数控电压源设计论文C语言Word格式.docx
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参考文献·
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设计任务简要说明
A题数控直流稳压电源
一、设计任务
设计并制作一个直流可调稳压电源。
二、设计要求
1、基本要求：
1）当输入交流电压为220v±
10%时，输出电压在3-13v可调；
2）额定电流为0.5A，且纹波不大于10mV；
3）使用按键设定电压，同时具有常用电平快速切换功能（3v、5v、6v、9v、12v），设定后按键可锁定，防止误触；
4）显示设定电压和测量电压，显示精度为0.01v。
2、扩展要求：
1）输出电压在0-13v可调；
2）额定电流为1A，且纹波不大于1mV；
3）掉电后可记忆上次的设定值；
4）两级过流保护功能，当电流超过额定值的20%达5秒时，电路作断开操作；
当电流超过额定值的50%时，电路立即断开。
具有光提示（如LED）；
5）其他创新。
三、说明
禁止直接使用220v直接电阻分压的作法，注意用电安全。
四、评分标准
项目
满分
基本要求
设计与总结报告：
方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。
30
完成第
（1）项
15
完成第
（2）项
完成第（3）项
完成第（4）项
发挥部分
完成第
（1）项
完成第
（2）项
10
完成第（4）项
完成第（5）项
第一章摘要
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各
业。
电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。
当今电源技术融合了电气、电子、
系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着计算机和通讯技术发展而来的
现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出
了更高的要求。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生
的误差，会影响整个系统的精确度。
数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可靠性。
随着时代的发展，随着人们生活水平的不断提高，数字电子技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的。
其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展。
数控电源技术从80年代至今已经有了长足的发展。
但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。
因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。
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。
通过这次比赛学习的机会，我们提出以AT89S51单片机为控制器，运用数字技术和模拟技术相互装换的概念设计直流数控可调稳压电源。
本次我们所设计的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示，输出电压的大小调节通过“+”、“-”两键操做，控制可逆计数器分别作加、减计数，可逆计数器的二进制数字输出分两路运行：
一路用于驱动数显电路，指示电源输出电压的大小值；
另一路进入Ｄ／Ａ转换电路，Ｄ／Ａ转换器将数字量按比例转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制调整输出级输出所需的稳定电更能方便快捷地时时读出电路电压的变化，具有设计更加地趋向于人性化的特点。
而且，我们的设计基于比赛要求的基础上，扩展了掉电保护的功能，使用24C02锁存数据，便于我们对前次使用电压的了解。
电路还设置了两极过流保护的功能，从硬件和软件两方面结合，更加地安全可靠。
第二章方案论证及比较
2.1控制器部分
方案一：
应用PIC芯片作为控制器。
PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。
PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。
I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器（TRISn,其中n对应各口，如A、B、C、D、E等），从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。
当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；
置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。
相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。
它的A/D为10位，能满足精度要求。
具有在线调试及编程（ISP）功能。
方案二：
应用AT89S51作为控制器。
51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。
它的处理对象不是字或字节而是位。
它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。
51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。
而且，51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。
当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。
低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；
而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。
PIC芯片的内置很强大，但是一方面它的价格比较昂贵，另一方面，也是由于我们对PIC不大了解，没有试验过，所以，我们选择了51作为我们的控制器。
这样一来，我们实现一些功能就必须要加外围电路了。
2.2显示部分
方案一：
使用LED显示。
优点：
可是角度宽，价格便宜。
缺点：
显示的内容少，介面呆板，而且占用较多的IO口资源。
方案二：
使用1602液晶显示器。
可视面积大，介面美观，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省软件中断资源，应用串行连接，节省I/O口资源。
这次，我们选用了LED作为我们的显示器。
因为1602液晶显示器相对来说比较昂贵，而且我们的显示部分只是显示电压的输出值。
用四位数码管就可以实现。
但是，使用LED占用了比较多的Ｉ／Ｏ资源。
2.3电源部分
方案一：
三端固定输出电压式稳压电源78XXXX系列运用其器件内部电路来实现过压保护、过流保护、过热保护。
这使它的性能很稳定。
能够实现1A以上的电流器件具有良好的温度系数本产品有多种电压输出值5V~24V，因此产品的应用范围很泛
可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题
输出电压误差精度分为±
3%和±
5%。
LM117/LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。
LM117/LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
LM117/LM317能够有许多特殊的用法。
比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM117/LM317的极限就行。
当然还要避免输出端短路。
还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。
通过比较分析，此次我们选择了78XX系列芯片来实现我们的电源输出。
因为78XX系列的芯片能满足我们的四个固定电压的输出。
第三章主要电路单元的设计
本系统由电源模块、调压模块、D／A转换模块、显示与键盘模块组成。
系统电路结构原理图，如图所示：
+
电路设计：
1．整流、滤波电路设计。
首先确定整流电路结构为桥式电路，选用大的电解电容对输入的电流进行滤波处理。
电路如图所示：
整流滤波电路
该整流滤波电路中，220V的市电输入到电路中，经过一个整流桥堆整流电路
。
整流电路的任务是将电网供给的交流电变换成脉动的直流电，通常利用二极管的单向导电性来实现。
一般分为半波整流/全波整流/桥式整流/被压整流等，而桥堆就是用在桥式整流中的。
通过整流桥堆后的电压为U=U0*1.2。
U0为经过变压器变压后的输出电压。
经过整流后的电压用两个电容实现滤波处理。
2.电源电路
该电源电路采用了四个三端集成稳压器来为电路输出电路所需要的各种电压。
一般三集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，使电压差保持在4-5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。
78系列的三端稳压器能够输出正的电压。
79系列的三端稳压器输出是负电压。
由于该电路的芯片发热较大，一般要加上合适的散热片散热保护电路。
芯片分三个引脚，输入、输出和接地，三个引脚不能接反，否则容易烧化电路。
3.放大电路：
这部分电路是实现电压放大的电路。
电路的比较放大采用运放NE5534来设计，该器件具有共模抑制比高，响应速度快和压摆率高的特点。
设计时可由R10、R11A、R12组成分压取样电路，并要求R10／（R11A+R12）=1／4，即当输出电压存在△UO=0.05V时，△Ua=0.04V，这与DAC的输出（10／255=0.04V=1LSB）变化一致。
事实上，经过DAC转换以将电流转换为电压并进行电压放大后，即可将得到的10V电压送比较器NE54534的同相端作为比较的基准电压。
由于DAC0832是8位的D／A转换器，故有255步进。
由此，当CPU控制DAC变化1LSB时，其对应Va的变化为0.04V，故Uout的可调变化量为0.05V（步长）。
NE5534和Q1、Q3及取样电路构成的负反馈电路可实现调节输出电压的目的（稳压）。
电路中的过流保护由R9与Q2完成。
当Io>
0.7A时，VR9=R9Io≥1×
0.7=0.7V，此时Q2导通，并对调整管Q3的基极分流，使TIP41的导通电阻增大，输出电压降低，从而达到过流保护的目的。
该系统的短路保护采用保险管来完成。
该电路的数模转换电路是由DAC0832、两级低漂移的运放μA714和VREF电路组成。
DAC0832和运放U3A将CPU发出的8位二进制数据转换成0～-5V的电压，然后经运放U3B反向放大2倍，以得到0～10V电压。
因此，该DAC的转换分辨率为10／（28-1）=0.04V，即CPU输出给DAC的数据变化为1Bit，DAC输出电压的变化为0.04V。
VREF电路为DAC提供基准电压，调节R5A，可使基准电压保持为5V。
4.键盘模块
当输出电压经R13限流和R14取样后，即可送入TLC2453-1进行模数转换。
图中的TLC2453-1为11通道、12位串行A／D转换器，具有12位分辨率，转换时间为10μs，有11个模拟输入通道，3路内置自测试方式，采样率为66kbps，线性误差±
1LSBmax，同时带有转换结果输出EOC，并可单、双极性输出。
通过其可编程的MSB或LSB前导可编程输出数据长度。
TLC2453-1的时钟频率选用4.1MHz，电源输出电压Uo的取样信号从IN0输入，芯片的I／O时钟端、数据输入端、转换数据输出端、片选端分别与AT89S51单片机的P0.0,P0.1,P0.2,P0.3相连，然后经单片机处理后从P0口输出，在经芯片MC74HC573N驱动后送入数码管，通过数码管显示输出电压。
电路中AT89S51单片机的晶振频率选用12MHz，P3.0,P3.2,P3.5,P3.6接调压按钮。
K1实现设置功能，即通过此按键可以实现电平快速切换功能（3V，5V，6V，9V，12V），K2实现调控增加电压的功能，K3实现调控减小电压的功能，K4实现按键锁定和解锁的功能，防止误触造成不便。
5．电压显示电路
该部分电路通过运用两个MC74HC573N芯片控制数码管的位选和段选，并且，都将
他们接在AT89S51的主芯片的Ｐ０.０～Ｐ０．７口上进行对数码管的控制。
通过数码管的时时检测来知道电路电压输出的大小。
电压显示电路，如下图所示：
电路按一般的接法，在段，位选口上接上上拉电阻。
并用三极管实现电路电流的放大小效果。
数码管使用四位计数，使数码管的显示可以达到０．０１V的精确要求。
5．掉电锁存电路
该处电路使用了M24C02BN6芯片实现掉电的锁存功能。
这块芯片可以在掉电时记住上一次的电压记录。
所以此处电路的设计，更加地人性化。
6.主芯片电路控制
该部分电路采用了最基本的AT89S51为基核，通过对该芯片编程，使芯片实现各种强大的功能。
该部分电路的电路图，如图所示：
该部分电路通过控制AT89S51芯片的IO口实现电路的各项控制功能。
通过控制P3.0，P3.1，P3.5,P3.6口实现按键的调节设置电压功能；
通过控制芯片的P0口接的译码驱动器MC74HC573Ｎ芯片实现电压的时时跟踪显示功能；
通过Ｄ／Ａ和Ａ／Ｄ的转换，实现电路的数模和模数转换等；
第四章系统软件设计
软件要实现的功能是：
键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，送到数模转换器，再送入数码管显示，实现对电压的控制。
1．主控程序
主控程序首先进行系统的初始化，然后显示电路中的输出电压，初始应为0V。
按下功能转换键进入预置电压环节，等待键盘输入。
根据键盘的不同输入，按下确定键后转入相应的应用程序。
执行后，数码管显示电路中的电压。
直到被下一次设置电压打断。
2．过流保护程序
过流保护由中断实现，通过AD转换检测电路中的电流，若电流超过额定电流的1.2倍时蜂鸣器发出警报并在5秒后初始化电路。
若电流超过额定电流的1.5倍时立即初始化原电路。
3．键盘显示程序
刚上电时，数码管显示的是电路的输出电压。
当第一次按下键一（即s1）时，进入设置步进初值的模式，数码管显示设置的初始步进值（用s2和s3分别控制步进初值的增减），按下s4为确定键，此时数码管显示为电路输出电压。
当数码管显示输出电压时，若连续按下两次s1则进入常用电压设置，用s2和s3分别控制常用电压的增减，其中常用电压有3V,5V,6V,9V,12V。
按下s4为确定键，数码管显示为电路输出电压。
当数码管显示为电路输出电压，连续三次按下s1则进入步步函数，此时电路的输出电压以原电路的输出电压为基础步步增大或减小，步进值为0.1V。
增加到13V时开始减小，并在减小到0V时渐次增大。
当再次按下s1键时停止步步函数。
在按下确定键后再按一次s4则为锁定，此时再按s1，s2，s3键均无效，知道再次按下s4键解锁。
4．掉电保护程序
在设置输出电压时，数码管显示的是设置的输出电压，按下确定键后，数码管开始显示电路的输出电压。
并在每次显示之前将数据送入24C02中，并从24C02中读取所要显示的电压。
当掉电后数码管显示的数据为从24C02中读出的数据，故可以使原先的数据不至于被破坏掉。
24C02读写程序流程图如下图所示。
24C02写入程序流程图
24C02读取程序流程图
第五章测试、结果及分析
测试工具：
万用表
5.1基本功能
要求实现功能
测试结果
输入交流电压为220v±
实现了0~13V可调
额定电流为0.5A，且纹波不大于10mV；
实现了该项功能
电平切换功能（3V、5V、6V、9V、12V），设定后按键可锁定
显示设定电压和测量电压，显示精度为0.01V
通过四位数码管已实现
5.2扩展要求部分
扩展要求
实现情况
输出电压0~13V可调
实现
掉电后可记忆上一次的设定值
通过24C02芯片以实现该项功能
两级过流保护功能，当电流超过额定值的20%达5秒时，电路作断开操作；
测试成功。
第六章 各种芯片资料简介
ＡＴ８９Ｓ５１
芯片的引脚图如图所示：
AT89S51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
2．管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
8位数模转换器DAC0832芯片
1.引脚及其功能
DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。
能完成数字量输入到模拟量（电流）输出的转换。
图1-1和图1-2分别为DAC0832的引脚图和内部结构图。
其主要参数如下：
分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±
1LSB，参考电压为（+10?
/span>
-10）V，供电电源为（+5～+15）V，逻辑电平输入与TTL兼容。
从图1-1中可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。
DAC0832引脚图如图所示：
图中，当ILE为高电平，片选信号/CS和写信号/WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。
此后，当/WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。
对第二级锁存来说，传送控制信号/XFER和写信号/WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当/WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。
图中其余各引脚的功能定义如下：
（1）、DI7～DI0：
8位的数据输入端，DI7为最高位。
（2）、IOUT
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