘：

独立式键盘中，每个按键占用一根I/O口线，每个按键电路相对独立。

I/O口通过按键与地相连，I/O口有上拉电阻，无键按下时，引脚端为高电平，有键按下时，引脚电平被拉低。

I/O口内部有上拉电阻时，外部可不接上拉电阻。

（2）矩阵式键盘：

行列式键盘采用行列电路结构，当按键较多时所占用的口线相对较少，键盘规模越大，其优点越明显。

所以，当按键数目大于8时，一般采用矩阵式键盘结构。

4.3.2键盘电路工作原理

（1）键盘电路工作原理

矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为列线组成的键盘。

在列线和行线的每一个交叉点上，设置一个按键。

这样键盘中按键的个数是4*4个。

这种行列式键盘结构能够有效提高单片机系统中I/O口的利用率。

（2）键盘电路原理图如图4.3所示：

图4.3键盘电路原理图

4.4显示接口电路

4.4.1LCD1602引脚

1602采用标准的16脚接口，其中:

第1脚：

VSS为地电源第2脚：

VDD接5V正电源第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液执晶模块行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15～16脚：

空脚

4.4.2显示电路原理图

显示电路连接图如图4.5所示：

图4.5显示电路原理图

4.5A/D转换前端电路

图4.6采样前端电路

采样电压输入单片机A/D口，通过内部A/D做出相应的处理。

4.6主要芯片介绍

4.6.1单片机ATmega16

（1）ATmega16单片机芯片电路图（如图4.7所示）：

图4.7ATmega16单片机系统

　ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

　　ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。

所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。

这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。

（2）ATmega16单片机芯片的特点

ATmega16有如下特点:

16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器（T/C）,片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。

　　工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作，以降低ADC转换时的开关噪声；Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。

　　本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。

片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。

引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区（ApplicationFlashMemory）。

在更新应用Flash存储区时引导Flash区（BootFlashMemory）的程序继续运行，实现了RWW操作。

通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内，ATmega16成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具，包括：

C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。

　　（3）ATmega16产品特性

　　●高性能、低功耗的8位AVR微处理器

　　●先进的RISC结构

　　●131条指令

　　●大多数指令执行时间为单个时钟周期

　　●32个8位通用工作寄存器

　　●全静态工作

　　●工作于16MHz时性能高达16MIPS

　　●只需两个时钟周期的硬件乘法器

　　●非易失性程序和数据存储器

　　●16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命:

10,000次

　　●具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作

　　●512字节的EEPROM，擦写寿命:

100,000次

　　●1K字节的片内SRAM

　　●可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

　　●JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）

　　●符合JTAG标准的边界扫描功能

　　●支持扩展的片内调试功能

　　●通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程