數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

1、 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)摘要 本文介紹了以8051單片機(jī)為控制單元，以數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832輸出參考電壓，以該參考電壓控制電壓轉(zhuǎn)換模塊LM317的輸出電壓大小。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，精度較高等特點(diǎn)。LM317系列三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的方法。 關(guān)鍵詞 單片機(jī)（AT89C51），數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A），液晶，鍵盤一、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)出有一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。二、設(shè)計(jì)要求1.基本部分（1）輸出電壓：范圍015V，步進(jìn)0.1V，紋波不大于40mV；（2）輸入電壓值由液晶顯示；（3）自制鍵盤，可以由鍵盤輸入電壓值 ；（4） 輸出電壓值在輸出端用萬(wàn)用表測(cè)得。 2發(fā)揮部分 （1）輸出電壓可預(yù)置在0

2、15V之間的任意一個(gè)值； （2）用自動(dòng)掃描代替人工按鍵，實(shí)現(xiàn)輸出電壓變化（步進(jìn)0.1V不變）； （3）擴(kuò)展輸出電壓種類（比如三角波等）。 圖1設(shè)計(jì)示意圖目錄引言11、設(shè)計(jì)原理與總體方案 22、硬件電路設(shè)計(jì) 3 2.1 DAC電路 3 2.2 AGC控制電路 4 2.3 鍵盤部分6 2.4 顯示部分 7 2.5 穩(wěn)壓輸出 8 3、軟件設(shè)計(jì)流程 94、總體設(shè)計(jì)電路 105、調(diào)試過(guò)程與結(jié)果分析 11 5.1調(diào)試過(guò)程 11 5.2結(jié)果分析 11總結(jié) 13參考文獻(xiàn) 14附錄1 元件清單 14附錄2 參考源程序 15 引言 電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。在電子電路中

3、，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源來(lái)供電。而整個(gè)穩(wěn)壓過(guò)程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。然而這種傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源功能簡(jiǎn)單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復(fù)雜度高。普通的直流穩(wěn)壓電源品種有很多, 但均存在以下二個(gè)問(wèn)題: 輸出電壓是通過(guò)粗(波段開關(guān)) 及細(xì)調(diào)(電位器)來(lái)調(diào)節(jié)。這樣, 當(dāng)輸出電壓需要精確輸出, 或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí),困難就較大。另外, 隨著使用時(shí)間的增加, 波段開關(guān)及電位器難免接觸不良, 對(duì)輸出會(huì)有影響。穩(wěn)壓方式均是采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路, 對(duì)過(guò)載進(jìn)行限流或截流型保護(hù), 電路構(gòu)成復(fù)雜,穩(wěn)壓精度也不高。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)

4、節(jié)，并由電壓表指示電壓值的大小。因此，電壓的調(diào)整精度不高，讀數(shù)欠直觀，電位器也易磨損。 而基于單片機(jī)控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。利用數(shù)控直流電源，可以達(dá)到每步0.04 V的精度，輸出電壓范圍0-15V。1、設(shè)計(jì)原理與總體方案鑒于目前數(shù)控直流源一般采取運(yùn)放構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)方案大多為開環(huán)系統(tǒng)，主控制器僅用于數(shù)字給定及顯示，沒(méi)有對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)和控制。本文在傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理，引入電流負(fù)反饋，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運(yùn)算放大器的反向輸入端，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋，形成恒流輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)；軟件方面，將具

5、有全局尋優(yōu)能力但收斂速度慢的遺傳算法和具有收斂速度快且局部尋優(yōu)能力強(qiáng)的直接搜索法結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)基于遺傳算法和直接搜索策略的混合優(yōu)化算法，充分利用了遺傳算法的全局搜索能力并以此作為優(yōu)化過(guò)程的“粗調(diào)”，同時(shí)利用直接搜索法良好的局部搜索能力作為優(yōu)化過(guò)程的“微調(diào)”，集中了兩者的優(yōu)點(diǎn)，而克服了兩者的弱點(diǎn)，得到的目標(biāo)函數(shù)值較遺傳退火策略更優(yōu)，而且一致性更好，用于PID參數(shù)整定是具有整定速度快，調(diào)節(jié)時(shí)間短，穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合PID算法，形成軟件閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制。系統(tǒng)工作原理如下：由鍵盤預(yù)置電壓值，輸入到單片機(jī)；采樣電阻采集的電壓信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，當(dāng)兩值之差絕對(duì)值為零或不大

6、于設(shè)定值時(shí)，不作任何調(diào)整；當(dāng)兩值之差大于設(shè)定值時(shí)，運(yùn)用PID算法進(jìn)行調(diào)整，送人DA轉(zhuǎn)換，調(diào)整輸出電壓，直到差值在允許的范圍內(nèi)。單片機(jī)控制液晶顯示電流的設(shè)定值、實(shí)際輸出值和電壓步進(jìn)值。2、硬件電路設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)圖：AT89C51矩陣鍵盤液晶顯示DA轉(zhuǎn)換AGC控制穩(wěn)壓輸出圖2 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)圖2.1 DAC電路 一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個(gè)輸入端（其中每個(gè)輸入端是8位二進(jìn)制數(shù)的一位），有一個(gè)模擬輸出端。輸入可有28=256個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出為256個(gè)電壓之一，即輸出電壓不是整個(gè)電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個(gè)可能值。下圖是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。 圖3 DAC0832的邏輯框圖和引腳排

7、列D0D7：數(shù)字信號(hào)輸入端。ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。CS：片選信號(hào)，低電平有效。XFER：傳送控制信號(hào)，低電平有效。WR1：寫信號(hào)1，低電平有效。WR2：寫信號(hào)2，低電平有效。IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。Rfb：是集成在片內(nèi)的外接運(yùn)放的反饋電阻。 Vref：基準(zhǔn)電壓（-1010V）。Vcc：是源電壓（+5+15V）。DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過(guò)一個(gè)外接的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。AGND：模擬地 NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。2.2 AGC控制電路自動(dòng)增益控制(AGC)電路原理及作用 自動(dòng)增益控制電路的作用是：當(dāng)輸入信號(hào)電壓

8、變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓恒定或基本不變。具體地說(shuō)，當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí)，接收機(jī)的增益大，自動(dòng)增益控制電路不起作用；當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行控制，使接收機(jī)的增益減小。這樣，當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí)，接收機(jī)的輸出端的電壓或功率基本不變或保持恒定。因此對(duì)AGC電路的要求是：在輸入信號(hào)較小時(shí)，AGC電路不起作用，只有當(dāng)輸入信號(hào)增大到一定程度后，AGC電路才起控制作用，使增益隨輸入信號(hào)的增大而減少。   為實(shí)現(xiàn)上述要求，必須有一個(gè)能隨外來(lái)信號(hào)強(qiáng)弱而變化的控制電壓或電流信號(hào)，利用這個(gè)信號(hào)對(duì)放大器的增益自動(dòng)進(jìn)行控制。由上述分析可知，調(diào)幅中頻信號(hào)經(jīng)幅度檢波后，在它的輸出中除音頻

9、信號(hào)外，還含有直流分量。直流分量大小與中頻載波的振幅成正比，也即與外來(lái)高頻信號(hào)成正比。因此，可將檢波器輸出的直流分量作為AGC控制信號(hào)。AGC電路工作原理：可以分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路。增益受控放大電路位于正向放大通路，其增益隨控制電壓U0而改變。控制電壓形成電路的基本部件是AGC整流器和低通平滑濾波器，有時(shí)也包含門電路和直流放大器等部件。運(yùn)算放大器UA741（或F007）： 圖4運(yùn)算放大器UA741 它是八腳雙列直插式組件，腳和腳為反相和同相輸入端，腳為輸出端，腳和腳為正、負(fù)電源端，腳和腳為失調(diào)調(diào)零端，腳之間可接入一只幾十K的電位器并將滑動(dòng)觸頭接到負(fù)電源端。 腳為空腳如果一個(gè)運(yùn)

10、放如不能調(diào)零，大致有如下原因： 組件正常，接線有錯(cuò)誤。 組件正常，但負(fù)反饋不夠強(qiáng)（RFR1 太大），為此可將RF短路，觀察是否能調(diào)零。 組件正常，但由于它所允許的共模輸入電壓太低，可能出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，因而不能調(diào)零。為此可將電源斷開后，再重新接通，如能恢復(fù)正常，則屬于這種情況。組件正常，但電路有自激現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行消振。組件內(nèi)部損壞，應(yīng)更換好的集成塊。2.3 鍵盤部分矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)與工作原理： 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖1所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口(如P1口)就可以構(gòu)成4*4

11、=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵(9鍵)。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤是合理的。 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，下圖中，列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸出端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 圖5矩陣式鍵盤的接線圖2.4 顯示部分 表1液晶1602

12、A各個(gè)管腳的介紹：編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極2.5 穩(wěn)壓輸出LM317工作原理： LM317的輸入最高電壓為30多伏，輸出電壓1.5-32V電流1.5A，不過(guò)在用的時(shí)候要注意功耗問(wèn)題，注意散熱問(wèn)題。LM317有三個(gè)引腳.一個(gè)輸入一個(gè)輸出一個(gè)電壓調(diào)節(jié)。輸入引腳輸入正電壓,輸出引腳接負(fù)載, 電壓調(diào)節(jié)引腳一個(gè)引腳接電阻(200左右)在輸出引腳,另一個(gè)接可調(diào)電阻(幾K)接

13、于地.輸入和輸出引腳對(duì)地要接濾波電容.3、 軟件設(shè)計(jì)流程開始穩(wěn)壓輸出有鍵按下無(wú)鍵按下液晶顯示啟動(dòng)DA轉(zhuǎn)換數(shù)值變換鍵盤掃描初始化 圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖注：在穩(wěn)壓輸出端用萬(wàn)用表的電壓檔測(cè)輸出電壓，將會(huì)基本等于從鍵盤的輸入電壓4、總體設(shè)計(jì)電路電路圖如下圖所示: 圖7 總電路設(shè)計(jì)圖5、調(diào)試過(guò)程與結(jié)果分析 5.1調(diào)試過(guò)程 1、單片機(jī)沒(méi)有工作：AT89C51芯片有問(wèn)題。 2、液晶未顯示：液晶的三管腳電壓未調(diào)合適，即顯示字符的灰度未調(diào)合適。 5.2結(jié)果分析 表2測(cè)得的數(shù)據(jù)和從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)：穩(wěn)壓輸出端所測(cè)電壓（V）從鍵盤輸入的電壓（V）002.913.04.875.06.737.00.560.69.6510

14、.0 數(shù)據(jù)分析: 從上面表中的數(shù)據(jù)來(lái)看，輸入數(shù)據(jù)越大，誤差越大；輸入數(shù)據(jù)越小，誤差越小。 誤差分析： 1.由于所用電源為四個(gè)：+12V、-12V、+5V、-5V，電源不夠穩(wěn)定 2.電路中元器件的影響 3.LM317輸出電壓不夠穩(wěn)定4.外界對(duì)輸出電壓的干擾，導(dǎo)致輸出有誤差5.運(yùn)放未調(diào)零總結(jié)本設(shè)計(jì)成品經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，基本上滿足了設(shè)計(jì)要求所需的各項(xiàng)指標(biāo)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求硬件線路簡(jiǎn)單，明了，整體美觀，充分發(fā)揮軟件變成方便靈活的特點(diǎn)，來(lái)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。但是因?yàn)闀r(shí)間有限，該系統(tǒng)還有許多不足之處需要改進(jìn)，比如電壓精度問(wèn)題等等。在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們也遇到了許多突發(fā)事件和各種困難，（如電源干擾，放大器

15、調(diào)零等）設(shè)計(jì)制作曾一度中斷，但通過(guò)仔細(xì)分析和自我狀態(tài)調(diào)整后解決了問(wèn)題。 在此次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別要感謝課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師梁老師！感謝您在這段日子了對(duì)我親切的關(guān)懷和悉心的指導(dǎo)。由于本人自身知識(shí)有限，所以從課題的選擇到論文最終定稿這個(gè)過(guò)程中遇到了不少困難。在老師的耐心指導(dǎo)與督促之下，本論文經(jīng)過(guò)多番修改終于順利地完成。這個(gè)過(guò)程由始至終都離不開老師的辛勤。借此機(jī)會(huì)，我也感謝大學(xué)四年期間所有指導(dǎo)過(guò)我的老師，感謝他們對(duì)我無(wú)私的教誨和幫助，感謝他們的諄諄教導(dǎo)。參考文獻(xiàn)1National Semiconductor Corporation Linear Databook 1（1987 Rev.1）第1-頁(yè)2實(shí)

16、用穩(wěn)定電源 150 例張國(guó)峰、張維編，人民郵電出版 3標(biāo)準(zhǔn)集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)集成穩(wěn)壓器 第 59 頁(yè)4EDA技術(shù)使用教程 潘松，黃繼業(yè) 科學(xué)出版社， 5全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽訓(xùn)練教程 黃智偉 電子工業(yè)出版社6數(shù)字電路技術(shù) 浙江大學(xué)出版社7單片機(jī)中級(jí)教程 張俊膜 北京航空航天大學(xué)出版社8電子器材大全 電子工業(yè)出版社9電子線路設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊(cè) 張友漢 科學(xué)出版社 附錄1（元件清單）表3元器件清單：器件名稱型號(hào)數(shù)量電阻1K(4) 10K(1) 240(2)8電容10UF(2) 30PF(2) 104(1)5二極管IN40072按鍵1排阻10K1矩陣鍵盤4×41滑動(dòng)變阻器10K(2) 50K(1)

17、3晶振12M1運(yùn)算放大器UA7412數(shù)模轉(zhuǎn)換器DDAC08321穩(wěn)壓器LM3172液晶1602A1單片機(jī)AT89C511附錄2（參考源程序，C語(yǔ)言）#include<reg51.h>#include<math.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/sbit st=P20;/sbit eoc=P21;/sbit le=P22;sbit rs=P24;sbit rw=P25;sbit ea=P26;uchar num,i,key,j=0;float a2;uchar keyscan(void);ucha

18、r code table6="Please"uchar code table116=" enter letter."uchar code table216="0123456789abcde."float table36;uchar code table48="volt(v):"uchar code table56="error!"uchar table66;void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);

19、void write_com(uchar com) rs=0; rw=0; P0=com; delay(5); ea=1; delay(5); ea=0;void write_date(uchar date) rs=1; rw=0; P0=date; delay(5); ea=1; delay(5); ea=0;void disvol()write_com(0x80+0x40); /寫電壓for(num=0;num<8;num+) write_date(table4num); delay(10); void init() delay(5); write_com(0x38); write_

20、com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80); for(num=0;num<6;num+) write_date(tablenum); delay(20); write_com(0x80+0x40); for(num=0;num<0x10;num+) write_date(table1num); delay(20); void diserr() write_com(0x80+0x40); for(num=0;num<6;num+) write_date(table5num);delay(20); de

21、lay(2000); void he_zhi() uint a1,a3,c11,c12; float b1,b2,b3,b4,c1,c2,h; if(table30!='.') /整數(shù)加點(diǎn) if(!table31) if(j=1) table31='.' if(!table32) if(j=2)table32='.' if(table31='.') b1=table30; b2=table32/10; b3=table33/100; h=b1+b2+b3; a2=h*256/10; a3=a2; a1=a3+1; c1=a2-a3

22、; c2=a1-a2; c11=1000*c1; c12=1000*c2; if(c11>c12) P1=a1; else P1=a3; /光標(biāo)顯示位 if(j=1) write_com(0x80+0x49); if(j=3) write_com(0x80+0x4b); if(j=4) write_com(0x80+0x4c); else if(table32='.') b1=table30*10; b2=table31; b3=table33/10; b4=table34/100; h=b1+b2+b3+b4; if(h<=10) a2=h*256/10; a3=

23、a2; a1=a3+1; c1=a2-a3; c2=a1-a2; c11=1000*c1; c12=1000*c2; if(c11>c12) P1=a1; else /c11<=c12 if(a3=256) / P1=255; else / P1=a3; if(j=2) write_com(0x80+0x4a); else write_com(0x01);diserr(); elsewrite_com(0x01);diserr();if(table30='.') write_com(0x01); diserr();void qingchu(uchar p)uchar

24、 z;for(z=0;z<=5;z+)table3z=p; /*void adc() char cha; uchar getdata;st=0;delay(2);st=1;delay(2);st=0;delay(5); if(eoc=1) getdata=P1; delay(5); cha=getdata-a2; P1=a2-cha; le=0; le=1; */ void main() init(); delay(4500); write_com(0x01); write_com(0x80+0x40); write_com(0x0f); disvol(); i=0x80+0x48; w

25、hile(1) key=keyscan(); delay(100); switch(key) case 0x7e:write_com(i); write_date(table20);table3j=0;j+;i+;break;/0 case 0x7d:write_com(i); write_date(table21);table3j=1;j+;i+;break;/1 case 0x7b:write_com(i); write_date(table22);table3j=2;j+;i+;break;/2 case 0x77:write_com(i); write_date(table23);table3j=3;j+;i+;break;/3 case 0xbe:write_com(i); write_date(table24);table3j=4;j+;i+;break;/4 case 0xbd:write_com(i); write_date(table25);table3j=5;j+;i+;break;/5 case 0xbb:write_com(i); write_date(table26);table3j=6;j+;i+;break;/6 case 0xb7:write_com(i); write_da