畢業(yè)設計論文(基于51單片機數(shù)控直流電源的設計)

本文主要論述了一種基于51單片機為核心控制器的數(shù)控直流電源的設計原理和實現(xiàn)方法。該電源具有電壓可預置、可步進調整、輸出的電壓信號和電流信號可同時顯示功能。文章介紹了系統(tǒng)的總體設計方案，其主要由微控制器模塊、穩(wěn)壓控制模塊、電壓/電流采樣模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊五部分構成。該系統(tǒng)原理是以STC89C52單片機為控制單元，以數(shù)模轉換芯片DAC0832輸出參考電壓控制電壓轉換模塊LM317輸出電壓大小，同時輸出穩(wěn)壓、恒流采用模數(shù)轉換芯片ADC0832對采樣的電壓、電流轉換為數(shù)字信號，再通過單片機實現(xiàn)閉環(huán)控制。文章最后對數(shù)控直流電源的主要性能參數(shù)進行了測定和總結，并對其發(fā)展前景進行了展望。單片機（MCU）；數(shù)模轉換器（DAC）；模數(shù)轉換器（ADC）；閉環(huán)控制惠州學院畢業(yè)論文Basedonthe51microcontrollernumericalDCpowersupplydesignAuthor：LiuXuezhiMajor：ElectronicinformationtechnologyTeacher：HuangLinTitle：AssociateProfessorAbstractThemethodofthispaperbasedonthe51microcontrollercoreofthenumericalcontrollerDCpowersupplydesigntheoryandrealization.Thepowersupplyhassomefunctionssuchaspresettingvoltage,steppingadjustment,displayingtheoutputvoltagesignalsandcurrentsignalsatthesametime.Thispaperintroducesageneraldesigningplanofthesystem,whichismainlyconsistedofmicro-controllermodule,DCRegulatorsmodule,voltage/currentsamplingmodule,displaymodule,keyboardmodule,powersupplymodule.Thesystemisbasedontheprincipleofsingle-chipmicrocomputertocontroltheunitSTC89C52toDAC0832digital-to-analogconverterchipreferencevoltagetocontroltheoutputvoltageLM317outputvoltageconversionmodulesize,whiletheoutputvoltageregulator,currentuseofanalog-to-digitalconverterADC0832chipsamplingofvoltageandcurrentconvertedtodigitalsignals,andthenthroughthesingle-chipclosed-loopcontroltoachieve.ArticleonthemainDCpowersupplyCNCperformanceparametersweremeasuredandsummarized,andtheirdevelopmentprospects.Keywordsmicrocontroller(MCU)，theDigitaltoAnalog(DAC)，theAnalogtoDigital(ADC)，theclosed-loopcontrol基于51單片機數(shù)控直流電源的設計1.前言………………11.1研究背景及意義…………………11.2國內外研究現(xiàn)狀…………………11.3課題的主要內容…………………21.4論文的總體結構…………………32.方案論證與設計基礎知識…………32.1方案設計與論證…………………32.2主控單片機(MCU)………………52.3液晶顯示屏（1602）……………62.4三端可調穩(wěn)壓器…………………82.5運算放大器OP07………………92.6數(shù)模轉換芯片…………………102.7模數(shù)轉換芯片…………………113.系統(tǒng)電路原理及硬件實現(xiàn)………123.1系統(tǒng)總體框圖…………………123.2系統(tǒng)模塊電路設計……………133.2.1單片機控制模塊………………13惠州學院畢業(yè)論文3.2.2穩(wěn)壓控制模塊…………………143.2.3電壓與電流采樣模塊…………153.2.4顯示模塊………………………183.2.5電源模塊………………………193.2.6鍵盤模塊………………………203.3系統(tǒng)整體原理圖………………204.系統(tǒng)的軟件設計…………………214.1軟件設計思路…………………214.2系統(tǒng)軟件流程…………………214.2.1主程序模塊……………………214.2.2閉環(huán)比較程序模塊…………235.系統(tǒng)測試與誤差分析……………245.1系統(tǒng)測試………………………245.1.1軟件測試……………………245.1.2硬件測試……………………245.1.3系統(tǒng)整體測試…………………255.2誤差分析………………………266.設計總結和展望…………………27致謝…………………29參考文獻……………30附錄1系統(tǒng)整體原理圖………………31附錄2系統(tǒng)源程序……………………32基于51單片機數(shù)控直流電源的設計1.1.1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)。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。直流穩(wěn)壓電源是電子技術常用的儀器設備之一,廣泛的應用于教學、科研等領域，是電子實驗員、電子設計人員及電路開發(fā)部門進行實驗操作和科學研究所不可缺少的電子儀器。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源來供電。而整個穩(wěn)壓過程是由電源變壓器、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)壓電源功能簡單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復雜度高。普通的直流穩(wěn)壓電源品種有很多,但均存在以下二個問題: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,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。穩(wěn)壓方式均是采用串聯(lián)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。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(wǎng)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(tǒng)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，這既降低惠州學院畢業(yè)論文了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。傳統(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(shù)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(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。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(xiàn)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。1.2從十九世紀90年代末起，隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)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)1展。在上世紀80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉向到上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(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。隨著科學技術的迅速發(fā)展，人們對物質需求也越來越來高，特別是一些高新技術產品。如今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展,整流系統(tǒng)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(xiàn)了直流電源的無人值守。并且，在當今科技快速發(fā)展過程中，模塊化是直流電源的發(fā)展趨勢，并聯(lián)運行是電源產品大容量化的一個有效手段，可以通過設計N+1冗余電源系統(tǒng)，實現(xiàn)容量擴展，提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性，縮短維修、維護時間，從而使企業(yè)產生更大的效益。如：揚州鼎華公司近些年基于51單片機數(shù)控直流電源的設計來結合美國SorensenAmrel等公司的先進技術，成功開發(fā)了單機最大功率120KW智能模塊電源，可以并聯(lián)32臺（可擴展到64臺），使最大輸出功率可以達到7600kW以上。智能模塊電源采用電流型控制模式，集中式散熱技術，實時多任務監(jiān)控，具有高效、高可靠、超低輻射，維護快捷等優(yōu)點，機箱結構緊湊，防腐與散熱也作了多方面的加強。它的應用將會克服大功率電源的制造、運輸及維修等困難。而且和傳統(tǒng)可控硅電源相比節(jié)電20%-30%節(jié)能優(yōu)勢，奠定了它將是未來大功率直流電源的首選。1.31、如何實現(xiàn)對電源的輸出控制系統(tǒng)設計的目的是要用微處理器來替代傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中手動旋轉電位器，實現(xiàn)輸出電壓在電源量程范圍內步進可調，精度要求高。實現(xiàn)的途徑很多，可以用DAC的模擬輸出控制電源的基準電壓或分壓電阻，或者用其它更有效的方法，因此如何選擇簡單有效的方法是本課題需要解決的首要問題。2、數(shù)控直流電源功能的完備數(shù)控直流穩(wěn)壓電源要實現(xiàn)電壓的鍵盤化輸出控制，同時要具備輸出、過壓過流保護及數(shù)組存貯與預置等功能。另外，根據(jù)要求電源還應該可以通過按鍵選擇一些特殊的功能。如何有效的實現(xiàn)這些功能也是課題所需研究解決的問題。3、性能指標輸出最大電壓:15V輸出最大電流:1A2惠州學院畢業(yè)論文電壓步進:0.1V電壓分辨率:0.02V1.4第一部分簡要介紹課題的背景、意義、國內外研究現(xiàn)狀，介紹本文的主要研究內容,包括實現(xiàn)的目標、功能的完備和性能指標。第二部分提出了數(shù)控直流電源的總的設計思路和幾種實現(xiàn)方案論證，以及相關系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，對這些方案的可行性進行比較分析，選擇了一種基于51單片機系統(tǒng)的數(shù)控直流電源的方案，并對該方案運用的基礎知識和使用的器件作出扼要的介紹。第三部分模塊化詳細闡述了基于51單片數(shù)控直流電源的系統(tǒng)整體結構和設計框圖，包括數(shù)據(jù)單片機控制模塊、穩(wěn)壓控制模塊、電壓/電流采樣模塊、電源模塊及鍵盤模塊。第四部分主要闡述了數(shù)控直流電源的軟件系統(tǒng)的設計思路和軟件設計流程。第五部分對數(shù)控直流電源的性能參數(shù)進行測量與評估，以及對誤差進行分析。第六部分對本數(shù)控直流電源的給出了本課題的結論，并對其發(fā)展前景進行了展望。2.2.1根據(jù)設計的要求：1、最高輸出電壓15V，最大輸出電流1A。2、電壓步進0.1V。3、紋波系數(shù)盡可能小，輸出穩(wěn)定。4、有限按鍵操作方便，LCD顯示界面。基于51單片機數(shù)控直流電源的設計5、閉環(huán)控制理論的嵌入式軟件實現(xiàn)。特色及基本技術路線：1、低成本解決方案。2、直觀的實驗效果。3、經(jīng)典理論驗證平臺先硬件后軟件，先局部后整體。我設計出以下三個方案：方案一：設計開關電源。在前期方案設計中采用PWM脈寬調制。它的功耗小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬，電路形式靈活多樣，功耗小，效率高。在制作過程中發(fā)現(xiàn)，PWM3占空比的線性變化使相應的電流呈非線性變化，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)濾波電容的存在對占空比很小的PWM波積分效果明顯，導致電壓的非線性變化更顯著，特別是PWM占空比很小時(希望得到輸出的電壓很小)，利用單片開關電源的PWM技術控制開關的占空比來調整輸出電壓的，以達到穩(wěn)定輸出的目的。但用數(shù)字量控制的作用更加明顯。方案二：用D/A和運算放大器做電流源，即采用D/A輸出調節(jié)晶體管的偏值電流（電壓）。采用此方案能有效的縮短調節(jié)時間，并能提高輸出精度。設計方案，包括了微控制器模塊、穩(wěn)壓控制模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊四部分構成,形成開環(huán)控制。方案原理示意圖見圖2-1：惠州學院畢業(yè)論文圖2-1方案二原理框圖采用常用的51芯片作為控制器，P0口和DAC0832的數(shù)據(jù)口直接相連，DA的電壓輸出端接放大器OP07的輸入端，設定放大器的放大倍數(shù)為5，輸出到電壓模塊LM3317的電壓分辨率0.1V。所以，當MCU輸出數(shù)據(jù)增加1的時候，最終輸出電壓增加0.1V，當調節(jié)電壓的時候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓。數(shù)碼管顯示電路，該系統(tǒng)使用3個數(shù)碼管，可以顯示三位數(shù)，分別組成顯示電路的十位、個位、小數(shù)點位。本主電路的原理是通過MCU控制DA的輸出電壓大小，通過放大器放大，給電壓模塊作為最終輸出的參考電壓，真正的電壓，電流還是由電壓模塊LM317輸出。4方案三：用D/A和運算放大器做電流源，即采用D/A輸出調節(jié)晶體管的偏值電流51單片機(8051)掉電存貯單元(24C02)三位數(shù)碼管顯示單元電壓控制單元(LM317)按鍵電路電源電路基于51單片機數(shù)控直流電源的設計（電壓）；使用電壓/電流采樣電路，通過A/D轉換實現(xiàn)閉環(huán)控制。采用此方案是對方案二的改進，能有效的縮短調節(jié)時間，進一步提高輸出精度。設計方案，其主要由微控制器模塊、穩(wěn)壓控制模塊、電壓/電流采樣模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊五部分構成。液晶屏顯示電路，該系統(tǒng)使用LCD1602液晶顯示屏，可以清晰地顯示分別組成顯示電路的十位、個位、小數(shù)點位，同時還能顯示英文名稱和電壓/電流單位。方案原理示意圖見圖2-2。圖2-2方案三原理框圖依據(jù)設計要求中說提出的特色及基本技術路線，所以最后選用方案三。2.2(MCU)2.2.1STC89C52STC89C52為8位單片機，程序存儲器為8K，外部可擴展至64KB，內部RAM為512B，可擴展至64KB，4組可位尋址的8位輸入/輸出口，即圖中P0，P1，P2，P3。51單片機(89C52)掉電存貯單元(24C02)LCD顯示單元電壓控制單元(LM317)按鍵電路電源電路輸出電壓/電流采樣惠州學院畢業(yè)論文有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，STC89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。在內5部功能及管腳排布上與通用的8xc52相同，其主要用于會聚調整時的功能控制。圖2-3STC89C52引腳圖2.2.2主要管腳有：XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。P0~P3為可編程通用I/O腳，其功能用途由軟件定義，在本設計中，P0端口（32~39腳）被定義為N1功能控制端口，分別與N1的相應功能管腳相連接，13腳定義為IR輸入端，10腳和11腳定義為I2C總線控制端口，分別連接N1的SDAS（18腳）和SCLS（19腳）端口，12腳、27腳及28腳定義為握手信號功能端口，連接主板CPU的相應功能端，用于當前制式的檢測及會聚調整狀態(tài)進入的控制功能?；?1單片機數(shù)控直流電源的設計2.316022.3.1LCD1602LCD1602可以在LCD顯示屏上完整顯示32個英文字符和日文等一些字符,適合顯示英文文字信息量較小的地方.可以應用在計算器,頻率計,信號發(fā)生器,時鐘等產品上。6圖2-4LCD16021、顯示容量:16X2個字符.2、芯片工作電壓:4.5-5.5V3、工作電流2MA(5.0V)不包括背光電流.4、模塊最佳工作電壓為5V5、字符尺寸:2.95X4.35(WXH)mm6、帶有英文和日文字庫,使用方便.惠州學院畢業(yè)論文2.3.2表2-1LCD1602引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地2VDD電源正極3VL液晶顯示偏壓信號4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）5R/W讀/寫選擇端（H/L）6E使能信號7D0Data1/078D1Data1/09D2Data1/010D3Data1/011D4Data1/012D5Data1/013D6Data1/014D7Data1/015BLA背景光源正極16BLK背景光源負極2.4LM317是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路。LM317的輸出電壓范圍是2V至37V，負載電流最大為5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM317內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路?；?1單片機數(shù)控直流電源的設計可調整輸出電壓低到2V。保證0A輸出電流。典型線性調整率0.01%。典型負載調整率0.1%。80dB紋波抑制比。輸出短路保護。過流、過熱保護。調整管安全工作區(qū)保護。標準三端晶體管封裝。電壓范圍25V至37V連續(xù)可調。LM317工作原理：LM317的輸入最同電壓為30多伏，輸出電壓5----32V...電流5A...不過在用的時候要注意功耗問題...注意散熱問題。LM317有三個引腳.一個輸入一個輸出一個電壓調節(jié)。輸入引腳輸入正電壓,輸出引腳接負載,電壓調節(jié)引腳一個引腳接電阻(200左右)在輸出引腳,另一個接可調電阻(幾K)接于地.輸入和輸出引腳對地要容。8LM317標準應用電路圖惠州學院畢業(yè)論文圖2-5LM317應用電路LM317的輸出電壓：Vout=1.25V(1+R2/R1)+IAdjR2。因為IAdj控制在小于100uA，IAdjR2這一項的誤差在多數(shù)的應用中可以忽略，這時的輸出電壓為Vout=1.25V(1+R2/R1)。2.5OP07OP07低噪聲高精度運算放大器圖2-6OP07引腳圖基于51單片機數(shù)控直流電源的設計92.5.11、低的輸入噪聲電壓幅度—0.35μVP-P(0.1Hz～10Hz)2、極低的輸入失調電壓—10μV3、極低的輸入失調電壓溫漂—0.2μV/℃4、具有長期的穩(wěn)定性—0.2μV/MO5、低的輸入偏置電流—±1nA6、高的共模抑制比—126dB7、寬的共模輸入電壓范圍—±14V8、寬的電源電壓范圍—±3V～±22V9、可替代725、108A、741、AD510等電路2.5.2OP07高精度運算放大器具有極低的輸入失調電壓，極低的失調電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度及長期穩(wěn)定等特點?？蓮V泛應用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、比較器及微弱信號的精確放大，尤其適應于宇航、軍工及要求微型化、高可靠的精密儀器儀表中。2.6惠州學院畢業(yè)論文D/A轉換芯片DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉換器。如圖2-6所示，它由倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡、模擬開關、運算放大器和參考電壓VREF四大部分組成。DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。10圖2-7DAC0832引腳圖D0~D7：數(shù)字信號輸入端。基于51單片機數(shù)控直流電源的設計ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。CS：片選信號，低電平有效。WR1：寫信號1，低電平有效。XFER：傳送控制信號，低電平有效。WR2：寫信號2，低電平有效。IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。Rfb：是集成在片內的外接運放的反饋電阻。Vref：基準電壓（10~10V）。Vcc：是源電壓（+5~+15V）。AGND：模擬地NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。2.72.7.1A/DADC0832ADC0832是具有多路轉換開關的8位串行I\OAD轉換器，轉換速度較高。正常情況下，ADC0832與單片機的接口應為4條數(shù)據(jù)線，分別是/CS、CLK、DO和DI，但由于DO與DI在通信時并未同時使用，并且與單片機的接口是雙向的，在/CS變低后的前3惠州學院畢業(yè)論文個時鐘周期內DI端被檢測，DO端呈高阻態(tài)。數(shù)據(jù)轉換開始后，DI線被禁止，直到11下一次轉換開始，所以在I/O口資源緊張時可以將DI和DO并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。圖2-8ADC0832引腳圖2.7.2ADC08321、CS_片選使能，低電平芯片使能。2、CH0模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。3、CH1模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。4、GND芯片參考0電位（地）。5、DI數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。6、DO數(shù)據(jù)信號輸出，轉換數(shù)據(jù)輸出。7、CLK芯片時鐘輸入。8、Vcc/REF電源輸入及參考電壓輸入（復用）。3.基于51單片機數(shù)控直流電源的設計3.1系統(tǒng)的總體設計方案主要由微控制器模塊、穩(wěn)壓控制模塊、電壓/電流采樣模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊五部分構成。123-1系統(tǒng)總體框圖輸出顯示(LCD1602)MCUSTC89C52EEPROM數(shù)據(jù)存儲(24C02)數(shù)模轉換DAC0832按鍵(三個)電壓放大OP07可調穩(wěn)壓LM317輸出模數(shù)轉換ADC0832電壓跟隨器TS914電壓電路電流放大并轉換成電壓(L272)電壓采樣電流采樣電源(+15V、-15V、+5V)輸入惠州學院畢業(yè)論文3.23.2.1MCU模塊即為單片機部分，整個控制都是依靠單片機完成。從功能和價位以及本題目要求來看，我選擇51系列STC89C52作為本方案的控制核心，P0口接液晶顯示LCD1602作為輸出數(shù)據(jù)顯示傳輸，同時P20、P21、P22是液晶LCD控制端口；P1口接DAC0832作為輸出數(shù)據(jù)傳輸,P30為DAC0832控制端口；P31、P32、P33接三個獨立鍵盤作為輸入數(shù)據(jù)傳輸；P34、P35接容量為2K的數(shù)據(jù)存貯器24C02，可以實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)貯存和預置數(shù)據(jù)貯存；P25、P26、P27接ADC0832作為輸入/輸出數(shù)據(jù)傳輸。13基于51單片機數(shù)控直流電源的設計圖3-2單片機控制電路3.2.2本穩(wěn)壓控制模塊設計主要是用DAC0832輸出的參考電壓去控制LM317輸出大小變化。其中DAC0832的基準電壓Verf來源是通過調節(jié)LM336-5V基準源?？刂破鱏TC89C52的P1口和DAC0832的數(shù)據(jù)口直接相連，DA的/CS和/WR1連接后接P3.0，/WR2和/XEFR接地，讓DA工作在單緩沖方式下。DA的8腳接參考電壓，參考電壓電路如圖3-3所示，通過調節(jié)可調電阻調節(jié)LM336的輸出電壓為5.12V，DAC的輸出電流轉換為電壓的公式為：惠州學院畢業(yè)論文nREFfnREFnnnniVBRRVbbbbu22)22.......22(0012211?=????+?++?+??=????所以在DAC0832的11腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=0.02V，也就是說DA輸入數(shù)據(jù)端每增加1，電壓增加0.02V。在此電路中，R為取樣電阻，采用康銅絲繞制（阻值隨溫度的變化較小），阻值為0.35，因而采樣電阻的功率可以由P=I2*R算出。由圖3-3和圖2-5的LM317應用電路分析可得，設運算放大器OP07的輸入電壓分別為Ui1、Ui2，輸出電壓為Vo1。DA的14電壓輸出端接運算放大器OP07的輸入端，該放大電路運用了典型的差分式放大電路，并由差分放大公式Uo1=Au(|Ui1-Ui2|)且放大值Au=（R17+R18）/R17，得輸出電壓與輸入電壓關系Uo1=（R17+R18）/R17*(|Ui1-Ui2|)=（1K+4K）/1K*(|Ui1-Ui2|)=5*(|Ui1-Ui2|)。電源輸出電壓為Uout=Uo1+Uref*(1+R22/R23)=Uo1+1.25*(1+R22/R23)=Uo1+1.8，其中Uref為R23兩端的電壓，所以最小輸出電壓為8V,輸出到電壓模塊LM317的電壓分辨率=0.02V×5=0.1V。當MCU輸出數(shù)據(jù)增加1的時候，最終輸出電壓增加0.1V，當調節(jié)電壓的時候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓。基于51單片機數(shù)控直流電源的設計圖3-3穩(wěn)壓控制電路3.2.315惠州學院畢業(yè)論文圖3-4V/I采樣電路電壓與電流采樣模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，ADC0832是一個8位的逐次逼近型ADC，它與一個兩通道的模擬器連接，能對來自端口的兩路單端輸入電壓進行采樣。其中單端電壓輸入以0V(GND)為基準。對ADC的說明：以輸入電壓為標準，如果輸入電壓大于設定的電壓值，則減小DA輸出電壓一位數(shù)值，再采樣回為比較，如此循環(huán)，直到輸入的電壓等于設定的電壓值或者接近設定的電壓值（有時不可能完全相等）。同理，如果輸入電壓小于設定的電壓，則增大DA輸出電壓一位數(shù)值，再采樣回為比較，如此循環(huán)，直到輸入的電壓等于設定的電壓值或者接近設定的電壓值。這樣，就能達到閉環(huán)反饋的目的?；?1單片機數(shù)控直流電源的設計（1）電壓采樣電路電壓采樣電路(如圖3-5所示)是在輸出回路中并聯(lián)兩個可調電阻，調節(jié)使R12/（R11+R12）=1/5,則從兩個電阻之間采樣電壓為0.2Uo(Uo為電源輸出電壓)與系統(tǒng)DA轉換5Ui對應，然后通過運算放大器TS914連接成的電壓跟隨器，對采樣到的電壓輸入到模數(shù)轉換器ADC0832轉換成數(shù)字信號，輸入到單片機系統(tǒng)進行處理。16圖3-5電壓采樣電路（2）電流采樣電路電流采樣電路(如圖3-6所示)，為了提高系統(tǒng)控制的靈敏度，采用一級運算放大器對采樣電壓進行放大，再送到ADC進行A/D轉換。最后數(shù)據(jù)由單片機系統(tǒng)進行相應處理，而且該芯片是采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，硬件電路簡單。在輸出回路中串聯(lián)一個采樣惠州學院畢業(yè)論文電阻，從采樣電阻上得到一個反饋電壓。由運算放大器L272組成的差分比例運算電路，輸出電壓為Uo=R16/R15*(Ui1-Ui2)=20*(Ui1-Ui2)，Ui1、Ui2分別為采樣電阻R19兩端的電壓。由于采樣電阻阻值(0.35Ω)很小，在該電阻上的壓降相應也小，即壓降就為電流。其電流控制電路圖如圖3-6所示，放大倍數(shù)Au=R16/R15=60/3=20，經(jīng)運放過來的電壓通過A/D轉換，送給單片機處理，從而實現(xiàn)壓控穩(wěn)流。17基于51單片機數(shù)控直流電源的設計圖3-6電流采樣電路3.2.4顯示的方式很多，主要分為兩類：LED顯示，LCD顯示。前者顯示亮度高，制作成本低，適合做遠距離顯示，但由于其耗電較大，所用端口隨顯示的數(shù)據(jù)位數(shù)增加而增加。如果采用動態(tài)掃描方式顯示，則占用CPU的時間，如果采用靜態(tài)顯示則需要加鎖存器，耗費硬件制作時間，就該題目要求來說，需要設定電壓顯示，又與實際電壓比較再顯示，LCD顯示更為清晰、直觀，從上面諸多因數(shù)來看，采用LCD顯示比較理想。LCD最常用的就是1602液晶模塊。LCD1602可以在LCD顯示屏上完整顯示32個英文字符和日文等一些字符,適合顯示英文文字信息量較小的地方,可以清晰顯示出同時還能顯示英文名稱和電壓/電流單位,電壓(三位數(shù)字:十位、個位、小數(shù)位)，電流（三位數(shù)字：個位、兩位小數(shù)）。通過單片機編程控制第4腳RS數(shù)據(jù)/命令選擇端(H/L)，第5腳R/W讀/寫選擇端(H/L)，第6腳E使能信號，從而實現(xiàn)顯示效果。它的顯示運行原理如下：讀狀態(tài)：輸入：RS＝L，RW=H，E=H；輸出：D0～D7=狀態(tài)字寫指令：輸入：RS＝L，RW=L，D0～D7=指令碼，E＝高脈沖；輸出：無讀數(shù)據(jù)：輸入：RS＝H，RW=H，E=H；輸出：D0～D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)：輸入：RS＝L，RW=L，D0～D7=數(shù)據(jù)，E＝高脈沖；輸出：無18惠州學院畢業(yè)論文圖3-7LCD1602顯示電路3.2.5電源模塊是讓AC220V電源通過變壓器降壓，整流濾波后得到要調節(jié)電源輸入端（POWER-INPUT）；降壓為AC15V整流濾波后經(jīng)過三端穩(wěn)壓7815，7915得到DC±15V電壓為運算放大器供電；同時，降壓為AC5V整流濾波后經(jīng)過三端穩(wěn)壓7805得到DC+5V電壓為單片機和其它芯片提供工作電源?；?1單片機數(shù)控直流電源的設計圖3-8電源電路193.2.6系統(tǒng)中鍵盤模塊設計三個按鍵KEY1、KEY2、KEY3，如圖3-9所示，分別由單片機P31、P32、P33口輸入。KEY1為翻頁按鍵，最近設置的電壓大小保存在EEROM里面，比如5個電壓，按一下KEY1，電壓變?yōu)橄乱粋€，省去了反復設置電壓的麻煩，KEY2為電壓+，KEY3為電壓-，按一下KEY2，當前電壓增加0.1V，按一下KEY3，當前電壓減小0.1V?；葜輰W院畢業(yè)論文圖3-9鍵盤電路3.3本設計的數(shù)控直流電源是由STC89C52為主控模塊，DAC0832為數(shù)模轉換器，ADC0832為模數(shù)轉換器，三端穩(wěn)壓可調LM317為控制輸出芯片，鍵盤模塊由三個獨立按鍵組成；系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)主要由微控制器模塊、穩(wěn)壓控制模塊、電壓/電流采樣模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、電源模塊五部分構成，具有電壓可預置、可步進調整、輸出的電壓信號和電流信號可同時顯示功能。系統(tǒng)整體原理圖(見附錄。204.基于51單片機數(shù)控直流電源的設計4.1當系統(tǒng)上電，立刻進行初始化，分別是端口初始化，D/A、AD初始化，定時器初始化；然后系統(tǒng)默認電壓，默認電流?；舅悸罚喊存I掃描→D/A轉換、電壓/電流數(shù)值顯示→讀A/D轉換并比較糾正電壓/電流數(shù)值顯示→按鍵掃描，按前述循環(huán)。4.24.2.1流程圖如圖4-1示，負責與各子程序模塊的接口和檢查鍵盤功能號。程序運行后，開始檢測是否有鍵按下，若有則進入設定按鍵功能。液晶LCD1602直接顯示CPU設定的數(shù)值，使CPU資源得到充分利用。同時系統(tǒng)不斷采集外部數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關運算、分析，然后發(fā)出命令對實際值進行相應的修正，控制輸出電壓可調、穩(wěn)定。惠州學院畢業(yè)論文21基于51單片機數(shù)控直流電源的設計圖4-1主程序流程圖初始化開始調用閉環(huán)程序比較子程序D/A子程序A/D子程序是空載標志置數(shù)取鍵號是設置是“+”是“-”調用電壓設定子程序調用電壓加0．1V子程序調用電壓減0．1V子程序YYYYNNNN惠州學院畢業(yè)論文224.2.2流程圖如圖所示，通過調用閉環(huán)比較子程序得出實際值與設定值的差值，如果是實際值大于設定值則將原來的顯示設定值減去這個差值再送去轉換，如果是實際值小于設定值則將原來的顯示設定值加上這個差值再送去轉換。圖4-2閉環(huán)比較流程圖保護現(xiàn)場實際—設定差值大于1負標志位為0顯示設定值+差值顯示設定值-差值把結果顯示保留顯示設定值恢復現(xiàn)場返回NYYN基于51單片機數(shù)控直流電源的設計235.5.15.1.11、測試軟件程序編譯器keiluvision2程序燒錄器STC-ISPV352、編譯結果在編制完C語言后，即在keiluvision2界面下，進行了調試，結果如下：根據(jù)提示，我找到了，程序在編寫上的錯誤，加以改正，再次進行調試。通過上述簡單的測試，證明此次設計的程序基本上正確無誤。然后，將燒錄了程序的單片機STC89C52接到系統(tǒng)電路中，查看系統(tǒng)電路的運行情況；如果程序邏輯有問題可進一步修改，直到系統(tǒng)正常運行。惠州學院畢業(yè)論文5.1.21、DAC0832的參考電壓的調試，調節(jié)滑動變阻器R10使三端穩(wěn)壓器LM336-5.0穩(wěn)定輸出電壓為5.12V。由于三端穩(wěn)壓器LM336-5.0性能不穩(wěn)定和輸出要求精度高，必須要細心、耐心調試，直到輸出電壓達到要求。2、運放OP07的正輸入端電壓是來自于DAC0832的輸出。調試過程中，不但要測量正輸入端電壓是否按0.02V步進，而且還要測量OP07的輸出端電壓是否為0.1V的步進；由于電阻會存在誤差，測試時又要考慮是否需要稍微增加或減少DAC0832的輸入?yún)⒖茧妷篤ERF，以保證系統(tǒng)的精確度。243、運放OP07采用雙電源供電。如果雙電源存在不平衡性會造成放大的誤差，這時候需要調零，細心、反復調節(jié)滑動電阻R21使放大系統(tǒng)達到平衡。4、數(shù)控電源的最終輸出端沒有達到步進為0.1V的指標，檢查三端穩(wěn)壓器LM317性能的好壞和是否有誤差；如果LM317性能良好，需要協(xié)調前面三個步驟的調試，使最終的輸出電壓達到要求。5.1.31、測試工具開關電源T-50系列雙蹤示波器基于51單片機數(shù)控直流電源的設計數(shù)字萬用表2、測量結果表5-1電壓測試表系統(tǒng)理論值系統(tǒng)測量值顯示電壓值（V）理論碼值（bit）實測碼值（bit）實測電壓值(V)誤差(V)3.000011110000111103.20.24.500101101001011004.60.15.000110010001100015.10.15.500110111001101105.60.16.000111100001110116.006.501000001010000006.60.17.001000110010001017.20.27.501001011010010107.60.18.001010000010011118.008.501010101010101008.509.001011010010110019.20.210.001100100011000119.8-0.2系統(tǒng)由于剛開啟時在電壓方面不穩(wěn)定，存在一定誤差，但是單片機立刻會對其進行25控制，使系統(tǒng)再次穩(wěn)定。3、精度分析顯示電壓與實測電壓的折線圖如圖5-1所示。絕對誤差：?U=(0.2+0.1+……+0.2+0.2)/12=0.11V相對誤差：rA=?U/U=(0.2/3.0+0.1/4.0+……+0.2/9.0+0.2/10)/12=1.8%惠州學院畢業(yè)論文線性度:rL=?Lmax/YFS=0.2/15=1.3%靈敏度:K=0.1V圖5-1顯示電壓與實測電壓的折線圖5.2從電路的原理框圖可以看出，系統(tǒng)的誤差來源于四個方面：1、DAC0832的量化誤差,DAC為8位D/A轉換器，滿量程為15V的量化誤差為1/2LMBS=(1/2)*(1/28)*15V=29.30mV。按滿度歸一化的相對誤差為（1/2）*（1/28）=0.20%2、基準電壓溫漂引入的誤差LM336在0—40OC范圍內漂移不大于4mV，故相對誤差<=4mV/5V=0.08%。3、三端穩(wěn)壓器的電路引起的誤差。26024681012123456789101112顯示電壓值（V）實測電壓值(V)基于51單片機數(shù)控直流電源的設計圖5-2LM317穩(wěn)壓電路Uout=VREF+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)VREF+IadjR2改變電阻R2兩端電壓，即可改變輸出電壓的大小。由于Iadj很小(只有50μA)，可寫為Uo=(1+R2/R1)VREF=1.25(1+R2/R1)。此時的誤差為50*100/15*106=0.033%。4、其它器件和線路由于溫漂、不穩(wěn)定等原因引起的誤差。6經(jīng)過幾十天的艱苦奮戰(zhàn)，我最終完成了畢業(yè)設計的基本要求。雖然過程是艱苦的，但最終成功的喜悅同樣令我快樂。此設計用D/A和運算放大器做電源，即采用D/A輸出調節(jié)晶體管的偏值電流（電壓）。采用此方案能有效的縮短調節(jié)時間，并能提高輸出精度，經(jīng)計算需要采用8位的D/A芯片。為了爭取時間，降低成本，我們的解決方案是采用的51單片機。改變電壓的大小，惠州學院畢業(yè)論文當單片機通過閉環(huán)負反饋調節(jié)回路的A/D轉換檢測到電壓沒達到設定值時，將再次對輸出電壓進行調制，直到輸出電壓達到設定值；電壓值理論上是線性變化的，不會產生高次諧波，基本實現(xiàn)了任務書中的各項要求和目標，達到了此次畢業(yè)設計預期目的。但更重要的是培養(yǎng)了我的動手能力，使我進一步了解畢業(yè)設計的基本知識，能領會和靈活運用畢業(yè)設計中目標任務、計劃、過程控制、總結反饋等各個環(huán)節(jié)所涉及的內容，并且具備了迅速接受新知識的能力，對新挑戰(zhàn)具有一定的適應能力。271、收集相關資料。一方面利用學校圖書館資源，另一方面利用網(wǎng)上資源。2、提高設計效率，遇到不解的疑惑與老師、其他同學及時溝通，以迅速解決設計中遇到的問題。3、盡早落實工作，剩下時間專心致志做好畢業(yè)設計。4、同學之間相互學習、溝通、鼓勵、支持。本次設計過程中，對紋波也沒有提出嚴格要求，所以常用的穩(wěn)壓集成電路就可以滿足要求。本設計輸出的電壓穩(wěn)壓精度高，可以用在對直流電壓要求較高的設備上，或在實驗室中當作實驗電源使用。在本次設計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，給我的感覺就是很難，很不順手，看似原理比較簡單的電路，要動手把它給設計出來，是很難的一件事，主要原因是我們沒有經(jīng)常動手設計過電路，還有資料的查找也是一大難題，這就要求我們在以后的學習中，應該注意到這一點，更重要的是我們要學會把從書本中學到的知識和實際的電路聯(lián)系起來，這不論是對我們以后的就業(yè)還是學習，都會起到很大的促進和幫助，我相信，通過這次的畢業(yè)設計，在下一階段的學習中我會更加努力，力爭把功課學好，學精。同時，通過本次畢業(yè)設計，鞏固了我們學習過的專業(yè)知識，也使我們把理論與實踐從真正意義上相結合了起來；考驗了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡搜集、查閱相關文獻資料，和組織材料的綜合能力；從中可以自我測驗，認識到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的學習中得以改進、提高?；?1單片機數(shù)控直流電源的設計放眼今后，直流穩(wěn)壓電源今后的發(fā)展方向之一將是以微處理器為核心的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，它將利用最新的計算機技術、網(wǎng)絡技術及數(shù)字化技術，充分發(fā)揮微處理器強大的信息處理能力，使其突破傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源的概念，傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源的高穩(wěn)定性輸出僅是這種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源其眾多功能之一。它的功能包括:控制的智能化，即控制電路采用全數(shù)字化，控制手段用微處理器和單片機組成的軟件控制方式，達到了較高的智能化程度，并且進一步提高了電源設備的可靠性；將隨著微處理器和監(jiān)控軟件的引入，電源的自我監(jiān)控能力普遍增強，可以實時地監(jiān)控設備本身的各種運行參數(shù)和狀態(tài)，預警功能和故障診斷功能，有效地實現(xiàn)了實驗電源的無人職守;隨著互聯(lián)網(wǎng)技術應用日益普及和信息處理技術的不斷發(fā)展，在管理上達到網(wǎng)絡化，電源設備具備數(shù)據(jù)處理和通信能28力，通過其智慧型人機界面，使網(wǎng)絡技術人員可以隨時監(jiān)視電源設備運行狀態(tài)、各項技術參數(shù)；具有遠程開關機功能，使網(wǎng)絡技術人員可定時開關電源。隨著科學技術的發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源等儀表數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化將是發(fā)展方向。高精度數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的研制對準了這個發(fā)展方向，加上計算機技術的迅速發(fā)展，使之具有非常廣闊的發(fā)展空間。大學四年就快畫上一個句號了，畢業(yè)設計是我在學校交的最后一份答卷。在論文完成之際，感受收獲的喜悅的同時，心中充滿了更是感激之情。在此次畢業(yè)設計過程中，特別要感謝畢業(yè)設計指導老師黃琳副教授！感謝您在這段日子了對我親切的關懷和悉心的指導。由于本人自身知識有限，所以從課題的選擇到論文最終定稿這個過程中遇到了不少困難。在老師的耐心指導與督促之下，本論文經(jīng)過多番修改終于順利地完成。這個過程由始至終都離不開老師的辛勤。借此機會，我也感謝大學四年期間所有指導過我的老師，感謝他們對我無私的教誨和幫助，感謝他們的諄諄教導。在此同時也要非常感謝一直陪伴在我身邊給予我精神支持和行動支持的同學們，惠州學院畢業(yè)論文正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑。同學在你們身上我也學到了不少受益的知識。29[1]鄒紅.數(shù)字電路與邏輯設計[M].北京:人民郵電出版社,2008.3[2]李祥臣.模擬電子技術基礎教程.[M]北京:清華大學出版社,2005.3[3]童詩白,華成英.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2006.1[4]邱關源.電路(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.4[5]李群芳,張士軍,黃建.單片微型計算機與接口技術(第二版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.12[6]劉文濤.單片機語言C51典型應用設計[M].北京:人民郵電出版社,2006.5[7]于永,戴佳,常江.51單片機實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.4[8]曹鳳.微機數(shù)控技術及其應用[M].四川:電子科技大學出版社,2002.8[9]胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學出版社,2007.1[10]潘永雄,沙河,劉向陽.電子線路CAD實用教程(第二版)[M].陜西:西安電子科技大學出版社,2006.9[11]Jun-LianZhangandJian-XunJin.AnalysisofDCPowerTransmissionUsingHighT_cSuperconductingCables[J]，JournalofElectronicScienceandTechnologyofChina,2008.（2）[12]S.Levialdi,NATOASTonSigitalimageprocessing,1980:105-145[13]PowerIntegration.Inc.Topswich-GX(TOP242-249)datasheets[R],2000[14]PowerIntegration.Inc.Nationalsemiconductordatasheets[R].2005[15]ClovisL.Tondo,ScottE.Gimpel