基于51单片机的简易数控电源设计.doc

摘要：本实验设计了一个以单片机89C51为基本控制核心的简易数控直流电源。.该设计包括直流电源输入及输出两部分，可完成015V之间各不同幅值的电压的输出，能够预置数，能够自动扫描输出电压并直接显示到LED数码显示管上，并可扩展输出三角波等波型。其中电压输出部分，既可手动的每按”+”-”键一下进行每0.1V大小的上下调整，也可长按”+”-”键使其自动的递增或者递减，直到需要的数值。预置数时用切换键切换预置个位或小数位，按”+”-”键进行微调。单片机编程部分是基于WAVE6000软件上设计，并在实物上进行仿真。.该系统具有抗干扰性能好，可靠性高，及最终输出电压值与真实显示值精确度较高等优点。关键词: 89C51， 直流电压输出， 直流电压输入Abstract: This experiment has designed take monolithic integrated circuit 89C51 as the basic control core simple numerical control direct-current power supply. This design inputs and outputs two parts including the direct-current power supply, may complete between 015V each different peak-to-peak value voltage output, the automatic scan output voltage and directly demonstrated on the LED numerical code display tube, and may expand the output triangle wave, and so on voltage type. voltage output unit, also may manual every time press + - the key to carry on each 0.1V size about to adjust, also may long press + - the key to cause its automatic to increase progressively or to decrease progressively, until needs the value, carries on the trimming. monolithic integrated circuit programming part is again designs based on WAVE6000 software on, And carries on the test on the material object Debugging, This system has the resistance to interference well, the reliability is high, and finally output voltage value and real demonstration value precision higher merit.Key word: 89C51, DC voltage output, DC voltage input 目录1设计任务及要求1.1设计任务1.2设计要求 1.2.1设计要求1.2.2发挥部分2方案比较并确定 2.1设计方案一2.1.1方案一方框图2.1.2方案一原理图 2.2.设计方案二2.2.1.方案二方框图2.2.2方案二原理图 2.3方案的优缺点及选择3硬件部分原理及设计 3.1方案一硬件部分3.1.1单片机部分3.1.2数模转换部分3.1.3放大器部分3.1.4电源输入部分3.1.5稳压器部分3.1.6按键部分3.1.7数码显示输出部分 3.2方案二硬件部分3.2.1单片机部分3.2.2继电器部分3.2.3电阻网络部分3.2.4电源输入部分3.2.5稳压器部分3.2.6按键部分3.2.7数码显示输出部分4软件部分设计 4.1主程序流程图 4.2预置数流程图5系统调试测验 5.1系统调试 5.2系统测试 5.2.1系统功能测试5.2.2系统指标测试5.2.3系统误差分析6总结7参考资料8附录一.设计任务及要求1.设计任务: 设计制作具有一定电压范围和功能的数控电源.原理如题目所示。 2.设计要求(1) 基本要求: a 输出电压:范围 015V .步进 0.1V纹波不大于10mv b输出电流: 500mA c 输出电压由数码显示 d 用”+”.”-”键控制输出电压进行增/减调整 发挥部分a 自动扫描输出电压b 扩展输出三角波等电压种类c 输出电压可预置在015V之间的任意值二. 方案比较并确定根据设计要求，小组成员拟列了2个方案，原理上基本能够实现要求1方案一:是以型号89C51单片机为控制核心进行设计的，通过按键进行控制，单片机控制数模转换芯片DAC0832，其输出07.5V的电压，因为要求电压为015V所以必须再经过放大器放大，并通过三端可调正稳压器进行稳压，输出一个较稳定的直流电压，并在数码管上显示出来，并时刻刷新调整电压后的幅值。a.方框图如下：电源输入键盘数模转换单片机显示放大器稳压器输出b.原理图如下：2方案二：是以单片机89C51为控制核心，外接按键进行控制，单片机控制8个继电器，且每个继电器串联一个一定阻值的电阻，电阻之间的关系为以2为参数的等比数列，继电器之间为并联形式。最终电压幅值可经过一个稳压电路后稳定输出。且最后输出的电压值可通过单片机控制在数码显示管上显示出来，并时刻刷新调整电压后的幅值。 a 方框图如下电源输入键盘输入单片机8个继电器等比电阻网络稳压器显示输出稳压输出b。原理图如下P1 P289C51 P3LED显示电压输出键盘输入电阻网络 继电器稳压器 外部电源部分3两种方案比较方案一的电源电压切换采用DAC控制速度比较快，切换方便，且可以输出较高频率的几种波形，所需器件较少，元器件较常见而且便宜，缺点是放大器的电压要求比较高，需要015V的输出，需要多种电源供电。方案二采用继电器控制为机械式。基本原理简单，实现比较方便，电源电压也可以调整到较精确的数值，但是它需要较大的工作电流，原器件价格较贵，而且继电器会产生噪声污染。比较之后，两种方案各有优缺点，所以可以任意选取一种进行软硬件组装。三硬件部分原理及设计 1设计方案一部分（1） 单片机89C51单片机89C51是本设计中的控制核心，是一个40管脚的集成芯片，管脚图如下。引脚部分：单片机接脚基本电路部分与普通设计无异，40脚接Vcc+5V，20脚接地。X1，X2两脚接12MHZ的晶振，可得单片机机器周期为1微秒。RST脚外延一个RST复位键，一端接Vcc，一端通过10K电阻接地。P0口中，03口分别通过一个PNP型三极管9012的B端，并由E端接人集成LED的COM14口。47口则分别通过一个按键接地，通过软件编写实现6个按键的各种功能。P1口8个端口连LED中a，b，c，d，e，f，g，db脚上。P2口是连到DAC0832中的D0D7。（2） 数模转换部分1脚CS（反） 2 脚WR1（反） 3脚AGND 4脚D35脚D2 6 脚D1 7脚D0 8脚ref9脚Ref 10脚DGND 11脚Iout1 12脚Iout213脚D7 14脚D6 15脚D5 16脚D417脚XFER（反）18 脚WR2（反）19脚ILE 20脚VccDAC0832是一款常用的数摸转换器，它有两种连接模式，一种是电压输出模式，另外一种是电流输出模式，为了设计的方便，选用电压输出模式。这个芯片共有20 个管脚，管脚分布图如下。Iout1和Iout2之间接一参考电压，VREF输出可控制电压信号。它有三种工作方式：不带缓冲工作方式，单缓冲工作方式，双缓冲工作方式。该电路采用单缓冲模式，由电路图可知，由于/XFER=0/CS=0/ ILE=1，DAC寄存处于工作状态。所以只要把/WR1/WR2置低电平时，写p2口，则该数字信号立即传送到输入寄存器，并直通至DAC寄存器，经过短暂的建立时间，即可以获得相应的模拟电压，一旦写入操作结束，/WR1和/WR2立即变为高电平，则写入的数据被输入寄存器锁存，直到再次写入刷新。（3）放大器部分放大器选择范围比较大，只要放大器满足放大值达到015V，放大倍数25倍，频率要求不高。但由于实验室只提供7815，7915最大提供电源为+15V和-15V，因此不可避免线性度有较大要求。而放大值要有15V电压差，不可避免的需要同时用到正负量程。因此对放大器的调零也有较大要求。先后使用082，081，OP07。最后确定用OP07。同时因为要在正向放大时提供正偏压，因此采用082制作了一个同项输入跟随器，做电气隔离。（4）电源输入部分 实验中主要采用L7805，L7815，L7915三种稳压器，外加电源部分设置成+/-20V，可由220V电源经变压得到，并将20V直接接到LM317中3端输入口，另外将+20V通过L7815，稳压后输出为+15V，将-20V通过L7915，稳压后输出为-15V，并将+/-15V电压加载到放大器的电源正负管脚上，另外DAC0832的电源管脚20脚和19脚ILE脚也要接+15V。再将+15V又经过L7805后变成+5V，这个压值可供应到单片机电源及显示部分。还需要在L7815的1，3脚，L7915的2，3脚以及L7805的1，3脚各自与地之间并联连上220微法电解电容和0.1微法磁片电容，目的是为了滤除低频杂波和高频杂波。（5）稳压器部分 稳压电路设计采用的是常用的可调集成稳压器LM317。 LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。输出电压范围是 1.25V 至 37V，负载电流最大为 1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接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。 通常LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。 LM317 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过 LM117/LM317 的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。特性简介 A。可调整输出电压低到 1.2V。 B。保证 1.5A 输出电流。 C。典型线性调整率 0.01%。 D。典型负载调整率 0.1%。 E。80dB 纹波抑制比。 F。输出短路保护。 G。过流、过热保护。 H。调整管安全工作区保护。 I。标准三端晶体管封装。（6）按键部分设计中共用到按键数为7个，其中一个为单片机上的复位键，另外6个分别命名为K1K6，K1K4分别接单片机P0口的P0.4P0.7，K5，K6接P3.5，P3.6。功能为：K1键：退出功能；K2键：预置数（设置一个数值为初始值）；K3键：自动扫描键（扫描电压值，并在LED上自动显示）；K4键：输出三角波电压/在预置数值时整数和小数部分切换；K5键：对输出稳定电压进行递减；K6键：对输出稳定电压进行递增。（7）数码显示输出部分这是决定系统使用是否方便的关键。这里又有两个方案。方案一：采用电阵式液晶显示器（LCD）显示。虽然其功能强大，可显示各种字体的数字，汉字，图象，还可以自定义显示内容，但是编程复杂，需要消耗大量时间完成显示部分的编程工作，成本也比普通数码管贵。方案二：采用通用LED数码管显示。虽只能显示非常有限的符号和数码字，但是在本设计中完全满足显示需要，且编程简便，可节约大量时间。分析以上两种方案的优缺点，本设计采用方案二。这里我们使用的是通用的4位集成数码显示管 1 2 3 4 5 6 12 11 10 9 8 71脚-com4 2脚-a 3脚-f 4脚-com3 5脚-com2 6脚-b7脚-com1 8脚-g 9脚-c 10脚-db 11脚-d 12 脚-e 其中4个 com(1-4)分别对应单片机P0端口(p0.0p0.4)2个LED端口的8个引脚a，b，c，d，e，f，g，db对应P1端口，且之间加阻值为330欧姆的电阻，否则电流过大，使电源部分的稳压器过热，显示管显示过亮。2设计方案二部分（1） 单片机89C51部分这一部分的整体基本上与方案一相同，原本接DAC0832的P2口现在改为接8个继电器，由此控制电路的开合。（2） 继电器部分我们采用闭合式继电器，如图当P2口有低电平到时，就使继电器内部的按键跳转使和继电器相连的电阻接入电路。（3） 电阻网络部分与稳压器压差1.25V之间我们采用了一个560欧的精密电阻，因为实验要求步进为0.1V，因此电阻网络中的第一个电阻的阻值为（560/1.25）*0.1，其余电阻为第一个电阻的倍增阻值。由于阻值比较难配，在这里我们在实验中采用了电位器。（4）电源输入部分 此方案中主要采用L7805，L7905两种稳压器，外加电源部分设置成+/-20V，并将20V直接接到LM317中3端输入口，另外将+20V通过L7805，稳压后输出为+5V，这个压值可供应到单片机电源及其他高电平需求处。L7905输出的-5V加在电阻网络的末端主要是为了使电路实现调零，因为稳压器的最小输出电压为1.25V。（5）稳压器部分同方案一中的稳压器部分。（6）键盘部分 此设计中也采用7个按键且基本功能和方案一相同，只是排列方式不同。在单片机下方的是复位键，其余6个键按3，2阵列排，分别位K1K6，K1K4分别接单片机P0口的P0.4P0.7，K5，K6接P3.5，P3.6。功能为：K1键：退出功能；K2键：预置数（设置一个数值为初始值）；K3键：自动扫描键（扫描电压值，并在LED上自动显示）；K4键：输出三角波电压/在预置数值时整数和小数部分切换；K5键：对输出稳定电压进行递减；K6键：对输出稳定电压进行递增。（7）数码显示部分这里也是采用了LED数码显示管，接脚形式及控制都同方案一。四.软件部分设计系统的软件设计采用汇编语言，对单片机进行编程实现各功能程序是在Wnidows xp环境下采用WAVE 6000软件编写的，可以实现对按键输入高电平，对电压增加+/-0.1V，预置电压值等功能1 主程序流程图（图1）开始计数器+1是否+ 是 否计数器-1是否- 是预置预置数 否 是 否三角波 是是否退 是 否输出三角波 否扫描输出 是退出 是计熟数+1满150 否计数-1 是 减为0 否显示DAC输出延时1S2.预置数流程图（图2）控制0十位个位+1，015是否+ 是 是 否小数+1，范围09 否控制0十位个位+1，015是否- 是 是 否小数-1，范围09 否是否退出 是 否是否切换控制取反显示预置数五.系统调试测验 1.系统调试（1）电源部分调试：先断开所有除输入电源以外的其他电源接入线，在外部电源输入部分加入正负20 V的电压，通过L7815的1脚，和L7915的2脚，后用万用表测量L7815的3脚为15V，L7915D 3脚为-15V，L7805的3脚为+5V，同时测试单片机，DA0832，放大器等底座接口供电。电源部分正常。（2）调试LED显示：编制简单的显示小程序验证正常。（3）按键测试：用程序验证。（4）DAC测试：调整Iout1/Iout2的基准电压使输入255时输出电压7.5V。用软件测试输出。（5）放大器调试：这是我们最感头痛的地方，从082，081，OP07，一直达不到满意的要求。最后终于发现问题来自电源-15V的纹波干扰，为此，我们把电源模块和放大模块重新独立制作调试。最终采用OP07加082的方式。首先用OP07建立正项放大器，信号从正端输入，然后对OP07的2/3脚短路接地，调节调零电阻丝输出为零。然后在正项加5V电压，调节放大倍数为2倍，因为电源为+15/-15所以放大输出最大到+14V，而且LM317的调零必须用到负电压，因此改变负端的参考电压来得到负电压。考虑到参考电压用滑动变阻器得到，用082的一个放大器制作正项跟随器进行电器隔离。用滑动变阻器调节输出电压，使DAC输出为0时，OP07输出-5V。所以最终OP07输出为-5V+10V，达到LM317的电压差要求。 放大器部分 电源部分（6）LM317调试：调节滑动变阻器，使DAC输出0V放大器输出-5V时LM317输出0V。2 系统测试 （1）系统功能测试（详细叙述略）a. 系统操作及面板说明b. 符合设计提出的基本功能及提出的部分发挥功能 （2）系统指标测试 当输出端接空载时，测量仪器为： 测量时间：2005年9月1日 数据记录（室温下）1234567891011预置电压/V（数码显示）0.01.02.05.06.08.09.010.012.014.015.0输出电压/V（数码显示）0.01.02.05.06.08.09.010.012.014.015.0实测电压/V（仪器测量）0.001.012.005.016.038.029.0110.0112.0314.0115.02 （3）系统误差分析 从电路的原理框图可以看出，系统的主要误差有两个方面：a 0832的量化误差 0832为8位D/A转换器，满量程为10V的量化误差为+/-0.5Lmbs+/-20mV.。按满度归一化的相对误差为+/-0.2%。如图所示为部分测试点的误差b 放大器放大的线性失真引起的误差，以及经过0点的调零误差。c 基准电压温漂引入的误差 LM317在040范围内漂移不大于4mV，故相对误差=+/-0.04%。 （4）误差调整：可以采用精度更高的10位DAC，采用线性度较好的的放大器，增加系统正负放大器电源供电电压等。因器材限制，并未采用以上方法。二是采用了查表法，在256个值中选取最接近所需电压的值。下图为150个电压值对应的DAC的值。六总结本设计成品经过多次测量，基本上满足了设计要求所需的各项指标。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，明了，整体美观，充分发挥软件变成方便灵活的特点，来满足系统设计要求。但是因为时间有限，该系统还有许多不足之处需要改进，比如电压精度问题等等。在本次设计的过程中，我们也遇到了许多突发事件和各种困难，（如电源干扰，放大器调零等）设计制作曾一度中断，但通过仔细分析和自我状态调整后解决了问题。在这个、过程中我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己解决问题的能力。参考资料 1National Semiconductor Corporation Linear Databook 1（1987 Rev.1）第1-页2实用稳定电源 150 例张国峰、张维编，人民邮电出版 3标准集成电路数据手册集成稳压器 第 59 页4EDA技术使用教程 潘松，黄继业 科学出版社， 5全国大学生电子设计竞赛训练教程 黄智伟 电子工业出版社6数字电路技术 浙江大学出版社7单片机中级教程 张俊膜 北京航空航天大学出版社8电子器材大全 电子工业出版社9电子线路设计应用手册 张友汉 科学出版社 附录附录一 本设计实验中所使用的仪器及器材a 主要仪器：计算机,WAVE仿真器,电源,万用表,函数信号发生器,示波器,30W电烙铁,剥线钳,镊子,螺丝开,b 主要器材：实验板一块,单片机89C51,数模转换DAC0832,放大器OP07,稳压器L7815,L7805,L7915,LM317,各种大小数值的电阻,变阻器,电容,导线若干.LED显示管,按键,9012三极管,12MHZ晶振,导通二极管.(器材芯片的管脚请查阅第三部分的各个硬件部分)附录二本设计实验全电路原理图 方案一电路图 方案二电路图附录三设计实物图 方案一实物图 方案二实物图附录四 软件部分程序led1 equ 30h ；预定义led2 equ 31hled3 equ 32hled4 equ 33hbuff equ 34hbuff1 equ 34hdisbuff equ 35hcontrol equ 36hcontrol1 equ 36hkeybuff1 equ 37hkeybuff2 equ 38hkeydisbuff1 equ 3ahkeydisbuff2 equ 3bhkeydisbuff3 equ 3chorg 0000hajmp mainmain:mov led1,#0ffH ;初始化mov led2,#0ffhmov led3,#0ffhmov led4,#0ffhmov disbuff,#00hmov buff,#00hmov buff,#00hmov control,#00hmov control1,#00hcall senddaccall sendledloop:setb p3.5 ；判断减jb p3.5,key2dec buffcall senddaccall sendledkey2:setb p3.6 ；判断加jb p3.6,key3inc buffcall senddaccall sendledkey3:setb p0.4jb p0.4,key4key4:setb p0.5 ；判断预定义jb p0.5,key5mov a,buffmov b,#10div abmov keybuff1,bmov keybuff2,acall defindkey5:setb p0.6 ；判断自动扫描jb p0.6,key6call testkey6:setb p0.7 ；判断输出三角波jb p0.7,key7call sanjiaokey7:call display ；调用显示ajmp looptest: ；自动扫描子程序mov buff,#00hsetb p0.4jb p0.4,test1rettest1:mov r3,#150loop7:setb p0.4jb p0.4,test2rettest2:inc buffcall senddaccall sendledcall displaydjnz r3,loop7mov r3,#150loop6:setb p0.4jb p0.4,test3rettest3:dec buffcall senddaccall sendledcall displaydjnz r3,loop6ajmp test1sanjiao: ；三角波子程序setb p0.4jb p0.4,sanjiao1retsanjiao1:mov r3,#150loop9:inc buff1clr p3.7mov a,buff1MOV DPTR ,#numtab1 ;译码MOVC A,A+DPTRmov p2,asetb p3.7call D1ms1djnz r3,loop9mov r3,#150loop8:dec buff1clr p3.7mov a,buff1MOV DPTR ,#numtab1 ;译码MOVC A,A+DPTRmov p2,asetb p3.7call D1ms1djnz r3,loop8ajmp sanjiaodefind: ；预定义mov a,controlcjne a,#00h,defind1setb p3.5jb p3.5,defind01dec keybuff2defind01:setb p3.6jb p3.6,defind1inc keybuff2defind1:cjne a,#01h,defind3setb p3.5jb p3.5,defind11dec keybuff1defind11:setb p3.6jb p3.6,defind3inc keybuff1defind3:setb p0.4jb p0.4,defind4mov buff,keybuff1mov a,keybuff2mov b,#10mul abadd a,buffmov buff,acall senddaccall sendledretdefind4:setb p0.7jb p0.7,defind5inc controlmov a,controlcjne a,#02h,defind5mov control,#00hdefind5:call sendkeyledmov a,controlcjne a,#00h,definddis1call display1call display4ajmp definddefinddis1:call display2call display4ajmp defindsendled:mov a,disbuffmov b,#10div abmov led1,bmov b,#10div abmov led2,bmov led3,aMOV DPTR ,#numtab ;译码mov a,led3jnz sendled1mov a,#0ahsendled1:MOVC A,A+DPTRMOV led3,Amov a,led2MOVC A,A+DPTRMOV led2,Amov a,led1MOVC A,A+DPTRMOV led1,Aretsendkeyled: 送键盘显示缓存mov a,keybuff2cjne a,#0ffh,keyled3mov keybuff2,#00hkeyled3:cjne a,#0fh,keyled4mov keybuff2,#0ehkeyled4:mov a,keybuff1cjne a,#0ffh,keyled5mov keybuff1,#00hkeyled5:cjne a,#0ah,keyled6mov keybuff1,#09hkeyled6:MOV DPTR ,#numtab ;译码mov a,keybuff2mov b,#10div abMOVC A,A+DPTRMOV keydisbuff3,Amov a,bMOVC A,A+DPTRMOV keydisbuff2,Amov a,keybuff1MOVC A,A+DPTRMOV keydisbuff1,Aretsenddac: ；送显示缓存mov a,buffcjne a,#0ffh,dac1mov buff,#00hdac1:cjne a,#97h,dac2mov buff,#96hdac2:clr p3.7mov a,buffMOV DPTR ,#numtab1 ;译码MOVC A,A+DPTRmov p2,amov a,#0c9hsubb a,buffmov disbuff,buffsetb p3.7retdisplay: 显示子程序mov p0,#00hmov r0,#6dpl1: mov r1,#100dplop:mov p1,led4clr p0.0acall d1mssetb p0.0mov p1,led3clr p0.1acall d1mssetb p0.1mov p1,led2clr p1.7clr p0.2acall d1mssetb p0.2mov p1,led1clr p0.3acall d1mssetb p0.3djnz r1,dplopdjnz r0,dpl1retdisplay1: 显示子程序1mov p0,#00hmov r0,#1dpl11: mov r1,#100dplop1:mov p1,led4clr p0.0acall d1mssetb p0.0mov p1,#0ffhclr p0.1acall d1mssetb p0.1mov p1,#0ffhclr p1.7clr p0.2acall d1mssetb p0.2mov p1,keydisbuff1clr p0.3acall d1mssetb p0.3djnz r1,dplop1djnz r0,dpl11retdisplay2: 显示子程序2mov p0,#00hmov r0,#1dpl13: mov r1,#100dplop3:mov p1,led4clr p0.0acall d1mssetb p0.0mov p1,keydisbuff3clr p0.1acall d1mssetb p0.1mov p1,keydisbuff2clr p1.7clr p0.2acall d1mssetb p0.2mov p1,#0ffhclr p0.3acall d1mssetb p0.3djnz r1,dplop3djnz r0,dpl13retdisplay4: 显示子程序4mov p0,#00hmov r0,#1dpl14: mov r1,#100dplop4:mov p1,led4clr p0.0acall d1mssetb p0.0mov p1,keydisbuff3clr p0.1acall d1mssetb p0.1mov p1,keydisbuff2clr p1.7clr p0.2acall d1mssetb p0.2mov p1,keydisbuff1clr 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