课程设计基于51单片机的数控直流电源设计.docx

课程设计基于51单片机的数控直流电源设计.docx

《课程设计基于51单片机的数控直流电源设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计基于51单片机的数控直流电源设计.docx（48页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

课程设计基于51单片机的数控直流电源设计

课程设计基于51单片机的数控直流电源设计

学号：

XXXXXXXXXX

姓名：

XXX

日期：

2021年12月

第1章绪论

1.1课题的背景及意义

电源技术尤其是数控电源技术是一门实际性很强的工程技术，效劳于各行各业。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制实际、资料等诸多学科范围。

直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一，普遍的运用于教学、科研等范围，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门停止实验操作和研讨不可缺少的电子仪器。

在电子电路中，通常都需求电压动摇的直流电源来供电。

而整个稳压进程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四局部组成。

但是这种传统的直流稳压电源功用复杂、不好控制、牢靠性低、搅扰大、精度低且体积大、复杂度高。

普通的直流稳压电源种类有很多，但均存在以下两个效果：

输入电压是经过粗调〔波段开关〕及细调〔电位器〕来调理。

这样，当输入电压需求准确输入，或需求在一个小范围内改动时，困难就较大。

另外，随着运用时间的添加，波段开关及电位器难免接触不良，对输入会有影响。

稳压方式均是采用串联型稳压电路，对过载停止限流或截流型维护，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，通常都需求电压动摇的直流电源供电。

但在实践生活中，都是由220V的交流电网供电。

这就需求经过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成动摇的直流电。

滤波器用于滤去整流输入电压中的纹波，普通传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，假定由晶体管滤波器来替代，那么可增加直流电源的体积，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本钱，又增加了其体积，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完成电压的调理，并有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处置以上传统稳压电源的缺乏。

随着迷信技术的不时开展，特别是计算机技术的一日千里，现代工业运用的工控产品均需求有低纹波、宽调整范围的高压电源，而在一些高能物理范围，更是急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。

1.2课程设计的主要内容

本设计给出的数控直流稳压电源的输入电压范围为0~13V,额外任务电流为0.5A,并具有〝+〞、〝-〞步进电压调理功用,其最小步进为0.05V,纹波不大于10mV,此外,还可用LCD液晶显示器显示设定电压值和输入电压值。

该系统原理是以STC89C52单片机为控制单元，以数模转换芯片DAC0832输入参考电流控制电压调整模块NE5534输入电压大小，同时输入稳压采用模数转换芯片TLC1543将采样电压模拟信号转换为数字信号，再经过单片机完成闭环控制。

第2章系统总体设计

2.1方案设计与论证

方案一：

设计开关电源。

在前期方案设计中采用PWM脉宽调制。

它的功耗小，效率高，稳压范围宽，电路方式灵敏多样，功耗小，效率高。

在制造进程中发现，PWM占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经剖析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果清楚，招致电压的非线性变化更清楚，特别是PWM占空比很小时（希望失掉输入的电压很小），应用单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输入电压的，以到达动摇输入的目的。

但用数字量控制的作用愈加清楚。

方案二：

用D/A和运算缩小器做电流源，即采用D/A输入调理晶体管的偏值电流〔电压〕。

采用此方案能有效的延长调理时间，并能提高输入精度。

设计方案，包括了微控制器模块、D/A转换模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块五局部构成,构成开环控制。

采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的电流输入端接缩小器UA741的反向输入端，DAC0832和运放UA1将单片机收回的八位二进制数转换成0—5V负电压，再经过反向比例缩小器UA2将负电压转换成0—10V正电压，输入到电压调整模块NE5534，将电压的步进值调整为0.05V。

所以，当MCU输入数据添加1的时分，最终输入电压添加0.05V，当调理电压的时分，可以以每次依0.05V的梯度添加或许降低电压。

数码管显示电路，该系统运用3个数码管，可以显示三位数，区分组成显示电路的十位、个位、小数点位。

本主电路的原理是经过MCU控制DA的输入电流大小，经过两级缩小器转换成电压值并缩小，经过电压调整模块调整作为最终输入的电压。

方案三：

用D/A和运算缩小器做电流源，即采用D/A输入调理晶体管的偏值电流（电压），运用电压采样电路，经过A/D转换完成闭环控制。

采用此方案是对方案二的改良，能有效的延长调理时间，进一步提高输入精度。

设计方案，其主要由微控制器模块、D/A转换模块、电压调整模块、显示模块、键盘模块、电源模块六局部构成。

液晶屏显示电路，该系统运用LCD1602液晶显示屏，可以明晰地显示区分组成显示电路的十位、个位、小数点位，同时还能显示英文称号和电压/电流单位。

依照方案三的设计可以很好的满足课程设计的目的与要求，所以最后选用方案三。

2.2系统总框图

采用双220V/18V变压器，将220V市电经桥式整流，滤波后得+21V和-21V电压值，再经过三端稳压芯片失掉需求的+15V,-15V和+5V，为系统提供电源支持。

以单片机STC89C52为中心，输入电流经D/A转换，比拟缩小后失掉适宜的电压值，经电压调整后输入UO,对UO采样，经A/D转换送回到单片机与设定值比拟，自动调整以完成闭环控制。

系统总框图如图2-1所示。

+21V

+15V

-15V

+5V

UO

图2-1系统总框图

第3章硬件设计

3.1硬件选型

3.1.1系统供电局部

由于该电源总共需求+21V，+15V，-15V，+5V电压，所以采用双220V/18V变压器，经桥式整流滤波后失掉21V电压；由三端稳压器7815,7915和7805区分失掉+15V，-15V和+5V电压。

3.1.2控制器局部

方案一运用mega16作为控制器。

AVR是51的晋级版，具有速度快，且自带512字节的EEPROM，不需求另外接扩展的EEPROM的优点；缺陷是，对AVR的运用不太熟习，价钱比拟贵。

方案二采用STC89C52作为控制器。

优点：

技术比拟熟练，运用普遍，价钱廉价，而且功用上也完全满足本系统的要求；缺陷：

需求衔接扩展EEPROM。

由于本系统对单片机的速度要求不是很高，而且衔接扩展EEPROM也不复杂，经过比拟，选用方案二。

3.1.3显示局部

方案一运用LED显示。

优点：

可视角度宽，介格廉价；缺陷：

显示的内容少，介面呆板，而且占用较多的IO口资源。

方案二运用1602液晶显示模块。

优点：

界面美观，可显示文字及数字；缺陷：

价钱较贵。

经过比拟，我选节方案二。

3.1.4键盘局部

方案一应用I/O口直接衔接的独立式键盘,每键都有相应的I/O口对应,编程容易控制，完成方便；

方案二应用P3口接成4*2键盘。

优点：

应用6个IO口失掉8个按键，可使操作介界变得复杂，操作也方便；缺陷：

软件处置比独立按键复杂。

经过比拟，结合本设计不需求太多IO口，方案一为最正确方案。

3.1.5数模/模数转换局部

方案一采用PCF8591芯片。

优点：

集AD，DA于一身；缺陷：

价钱昂贵，且操作不熟习。

方案二数模转换局部采用DAC0832芯片；模数转换局部采用TLC1543芯片。

优点：

两芯片均为常用芯片，操作复杂，软件编程复杂；缺陷：

占用比拟多的IO口，为PCB布线带来困难。

经过比拟，方案二位最正确。

3.1.6掉电记忆局部

我选用运用最普遍的ST24C02芯片。

该芯片价钱廉价，操作复杂，抗搅扰强，数据能坚持一百年。

3.2硬件电路设计

本系统由电源模块，调压模块，DA转换模块，键盘模块，EEPROM拓展模块与显示模块组成。

3.2.1电源模块

220V市电经过双18V变压器转换后的到+-18V电压，再经过桥式整流滤波电路，失掉18*1.2=21.6（V）电压。

其中+21V电压经过7815转换失掉动摇+15V电压，再经7805转换失掉动摇+5V电压；-21V电压经过mc7915转换失掉动摇的-15V电压。

其中，+21V为系统供电，+15V,-15V,+5V区分为各独立元件供电。

图3-2-1电源模块原理图

3.2.2DA转换模块

DA转换模块由DAC0832，两级运放UA741组成。

DAC0832具有8位分辨率，有3种任务方式〔单缓冲，双缓冲，直通〕。

本设计中DAC任务于直通任务方式。

D/A转换结果采用电流方式输入。

要是需求相应的模拟电压信号，可经过一个高输入阻抗的线性运算缩小器完成这个供功用。

该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接，-芯片电路原理图如图3-2-2所示。

图3-2-2DAC0832引脚图和外部结构电路图

UA741为常用运放，由美国fairchild公司消费，具有低漂移，动摇等优点，可外置调零电路以抑制零点漂移。

DAC0832和运放UA1将单片机收回的八位二进制数转换成0—5V负电压，再经过反向比例缩小器UA2将负电压转换成0—10V正电压。

经过两级运放缩小后，DAC0832的转换分辨率为10/（2^8-1）=0.04V。

即单片机向DAC送出的数据变化1BIT，运放UA2输入的电压值改动0.04V。

滑动变阻器R22的作用为调零电路以抑制零点漂移。

图3-2-3DA转换模块原理图

3.2.3电压调整模块

本设计的电压调整模块如图3-2-4所示。

Q1，Q2组成复合管，以完成大电流输入。

由于该设计预定额外电流为0.5A,最大输入电压为12.5V，所以要求Q1管射极最大功率Pmax=0.5*12.5=6.25W，所以选取TIP41c。

Q3管9013和电阻R1为限流维护局部。

当输入电流大于0.7A时，R1上的压降为0.7V使得T3管导通，Q3管集电极对Q2管基极分流，使得Q2管基极电流清楚变小使得输入电流变小，从而到达过流维护的功用。

发光二极管起过流提示作用。

电压调整模块的中心局部是NE5534。

NE5534消费于美国德州半导体公司，具有共模抑制比高，照应速度快和压摆率初等优点，常用于音响，耳机等设备。

由DA及运放转换后的电压U1输入到NE5534的正向输入端，R12R13R17组成NE5534的取样电路。

由于NE5534Q1Q2及取样电路构成负反应，由运放的〝虚短〞特点，NE5534的反向输入端的电压U2为正向输入端的电压大小U1。

由于运放还有〝虚断〞的特点，运放的输入端对流经取样电路的电流不起分流作用，所以输入电压U0/U2=〔R12+R13+R17〕/〔R12+R13〕=1.25。

即U2每改动0.04V，U0改动0.05V。

由于单片机输入到DAC0832的二进制数据每改动1BIT，U1改动0.04V即U2改动0.04V，所以U0改动0.05V。

因此，该设计最小步进电压为0.05V。

电容C9的作用为抑制输入纹波电压。

图3-2-4电压调整模块原理图

3.2.4键盘模块

系统共设置了9个独立按键，完成了常用电压设定，电压〝+〞〝—〞设定及正常关机区分的功用。

01~08的功用区分是：

设置电压值12V,9V,5V,3V,步进-0.5V,步进+0.5V,步进-0.05V，步进+0.05V。

09为关机设定。

图3-2-5按键模块原理图

3.2.5EEPROM拓展模块

为了完成设定电压数据的掉电维护，我在系统中衔接了EEPROM24C02B，保证了内行驶进程中，假设数控电源不测掉电，曾经设定的电压数据可以上去。

24C02B是ATMEL公司消费的一款256byte的串行EEPROM，能重复擦写1,000,000次，记载的信息能保管100年以上，而且与单片机的衔接只需2根线。

24C02的接图如图3-2-6所示。

图3-2-6EEPROM拓展模块原理图

3.2.6显示模块

显示模块主要由TLC1543及LCD液晶显示屏组成。

由美国德州公司消费的TLC1543，是具有10位分辨率的AD转换器，，它具有11路模拟输入通道及3路内置自测试方式，具有清楚的优点。

LCD液晶屏幕采用1602，可以显示16X2个字符。

由输入端采样失掉的模拟信号，输入到TLC1543的其中一路模拟输入通道IN0，经过AD转换，TLC1543将模拟量转化为10位数字量输入到单片机相应的IO口。

经过处置，单片机将模拟量值经过1602液晶显示出来。

显示模块的接图如图3-2-7所示。

图3-2-7显示模块原理图

第4章软件设计

4.1主顺序流程

系统的中心局部是对输入精度的闭环控制。

对输入电压值采样，经过A/D转换通道送入单片机，与输入值停止比拟，假定误差不在规则范围内，就调整STC89C52的输入值，直到满足要求。

系统主顺序流程图如图4-1-1和图4-1-2所示。

N

Y

图4-1-1主顺序流程图〔1〕

图4-1-2主顺序流程图〔2〕

4.2键盘顺序流程图

本系统中键盘顺序分为键盘扫描子顺序和按键功用执行子顺序。

键盘扫描子顺序流程图如图4-2-1所示，按键功用子顺序流程图如图4-2-2所示。

图4-2-1键盘扫描子顺序流程图

图4-2-2按键功用执行子顺序流程图

4.3EEPROM读写顺序流程

24C02B读写顺序流程图如图4-3-1和图4-3-2所示。

图4-3-124C02B写入顺序流程图

图4-3-224C02B读取顺序流程图

4.4DAC0832顺序流程

DAC0832的顺序流程图如图4-4所示。

图4-4DAC0832的顺序流程图

4.5TLC1543顺序流程

TLC1543的小顺序流程图如图4-5所示：

图4-5TLC1543的小顺序流程图

第5章系统测试及误差剖析

5.1系统测试

5.1.1软件测试

1、测试软件

顺序编辑器keiluvision4

顺序烧制器STC-ISPV35

2、编译结果

在编制完C言语后，即keiluvision4界面下，停止了调试，依据提示，我找到了顺序在编写上的错误，加以矫正，再次停止调试。

经过上述复杂的测试，证明此次设计的顺序基本上正确无误。

然后，将烧录了顺序的单片机STC89C52接到系统电路中，检查系统电路的运转状况；假设顺序逻辑有效果可进一步修正，直到系统正常运转。

5.1.2硬件测试

1、电源局部提供整个电路所需各种电压，由电源变压器和整流滤波电路及三个辅佐稳压芯片输入构成，电源变压器的功率由需求输入的电流大小决议，确保有充足的功率余量。

2、电流取样电阻R1要选择大功率的电阻〔5W或10W〕。

也可运用废旧万用表上拆上去的电阻线。

反省电路衔接无误后，即可试机。

找一块数字表将其并联在输入电路上，按S1或S2设定一个电压，此时LCD1602第一行显示的电压能够会有误差，适当微调反应电路的VR2，使其与数字表读数分歧，再将数字表串联在电源的输入电路上，选择适当的电流档，接上一定的负载。

此时，LCD1602第二行会显示出电流值，适当的调理VR3改动TLC1543参考电压，直至显示的电流值与万用表显示的电流值分歧为止，校正完成后即可运用。

5.1.3系统全体测试

1、测试工具

双踪示波器

数字万用表

2、测试结果

测试结果如表5-1所示。

表5-1电压测试表

系统实际值

系统测量值

误差

显示电压值〔V〕

实际码值

〔bit〕

实测码值

〔bit〕

实测电压值〔V〕

3.0

00011110

00011110

3.2

0.2

4.5

00101101

00101100

4.6

0.1

5.0

00110010

00110001

5.1

0.1

5.5

00110111

00110110

5.6

0.1

6.0

00111100

00111011

6.0

0

6.5

01000001

01000000

6.6

0.1

7.0

01000110

01000101

7.2

0.2

7.5

01001011

01001010

7.6

0.1

8.0

01010000

01001111

8.0

0.

8.5

01010101

01010100

8.5

0

9.0

01011010

01011001

9.2

0.2

10.0

01100100

01100011

9.8

-0.2

系统由于刚启动在电压方面不动摇，存在一定误差，但是单片时机对其停止控制，使系统再次动摇。

3、精度剖析

相对误差：

ΔU=（0.2+0.1+…...+0.2+0.2）/12=0.11V

相对误差：

γA=ΔU/U=（0.2/3.0+0.1/4.0+…+0.2/9.0+0.2/10）/12=1.8%

线性度：

γL=ΔLmax/YFS=0.2/15=1.3%

灵敏度：

K=0.1V

5.2误差剖析

从电路的原理框图可以看出，系统的误差来源于四个方面：

1、DAC0832的量化误差。

2、基准电压温漂引入的误差。

3、三端稳压器的电路惹起的误差。

4、其它器件和线路由于温漂、不动摇等缘由惹起的误差。

结论〔心得体会〕

经过两个周的艰辛奋战，我最终完成了课程设计。

虽然进程是艰辛的，但最终成功的喜悦异样令我快乐！

此设计用D/A和运算缩小器做电源，及采用D/A输入调理晶体管的偏值电流{电压}。

采用此方案能有效地延长调理时间，并能提高输入精度，经计算需求采用8位的D/A芯片。

为了争取时间，降低本钱，我的处置方案是采用51单片机。

改动电压的大小，当单片机经过闭环负反应调理回路的A/D转换检测到电压到达设定值时，将再次对输入电压停止调制，直到输入电压到达设定值；电压值实际上是象形变化的，不会发生高次谐波，基本完成了各项要求和目的，到达了此次课程设计的预期目的。

本次设计进程中，对纹波也没有提出严厉的要求，所以常用的稳压集成电路就可以满足要求。

本设计输入的电压稳压精度高，可以用在对直流电压要求较高的设备上，或在实验室中当作实验电源运用。

在本次设计的进程中，我发现很多的效果，给我的觉得就是很难，很不随手，看似原理比拟复杂的电路，要入手把它给设计出来却是很难的一件事，主要缘由是我们没有经常入手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该留意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实践的电路联络起来，这不论是对我们以后的失业还是学习，都会起到很大的促进和协助，我置信，经过这次的课程设计，在下一阶段的学习中我会愈加努力，力争把功课学好，学精。

同时，经过本次课程设计，稳固了我们学习过的专业知识，也使我们把实际与实际从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网搜集、查阅相关文献资料，和组织资料的综合才干；从中可以自我检验，看法到自己哪方面有完善、缺乏，以便于在日后的学习中失掉改良、提高。

参考文献

[1]邹红.数字电路与逻辑设计[M].北京：

人民邮电出版社，2020.

[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]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M]北京：

初等教育出版社，2006.

[4]邱关源.电路〔第四版〕[M].北京：

初等教育出版社，2006.56-74

[5]李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术〔第二版〕[M].北京：

电子工业出版社，2007.

[6]刘文涛.单片机言语C51典型运用设计[M].北京：

人民邮电出版社，2006.

[7]于永，戴佳，常江.51单片机实例精讲[M].北京：

电子工业出版社，2007.

[8]曹凤.微机数控技术及其运用[M].四川：

电子科技大学出版社，2002.

[9]胡寿松.自动控制原理[M].北京：

迷信出版社，2007.152-233

[10]潘永雄，沙河，刘朝阳.电子线路CAD适用教程〔第二版〕[M].陕西：

西安电子科技大学出版社，2006.

[11]李朝青.单片机原理及接口技术〔建明修订版〕.北京：

北京航空航天大学出版社，1999.

[12]李朝青.单片机学习辅导检验及解答讲义.北京：

北京航空航天出版社，2003.

[13]何立民.单片机初级编程.北京：

北京航空航天大学出版社，1999.

[14]张迎新，等.单片机初级编程.北京：

北京航空航天大学出版社，1999.

[15]余永权.Flash单片机原理及运用.北京：

电子工业出版社，1997.

[16]钱逸秋.单片机原理及运用.北京：

电子工业出版社，2002.

[17]王兆安，刘进