数字电压源课程设计-数控电压源设计.doc

课程设计说明书课程设计说明书 题 目： 数控电压源设计 院 （系）： 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2013 年 12 月 18 日 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 页 共 页 摘摘 要要 本系统以AT89C51单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，具有 步进功能，能够显示实际输出的电压值。本设计分四个模块:单片机控制及显示模块、 数模（D/A）转换模块、供电模块、输出显示模块。以单片机控制模块为核心， DAC7611芯片进行数模转换。该系统具有可靠性好，精度高等优点。 关键词:数控电压源；AT89C51；DAC7611；恒流源 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 I 页 共 页 Abstract The system to AT89C51-based controller to set the output voltage of the DC power source through the keyboard, with the step function, capable of displaying the actual output voltage value. The design consists of four modules: MCU control and display module, digital to analog (D / A) converter module, power supply module, the output display module. In single- chip control module as the core, DAC7611 digital-to-analog converter chip. The system has good reliability, high precision. Keywords：CNC voltage source；AT89C51 ；DAC7611；constant current source 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 II 页 共 页 目 录 引言引言 1 1 1 1 设计要求设计要求 1 1 2 2 方案的选择方案的选择 1 1 2.1 单片机的选择 1 2.2 显示器的选择 2 2.3 数模转换器的选择 2 3 3 元器件的介绍元器件的介绍 2 2 3.1 AT89C51 2 3.2 数模转换器 DAC7611.4 4 4 硬件电路图的设计硬件电路图的设计 5 5 4.1 AT89C51 的时钟电路和复位电路5 4.2 DAC7611 的电路6 4.3 独立式按键与 AT89C51 的连接 7 4.4 供电电路 7 5 5 整个系统的原理图整个系统的原理图 8 8 6 6 PCBPCB 图图9 9 7 7 软件的设计软件的设计 9 9 8 8 硬件电路的布线和焊接硬件电路的布线和焊接 9 9 9 9 电路的调试电路的调试 1111 1010 分析与心得分析与心得 1212 谢谢 辞辞 1414 参考文献参考文献 1515 附附 录录 1616 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 0 页 共 22 页 引言 数控支流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛的用于电子电路，教学实验和科 学研究等领域。目前实用的直流稳压电源大部分是线性电源。利用分离器件组成，其 体积大，功率底，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。 随着电子科技的飞速发展，各种电子，电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳 压电源不断差朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能 化发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代稳压电源不但电路简单，结构 紧凑，价格低廉，性能卓越，而且单片机具有计算和控制功能，利用它对采样技术进 行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差，大大提高稳压 电源输出电压和输出电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片 机设置周密的保护检测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限制电流采用数字显示， 输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。 1 设计要求 可输出电压：范围 04V，步进 0.01V，纹波不大于 10mV；可输出电压值由 LCD1602 显示；由“+” 、 “-”两键分别控制输出电压步进增减；为实现上述几部件工作， 自制一稳压直流电源，输出输出+5v。 2 方案的选择 本次设计的主要内容是通过单片机向 dac7611 数模转换器发送不同的数字量，根 据数字量的不同，输出的不同的幅值的模拟电压，从而实现了系统输出电压幅值得数 字控制。 2.1 单片机的选择 本次设计中单片机是整个系统的 CPU，起到了控制、调节的作用，现有 AT89C51 和 ATMEGA16 两种单片机可供选择，以下对这两种单片机进行分析、比较。 方案一：采用 ATMEGA16 单片机 ATMEGA16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器，具有丰富的 片内资源，包含 16K 字节的系统内可编程 FLASH（具有同时读写的能力，即 RWW） ，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，支持片内调 试与编程，三个具有比较模式的灵活的计时器/计数器（T/C） ，片内/外中断。功能全 面，但价格比较贵。 方案二：采用 AT89C51 单片机 AT89C51 是一种带有 4K 字节 FLASH 存储器同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑 操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM， 定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡 器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。的电压、高性能 CMOS8 位 微处理器，包含 128 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，两个 16 定时/计数器，一个 5 向 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 22 页 量两级中断结构，一个全双工串行通信口。 同时，AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工 作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下 一个硬件复位。 本次设计需要单片机将数字量发送给数模转换器，并且控制显示模块的显示，而 ATMEGA16 的使用比较复杂，价格昂贵，且很多功能在本次设计中得不到应用，故采用 AT89C51 即可满足要求，并且价格便宜，使用方便，简单。 2.2 显示器的选择 方案一：采用 LCD 液晶显示器显示 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点 阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以 显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和 行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。 方案二：采用 LED 数码管显示 LED 是一种能够讲电能转化成为光能的半导体，与传统的白炽灯和节能灯不同，采 用电场发光。而 LED 数码管由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线 已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。通过控制每个发光二极管 的亮灭情况，让其显示不同的数字和字母，但是显示内容有限，一般用来显示数字。 本次设计显示模块显示系统的输出电压，虽然只要求显示数字，用 LED 数码管显 示就可以完成，但是 LCD1602 可以拆下重复使用，而且对 LCD1602 比对 LED 数码管熟 悉，故我选择用 LCD1602 作为显示模块。 2.3 数模转换器的选择 方案一：数模转换芯片 DAC0832 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个 DA 芯片以 其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。 D/A 转换器由 8 位输入锁存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 转换电路及转换控制电路构 成。 方案二：数模转换芯片 DAC7611 DAC7611 是 12 分辨率的 D/A 转换集成芯片，是串行输入数模转换器，精度较高。 由于 DAC7611 的分辨率比 DAC0832 高，而且 DAC7611 输出的直接就是电压了， DAC0832 输出的是电流，还需要经过运放电路转为电压，比较麻烦，因此我选择 DAC7611 作为数模转换模块。 3 元器件的介绍 3.1 AT89C51 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 22 页 AT89C51 单片机是美国 Atmel 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机。 如图 3-1 所示为 AT89C51 引脚图： 图 3-1 AT89C51 引脚图 其各引脚功能如下所示： Vcc(40 引脚)：接+5V 电源。 Vss（20 引脚）：接地。 XTAL1（19 引脚）：片内振荡器反相放大器 和时钟发生器电路的输入端。 RST：复位引脚，高电平有效。 EA：外部程序存储器访问允许控制端。 ALE：低 8 位地址所存允许信号端。 PSEN：读外部程序存储器的选通信号端。 P0 口：8 位，漏极开路的双向 I/O 口。 P1 口：8 位，准双向 I/O 口，内部具有上拉电阻。 P2 口;8 位，准双向 I/O 口，内部具有上拉电阻。 P3 口;8 位，准双向 I/O 口，内部具有上拉电阻。 本次设计使用的均为 I/O 口的基本功能，其中 P0 口接 LCD1602，P2.0 接 1602 的 RS，P2.1 接 1602 的 RW，P2.2 接 1602 的使能端。P1.2 接 DAC7611 的装载控制信号端， P1.3 接 DAC7611 的同步串行时钟输入端，P1.4 接 DAC7611 的串行数据输入端，P1.5 接 DAC7611 的片选信号。P3.0 和 P3.1 接两个控制按键。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 22 页 3.2 数模转换器 DAC7611 DAC7611 是 12 位的 D/A 转换集成芯片，是串行输入数模转换器，精度较高。 DAC7611 的引脚图如图 2-2 所示： 图 3-2 DAC7611 的引脚图 DAC7611 各引脚功能如表 3-3 所示： 表 3-3 DAC7611 的引脚功能表 引脚符号描述 1VDD电源线。 2CS芯片选择信号输入引脚，低电平有效 3CLK同步串行时钟输入 4SDI 串行数据输入，在串行时钟的上升沿数据被移入 DAC7611 内部 的串行移位寄存器。 5 LD 装载控制信号。控制移入的数据装载到 DAC7611 内部的 DAC 寄 存器，触发数模转换。 6CLK 低电平有效。它的工作与串行时钟有芯片选择信号无关。异步 DAC 寄存器清零输入。当为低电平时 DAC 寄存器被置零 000H， 使 DAC7611CLR 输出电压为 0V。 7GND接地。 8Vout模拟输出，最大为 4.095V，1mV/LSB。 DAC7611 的数模转换表如表 3-4 所示： 表 3-4 说明了 DAC7611 的数模转换情况：当 DAC7611 输入数字量为 000H 时，它的 模拟输出为 0，当输入数字量为 FFFH 时，它的模拟电压为 4.095V，即它的最大模拟输 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 22 页 出电压为 4.095V。输入的数字量每改变一位，输出的模拟电压改变 1mV。 表 3-4 DAC7611 的数模转换表 DAC7611 满刻度=4.095V 最小有效位 LSB=1mV 二进制数字输入模拟输出（V）描述 FFFH+4.095满刻度 801H+2.049中刻度 +1 LSB 800H+2.048中刻度 7FFH+2.047中刻度 - 1 LSB 000H00 刻度 4 硬件电路图的设计 4.1 AT89C51 的时钟电路和复位电路 AT89C51 的时钟源由 XTAL1 和 XTAL2 引脚所连接的晶体振荡器提供，此外 XTAL1 和 XTAL2 在连接完晶体振荡器后每一个引脚接一个电容接地，电容的溶值与晶体振荡 器的大小有关。本次设计采用 12M 晶体振荡器，采用 22PF 的电容。 AT89C51 的复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路 工作后，在 RESET 端持续给出 2 个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。本次实 验采用的是外部手动按键复位电路。 如图 4-1 为 AT89C51 的时钟电路和复位电路。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 22 页 图 4-1 AT89C51 的时钟电路和复位电路 4.2 DAC7611 的电路 如图 4-2 所示，DAC7611 的外围电路，本次设计 DAC7611 的 1 脚接+5V 和两个并联 的电容，电容的另一端接地，2 脚是 DAC7611 的芯片选择信号，接 CPU 的 P1.5，3 脚是 DAC7611 的时钟信号接 CPU 的 P1.3，4 脚是 DAC7611 的串行数据输入接 CPU 的 P1.4，5 脚是 DAC7611 的装载控制信号接 CPU 的 P1.2。DAC7611 的 6 脚接+5V,7 脚接地，8 脚接 个接口作为电压的输出端。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 22 页 图 4-2 DAC7611 的外围电路 4.3 独立式按键与 AT89C51 的连接 本次设计供使用了 2 个独立按键来控制系统的输出电压。该 2 个按键分别与 AT89C51 单片机的 P3.0 和 P3.1 相连接，如图 4-3 所示。 按键的功能描述如下： S3：输出电压减少键，按下一次使得输出电压幅度减少 0.01V，减至最小值后停止。 S4：输出电压增加键，按下一次使得输出电压幅度增加 0.01V，增至最大值后停止。 图 4-3 独立式按键电路 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 22 页 4.4 供电电路 本次的供电模块选用稳压器 7805 构成电路，其中 7805 的两端的电容 C8 和 C7 作 为输入输出端的滤波电容。接口 J9 是输入端，J10 是输出稳压电压端，此电路的功能 是输出+5V 的稳压电压。 供电电路的连接如图 4-4。 图 4-4 供电模块 5 整个系统的原理图 经过上面的分析和方案的选择得出了整个系统的原题图如图 5-1 所示。 整个原理图分为 5 个模块：CPU 模块、显示模块、按键模块、数模转换模块和供电 模块。其中 CPU 模块采用了 AT89C51 芯片，是整个系统的核心之一，实现对各个模块 之间的连接。显示模块采用了 LCD1602 作为显示，显示系统输出的模拟电压量。按键 模块是实现电压的步进调节。数模转化模块采用了 DAC7611 芯片，此模块是功能是实 现数模之间的转换，把数字量转为模拟量。供电模块采用了 7805 芯片作为核心，整个 供电电路的功能是为系统输出+5V 的稳定电压。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 22 页 图 5-1 整个系统的原理图 6 PCB 图 图 6-1 PCB 图 7 软件的设计 系统软件设计采用C语言,设计的关键是对直流电压源步进电压的控制和显示。相关 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 22 页 的程序放在附录一。 8 硬件电路的布线和焊接 电路图经过我在 PROTEL 中手动排线产生 PCB 原理图，我将原理图打印在热印纸上， 然后在经过高温，将墨覆到铜板上，产生清晰的电路布线图。由于打印或人为的原因 很可能出现断线的结果，所以我要认真检查，如出现断线，我可用油漆涂上，使断口 再次被连在一起。为了能使那些墨都能覆在覆铜板上我们最好把覆铜板在压印机上过 两遍。 元器件的焊接： 焊件必须具有良好的可焊性.不是所有的金属都就有良好的可焊性.焊接时,由于高 温是焊件的表面产生氧化膜,影响焊件的可焊性.为了提高焊件的可焊性,一般采用表面 镀锡,镀银等措施来防御表面的氧化。 为了使焊件和焊锡之间有良好的接触,焊件表面必须保持清洁.在焊接前必须把氧 化膜清除干净,否则将无法保证焊接质量。 要使用合适的助焊剂.不同的焊接工艺应使用不同的助焊剂.在焊接电子线路板等 精密电子产品的时候,卫士焊接可靠稳定,通常采用松香助焊剂.一般使用酒精将松香溶 解成松香水使用。 焊件加热到适当的温度.需要强调的是,需要强调的是,不但焊锡要加热到熔化,而 且应当同时将焊件加热到能够熔化焊锡的温度。 下面的图 8-1 是腐蚀好的铜板，图 8-2 是做好的实物电路图 图 8-1 腐蚀好的铜板 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 22 页 图 8-2 实物电路图 9 电路的调试 调试用到的仪器有：电脑，单片机开发板，直流稳压源，万用表。 调试过程中，首先是用万用表欧姆档对做好的板子进行测试，就遇了实验板上有 断线不通的情况，导致芯片不能正常工作。于是我用焊锡把断线处接好。其次就是编 写程序测试了，我先是编写了 1602 的显示模块，检查是否可以显示，当显示没有问题 后，我继续编写 DAC7611 数模检测的模块，当 1602 显示的电压和用万用表测量出的电 压的误差不超过 5%的时候我确定数模转换模块是正确的了，最后就是编写按键的程序 了，保证按键能够实现步进调节的功能。 最后写完所有的程序，我开始接直流稳压源进行调试，当万用表显示的电压和 LCD1602 显示的电压一致的时候，我认为这次的设计是成功了的。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 22 页 下面是调试过程的实物图片，如图 9-1 和 9-2 所示。 图 9-1 调试过程图 图 9-2 调试过程图 10 分析与心得 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看 似很简单的电路，要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经 常动手设计过电路，还有资料的查找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中， 应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 12 页 共 22 页 起来，这不论是对我们以后就业还是学习，都会起到很大的促进和帮助，我相信，通 过这次的课程设计，在以后的学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。同时， 通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意 义。 有了这次难忘的经历，我觉得自己充实了许多，学到了很多东西，更重要的是我 们学会了如何协同合作，学会了遇到问题应该如何解决。这将在我们以后的学习和工 作中起着重要的作用。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 13 页 共 22 页 谢 辞 感谢学院给我们提供这样的实践动手机会，并通过课程设计使我们能够有机会将 书本上学到的知识运用到的实际中去。在课设过程中王岩红老师给了我很多的指导和 帮助，并监督我及时完成了本次课程设计，在此特别感谢王岩红老师和给予我帮助的 同学。 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 14 页 共 22 页 参考文献 1 唐竞新.数字电子电路M.第 1 版.北京:清华大学出版社，2003. 2 康华光.电子技术基础M.数字部分.第 4 版.北京:高等教育出版社,1998. 3 电子工程手册编委会等.中外集成电路简明速查手册M.北京电子工业出版社,1991. 4 杨长春.论数字技术M.电子报合订本.成都:四川科学技术出版社，2002. 5 付晓光.单片机原理与实用技术M.北京:清华大学出版社,2006. 6 王远.模拟电子技术M.北京:机械工业出版社,1994. 7 伍时和.数字电子技术基础M.北京：清华大学出版社,2009. 8 藏春华.电子线路设计与应用M.北京:高等教育出版社,2004. 9 康华光.模拟电子技术基础（第五版）M.北京:高等教育出版社,2005. 10 郭天祥.51单片机C语言教程M.电子工业出版社,2005. 11 张惠敏.数字电子技术M.北京:化学工业出版社,2005. 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 22 页 附 录 #include“reg52.h“ #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit RS=P20; sbit RW=P21; sbit E=P22; sbit SDI=P14; sbit DASCLK=P13; sbit DACS=P15; sbit DALD=P12; sbit key1=P30; sbit key2=P31; ucharLCD1602_j; unsigned char code LCD1602_table1 = “SHU.KONG.DIAN.YA“; unsigned char code LCD1602_table2 = “DIANYAZHI:“; void delay1ms(uint z) unsigned char i,j; for(i=z;i0;i-) for(j=110;j0;j-); void delay1ms1() 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 16 页 共 22 页 unsigned char i,j; for(i=220;i0;i-) for(j=110;j0;j-); void delay1ms2() unsigned char i,j; for(i=10;i0;i-) for(j=110;j0;j-); void Write_com(uchar com) / 写指令 RS=0; RW=0; P0=com; delay1ms(5); E=1; delay1ms(5); E=0; void Write_date( uchar date) / 写数据 RS=1; RW=0; 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 17 页 共 22 页 P0=date; delay1ms(5); E=1; delay1ms(5); E=0; void init() /初始化 E=0; Write_com(0x38); delay1ms(5); Write_com(0x0c); delay1ms(5); Write_com(0x06); delay1ms(5); Write_com(0x01); delay1ms(5); void LCD1602_display_table1() / 固定字符显示 Write_com(0x80); for(LCD1602_j=0;LCD1602_j16;LCD1602_j+) Write_date(LCD1602_table1LCD1602_j); 桂林电子科技大学课程设计（论文）报告用纸 第 18 页 共 22 页 void LCD1602_display_table2() Write_com(0x80+0x40); for(LCD1602_j=0;LCD1602_j10;LCD1602_j+) Write_date(LCD1602_table2LCD1602_j); /命令：DAConv /参数：整型数 DaDAT 是待转换的数据 /功能：将给定的数转换为模拟电压。 void DAConv(unsigned int DaDat) unsigned char i=0; DALD=1; DACS=0; SDI