基于單片機的直流穩(wěn)壓電源的設計

******大學畢業(yè)設計（論文）PAGEPAGE39摘要直流穩(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(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源幾乎都是用旋紐開關調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高、難控制、體積大、結構復雜，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。將單片機數(shù)字控制技術融入直流穩(wěn)壓電源的設計中，設計出的數(shù)字化直流穩(wěn)壓電源具有數(shù)碼顯示、數(shù)字輸入調(diào)壓、電壓調(diào)節(jié)精度高的特點。而且通過軟件編程，易于實現(xiàn)功能的擴展。數(shù)控電源目前的發(fā)展，主要朝著更高的數(shù)控精度和分辨率及更好的動態(tài)特性；更好的環(huán)保性能；智能化與高可靠性；更廣泛的應用方向發(fā)展。本設計利用AT89S51作為主控芯片，控制數(shù)模轉換模塊DAC0832的輸出電壓，通過運算放大器OPA552放大輸出。設置四個按鍵，來實現(xiàn)電壓的增減，并帶有數(shù)碼顯示模塊。可以達到每步0.1V的精度，輸出電壓范圍0~15V，電流可以達到200mA。關鍵詞：數(shù)控電源；AT89S51；DAC0832；OPA552AbstractDirectcurrentvoltage-stabilizedpowersupplyisoneofthecommonlyusedequipmentinelectronictechnology.It’swidelyusedinteaching,researchingandotherfields.Mostofthetraditionaldirectcurrentvoltage-stabilizedpowersupplyusetheknobswitchtoadjustthevoltage.Ithasthetroubleoflow-precisionanddifficulttocontrol.Thestructureiscomplexandthevolumeislarge.Thenumericalcontroltechniqueofsinglechipmicrocomputerisadoptedinthedesignofdirectcurrentvoltage-stabilizedpowersupplyforadigitalized.Havingnumeraldisplay,thedirectcurrentpowercanadjustvoltageprogrammablyanddifferentiatevoltageprecisely.Moreover,it’seasytohaveitsfunctionenlargedthroughtheprogrammer.Numericalcontroldirectcurrentvoltage-stabilizedpowersupplymainlytowardtohigh-precision,high-resolution,betterdynamiccharacteristics,betterenvironmentalperformance,intelligent,highreliabilityandwiderapplicationdirection.Inthisdesign,usingtheAT89S51asmainmoduletocontroltheoutputvoltageofDAC0832.ThevoltageismagnifiedbyamplifierOPA552.Inthissystem,thestepofvoltageiscontrolbyfourkeys,andthedisplaymoduleisalsodesigned.Thestepprecisionis0.1V,theoutputvoltageisrangefrom0Vto15Vandthecurrentisupto200mA.Keywords:Numericalcontrolpower；AT89S51；DAC0832；OPA552目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題的背景和意義 11.2數(shù)控電源的發(fā)展 1第2章方案設計 3第3章系統(tǒng)硬件電路設計 43.1主要電路的設計 43.2具體電路介紹 43.2.1主控單元電路 43.2.2信號處理電路 83.2.3電壓放大電路 123.2.4按鍵電路 143.2.5顯示電路 15第4章系統(tǒng)軟件設計 184.1程序運行原理 184.2程序流程 194.2.1延時子程序流程 194.2.2拆分送顯存子程序流程 194.2.3顯示子程序流程 204.2.4主程序流程 21第5章設計仿真及調(diào)試 225.1WAVE6000集成調(diào)試軟件簡介 225.2程序調(diào)試的步驟 23第6章電路調(diào)試及實驗分析 256.1實驗儀器 256.2電路焊接和調(diào)試 256.3實際電壓與顯示電壓對比分析 256.4系統(tǒng)誤差分析 26結論 27參考文獻 28附錄1電路原理圖 29附錄2程序清單 30附錄3實物圖 35致謝 36第1章緒論1.1課題的背景和意義電源技術尤其是數(shù)控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標準。只有滿足產(chǎn)品標準，才能夠進入市場。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數(shù)控電源技術有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件[1]。到90年代，隨著新的變換技術和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應用，己經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)控精度達到0.05V的數(shù)控電源，功率密度達到每立方英寸50W的數(shù)控電源[2]。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關來實現(xiàn)電壓的調(diào)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，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。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(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。數(shù)控技術方面的發(fā)展是以51系列單片機為主控單元電路的發(fā)展和軟開關技術等電子技術的完善為主要標志。數(shù)字化則應屬于控制方面的重要發(fā)展方向，隨著信息技術的突飛猛進，將對數(shù)控電源技術的發(fā)展起到巨大推進作用。數(shù)控電源目前的發(fā)展，主要朝著更高的數(shù)控精度和分辨率及更好的動態(tài)特性；更好的環(huán)保性能；智能化與高可靠性；更廣泛的應用等方向發(fā)展[3]。1.2數(shù)控電源的發(fā)展20世紀80年代，出現(xiàn)了一種開關式穩(wěn)壓電源，這種電源是采用功率半導體器件作為開關，通過控制開關的占空比調(diào)整輸出電壓。開關型穩(wěn)壓電路中的調(diào)整管工作在開關狀態(tài)，因而功耗小，電路效率高。開關電源的種類很多，按調(diào)整管與負載的連接方式可分為串聯(lián)和并聯(lián)型，串連開關穩(wěn)壓電路是降壓型電路，并聯(lián)開關型穩(wěn)壓電路是升壓型電路。按穩(wěn)壓的控制方式可分為脈沖寬度調(diào)制型（PWM）、脈沖頻率調(diào)制型（PFM）和混合調(diào)制型。這其中尤以PWM最為盛行，這種電源在穩(wěn)壓方面功能非常優(yōu)越，但在電壓輸出精度方面仍存在缺陷，旋鈕式電源遠不能滿足工業(yè)需求，數(shù)控技術的發(fā)展給電源的發(fā)展注入新的活力，數(shù)控逐漸成為一種趨勢[4]。隨著人們生活水平的不斷提高，數(shù)字化控制無疑是人們追求的目標之一，它所給人帶來的方便也是不可否定的，其中數(shù)控直流穩(wěn)壓電源就是一個很好的典型例子，但人們對它的要求也越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、生活提供更好的，更方便的設施就需要從數(shù)字電子技術入手，一切向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展。近年來出現(xiàn)了不少的數(shù)控電源產(chǎn)品，例如數(shù)控三步仿金電鍍電源，具有自動穩(wěn)壓功能和軟啟動功能，時間在0~30秒內(nèi)可調(diào)；具有穩(wěn)壓限流功能，穩(wěn)壓狀態(tài)下輸出電流超過正常電流10%，電源會自動進入限流狀態(tài)；具有高可靠的過流，短路保護功能，輸出電流超過額定值的50%時，電源自動封鎖輸出，同時發(fā)出聲和光報警[5]。隨著數(shù)控技術以及可編程器件的發(fā)展，出現(xiàn)了一種可編程直流數(shù)控電源，其中最典型的就是3645A型數(shù)控電源，它是一種輸出電壓范圍在0~36V，負載工作電流可以達到3A的直流穩(wěn)壓電源，電壓及電流均可任意調(diào)節(jié)。其主要功能有：電壓設定、電流上限設定、電源輸出電壓上限設定、通訊設定、鍵盤鎖定功能、功率上限設定、保存選項設定等功能，電壓、電流、功率均以LCD顯示，畫面清晰、直觀，操作方便。數(shù)控程度已很高，但成本太貴，不利于大批生產(chǎn)[6]。第2章方案設計方案設計原理框圖如圖2-1所示。圖2-1方案設計原理框圖本方案是采用AT89S51芯片作為主控單元。AT89S51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可反復擦寫的Flash程序存儲器和128bytes的隨機存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的AT89S51為本設計提供了高性價比的解決方案。設置四個按鍵來實現(xiàn)電壓的+0.1V、－0.1V、+1V、－1V。該系統(tǒng)使用3個數(shù)碼管，采用動態(tài)掃描驅(qū)動方式，通過軟件編程的方法，可以顯示三位數(shù)，一個小數(shù)位，比如可以顯示10.5V。從整個原理框圖來看，該方案思路非常清晰，就是通過單片機控制DA的輸出電壓，通過運算放大器放大輸出，而電壓大小在三位數(shù)碼管上顯示。采用軟件方法來解決電壓的步進控制和電壓的顯示，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)。所以選擇本方案。第3章系統(tǒng)硬件電路設計3.1主要電路的設計系統(tǒng)硬件電路部分主要包括：主控單元電路：采用51系列單片機AT89S51為主控單元。信號處理電路：數(shù)模轉換模塊DAC0832。電壓放大電路：集成運算放大器OPA552。人機接口電路：按鍵電路。顯示部分電路：8位并行數(shù)碼顯示管。附屬電路：包括晶體振蕩電路、重啟電路、參考電壓電路、濾波電路等。3.2具體電路介紹3.2.1主控單元電路采用51系列單片機AT89S51為主控單元。AT89S系列單片機是ATMEL公司研制生產(chǎn)的，優(yōu)越的性能價格比使其成為頗受歡迎的單片機。AT89S系列與MCS-51系列單片機相比有兩大優(yōu)勢：第一，片內(nèi)程序存儲器采用閃存存儲器，使程序的寫入更加方便；第二，提供了更小尺寸的芯片(AT89S2051/1051)，使整個硬件電路的體積更小。AT89S系列單片機有4種型號：AT89S51、AT89S52、AT89S2051、AT89S4051，其中AT89S2051/4051是ATMEL公司AT89S系列的新成員。它以較小的體積，良好的性能價格比受青睞，在家電產(chǎn)品、工業(yè)控制、計算機產(chǎn)品、醫(yī)療器械、汽車工業(yè)等應用方面成為用戶降低成本的首選器件。這里以AT89S51為代表對AT89S系列單片機做一闡述。AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準8051指令系統(tǒng)及引腳。AT89S51單片機集Flash程序存儲器和通用8位微處理器于單片芯片中，功能強大，價位低，可為許多應用場合提供高性價比的解決方案，可靈活應用于各種控制領域[7]。AT89S51芯片的引腳圖如圖3-1所示：圖3-1AT89S51引腳圖主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲器1000次擦寫周期4.0-5.5V的工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式：0Hz-33MHz三級程序加密鎖128*8位內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線兩個16位定時/計數(shù)器5個中斷源全雙工串行UART通道低功耗的閑置和掉電模式中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針掉電標識和快速編程特性片內(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路。當對管腳寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址的低8位和數(shù)據(jù)總線復用。在FIASH編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，此時P0外部須接上拉電阻P1口：P1口是一個帶內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。P1口管腳寫入1后，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可用作輸入口，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉電阻的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口接收低八位地址。P2口：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路，當P2口被寫入“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，此時可作為輸入口。作為輸入口時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉電阻的緣故。當P2口訪問外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出地址的高八位。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口線上的內(nèi)容，在整個訪問期間不改變。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉電阻拉為高電平，并可作為輸入端口。作輸入端時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉電阻P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能可作為AT89S51的一些特殊功能口：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0）P3.5T1（定時器1）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。ALE/：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許管腳的輸出電平用于鎖存地址的低8位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出正脈沖信號，因此它可用作對外部輸出脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址單元上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳會被略微拉高，單片機在執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。/VPP：當保持低電平時，則在此期間訪問外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，將內(nèi)部鎖定為RESET；當端保持高電平時，此期間訪問內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電壓VPP。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：反向振蕩放大器的輸出端。振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石英晶體振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。由于輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平符合要求的寬度。芯片擦除：在并行編程模式，利用控制信號的正確組合并保持ALE/引腳200ns-500ns的低電平脈沖寬度即可完成擦除操作。在串行編程模式，芯片擦除操作是利用擦除指令進行。在這種方式，擦除周期是自身定時的，大約為500ms。此外，AT89S51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在零頻率的條件下進入靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作，但RAM，定時器，計數(shù)器，串行口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結振蕩器，禁止所有其他芯片的功能，直到下一個硬件復位為止。3.2.2信號處理電路D/A轉換器(DAC0832)引腳及功能介紹[8]：DAC0832為電壓輸入、電流輸出的R-2R電阻網(wǎng)絡型的8位D/A轉換器，采用CMOS和薄膜Si-Cr電阻相容工藝制造，溫漂低，邏輯電平輸入與TTL電平兼容。它可直接與微處理器相連，采用雙緩沖寄存器，這樣可在輸出的同時，采集下一個數(shù)字量，以提高轉換速度。DAC0832的內(nèi)部功能框圖如圖3-2所示。圖3-2DAC0832的內(nèi)部功能框圖引腳排列如圖3-3所示。圖3-3DAC0832的引腳排列圖DAC0832的組成：DAC0832主要由3部分組成，第一部分是8位D/A轉換器，輸出為電流形式；第二部分是兩個8位數(shù)據(jù)鎖存器構成雙緩沖形式；第三部分是控制邏輯。單片機可利用控制邏輯通過數(shù)據(jù)總線向輸入鎖存器存數(shù)據(jù)，因控制邏輯的連接方式不同，可使D/A轉換器的數(shù)據(jù)輸入具有雙緩沖、單緩沖和直通3種方式。當、、及接低電平時，ILE接高電平，即不用寫信號控制，使兩個寄存器處于開通狀態(tài)，外部輸入數(shù)據(jù)直通內(nèi)部8位D/A轉換器的數(shù)據(jù)輸入端，這種方式稱為直通方式。當、接低電平，使DAC0832中2個寄存器中的一個處于開通狀態(tài)，只控制一個寄存器，這種工作方式叫做單緩沖工作方式。當ILE為高電平，和為低電平，8位輸入寄存器有效，輸入數(shù)據(jù)存入寄存器。當D/A轉換時，、為低電平，使8位D/A寄存器有效，將數(shù)據(jù)置入D/A寄存器中，進行D/A轉換。2個寄存器均處于受控狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)要經(jīng)過2個寄存器緩沖控制后才進入D/A轉換器。這種工作方式叫做雙緩沖工作方式[9]。DAC0832管腳定義說明如下：：片選輸入端，低電平有效，與ILE共同作用，對信號進行控制。ILE：輸入的鎖存信號，高電平有效，當ILE=1且和均為低電平時，8位輸入寄存器允許輸入數(shù)據(jù)；當ILE=0時，8位輸入寄存器鎖存數(shù)據(jù)。：寫信號1，低電平有效，用來將輸入數(shù)據(jù)送入寄存器中；當=1時，輸入寄存器的數(shù)據(jù)被鎖定；當=0，ILE=1時，在為有效電平的情況下，才能寫入數(shù)字信號。：寫信號2，低電平有效，與組合，當和均為低電平時，輸入寄存器中的8位數(shù)據(jù)傳送給8位DAC寄存器；=1時8位DAC寄存器鎖存數(shù)據(jù)。：傳輸控制信號，低電平有效，控制有效。DI0~DI7：8位數(shù)字量輸入端，其中DI0為最低位，DI7為最高位。Iout1：DAC電流輸出1端，當DAC寄存器全為1時，輸出電流Iout1為最大；當DAC寄存器中全都為0時，輸出電流Iout1最小。Iout2：DAC電流輸出2端，輸出電流Iout1+Iout2＝常數(shù)。Rfb：芯片內(nèi)的反饋電阻引出端，用來作為外接運算放大器的反饋電阻。在構成電壓輸出DAC時，此端應接運算放大器的輸出端。Vref：參考電壓輸入端，通過該引腳將外部的高精度電壓源與片內(nèi)的R-2R電阻網(wǎng)絡相連，其電壓范圍為-10~+10V。VCC：電源電壓輸入端，電源電壓范圍為+5~+15V，最佳狀態(tài)為+15V。DGND：數(shù)字電路接地端。AGND：模擬電路接地端，通常與DGND相連。為了將模擬電流轉換為模擬電壓，需把DAC0832的兩個輸出端Iout1和Iout2分別接到運算放大器的兩個輸入端，經(jīng)過一級運放得到單極性輸出電壓U1。當需要把輸出電壓轉換為雙極性輸出時，可由第二級運放對U1及基準電壓Vref反相求和，得到雙極性輸出電壓U2。如圖3-4所示，電路為8位數(shù)字量DI0~DI7經(jīng)D/A轉換器轉換為雙極性電壓輸出的電路圖[10]。圖3-4D/A轉換雙極性輸出電路圖第一級運放的輸出電壓為：其中，D為數(shù)字量的十進制數(shù)。第二級運放的輸出電壓為：當R1=R2=2R3時，則DAC0832與AT89S51的連接：DAC0832是一種典型的8位轉換器，內(nèi)部為雙緩沖寄存器即輸入寄存器和DAC寄存器，和分別為相應兩個寄存器的寫信號控制端，ILE為輸入鎖存使能端，高電平有效，為片選端，為傳輸控制端，它和共同控制DAC寄存器的工作狀態(tài)。DAC0832有兩個接地端AGND（模擬信號接地端）和DGND（數(shù)字信號接地端），一般情況下，這兩個地端均應并聯(lián)接地。DAC0832有三種工作方式：直通工作方式，單緩沖工作方式，雙緩沖工作方式，在設計中選用單緩沖工作方式。DAC0832的D/A轉換電路為倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡，有Iout1和Iout2兩個電流輸出端，根據(jù)不同的電路組成，該芯片可以有兩種輸出模式，一種為電流輸出模式，這種模式基準電壓加在Vref端，由Iout1和Iout2輸出的電流經(jīng)運算放大器相加后輸出；另一種為電壓輸出模式，這種模式基準電壓加在Iout1和Iout2之間，模擬電壓從Vref端輸出。本電路采用后一種模式，其基準電壓通過電阻和LM336-5.0精密基準電壓源組成的穩(wěn)壓電路提供，其基準電壓為5.12V，作為電路設計的程序設計編碼基準電壓。由于DAC0832為8位轉換器，所以采取把5.12V電壓等分256份，得出DAC0832每一步進輸出的電壓值為0.02V。即：5.12V/256=0.02V。DAC0832與AT89S51的連接圖如圖3-5所示。圖3-5DAC0832與AT89S51的連接圖該電路采用單緩沖模式，電壓輸出方式。DI0-DI7接單片機對應的P0.0-P0.7，和相連接P2.0，和相連共同接地，ILE接+5V，Iout1接參考電壓，Iout2接地，Rfb空置不用，而Vref作為電壓輸出端接集成放大器[11]。DAC0832的11腳Iout1接參考電壓，參考電壓電路如圖3-6所示。圖3-6參考電壓電路通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)LM336的輸出電壓為5.12V，所以在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=0.02V，也就是說DAC0832輸入數(shù)據(jù)端每增加1，電壓增加0.02V。3.2.3電壓放大電路OPA552功能介紹[12]：OPA552是高電壓，大電流，低成本的運算放大器。它的最優(yōu)化增益是5或者更大，轉換率為24v/us，帶寬為12MHz。適合于電話，音頻，伺服，及測試應用中。主要特性：寬供電范圍：±4V至±30V高輸出電流：最大輸出200mA低噪聲：14nV/充分保護：熱關閉輸出電流限制：熱關閉指示快速轉換率：24V/us寬頻帶寬度：12MHzOPA552的引腳圖如圖3-7所示。圖3-7OPA552的引腳圖OPA552的典型應用電路如圖3-8所示。圖3-8OPA552的典型應用電路OPA552與DAC0832的連接：OPA552與DAC0832的連接圖如圖3-9所示圖3-9OPA552與DAC0832的連接圖從電路圖可知，放大器輸出信號就是電源的輸出電壓，根據(jù)需要選擇不同的DAC0832輸入的數(shù)字量的值即可獲得不同的控制電壓（DAC0832輸出電壓），進而可獲得所需的輸出電壓值。DAC0832的電壓輸出端Vref接放大器OPA552的輸入端，放大器的放大倍數(shù)為（10K+40K）/10K=5，輸出的電壓分辨率=0.02V×5=0.1V。3.2.4按鍵電路本設計利用四個按鍵來控制輸出電壓的變化。按鍵電路如圖3-10所示：圖3-10按鍵電路KEY1為+0.1V按鍵，與單片機的P2.1相連，該鍵每按一次輸出電壓將在上一輸出值的基礎上增加0.1V。KEY2為-0.1V按鍵，與單片機的P2.2相連，該鍵每按一次輸出電壓將在上一輸出值的基礎上減少0.1V。KEY3為+1V按鍵，與單片機的P2.3相連，該鍵每按一次輸出電壓將在上一輸出值的基礎上增加1V。KEY4為-1V按鍵，與單片機的P2.4相連，該鍵每按一次輸出電壓將在上一輸出值的基礎上減少1V。3.2.5顯示電路74LS164的引腳及功能介紹[13]：74LS164是串行輸入/并行輸出移位寄存器，有兩個串行數(shù)據(jù)DA、DB輸入端，使用時一般把它們連在一起；為清零輸入端，低電平有效，當該端加入低電平時，寄存器輸出Q0~Q7全為低電平。在正常情況下，清零輸入端接高電平，當CP信號上升沿到來時，數(shù)據(jù)右移一位；Q0~Q7為并行數(shù)據(jù)輸出端，同時Q7端也是串行數(shù)據(jù)輸出端，對于串行輸入的數(shù)據(jù)，最先輸入的從Q7輸出，最后進入的從Q0輸出。CP為移位脈沖。74LS164的管腳排列如圖3-11。圖3-1174LS164的管腳排列顯示電路的連接：顯示電路連接圖如圖3-12所示。圖3-12顯示電路連接圖顯示電路由三個共陰級的數(shù)碼管和一個74LS164組成。三個數(shù)碼管分別組成顯示電路的十位、個位、小數(shù)點位，比如可以顯示10.5V。由于三個數(shù)碼管至少需要21根I/O線，為節(jié)約資源，采用串行輸入并行輸出的74LS164進行驅(qū)動輸出。單片機的兩個并行口P1.4和P1.5分別作為74LS164的信號輸入口和時鐘控制信號。P1.0、P1.1、P1.2分別接十位、個位、小數(shù)位的片選端。Q0~Q7(第3~6和10~13引腳)并行輸出端分別接在LED顯示器的a-dp各段對應的引腳上。LED的8個段選端通過電阻和74LS164的并行輸出口即8根選線相連接。采用動態(tài)掃描驅(qū)動方式[14]。顯示數(shù)據(jù)以串行方式從AT89S51的P1.4口輸出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后將變成的并行數(shù)據(jù)從輸出端Q0~Q7輸出，選中LED相應的段。位選碼由AT89S51的P1.0~P1.2口輸出低電平，以對數(shù)碼管LED1~LED3進行位選控制，這樣，3個數(shù)碼管便輪流顯示。由于人眼的殘留效應，這3個數(shù)碼管看上去幾乎是同時顯示。第4章系統(tǒng)軟件設計4.1程序運行原理軟件要實現(xiàn)的功能是：鍵盤對單片機輸入數(shù)據(jù)，單片機對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，送到8位數(shù)模轉換器（DAC0832），再送到數(shù)碼管顯示，實現(xiàn)數(shù)字量對電壓的控制。本程序的設計思路是：當電源打開的時候，單片機進行復位，寄存器清零，DAC0832清零，再轉換成BCD碼送到數(shù)碼顯示部分，電源應該顯示零。這時候程序循環(huán)檢測是否有按鍵信號，如果KEY1按下，電壓值加0.1V，把它送到DAC0832并且顯示。如果KEY2按下，電壓值減0.1V，把它送到DAC0832并且顯示。如果KEY3按下，電壓值加1V，把它送到DAC0832并且顯示。如果KEY4按下，電壓值減1V，把它送到DAC0832并且顯示。該系統(tǒng)的軟件編程采用MCS－51系列單片機匯編語言完成。本程序的運行原理是：設計中CPU的工作任務是單一的，程序的工作過程是當系統(tǒng)上電復位后，默認輸出0伏電壓，然后掃描KEY1，KEY2，KEY3，KEY4鍵，當KEY1，KEY2，KEY3，KEY4有鍵按下時，程序跳轉至相應的按鍵處理程序，經(jīng)按鍵程序處理后，再調(diào)用顯示子程序。完成顯示與輸出操作后，繼續(xù)掃描此四個按鍵。程序設計需要考慮的主要問題有兩個方面。一方面要找出數(shù)字量與輸出電壓的關系，這是程序設計的依據(jù)；另一方面要建立顯示值與輸出電壓值的對應關系，這是程序設計是否成功的標志。因為在本系統(tǒng)中，顯示的輸出電壓值不是直接從輸出電路中通過檢測得到的，因此顯示與輸出并不存在直接聯(lián)系。為了使顯示值與實際輸出值相一致，在程序編寫時，必須人為地將兩者建立某種關系。采用的方法是：在程序存儲器中建立WORDTAB表格，存放數(shù)碼顯示器0-9字符所對應的數(shù)據(jù)[15]。編寫拆分送顯存子程序BIN_BCD，把要顯示的數(shù)據(jù)按位拆分，送入不同的顯存單元。分別存放在內(nèi)存RAM中32H單元，31H單元和30H單元。這三個單元分別存放數(shù)碼顯示器十位的字符，個位的字符和小數(shù)位的字符。這樣就能使顯示值與輸出值保持一一對應的關系，即顯示器能準確地顯示出電源輸出電壓值的大小，達到電路設計的目的。由于理論計算與實際情況還存在著一定的差異，為了使顯示值更加接近實際輸出值，本電路在裝配時需要對輸出電壓進行校正。方法是：將輸出電壓調(diào)至15V(顯示器顯示值)選用精確度較高的數(shù)字萬用表對實際輸出電壓值進行校正，通過調(diào)整可調(diào)電阻使實際輸出電壓達到15V；然后再將輸出電壓調(diào)至0V(均為顯示器顯示值)，同樣用數(shù)字表進行校正。如此反復校正幾次，就能使顯示器的顯示值和實際的輸出值一致，達到較好的效果。具體程序見附錄。4.2程序流程4.2.1延時子程序流程圖4-1延時子程序流程圖4.2.2拆分送顯存子程序流程圖4-2拆分送顯存子程序流程圖4.2.3顯示子程序流程圖4-3顯示子程序流程圖4.2.4主程序流程圖4-4主程序流程圖第5章設計仿真及調(diào)試5.1WAVE6000集成調(diào)試軟件簡介WAVE6000集成調(diào)試軟件在以前的版本基礎上增加了許多功能，特別是在窗口管理、項目管理和源文件編輯工具上做了較大改進，在WAVE6000環(huán)境下的所有窗口均可以放在窗口的同一塊區(qū)域，各窗口可以直接切換，節(jié)省了窗口的面積，使窗口管理更有效。WAVE6000還增強了項目管理和源文件編輯方面的功能，使得項目、文件切換更方便，有效地后退、前進功能使得修改程序更方便。新增加的書簽窗口和斷點窗口可以有效地管理斷點和書簽，使得程序員無需在眾多的代碼和斷點中逐行查詢，斷點信息和書簽信息在各自的窗口中顯示一目了然[16]。項目窗口是用戶和源程序文件、目標文件和用戶設置等的橋梁，通過項目窗口可以建立項目、設置項目、添加源程序到項目、編譯項目等項目操作。信息窗口顯示項目操作和文件操作后的詳細信息，例如打開項目、保存項目、項目編譯過程以及出錯信息等等。在一個項目調(diào)試之前，必須經(jīng)過新建項目、設置項目、添加模塊和包含文件、保存項目、編譯項目，最后進入調(diào)試項目，其中的所有成功和錯誤信息都會在該窗口中顯示，因此用戶在調(diào)試項目前，需要觀察此窗口是否有錯誤信息，待排除錯誤后方可正確調(diào)試項目。觀察窗口用于顯示項目中的所有變量和用戶自定義變量，能顯示常量、函數(shù)入口地址、數(shù)組變量、結構變量、共用體變量、指針變量等多種復雜的數(shù)據(jù)類型。用戶可以添加用戶變量、設置變量類型，使用結合影子存儲器、時效分析等功能分析用戶程序、數(shù)據(jù)。變量一旦被修改，將很醒目的顯示被修改過；支持直接修改變量的值，以方便程序的局部調(diào)試。斷點窗口用于記錄、顯示用戶在上次退出環(huán)境時設置的所有斷點的信息（包括無效斷點），例如所在的文件、所在行的行號、PC值、是否有效等信息。在該窗口用戶可以刪除任意一個斷點，或者迅速查找到該斷點所在程序的位置。書簽窗口同斷點窗口類似，書簽窗口用來管理用于記錄、顯示用戶在上次退出環(huán)境時的所有書簽的信息，例如所在文件、所在行的行號；用戶可以在窗口中刪除任意一個書簽、迅速查找所在行。外設（包括端口、定時器、串行口、中斷）菜單和相應的窗口是由SFR窗口寄生出來的外設菜單，專門用來顯示外部設備的狀態(tài)和相應的設置，可以通過該窗口生成用戶修改設置后的匯編源碼、C源碼，用戶可以脫離常用的手冊直接修改各外設的工作方式，然后產(chǎn)生源碼。設置文本編輯器窗口根據(jù)用戶的喜好，可以設置文本編輯區(qū)的顏色屬性和文本屬性。5.2程序調(diào)試的步驟1、建立新程序。選擇文件→新建文件，出現(xiàn)一個文件名為NONAME1的源程序窗口，在此窗口中輸入源程序。2、保存程序。選擇文件→保存文件或文件→另存為，給出文件所要保存的位置，例如：C:\WAVE6000\SAMPLES文件夾，再給出文件名MY1.ASM。保存文件，文件保存后，程序窗口上文件名變成了：C:\WAVE6000\SAMPLES\MY1.ASM3、建立新項目。選擇文件→新建項目，新建項目會自動分三步走：加入模塊文件。在加入模塊文件的對話框中選擇剛才保存的文件MY1.ASM，按打開鍵。如果是多模塊項目，可以同時選擇多個文件再打開。加入包含文件。在加入包含文件對話框中，選擇所要加入的包含文件（可多選）。如果沒有包含文件，按取消鍵。保存項目。在保存項目對話框中輸入項目名稱。MY1無須加后綴。軟件會自動將后綴設成“.PRJ”。按保存鍵將項目存在與源程序相同的文件夾下。項目保存好后，如果項目是打開的，可以看到項目中的“模塊文件”已有一個模塊“MY1.ASM”，如果項目窗口沒有打開，可以選擇窗口→項目窗口來打開?？梢酝ㄟ^仿真器設置快捷鍵或雙擊項目窗口第一行選擇仿真器和要仿真的單片機。4、設置項目選擇設置→仿真器設置或按“仿真器設置”快捷圖標或雙擊項目窗口的第一行來打開“仿真器設置”對話框。在“仿真器”欄中，選擇仿真器類型和配置的仿真頭以及所要仿真的單片機。在“語言”欄中，“編譯器選擇”根據(jù)本設計程序選擇為“偉福匯編器”。5、編譯程序選擇項目→編譯或按編譯快捷圖標或F9鍵，編譯項目。在編譯過程中，如果有錯可以在信息窗口中顯示出來，雙擊錯誤信息，可以在源程序中定位所在行。糾正錯誤后，再次編譯直到?jīng)]有錯誤。在編譯之前，軟件會自動將項目和程序存盤。在編譯沒有錯誤后，就可調(diào)試程序了。6、調(diào)試程序選擇執(zhí)行→跟蹤或按跟蹤快捷圖標或按F7鍵進行單步跟蹤調(diào)試程序。單步跟蹤就是一條指令一條指令地執(zhí)行程序，若有子程序調(diào)用，也會跟蹤到子程序中去?？梢杂^察程序每步執(zhí)行的結果，“→”所指的就是下次將要執(zhí)行的程序指令。由于條件編譯或高級語言優(yōu)化的原因，不是所有的源程序都能產(chǎn)生機器指令。源程序窗口最左邊的“o”代表此行為有效程序，此行產(chǎn)生了可以執(zhí)行的機器指令。將光標移到程序想要暫停的地方，選擇執(zhí)行→執(zhí)行到光標處或F4鍵或彈出菜單的“執(zhí)行到光標處”，程序全速執(zhí)行到光標所在行。設置斷點，將光標移到源程序窗口的左邊灰色區(qū)，光標變成“手指圈”，單擊左鍵設置斷點，也可以用彈出菜單的“設置/取消斷點”功能或用Ctrl+F8組合鍵設置斷點。如果斷點有效圖標為“紅圓綠勾”，無效斷點的圖標為“紅圓黃叉”。斷點設置好后，就可以用全速執(zhí)行的功能，全速執(zhí)行程序，當程序執(zhí)行到斷點時，會暫停下來，這時可以觀察程序中各變量的值，及各端口的狀態(tài)，判斷程序是否正確。利用上述方法反復調(diào)試，直到程序達到設計的目的。第6章電路調(diào)試及實驗分析6.1實驗儀器實驗面包板，單片機仿真器，編程器，示波器，實驗電源，電烙鐵，吸錫器，剪刀，剝線鉗，電線若干，鑷子，數(shù)字萬用表，螺絲刀等。6.2電路焊接和調(diào)試電路調(diào)試過程中遇到的問題和解決辦法：1、電路線路比較多，容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象，數(shù)碼顯示由于短路出現(xiàn)顯示不正?，F(xiàn)象，整理線路后能夠正常顯示。2、在放大器的輸入端串聯(lián)10K的電阻，在輸入端和輸出端加100K反饋電位器，調(diào)節(jié)電位器使得輸出電壓數(shù)值和顯示值相等。3、制作和測試-24V電源時，由于沒有認真參考整流管的接法和7924的芯片資料，出現(xiàn)整流電容爆裂。4、數(shù)碼顯示出現(xiàn)問題，檢查電路發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)虛焊，重焊后能正常顯示。5、反復調(diào)節(jié)電路，使得符合設計要求。6.3實際電壓與顯示電壓對比分析表6-1顯示電壓與實際電壓對照表實際電壓(V)顯示電壓(V)相對誤差0.000.00.00%0.480.54.16%0.981.02.04%1.481.51.35%1.992.00.50%2.482.50.81%2.983.00.67%3.483.50.58%3.994.00.25%實際電壓(V)顯示電壓(V)相對誤差4.494.50.22%4.995.00.20%5.495.50.18%6.006.00.00%6.506.50.00%6.997.00.14%7.497.50.13%8.008.00.00%8.508.50.00%9.009.00.00%9.509.50.00%10.0110.00.10%10.5010.50.00%11.0111.00.09%11.5111.50.09%12.0212.00.17%12.5112.50.08%13.0113.00.08%13.5113.50.07%14.0114.00.07%14.5114.50.07%15.0115.00.07%6.4系統(tǒng)誤差分析系統(tǒng)的主要誤差來源于三個方面：1、DAC0832的量化誤差。DAC0832為8位D/A轉換器，滿量程為15V的量化誤差為±(1/2)LMBS=±(1/2)×(1/28)×15V≈±30mV。滿度歸一化的相對誤差為：±(1/2)×(1/28)=±0.2%。2、基準電壓溫漂引入的誤差。LM336在0~40℃范圍內(nèi)漂移不大于4mV，故相對誤差=±2mV/5V=±0.04%3、由功率放大器引入的誤差(主要考慮OPA552的溫漂)引入的附加誤差為±100μV。結論本設計利用AT89S51作為主控芯片，控制數(shù)模轉換模塊DAC0832的輸出電壓，通過運算放大器OPA552放大輸出。設置四個按鍵，來實現(xiàn)電壓的增減，并帶有數(shù)碼顯示模塊。可以達到每步0.1V的精度，輸出電壓范圍0~15V，電流可以達到200mA。具有精度高，使用方便，硬件電路簡單等特點，可以用在對直流電壓要求較高的設備上，或在科研實驗室中當作實驗電源使用。相信隨著單片機位數(shù)的提升，以及數(shù)模轉換精度的提高，數(shù)控的精確度會不斷得到提升。參考文獻[1]劉楚湘,杜勇,尤雙楓.基于單片機的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計[J].新疆師范大學學報:自然科學版,2007,26(1):50-52.[2]萬中波.基于單片機控制的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源[J].湖南科技學院學報,2007,28(4):31-33.[3]夏克祖.實驗用直流穩(wěn)壓電源的改制[J].實驗室研究與探索,2004,20(5):53-54.[4]WIDLARRJ.NewDevelopmentsinICvoltageregulators[J].IEEEJournalofSolid-StateCircuits,2004,6(1):2-7.[5]陳學清,黃世震.一種新型數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設計[J].通信電源技術,2006,28(2):27-29.[6]賀洪江,李憲紅,閻舒靜.一種高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設計[J].河北建筑科技學院學報,2004,17(1):36-39.[7]ThomasFloyd.ElectronicDevices[M].5thed.NewJersey:Prentice-HallInc,2003:67-71.[8]徐鳳霞,齊躍斗,楊欣宇.等單片機原理及應用教程[M].哈爾濱:黑龍江科技出版社,2003:109-114.[9]張毅剛,彭喜元,姜守達,等.新編MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2003:203-210.[10]沈紅衛(wèi).單片機應用系統(tǒng)設計實例與分析[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003:56-61.[11]薛永毅.新型電源電路應用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:23-31.[12]王新賢.通用集成電路速查手冊[M].濟南:山東科學技術出版社,2004:103-107.[13]JacobMillman,ArvinGrabel.Microelectronices[M].2nded.NewYork:McGraw-HillBookCompany,2004:122-127.[14]黃菊生.單片機原理與接口技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:132-138.[15]楊振江,杜鐵軍,李群.流行單片機實用子程序及應用實例[M].西安:西安電子科技大學出版社,2006:56-58.[16]李勛,劉源.單片機實用教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004:54-62.附錄1電路原理圖附錄2程序清單;DISEQUP1SIBITP1.4;定義驅(qū)