数控直流稳压电源.docx
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数控直流稳压电源
数控直流稳压电源
摘要
本设计为一种简易数控直流稳压电源。
该电源由电源供电模块、加减数控调压模块、数模转换和模数转换模块、电压调整模块以及数字输出显示电路等组成。
该设计以STC90C516RD+单片机为基本控制核心，通过单片机控制数模转换芯片DAC0832输出稳压电源的基准电压，再通过两级放大输出到电压调整管，控制调节输出电源电压。
该数控电源可以通过粗调和微调按键实现0-10V之间不同幅值的电压输出，同时还设置了+3.3V和+5V电压设定按键，以实现常用芯片电压的快速设定。
设计中采用LCD1602液晶显示设定电压和电源输出的实际电压，便于观察和调整。
在设计中，对该电源系统进行了Proteus仿真，配合KeiluVision4软件的应用，得到比较满意的仿真结果。
另外，该数控电源具有较好的抗干扰能力，可靠性较高，易于调节，操作简单，输出电压值与真实显示电压值精度较高等优点。
关键词：
数控直流稳压电源，STC90C516，模数转换，Proteus仿真，LCD1602
NumericalControlDCRegulatedPowerSupply
ABSTRACT
Thisgraduationdesignisakindofnumericalcontroldcregulatedpowersupply.Thepowerissuppliedbytheregulatedpowersupplypowersupplymodule,plusorminusnumericalcontrolregulatingmodule,digital-to-analogconversionandanalog-to-digitalconversionmodule,voltageregulationmodules,anddigitaloutputdisplaycircuit.Thebasiccontrolcoreofthisdesignisthe51single-chipcomputerwithamodelofSTC90C516,throughthesingle-chipmicrocomputercontrold/aconversionDAC0832chipoutputreferencevoltagestabilizedvoltagesupply,thenthroughtwostageamplifieroutputtoadjustthetubevoltage,controllingtheoutputvoltage.Thenumericalcontrolpowersupplycanberealizedthroughthecoarseandfinethevoltageofthedifferentamplitudebetween0-10voutput,alsosetup+3vand+5vvoltagesettingbutton,soastorealizetherapidcommonlyusedvoltagesettings.ThedesignadoptstheLCD1602LCDdisplayingthesettingvoltageandtheactualvoltageofthepoweroutput,convenientforobservationandsettings.InthedesignofthepowersystemhascarriedontheProteussimulation,cooperatedwithKeiluVision4softwareapplication,togetsatisfactorysimulationresults.Inaddition,thenumericalcontrolpowersupplyhasgoodanti-interferenceability,highreliability,easytoadjust,simpleoperation,theoutputvoltagevalueandthetrueshowsthatthecharacteristicofhighprecisionvoltagevalue.
KEYWORDS:
numericalcontroldcregulatedpowersupply，STC90C516，digital-to-analog，theProteussimulation，LCD1602
目 录
前 言1
第1章数控电源概述2
1.1设计的依据与意义2
1.2国内外数控电源概况2
1.3设计的内容3
1.4设计方法4
第2章设计方案与论证5
2.1设计方案5
2.1.1方案一5
2.1.2方案二5
2.2方案比较与论证6
2.2.1数控部分6
2.2.2输出部分6
2.2.3显示部分7
第3章硬件电路设计8
3.1电源供电电路模块8
3.2主控电路模块9
3.2.1STC90C516RD+单片机简介10
3.1.2引脚功能说明10
3.3按键电路模块12
3.4显示电路模块12
3.4.1LCD1602主要参数13
3.4.2LCD1602引脚功能说明13
3.5D/A转换电路模块14
3.5.1DAC0832主要参数16
3.5.2DAC0832的引脚说明16
3.5.3DAC0832的工作方式17
3.6电压调整电路模块18
3.7A/D转换电路模块19
第4章系统软件设计21
4.1主程序流程图21
4.2LCD1602程序流程图22
4.3按键扫描程序22
4.4A/D采样子程序23
4.5D/A输出子程序23
第5章系统仿真与调试24
5.1软件仿真调试24
5.1.1KeiluVision4软件编程24
5.1.2Proteus仿真25
5.2硬件电路调试26
5.2.1搭接电路板实物图26
5.2.2AltiumDesignerPCB板28
5.2.3电路调试29
5.2.4测试结果30
结 论32
谢辞33
参考文献34
附 录36
外文资料翻译48
前 言
电源是各行各业都无法脱离的能源，随之而来的便成为一种科技技术。
电源技术是一门实用性很强的工程技术，在教学、科研、生活等行业中都得到了很广泛的应用。
目前，数控电源技术是电源技术的典型代表。
电子、控制理论、系统集成、复合材料等学科领域在电源技术中得到了广泛的应用。
基于计算机和通讯技术的信息技术革命为电力电子技术的发展提供了广阔的前景。
与此同时，也提高了对电源的要求。
随着数控直流电源的普遍应用，有效的改善了普通电源使用中产生的误差，从而提高了系统的精确程度和稳定性。
众所周知，电源在工作时会造成很多不良后果，世界各国对电源产品提出了不同要求并制定了各种各样的产品精度标准。
只有满足产品标准，才能够进入市场。
在八十年代，随着电力电子理论的建立与发展，数控电源技术才真正发展起来。
在以后的发展过程中，数控电源技术有了很大的改善与提高。
当时，数控电源存在很多缺陷，比如数控程度达不到要求、分辨率不够高、功率比较低、可靠性较差等等。
随着单片机技术以及电压电流转变模块的出现，改善了数控电源的缺陷，为精确数控电源的发展提供了有力的条件。
目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋钮开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦，具有功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度不够且体积大、复杂等诸多不足。
利用数控稳压电源，能较好地解决以上传统稳压电源的诸多不足，还可减小电源高频谐波干扰和非线性失真，同时便于CPU数字化控制。
第1章数控电源概述
1.1设计的依据与意义
电源是各种电子设备工作的先决条件，是其源泉与动力，是电子设备必不可少的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到整个系统的安全性与可靠性指标。
随着科学技术与电子信息产业的迅速发展，人们对电源的需求与日俱增，电源的开发与制造已成为逐步具有巨大发展潜力的新兴产业。
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维护性。
如何设计一款输出电压稳定、精度高，并且具有电压调节范围大的电源，成为电力电子技术应用的热点。
市场上，电源产品繁多，但可分为两大类：
可调的和固定的，但是普遍存在一些缺陷，譬如转换效率低，功耗大，输出不够稳定，纹波电流大，普遍采用可调电位器调节，操作难度大，易磨损老化等。
而基于单片机的电源能比较好的解决以上的普通电源的缺陷，并且数控稳压电源与普通电源相比，具有操作简单方便、便于观察、稳定性高的特点。
它具有较低的纹波电压，精确的电压调节能力，输出电压利用数字显示，易于观察判断。
电路广泛使用集成电路，具有调试简单易行、性能优良可靠、故障率低等优点。
1.2国内外数控电源概况
国内外研究现状，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。
当今电源技术融合了电子、电气、控制理论、系统集成、材料等诸多学科领域。
随着计算机科学和通讯技术的发展，带来了现代信息技术革命，为电源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。
随着数控电源在各类电子设备中的普遍使用，有效地解决了普通电源在工作时产生的误差，从而提高整个系统的精确度。
数控电源真正发展起来是从80年代才开始的，随着电力电子理论的建立，为数控电源后来的发展提供了一个良好的基础。
自此，数控电源技术有了长足的发展。
但其产品存在数控程度达不到要求、功率密度比较低、分辨率不高、可靠性较差的缺点。
因此数控电源发展主要方向就是改善上述缺点。
微型单片机技术及电压电流转换模块的研发为精确数控电源的发展提供了有利的条件。
随着控制理论的发展和变换技术更新，研制出了各类型的数字信号处理器以及专用集成电路。
随着对系统更低功耗和更高效率的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源产业中直流-直流变换电源向更智能化和高灵活性方向发展，因此直流-直流电源产业正面临着新的更严峻的挑战，也就是在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，半导体生产商们就研发出了数控电源技术，而在那个年代，该设计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，因而当时无法被广泛接受。
现今随着电源技术的飞跃发展,整流滤波系统从以前的分立元件以及小规模的集成电路控制发展为现代的微机智能控制,从而使电源智能化,其具有遥控、遥测、遥信功能,基本实现了电源的无人值守，所设计的电源主要由单片机控制系统、D/A转换电路、直流稳压电路、检测电路、键盘、显示器等几部分组成。
开关电源技术的发展向着高频、可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化的方向发展。
由于开关电源薄、小、轻的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源生产商热衷于新型高智能化电子元件的开发制造，尤其是降低了整流器件的功耗，并在铁氧体材料上融入了新的科技，使其在较大磁通密度与高频率时得到高的磁性能，而另一项关键就是电容的小型化。
表面组装技术（SMT）的应用使开关电源做到了小、薄、轻。
1.3设计的内容
1.设计一款稳定性好、精度高、输出可调节的直流稳压电源
2.性能指标：
（1）输出电压调节范围0-10V，纹波小于50mV；
（2）输出电流最大500mA；
（3）输出直流电压步进调节，粗调步进值为1V，细调步进值0.05V；
3.由“+”、“-”两键控制输出电压步进值的增或减，并设有+3.3V和+5V常用电压设定按键；
4.显示输出电压值和设定电压值。
1.4设计方法
根据设计题目的要求，该数控直流电源由数控模块、显示模块、电源模块、数据采集模块构成。
1.数控与显示模块
采用以STC90C516RD+单片机为核心单片机最小系统。
该单片机具有灵活的接口和在线编程的能力，易于实现题目中的有关按键设置、显示以及电压测量等功能。
2.数据采集模块
将预设电压数字量经D/A转换器（DAC0832）进行数模转换，另外，利用电压采样，经A/D转换器（TLC1543）将采样电压模拟量转换成数字量输入到单片机，实现对电压的实时测量，然后经处理后送LCD1602液晶显示。
显示的电压值便是输出系统的电压值。
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大小的控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现。
第2章设计方案与论证
2.1设计方案
2.1.1方案一
采用传统的电压调整方案，该方案的方框图如图2-1所示。
该方案是以十进制计数器为核心的设计。
该计数器一方面完成设定电压译码显示，另一方面其输出作为E2PROM的地址输入。
然后E2PROM的输出经数模转换器（DAC0832）转换后控制误差运算放大器的基准电压来实现输出电压步进。
但是由于控制数据烧录在E2PROM中，这使系统的灵活性有所降低。
图2-1方案一方框图
2.1.2方案二
此方案的方框图如图2-2所示。
该方案以直流电源为核心，并采用51系列单片机（STC90C156RD+）作为控制核心，通过按键输入改变数字量来改变设定电压的值，即改变输出电压的值，改变控制误差运算放大器（NE5534）的同相输入端的电压值，从而使输出功率管（TIP41）的基极电压发生变化，间接地改变输出电压值。
为了能使系统具备检测实际输出电压值的功能，对输出电压进行采样，经过模数转换器（TLC1543）转换，从而间接实现用单片机实时对电压采样检测，然后进行数据处理和液晶显示。
采用软件控制的方法来解决数据的预置以及电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各功能易于实现。
该控制系统利用51系列单片机程序控制输出数字信号，经过数模转换器（DAC0832）转换输出模拟量，再经过两级运算放大器（uA741）隔离放大，经放大后的模拟量作为误差运算放大器同相输入端的电压值，从而控制输出功率管（TIP41）的基极，随着功率管基极电流的变化而输出不同的电压。
单片机系统还兼顾对电压进行实时监控，输出电压经电流/电压转变后，通过模数转换器（TLC1543）转换，实时把模拟量转化为数字量，通过单片机由LCD1602液晶显示，以便更好地观察和获得实际的电压数值。
图2-2方案二方框图
2.2方案比较与论证
2.2.1数控部分
方案一采用分散的模拟器件以及小规模集成电路实现系统数控功能，使用的芯片较多，以致使控制电路的内部的信号传递比较繁琐，中间环节相互关联部分比较多，在一定程度上抗干扰的能力变弱。
而在方案二中采用了单片机完成整个数控功能，而且51系列单片机可以实现程序控制，有利于系统的功能扩展。
2.2.2输出部分
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电压改变，在这种情况下必须把整流滤波后产生的纹波电压对输出的影响考虑在内，而方案二中使用运放作为前级运放，利用运放电压抑制比大的特性，可以大大减小纹波电压。
方案一中为消除纹波的影响，在电源输出端并联的大电容使系统的响应速度大大降低，因而输出难以跟踪输入，而方案二中输出电压波形与D/A变换输出一致，因而可以根据预设波形产生多种波形输出，使之成为系统具有一定驱动能力的信号源。
2.2.3显示部分
方案一中对电压量化后直接进行译码显示，显示值为D/A的输入值，由于D/A转换与功率驱动电路的引入，造成显示与实际输出值间产生偏差。
而方案二中采用直接对输出电压采样并显示输出实际电压值，当电源异常时，出现设定值和输出相差较大的状况，用户可以根据该信息予以处理。
另外，方案一中显示器使用的是LED数码管显示，方案二中显示器采用的是LCD1602液晶显示，使用液晶显示占用的I/O口比较少，体积小、功耗低、显示内容丰富，而且便于控制芯片外设的扩展。
综上所述，选择方案二，使用以51系列单片机为控制核心的设计方案。
第3章硬件电路设计
系统总体方案框图如图3-1所示。
根据系统总体设计方案的方框图可将该设计的电路模块分为电源供电电路模块、主控电路模块、按键电路模块、显示电路模块、电压调整电路模块、D/A转换电路模块、A/D转换电路模块等。
图3-1系统总体方案框图
3.1电源供电电路模块
系统电源电路模块的原理图如图3-2所示。
220V的家用照明电由电源变压器变压得到有效值15V的电压，再经过两路全波整流滤波电路得到18V的电压值，一路通过三端可调节输出正电压稳压器LM317输出稳定的18V电压；另一路通过三端集成稳压LM7815、LM7915得到稳定的+15V、-15V，该电压为调压模块和D/A转换模块中的放大器uA741提供电压。
从三端集成稳压器LM7815得到的+15V电压经过一个分压电阻连接三端集成稳压器LM7805得到+5V电压值，该电压为设计中的主控模块、D/A转换器、A/D转换器、LCD1602液晶提供所需的工作电压。
三端可调稳压器LM317工作时建立并保持输出与调节端之间1.25V的标称参考电压（
），这一参考电压由R1转换成编程电流（
），该恒流经R2到地，稳压输出电压由式（3-1）给出：
（3-1）
其中
为调节端电流，在式中代表误差项，因此可调稳压器LM317设计为控制电流
小于
并使之保持恒定，为达到这一点，所有静态工作的电流都返回到输入端，这就需要最小负载电流，若负载电流小于最小值，输出电压会升高。
在计算输出电压时，可以把式（3-1）中的后一项略去，从而简化计算。
二极管D1防止输入短路时电容C3对集成电路放电，以保护电路的安全性与稳定性。
为了能够使LM7805能够正常工作，不至于输入电压过高，在LM7815的输出端口增加了一只分压电阻，以降低LM7805的输入电压，保证LM7805正常工作。
图3-2系统电源电路模块的原理图
3.2主控电路模块
主控电路模块采用PDIP封装的STC90C516RD+单片机为主控制器来实现，其最小系统原理图如图3-3所示。
51单片机是一款基于8位单片机处理芯片STC90C516RD+的系统。
STC90C516RD+的正常的工作电压为5V，工作频率可达到40MHz。
图3-3STC90C516单片机最小系统原理图
本设计为了确保控制的可靠性与方便性，采用了外接电阻电容复位电路，增加了复位按键。
同时也是整个系统电源系统的复位电路，便于系统的复位与设定，提高系统的可操作性。
3.2.1STC90C516RD+单片机简介
STC90C516RD+系列单片机是STC公司研发的超强抗干扰/高速/低功耗单片机，其指令代码完全兼容8051单片机，12时钟/机器周期与6时钟/机器周期，可根据需要选择。
内部集成了专用复位电路（MAX810），当时钟频率在6MHz时，该复位电路可靠；当时钟频率在12MHz时，勉强能用。
一般需要外接复位电路，增加系统的可靠性。
3.1.2引脚功能说明
STC90C516RD+单片机的管脚如图3-4所示。
图3-4STC90C516单片机的管脚
VCC：
电源正极。
GND：
电源负极，接地。
P0口：
P0口可作为地址/数据分时复用总线和通用I/O口。
当P0口作为地址/数据分时复用总线时是低8位地址线[A0-A7]，数据线[D0-D7]，无需外接上拉电阻。
当P0口作为普通I/O口时，是8位准双向口，上电复位后处于开漏模式，需外接上拉电阻。
P0口可驱动8个LS型TTL负载。
P1口：
P1口内部有上拉电阻，P1口可驱动4个LS型TTL负载。
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。
P2口：
P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可以作为高8位地址总线[A8-A15]使用。
当P2口作为输入/输出时是一个8位准双向口。
与P1口相同，P2口也可驱动4个LS型TTL负载。
P3口：
P3口内部有上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。
当P3口作为输入时，须先对相应端口锁存器写“1”。
P3口除了具有准双向I/O口功能外，还有第二功能。
同时为FLASH编程和编程校验接收一些控制信号。
P4口：
P4口内部提供上拉电阻，可驱动4个LS型TTL负载。
P4口具有准双向I/O口功能。
P4口的访问方式与P1口基本相同，且可用位寻址。
RST：
复位脚，高电平有效。
当复位时，至少要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/P4.5:
地址锁存允许/P4.5。
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低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
否则，其输出频率为振荡器频率的1/6正脉冲信号。
/P4.4：
外部程序存储器的选通信号/P4.4，低电平有效。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/P4.6：
外部程序存储器访问允许/P4.6。
当
保持低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。
当
保持高电平时，只访问内部程序存储。
在FLASH编程时，此脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。
XTAL2：
片内振荡器反相放大器的输出端。
3.3按键电路模块
按键电路相对比较简单，设计中采用了六个按键来实现电压步进调节控制，各键作用分别为设置常用电压3.3V、5V增减电压粗调按键和增减电压微调按键。
其中S1为3.3V设定按键，S2为5V设定按键，S3为步进加1V按键，S4为步进减1V按键，S5为步进加0.05V按键，S6为步进减0.05V按键。
其按键电路原理图如图3-5所示。
图3-5按键电路模块原理图
3.4显示电路模块
设计中显示模块采用LCD1602液晶显示，其接口原理图如图3-6所示。
采用该液晶占用I/O口比较少，更加易于实现。
另外，本设计所使用的LCD1602液晶是32个
点阵组成字符群。
一个点阵块作为一个字符，字符的间距、行距为一个点的宽度。
该液晶具有字符发生器ROM可显示192个字符，还具有64个字节RAM，用于存储自定义字符，可自定义8个
点阵字符。
模块具有结构紧凑、轻巧、安装容易的优点。
图3-6显示电路模块原理图
LCD1602液晶显示器的实物图如图3-7所示，它具有功耗低、体积小、显示内容丰富、体积轻巧等特点。
图3-7LCD1602液晶显示器的实物图
3.4.1LCD1602主要参数
1.单+5V电源供电，可调节对比度；
2.液晶内部具有复位电路；
3.提供清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能的控制命令；
4.具有80个字节的RAM，还具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个
点阵字符；
5.具有字符发生器ROM，能显示192个
点阵字符。
3.4.2LCD1602引脚功能说明
LCD1602引脚功能如表3-1所示
表3-1LCD1602引脚功能
引脚号
符号
状态
功能
1
VSS
电源地
2
VDD
+5V电源
3
V0
驱动电源
4
RS
输入
寄存
升级会员 