基于单片机的数控稳压电源电路设计.doc

摘 要 电源的应用十分的广泛 只有设计出一款质量好数控直流稳压电源才能满足 各行各业以及人们生活的需求 所以 直流稳压电源的设计颇为重要 尤其是数控 直流稳压源的设计尤为重要 本文主要介绍数控直流稳压电源的一些基本应用的 设计 对其中涉及的供电电源模块 A D 转换模块 单片机最小系统模块 电压 输出模块等有详细的介绍 本设计将单片机的数字控制技术 很好的融入到直流 稳压电源中 设计出了一款高性价比的数字化通用直流稳压电源 关键词 数控稳压源 D A 模块 最小系统 数字控制 ABSTRACT DC stabilized power supply designed with high performance can meet demands for all walks of life In view of this the design for DC stabilized power supply is of great significance which with Digital Control Technique is more desirable The paper put emphasis on introduction to the design for basic applications of DC stabilized power supply with Digital Control Technique where more detailed explanations concerned with Power supply power supply module A D conversion module Single chip with minimized system module and Voltage output module are provided The design for new type of Digitized DC stabilized power supply with High Cost Performance came into reality with Digital Control Technology of Single chip the well integrated into DC stabilized power supply key words C stabilized power supply D A Module Minimal system Digital control 目 录 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 课题研究概述 2 1 2 课题研究背景 2 1 3 电源发展的方向 3 1 4 国内研究现状 4 第二章第二章 系统设计的原理分析系统设计的原理分析 5 2 1 DC DC 的原理分析 5 2 2 系统方案比较与选择 6 2 3 系统模块方案论证与选取 7 2 3 1 DC DC 的原理分析 7 2 3 2 控制芯片的选择 8 2 3 3 显示器选择 8 2 3 4 负载电路模块的比较与选择 9 第三章第三章 硬件设计硬件设计 11 3 1 设计思路 11 3 2 AT89S51 模块电路 11 3 3 显示模块电路 12 3 4 0P07 运算放大器电路 13 3 4 1 电流电压转换部分 13 3 4 2 数模转换部分 15 3 5 AT89S51 单片机主要特性及引脚功能介绍 15 3 6 七段数码管介绍 18 3 7 DAC0832 介绍及应用 19 3 8 0P07 运算放大器简介 22 3 9 系统总电路原理图 23 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 25 4 1 主控程序 26 4 2 系统电路设计 27 第五章第五章 系统调试与分析系统调试与分析 31 5 1 测试方法 31 5 2 误差测量 31 5 3 设计中遇到的问题和解决方法 31 5 3 1 设计中遇到的问题 31 5 3 2 解决设计中出现问题的方法 32 第六章第六章 结束语结束语 35 致致 谢谢 37 参考文献参考文献 39 附录附录 A 硬件设计原理图 硬件设计原理图 41 附录附录 B 所用元器件 所用元器件 42 附录附录 C 程序源代码程序源代码 45 第一章绪 论 自从电在人们的生活中诞生以后 不仅为人类的生活带来了便利 而且也使 得各行各业都因为有了电而飞速发展 与此同时出现了无数新型的产业 现在电 已经成为我们的生活中不可缺少的一个主要部分 但是我们平时用的都是 220V 交流电压 随着我们生活水平的不断提高 科技也在不断的发展 电器界为使人 们的生活更加方便和丰富 电子产品都向微型化和集成化转型 随着人们用电量 的不断增大 同时又要满足电器产品的功率低 效率高等特点 所以必须将 220V 高压电变成低压电 并能安全可靠地提供给各类不同小电器的小电源已经 受到电器行业的重视 现如今几乎所有的电子产品都必需要稳定的直流电源来供电 因此直流稳压 电源的实际应用就变得越来越重要 在电子产品中 直流稳压电源的故障率是相 当高的 应为电器产品长期工作在大电流和大电压下 电子元器件很容易被损坏 因为在直流稳压电源中 即使通过整流桥整流 电容滤波电路所得到电压往往都 有一定的文波 而不是很稳定的直流电压 并且输出电压会在输入电压波动而波 动 由于电子设备电源电压的不稳定 将会引发起很多问题 例如 测量仪器的准 确度会降低 交流放大器的噪声会受到影响 直流放大器的零点漂移更加严重等 等 所以只有设计出一款合格的稳压电源 才能满足各种电子产品的需求 因此 直流稳压电源的设计和研究就变得越来越重要 目前产生直流稳压电源的方法大 致可以分为两种 其一是用模拟方法 其二是数字方法 前者的电路都是采用模拟 电路来实现 电路结构很复杂 而后者则是通过数字电路来实现的 并且能够实 现自动控制 相对前者来说不管是电路结构还是控制方面都要简单很多 目前国 际上直流稳压电源的发展方向是向数字化智能化等方向发展 因此对于数控直流 恒压源的研究是有意义的 1 1 课题研究概述 本设计是以单片机为主体设计的数控直流稳压电源 相比传统的直流电源设 计 本次设计更加新颖 更具有实用价值 该设计中 对整体数控直流稳压电源 进行了硬件 软件总体设计 从这两方面满足设计的基本要求的同时 对整个系 统有了比较全面的了解 1 2 课题研究背景 目前人们的生活水平已经达到了工业化时代 并逐步向高新技术产业转型 因此各种形式电源就成为人们生活中必不可少的一种常见设备 电源是给电子产 品提供电能的一种供电设备 是现在人们生活的基础 目前电源技术已逐步发展 成为一种综合性技术 它已经融入到人们生活中各行各业 例如 通信通讯行业 电子产品行业 计算机行业 电力电子行业 能源行业 以及某些高新技术行业 都离不开电源设备 因此设计一款高效的数控直稳压电源是满足现在人类生活所 必须的 也是现代化工业生产必不可缺少的 因此 设计一款高效的数控直流电压源不仅是满足人们生活平的需要也是具 有科学意义和经济价值得 本次毕业设计主要是以单片机 AT89S51 为核心 结合 DAC0832 芯片的功能 实现对输出电压的数字控制 为实现对输出电压的控制 一方面 通过 D A 输出 实现电压的预置 再通过运算放大器控制晶体管的输出电压 另一方面 再将输出 的电压的采样值送入单片机 与预置值进行比较 将误差值通过 D A 转换芯片添 加到调整电路 从而进一步降低了输出电流的纹波 经过测试 该数控稳压电源 的实际输出与显示值之间的误差小于 1 达到设计要求 数字电压源要求实现以下功能 1 用数码管直接显示读数 显示清晰直观 2 可通过按键实现调节电压大小 步进 0 1V 3 电压调整范围大 电压调整范围为 0 到 5V 4 稳定性好 设计中的重点与难点 1 调整的范围 各个电子电路所要求的电压通常有所区别 因此 所设计的 电压源要求可调整的范围尽量大 2 稳定性 各电子电路对电压源的稳定要求很高 这也是本设计的关键和难 点 1 3 电源发展的方向 1 数字化控制 目前在研制高精度 高性能 的测量仪器时 几乎没有不考虑使用微处理器 的 数值化智能电源可以有效的较少生产过程不确定的因数 可以他高生产效率 和产品的维护性 从而使系统维护起来更加的方便个容易 是整个系统控制起来 更加的灵活 2 模块化 模块换设计是指将一个产品的完整设计分成几个独立的部分来完成 最后再 将这几个独立的部分有机的结合起来 形成一个新的整体 这样就会使整个系统 的设计变得简单 设计起来更加的方便 系统设计采用模块化设计主要有以下几 个方面的好处 独立性较好 设计的时候可以一个模块一个模块的设计 这样在生产上和调 试上都会有很大的方便 可替代性 一个整机系统出先故障的时候可以一个模块一个模块的的检查 检查出来之后可以用一样的模块进行代替 而不需要把整个系统代替掉 这样可 以节约资源 同时也使模块满足更大数量的不同产品的需求 可实现通用性 可以实现在在不同的系统不同的产品之间的通用 实现了跨 系列跨产品的通用 1 4 国内研究现状 在我国 以电力电子学为核心技术的电源产业 从二十世纪六十年代初步形 成 到了九十年代以后 电源产业已经发展到了快速发展的阶段 随着时间的推 移 社会在进步 科技也在发展 人们的生活水平和质量也有很大的提高 为了 满足二十一世纪人们生活水平的需要 所以在二十一世纪设计和研究一款高性能 高效率的数控直流稳压电源是势在必行 因为电子电力技术的重要性 电源又渗透到各行各业 所以数控稳压电源在 近几年的发展方向应该是向着高效率以及自身体积等方向 只有效率得到提高 产生的热能才会减少 散热就会变的更加的容易和方便 就更容易得到高功率密 度 第二章第二章系统设计的原理分析系统设计的原理分析 2 1 DC DC 的原理分析 根据调整管的工作状态的不同 我们通常把稳压电源分成两类 线性稳压电 源和开关稳压电源 所谓线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的稳压电 源 而在开关电源 中则不一样 开关管 在开关电源中 我们一般把调整管叫 做开关管 是工作在开 关两种状态下的 开的时候电阻很小 关的时候电阻很 大 开关电源是现在比较新型的电源的一种 它的特点是 具有效率高 重量轻 可升 降压 输出功率大等一系列优点 但是开关电源也有它的缺点 比如开关 电源的开关管由于电路工作在开关状态 所以它的噪声比较大 通过下图 2 1 所 示 我们来简单的说说降压型开关电源的工作原理 如 2 1 图所示 电路由开关 K 在本设计电路中为场效应管 续流二极管 D 本设计采用的是快恢复二极管 储能电感 L 滤波电容 C 等构成 当开关闭合时 电源通过开关 K 电感 L 给 负载供电 并将部分电能储存在电感 L 以及电容 C 中 由于电感 L 的自感 在开 关接通后 电流增大得比较缓慢 即输出不能立刻达到电源电压值 一定时间后 开关断开 由于电感 L 的自感作用将保持电路中的电流不变 即从左往右继续流 这电流流过负载 从地线返回 流到续流二极管 D 的正极 经过二极管 D 返回 电感 L 的左端 从而形成了一个回路 通过控制开关闭合跟断开的时间 即 PWM 脉冲宽度调制 就可以控制输出电压 如果通过检测输出电压来控制开 关的时间 以保持输出电压不变 这就实现了稳压的目的 在电源开关被接通的时候 电感和电容就开始存储能量 在电源开关断开的 时候 电感和电容就开始释放能量 并且向负载提供能量 所以电感 L 叫做储能 电感 二极管 D 在开关断开的时候 可以负责给电感 L 提供电流通路 使之成为 一个完整的回路 所以这个二极管 D 就叫做续流二极管 本设计采用的是快恢复 二极管 在实际所用的的开关电源电路中 通常开关 K 都是由大功率的场效应管来代替 当开关断开的时候 整个回路的电流比较小 当开关闭合的时候 整个回路的电 压比较小 所以它的发热功率 U I 就会很小 所以开关电源的效率比普通的 要高很多 如下图 2 1 所示 图 2 1 开关电源 2 2 系统方案比较与选择 方案一 采用传统的调整管 使用一套十进制计数器完成系统的控制功能 一方面完成电压的译码显示 另一方面使其输出作为 EPROM 的地址输入 而由 EPROM 的输出经 D A 变换后去控制误差放大的基准电压 以控制输出步进 方案二 以单片机作为整个电路的控制单元 通过改变输入数字量来改变输 出电压值 从而使输出功率管的基极电压发生变化 间接的改变输出电压的大小 采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制 从而使得系统的硬件更加 的简洁 利用单片机为主控制器 通过按键来设置数输出电流 来设置步进的等 级 而实际电路中所需要的电压是模拟信号 所以要加上数模转换器来实现数模 转换器 这样单片机程控输出数字信号 经过 D A 转换器 DAC0832 后就可以 实现输出模拟量 而此时 DAC0832 的模拟输出端输出的模拟电流我们要将它转 化成电压 因此我们必须加一个器件来完成电流转换到电压 我选用了 0P07 运 算放大器来实现电流转换成电压这一过程 通过 0P07 运算放大器转换的电压信 号很小 因此要再加个运算发大器来实现对信号的放大功能 通过数据形式的反 馈环节 使得电压更加稳定 构成数控稳压源 通过比较 我选择第二种方案 原理电路示意图如下图 2 2 所示 图 2 2 原理电路示意图 2 3 系统模块方案论证与选取 2 3 1DC DC 的原理分析 方案一 Cuk 变换器可以进行能量存储和传递同时在两个开关器件和两个环 路中进行 这种对称性使其可以达到较高效率 但是该方案对电容要比较求高 成本也高 方案二 DC DC 变换器采用 Buck 降压型开关电源 由于 Buck 降压型开关电 源使用了高频变压器 可做到输出电压比较宽 开关管占空比合适 电路结构简 单 效率较高 综合考虑选择方案二较合适 2 3 2控制芯片的选择 采用目前比较通用的 51 系列单片机 虽然该系统采用 51 单片机为核心 能够 实现对外围电路的简单控制 51 系列单片机的优点之一是从内部的硬件到软件有 一套完整的按位操作系统 它不光能够对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处 理 还能进行位的逻辑运算 功能十分齐全 本次设计我采用了 AT89S51 单片机作为控制芯片 它的优点有相对于 89C51 89S51 新增加很多功能 性能有了较大提升 价格基本不变 甚至比 89C51 更低 ISP 在线编程功能 这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需 要把芯片从工作环境中剥离 是一个强大易用的功能 最高工作频率为 33MHz 大家都知道 89C51 的极限工作频率是 24M 就是说 S51 具有更高工作频率 从而具有了更快的计算速度 具有双工 UART 串行通道 内部集成看门狗计时器 不再需要像 89C51 那样外接看门狗计时器单元 电路 双数据指示器 电源关闭标识 全新的加密算法 这使得对于 89S51 的解密变为不可能 程序的保密性 大大加强 这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯 兼容性方面 向下完全兼容 51 全部字系列产品 比如 8051 89C51 等 等早期 MCS 51 兼容产品 也就是说所有教科书 网络教程上的程序 2 3 3显示器选择 方案一 选择 LCD1602 液晶显示器 此显示可以显示提示字母 设置数值 测试数值 价格较便宜 方案二 选择 LED 七段数码管 此方案的优点在于可以减少系统的功耗 显 示程序简单 经比较 选择方案二 2 3 4负载电路模块的比较与选择 方案一 采用稳压电路对负载进行稳压并且进行过压保护 这样结果不能 通过单片机的控制对结果进行精密控制 方案二 采用两个电阻串联的方式 其中一个来作为输出的负载 另外一 个小电阻作为电压采样电阻 负载处接一个过压保护电路用来保护电阻不被烧 坏 采样电阻上的电压直接送到 AT89S51 单片机的 A D 转换来实现负反馈 并 且通过相关程序进行稳压控制 经比较 采用方案二较合适 第三章第三章硬件设计硬件设计 3 1设计思路 系统硬件的设计思想是力求结构简单 工作可靠 适应教学要求 性能价格 比高 本次设计是以单片机来控制运行状态的数字电压源控制系统 根据要求采用 C 语言编制程序 通过单片机控制数字电压源的运行 本系统硬件设计由单片机 AT89S51 模块 DAC0832 OP07 双联七段共阴数码管模块等 4 个模块所组 成 本次设计采用单片机 AT89S51 作为整机的控制单元 通过改变输入数字量来 改变输出电压值 从而使输出功率管的基极电压发生变化 间接地改变输出电压 的大小 如果要使系统具备检测实际输出电压值的大小 可以经过 ADC0832 进 行模数转换 间接用单片机实时对电压进行采样 然后进行数据处理及显示 采 用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制 使系统硬件更加简洁 各类 功能易于实现本系统以直流电源为核心 利用 51 系列单片机为主控制器 通过 键盘来设置直流电源的输出电流 设置步进等级可达 0 1V 并可由数码管显示出 实际输出电压值和电压设定值 利用单片机程控输出数字信号 经过 D A 转换器 DA0832 输出模拟量 再经过运算放大器隔离放大 控制输出功率管的基极 随着功率管基极电流的变化而输出不同的电压 3 2AT89S51 模块电路 由于在编程时 P0 口作为原码输入口 当进行校验时 P0 输出 原码 此时 P0 1 外部电压必须被拉高 P0 1 端口接上拉电阻后 再与 DAC0832 的数字输入 信号口相连 P1 0 与 D0 相连 P1 1 与 D1 相连 P1 2 与 D2 相连 P1 3 与 D3 相连 P1 4 与 D4 相连 P1 5 与 D5 相连 P1 6 与 D6 相连 P1 7 相连 D7 加 上上拉电阻从而使得输出电压为 AT89S51 的 P0 口的电压加上上拉电阻的压降 从而使得输出电压得到提高 具体连接如下图 3 1 所示 图 3 1 AT89S51 模块电路 3 3 显示模块电路 如下图 3 2 所示 图 3 2 显示模块电路 以上的第 0 段到第 6 段也就是对应的的 a 到 g AT89S51 的 P0 0 口与数 码管 a 端相连 P0 1 与 b 端相连 P0 2 与 c 端相连 P0 3 与 d 端相连 P0 4 与 e 端相连 P0 5 与 f 端相连 P0 6 与 g 端相连 以上的连接实现数码管的 数行条的显示 例如要显示数字 2 也就是对应的 a b g e d 的发光二极 管亮 同理可以推出数字 0 1 3 4 5 6 7 8 9 的数字显示 dp 端是 控制数码管的小数点位 与单片机 P0 7 端相连 s1 s2 是用来控制数码管的 位的开关 分别与 AT89S51 的 P2 2 P2 3 端口相连 通过对开关的控制实现 数码管对位的选择 实现数码管的位的选择 3 4 0P07 运算放大器电路 本次设计用到两个 0P07 运算放大器 分别用来电流转换电压和电压放大功 能 3 4 1 电流电压转换部分 图 3 3 0P07 运算放大器电流转换电压部分电路 由上图可知 放大器的输入端 3 端口接 DAC0832 的模拟电流输出端 OUT 同时 2 端口接地 6 端口与 DAC0832 的 RFB 端口相连 也就是在电路中加入了 负反馈 则 6 端口的输出值为 OUT RFB 运算放大器的虚断虚短原理 从而 就实现了电流 电压的转换 但是由上面的得到的电压值往往很小 不符合本电 路的电压数值的要求 因此我们必须再次引入一个 0P07 运算放大器用来实现电 压的放大 从而得到我们所需要的电压 如下图 3 4 所示 图 3 4 运算放大器 由图我们可以看到 最右边的 1 和 2 为输出端 用来检测实际电压 我们暂时忽 略它 放大器的 3 端接 3 3 图的 6 端 运放的同向端 2 接地 0V 反向端和同 向端虚短 所以也是 0V 反向输入端输入电阻很高 虚断 几乎没有电流注入 和流出 那么 R2 和 R3 相当于是串联的 流过一个串联电路中的每一只组件的 电流是相同的 即流过 R2 的电流和流过 R3 的电流是相同的 流过 R2 的电流 I1 Vi V R2 式 3 1 流过 R3 的电流 I2 V Vout R3 式 3 2 V V 0 式 3 3 I1 I2 式 3 4 求解上面的代数方程得 Vout R3 R2 Vi 式 3 5 这就是反向放大器的输入输出关系式了 3 4 2数模转换部分 选取 DAC0832 作为模数转换芯片 DAC0832 是采用 CMOS 工艺制成的单片 直流输出型 8 位数 模转换器 DAC 数模转换原理 如下图 3 5 所示 图 3 5 DAC0832 内部结构图 从图 3 4 中我们可以看到 DAC0832 是由倒 T 型 R 2R 电阻网路 模拟开关 运算放大器和参考电压 VREF 四大部分组成 从电路图中我们可知运算放大器的 输出模拟量 V0 为 式 3 6 222 2 0 0 0 2 2 1 1 DDD RfVref v n n n n n 从上式中 我们可以看到输出的模拟量与输入的数字量 成正比 这也就实现了数字量到模拟量的转 222 0 0 2 2 1 1 DDD n n n n 换 一个 8 位 D A 转换器有 8 个输入端 其中每个输入端是 8 位二进制的一位 有一个模拟输出端 输入可有 28 256 个不同的二进制组态 输出为 256 个电压之 一 即输出电压不是整个电压范围内任意值 而只能是 256 个可能值 3 5AT89S51 单片机主要特性及引脚功能介绍 AT89S51 具有如下特点 40 个引脚 4kBytesFlash 片内程序存储器 128bytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通 信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 此外 AT89S51 设计和配置了振 荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式 空闲模式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模式冻结振荡器而保 存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位 同时该芯片还 具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求 其特点有 1 8031CPU 与 MCS 51 兼容 2 4K 字节可编程 FLASH 存储器 寿命 1000 写 擦循环 3 全静态工作 0Hz 24KHz 4 三级程序存储器保密锁定 5 128 8 位内部 RAM 6 32 条可编程 I O 线 7 两个 16 位定时器 计数器 8 6 个中断源 9 可编程串行通道 10 低功耗的闲置和掉电模式 11 片内振荡器和时钟电路 AT89S51 单片机 管脚说明 VCC 供电电压 GND 接地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储 器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入 口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作 为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内 部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存 取时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当 对外部八位地址数据存储器进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输 入 由于外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4T0 记时器 0 外部输入 P3 5T1 记时器 1 外部输 入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 I O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上 并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总线经过某种运算或变 换后再写回到端口锁存器只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上 面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器 CPU 将根据不同的指令分别发出读 端口或读引脚信号以完成不同的操作这是由硬件自动完成的不需要我们操心 1 然 后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上面的图如果不对端口置 1 端 口锁存器原来的状态有可能为 0Q 端为 0Q 为 1 加到场效应管栅极的信号为 1 该 场效应管就导通对地呈现低阻抗 此时即使引脚上输入的信号为 1 也会因端口的低 阻抗而使信号变低使得外加的 1 信号读入后不一定是 1 若先执行置 1 操作则可以 使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作 时还必须附加一个准备动作所以这类 I O 口被称为准双向口 89C51 的 P0 P1 P2 P3 口作为输入时都是准双向口接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个 端口还有一个差别除了 P1 口外 P0P2P3 口都还有其他的功能 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址 的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端 以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作 对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器 时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此 时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略 微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信 号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 3 6 七段数码管介绍 七段 LED 显示器由 7 个发光二极管组成 其中 7 个长条形的发光管排列成 日 字形 由七个发光二极管组成的七段显示器 发光二极管 LED 由特殊的 半导体材料砷化镓 磷砷化镓等制成 可以单独使用 也可以组装成分段式或 点阵式 LED 显示器件 半导体显示器 如再加一个贺点形的发光管在显示器的右 下角作为显示小数点用 则组成八段 LED 显示器 它能显示各种数字及部份英文 字母 LED 显示器有两种不同的形式 一种是 8 个发光二极管的阳极都连在一起 的 称之为共阳 LED 显示器 另一种是 8 个发光二极管的阴极都连在一起的 称 之为共阴 LED 显示器 如下图 3 6 所示 3 6 LED 七段数码管 共阴和共阳结构的 LED 显示器各笔划段名和安排位置是相同的 当二极管 导通时 相应的笔划段发亮 由发亮的笔划段组合而显示的各种字符 8 个笔划 段 hgfedcba 对应于一个字节 8 位 的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 于是用 8 位二进制码就可以表示欲显示字符的字形代码 在单片机系统中 通常 用 LED 数码显示器来显示各种数字或符号 由于它具有显示清晰 亮度高 使 用电压低 寿命长的特点 因此使用非常广泛 7 数码管使用条件 1 段及小数点上加限流电阻 2 使用电压 段 根据发光颜色决定 小数点 根据发光颜色决定 3 使用电流 静态 总电流 80mA 每段 10mA 动态 平均电流 4 5mA 峰值电流 100mA 3 7 DAC0832 介绍及应用 引脚与逻辑结构 DAC0832 芯片有 20 个引脚的双列直插式的芯片如 3 7 图所示 3 7 DAC0832 逻辑结构图 DI7 DI0 数字量输入信号 其中 DI0为最低位 DI7为最高位 ILE 输入锁存允许信号 高电平有效 CS 片选信号 低电平有效 WR1 写信号1 低电平有效 当ILE CS WR1同时有效时 LE 1 LE1 输入寄存器的输出随输入而变化 WR1 LE 0 将输入数据锁存到输入寄存器 XFER 转移控制信号 低电平有效 WR2 写信号2 低电平有效 当XFER WR2同时有效时 LE2 1 DAC寄存器输出随输入而变化 当 WR1 LE 0 将输入数据锁存到 DAC 寄存器 数据进入 D A 转换器 开始 D A 转换 IOUT1 模拟电流输出端1 当输入数字为全 1 时 输出电流最大 约为 255VREF 256RFB 全 0 时 输出电流为0 IOUT2 模拟电流输出端2 IOUT1 I OUT2 常数 DAC0832 是一种常用的数模转换器 它有两种连接模式 一种是电压输出模 式 另一种是电流输出模式 它的工作方式可分为单缓冲工作方式和双缓冲工作 方式 单缓冲工作方式 一个寄存器工作于直通状态 另一个工作于受控锁存器状 态 如 3 8 图所示 3 8 单缓冲工作方式 运用 DAC0832 实现调幅其连线如 3 9 图所示 3 9 DAC0832 实现调幅连线图 调幅分析 当数字量为 0FFH 255 时 IOUT1 255V 256RFB VO IOUT1 RFB 255VREF 256 所以 当数字量为 OCDH 205 VREF 5V 时 VO 205VREF 256 4V 3 80P07 运算放大器简介 OP07 低噪声高精度运算放大器的特点有 1 低的输入噪声电压幅度 0 35 VP P 0 1Hz 10Hz 2 极低的输入失调电压 10 V 3 极低的输入失调电压温漂 0 2 V 4 具有长期的稳定性 0 2 V M0 5 低的输入偏置电流 1nA 6 高的共模抑制比 126dB 7 宽的共模输入电压范围 14V 8 宽的电源电压范围 3V 22V 9 可替代 725 108A 741 AD510 等电路 0P07 高精度运算放大器具有极低的输入失调电压 极低的失调电压温漂 非 常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点 可广泛应用于稳定积分 精密绝对 值电路 比较器及微弱信号的精确放大 0P07 管脚图 3 10 0P07 管脚图 3 9 系统总电路原理图 本次设计的系统电路原理图如 3 11 图所示 3 11 系统总电路原理图 本次设计采用 AT89S51 芯片作为控制器 P0 口和 DAC0832 的数据口直接相 连 9 CS 和 WR1 连接后接地 WR2 和 XEF 接地 ILE 接电源 由于 WR2 XFER 0 DAC 寄存处与直通状态 又由于 ILE 1 故只要在选中该片 CS 0 的地址 写入 WR 0 数字量 则该数字信号立刻传送到输入寄存 器 并直通至 DAC 寄存器 经过短暂的建立时间 既可以获得相应的模拟电压 一旦写入操作结束 WR1 和 CS 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 输出电压为 5 12V 所以它所在的 DAC 的 8 脚输出电压的分辨率为 5 12 256 0 02 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 0P07 的输入端 放大器的放大倍数为 10K 40k 10K 5 输出到 电压模块的电压分辨率 0 02 5 0 1V 所以 当 MCU 输出数据增加 1 的时候 最 终的输出电压增加 0 1V 当调节电压的时候 可以以每次 0 1V 的梯度增加或者 减少电压 本电路设计三个按键 分别用来增大电压和减少电压以及复位 幅度 0 1V 主电路的原理是通过 MCU 控制 DA 的输出电压大小 通过放大器放大 给电压 模块作为最终的参考电压 第四章第四章系统软件设计系统软件设计 为了使控制系统的各种硬件设备的正常和有效地实现实时控制和管理 除了 硬件电路设计合理 而且软件支持的质量 充分考虑软件和硬件的结合 使系统达到更好的效果 系统软件设计采用了 微控制器的应用 单片机软件采用 C 语言编写 单芯片的主要过程控制 信号处 理 数据读取 通信处理功能 系统的软件设计 我们只使用了模块化设计 系 统的某些功能将进入一个子模块的形式编写的 从而提高软件系统的可读性和可 移植性 此系统是基于 AT89S51 的单片机控制程序的核心 灵活的微控制器编程的 设计和丰富的 I O 端口来控制数字控制电压的准确性 该软件采用 C 语言 所 有的模块化编程 该系统主要由显示模块 键输入中断模块 计算模块和其他组 件的电压调整 主程序系统初始化设置 包括 I O 端口 定时器 中断 每个数据缓冲区初 始化 输出显示信息系统的监测和等待中断 键的输入和数字模拟转换 将激励 中断 数字模拟转换中断的优先级高于键输入中断 数字到模拟转换中断 T0 中 断子程序的介绍 首先读取到显示缓冲区的模数转换值 然后调用 PID 调节器的 子程序来计算调整额 并输出送到 D A 转换完成一个稳压器 4 1主控程序 相关程序如下 Y N Y N 图 4 1 系统主控程序原理框图 系统初始化 扫描按键 是否 KEY 是否 KEY 电压增加 0 1V 子程序 扫描数码管 数模转换 电压减少 0 1V 子程序 4 2 系统电路设计 第一步 在 protel 中新建图纸 图 4 2 在 portel 中新建图纸 第二步 加入 AT89S51 单片机最小系 图 4 3 AT89S51 单片机最小系 第三步 完整系统 图 4 4 完整系统 第四步 电气化规则检查 图 4 5 电气化规则检查 第五步 更新 pcb 第六步 PCB 生成并整理 图 4 6 更新 pcb 图 4 7 PCB 生成并整理 第五章系统调试与分析 5 1 测试方法 将各个模块连接 然后进行预设电压值和实际输出电压值对比测试 记录两者之 间的偏差 并进行软件修正 5 2 误差测量 对系统进行测量 算出绝对误差和相对误差 可以总结出系统的稳定性 表 1 测量数据 预设电压值实际输出电压值绝对误差相对误差 1100 2 52 480 020 8 44 040 240 6 54 980 020 4 用单片机来实现对电源的数字化控制时 其输出的直流电压范围是0 0 5 0V 数码管上面的显示清晰正确 本设计相对于传统的直流电源其输出的误 差更小 控制起来更加的方便和容易 完美的实现了数控恒压源这一课题 5 3 设计中遇到的问题和解决方法 5 3 1设计中遇到的问题 在本设计中 遇到过以下问题 1 在单片机的选择中 初次设计为 AT89C51 单片机 在采购中发现 AT89S51 比 AT89C51 更适合本次设计 且市面上 AT89C51 基本已被 AT89S51 代替 2 在供电部分设计过程中 只要当供电模块一通电 时间一长 发烫十分严重 3 当整个设计的硬件完成时 进行整机调试时 出现过输出电压与刚开始设 置的电压值的相差比较大 尤其是低电压和高电压的时候这种现象十分明显 4 在制作单面的覆铜板时 刚开始做的电路板由于布线的直径设置比较小 默 认为 10mil 会出现腐蚀之后两过孔之间的线会被腐蚀掉 过孔半径以及焊盘的 半径设置的比较小 过孔半径设置太小 会导致有些电子元件因为引脚比较粗而 不能安装上去 焊盘半径设置太小 会导致在焊接元件的时候焊接不上等现象 5 3 2解决设计中出现问题的方法 1 经过仔细查阅资料 最终选择了 AT89C51 单片机 2 解决发烫的问题 只要上面安装一块散热片就可以了 这样就把产生的热 量通过散热片发散出去 3 刚开始整机调试的时候 出现输出的结果和预置值误差比较大的原因是软 件的设计还不够完善硬件电路上有些接线不规范导致的 后来通过不断的推敲修 改软件设计部分 是输出的实际值和预置值的误差减小到最小 4 对于制作覆铜板焊接技术 刚开的时候由于没有经验 做出来的覆铜板总 会出现大大小小的问题 刚开始焊接的电路板外观很是不理想 并且存在虚焊显 现 但是后来通过实验室老师的细心指导和帮助做出来的覆铜板一次比一次完美 焊接的电路板一次比一次美观 下面为本次试验的实物图 图 5 1 实物图 图 5 2 实物图 第六章第六章结束语结束语 在本次数字电压源的设计过程中 如何灵活运用单片机 数模转换器以及运 算放大器的功能实现数字控制电压是本课题的关键所在 采用 51 系列单片机作为整机的控制单元 通过改变输入数字量来改变输出 电压值 从而使输出功率管的基极电压发生变化 间接地改变输出电压的大小 为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小 可以经过 ADC0832 进行模数 转换 间接用单片机实时对电压进行采样 然后进行数据处理及显示 采用软件 方法来解决数据的预置以及电流的步进控制 使系统硬件更加简洁 各类功能易 于实现本系统以直流电源为核心 利用 51 系列单片机为主控制器 通过键盘来 设置直流电源的输出电流 设置步进等级可达 0 1V 并可由数码管显示实际输出 电压值和电压设定值 利用单片机程控输出数字信号 经过 D A 转换器 DA0832 输出模拟量 再经过运算放大器隔离放大 控制输出功率管的基极 随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压 单片机系统还兼顾对恒压源进 行实时监控 输出电压经过电流 电压转变后 通过数据形式的反馈环节 使电压 更加稳定 构成稳定的压控电压源 关于本次毕业设计 由于设计经验的不足和所掌握知识的限制 我的设计的 数字电压源已能实现在 0V 5V 范围内以 0 1V 的梯度调节电压 但在某些方面还 有更加简洁的实现方法 某些功能设计构想还没有完整的表达出来 致 谢 大学生活即将结束 回想这四年的大学生活还真是有苦有甜 在本次的毕业 设计过程中 我学到了很多以前没有学到的东西 同时我得到了许多的老师和同 学们的帮助和支持 也学到了很多平时在学习中无法学到的东西 在此 我要特 别感谢大学里曾经教导过我的所有老师和关心过我的同学 是他们在我的成长过 程中给予了我足够支持的帮助 正因为有这么多的老师和同学的帮助和支持 我 才能顺利的从论文选题 收集资料 软硬件的设计 初稿以及反复修改的完成 本文之所以能够顺利的完成 我要特别感谢我的导师全利安老师的关怀和教导 他是一个为人随和热情 治学严谨细心 全老师始终认真负责的给予我深刻而细 致的指导 帮助我开拓研究思路 精心点拨 热忱鼓励 正是全老师的无私帮组 和热忱的鼓励 我的毕业论文才能够得以顺利的完成 还有我的同学付欣同学在 单片机的编程上给了我特别多的帮助 使我能够顺利完成毕业设计 最后我要感谢 我要感谢我的四年大学生活 感谢我的家人 和那些我永远都不 会忘记的朋友 他们的支持与帮助 是我永远的财富 参考文献 1 王幸之 钟爱琴 at89 系列单片机原理与接口技术 北京航空航天大学出版社 2004 2 谭浩强 C 程序设计 第二版 清华大学出版社 1999 3 赵亮 单片机 C 语音编程与实例 人民邮出版社 2004 4 房小翠 王金凤 单片机实用系统设计技术 国防工业出版社 1999 5 康华光 电子技术基础数字部分 第四版 高等教育出版社 1998 6 张毅刚 单片机原理及应用 高等教育出版社 2003 7 李广第 朱月秀 王秀山 单片机基础 北京航空航天大学出版社 2001 8 杨振江 A D D A 转换器接口技术与实用电路 西安电子科技大学出版社 9 张毅刚 单片机原理及应用 高等教育出版社 2003 10 Matthew R Robin T Microprocessor controlled power supply J Electronic World Wireless World 1994 95 1 639 524 527 11 Kuo B C Automatic control system M 3th ed New Jersy Prentice Hall 1975 2 3 附录 A 硬件设计原理图 图 A PCB 制版图 图 A2 3D 线路演示效果图 图 A3 3D 线路演示效果图 附录 B 所用元器件 表 B1 元器件清单 AT89S511 DAC08321 0P072 按键3 七段数码管2 晶振1 排阻1 开关1 10uf1 30P1 电阻3 电池盒2 IC 座4 附录 C 程序源代码 程序代码 include include define timer0 count 0 xfc18 定时器初值 设置 time0 1 1000 秒中断一次 const seven seg 10 0 x3F 0 x06 0 x5B 0 x4F 0 x66 0 x6D 0 x7D 0 x07 0 x7F 0 x6F 数 码管的显示 const seven seg point 10 0 xbf 0 x86 0 xdb 0 xcf 0 xe6 0 xed 0 xfd 0 x87 0 xff 0 xef 有 小数点的数码管显示 char scan1 0 scan2 0 scan3 0 scan4 0 用来分别显示 4 个数码管 unsigned char counter 8 0 xf7 0 xfb 0 xfd 0 xfe unsigned char j 0 vout 0 static void timer0 isr void interrupt TF0 VECTOR using 1 timer0 中断 TR0 0 TL0 timer0 count TH0 timer0 count 8 设置 time0 初值 TR0 1 P2 counter j switch