1、 By KuangJunBinKuangJunBin： 如您对本项目感兴趣或者有 任何疑问，欢迎与我一起探讨：。谢谢您的阅读！数控电压源设计报告 - 2 -数控电压源摘要：本作品采用 AT89S52 作为系统的控制核心，基于芯片MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311，良好地实现电压转换、电压控制、实时显示、电流扩大、同步电压电流测量、过压保护等主要功能。另外，采用 1*4 键盘进行参数设置，采用 LED 显示参数设置，界面清晰，人机交互友好。本电压源的特色是增加了 13V 过压提示和 1.3A 过流保护，以及采用ICL7107 芯片实现对输出电压和
2、输出电流电流实时测量、显示。关键词：DC-DC 转换、AT89S52、数控、扩流、同步电压电流测量、过压保护ABSTRACT：This work adopts the AT89S52 as the control-center of the system, basing on MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311, performing the main functions of volt transfer, volt control,displayin-phase,current amplify, volt and current measur
3、ing in-phase、overflow protection. In addition, it adopts 1*4 keyboards to set parameters and LED to display the parameters. The intercourse between man and machine is friendly. The function of our work is powerful. KEYWORD:DC-DC transfe、AT89S52、digital control、current amplify、volt and current measur
4、ing in-phase、overflow protection数控电压源设计报告 - 3 -目 录摘 要 1目 录 2第一章 总 论 41.1 参赛题目 41.2 设计分析与比较论证 6第二章 电路原理 72.1 电压转换模块 82.2 数字控制模块 122.3 电压处理模块 数控电压源设计报告 - 4 - 152.4 电流扩大模块 172.5 功能扩展模块 18第三章 软件流程 223.1 主体流程 22第四章 测试分析 254.1 测试仪器 254.2 测试方法与数据 26第五章 完成与总结 28数控电压源设计报告 - 5 -第一章 总 论A 题 数控电压源一、任务设计并制作一个简易数控
5、稳压电源。 二、要求（一）基本要求1、在输入直流电压变化范围+3V+12V 的条件下 ： （1）输出要求： a. 输出电压： 0V 到+10V/DC 可调，步进为 0.1V，误差的绝对值小于 1%； b. 最大输出电流：1A； c. 电压调整率小于 1%（输入电压变化范围 +3V+12V，满载） ； d. 负载调整率小于 1%（输出电压为+9V ，负载电流变化范围 0.1A1A） ； e. 纹波电压（峰 -峰值）小于输出电压的 0.5%（满载时） ； （2） 电路效率大于 70%（满载时） 。 （二）发挥部分 （1） 电路效率大于 85%，纹波电压（峰-峰值）小于输出电压的 0.2%； （2）
6、 增加输出过载保护（大于 1.2A） 、输入过压保护（大于+13V） ，均提供报警指示；（3） 设计并制作一个输出电压、输出电流的测量电路，并能实时显示测量值，要求测量误差的绝对值小于 1%； （4） 其它特色与创新。数控电压源设计报告 - 6 -三、评分标准项 目 包括的主要内容或考核要点 满 分方案论证DC-DC 主电路的拓扑结构；控制方法及实现方案；提高效率的方法及实现方案8 电路设计与参数计算主电路器件的选择及参数计算；控制电路设计；效率的分析及计算；保护电路设计与参数计算；人机接口的设计20 测试方法与数据测试方法；测试仪器；测试数据(着重考查方法的正确性以及数据是否全面、准确)10
7、 测试结果分析与设计指标进行比较、分析，并提出改进方法 5 电路图及设计文件 重点考查完整性、规范性 7 设计报告总分 50 基本要求 实际制作完成情况 50 完成第（1）项 15 完成第（2）项 15 完成第（3）项 15 其他特色与创新 5 发挥部分总分 50 四、说明基本要求 b 中输出电流的测量以 10 欧负载为准，在满电压 10V 的输出情况，10 欧负载下，输出的电流为 1A。需要测量仪器：高频交流毫伏表（测量纹波电压） 、电流表（测量输出电流）、10 欧电阻负载（基本要求 b 测量） ；测量负载调整率需要一个功率 10W 以上，阻值为 100 欧可调的滑动电阻器或者电阻箱。数控电
8、压源设计报告 - 7 -1.2 设计分析和比较论证：方案一：用 AT89S52 做单片机控制器，时钟频率可达 24MHz，外扩 12 位 DA和 AD 转换，输出参考电压，以达到电压步进精度；末级采用大功率三极管2N3055 扩流，实现电流输出控制，井采用 7289 做显示、键盘扩展。整机成本低，但外围电路繁琐，编程难度大，且系统资源不够使用，转换速度难达到指标，很有可能造成制作失败或技术参数不达标，故不选用此方案。方案二：使用 AT89S52 单片机做控制器，以数模转换器 DAC0832 输出参考电压 0.00-2.00V 参考电压，再使用低温飘运放 LM358 实现 5 倍放大，达到0.0
9、-10.0V 的输出电压范围，并引入深度负反馈控制电压输出精度。最后，使用两片 ICL7107 分别对输出电压和输出电流进行监控和显示。该电路设计简单，应用广泛，精度较高等特点。数控电压源设计报告 - 8 -第二章 电路原理本作品采用 AT89S52 作为系统的控制核心，基于芯片MC34063、DAC0832、CD4511、LM358、ICL7107、LM311，良好地实现电压转换、电压控制、实时显示、电流扩大、同步电压电流测量、过压保护等主要功能。另外，采用 1*4 键盘进行参数设置，采用 LED 显示参数设置，各部分电路结构方框图如下所示：控制核心AT89S52电压转换扩流4 个 LED数
10、码管CD45111*4 键盘DAC0832过压保护电压电流测量总体电路结构方框图数控电压源设计报告 - 9 -下面对各电路模块作具体理论分析：2.1 电压转换模块 MC34063方案一：图1 所示为本系统的DCDC变换模块拓扑结构。本系统的DC/DC 变换器采用可靠性较高的变压器隔离的单端正激式BOOST 结构。高频变压器的同名端如图所示。为了提高能量的转换效率，本系统中变压器的去磁回路不同于常规设计，此处被接到了次级绕组上。图1中的电容C4为隔直与激磁能量回收电容，当C4 稳态工作时，系统主要有以下两个过程：一是在功率器件Q 导通情况下，输入电压i U 加到高频变压器的原边绕组上，此时，变压
11、器的副边绕组输出电压极性为上正下负，二极管D2导通，负载获得能量，并且电容C4 借助于高频脉冲变压器的副边电流，将激磁能量转移到输出回路上去；另一过程就是功率器件Q 关断情况下，电容C4经过二极管D1 接收高频脉冲变压器原边反激回来的激磁能量。TL494 是一种性能优良的脉宽调制控制电路,可作为推挽式、全桥式、半桥式开关电源控制器, 工作频率为10kHz300kHz ,输出电压可达40V。本方案根据TL494的典型特点，构成了单片机89S52 辅助控制的正向变换器方式开关电源。数控电压源设计报告 - 10 -开关电源是借助晶体管的开/关(ON/OFF) 来实现能量交换的, 其输出控制, 由晶体
12、管的导通时间决定, 流行的方法是采用PWM控制, 具体的方法是控制晶体管导通的占空比。即: 控制脉冲信号的频率已定( 周期已定) , 调整占空比就是调整脉冲有效电平的宽度。方案二：MC34063 是一单片双极型线性集成电路，专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关，能输出 1.5A 的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。特点：*能在 3.0-40V 的输入电压下工作*短路电流限制*低静态电流*输出开关电流可达 1.5A（无外接三极管）*输出电压可调*工作振荡频率从 100HZ 到
13、100KHZ由于要灵活应对3-12V宽电压范围的输入，我们采用MC34063开关电源转换芯片实现升压，再根据电路各部分供电要求，用稳压电源芯片，例如78XX-ST系数控电压源设计报告 - 11 -列。由于此方案外围电路少，稳定性高，对输入电压适应能力强，所以我们采用方案二。我们根据官方给出的外围元件计算公式，如图：计算出的元件值详见电路原理图。数控电压源设计报告 - 12 -电路原理图：数控电压源设计报告 - 13 -2.2 数字控制模块AT89S52：主要性能：与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz 33Hz三级加密程序存储器32
14、个可编程I/O口线三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART串行通道低功耗空闲和掉电模式掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符功能特性描述：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，2
15、56字节 RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/ 计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许数控电压源设计报告 - 14 -RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52 的 I/O 具体分配如下表所示：AT89S52 的 I/O口对外接口 功能P00P03 CD4511 译码P04P07 三极管、数码管 数码
16、管位选通P10P17 DAC0832 控制 DAC 输出电压P20P23 键盘 参数设置电路原理图：数控电压源设计报告 - 15 -数控电压源设计报告 - 16 -2.3 电压处理模块DAC0832：采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接地，/WR2和/XEFR接地。DAC的11脚接参考电压，参考电压电路如图所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为5.12V/256=0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。DA的电压输出端接放大器LM358的输入端，放大
17、器的放大倍数为 R8/（R8+R9）=1K/（1K+4K）=5，电压分辨率=0.02V5=0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。数控电压源设计报告 - 17 -参考电压电路原理图电压控制模块原理图：数控电压源设计报告 - 18 -2.4 电流扩大模块TIP122：扩流输出部分，我们首先采用一片LM358作为电压跟随，以减少本级电路对数控电压源设计报告 - 19 -前一级电路的影响。然后采用达林顿管TIP122，并接成设计跟随器的电路方式，对输出电流做进一步的扩大，理论最大电流输出可达2A以上。由于引入
18、了深度负反馈，所以最终的电压输出与电压控制模块相同。电路原理图：2.5 扩展功能模块2.5.1 过压提示电路数控电压源设计报告 - 20 -采用比较器 LM311，把输入电压分压到 LM311 的一端，另一端采用精准电流源 TL431 提供一个 5V 的基准电压供比较。如果输入电压大于 13V，则 LM311输出高电平，发光二极管导通，提示灯亮起。电路原理图：2.5.2 过流保护电路数控电压源设计报告 - 21 -过流保护电路采用三极管 9013，BE 级见串入 0.5 欧姆的电阻，电阻上流过的是输出的总电流。当输出电流达到大概 1.3A 时，三极管 9013 导通，发光二极管亮起。集电极对
19、TIP122 的基极分流，起到减少输出电流的效果。电路原理图：2.5.3 电压显示电路数控电压源设计报告 - 22 -ICL7107 是一块应用非常广泛的集成电路。它包含 3 1/2 位数字 A/D 转换器，可直接驱动 LED 数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。数字显示用的数码管为共阳型，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻。芯片第一脚是供电，正确电压是 DC5V 。第 36 脚是基准电压，正确数值是 1000mV。芯片第 31 引脚是信号输入引脚，可以输入 0-2000mV 的电压。开始时，把它接地，造成“0“信号输入，以方便测试。27,28,29 引脚
20、的元件数值，它们是 0.22uF,47K,0.47uF 阻容网络，这三个元件属于芯片工作的积分网络，不能使用磁片电容。芯片的 33 和 34 脚接的 104 电容也不能使用磁片电容。由于 ICL7107 的取样输入阻抗高大兆欧级别，所以电压取样我们使用了串连分压电路，直接从输出端分压成 1/10，输入到 ICL7107 的 Vin 即可。电路原理图：数控电压源设计报告 - 23 -2.5.4 电流显示电路数控电压源设计报告 - 24 -电流显示的主电路与电压显示一致，也是采用 ICL7107 作为电压检测和驱动 LED 数码管。电流采样电路采用电流-电压转换的方法，在输出级串连一个 1 欧姆的
21、功率电阻，即可把输出的电流信号转换为电压信号，输入到 ICL7107 的 Vin。第三章 软件流程本系统基于简洁的软件设计，算法结构严谨，程序运行流畅，系统可以实现丰富精准的控制与操作设置。主体流程如下所示源程序如下：#includeunsigned char cnt=0;unsigned char mode=1;实时显示开始键盘扫描数字信号输出控制 DAC0832数控电压源设计报告 - 25 -unsigned char segment10=0x00,0x08,0x04,0x0c,0x02,0x0a,0x06,0x0e,0x01,0x09;void delay(unsigned char t
22、)unsigned char i=0,j=0;for(i=t;i0;i-)for(j=248;j0;j-);void display()P0=segmentcnt%10|0x80;delay(10);P0=segment(cnt/10)%10|0x40;delay(10);P0=segmentcnt/100|0x20;delay(10);void voltout()P1=cnt;void key()if(P2_0=0)while(P2_0=0)voltout();display();if(mode=0)if(cnt90)cnt=100;else cnt+=10;else if(mode=1)i
23、f(cnt=100)数控电压源设计报告 - 26 -cnt=100;else cnt+;if(P2_1=0)while(P2_1=0)voltout();display();if(mode=0)if(cnt10)cnt=0;else cnt-=10;else if(mode=1)if(cnt=0)cnt=0;else cnt-;if(P2_2=0)while(P2_0=0)voltout();display();if(mode=1)mode=0;else mode=1;数控电压源设计报告 - 27 -void main()while(1)key();voltout();display();第四
24、章 测试与分析1.电压输出:调整输出电压范围,测电压覆盖范围：输出电压可以从 0 到 10V 以上电压输出步进为 0.1V2.电流输出：负载为 10 欧姆，输出电压为 10V 时，输出电流 I0.986A过流保护的动作电流 IO（th）= 1.3A3.空载时电压输出的数据处输入电压（万用表）LED 显示电压 实际测量值（示波器）数控电压源设计报告 - 28 -4.带负载时输出电压0.5 0.48 509mv1.0 0.98 1.01v1.5 1.49 1.49v2.0 2.00 2.00v2.5 2.50 2.50v3.0 3.00 3.01v3.5 3.50 3.50v4.0 4.00 4.
25、01v4.5 4.51 4.50v5.0 5.01 5.00v5.5 5.51 5.51v6.0 6.00 6.00v6.5 6.50 6.51v7.0 7.01 7.02v7.5 7.50 7.51v8.0 7.99 8.01v8.5 8.51 8.50v9.0 9.02 9.02v9.5 9.50 9.51v10.0 10.01 10.02v数控电压源设计报告 - 29 -5.步骤 3 的数据处理输入电压（万用表）LED 显示电压 实际测量值（示波器）0.5 0.48 468mv1.0 0.98 968mv1.5 1.48 1.46v2.0 1.98 1.97v2.5 2.49 2.46v
26、3.0 2.98 2.95v3.5 3.50 3.48v4.0 3.99 3.85v4.5 4.47 4.48v5.0 5.01 5.00v5.5 5.51 5.52v6.0 6.02 6.03v6.5 6.51 6.53v7.0 7.03 7.02v7.5 7.52 7.53v8.0 8.02 8.03v8.5 8.51 8.50v9.0 9.02 9.03v9.5 9.50 9.52v10.0 10.01 10.03v数控电压源设计报告 - 30 -空载时，输出电压与 LED 显示值一致，而且误差很小，达到预期效果。6.步骤六的数据处理A.接入阻值约为 11.6 欧姆的负载（芯片电压由电路
27、板提供）：Vin9V ， I in1.75AVout10V， Iout0.92A效率：58.41DC-DC 变换器效率=P O/ PIN.，其中 POU OIO，P INU INIIN。得到的效率是 58.41B.接入阻值约为 11.6 欧姆的负载（芯片电压由外加电源提供）：Vin9V I in0.5AVout5V， Iout0.2ADC-DC 变换器效率=P O/ PIN.，其中 POU OIO，P INU INIIN。得到的效率是 22.22第五章 完成与总结在规定时间内，我们完成方案论证、电路设计、制板焊接、软件编辑、调试测试等一系列工作，作品最终完成，良好地实现了题目中大部分基本要求和扩展要求，基本达到功能指标要求。当然，比赛时间仓促，我们在此次比赛中遇到不少难题，未能顺利解决，确实比较遗憾，但我们还是会不断学习，争取在赛后较短时间内克服这个难题。此外，我们的分工和团体合作效率也还有待提高，我们会努力改进缺点，提升效率，为以后的比赛做好充分准备。
