1、江西师范大学 2008 届本科毕业生论文题目：数控电源的设计Title:Design of Digital Controlled Power院系名称：物理与通信电子学院学生姓名：学生学号：专业：指导老师：完成时间：2008 年 4 月I摘要本系统以 AT89S52 单片机作为系统的核心，由 D/A 数字模拟转换模块、按键、LED 串口显示模块等模块组成一个数控电源。该系统实现了输出电压：范围 215.0V，步进 1V，纹波不大于 10mV；输出电流：500mA；输出电压值由数码管显示；由“”、“”两键控制输出电压步进增减。输入模块的按键按下之后，对单片机就有了一个输入，单片机将输入的数字一方面
2、给显示模块，让它们在数码管中显示出来；另一部分输给 DAC0832，让它转化为模拟量电流输出，通过运算放大器将这模拟量转化为相应的电压，这电压经过放大后控制LM317 的控制端，从而实现输出电压的控制。关键词：AT89S52 单片机,数控电源, D/A,直流电源IIAbstractThe AT89S52 SCM is the heart of the NC Power,which is made up of Digital-analog converter module,key module and LED display module.The Output voltage of the sy
3、etem is between 2V and +15.0V,Stepped by 1V,the ripple is not more than 10mV,and the output current is 500mA,The value of Output voltage is displayed by Digital control,and the stepping change in output voltage is controlled by “+and “-“keys.When you press the button of the input module,the SCM will
4、 have an input.On the one hand ,the SCM transfers the figures into the display module,which display the figures,on the other hand, the SCM transfers the rest information into DAC0832,making it into a simulation of output current.By the operational amplifiers the simulation is changed into the approp
5、riate voltage,which is used to control LM317-control ,so it is success in the control of output voltage.Keywords:AT89S52 monolithic integrated circuit, numerical control power source, D/A,direct-current power supply 目录摘要 IABSTRACTII1 引言 12 设计要求 13 方案论证 13.1 D/A 数字模拟转换模块 23. 可调稳压芯片 23.3 按键控制模块 23.4 显
6、示模块 34 设计原理 34.1 单片机模块 34.1.1 单片机介绍 34.1.2 单片机外围电路介绍 54.2 D/A 模块 64.2.1 D/A 电路简介 64.2.2 DAC0832 及其外围电路 64.2.3 D/A 转换的计算 84.3 LED 数码管显示模块 104.3.1 数码管显示简介 104.3.2 数码管编码表 114.4 直流电源 124.4.1 直流供电电源制作原理 124.4.2 输出电源工作原理 135 软件部分 145.1 开发工具介绍 145.2 程序框图:156 仿真结果数据分析 157 结束语 16参考文献 17附录一：电路图 18附录二：源程序 1911
7、 引言在现代家庭中各种电器的不断出现，并要求着各种不同值的电源出现，使得家庭购买不同值得电源。数字化的也更加贴近人们的生活，因为它更加的直观，易被接受，大家都开始追求数字化的各类电子产品。数控直流电源有着直观，易操作，各种电压集一身，输出精度和稳定性都较高等优点，所以越来越受广大人们的喜爱。以后家里的电视遥控，电动玩具等都可以共用一个电源。2 设计要求设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源，基本要求如下：1、输出直流电压调节范围 215V，纹波小于 10mv;2、电压误差少于 1%；3、输出电流为 500mA；4、稳压系数小于 0.2，直流电源内阻小于 0.5；扩展要求：1、
8、输出直流电压能步进调节，步进值为 1V；2、由“+”“ -”两间分别控制输出电压步进增和减。3 方案论证分析本题，根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图如图 1：整流滤波 可调稳压芯片按键模块单片机D / A 模块显示模块 2 2 0 v输出图 1 原理框图23.1 D/A 数字模拟转换模块方案一：采用 MX7541 是高速高精度 12 位数字/模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达 0.012%，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。方案二：采用 DAC0832，DAC0832 是一种常用的 8 位的数字/模拟转换芯片。本系统是基于 51 单片机的数控电源的设计，8 位的单片机，而
9、 MX7541 是12 位数字输入的，因此须用锁存器。而此数控电源要求单步1V，215V，DAC0832 完全可以达到，故选择常用的 DAC0832。3. 可调稳压芯片三端可调稳压芯片有多种，其中最常见的有 LM317、LM337、LM318、LM196等几种，LM317 用于正电压调整，LM337 用于负电压调整。本系统的输出电压范围 215.0V 为正电压输出，固排除 LM337，对于 LM317 又有如下各种型号，它们的输出电流与电压的对照表如表 1: 表 1 常见稳压输出电流和电压范围芯片型号输出电流 (A) 输出电压 (V)LM317L 0.1 1.2537LM317T 0.5 1.
10、2537LM317 1.5 1.2537LM318 5 1.2537LM196 10 1.2515根据设计要求输出电压范围 215.0V，输出电流 500mA，以上有多种型都可以满足要求，再根据成本和现有材料，我选择了 LM317T 三端可调稳压芯片。3.3 按键控制模块方案一：采用矩阵键盘，由于按键多可实现电压值的直接键入。方案二：采用一般的电平判键按钮，实现方法很简单，但一个端口最多只实现 8 个按键。由于本数控电源需要用的按键不多，要实现步进为 1V 的设计要求，只需用一个“+”和一个“-”按键，另外再加两个按键用于实现固定电压输出，按键3时可直接输出相应电压。4 个按键就可实现本题的设
11、计要求，固采用方案二。3.4 显示模块方案一：选用数码管显示，用普通的数码管显示简单的数字、符号、字母。方案二：选用液晶显示,显示的内容更加的丰富。此系统显示的只是最终电源输出的 10 位和个位电压值，只需显示出两个数字，数码管更加的实惠，故我选择了方案一。4 设计原理本系统选用的模块包括：单片机系统，D/A 转换模块，LED 显示模块，直流电源模块，具体的电路图参照附录二。4.1 单片机模块此次的毕业设计的核心部分是单片机的控制，给以相关的命令，按照人们的意愿执行相应的操作，这次选用的是 ATMEL 公司生产的常用芯片 AT89C52,主要是他的价格便宜,而且是我们通用性较强,容易获得。4.
12、1.1 单片机介绍CPU 即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU 由运算器和控制器两部分电路组成。a. 运算器电路 运算器电路包括 ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B 寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 b. 控制器电路控制器电路包括程序计数器 PC、PC 加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针 DPTR、堆栈指针 SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。c. 定时器/计数器MCS52单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可
13、以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。d. 存储器4MCS52系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。e. 并行 I/O 口MCS52单片机共有4个8位的 I/O 口（P0、P1、P2和 P3），每一条 I/O 线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个 TTL 门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个 TTL 门电路。f. 串行 I/O 口MCS521单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。g. 中断控制系统8051共有5个中断源，即
14、外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。h. 时钟电路MCS52芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz12MHz，典型取值为6MHz。i. 总线以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。 选用单片机的结构：1 一个8 位算术逻辑单元2 32 个 I/O 口4 组8 位端口可单独寻址3 两个16 位定时计数器4 全双工串行通信5 6 个中断源两个中断优先级6 128 字节内置 RAM
15、7 独立的64K 字节可寻址数据和代码区每个8051 处理周期包括12 个振荡周期每12 个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12 取倒数然后指令执行所须的周期数因此如果你的系统时钟是11.059MHz 除以12 后就得到了每秒执行的指令个数为921583条指令取倒数将得到每条指令所须的时间1.085ms 。AT89C52的管脚图如图2：5图2 89CS52管脚图4.1.2 单片机外围电路介绍电源引脚 Vcc 和 VssVcc：电源端，接5V。Vss：接地端。时钟电路引脚 XTAL1和 XTAL2XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器
16、的输入，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚必须接地。XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部 TTL 时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。地址锁存允许 ALE系统扩展时，ALE 用于控制地址锁存器锁存 P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。 P0口的 P1.0,P1.1,P1.2,P1.3和键盘相连，作为整个系统的输入部分。其中和 P1.0相接的是+5V 电源的数字输入键，和 P1.1相接的是+12V 电压的数字输入键。和 P1.2,P1.3相接的分别是“+”，“”号键。P1口和 DAC0832的输入相接，作为 D/A 模块的输入。电
17、路如下：6图3 按键输入图其中 S1、S2为固定电压的输入，分别是+8V 和+12V 电压的输入按钮，S3、S4分别为+，键，对电压值进行加和减计算。/WR 和/RD 分别接到两数码管的公共端 COM1和 COM2。4.2 D/A 模块4.2.1 D/A 电路简介根据平时的使用习惯和相关资料，我们使用的 D/A 转换一般有下列两种方案：方案一：采用 MX7541 是高速高精度 12 位数字/模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达 0.012%，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。方案二：采用 DAC0832，DAC0832 是一种常用的 8 位的数字/模拟转换芯片。74.2.2 DAC0
18、832 及其外围电路本系统是基于单片机的数控电源的设计，而 MX7541 是 12 位数字输入的，因此须用锁存器。而此数控电源要求单步 1V，215.0V 只需区分 14 个点，DAC0832 完全可以达到，故选择常用的 DAC0832。当其与单片机进行相连时，电路也简单，只需把单片机的数据线与 DAC0832 的输入端直接相连即可，程序也很简单，只需向其送数据即可。DAC0832 的管脚图如图 3 所示：I OUT1 11D 07D 16D 25I OUT2 12D 3 4D 4 16V REF8D 5 15D 6 14D 7 13FB9CS1WR12XFER 17WR2 18ILE 19V
19、CC 20GND10AGND3DAC0832图4 DAC0832管脚图其各个引脚的连接及外围图：图5 D/A 模块电路管脚的具体名称和用法D0D7：数字量输入端；CS：片选信号，低电平有效；ILE：数据锁存允许信号，高电平有效；1WR：第 1 写信号，低电平有效；82WR：第 2 写信号，低电平有效；XFE：数据传送控制信号，低电平有效；1OUTI：电流输出端 1；2：电流输出端 2；FBR：反馈电阻端；EV：基准电压，基电压范围为-10V+10V；GND：数字地；AGND：模拟地；单片机与 DAC0832的接口可按二级缓冲器方式、单缓冲器方式和直通方式联接。如上图4的联接方式是直通方式联接方
20、式。由 OUT1脚输出的为一个模拟电流值，经过运算放大器后为一个电压值，这电压值输入到后面的运算放大部分，作为后面部分的输入。4.2.3D/A 转换的计算D/A 转换器（DAC）输入的是数字量，经转换输出的是模拟量。DAC 的技术指标很多，如：分辨率、满刻度误差、线性度、绝对精度、相对精度、建立时间、输入/输出特性等。分辨率：DAC 的分辨率反映了它的输出模拟电压的最小变化量。其定义为输出满刻度电压与 n2的比值，其中 n 为 DAC 的位数。如：8 位 DAC 的满刻度输出电压为 5V，则其分辨率为)(2568V；10 位 DAC 的分辨率为)(10245V。可见，DAC 的位数越高，分辨率
21、越小。建立时间：是描述 DAC 转换速度快慢的参数。其定义为从输入数字量变化到输出达到终值误差 21LSB（最低有效位）所需的时间。高速 DAC 的建立时间可达 1us。接口形式：在 DAC 输入/输出特性之一。包括输入数字量的形式，十六进制式 BCD，输入是否带有锁存器等。DAC0832为8位 D/A 转换器。单电源供电，范围为+5V+15V，基准电压范围为 V10。电流的建立时间为1us。CMOS 工艺功耗20mw。输入设有两级缓冲锁存器。电压的计算方式：9设计要求数控电压步进为 1V，因此要准确选择 D/A 的参考电压 REFV，如上图用一个精密电阻进行调节，计算方法如下： nVref2
22、56，rf数字量取 0256，n 取 16， REFV取 8V,即数字量每步进 16，模拟量0.03125V，要达到步进 1V，必须放大 2 倍，用运放即可。运算放大器的原理如下图：图 6 运算放大电路输出的电压 V，再从 Vi 输入，经过电容 C10 滤波再输入，034RIOi，34i， iOVR，10输出的 Vo 值的大小为输入 Vi 的 倍，只需调节可调电阻 R3 的阻43R值达到所需的电压放大倍数即可，输出的电压 Vo 通过电压跟随，再用于控制LM317T 的输出。4.3LED 数码管显示模块4.3.1 数码管显示简介数码管 LED 串口显示模块通常有两种显示方法:动态显示和静态显示。
23、动态显示：连接方法是将每个二极管的同名端连在一起，而每个显示器的 公共极 COM 各自独立的接受 I/O 线控制，CPU 向字段输出端口输出字型码，所有显示器接受到相同的字符，而要使用哪个显示器要取决于他们的 COM 的电平，而这段是由 I/O 端控制的，由单片机输出。动态扫描时连续的动态扫描，只是肉眼暂留现象，乃发光二极管的余辉效应，给人的感觉是一组稳定的显示数据。静态显示：静态显示显示效果好，但是功耗大，但不占用端口，只需两个串口线输出，变成较为简单。而且采用静态显示需要的驱动器件多，硬件成本相对更高。比较以上两种方案，方案一硬件简单程序复杂，方案二硬件复杂程序简单，考虑到实惠和对自己的编
24、程锻炼，选择方案动态显示。动态扫描 方法是用其接口电路把所有显示器的8个笔画字段（ag 和 dp）同名端连在一起，而每个显示器的公共极 COM 各自独立的接受 I/O 线控制。CPU向字段输出端口输出字型码时，所有显示器接受到相同的字型码，但究竟使用哪个显示，则取决于公共极 COM 端，而这一端是由/WR 和/RD 控制的，由单片机决定何时显示哪一位。动态扫描用分时的方法去轮流控制各个显示的 COM 端，时各个显示器轮流亮。在轮流点亮扫描过程中，每为显示器的点亮时间极为短暂，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的于辉效应，给人的印象就时一组稳定的显示数据。显示部分电路图：11图7 数码管显示电路
25、4.3.2 数码管编码表7段数码管可以包括小数点的09的数字和部分的英文字母，为了获得不同的字符，数码管各段所加的电平也不同，编码也不一样。共阴极数码管的字型，字段和编码的关系如下表1：表 2 数码管编码表十六进制数 hgfedcba 显示代码 0 0x3f1 0x062 0x5b3 0x4f4 0x665 0x6d6 0x7d7 0x078 0x7f9 0x6f. 0x80124.4 直流电源4.4.1 直流供电电源制作原理由于本系统的许多的电源电压都是由+5V 的电源供电，且 D/A 模块中的74LS164要用到+12V，12V 的电源，所以这要制作这些不同值的电源，涉及到的各类芯片有78
26、05，7812，7912。首先制作电路中的+12V，-12V 的电源，这要用到三端固定稳压芯片，一个整流，滤波过程。电路如图6：图8 +12V 和-12V 电源的制作图+5V 的电源制作和+12的电源制作的原理和电路图一样，只需将电路的7812换成7805即可。电源工作原理：降压 整流 滤波 稳压 输出。降压：由于输入的市用电压为220V，远大于我们所需电压幅值，必须把电压降低，直接用一个变压器即可达到降压的目的.整流:由于降压后的电压仍为交流电压，要把交流电压整为直流电压，利用整流桥，整流桥内部实际上就是四个大功率的二极管(例如 IN4007)。Ui 的电压/时间曲线如图 a 所示，当 Ui
27、 为正时，二极管 D2、D3 导通，D1、D4 截止，电流从 a 流向 b，U1 输出正电压，经过外电路后，又从 d 流向 c，形成电流回路。当 Ui 为负时，二极管 D1、D4 导通，D2、D3 截止，电流从 c 流向 b，U1 仍然输出正电压,实现了交流到直流的转变。滤波:经整流后的直流并不是稳定的直流，是一个周期性的振荡曲线。要减落这种振荡幅度，最简单的滤波方法就是用电容，利用电容的充放电特性。13输入的 U1 放 时，放电未完又再次充电，输入的U1U2，电容 C 就开始充电， 充 充 时，充电未完又再次放电，由此类推，不断放电充电，滤波后的电压为 U2 在 2tV到 3t的正电压之间波
28、动变化，且波动幅度变缓，使用大电容值的电容滤波此幅度波动更平缓，且多次滤波使直流的纹波更小。稳压：波后的电压 U2 输入三端稳压芯片 LM7805 便可将稳定输出电压+5V，在上图中的一个二极管 D3 是一个保护二极管，它的作用是保护稳压芯片。7805、7812、7912 是所需的三端稳压器，分别输出+5V、+12V、12V。4.4.2 输出电源工作原理输出电源的原理图和上面的恒定电源的制作原理基本一样，电路图如下：图9输出电源电路图220V 市电经变压器变压（降压），二极管桥式整流，电容滤波后送入LM317第三脚（输入端），第二脚输出稳压的直流电压。第一脚为调整端，调整端电压 Ui 与输出端
29、电压 Uo 之间为1.25的基准电压。输出的基本公式为：U0=1.25+Ui;5软件部分145.1 开发工具介绍单片的使用除了硬件，同样也要软件的使用，我们写汇编程序编程 CPU 可执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，一种是机器汇编。机器汇编通过汇编软件变为机器码，用于 MSC-51 单片机的汇编软件有早期的 A51，随着单片机开发技术的不断发展，从使用普通汇编语言到高级语言的不断发展，Keil 是目前最流行开发 MCS-51 系列单片机的软件。Keil c51 汇编，PLM 语言和 C 语言的程序设计，界面友好。Keil 是美国 keil software 公司出品的 52 系列兼容单片
30、机 c 语言开发系统。用过汇编语言后再使用 C 语言来开发，体会更加深刻。Keil C51 软件提供丰富的库，与汇编相比，C 语言在功能上，结构上，可读性，可维护性上有明显的优势，因而易学易用函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生产的汇编代码，就能体会到 KeilC51DE 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。155.2 程序框图:图 10 数控电源程序流程图6 仿真结果数据分析本系统的设计电路相对简单，硬件制作基本完成，我用 ISIS Profressional软件
31、已仿真出来，效果非常的好。已经在输出的精度和稳定性基本达到要求，输出的电压范围为 2-+15v，步进为 1v，又预设两个定值电压+12v 和+5v。实验结果为下表：16表 3 仿真数据结果理论值（V）2 3 4 5 6 7 8实际值（V）2.01 3.01 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00理论值（V）9 10 11 12 13 14 15实际值（V）9.00 9.99 11.00 12.00 13.00 14.00 14.8由上表的电压实测值与显示值对比值，可见该电源相对误差小于 1%，按下“+” 、 “”键时，单步变化 1V 的精度也基本符合要求。7 结束语这次毕业设计过程中
32、综合了所学的数字电路，模拟电路，单片机，C 语言对单片机编程，对大学所学的知识起了一个很好的巩固作用，同时也应用到了Protell 99 软件画图和 ISIS Profressional 软件仿真，仿真的结果还比较的准确，但是实物却没有完全实现功能。这此过程中认识到自己的知识面太狭小，也许是自己制作的实品太少了，对一些芯片的了解甚少，今后在工作中一定要补充这块。同时也认识到理论和实践的差别，通过实际制作更能了解到一些模块电路和芯片的功能，特别是检查电路时，让自己对电路有更深的了解。撰写论文时，也让自己认识到做每件事都应认真对待，要规范、严谨。17参考文献1王港元.电工电子实践指导M.江西科学技
33、术出版社 2陈明荧 8051 单片机课程设计实训教程M清华大学出版社 3郁慧娣微机系统及其接口技术M南京东南大学出版社， 1999 年 4谢嘉茥,宣月清,冯军 电子线路-非线性部分M 高等教育出版社 ， 2000 年 5何立民单片机高级教程M北京航空航天大学出版社， 2003 年 6王毓银数字电路逻辑设计M高等教育出版社7马忠梅,籍顺心.单片机的 C 语言应用程序设计M北京航空航天大学出版社.2001.58邱涛基于 51 单片机的数控电源设计M华强电子世界网，2005.69具有 8K 系统内可编程 Flash 的 8 位微控制器 ATmega48/V ATmega88/V. http:/ Vo
34、l.32 No.1 P.119-12311孙建广,檀润华等基于 I2C 串行总线的大功率开关电源数字控制M河北工业大学学报，2000 年 29 卷 6 期12Wendt E,Klaus K W.A new type of hydraulic actuator using electrorheological fluidsJ.InternationalJ Modern Physics B,1999(14):2 176. 13PCL728 D/A Conveter Card Users ManualZ.Advance Co. Ltd.,1998. 18附录一：电路图19附录二：源程序20#incl
35、ude #define uchar unsigned char #define uint unsigned intunsigned char code ziku20=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, /0,1,2,3,4, 0x92,0x82,0xD8,0x80,0x90, /5,6,7,8,9,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86, /A,B,C,D,E0x8e,0x7f,0xbf,0x89,0xff /F,.,-,H,NULL;/0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 .uchar buff2;uchar voltage;uchar ans;uchar x,y
36、;sbit key16 = P10;sbit key8 = P11;sbit keyadd = P12;sbit keysub = P13;sbit OUT0 = P20;sbit OUT1 = P21;sbit OUT2 = P22;sbit OUT3 = P23;sbit OUT4 = P24;sbit OUT5 = P25;sbit OUT6 = P26;sbit OUT7 = P27;sbit L1 = P36;21sbit L2 = P37;/-/函数名称: delay/功能描述:延时(N*8+6)/-void delay(uint N)uint i;for(i=0;i2) volt
37、age-;break;default: break;/*函数名：DAC 功能：直通方式 DA 转换*/void DAC(void)uchar temp;23temp = voltage*16-20;OUT0 = temp%2;temp = temp/2;OUT1 = temp%2;temp = temp/2;OUT2 = temp%2;temp = temp/2;OUT3 = temp%2;temp = temp/2;OUT4 = temp%2;temp = temp/2;OUT5 = temp%2;temp = temp/2;OUT6 = temp%2;temp = temp/2;OUT7 = temp%2;void main(void)P0 = 0xff;P1 = 0xff;P2 = 0xff;P3 = 0xff;voltage=2;while(1)24key();DAC();getbuff();display();
