基于单片机简易数控直流电压源设计.docx
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基于单片机简易数控直流电压源设计
摘要
本设计以AT89S52单片机为核心控制芯片，实现数控直流电源功能的方案。
设计采用8位精度的DA转换器DAC0832、三端可调稳压器LM350和一个UA741运算放大器构成稳压源，实现了输出电压围为＋1.4V～+9.9V，电压步进0.1V的数控稳压电源，最大纹波只有10mV，具有较高的精度与稳定性。
另外该方案只采用了5个按键实现输出电压的方便设定，具有设定值调整，微调（步进量0.1），粗调（步进量1）三种调整功能，显示部分我们采用了三位一体的数码管来显示输出电压值。
我们自行设计了
12V和5V电源为系统供电。
该电路的原理是通过MCU控制DA的输出电压大小，通过放大器放大，放大后的电压作为LM350的参考电压，真正的电压还是由电压模块LM350输出。
利用5个按钮调整电压、并且通过共阴极三位一体LED显示输出的电压值。
设计使用3三位一体数码管，可以显示三位数，一个小数位，比如可以显示5.90V，采用动态扫描驱动方式。
与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高以及其输出电压大小采用数码显示的特点。
关键词：
数控，步进，三端可调稳压器
ABSTRACT
ThedesigniswiththeMCUAT89S52forthecorecontrolchip,whichcarryouttheprojectthatthefunctionofthenumbercontrolsthedirectcurrentpowersupply.DesignedwiththeprecisionofeightDAconverterDAC0832,three-adjustableregulatorsLM350andaUA741OperationalAmplifiersconstituteRegulatorssource,theoutputvoltagerangeof+1.4V~+9.9V,0.1VvoltagestepNCRegulatorsPower,ithaswithhighprecisionandstabilityandonlyhavethebiggestrippleof10mV.Meanwhile,theprogramusedonlyfivekeystoachievetheconvenienceoftheoutputvoltagesetting,withsettingvalueadjustments.Ithasthreekindsofadjustfunction,whichcancarryoutmicro-adjustment（Steppingvolume0.1）andthecoarseadjustment（Steppingvolume1）.Theshowpartwehaveadoptedathree-dimensionaldigitalpipetoshowtheoutputvoltagevalue.Andwedesignedthe
12Vand5Vpowersupplysystemforelectricity.TheprincipleofthatelectriccircuitwasthattheoutputvoltagesizewhichpassestheMCUtocontrolDA,passingtheamplifieramplification,andthevoltageisthereferencevoltageoftheLM350.AndtherealvoltageisstilltheLM350outputsarefromthevoltagemoldpiece.Makinguseoffivebuttonstoadjustmentvoltages,andpassthetotalcathodeChristianTrinityLEDtodisplaytheoutput'svoltage.InthisdesignIused3piececodetubes,whichcanshowthreepositionnumbers,oneofthemisafractionposition.forexample,itcanshowa5.90Vs.InthisdesignIadoptthescantodrivewayisdynamicstatesweep.Withtraditionalsteadypresspowersupplytocomparetohaveanoperationconvenience,thepowersupplystabilityhighcharacteristics,itsexportationelectricvoltagesizeadoptionfiguresshow.
Keywords:
NumericalControl,Stepping,Three-adjustableregulators
第1章绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2国外研究状况1
1.3课题研究方法2
第2章数控电压源的总体方案介绍3
2.1数控电压源的方案论证3
2.1.1方案一：
采用单片机的数控电压源的设计3
2.1.2方案二：
采用调整管的双计数器的数控电压源的设计3
2.1.3方案三：
采用调整管的十进制计数器的数控电压源的设计4
2.2数控电压源的方案比较5
2.2.1数控部分的比较5
2.2.2输出部分的比较5
2.2.3显示部分的比较5
第3章数控电压源的工作原理6
3.1整机电路框图6
3.2工作原理6
3.2.1DA转换电路工作原理6
3.2.2电压调整电路工作原理7
3.2.3数值计算8
第4章单元电路工作原理9
4.1时钟电路9
4.1.1时钟振荡电路图9
4.1.2时钟信号的产生9
4.2复位电路9
4.3键盘接口电路10
4.3.1键盘电路10
4.3.2键盘电路工作原理10
4.4显示接口电路11
4.4.1显示电路原理11
4.4.2LED显示方式12
4.4.3显示电路原理图12
4.5DA转换电路13
4.6电源电路13
4.6.1稳压器78L12和79L1213
4.6.2电源电路原理图14
4.7所用主要芯片14
4.7.1单片机AT89S5214
4.7.2芯片ADC083215
4.7.3LM35017
4.7.4运放UA74118
第5章数控电压源的软件系统20
5.1主程序20
5.2子程序21
5.2.1中断子程序21
5.2.2显示子程序22
5.2.3键扫子程序23
第6章电路的调试24
6.1硬件的调试24
6.1.1硬件调试过程24
6.1.2电路数据的测试25
6.2软件的调试26
第7章数控电压源的使用说明27
结论28
参考文献29
致30
附录1器件清单31
附录2源程序清单32
（1）主程序的源程序清单32
（2）外中断1子程序的源程序清单35
（3）显示子程序的源程序清单36
（4）键扫子程序的源程序清单37
（5）延时及启动0832子程序的源程序清单38
第1章绪论
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。
普通数控直流电源品种很多，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，或需要在一个小围改变时（如1.05～1.07V），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。
传统的数控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，现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整围的高压电源，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、宽调整围的电源。
1.2国外研究现状
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源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、D/A转换电路、稳压电路等几部分组成。
单片机系统选用89S52型号单片机，采用独立式键盘及LM350作稳压器件。
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源，本电源由电源电路、显示电路、控制电路、数模转换电路四部分组成。
准确说就是电源电路提供各个芯片电源、数码管、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，电源稳定性高以及其输出电压大小采用数码显示的特点。
数控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。
目前所使用的直流可调电源中，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。
利用数控电压源，可以达到每步0.1V的精度，输出电压围1.4V至9.9V，电流可以达到3A。
针对以上问题，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电源的设计，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，若有偏差则调整输出。
工作过程中，单片机输出驱动LED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。
第2章数控电压源的方案介绍
2.1数控电压源的方案论证
目前数控电压源已广泛使用，要实现目标其方案比较多，主要有以下几种方案：
2.1.1方案一：
采用单片机的数控电压源的设计
采用常用的52芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的
和
连接后接P3.4，
和
接单片机的
端，让DA工作在单缓冲方式下。
DA的8脚接参考电压，DA的基准电压接5V电源，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5V/256约等于0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。
通过运放LM324将DA的输出电流转化为电压，再通过运放UA741将电压反相并放大。
最后经LM350调整输出电压并稳压。
其硬件框图如图2.1所示：
图2.1方案一硬件框图
2.1.2方案二：
采用调整管的双计数器的数控电压源的设计
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2.2所示：
图2.2方案二硬件框图
2.1.3方案三：
采用调整管的十进制计数器的数控电压源的设计
此方案不同于方案之二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2.3所示：
图2.3方案三硬件框图
2.2方案比较
2.2.1数控部分的比较
方案二、三中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。
在方案一中采用了89S52单片机完成整个数控部分的功能，同时，89S52作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。
2.2.2输出部分的比较
方案二、三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，而方案一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。
2.2.3显示部分的比较
方案二、三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，而方案一中采用三位一体的数码管直接对电压值进行显示。
总之，方案一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；方案二、三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，本设计采用方案一。
第3章数控电压源的工作原理
3.1整机电路框图
数控电压源的电路框图如图3.1所示：
图3.1数控电压源电路框图
3.2工作原理
本设计介绍了以89S52单片机为控制单元，以数模转换器DAC0832输出参考电压，以该参考电压控制电压转换模块LM350的输出电压大小的数控电压源。
通过改变送给单片机的数字量而达到改变输出电压的方法。
通过三端稳压器LM350达到输出电压的稳定。
3.2.1DA转换电路工作原理
本设计是采用DAC0832实现数据的数模转换，其数据口与P0口直接相连，DA的
和
连接后接P3.4，
和
接单片机的
端，让DA工作在单缓冲方式下。
DA的8脚接参考电压，为简化设计，在本次设计中的参考电压用5V电压，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5V/256=0.0195
0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。
再在DA的电压输出端接运放LM324，将DA的输出电流转换成电压。
改变P0口的数据便可改变0832的输出电压，如当P0＝00H时，DAC0832的输出电压就应为0V。
其电路图如图3.2所示。
图3.2DA转换电路
3.2.2电压调整电路工作原理
图3.3电压输出电路图
本设计的输出电压采用LM350三端调整稳压器进行调整，先将0832的输出电压用UA741进行反相放大，由于从LM324输出的电压是负电压，所以UA741接成负反馈放大电路，通过调节电位器可以调节运放的电压放大倍数。
UA741的输出端通过电阻接到LM350的调整端，通过改变UA741的输出电压可以控制LM350的输出电压，也就是数控电压源的最终输出电压值，其电压输出电路图如图3.3所示。
由于LM350的输出电压Vout=1.25V
（1+R0/R13），由电路图知R13是个定值，而R0则是由R12和下面的电路来确定的，可知R0是个变量，所以LM350的输出电压与R0是成线性关系变化的。
通过调节VR2，即可调节LM350的输出电压。
3.2.3数值计算
（1）输出电压最小值Vmin的计算
由LM350的输出电压公式可知Vmin=1.25
（1+27/220）=1.4V
（2）单片机送给0832数值的计算
在设计时，要求单片机送给0832的数值为00H时，输出端输出的电压为1.4V，及单片机送给0832的数值为0FFH时，输出端输出的电压值为9.9V，所以每当电压增加0.1V时，单片机送给0832的数值就要增加3。
所以在编程时，按一下步进按键，P0口的数据便要变化3。
当电压要增加1V时，按一下按键，P0口的数据便要变化30。
所以可以通过调节电位器来改变运放的放大倍数，使单片机送给0832的数值增加3时，输出电压就要增加0.1V。
第4章单元电路工作原理
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：
4
图4.1时钟振荡电路图
4.1.2时钟信号的产生
单片机部有一个高增益、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部产生时钟脉冲信号。
电容器C8和C9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。
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
20μs，且为频率低于12MHz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。
按键复位具有上电复位功能外，若要复位，只要按图4.2中的图4.2复位电路
RESET键，电源VCC经电阻R1、R2分压，在RESET端产生一个复位高电平。
上电复位电路要求接通电源后，通过外部电容充电来实现单片机自动复位操作。
上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。
RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。
单片机复位期间不产生ALE和
信号，即ALE=1和
=1。
这表明单片机复位期间不会有任何取指操作。
复位后：
PC值为0000H，表明复位后程序从0000H开始执行；SP值为07H值，表明堆栈底部在07H，需重新设置SP值；单片机在复位后，已使P0～P3口每一端线为“1”，为这些端线用作输入口做好了准备。
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）键盘电路原理图如图4.3所示：
图4.3键盘电路原理图
（2）键盘电路工作原理
如图4.3所示，当无键按下时，单片机的P1.0～P1.3及P3.3为高电平。
当有键按下时，单片机的相应口线通过按键与地相连被拉成低电平，其它口线电平状态不变。
因此，通过检测I/O口线的电平状态，即可判断键盘上哪个键被按下。
4.4显示接口电路
4.4.1显示电路原理
常所说的LED显示器由七个发光二极管组成，
因此也称之为七段LED显示器，此外，显示器中还
有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用
于显示小数点。
通过七段发光二极管的不同组合，
可以显示多种数字、字母或者其他符号。
LED显示
器中的发光二极管共有两种连接方法。
共阳极接法
把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使
用时公共阳极接+5V。
这样阴极端输入低电平的段
发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。
图4.4七段LED显示
共阴极接法
把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。
使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮，而输入低电平的则不点亮。
本设计采用共阴极接法，如图4.4所示。
七段发光二极管，再加上一个小数点，共计8段。
因此提供给LED显示器的字型代码正好一个字节。
采用LED显示器。
LED显示器由七个发光二极管组成，本设计采用共阴级接法。
显示方式采用动态显示方式。
原因在于：
静态显示方式要求口线多，占用资源多，成本就高，而动态显示方式，电路简单、节省口线、成本低。
4.4.2LED显示方式
静态显示
所谓静态显示，是指显示器显示某一字符时，相
应段的发光二极管恒定地导通或截止。
这种显示方法
每一位都需要有一个8位输出控口控制。
静态显示时，
较小的驱动电流就可以得到较高的显示亮度，所以可
由接口芯片直接驱动。
并行输出显示位数越多需要
I/O口越多。
图4.5三位一体LED外观引脚图
动态显示
本次设计用到的是六位动态显示，动态显示是一位一位地轮流点亮各位数码管，如图4.5中所示，各位数码管的段控线相应并联在一起，由一个8位的I/O口控制，但是8路驱动采用74LS244总线驱动器作为数码管的驱动器
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