畢業(yè)設計論文-數控直流穩(wěn)壓電源.doc

中文摘要 1 畢業(yè)設計 數控直流穩(wěn)壓電源 摘要 本設計以直流電壓源為核心 AT89C51 單片機為主控制器 通過按鍵來設 置直流電源的輸出電壓 設置步進等級可達 0 1V 輸出電壓范圍為 0 9 9V 最大電流為 1000mA 并可由 LED 數碼顯示管顯示實際輸出電壓值 系統有過流 保護電路 當輸出電流過大時功率管自動截至 本設計由單片機程控輸出數字 信號 經過 D A 轉換器 DAC0832 輸出模擬量 再經過運算放大器隔離放大 控制輸出功率管的基極 隨著功率管基極電壓的變化而輸出不同的電壓 實際 測試結果表明 本系統實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒壓源的領域 關鍵詞 數字控制關鍵詞 數字控制 直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源 單片機單片機 Abstract II Abstract This system to dc voltage source as the core mainly AT89C51SCM through the keyboard controller to install dc power supply output voltage setting stepping class can reach 01v output voltage the range of 0 9 9 V the maximum current1000mA for and can show the actual pipe by digital output voltage values This system consists of microcontroller program output digital signal through D A converter DAC0832 output analog amplifier through isolating amplifier output power control of base with the power to change the passive tube voltage output of different voltage Test results show that this system application in need of high stability of small power constant voltage source fields Keywords Keywords Digital control Regular power supply of direct current Single chip microcomputer 目錄 III 目錄 摘要 1 ABSTRACT 目錄 第一章 引言 1 1 1 設計背景和意義 1 1 2 設計任務要求 2 第二章 方案設計與論證 8 2 1 方案比較 9 2 2 設計思想 4 第三章 系統硬件設計 5 3 1 系統硬件原理框圖 5 3 2 單片機最小系統 5 3 2 1 單片機 5 3 2 2 按鍵電路 8 3 2 3 時鐘電路和復位電路 8 3 3 數模轉換電路 9 3 3 1 DAC0832 芯片 9 3 3 2 四運放放大器 LM324 11 3 3 3 數模轉換電路 12 3 4 數字顯示電路 12 3 5 放大與功率輸出模塊 14 3 6 直流穩(wěn)壓電源電路 14 第四章 系統軟件設計 16 4 1 程序流程圖 16 4 2 源程序 17 第五章 系統仿真及調試 23 5 1 系統仿真 23 5 2 仿真電壓顯示 24 5 3 系統調試 25 5 4 調試結果 26 目錄 IV 總結 30 參考文獻 31 致謝 32 附錄 33 第三章 硬件設計 5 第一章 引言 1 1 設計背景和意義 直流穩(wěn)壓電源是電子技術常用的設備之一 廣泛的應用于教學 科研等領 域 傳統的多功能直流穩(wěn)壓電源功能簡單 難控制 可靠性低 干擾大 精度 低且體積大 復雜度高 普通直流穩(wěn)壓電源品種很多 但均存在以下二個問題 1 穩(wěn)壓方式均是采用串聯型穩(wěn)壓電路 對過載進行限流或截流型保護 電 路構成復雜 穩(wěn)壓精度也不高 2 輸出電壓是通過粗調 波段開關 及細調 電位器 來調節(jié) 這樣 當輸 出電壓需要精確輸出 或需要在一個小范圍內改變時 如 1 05 1 07V 困難就較大 另外 隨著使用時間的增加 波段開關及電位器難免接觸不良 對輸出會有影響 在家用電器和其他各類電子設備中 通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電 但在實際生活中 都是由 220V 的交流電網供電 這就需要通過變壓 整流 濾波 穩(wěn)壓電路將交流電轉換成穩(wěn)定的直流電 濾波器用于濾去整流輸出電壓 中的紋波 一般傳統電路由濾波扼流圈和電容器組成 若由晶體管濾波器來替 代 則可縮小直流電源的體積 減輕其重量 且晶體管濾波直流電源不需直流 穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源 這既降低了家用電器的成本 又縮小了其體 積 使家用電器小型化 傳統的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關來實現電壓的調節(jié) 并由 電壓表指示電壓值的大小 因此 電壓的調整精度不高 讀數欠直觀 電位器 也易磨損 而基于單片機控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統穩(wěn)壓電源 的不足 幾乎所有的電子設備都需要穩(wěn)定的直流電源 因此直流穩(wěn)壓電源的應用非 常的廣泛 隨著科學技術的不斷發(fā)展 特別是計算機技術的突飛猛進 現代工 業(yè)應用的工控產品均需要有低紋波 寬調整范圍的高壓電源 而在一些高能物 理領域 更是急需電腦或單片機控制的低紋波 寬調整范圍的電源 直流穩(wěn)壓 電源的電路形式有很多種 有串聯型 開關型 集成電路 穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電源 等等 在電子設備中 直流穩(wěn)壓電源的故障率是最高的 長期工作在大電流和 大電壓下 電子元器件很容易損壞 但在直流穩(wěn)壓電源中 通過整流 濾波電路 第三章 硬件設計 6 所獲得的直流電源的電壓往往是不穩(wěn)定的 輸出電壓在電網電壓波動或負載電 流變化時也會隨之有所改變 電子設備電源電壓的不穩(wěn)定 將會引起很多問題 比如 測量儀器的準確度降低 交流放大器的噪聲增大 直流放大器的零點漂 移等等 設計出質量優(yōu)良的直流穩(wěn)壓電源 才能滿足各種電子線路的要求 因 此 直流穩(wěn)壓電源的研究就頗為重要 目前產生直流穩(wěn)壓電源的方法大致分為兩 種 一種是模擬方法 另一種是數字方法 前者的電路均采用模擬電路控制 而 后者則是通過數字電路進行自動控制 直流穩(wěn)壓電源朝著數字化方向發(fā)展 因 此對于數控恒壓源的研究是必要的 從上世紀九十年代末起 隨著對系統更高 效率和更低功耗的需求 電信與數據通訊設備的技術更新推動電源行業(yè)中直流 直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展 在 80 年代的第一代分布式供 電系統開始轉向到 20 世紀末更為先進的第四代分布式供電結構以及中間母線結 構 直流 直流電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn) 即如何在現有系統加入嵌入式電源 智能系統和數字控制 早在 90 年代中 半導體生產商們就開發(fā)出了數控電源管 理技術 而在當時 這種方案的性價比與當時廣泛使用的模擬控制方案相比處 與劣勢 因而無法被廣泛采用 由于板載電源管理的更廣泛應用和行業(yè)能源節(jié) 約和運行最優(yōu)化的關注 電源行業(yè)和半導體生產商們便開始共同開發(fā)這種名為 數控電源 的新產品 現今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展 整流系統由以前 的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制 從而使直流電源智能化 具有遙 測 遙信 遙控的三遙功能 基本實現了直流電源的無人值守 目前 國外直 流穩(wěn)壓電源已朝著多功能和數字化的方向發(fā)展 M atthew 等提出了采用多路 D A 分別設定多路輸出電壓 以及以多路 A D 進行輸出檢測的微機數控電源 隨著科學技術飛速發(fā)展 對電源可靠性 輸出精度和穩(wěn)定性要求越來越高 利用 D A 轉換器的高分辨率和單片機的自動檢測技術設計程控電源就顯示出其優(yōu)越 性 程控電源既能方便輸入和選擇預設電壓值又具有較高精度和穩(wěn)定性 而且 還可程控實現對電源的可編程監(jiān)控 如模擬電壓跌落 間斷或起伏等情況 即 可編程電源也可以看作一種功率型的低頻信號發(fā)生器 程控電源可以任意設定 輸出電壓或電流 所有功能由板上的鍵盤或通過 RS 232C 串口連接的上位微機 實現 給電路實驗帶來極大的方便 提高了工作效率 1 2 設計任務要求 輸出電壓 0 9 9V 步進可調 調整步距 0 1 V 輸出電流 1000mA 第三章 硬件設計 7 精 度 靜態(tài)誤差 1 FSR 紋波 10mV 顯 示 輸出電壓值用 LED 數碼管顯示 電壓調整 由 兩鍵分別控制輸出電壓的步進增減 輸出電壓預置 輸出電壓可預置在 0 9 9V 之間的任意一個值 其 它 自制電路工作所需的直流穩(wěn)壓電源 輸出電壓為 12V 5V 第三章 硬件設計 8 第二章 方案設計與論證 2 1 方案設計 方案一 采用單片機的數控電壓源的設計 采用常用的 AT89C51 單片機作為控制器 P0 口和 DAC8032 的數據口直接相 連 DA 的各個端口連接后接 P3 4 和接單片機的端 讓 DA 工作在單緩沖方式 下 DA 的 8 腳接參考電壓 DA 的基準電壓接 10V 電源 所以在 DAC 的 8 腳輸 出電壓的分辨率為約等于 0 1V 也就是說 DA 輸入數據端每增加 1 電壓增加 0 1V 通過運放 LM324 將 DA 的輸出電流轉化為電壓 再通過運放 LM324 將電壓 反相并放大輸出電壓并穩(wěn)壓 最后通過示波器觀察其波紋 其硬件框圖如圖 2 1 所示 顯示 圖 2 1 方案一硬件框圖 方案二 采用傳統的調整管方案 主要特點在于使用一套雙計數器完成系 統的控制功能 其中二進制計數器的輸出經過 D A 變換后去控制誤差放大的基 準電壓 以控制輸出步進 十進制計數器通過譯碼后數碼管顯示輸出電壓值 為了使系統工作正常 必須保證雙十計數器同步工作 其硬件框圖如圖 2 2 所 示 輸出 鍵盤 數碼顯示 單 片 機 電壓輸出D A 轉換 電壓預置A D 轉換 整流濾波 譯碼顯示 電 源 D A 轉換 誤差放大 時鐘控制 電壓預置 二進制 計數器 十進制 計數器 過流保護調整管 步進加步進減 第三章 硬件設計 9 圖 2 2 方案二硬件框圖 方案三 采用調整管的十進制計數器的數控電壓源的設計 此方案不同于 方案之二處在于使用一套十進制計數器 一方面完成電壓的譯碼顯示 另一方 面其作為 EPROM 的地址輸入 而由 EPROM 的輸出經 D A 變換后控制誤差放大的 基準電壓來實現輸出步進 只使用了一套計數器 回避了方案二中必須保證雙 計數器同步的問題 但由于控制數據燒錄在 EPROM 中 使系統設計靈活性降低 其硬件框圖如圖 2 3 所示 輸出 圖 2 3 方案三硬件框圖 2 2 方案比較 2 2 1 數控部分的比較 方案二 三中采用中 小規(guī)模器件實現系統的數控部分 使用的芯片很多 造成控制電路內部接口信號繁瑣 中間相互關聯多 抗干擾能力差 在方案一 中采用了 AT89C51 單片機完成整個數控部分的功能 同時 AT89C51 作為一個 智能化的可編程器件 便于系統功能的擴展 2 2 2 輸出部分的比較 方案二 三中采用線性調壓電源 以改變其基準電壓的方式使輸出步進增 加或減少 這不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出的影響 而方案一中使用運 算放大器放大電壓 由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制化 可以大大減 少輸出端的紋波電壓 步進加 D A 轉換 步進減 電壓預置 譯碼顯示 十進制 計數器 EPROM 誤差放大 過流保護調整管整流濾波 第三章 硬件設計 10 2 2 3 顯示部分的比較 方案二 三中的顯示輸出是對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸出 顯示 值為 D A 變化輸入量 由于 D A 變換與功率驅動電路引入的誤差 顯示值與電 源實際輸出值之間可能出現較大偏差 而方案一中采用三位一體的數碼管直接 對電壓值進行顯示 總之 方案一的優(yōu)點是具有精度高 使用方便 硬件電路簡單等特點 它 使用了單片機 使得進一步擴展功能較為方便 方案二 三的優(yōu)點是電路結構 簡單 其缺點是使用比較復雜 精度沒有那么高 考慮到各種因素 本設計采 用方案一 第三章 硬件設計 11 第三章 硬件設計 3 1 硬件原理框圖 時鐘電路 復位電路和按鍵電路組成單片機最小系統 時鐘電路提供時鐘 信號 復位電路可以實現復位功能 按鍵電路作為用戶對波形和頻率的選擇 單片機 AT89S51 輸出所需波形和頻率的二進制數據 經過數模轉換器 DAC0832 將數字信號轉換為模擬信號 經過 LM324 集成運放放大后輸出所需的方波 三 角波 正弦波 電源電路為電路供電 電壓顯示 按鍵控制 單 片 機 D A 轉換放大電路 電源 12v 5v 功率輸出 電壓輸出 圖 3 1 硬件原理框圖 3 2 單片機最小系統 3 2 1 單片機 AT89S51 是一種低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系統可編 程 Flash 存儲器 AT89S51 具有以下標準功能 8k 字節(jié) Flash 256 字節(jié) RAM 32 位 I O 口線 看門狗定時器 2 個數據指針 三個 16 位 定時器 計 數器 一個 6 向量 2 級中斷結構 全雙工串行口 片內晶振及時鐘電路 另外 AT89S51 可降至 0Hz 靜態(tài)邏 輯操作 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式 空閑模 式下 CPU 停止工作 允許 RAM 定時器 計數器 串口 中斷繼續(xù)工 作 掉 電保護方式下 RAM 內容被保存 振蕩器被凍結 單片機一切工作停止 直到 下一個中斷或硬件復位為止 本設計只需要 P1 和 P2 口只對其介紹 P1 口 P1 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 p1 輸出緩沖 器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平 對 P1 端口寫 1 時 內部上拉電阻把端口拉 高 此時可以作為輸入 口使用 作為輸入使用時 被外部拉低的引腳由于內部 第三章 硬件設計 12 電阻的原因 將輸出電流 IIL 此外 P1 0 和 P1 1 分別作定時器 計數器 2 的外部計數輸入 P1 0 T2 和定時器 計數器 2 的觸發(fā)輸入 P1 1 T2EX 在 flash 編程和校驗時 P1 口接收低 8 位地址字節(jié) 引腳號第二功能 P1 0 T2 定時器 計數器 T2 的外部計數輸入 時鐘輸出 P1 1 T2EX 定時器 計數器 T2 的捕捉 重載觸發(fā)信號和方向控制 P1 5 MOSI 在系統編程用 P1 6 MISO 在系統編程用 P1 7 SCK 在系統編程用 P2 口 P2 口是一個具有內部上拉電阻的 8 位雙向 I O 口 P2 輸出緩沖 器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平 對 P2 端口寫 1 時 內部上拉電阻把端口拉 高 此時可以作為輸入 口使用 作為輸入使用時 被外部拉低的引腳由于內部 電阻的原因 將輸出電流 IIL 在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取 外部數據存儲器 例如執(zhí)行 MOVX DPTR 時 P2 口送出高八位地址 在這種 應用中 P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 訪問外部數據存儲器時 P2 口輸出 P2 鎖存器的內容 在 flash 編程和校驗時 P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號 RST 復位輸入 當振蕩器工作時 RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平 將是單片機復位 ALE PROG 當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時 ALE 地址鎖存允許 輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié) 一般情況下 ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1 6 輸出固定的脈沖信號 因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的 要注意的 是 每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖 對 FLASH 存儲器編程期 間 該引腳還用于輸入編程脈沖 PROG 如有必要 可通過對特殊功能寄存 器 SFR 區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 該位置位后 只有 一條 MOVX 和 MOVC 指令才能將 ALE 激活 此外 該引腳會被微弱拉高 單片機 執(zhí)行外部程序時 應設置 ALE 禁止位無效 PSEN 程序儲存允許 PSEN 輸出是外部程序存儲器的讀選通信號 當 AT89S51 由外部程序存儲器取指令 或數據 時 每個機器周期兩次 PSEN 有效 第三章 硬件設計 13 即輸出兩個脈沖 在此期間 當訪問外部數據存儲器 將跳過兩次 PSEN 信號 EA VPP 外部訪問允許 欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器 地址為 0000H FFFFH EA 端必須保持低電平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被編 程 復位時內部會鎖存 EA 端狀態(tài) 如 EA 端為高電平 接 Vcc 端 CPU 則執(zhí) 行內部程序存儲器的指令 FLASH 存儲器編程時 該引腳加上 12V 的編程允許 電源 Vpp 當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp XTAL1 振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端 XTAL2 振蕩器反相放大器的輸出端 下圖為 AT89S51 引腳圖 圖 3 2 AT89S51 引腳圖 3 2 2 時鐘電路和復位 電路 時鐘可以有內部方式產生或外部方式產生 此電路用內部方式產生 在 XTAL1 和 XTAL2 引腳上外接定時元件 內部振蕩電路就會產生自激振蕩 定時 元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯諧振回路 晶體的頻率為 12MHz 電 容值為 30pF 電容大小可以對頻率起微調作用 第三章 硬件設計 14 在 RESET 輸入端出現高電平時實現復位和初始化 所以我們采用開關復位 電路 電容采用 30pF 的 電阻采用 10K 的 Proteus 模擬效果圖如下 圖 3 4 時鐘電路和復位電路 3 2 3 按鍵電路 按鍵通過改變單片機引腳高低電平而發(fā)揮它改變頻率和波形的作用 在具 體電路中 高電平需要經過一個 10K 電阻接 5V 電源 此時開關為斷開狀態(tài) 低 電平狀態(tài)需要開關閉合從而接地 輸出電壓的調節(jié)是通過 兩鍵操作 步進電壓精確到 0 1V 控制可逆計數器分別作加 減計數 可逆計數器的二進 制數字輸出分兩路運行 一路用于驅動數字顯示電路 精確顯示當前輸出電壓 第三章 硬件設計 15 值 另一路進入數模轉換電路 D A 轉換電路 數模轉換電路將數字量按比 例 轉換成模擬電壓 然后經過射極跟隨器控制 調整輸出級 輸出穩(wěn)定直流電 壓 開關 加 是電壓 增大的 連接單片機的 P3 0 口即 10 引腳 開關 減 是電壓 減小的 連接單片機的 P3 1 口即 11 引腳 Proteus 模擬效果圖如下 圖 3 3 按鍵電路 3 3 數模轉換電路 3 3 1 DAC0832 芯片 DAC0832 引腳功能電路應用原理圖 DAC0832 是采樣頻率為八位的 D A 轉換 芯片 集成電路內有兩級輸入寄存器 使 DAC0832 芯片具備雙緩沖 單緩沖和 直通三種輸入方式 以便適于各種電路的需要 如要求多路 D A 異步輸入 同步 轉換等 若需要相應的模擬電壓信號 可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大 器實現 運放的反饋電阻可通過 RFB 端引用片內固有電阻 也可外接 DAC0832 邏輯輸入滿足 TTL 電平 可直接與 TTL 電路或微機電路連接 數模轉換電路采用的是 DAC0832 芯片 D0 D7 8 位數據輸入線 TTL 電平 有效時間應大于 90ns 否則鎖存器的 數據會出錯 第三章 硬件設計 16 ILE 數據鎖存允許控制信號輸入線 高電平有效 CS 片選信號輸入線 選通數據鎖存器 低電平有效 WR1 數據鎖存器寫選通輸入線 負脈沖 脈寬應大于 500ns 有效 由 ILE CS WR1 的邏輯組合產生 LE1 當 LE1 為高電平時 數據鎖存器狀態(tài)隨輸 入數據線變換 LE1 的負跳變時將輸入數據鎖存 XFER 數據傳輸控制信號輸入線 低電平有效 負脈沖 脈寬應大于 500ns 有效 WR2 DAC 寄存器選通輸入線 負脈沖 脈寬應大于 500ns 有效 由 WR2 XFER 的邏輯組合產生 LE2 當 LE2 為高電平時 DAC 寄存器的輸出隨寄存 器的輸入而變化 LE2 的負跳變時將數據鎖存器的內容打入 DAC 寄存器并開始 D A 轉換 IOUT1 電流輸出端 1 其值隨 DAC 寄存器的內容線性變化 IOUT2 電流輸出端 2 其值與 IOUT1 值之和為一常數 Rfb 反饋信號輸入線 改變 Rfb 端外接電阻值可調整轉換滿量程精度 Vcc 電源輸入端 Vcc 的范圍為 5V 15V VREF 基準電壓輸入線 VREF 的范圍為 10V 10V AGND 模擬信號地 DGND 數字信號地 DAC0832 有如下 3 種工作方式 緩沖方式 單緩沖方式是控制輸入寄存器和 DAC 寄存器同時接收資料 或 者只用輸入寄存器而把 DAC 寄存器接成直通方式 此方式適用只有一路模擬量 輸出或幾路模擬量異步輸出的情形 雙緩沖方式 雙緩沖方式是先使輸入寄存器接收資料 再控制輸入寄存器 的輸出資料到 DAC 寄存器 即分兩次鎖存輸入資料 此方式適用于多個 D A 轉 換同步輸出的情節(jié) 直通方式 直通方式是資料不經兩級鎖存器鎖存 即 CS XFER WR1 WR2 均接地 ILE 接高電平 此方式適用于連續(xù)反饋控制線路和不帶微機的控 制系統 不過在使用時 必須通過另加 I O 接口與 CPU 連接 以匹配 CPU 與 第三章 硬件設計 17 D A 轉換 本次設計采用直通方式 下圖為 DAC0832 引腳圖 圖 3 5 DAC0832 引腳圖 DAC0832 邏輯輸入滿足 TTL 電平 可直接與 TTL 電路或微機電路連接 DAC0832 引腳功能說明 DI0 DI7 數據輸入線 TLL 電平 數字信號輸入端 ILE 數據鎖存允許控制信號輸入線 高電平有效 CS 片選信號輸入線 低電平有效 WR1 為輸入寄存器的寫選通信號 寫信號 1 低電平有效 XFER 數據傳送控制信號輸入線 低電平有效 ILE 允許鎖存信號 WR2 為 DAC 寄存器寫選通輸入線 寫信號 2 低電平有效 第三章 硬件設計 18 Iout1 電流輸出線 當輸入全為 1 時 Iout1 最大 Iout2 電流輸出線 其值與 Iout1 之和為一常數 Rfb 反饋信號輸入線 芯片內部有反饋電阻 Vcc 電源輸入線 5v 12v Vref 基準電壓輸入線 10v 10v AGND 模擬地 摸擬信號和基準電源的參考地 DGND 數字地 兩種地線在基準電源處共地比較好 采用 ADC0809 實現 A D 轉換 3 3 2 四運放放大器LM324 LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器 與單電源 應用場合的標準運算放大器相比 它們有一些顯著優(yōu)點 該四放大器可以工作 在低到 3 0 伏或者高到 32 伏的電源下 靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分 之一 共模輸入范圍包括負電源 因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置 元件的必要性 每一組運算放大器可用圖 1 所示的符號來表示 它有 5 個引出 腳 其中 為兩個信號輸入端 V V 為正 負電源端 Vo 為輸出端 兩個信號輸入端中 Vi 為反相輸入端 表示運放輸出 端 Vo 的信號與該輸入端的位相反 Vi 為同相輸入端 表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同 本設計共用其中三個運算放大器 兩個運算放大器用于雙極性輸出 一個 運算放大器用于調幅電路 LM324 的引腳排列如下 第三章 硬件設計 19 圖 3 6 LM324 管腳圖 3 3 3 數模轉換電路 DAC0832 與第一級集成運放組成數模轉換電路 當 DAC0832 和第一級運算放大器組成單極性輸出電路 單極性模擬輸出 電壓為 3 1 REF n V D V 2 1 3 1 中 為基準電壓 由 3 1 式 0 01 2 2 1 1 2222DDDDD n n n n REF V 看出 如果為正 則為負 為負 則為正 單極性的模擬輸出 REF V 1 V REF V 1 V 1 V 量 Proteus 模擬效果圖如下 圖 3 7 數模轉換電路 3 4 數字顯示電路 如圖所示 74HC573 鎖存器是驅動共陽數碼管的譯碼驅動器 運行仿真 撥動開關 數碼管的顯示結果會隨之變化 電阻在實際應用電路中是一個較為有 用的器件 如果沒有這只電阻 數碼管極易受損壞 按動按鍵就能觀察顯示值 的變化并記錄 Proteus 模擬效果圖如下 第三章 硬件設計 20 圖 3 8 數碼管顯示電路圖 3 5 放大與功率輸出模塊的設計 此放大電路放大倍數為 2 倍 輸出是很穩(wěn)定的 不會因為溫度升高而導致 輸出電壓 Vo 對輸入電壓產生變化的 跟后面的達林頓管相連使得輸出電壓誤差 更小 Proteus 模擬效果圖如下 第三章 硬件設計 21 圖 3 9 放大與功率輸出模塊圖 3 6 直流穩(wěn)壓電源電路 本設計采用 5V 12v 直流穩(wěn)壓電源為單片機 數模轉換器以及集成運放 供電 經變壓器降壓后 通過四只 IN4007 整流二極管整流后 再經過 100uf 的 C6 濾波電容濾波后 由 LM7805 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的 5V C6 C7 為 100uf 10uf 電容起到穩(wěn)定的作用 三端穩(wěn)壓器的 3 端口輸出的為 5V 電壓 同 理 由 LM7805 輸出穩(wěn)定的 12v 電壓 Proteus 模擬效果圖如下 第三章 硬件設計 22 圖 3 10 直流穩(wěn)壓電源電路圖 第四章 軟件設計 16 第四章 軟件設計 4 1 程序流程圖 本文中子程序的調用是通過按鍵選擇來實現 在取得按鍵相應的高低電平 后 啟動定時器和相應的中斷服務程序 在直接查詢程序中預先設置數據值 通過轉換出相應的電壓 從而形成所需各種波形 主程序流程圖如下 開始 系統初始化 讀取電壓 鍵盤掃描 是否 KEY2 按 下 是否 KEY3 按 下 調用顯示處理子程序 調用顯示處理子程序 Y Y N 電壓顯示 0 1v 電壓顯示 0 1vN 允許定時器中斷顯示 把電壓數據送到 D A 是否 KEY2 按 下 Y 復位程序 N 圖 4 1 主程序流程圖 第四章 軟件設計 17 4 2 源程序 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int define DataPort P2 sbit LCM RS P1 5 sbit LCM RW P1 6 sbit LCM EN P1 7 sbit K1 P3 4 sbit K2 P3 2 sbit K3 P3 0 sfr P1ASF 0 x9D sfr ADC CONTR 0 xbc sfr ADC RES 0 xbd sfr ADC RESL 0 xbe void GET AD Result void AD init extern void WriteCommandLCM uchar CMD uchar Attribc extern void InitLcd extern void DisplayoneChar unsigned char X unsigned char Y unsigned char DData extern void DisplayListChar uchar X uchar Y uchar code DData unsigned char code dispcode 0 x30 0 x31 0 x32 0 x33 0 x34 0 x35 0 x36 0 x37 0 x38 0 x39 unsigned char dispbuf 8 0 0 16 0 0 16 0 0 uchar AD value key Vd 60 unsigned char i j temp8 temp9 temp10 temp11 float tt 0 0 uchar tt1 0 tt2 0 tt3 0 m 0 uchar code str0 by 20111018 uchar code str1 beyond void delay5ms unsigned int i 5552 第四章 軟件設計 18 while i void delay400ms unsigned char jj 5 unsigned int jjj while jj jjj 7269 while jjj void delay unsigned int k unsigned int i j for i 0 i k i for j 0 j 121 j AD convert void AD init void AD init uchar AD port sel ADC 初始化 ADC CONTR 0 x80 開 ADC 電源 P1ASF 0 x01 設置 P1 0 高阻輸入方式 ADC CONTR 0 x08 啟動 AD 轉換 START 1 void GET AD Result 啟動 AD 轉換并返回轉換值 uchar temp temp 0 x10 判轉換結束標志 ADC FLAG temp if temp AD value ADC RES 讀取 AD 數據 ADC CONTR 清轉換結束標志 ADC FLAG else ADC RES 0 清轉換數據高 8 位 ADC RESL 0 清轉換數據低 2 位 第四章 軟件設計 19 ADC CONTR 0 xe8 啟動 AD 轉換 ADC START LCD display void WaitForEnable void DataPort 0 xff LCM RS 0 LCM RW 1 nop LCM EN 1 nop nop while DataPort LCM EN 0 void WriteCommandLCM uchar CMD uchar Attribc if Attribc WaitForEnable LCM RS 0 LCM RW 0 nop DataPort CMD nop LCM EN 1 nop nop LCM EN 0 void WriteDataLCM uchar dataW WaitForEnable LCM RS 1 LCM RW 0 nop DataPort dataW nop LCM EN 1 nop nop LCM EN 0 void InitLcd 第四章 軟件設計 20 P2 0 WriteCommandLCM 0 x38 0 delay5ms WriteCommandLCM 0 x08 0 delay5ms WriteCommandLCM 0 x08 0 delay5ms WriteCommandLCM 0 x38 1 WriteCommandLCM 0 x08 1 WriteCommandLCM 0 x01 1 WriteCommandLCM 0 x06 1 WriteCommandLCM 0 x0C 1 void DisplayoneChar unsigned char X unsigned char Y unsigned char DData Y X if Y X 0 x40 X 0 x80 WriteCommandLCM X 0 WriteDataLCM DData void DisplayListChar uchar X uchar Y uchar code DData uchar ListLength 0 Y X while X 186 P0 Vd while K1 0 elseif K2 0 delay5ms if K2 0 Vd Vd 1 if Vd 0 Vd 60 P0 Vd while K2 0 elseif K3 0 delay5ms if K3 0 Vd 60 if Vd 0 Vd 60 P0 Vd while K3 0 第四章 軟件設計 22 void main void InitLcd while 1 key1 P0 Vd tt Vd 12 0 120 0 m Vd 12 120 tt1 m 10 tt2 m 10 dispbuf 8 tt1 dispbuf 10 tt2 tt3 tt m 10 dispbuf 11 tt3 10 temp8 dispcode dispbuf 8 temp10 dispcode dispbuf 10 temp11 dispcode dispbuf 11 DisplayListChar 0 0 str0 delay5ms DisplayoneChar 0 1 0 x55 delay5ms DisplayoneChar 1 1 0 x3d delay5ms DisplayoneChar 2 1 temp8 delay5ms DisplayoneChar 3 1 temp10 delay5ms DisplayoneChar 4 1 0 x2e delay5ms DisplayoneChar 5 1 temp11 delay5ms delay 5000 delay5ms delay400ms 第五章 系統仿真及調試 23 第五章 系統仿真及調試 5 1 系統仿真 圖 5 1 仿真總圖 第五章 系統仿真及調試 24 將 proteus 仿真軟件安裝完成 打開軟件后 新建文件并保存 在元件列 表中 單擊要放置的元件 再在編輯窗口中單擊就放置了一個元件 也可以在 按下左鍵的同時 移動鼠標 再適合的位置釋放 如果需要修改元件的名稱 參數和符號 只需雙擊元件對對應項目進行修改就可以了 如果需要調整方向 只需右鍵選擇旋轉的角度即可 如果需要刪除元件 只需選中后點鍵盤上的 Delete 鍵刪除 根據上面的方法 在元件庫中把所需的元件都找出來按照仿真 總圖連接起來 由于原理圖中的單片機僅是硬件 需要相應的軟件配合才能完 成相應的功能 所以需要雙擊單片機瀏覽到編譯好的 HEX 文件 將其調入 然 后點擊 OK 即可 最后 點擊 proteus 編輯器界面左下角的運行鍵即可 如 果想在 proteus 中調試軟件 只需點擊 Debug 中對應的器件名稱即可 我需要 觀察波形 只需點擊 Debug 中的 Digital Oscilloscope 觀察波形 調節(jié)按鍵 改變波形和頻率 5 2 仿真電壓顯示 1 通過按動 KEY2 KEY3 兩開關 來改變輸入電流的大小 從而改變 數碼管顯示數值 如圖 圖 5 2 仿真運行開始畫面 2 只有 KEY2 開關閉合時 數碼管示數是一直變動的 如圖 第五章 系統仿真及調試 25 圖 5 3 兩開關仿真狀態(tài) 只有 KEY2 閉合 數碼管示數是一直以 0 1v 的步進遞增連續(xù)跳動的 范圍 在 0 9 9v 之間循環(huán) 圖 5 4 仿真運行開始畫面 只有 KEY3 閉合 數碼管示數是一直以 0 1v 的步進遞減連續(xù)跳動的 范圍 在 9 9 0v 之間循環(huán) 圖 5 5 仿真運行畫面 第五章 系統仿真及調試 26 5 3 系統調試 首先 用萬用表檢查所有元器件的好壞和參數值是否滿足要求 根據電路 圖先將元器件擺在萬用板上 預覽一下布線情況 檢查完畢后進行焊接 焊接 時 要保證焊點的飽滿且不要虛焊 保持板子清潔 同時也要注意安全 避免 燙傷 焊接完成后 仔細檢查是否有短路的地方和斷路的地方 確保每個引 腳的焊點牢固 電源和地連接正確 將以調試成功的數控直流穩(wěn)壓電源程序通 過 ISPF 載線下載到硬件電路板上的單片機中 然后 將穩(wěn)壓電源調到適合的電壓為單片機和 LM324 供電 按動按鍵開關 觀察數碼管顯示的數值并記下電壓填入表 5 6 最后 觀察記下數據 關閉電源收拾實驗臺 5 4 調試結果 測量次數理想電壓實際電壓 13 5V3 6V 25 5V5 4V 37 5V7 5V 48 5V8 6V 59 8V9 7V 表 5 6 測試表格 總結 30 總結 直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設備 它能保證在電網電壓波動或負載發(fā)生變 化時 輸出穩(wěn)定的電壓 一個低紋波 高精度的穩(wěn)壓源在儀器儀表 工業(yè)控制 及測量領域中有著重要的實際應用價值 本設計給出的穩(wěn)壓電源的輸出電壓范 圍為 0 9 9 V 額定工作電流為 100mA 并具有 步進電壓調節(jié)功能 其最小步進為 0 1 V 紋波不大于 10 mV 此外 還可用 LED 數碼顯示管顯示其 輸出電壓值 本電源由自制穩(wěn)壓電源 由模擬電源 顯示電路 控制電路 數模轉換電路 放大電路五部分組成 按鍵控制電路控制所需輸出電壓 01v 步進的設計使得電壓的輸出可以精確控制 通過 51 單片機 AT89S52 輸出所需電 壓的二進制數據 數模轉換器 DAC0832 將數字信號轉換為模擬信號 LED 數碼 管直觀的顯示輸出電壓 運放放大電路將信號成倍放大的 使得精度更加貼合 實際 直流穩(wěn)壓電路可以穩(wěn)定的輸出整個電路板所需電壓 使其精確性 實用 性更強 Proteus 模擬成功后 根據電路圖在萬能板上排版 對所有電子元件 進行檢查 看是否損壞 檢查完畢后進行焊接 焊接后在電路板調試前先進行直 觀檢查 再用萬用表進行短路斷路檢查 都沒有錯誤后進行通電調試 直到電路 可以穩(wěn)定正常工作 數控直流穩(wěn)壓電源與傳統的穩(wěn)壓電源相比 具有操作方便 電壓穩(wěn)定度高 的特點 其輸出電壓大小采用 LED 數碼管數字顯示 顯示直觀方便 主要用于 要求電源精度比較高的設備 或科研實驗電源使用 并且此設計 沒有用到單 片機 只用到了數字技術中的可逆計數器 采用 4 位 A D 轉換模塊完成電壓的 測量 并用 LED 數碼管顯示 則提高了測量的準確性和直觀顯示能力等優(yōu)點 這次課程設計中 真正了解到設計一個電路器件的困難 原因有很多 譬 如之前學習數電模電時 沒有牢固的掌握好知識點 更主要的是平時動手機會 少 難以將理論知識與實際結合 所以 設計期間我學會了將回顧之前的知識 學會參考和查閱其他資料 參考文獻 31 參考文獻 1 皮大能 單片機課程設計指導書 北京 北京理工大學出版社 2010 2 楊居義 單片機課程設計指導 北京 清華大學出版社 2009 3 華成英 模擬電子技術基礎 第四版 北京 高等教育出版社 2006 4 陳永真 全國大學生電子設計競賽硬件電路設計精解 北京 電子工業(yè)出版社 2009 5 康萬新 畢業(yè)設計指導及案例剖析 北京 清華大學出版社 2007 6 李朝青 單片機原理及接口技術 北京 北京航空航天大學出版社 1999 7 嚴天峰 單片機應用系統設計與仿真調試 北京 北京航空航天大學出版社 2005 8 林志琦 基于PROTEUS的單片機可視化軟硬件仿真 北京 北京航空航天大學出版社 2006 9 潘永雄 新編單片機原理與應用 M 西安 西安電子科技大學出版社 2003 10 陳海宴 51單片機原理及應用 M 北京航空航天大學出版社 2010 10 34 11 Vizimuller P RF design guide systems circuits and equations ArtechHouse Boston MA 1995 6 R Dye Visual Object Orientated Programming Dr Dobbs MacintoshJournal Sept 1st 1991 12 Yang Y Yi J Woo Y Y and Kim B Optimum design for linearityand efficiency of microwave Doherty amplifier using a new loadmatching technique Microw J 2001 44 12 pp 20 36 致謝 32 致謝 在本次設計的研究和設計過程中 我得到了老師和同學的熱情幫助 在此 對他們表示衷心的感謝 首先 要對我的指導老師王立剛老師表示衷心的感謝 從方案的選取 審 題 查找資料 到系統軟硬件的各部分設計工作 到最后論文的書寫和完成 老師在我的整個畢業(yè)設計工作中給了我很大的幫助和支持 老師的諄諄教導 使我受益匪淺 其次 要對大學四年以來所有給我授課的老師們表示感謝 是他們教會了 我大學應該掌握的知識和技能 給我打下了堅實的理論基礎 只有運用四年學 習的基礎知識和經驗積累 才能使我能夠順利的完成本次是畢業(yè)設計工作 最后 要感謝我們班的眾多同學 本次設計能夠圓滿完成 和各位同學的 幫助是息息相關的 在本次設計中 我遇到很多困難 在需要幫助的時候 各 位同學給了我無私的幫助 助我度過了一個又一個的難題 附錄 33 附錄一 整機原理電路圖 附錄 34 附錄二 元器件清單 元器件位置號元器件名稱型號數量 U1 U2 U3 U4 U5 C1 C2 C3 C4 X1 KEY1 KEY3 R1 R2 R7 R8 R9 Q1 Q4 Q5 Q6 單片機 鎖存器 數模轉換器 集成運放 集成運放 電容 電容 電容 晶振 開關 電阻 電阻 電阻 三極管 三極管 三極管 四顯示數碼管 萬能板 導線 AT89S51芯片 74HC573芯片 DAC0832芯片 LM324芯片 LM324芯片 15pF 10pf 100pf 30pf 12MHz 10K 4 7K 10K PNP NPN PNP LED 1 1 1 1 1 2 1 1 1 3 1 6 2 4 1 1 1 若干 內部資料 僅供參考 9JWKffwvG tYM Jg 6a CZ7H dq8KqqfHVZFedswSyXTy QA9wkxFyeQ djs XuyUP2kNXpRWXmA UE9aQ Gn8xp R 849Gx Gjqv UE9wEwZ Qc UE qYp Eh5pDx2zVkum gTXRm6X4NGpP vSTT ksv 3tnGK8 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