數(shù)控直流穩(wěn)壓電源畢業(yè)設計0507

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電子信息專業(yè)本科生畢業(yè)論文設計

海南師范大學

本科生畢業(yè)論文

題目：數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設計

姓名：朱立鴻學號：202306302251專業(yè)：電子信息科學與技術年級：2023級院別：物理與電子信息工程

完成日期：2023年5月

指導教師：嚴世勝（副教授）

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目錄

1.引言12.方案的論證與設計23.單元電路的設計23.1最小系統(tǒng)控制電路設計3

3.2D/A轉換電路設計33.3放大和輸出穩(wěn)壓電路的設計53.4液晶顯示電路設計.63.5系統(tǒng)供電電源設計7

3.6整機電路圖和系統(tǒng)仿真7

4.軟件程序設計95.4.1程序流程圖106.4.2程序代碼116.數(shù)據(jù)測量197.6.1數(shù)據(jù)測量值198.6.2誤差分析21

7.結論218.

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數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設計

：朱立鴻指導教師：嚴世勝副教授

（海南師范大學物理與電子信息工程，海口，571158)

摘要：該設計采用220V市用交流電輸入，輸出電壓為0～10V可調(diào)，輸出最大電流為1A，可步進0.1V調(diào)整。電源的主控電路采用AT89C51單片機，并能夠通過液晶直觀地顯示出電壓。設計分析了各個模塊電路和整機的工作原理，給出了整機工作的硬件實現(xiàn)和主要的軟件流程設計。

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2.方案的論證與設計

通過查閱大量資料，得知顯示電路和控制電路是本設計的核心，對它的選擇有以下兩種方案：

方案一：采用純數(shù)字電路[2]

純數(shù)字電路的穩(wěn)壓電源避免了硬件之間的磨損，使得使用壽命大大提高，而且其輸出電壓也不會隨時間產(chǎn)生誤差。但是它的電路較為繁雜，制作時很困難，由于電路的繁雜產(chǎn)生的問題也會好多。方案二：采用單片機的方法

采用單片機的數(shù)字穩(wěn)壓電源是將數(shù)字電路和單片機很好地結合在一起，不但能夠達到數(shù)字電路的效果，而且能夠大大地簡化繁雜的純數(shù)字電路。

經(jīng)過對以上兩種設計方案的對比和全方位的綜合考慮，為了使電路的設計更加合理化，切合技術指標，決定采用方案二。

3.單元電路的設計

3.1系統(tǒng)設計方框圖

系統(tǒng)設計方框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由單片機最小控制系統(tǒng)、顯示電路、獨立按鍵、D/A轉換電路、放大電路和穩(wěn)壓電路和系統(tǒng)供電電源等組成。外接220V的交流電源經(jīng)過整流濾波后給上述各部分單元提供工作電源，通過獨立鍵盤給單片機設定預輸出值，并通過DA0832轉化為模擬量，再經(jīng)過運算放大和穩(wěn)壓電路最終輸出預設電壓值，通過液晶能夠直觀的顯示出預設值。

圖1數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計方框圖

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3.2最小控制系統(tǒng)的設計

最小控制系統(tǒng)由STC單片機、晶振、獨立鍵盤和復位電路等組成[3]。如2所示。

、19管腳為晶振的2122232425262728

3938373635343332

晶振Y1X1和X2端，電

解電容C4S5RST管腳為高電

RST管腳出10按鈕，S2轉換確認鍵。S1~S3按鍵的作用是通過程序控制對輸入的電壓隨時可調(diào)，且步進值能夠為0.1V增加或者減少。S4鍵的作用是按下啟動D/A轉化，將單片機的預設值轉化為模擬量輸出。

3.2D/A轉換電路設計

3.2.1DA0832芯片簡介

4S1為電壓調(diào)整113029

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DAC0832是8分辯率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制簡單等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄放器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成[4]。

3.2.2DA0832的主要特性

DA0832分辯率（LSB）為8位，電流穩(wěn)定時間為1us，有三種工作方式，即直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。工作方式的設置由19管腳ILE、2管腳WR和18管腳WR2決定，本設計采用直通方式，將2管腳和18管腳全部接地為低電平。另外DA0832采用單電源供電（+5V~15V），且在滿量程內(nèi)呈線性變化。

3.2.3DA0832在設計中的應用

采用0832將單片機預設的電壓值轉化為模擬量，其電路連接如下圖4所示。

10113029

39383736353433322122232425262728

圖4DA0832與單片機的連接

DA0832的8位數(shù)據(jù)線D0~D17與單片機的P1口連接，1管腳（CS）和17管腳（Xfer）接地，8管腳(Vref)的參考電壓為5V，則LSB=5V/2^8=0.02V，即最小分表率為0.02V。11管腳（Iout1）和12管腳（Iout2）為電流輸出端，本設計中將Iout2接地，采用Iout1輸出，然后接運算放大LM324將輸出電流轉化為電壓。經(jīng)過LM324轉化后的電壓值也為5V。為了達到與單片機預設電壓范圍0~10V同步，

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輸出端電壓需要經(jīng)過兩級放大。第一級不放大，直接將D/A輸出的電流轉化為電壓，其次級放大，放大倍數(shù)n=Rf/R1=2K/1K=2.由于DA0832轉換后的電壓的范圍為0~5V，即DA0832的8位輸入端全為高電平1時，輸出電壓為5V，輸入端全為低電平0時，輸出電壓為0V，且呈線性變化。為此為了使輸出與液晶顯示同步，必需經(jīng)過放大倍數(shù)n=2的二級放大。

3.3放大和輸出穩(wěn)壓電路的設計

由于DA0832芯片為電流輸出型，為了得到輸出電壓，必需經(jīng)過運放轉化為電壓。設計采用運放LM324放大器放大。LM324芯片的主要特性有：可單雙電源工作，單電源工作范圍為3V~32V，雙極性電源工作范圍為16V，設計采用雙極性電源，且電源電壓為12V；每個集成LM324芯片內(nèi)裝4個運放器[5]。采用反向輸入，放大和穩(wěn)壓電路如圖5。

765416151413117

圖5放大電路和穩(wěn)壓電路

U3的輸出端I0ut1接U2的13管腳(IN-)，Iout2接U2的12管腳(IN+)，然后接地。第一級只是轉化0832輸出的電流為電壓，沒有進行放大。LM324第一級的輸出端14經(jīng)過1K的電阻接其次級放大的輸入端2(IN-),也是反向輸入，兩次反向后最終輸出的電壓為正向。由于三端穩(wěn)壓LM317的工作電壓范圍為1.26~37V，達不到輸出為0V的設計要求，為此在其次級放大采用求和反向放大，-12V的電壓

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經(jīng)過10K的電位器分壓后輸出反向電壓為-1.25V，在液晶顯示為0的狀況下使其LM317調(diào)整穩(wěn)壓后的電壓達到0V。LM317主要特性有基準電壓標準值為1.25V，ADJ調(diào)整端電流標準值為50uA，最大為100uA。

為此，為保證額定的輸出電壓值，調(diào)整端R1的電阻阻值R=1.25V/10mA=125Ω。尋常實際的取值在120~200Ω之間。輸出電壓值計算公式為：Uo=

1.25(1Rw/R)IadjRw。

3.4液晶顯示電路設計

顯示部分采用液晶LCD1602，LCD1602顯示容量是為162個字符，芯片工作電壓為4.5~5.5V。接口信號說明如表1。

表1液晶接口說明

編號12345678

液晶LCD1602與STC單片機的連接電路圖如圖6。LC1602D的8位數(shù)據(jù)接口與單片機的P0口相連，由于STC單片機P0口沒有內(nèi)接電阻，為此外接了10K上拉排阻。這是由于單片機P口的輸出電流十分微弱，不足以驅(qū)動液晶顯示數(shù)據(jù)而連接的。1602的控制端RS、R/W、E端分別與STC的P20、P21、P22連接。VCOM為液晶顯示亮度調(diào)整端，外接10K的電位器。BLA-和BLA+分別為液晶背光源正極和負極，BLA-接地，BLA+接+5V。液晶的顯示由單片機的程序去控制。

符號VSSVDD

VLRSR/WED0D1

引腳說明電源地電源正極液晶顯示偏壓信號數(shù)據(jù)/命令選擇端讀/寫選擇端（H/L）

使能信號數(shù)據(jù)輸入D0端數(shù)據(jù)輸入D1端

編號910111213141516

符號D2D3D4D5D6D7BLABLK

引腳說明數(shù)據(jù)輸入D2端數(shù)據(jù)輸入D3端數(shù)據(jù)輸入D4端數(shù)據(jù)輸入D5端數(shù)據(jù)輸入D6端數(shù)據(jù)輸入D7端背光源正極背光源負極

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圖6LCD1602與單片機連接電路圖

3.5系統(tǒng)供電電源設計

控制系統(tǒng)STC單片機和DA0832工作需要+5V的電源，而運算放大器LM324需要12V的雙極性電源，為此需要設計出滿足上述芯片工作需要的電源。電

圖7系統(tǒng)供電電源

系統(tǒng)供電電源外接220V交流電，經(jīng)過雙18V變壓器T1降壓和整流橋整流變?yōu)橹绷?，接著用電容C1、C2、C3、C4濾波，最終用三端穩(wěn)壓芯片7812、7912、7805穩(wěn)壓后再經(jīng)電容C5、C6、C7、C8濾波就可得到+12V,-12V，+5V的電源。

3.6整機電路圖和系統(tǒng)仿真

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整機電路圖見附錄一。系統(tǒng)仿真采用仿真軟件Proteus,圖8、9分別為預設0V和10.0V輸出電壓的仿真結果。

1K

1234567891011121314+5VP0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD

C4U130pF19XTA

L1

R8

VSSVDDVEERSRWED0D1D2D3D4D5D6D7

LCD1393837363534333221222324252627281011121314151617+5V1234567810K161514131211109

X1C3C2+5V30pF922uFCRYSTAL18

XTAL2

RST

29PSEN30ALE31EA

+5v

S1+5V

S2S3S4

+5V

U31234567891020CSVCC19WR1ILE(BY1/BY2)18GNDWR217DI3XFER16DI2DI415DI1DI514DI0DI613VREFDI712RFBIOUT211GNDIOUT1DAC0832

12345678

P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C51+12VDBG_TRACE=1

+12V

+5V

U4:A4312

R211.5k4

R202k

32

U4B+0.571Volts

11

LM324

10k

R22

-12V-12v

圖8預設值為0V時的仿真圖-8-

11

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圖9預設值為10V時的仿真圖

從上述仿真圖8得知，當液晶的預設電壓為0V時，系統(tǒng)最終的輸出為0.57V，是由AD0832轉換的精度決定的。從圖9可知，通過按鍵把液晶的顯示值電壓設為10.0V時，系統(tǒng)最終的輸出為9.75V，誤差值為0.25V。

4.軟件程序設計

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4.1程序設計流程圖

程序設計流程圖[6]如圖10所示。程序開始以后，首先液晶初始化，顯示液晶

初試的預設電壓值。然后進行按鍵檢測，假使沒有按鍵按下，顯示液晶當前的初試電壓；假使有按鍵按下，進入電壓檢測中斷程序，確認當前液晶的調(diào)整值。接著檢測D/A是否啟動，啟動以后進行數(shù)模轉換，將轉換后的模擬量送給系統(tǒng)最終輸出端。

圖10程序設計流程圖

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4.2程序代碼

下面C代碼嚴格依照上述程序流程出分塊寫出，然后用Keil51編譯通過。第一塊為Keil51的位聲明；其次塊為延時子程序；第三塊為液晶的初始化程序；第四塊為電壓檢測中斷程序；最終為主程序[7]。

//Keil51位聲明//

#includereg51.h#defineucharsignedchar#defineuintsignedintsbitlcdrs=P2^0;sbitlcdwr=P2^1;sbitlcden=P2^2;sbitS1=P2^4;sbitS2=P2^5;sbitS3=P2^6;sbitS4=P2^7;

ucharcodeVoltageDat[]={Voltage:00.0V};ucharcodeCurrentDat[]={Current:0.00I};

ucharcount,S1num,V_point,V_ge,V_shi,I_point,I_ge,I_shi;ucharS1_OK=0,Confirm=0,DA0832,VCC,Power;//延時1ms子程序開始//voiddelay(uintz){}

//寫指令子函數(shù)//

voidlcd_write_com(ucharcom){

lcdrs=0;//lcdrs=0即設置寫指令狀態(tài)lcdwr=0;//寫狀態(tài)

uintx,y;

for(x=0;x121;x++)

for(y=0;yz;y++);

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沖}

lcden=0;//從這句開始將en置1然后又置零，是將其顯示為高脈

P0=com;//將要寫的指令傳給P0口delay(5);lcden=1;delay(5);

lcden=0;//en的高脈沖設置完畢

//寫數(shù)據(jù)子函數(shù)//

voidlcd_write_dat(ucharx_pos,uchary_pos,uchardat){

x_pos=0x0f;//X位置范圍0~15//y_pos=0x01;//Y位置范圍0~1//if(y_pos==1)x_pos+=0x40;x_pos+=0x80;lcd_write_com(x_pos);}

//液晶初始化子函數(shù)//

voidlcd_init(){

ucharnum;

lcd_write_com(0x38);//顯示162,57點陣，8位數(shù)據(jù)接口。lcd_write_com(0x0c);//顯示開/關及光標設置

lcdrs=1;//lcdrs=1即設置寫數(shù)據(jù)狀態(tài)lcdwr=0;//寫狀態(tài)

lcden=0;//從這句開始將en置1然后又置零，是將其顯示為高脈沖P0=dat;//將要寫的數(shù)據(jù)傳給P0口delay(5);lcden=1;delay(5);

lcden=0;//en的高脈沖設置完畢

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lcd_write_com(0x06);//設置讀寫一個字符后指針自動加1或減1及整屏左

移動

lcd_write_com(0x01);

lcd_write_com(0x80);//設置數(shù)據(jù)指針位置，即從什么位置開始顯示，for(num=0;num14;num++){}

lcd_write_com(0x80+0x40);//設置數(shù)據(jù)指針位置for(num=0;num14;num++){}

lcd_write_dat(num,1,CurrentDat[num]);delay(5);

lcd_write_dat(num,0,VoltageDat[num]);delay(5);

}

//電壓檢測中斷程序//

ucharkeyscan()//等待調(diào)時間的子函數(shù)，S1S2S3為功能鍵按，S1閃爍調(diào)整位置的功能鍵，S2增加1，S3減少1{

if(S1==0){

delay(5);//鍵盤按鍵消抖if(S1==0){

S1num++;//S1增加功能鍵按下的次數(shù)while(!S1);//按鍵松手檢測if(S1num==1){

lcd_write_com(0x80+11);

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}

lcd_write_com(0x0f);//光標閃爍，表示可以調(diào)整時間

if(S1num==2)//假使S1即其次次按下，光標向前移動{}

if(S1num==3)//假使S1即第三次按下，光標向前移動{}

if(S1num==4)//假使S1即第四次按下，光標向前移動{}

if(S1num==5)//假使S1即第五次按下，光標向前移動{}

if(S1num==6)//假使S1即第六次按下，光標向前移動{}

if(S1num==7)//假使S1即第七次按下，則定時器開始計時，S1num

lcd_write_com(0x80+0x40+8);lcd_write_com(0x80+0x40+10);lcd_write_com(0x80+0x40+11);lcd_write_com(0x80+8);lcd_write_com(0x80+9);

清零，光標不閃爍

}

}

{}

S1num=0;S1_OK=1;

lcd_write_com(0x0c);

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if(S1num!=0){

if(S2==0){

delay(5);

if(S2==0)//在S2按下時，實現(xiàn)加1調(diào)整{

while(!S2);//電壓增加調(diào)整if(S1num==1){}

if(S1num==2){}

if(S1num==3){

V_shi++;if(V_shi==3)

V_shi=0;V_ge++;if(V_ge==10)

V_ge=0;V_point++;if(V_point==10)

V_point=0;

lcd_write_dat(11,0,0x30+V_point);lcd_write_com(0x80+11);

lcd_write_dat(9,0,0x30+V_ge);lcd_write_com(0x80+9);

lcd_write_dat(8,0,0x30