简易数控直流电源带语音功能.doc

简易数控直流电源对1994年全国电子设计竞赛题及2008年广西区电子设计竞赛题的设计论述全套设计加扣3012250582 学生姓名：指导老师：14目 录摘要3Abstract:31 设计任务42 要求421 基本功能422 扩展功能43设计方案及其比较54 主要电路设计与计算841 单片机控制电路842 放大电路95 测量结果106 系统的软件设计106.1 主程序流程图106.2 MAX531子程序117 总结12摘要随着科技的发展各种功能全面、数据精确的芯片相继出现，电子电路设计也越来越趋向于模块化，简单化，其功能也越来越强大。因此对1994年的全国电子设计竞赛题及2008年广西区电子设计竞赛题简易数控直流电源可以用现有的高精度12位串行D/A MAX531芯片来做，使电源输出的电压更精确更稳定。改进的简易数控直流电源是一个以AT89S52单片机为控制核心，同时可以通过按键改变其输出电压值的电源。整个系统由AT89S52单片机的I/O口控制,由MAX531产生稳定的电压并经过放大供给负载，通过12864液晶显示输出电压的值。电源的输出的电压值可以通过键盘在0到9.99V内任意设定，也可以通过键盘按照0.1V或者0.01V步进值增加或减少。通过单片机可以较容易地实现对电源的控制。关键词：单片机,数控直流电源 Abstract:With the development of a variety of technology features a comprehensive and accurate data on the chip have emerged one after another, electronic circuit design also tend to be more modular, simple, the more powerful features. Thus in 1994 a national electronic design Simple digital DC power supply can present high-precision chip MAX53 to do, so that the output voltage power supply more stable and more accurate.Simple digital DC power supply use AT89S52 as the controller to change the voltage value which it outputs . The whole systerm is controlled by the I/O ports of AT89S52, and the stable voltage is offered to the load through the MAX531. The outputing voltage is sampled by the chip 12864. The value of the voltage can be set at the range of 09.99v with the keyboard, and it can be increased or decreased by o.1v or0.01V value everytime . Through the chip of microcomputer, the power requirements can be more easily controlled.Keywords: Microcomputer,Digital DC power supply1 设计任务设计并制作有一定输出电压、电流范围和实用功能的数控直流电源，其原理框如图1示意如下：图1 数控直流电源原理框图2 要求21 基本功能（1）输出电压：范围09.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输出电流：500mA； （3）输出电压值以数字方式显示； （4）由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减； （5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出15V，5V。22 扩展功能（1）输出电压步进值0.01V，纹波电压不高于基本要求部分，越小越好；（2）输出电压可直接设置到09.9V或09.99V之间的任意一个值；（3）具有输出电压连续步进功能（步进值同上）； （4）扩展输出电压种类（比如三角波等）。（5）其它扩展功能。3设计方案及其比较根据设计任务要求，简易数控直流电源由数字控制电路、电压产生电路、放大电路、数字显示电路、输出等部分组成。主要有以下两个方案。方案一：如图2所示，该方案由单片机直接控制显示,即单片机让LM317输出电压的同时向显示屏发送显示指令显示，这种做法能使显示与输出同步，但是如果输出的电压不是很稳定，那么显示的电压值不等于输出的电压值。此电路利用电子电位器控制LM317产生电压，接着是对电压进行放大。单片机按键LM317电子电位器输出显示电源图 2 设计方案一框图采用LM317产生电压是因为LM317输出电压的范围是1.237V，输出的最大电流是1.5A，它能输出如此大电流而减少扩大电流的电路部分。LM317使用非常方便，仅用两个电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。但是LM317是通过调节电子电位器来获得连续的电压的，根据要求电压的步近值是0.01V，这样就对电子电位器的要求比较高，经过计算可以看到要使电压增加0.01V电位器的电阻至多能改变2V电压，如此小的变化对电位器的要求很高。假如使电压从0按照0.01V的步进曾至9.9V就一千级以上的电位器，这种电位器的价格也比较高。方案二：如图3所示，方案二与方案一有所不同，主要是它采用MAX531芯片。MAX531是美国美信公司生产的12位串行D/A芯片。芯片内自带参考电压，就省去了要加外围基准电压的问题，而且通过芯片引脚不同的连线可获得一倍或两倍的增益输出，最大输出电压是 4.096V。又因为MAX531是12位串行芯片，所以精确度达到0.001V，对于题目发挥部分要求的0.01V的精度已显得很充裕，又因为是串行芯片，占微控制器的I/O口很少，常用于精密仪器内。单片机按键MAX531运放输出显示扩流电源图 3 设计方案二框图两种方案的比较：方案一通过单片机控制电子电位器可直接控制LM317的输出，而且不用采用运放扩流部分，LM317最低输出电压是1.2V，要达到题目要求从0-9.99V的输出电压还要加入其它电路，这给实际应用带来一定困难，而且输出电压精度难以达到。方案二中MAX531输出电压很稳定，功耗低。虽然MAX531输出的电流不是很大，但是经过扩流可以有效地提高其输出电流，而且它输出电压稳定精确。这样比较之后，我们选择了第二种方案。为了验证这个方案的可行性，我们做了一个实验板进行数据分析。给单片机编一段程序通过 MAX531输出一系列的电压值经过运放后用电压表测出放大后的电压值。假设MAX531输出的电压值为U1，经过运放后的电压值为U2,部分具体数据如表1所示。（详表后附表）表 1 电压输出值表U1/VU2/V(U2/U1)/V0.3092.126.860840.3532.436.883850.5063.486.877470.8826.076.882081.0527.246.882121.2148.366.886321.3809.506.884051.45210.006.88705从表中我们可以看出电压U2/U1的值是变化不大的，在题目要求0.01V的范围内不超过0.01V的波动,说明运放的放大倍数基本稳定，同时也证明了选择用运放做放大器是可行的。至此可以认为该运放的放大倍数为6.885，假设电路输出电压为U0，那么通过MAX531输出的电压值乘于其放大倍数即得U2的理论值，然后测出输出电压U0的实际值，再将U2的理论值减去U0的实际值就可以得到电路经过扩流后电压下降的理论值，部分具体数据如表2所示。表 2 电压降的理论值表U1/VU2/VU0/V(U2-U0)/V0.3032.0862.0750.0110.4152.8572.8440.0130.5173.5593.5500.0090.7024.8664.8610.0050.9096.2876.2820.0051.0787.4257.4210.0041.1748.0878.0830.0041.2538.6268.6230.0031.3539.3199.3150.0041.4129.7289.7250.0031.5039.9999.9960.003由表2数据所反映的情况来看扩流后电压下降的理论值随输出电压的增加下降，并且下降值很小，基本稳定，这样一来就可以根据输出电压的值来确定单片机控制每一个步进电压的初值。可见选择方案二能较好实现电路的设计要求。4 主要电路设计与计算41 单片机控制电路这一部分包括按键输入电路、取样电路、显示电路和电压产生电路。键输入电路是采用矩形键阵的接法，仅占用了8个I/O口，六个普通按键用来实现其它功能，总共22个按键。根据设计要求，我们用10个按键来设置输出电压（0到9共10个数），用4个按键来控制电压递增和递减,两个用来选择输出模式和辅助功能。显示电路采用带字库的12864液晶显示屏，采用串行连接方式只占用3个I/O口。其接线图简单，由于接到P0口，将片选，数据输入和同步时钟I/O引脚分别接一个5.1K的上拉电阻接到单片机即可。还要对它进行供电和调节光亮、对比度等。电压产生的电路主要是靠单片机控制MAX531来实现的，第9和10引脚接33uF电容获得两倍的增益输出,其电路接线图如图5所示。 图 5 MAX531电路图42 放大电路放大电路包括电压放大和电流放大，电压放大是用运放LM358芯片放大的，如图5所示，R6和 R15、R16构成同相比例放大器，接到输出端，与输出电压有跟随作用。其放大倍数为Au=1+（(R15+R17）/R16）/R6，因此可以调节滑动变阻器可以改变其放大倍数。接着就是扩大电流的问题，解决这个问题的前提条件是输出的电压不受太大的影响，但是为了提高电流必须在输出部分做文章。因此在Uo=Ui*【1+（(R15+R17）/R16）/R6】的条件下扩大电流。具体做法是用一个8050和一个TIP41C构成达林顿管，用15V电压给它供电。可通过ISIS仿真看到效果。图 6 放大电路原理图和ISIS仿真电路图5 测量结果我们对做好的系统进行检测，设定不同的电压值让其输出，计算出输出值与设定值的误差并记录每组数据填如表3。表 3 输出误差表设定电压/V输出电压/V误差值/V11.0000.9930.00722.0582.0510.00735.3185.3120.00646.6626.6570.00558.5748.5700.00469.0008.9970.00379.9999.9960.003从表3数据可以看出这个数控电源是比较精确的。6 系统的软件设计6.1 主程序流程图整个系统的主要任务是实现步进或步退0.1V、步进或步退0.01V、键盘直接设定输出值、波形输出四种主要功能，这样系统软件设计就可以分模块完成。主程序部分，主要是查键盘，通过查键，判断是哪种输出模式，模式不同调用不同的子程序。子程序包括步进或步退0.1V、步进或步退0.01V、键盘直接设定输出值、波形输出等。下面就按照各模块的功能写出程序流程图如下所示。按键处理模式一步进或步退0.1V步进或步退0.01V模式二模式三模式四键盘直接设定输出值锯齿波输出方波输出模式五正弦波输出图7 主程序流程图6.2 MAX531子程序系统的核心是MAX531芯片，所以正确对其编程调用对整个系统起关键作用，其程序为：void send_531_data(uint dat) uchar i,j; CS_531=0; for(i=0;i12;i+) if(dat&0x0800)!=0) DIP_531= 1; else DIP_531= 0; SCLK_531=0; j=2; while(j-); SCLK_531=1; j=5; while(j-); dat=1; CS_531=1;7 总结经过几天的努力，终于完成了该电源的设计与制作。在制作过程中，我们遇到了