数控直流电源设计毕业论文(设计)(终稿).docx
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论文题目
数控直流电源设计
学生姓名
指导教师姓名、职称
论文起讫日期
自2014年09月23日起，至2015年05月10日
一、选题目的与意义
实现电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，提高生产效率和产品的可维护性。
提高电源的工作效率，减少功耗。
二、主要研究内容
本次设计是基于STC12C5A32S2、XL6012升压芯片和XL4016降压芯片的数控直流电源系统，主要以解决数控电源的高效转换输出,高精度数控输出,大功率等问题为出发点,研究以单片机STC12C5A32S2为核心,结合电流检测电路,电压检测电路,运放反馈回路,ADC采样电路,DAC采样电路以及其他外围辅助电路,以此充分发挥基于XL6012升压芯片和XL4016降压芯片的数控稳压电源调整速度快，电压调整率低，负载调整率低等优势，实现高精度低纹波输出,大功率输出等功能。
三、基本要求
1可以实现数控和手动两种模式。
2输出电压范围：
5.00—31.00V。
3输入电压范围：
10.00—30.00V。
4步进电压100mV以下。
5输出电流：
可达3A
四、进度安排
2014.09.23-2014.11.30:
指导教师下达毕业设计（论文）任务书，学生接受任务、收集、查阅相关文献资料。
2014.12.01-2014.12.30:
开题报告
2015.01.01-2015.03.15学生撰写论文提纲；系统设计、调试、实验；撰写论文（设计说明书）。
2015.03.16-2015.03.19:
论文修改、定稿。
2015.04.22-2015.05.10:
论文答辩准备及答辩。
五、主要参考文献、资料
[1]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：
高等教育出版社.2009.1
[2]闫俊岭,陈帅华.基于89C51单片机的数控直流电源外围电路设计[J].数字信,2013,（04）:
67-73.
[3]李鹏.基于单周控制的数控直流电源的研究[D].华中科技大学,2011.
[4]瞿才鑫.数控直流开关电源的设计与实现[D].华中科技大学,2013.
[5]王小明,卢志强.基于STC89C52数控直流电源设计[J].微计算机信息,2009,（34）:
145-146+178
目录
数控直流电源设计 III
摘要 III
关键词 III
The Design Of Numerical Controlled DC Power III
Abstract III
Keywords III
1前言 3
2方案论证 3
2.1电源部分方案一 3
2.2电源部分方案二 3
2.3电源部分方案三 3
2.4数控部分方案 3
2.5方案选择 3
3硬件设计 3
3.1硬件电路的总体设计方案 3
3.2具体硬件单元电路设计 3
3.2.1STC12C5A32S2单片机最小系统电路 3
3.2.2LCD1602液晶显示模块电路 3
3.2.3控制部分的电源供电电路 3
3.2.4电阻分压电路 3
3.2.5TLC1549ADC转换电路与基准电压电路 3
3.2.6独立按键、蜂鸣器和模式指示灯电路 3
3.2.7数控模式与手动模式切换电路 3
3.2.8数控模式与手动模式控制电路 3
3.2.9电源部分电路 3
4软件设计 3
4.1主函数程序设计 3
4.2外部中断0程序设计 3
4.3自动调节输出电压程序设计 3
5系统测试与数据分析 3
5.1系统指标测试 3
5.1.1手动输出电压 3
5.1.2数控输出电压 3
5.1.3输入电压 3
5.1.4输出电流 3
5.2误差分析 3
参考文献 3
致谢 3
附录 3
附录1系统控制部分原理图 3
附录2电源部分原理图 3
附录3软件设计主函数代码 3
数控直流电源设计
摘要
本设计采用STC12C5A32S2单片机作为整机的控制中心，利用XL6012升压芯片和XL4016降压芯片作为电源模块的核心。
用LCD1602液晶模块来作为屏幕显示，主要显示输入电压、输出电压、输出电流和控制模式。
本设计可以实现数控和手动控制两种模式。
数控模式可以通过按键输入数值来控制对应想要的电压值，也可以通过按键来进行输出电压的微调。
手动模式可以直接调节电位器来调节输出电压。
本设计具有性能可靠、结构简单、过压、过流报警、掉电保存等特点。
关键词：
数控电源单片机升压降压
29
The Design Of Numerical Controlled DC Power
Abstract
ThisdesignadoptsSTC12C5A32S2MCUascontrolcenterofthewholemachine,usingXL6012boosterandXL4016step-downchipasthecoreofthepowermodule.Using LCD1602 as screen display which mainly shows the voltage input or output, thecurrent input or output and the control mode.Thisdesigncan
achievetwopatternsofnumericalcontrolandmanualcontrol.Numericalcontrolmode:
It can be controlled by keying a certain voltage value and also can finely tunes output voltage by key . Manual mode:
It can adjust output voltage by directly adjusting potentiometer.Thisdesignfeaturesindependableperformance,simplestructure,over-voltage,over-currentalarm,electricitysaving,etc.
Keywords:
DigitallyControlledPowerSource;Microcontroller;Step-up;Step-down
1前言
随着现代信息化革命的发展，电源技术给电子技术提供了稳定的发展前提，同时也给电源提出了更高的要求。
普通电源在工作时容易产生老化、误差、可调节性变差等现象。
严重的会影响整个系统的精确度或造成系统崩溃、毁坏，为此各个企业对电源技术有了更高的要求。
自20世纪90年代以后，数控电源技术有了长足的发展，也取得了很大的技术突破。
但其产品存在数控程度达不够、精度不高、纹波较高、可靠性较差的缺点。
因此现代数控电源的主要发展趋势，是针对以上不足而加以改进的。
本设计也是主要针对数控电源的缺点而设计的，重点在提高数控程度、降低功耗、提高带负载能力。
2方案论证
本设计主要分为电源部分和数控部分，因此本人就分别进行论证。
2.1电源部分方案一
采用线性稳压器件来作为电源部分的核心部件。
如LM317，它是正电压稳压器，输出电压范围为1.24V～35.5V，能提供1.5A以下的电流，纹波抑制比高达80dB，输出电压纹波极小,还具有输出短路保护、过流、过热保护。
而且只需要两个电阻来设置输出电压，这使得电路设计起来非常简单,可以节省元件,而且控制方便。
这是因为LM317的Vout引脚与可调段引脚的电压差是1.24V，即图2.1中R1两端的电压为1.24V。
所以有
Vout=（1.24/R1）*（R1+R2）+Iadj*R2（式2.1）
由于Iadj被芯片内部控制在小于100uA的范围内，所以可以“Iadj*R2”这一项产生的误差可以忽略，即可以去掉“Iadj*R2”这一项。
最后有
Vout=1.24（1+R2/R1）（式2.2）
由式2.2可知：
只要固定了R1，改变R2的阻值，就可以调节输出电压。
综上特点，LM317相比其他的开关电源芯片有很大的优势。
图2.1LM317降压电路
2.2电源部分方案二
采用上海芯龙半导体有限公司的开关电源管理芯片XL6012，该芯片具有工作效率最高达94%以上、最高输出电流可达6A、输入电压宽度为5V到48V、输出电压可达60V、内置多种保护电路等特点。
而且它既可以作为升压芯片来使用，也可以当作升降压芯片来使用。
其中它的大功率升压型开关电源芯片升降压应用方案是符合本次毕业设计的要求的。
该升降压方案的原理图如图2.2所示。
图2.2XL6012升降压应用
根据图2.2上的公式
VOUT=1.25*（1+R2/R1）（式2.3）
得只要固定住R1，而将R2改为可调的电阻就可以实现对输出电压的调节。
根据该芯片的特点和应用原理图分析可以得到：
本方案是可行的、符合要求的。
2.3电源部分方案三
本方案采用XL6012和XL4016。
XL6012的性能特点同方案二中所描述。
XL4016是开关降压型DC-DC芯片，具有很好的负载调整率和电压调整率，输出电压范围为1.23V～37V，输入电压范围为7V～42V，输出电流可高达8A，芯片内部集成有各种保护等模块。
本方案是运用到了XL6012的升压方案和XL4016的降压方案，即先让XL6012将电压升高到31V以上的一个固定电压值，再让XL4016将电压降到31V以下。
这一升一降就可以达到本设计要求的输出电压了。
具体原理图如图2.3所示：
图2.3XL6012和XL4016组成的升降压应用
根据XL6012和XL4016的数据手册可知，只要调整好R1/R3的比值就可以将电压升高到31V以上的一个固定电压值，只要调整好R2/R4的比值就可以将电压降到31V以下。
为此本方案也是可行的、符合要求的。
2.4数控部分方案
数控部分采用是以宏晶科技的STC12C5A32S2为主，以其他电路为辅的一个控制部分。
STC12C5A32S2的性能特点如下：
（1）它是增强型8051单片机，指令代码与传统8051的相似，1个时钟周期就是1个机器周期，比普通的8051单片机快11倍。
（2）工作电压为：
3.5V—5.3V；2.1V—3.6V。
（3）工作频率范围为：
0到34MHz,相当于普通8051单片机的0到411MHz。
（4）Flash为32K字节，内部集成有1280字节的RAM。
（5）具有ISP（在系统可编程）/IAP（在应用课编程）的功能，无需专用编译器、仿真器，可直接通过串口下载程序代码。
（6）4个16位定时器/计数器，4路多种电平方式触发的外部中断,2路PCA实现2个定时器。
（7）具有8路，10位的ADC；2路PWM。
（8）I/O口可以设置为四种模式。
总体的控制模型示意图如图2.4所示：
电源模 块
LCD1602显示：
输入、输出电压、输出电流、工作模式
控制电路
电流转换电路
电阻分压
电压放大
STC12C5A32S2单片机系统
PWM
三个独立按键键
图2.4总体的控制示意图
2.5方案选择
根据本设计的要求，LM317的一些参数是非常合适本设计的，但是电流参数达不到要求，而且本设计是要求输出电压是可以大于输入电压的，因此用LM317是很难达到要求得。
所以方案一不可行。
方案二和方案三理论上都可行，但在本人实际的把电路板做出来检测时，发现方案二的负载调整率、电压调整率都达不到要求，而且对于元件的参数要求比较严格。
因此电源部分选择方案三来实施。
数控部分的方案如图2.4所示，它具有结构简单、易于集成、节省元件和空间、费用较少等特点。
3硬件设计
“”3.1硬件电路的总体设计方案
图3.1总体的设计框图
根据所选的方案，总体的设计框图如图3.1所示。
本设计的思路是：
以两个电阻组成的分压电路将输入电压和输出电压“降低”到符合STC12C5A32S2单片机的AD电压采集范围，即0～5V。
通过测量两个电阻的阻值比就可以倒推出输入电压和输出电压。
以LCD1602液晶显示模块为屏幕显示输入、输出电压、输出电流、工作模式。
以5个独立按键来作为按键输入，即电压输出的设定、模式的选择、电压输出的增减、记录当前电压都可以用5个独立按键来完成。
让输出电流经过负载再经过采样电阻后流到地，这样就可以在采样电阻上产生压降，将此电压放大到适合STC12C5A32S2单片机的AD电压采集范围。
STC12C5A32S2单片机再进行程序运算就可以计算出输出电流，并显示在LCD1602液晶显示模块上。
当单片机启动后或者通过按键设定好输出电压后，单片机就自动运算，产生合适的PWM波形。
该PWM波形进入控制电路部分后会被整流成直流电压，并与电阻分压电路进行比较，最后接入到XL4016的FB引脚，这样就可以控制输出电压。
3.2具体硬件单元电路设计
3.2.1STC12C5A32S2单片机最小系统电路
图3.2STC12C5A32S2单片机最小系统
如图3.2所示，STC12C5A32S2单片机最小系统主要由STC12C5A32S2芯片、晶振电路、复位电路和各种插针组成。
其中按键S2为复位按键，它是通过高电平来触发STC12C5A32S2复位的。
C10的作用是让复位的高电平保持至少2个机器周期的时间，而让STC12C5A32S2有做够的时间来判断是不是该复位。
R16的作用是给C10放电，这使得STC12C5A32S2的复位引脚上的电平逐渐降低，当降低到0时，单片机开始工作。
STC12C5A32S2的P0口是接LCD1602的数据口，P2.7和P2.6是接LCD1602的使能端和寄存器选择引脚。
P2.5接的是图3.8中的蜂鸣器控制端。
P2.2接的是图3.10中的继电器控制端。
P2.1和P2.0接的是图3.8中的指示灯。
P1.0、P1.1、P1.2都是ADC输入引脚。
P1.3是作为PWM波的输出引脚。
STC12C5A32S2的6号、7号、8号、10号11号引脚接的是5个独立按键。
15号、16号和17号引脚接的是TLC1549的7号、6号和5号引脚。
18号和19号引脚接的是晶振电路，其实STC12C5A32S2内部也有振荡电路，但因为它是RC振荡电路，频率不够精准也不够稳定，所以采用外部晶振电路。
由于本人只有11.0591MHz的晶振，所以本次设计就采用11.0591MHz的晶振。
图3.3LCD1602液晶显示模块电路
3.2.2LCD1602液晶显示模块电路
图3.4LCD1602液晶显示模块实物
如图3.3和图3.4所示，本设计采用的是LCD1602液晶显示模块来作为显示器。
相对于其他的显示模块来说，LCD1602具有体积小、结构简单、控制方便、价格便宜等特点。
因此本设计采用的是LCD1602液晶显示模块。
LCD1602的引脚总共有16个，排布依次是VSS（地线）、VDD（电源）、V0（屏幕对比度调节）、RS（寄存器选择）、R/W（读写信号线）、EN（使能端）、DB0～DB7（双向数据总线）、BLA（背光电源正极）、BLK（背光电源负极）。
调节R25时可以调节LCD1602屏幕的对比度。
STC12C5A32S2向LCD1602发送数据时采用8位并行IO口来传输的，这是因为可以让数据传输更快，及时的显示输入、输出电压、输出电流、工作模式。
由于LCD1602的执行速度比STC12C5A32S2还要快，所以可以不用检测LCD1602的闲与忙，进而直接将5号引脚接地。
3.2.3控制部分的电源供电电路
图3.5控制部分的电源供电电路
图3.5中的LM2596是一款高效的开关降压芯片，输出电压可连续调整为0～37V，能提供3A的电流，本身又集成有完善的保护电路、电流限制、热关断等电路。
LM2596的1号引脚是电源输入脚，它是接到XL4016的输入引脚，从XL6012升压后取得电压。
由于XL6012升压后的电压高于31V,所以采用此供电电路可以减少功耗，经过LM2596降压后供给7805,再由7805来给控制部分供电。
之所以经过LM2596降压后还要使用7805来再次稳压，是因为7805是一款常见的集成降压芯片，它可以提供的电流可达1.5A，供电电压稳定、纹波极小。
在大多数的电子产品中设计中，常用的稳压器有78××系列和79××系列。
“78”代表的是它可以输出正电压，而“79”可以输出正电压。
顾名思义，“7805”就表示它是一个可以输出正5V的三端稳压器；而“7905”就表示它是一个可以输出负5V的三端稳压器三端。
这种稳压用的集成芯片，只有3个引脚，分别是VIN、GND、VOUT。
常见的封装有TO-220、TO-3等封装。
本次设计采用的是TO-220封装。
3.2.4电阻分压电路
如图3.6所示,VIN接的是电源模块的输入电源端,VOUT接的是电源模块的输出电压端。
P1.1、P1.2就是STC12C5A32S2单片机的引脚，直接使用STC12C5A32S2单片机内置的AD转换器就可以读出R22和R24的电压。
只要R39和R22、R40和R24的电阻阻值确定下来，就可以通过STC12C5A32S2单片机计算出VIN和VOUT的电压值并显示在LCD1602上。
图3.6电阻分压电路
计算公式为
VIN=（ADC1/1023*4.95）/R22*（R39+R22）（式3.1）OUT=（ADC2/1023*4.95）/R24*（R40+R24）（式3.2）
DAC1和DAC2是P1.1和P1.2引脚读回模拟电压后转换出来数字值；除以1023是因为STC12C5A32S2单片机的8路ADC是10位的模数转换器；4.95是单片机的工作电源电压值。
3.2.5TLC1549ADC转换电路与基准电压电路
图3.7的上半部分电路是基准电源电路，其中的TL431是一款可控精密稳压源，它的输出电压可以只用两个电阻来设置Verf，电压范围可在2.5V到36V之间的任意值。
图3.7的下半部分电路是ADC转换电路，其中TLC1549是一个8引脚的10位模数转换器，具有内部采样和保持、抗干扰强等特点。
TLC1549的1号脚是正基准电压输入端，2号脚是模拟电压信号输入端，3号脚是负基准电压输入端，4号脚是模拟地，5号脚是片选端，6号脚是数据输出端，7号脚是时钟线，8号脚是电源端。
之所以还需要图3.7的电路是因为该电路是用来测量输出电流，以提高测量精度。
本次设计采用基准电压就是4V，这比STC12C5A32S2的内部基准电压较低，所以可以提高测量电流的精度。
当输出电流流过负载后再流进采样电阻时，就在采样电阻上产生压降，将这压降经过运放放大后接到TLC1549的2号引脚。
图3.7TLC1549ADC转换电路与基准电压电路
3.2.6独立按键、蜂鸣器和模式指示灯电路
图3.8独立按键、蜂鸣器和模式指示灯电路
图3.9“输入电压”模式
如图3.8所示，本次设计总共采用5个独立按键。
从左至右数，第一个按键是“模式设置”按键，它可以设置本设计的电源输出方式，即数控模式和手动模式，默认情况下是数控模式；第二个按键是LCD1602的“屏幕切换”按键，第一次按下时就切换到数控模式下的“输入电压”模式，之后屏幕的光标在设置电压的“十位”上闪烁。
如图3.9所示，第二次按下时光标就在“个位”闪烁，以此类推，当第五次按下时就又重新回到“十位”。
此时第一个按键就作为“输入电压”模式的“确认并返回”键；第三个按键是“+”键，第四个按键是“-”键；第五个按键是“记录当前电压”键。
图3.8的左下角是蜂鸣器控制电路，是低电平触发的,它的作用是为按键按下提供指示音，也为输入电压过压、输出电压过压、输出电流过流提供报警声。
图3.8中的两组LED灯是本设计工作状态的指示灯，系统启动后默认是右边的指示灯亮，左边的指示灯灭。
当按下第一个按键时，右边和左边的指示灯状态会交换，即右边的指示灯灭，左边的指示灯亮。
3.2.7数控模式与手动模式切换电路
图3.10数控模式与手动模式切换电路
如图3.10所示，该电路是工作模式的切换电路，它在默认时不工作，即J20是高电平，FB与DAC0相通，此时整个系统就处于数控模式。
当J20是低电平时，电路工作，FB与ADJ0引脚相通，此时整个系统就是处于手动模式。
图3.10中的三极管本是采用SS8550，它的集电极电流最高可以达1.5A，是足够驱动继电器的。
图中的二极管采用的是1N4007，它的最高反向耐压可达1001V，能够承受正向浪涌电流为31A。
它的作用是保护三极管，因为继电器的控制部分是电感线圈，在通断的时候会产生较大的反向电动势，当这个电动势存在时电流就可以通过二极管回到电源，从而减少流过三极管的电流，进而保护三极管。
继电器是采用5V的，这样可以节省电路。
不用再找其他电源来给继电器供电。
3.2.8数控模式与手动模式控制电路
图3.11数控模式与手动模式控制电路
如图3.11所示，R41和R23组成的电路是手动模式的控制电路，当调节R41是就可以调节可输出电压，ADJ引脚是与图3.10的ADJ相接。
DAC引脚是与图3.10的DAC相接。
图3.11中的PWM波是由STC12C5A32S2的P1.3引脚产生的。
PWM波经过10K电阻和100uF电容滤波后变成直流信号，加在LM393的2号脚上，由运放的“虚短”特性可知，LM393的3号脚上也是滤波后的直流电压，所以就相当于调节PWM波的占空比就可以调节LM3933号脚的电压，也就可以调节输出电压。
当负载变化时，3号脚上的电压就会改变，与2号脚上的电压相比后经1号脚输出，最后进入XL4016的FB引脚，使XL4016自行调节让输出电压保持不变。
3.2.9电源部分电路
图3.12电源部分电路
图3.13XL6012升压电路
图3.13中的升压原理可以化简为图3.14所示。
图3.14升压电路简化图
升压变换器的原理图如图3.14所示，当开关S闭合时，电源电压Vi给电感充电，二极管VD截止，负载由C供电，此时电感上的电压为Vi，设开关S闭合时间为Ton，那么电感增加的磁通量就为：
Vi*Ton。
当开关S断开时，由于电感上的电流不会突变，所以电流还是从左往右流，二极管VD正向导通，电感的磁通量减少。
设开关S断开时间为Toff,那么在电感上减少的的磁通量就为：
（Vo-Vi）*Toff。
当开关S的闭合和断开状态达到稳定、平衡时，Vi*Ton=（Vo-Vi）*Toff，由于占空比D<1，所以有Vo>Vi,进而实现升压功能。
图3.15XL4016降压电路
图3.16降压电路简化图
降压变换器的原理图大致如图3.16所示，当开关S闭合时，电源电压Vi给电感充电，二极管VD截止，加在电感上的电压为Vi-Vo,设开关S闭合时间为Ton，那么电感上增加的磁通量就为：
（Vi-Vo）*Ton。
当开关S断开时，由于电感的电流不突变，所以电流是从下往上流过二极管VD，二极管VD正向导通，电
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