毕业设计数控直流稳压电源设计.docx
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毕业设计数控直流稳压电源设计
毕业设计-数控直流稳压电源设计
数控直流稳压电源设计
【摘要】本设计以直流电压源为核心，STC89C52RC单片机为主控制器，单片机系统是数控电源的核心。
它通过软件的运行来控制整个仪器的工作，从而完成设定的功能。
通过数字键盘来设置直流电源的输出电压，输出电压范围为0—9.9V，最大电流为300mA，并可由液晶屏LCD1602显示实际输出电压值。
本设计由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）输出模拟量，再经过运算放大器LM324隔离放大,最后输出各种设备所需要的电压。
实际测试结果表明，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。
【关键字】直流稳压电源；单片机；数控；DAC0832
1.概述
1.1课题背景
电源技术特别是稳压电源技术在工程技术方面使用性很强，在各个行业里得到了广泛的应用。
直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。
目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立元件组成，体积大，效率低，可靠性差，操作使用不便，自我保护功能不完善，故障率高（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的[1]。
当在外在电压波动或负载电流变化的时侯也会使输出电压有所改变。
供给电子设备的电压源的不稳定,会使设备产生很多问题。
所以，设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。
数控电源是从80年代才真正的发展起来的，系统的一些电力电子理论基础在那期间刚刚建立。
这些理论的研究为其后来电源的发展提供了一个较好的基础。
在以后的电力电子发展中，数控电源技术的发展得到了长足的进步。
不过其产品存在数控程度要求达不到、分辨率不够高、功率密度低、可靠性比较差等缺点。
因此稳压电源以后主要的主要发展方向，是针对上述缺点不断的进行改善。
单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。
新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源[2]。
1.2本论文的主要设计思想
目前，市场上各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等[3]。
本设计将单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节。
从组成上，本设计硬件电路主要由单片机、变压器、整流电路、滤波电路、稳压输出电路、D/A转换电路、显示电路等组成。
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数控电源更显示出其优越性。
数控电源既能方便输入，具有较高精度和稳定性，而且在0.0V到9.9V可以任意设定输出电压，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。
1.3数控直流稳压电源设计研究的意义
基于单片机的数控直流稳压电源，与传统直流稳压电源相比，具有新颖性、独创性和先进性。
它不仅能作为常规的电子产品和科研实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比[4]。
电源采用数字控制，具有以下明显优点：
1.采用先进的智能控制策略和控制方法，体现出电源模块的高程度智能化，更加完美性能。
2.系统升级方便，控制比较灵活，只需修改控制算法，而不必改动硬件线路。
3.提高控制系统的可靠性，更容易实现标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用相同的控制板，而只需对软件控制部分做一些调整便可。
4.系统电压输出的一致性比较好，成本低廉，方便量产。
2.各模块方案的论证
2.1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LM324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[5]。
2.2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。
2.3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。
2.4总体方案框图
系统总体方案框图如图2-1所示。
图2-1系统总体方案框图
3.系统的硬件电路设计
3.1主控制器模块
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[6]。
本单片机具有以下优点：
1.超低功耗
（1）掉电模式：
典型功耗为0.5uA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
（2）空闲模式：
典型功耗为2mA。
（3）正常工作模式：
典型功耗为4mA-7mA。
2.超强抗干扰
（1）I/O口、电源、时钟、看门狗、复位电路都是经过特殊处理。
（2）宽电压，不怕电源抖动，工作电压范围为3.4–6V。
（3）高抗静电（高ESD保护），轻松过2000V。
（4）快速冲干扰。
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。
电路图如图3-2。
图3-2 单片机控制部分
3.2D/A转换模块
3.2.1D/A转换芯片DAC0832介绍[7]
DAC0832引脚图如图3-3所示。
图3-3D/A转换DAC0832引脚
CS:
片选信号,低电平有效。
ILE:
输入锁存允许信号,高电平有效。
WR1:
写信号1（低电平有效）。
WR2:
写信号2（低电平有效）,输入锁存器将8位数据传输到DAC寄存器
IOUT1：
模拟电流输出端1。
当输入数字为：
全”1”时,输出电流最大，约为255VREF/256REB全”0”时,输出电流为0。
IOUT2：
模拟电流输出端2，IOUT1+IOUT2=常数
RFB：
反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端
VREF：
参考电压,-10V～+10V
Vcc：
芯片电源电压,+5V～+15V
AGND：
模拟信号地
DGND：
数字信号地
DI7~DI0：
数字量输入信号，其中:
DI0为最低位，DI7为最高位[7]
3.2.2D/A转换控制部分
系统设置D/A转换接口，采用8位模数转换器DAC0832。
其电路如图3-4所示。
D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压输出电路的输出与参考电压成比例。
8位的D/A数据口分别与单片机的P0口相连，DAC0832的片选信号和写信号分别由单片机的P32脚和P36脚控制，8位字长的D/A转换器具有256种状态。
其时序图如图3-5所示。
图3-4 D/A转换控制部分原理图
图3-5 DAC0832数模转换时序图
Clk为时钟端，Data为输入数据，LOAD为输入控制信号。
每路电压输出值的计算：
REF为参考电压，data为输入8位的比特数据；本设计用的REF为-5v。
3.3稳压输出模块
3.3.1稳压控制芯片LM324
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立[8]。
每一组运算放大器可用图3-6所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图3-7所示。
图3-6LM324同向输入与反向输入
图3-7LM324引脚图
由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
3.3.2稳压输出原理与电路
此部分将经过D/A转换后的初始电压转换成设备所需要的特定电压。
从DAC0832的IOUT2引脚输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压电路输出的电压大小与DAC0832的IOUT2输出参考电压成比例。
稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图3-8），在电路中，U5A—LM324为比较放大器，U5B—LM324为运算放大器，D/A转换电路的输出电压OUT2接到U5A—LM324的同向端（LM324的第2脚），U5A—LM324运放的输出端（LM324的第5脚）输出的电压一边送到运放U6A—LM324的同向端（LM324的第1脚），一边反馈回DAC0832的RFE1基准电压。
变位器R5作为U6A—LM324反馈电路中的反馈电阻。
经运放比较放大后，在经过U6A-LM324的电压放大与调整，使得输出的电压与LCD1602显示的电压保持一致[9]。
图3-8串联式反馈稳压电路
3.3.3稳压输出模块仿真图
通常，直流稳压电源是用可变电阻来实现输出电压的调节，那么要在直流稳压电源的基础上实现数字控制的话，实际上我们只要用数字控制部分来代替可变电阻，就能实现数控直流稳压电源这一课题。
所以，首先要做的，就是选择合适的稳压输出电路并对其可行性进行了仿真。
如图3-9所示，用LM324的比较放大作用很容易就验证了此稳压输出电路的可靠性[10]。
图3-9 稳压电路仿真图
3.4按键控制模块
按键控制模块如图3-10所示。
本设计中，采用独立按键K1-K9对单片机核心芯片STC89C52RC进行输入控制。
各按键分别一端接地，一端接单片机引脚。
实现功能：
按键K1-K9为对应的数字0-9，K00表示位选择键（十位或各位）,K11是确定键。
选择电压后，按确定键，便可输出所需的电压。
图3-10键盘控制电路图
按键的具体意义如表3-1：
表3-1按键的定义
0
1
2
3
位选择
4
5
6
确认
7
8
9
3.5液晶显示模块
3.5.1LCD1602主要管脚介绍[11]
显示模块为本设计的重点模块，用于实时显示输出电压值。
这里采用1602液晶显示屏，其主要参数为：
显示容量（16*2个字符），芯片工作电压（4.5-5.5V），工作电流（2.0mA），模块最佳工作电压（5.0V）。
LCD1602共有16个引脚，各管脚的功能表3-2所示。
表3-2LCD1602管脚功能介绍表
引脚图
符号
状态
功能
1
VSS
电源地
2
Vdd
电源+5V
3
V0
对比度控制端
4
RS
输入
寄存器选择
5
R/W
输入
读、写操作
6
E
输入
使能信号
7
DB0
三态
数据总线（LSB）
8
DB1
三态
数据总线
9
DB2
三态
数据总线
10
DB3
三态
数据总线
11
DB4
三态
数据总线
12
DB5
三态
数据总线
13
DB6
三态
数据总线
14
DB7
三态
数据总线（MSB）
15
LEDA
输入
背光+5V
16
LEDK
输入
背光地
说明：
V0:
液晶显示器对比度调整端，接正电源的对比度最弱，接地电源是对比度最高，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。
RS:
寄存器选择，高电平时选择数据存储器；低电平时选择指令寄存器。
R/W：
读写信号线，高电平时进行读操作，低电平进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平，R/W为低电平时可以写入数据。
E：
使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
3.5.2液晶显示程序设计
1.读操作时序：
图3-11读操作时序
2.写操作时序：
图3-12写操作时序
3.5.3读写控制时序如表3-3所示
表3-3读写控制时序表
RS
R/W
E
功能
0
0
下降沿
写指令代码
0
1
高电平
读忙标志和AC码
1
0
下降沿
写数据
1
1
高电平
读数据
3.5.41602LCD的一般初始化过程
1．延时15mS
2．写指令38H
3．写指令08H：
显示关闭
4．写指令01H：
显示清屏
5．写指令06H：
显示光标移动设置
6．写指令0CH：
显示开及光标设置
3.5.5LCD1602与单片机连接图
单片机与液晶显示模块之间的连接如图3-13所示。
图3-13 LCD1602与单片机连接图
数据线DB0-DB7连接单片机的P0口；RS、R/W、E3条控制线分别接单片机的P1.4、P1.5、P1.6口。
电阻R3用来设置背光的亮度。
3.6振荡电路设计模块
单片机的工作是在统一的脉冲控制下的进行的。
这个脉冲就是由单片机控制器的时钟电路发出的，即时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。
单片机本身就是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。
时钟电路用于产生单片机工作的时钟信号。
而时钟电路又各分为两种，即内部时钟方式和外部时钟方式。
本文设计采用内部时钟方式此种方式时，单片机内接一个高增益反向放大器构成内部振荡器。
引脚XTAL1和XTAL2分别此放大器的输入端和输出端。
同时在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器构成稳定的自激振荡器，其发出的脉冲信号直接送入到内部时钟发生器。
电容C1和C2通常选择为（30＋或－10）pf左右；外接陶瓷谐振器时则选为47pf左右。
电容C1和C2对频率有微调作用。
为了减少寄生电容，更好地保证振荡器可靠地工作，谐振器和电容应安装得与单片机芯片尽可能的近。
内部时钟发生器实际上是一个二分频的触发器，该二分频为单片机提供一个二相的时钟信号即相位信号1（P1）和相位信号2（P2），驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。
这里我们采用的是12MHz晶振，也就时说单片机的时钟周期为1/12uS，指令周期为1uS。
晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高[12]，如图3-14所示。
图3-14振荡电路
3.7复位电路设计模块
3.7.1CPUA内部复位电路
因为MCS-51系列单片机采用高电平复位方式，其内部复位电路如图3-15所示，高电平复位脉冲RST引脚输入到内部施密特触发器整形后，送CPU内部复位电路。
CPU在每一个机器周期的S5P2相采样施密特触发器的输出端，若为高电平，则强迫机器进入复位状态。
为了保证CPU内部各个单元电路可靠复位，RST引脚复位脉冲高电平维持时间必须大于等于2个机器周期（即24个振荡周期）[13]。
图3-15内部复位电路
3.7.2外部复位电路
可以使用RC分立元件或微处理器监控芯片构成MCS-51单片机的外部复位电路[14]。
本设计中采用RC分立元件构成MCS-51外部复位电路，电路如图3-16所示。
图3-16外部复位电路
从图3-16可看出，按下复位按键K20时，电容C3通过R1放电，当电容放电结束后，RST引脚电位由R1、R2分压比决定。
由于R2>>R1,因此RST引脚为高电平，CPU进入复位状态。
松开复位按键后，电容C3充电，RST引脚电位下降，使CPU脱离复位状态[15]。
R1的作用在于限制复位按钮瞬间电容C3的放电电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。
单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。
只要RST保持高电平，则单片机就循环复位[16]。
3.8辅助电源设计
利用三端稳压器7805、7812产生所需的电源电压以供集成芯片和单片机使用。
辅助电源原理图如图3-17所示。
变压器产生15V左右的辅助交流电，辅助电源的输入端电源由15V变压器的辅助线圈提供，经过整流桥D整流后经电容C1滤成平稳的12V作为三端稳压器LM7812的输入电源，输出端经过电容C3滤波后就可得到平稳的幅值为12V的直流电。
产生的12V直流电压给LM324的正电源端供电。
LM7805的输入电源直接由LM7812产生的12V直流电提供，其输出电压也是通过电容C4、C8进行滤波。
输出的5V电压作为单片机的供电电源。
图3-17中D1，D2是保护二极管，发光二极管为LM7805正常工作指示信号。
利用三端稳压器7905产生-5V的电压作为DAC0832的基准电压和LM324的负电源端电压。
图3-17辅助电源
4.系统软件设计
4.1系统程序设计流程图
此系统中用到STC89C52单片机的部分功能：
键盘扩展，程序中断，I/O控制。
主程序基本没什么是可做，但因键盘扫描时通过程序查询的方式来实现的，所以在主程序中要调用键盘扫描程序。
主程序流程图如图4-1所示，写电压子程序流程图如图4-2所示，键盘扫描处理子程序如图4-3所示。
图4-1主函数流程图
图4-2写电压子程序流程图
图4-3键盘扫描处理子程序
4.2软件编译与调试
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
本设计软件编译使用的是uVision2编译器。
在图4-4选择CPU型号窗口中选择CPU生产厂家及芯片型号。
这里选择的是Atmel公司的AT89C52芯片。
图4-4选择芯片界面设置
程序代码编写完后需要编译链接生成目标代码，然后进行硬件调试或模拟仿真，编译代码可以点击
或键盘的快捷键F7。
编译后的结果如图4-5所示。
图4-5软件编译结果界面
编译软件后，要对代码进行下载到STC89C52RC单片机中。
这里选用的是STC-ISP下载软件，如图4-6所示。
图4-6STC程序下载界面
程序见后面附录。
5.调试结果与分析
5.1测试仪器
万用表，数字示波器。
5.2测试方法
在运算放大器7输出端上测量电压；数字示波器测试纹波电压。
5.3调试过程与分析
在本次毕业设计过程中，由于使用的是宏晶的STC89C52RC芯片，这个系列的程序下载只需通过MAX232下载接口就可以。
使得本次设计中硬件仿真变的就比较简单，因为有了硬件仿真工具就可以随时修改程序，通过一步一步的调试来达到最后的目的，同时尤其学会了分部调试的思想，这就使得当遇到问题时不会觉得无从下手，不会觉得那么迷茫，使调试变得比较有条理。
在检查完硬件电路没有短路、断路的情况下，接通电源，并且测试各个集成片的电源电压是否符合要求，以及单片机晶振是否起振，只有晶振正常起振单片机才能工作，通过检测，上述情况均正常。
第一次进行硬件仿真时，液晶显示没有任何显示，这就需要单独对液晶进行调试。
在仔细检查后，发现液晶反视度调节部分电路连接有问题，也就是液晶LCD1602的3脚，这一脚应该连接一滑动变阻器或者一定值电阻来改变对比度，而出现的错误是将这一脚接了高电平，这就使得整个液晶屏是亮的，即使有显示也看不到，在意识到这个错误并且改正后液晶立刻正常工作，在硬件调试的过程中还出现一个问题。
那就是LM324的负电压（11脚），当我给它一个0电压时。
稳压输出只能在5V到9.9V之间。
当我给它一个-5V的电压时，输出稳压可以在0V到9.9V之间调整。
这个问题现在还一直找不出原因。
所以的问题告诉了我们设计电路中一定要仔细，任何一点小错误都有可能导致达不到最后的目的。
在调试软件的时候，要有足够的耐性。
通常一两次的编译很难成功的。
在软件的调试过程中，每一个错误都要认真的推测，有时候只是一些语法错误，也要检查很久。
可能还是因为自己的编写软件水平还比较薄弱。
程序写的还不够严谨和规范。
其中在调试软件的时候有一个问题给我造成了很对的造成了很大的困扰，那就是在各个子程序都没有问题，而最终结果却不象想象的那样，在认真研究以及老师的提点后终于发现了这主要是程序结构的问题，在对程序进行结构调整后，基本上符合要求了。
通过这个问题的研究和调试结果，使得明白了一个完整的程序并不是各个子程序的简单相加，尤其要注意它的结构，在整个程序中要尽可能少的使用一些复杂的语句，这并不是说不要用，而是在能不用情况下尽可能不用，因为每执行一次此命令，就要进行一次堆栈操作，而且在本次设计中子程序比较多，所以就导致程序执行时间加长。
5.4测试结果
测试结果如表5-1所示。
表5-1测试结果
显示电压（V）
测量电压（V）
1
0.98
1.3
1.26
1.5
1.47
1.6
1.57
1.8
1.78
2
1.98
2.6
2.59
3.1
3.08
3.7
3.68
5
5.00
6
6.00
8
8.05
9
9.03
9.7
9.73
9.9
9.87
5.5测试结论
用单片机控制的电源时，输出直流0-9.9V，液晶屏显示清晰正确，误差较小，完美的实现了数控直流稳压源这一课题。
本设计的但在功能上还不够强大,没有显示预置电压，由于制作过程中遇到的一些问题。
所以原先设计要求里过流保护和过压保护电路没有实现，本设计还可以进一步得到提高。
6.毕业设计总结
6.1主要成果
本次毕业设计在自己的努力，同学的帮助，老师的指点下已全部完成，结果重要，过程也很珍贵，因为好的结果必然得经过一个艰辛的过程，而从这个坚信的过程中我获得了珍贵的经验和教训，仔细认真的总结将对自己是个质的提升。
现先将此次毕业设计的成果简要汇报如下：
1.完整的数控直流稳压电源
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