数控直流稳压电源毕业设计论文.docx

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数控直流稳压电源毕业设计论文

山西大学工程学院

毕业设计（论文）

题目数控直流稳压电源

系别电子信息工程系

专业电子信息工程

下达日期2012年2月20日

设计时间自2012年2月20日至2012年6月1日

毕业设计（论文）任务书

一、设计题目：

1、题目名称数控直流稳压电源

2、题目来源自拟

二、目的和意义

基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决传统稳压电源的不足。

具有操作方便、电压稳定度高的特点。

它纹波电压低，电压调节精确，输出电压大小采用数字显示，直观易读。

其结构简单、制作方便、成本低。

直流稳压电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。

三、原始资料

1．输出电压：

范围0~+9.9V，步进0.1V，纹波不大于0.1mV

2．输出电流500mA

3．输出电压值由数码管显示。

4．由+、-两键分别控制输出电压步进增减。

四、设计说明书应包括的内容

1．设计任务书

2．摘要及其英文翻译

3．各单元电路工作原理及参数计算

4．相关英文翻译资料

5．相关程序

五、设计应完成的图纸

1．系统原理框图

2．系统完整电路原理图

六、主要参考资料

1．邹红.数字电路与逻辑设计[M].北京:

人民邮电出版社,2008.3

2．李祥臣.模拟电子技术基础教程[M].北京:

清华大学出版社,2005.3

3．童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:

高等教育出版社,2006.1

4.邱关源.电路（第四版）[M].北京:

高等教育出版社,2006.4

七、进度要求

1、实习阶段第16周（6月4日）至第18周（6月17日）共2周

2、设计阶段第1周（2月20日）至第15周（6月1日）共15周

3、答辩日期第15周（2012年5月28日）

八、其它要求

基本做出实物，能够实现基本的要求，尽量自我发挥，不断的完善电路，使其能够实现更多的功能，顺利的完成毕业设计。

数控直流稳压源

摘要

本文主要论述了一种基于51单片机为核心控制器的数控直流电源的设计原理和实现方法。

电源设计的主要指标是：

数控直流稳压源就是能用数字来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；要求利用数/模转换电路、辅助电源电路、去抖电路、单片机控制电路等组成。

输出电压要求在0～9.9V之间连续可调，其输出电压大小以0.1V步进，要求输出电压的大小调节通过“＋”“－”两键操作，或根据实际要求用数字键控制输出不同电压值。

本文介绍了利用数/模，模/数转换电路、辅助电源电路、去抖电路等组成的数控直流稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略；该电源控制电路选用STC89C52单片机控制主电路采用串联调整稳压技术，具有线路简单、响应迅速、稳定性好、效率高等特点。

关键词：

稳压电源；单片机；液晶显示；D/A转换；A/D转换

NCDCvoltagesource

Abstract

ThispaperdiscussesthedesignprinciplesandimplementationoftheDCpowersupplybasedon51single-chipcorecontrollerCNC.Themainindicatorsofthepowersupplydesign:

NCDCsourceistousenumberstocontrolthesizeofthepowersupplyoutputvoltage,andenablestheoutputDCvoltagecanremainstable,accurateDCvoltagesource;requiretheuseofdigital/analogconversioncircuit,theauxiliarythecompositionofthepowersupplycircuitanddebouncecircuitry,microcontrollercontrolcircuit.Theoutputvoltagerequirementscontinuouslyadjustablebetween0~9.9V,thesizeofitsoutputvoltageto0.1Vsteprequiresthesizeoftheoutputvoltageregulationby"+"-"two-keyoperation,orthenumberkeystocontroltheoutputaccordingtotheactualrequirementsdifferentvoltagevalues.ThisarticledescribestheuseofthecompositionoftheD/A,A/Dconversioncircuit,theauxiliarypowersupplycircuitdebouncecircuitandotherCNC-DCpowersupplycircuit,detailingthebasiccircuitstructureandcontrolstrategyofpower;thepowercontrolcircuituseSTC89C52microcontroller.Theseries,withasimplecircuittoadjustthevoltageregulatortechnology,fastresponse,goodstability,highefficiencycontrolofthemaincircuit.

Keywords:

stabilizedvoltagesupply;MCU;LCD;D/Aconversion;A/Dconversion

1.前言

几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常的广泛。

目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:

一种是模拟方法，另一种是数字方法，前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制，直流稳压电源朝着数字化方向发展，因此对于数控恒压源的研究是必要的。

随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高，利用D/A转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。

程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。

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。

滤波器用于滤去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。

传统的直流稳压电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直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。

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。

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,基本实现了直流电源的无人值守。

直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。

数控电源采用按键盘，可对输出电压进行设置,输出由单片机通过D/A,控制驱动模块输出一个稳定电压。

同时稳压方法采用单片机控制,单片机通过A/D采样输出电压,与设定值进行比较,若有偏差则调整输出,越限则输出报警信号并截流。

工作过程中,稳压电源的工作状态均由单片机输出驱动LCD显示，由键盘控制进行动态逻辑切换。

以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计，电源采用数字调节、输出精度高，特别适用于各种有较高精度要求的场合。

电源采用数字控制，具有以下明显优点:

（1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美；

（2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路；

（3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

1.1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，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，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与劣势，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：

设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A转换电路、直流稳压电路等几部分组成。

单片机系统选用89C51型号单片机,内含4K的ROM，采用8255作为电压输出的扩展接口,8279作为键盘和显示器的扩展接口。

从十九世纪90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。

随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。

如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。

并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。

如：

扬州鼎华公司近些年基于51单片机数控直流电源的设计来结合美国SorensenAmrel等公司的先进技术，成功开发了单机最大功率120KW智能模块电源，可并联32台（可扩展到64台），使最大输功率可到7600kW以上。

智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。

它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。

而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。

1.2课题研究方法

直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。

针对以上问题，我们设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。

该电源具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号显示功能。

文章介绍了系统的总体设计方案，其主要由单片机控制器模块，稳压控制模块，电压、电流采样模块，显示模块，键盘模块，电源模块六部分构成。

该系统原理是以STC89C51单片机为控制单元，以数模转换芯片DAC0832输出参考电压控制电压转换模块LM317输出电压大小，同时输出稳压、恒流采用模数转换芯片ADC0832对采样的电压、电流转换为数字信号，再通过单片机实现闭环控制。

本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计，有很强的实用性。

1.3论文的整体结构

（1）前言及数控直流电源在国内外发展状况；

（2）提出了数控直流稳压源的总体框图和几种实现方案论证，以及相关系统实现的功能，对这些方案的可行性进行比较分析，择优选择最佳方案，最后选择了一种基于51单片机系统的数控直流电源的方案，并对该方案运用的基础知识和使用的器件作出简单的介绍；

（3）详细阐述了基于51单片数控直流电源的系统整体结构和设计框图，包括数据单片机控制模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、电源模块及键盘模块和各模块的基本介绍；

（4）主要阐述了数控直流电源的软件系统的设计思路和软件设计流程；

（5）对数控直流电源的性能参数进行测量与评估，以及对误差进行分析；

（6）对本数控直流电源的给出了本课题的结论，并附加程序和必要的说明，并对其发展前景进行了展望。

2.方案论证与设计

2.1稳压电源的分类

稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等；必须弄清楚各个类别的特点，才能从中选出最佳方案。

图2.1

2.2控制方案比较

方案一：

采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难；

方案二：

采用STC89C52单片机作为这个系统的控制单元，可以通过DAC0832的数据采样和LM317的电压调整可以改变系统输出电压的大小。

为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以将输出电压经过DAC0832进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及送LCD1602显示。

显示的电压值便是输出的电压大小。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的大小控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求；

比较以上两种方案的优缺点，方案一采用中、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。

在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能，也便于系统功能的扩展。

2.2.1稳压输出方案比较

方案一采用线性调压电源；

以改变其基准电压的方式使输出不仅增加/减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响；

方案二使用运算放大器对电压的比较放大；

由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以大大减小输出端的纹波电压。

在方案一中输出的电压很难跟踪电压的快速变化，而方案二中的输出电压波形与DAC0832的输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成产生波形的量化数据，便可以输出多种波形，使系统产生的信号源有一定的驱动能力。

2.2.2显示部分比较

方案一：

使用数码管显示；

使用多位数码管显示，显示不灵活；

方案二：

使用LCD1602液晶显示；

液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。

本方案采用LCD1602，它具有两行显示，每行显示16个字符，采用单+5V供电，外围电路简单，价格便宜，具有很高的性价比。

而数码管虽然便宜，但显示单调。

占用过多的I/O；

综合以上因素，选择方案二。

2.2.3系统的整体方框图

电压/电流采样

图2.2

3.系统的硬件电路设计

3.1单片机电路

本设计采用PDIP封装的STC89C52RC芯片为主控制器，如图3-1所示。

该芯片正常工作电压为5V，支持的最高时钟频率为80MHz，Flash程序存储器为8KB,RAM数据存储器为512B,内置看门狗电路,支持ISP/IAP。

本单片机具有以下特点：

STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

主要特性如下：

（1）增强型8051单片机,6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；

（2）工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；

（3）工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；

（4）用户应用程序空间为8K字节；

（5）片上集成512字节RAM；

（6）通用I/O口（32个）复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；

（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；

（8）具有EEPROM功能

（9）具有看门狗功能

（10）共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2

（11）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

（12）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

（13）工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

（14）PDIP封装

STC89C52RC单片机的工作模式

掉电模式：

典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序

空闲模式：

典型功耗2mA典型功耗

正常工作模式：

典型功耗4Ma～7mA典型功耗

掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备

STC89C52RC引脚功能说明

VCC（40引脚）：

电源电压

VSS（20引脚）：

接地

P0端口（P0.0～P0.7P0.7，39～32引脚）：

P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。

作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。

在访问外部程序和数据存储器时在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线位数据的复用总线。

此时，P0口内部上拉电阻有效。

在FlashROM编在程时，P0端口接收指令字节端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。

此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），在对FlashROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。

表XXP1.0和P1.1引脚复用功能

P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。

P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（I）。

在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX@R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容，在整个访问期间不会改变。

在对FlashROM编程和程序校验期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。

P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：

P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流（I）。

在对FlashROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。

P3口除作为一般I/O口外，还有其他一些复用功能；

RST（9引脚）：

复位输入。

当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。

看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/ROG（30引脚）地址锁存控制信号：

（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在Flash编程时，此引脚（ROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址位8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOV指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址位8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

外部程序存储器选通信号（SEN）是外部程序存储器选SEN（29引脚）。

当AT89C51RC从外部程序存储器执行外部代码时，SEN在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，SEN将不被激活。

A/VPP（31引脚）访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，A必须接GND。

注意加密方式1时，A将内部锁定位RESET。

为了执行内部程序指令，A应该接VCC。

在Flash编程期间，A也接收12伏VPP电压。

XTAL1（19引脚）：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

XTAL2（18引脚）：

振荡器反相放大器的输入端。

图3-1STC89C52RC芯片引脚图

控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用STC89C52RC单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。

图3-2

3.2LCD显示器（1602）

LCD1602与单片机连接图

1602采用标准的16脚接口，其中：

第1脚：

VSS为电源地；

第2脚：

VDD接5V电源正极；

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