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基于单片机控制的直流恒流源的设计毕业论文 基于单片机控制的直流恒流源的设计摘要本文主要论述了一种基于单片机为核心控制器的数控直流电源的设计原理和实现方法。该电源具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和电流信号可同时显示功能。文章介绍了系统的总体设计方案，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。该系统原理是以单片机为控制单元，以数模转换芯片DAC0832输出参考电压控制电压转换模块LM3输出电压大小，同时输出稳压、恒流采用转换芯片C0832对采样的电压、电流转换为数字信号，再通过单片机闭环控制。文章最后对数控直流电源的主要性能参数进行了测定，并对其发展前景进行了展望。AbstractThe method of this paper based on the 51 microcontroller core of the numerical controller DC power supply design theory and realization. The power supply has some functions such as presetting voltage, stepping adjustment, displaying the output voltage signals and current signals at the same time. This paper introduces a general designing plan of the system, which is mainly consisted of micro-controller module, DC Regulators module, voltage/current sampling module, display module, keyboard module, power supply module. The system is based on the principle of single-chip microcomputer to control the unit STC89C52 to DAC0832 digital-to-analog converter chip reference voltage to control the output voltage LM317 output voltage conversion module size, while the output voltage regulator, current use of analog-to-digital converter ADC0832 chip sampling of voltage and current converted to digital signals, and then through the single-chip closed-loop control to achieve. Article on the main DC power supply CNC performance parameters were measured and summarized, and their development prospects.Keywords：microcontroller MCU ， the Digital to Analog DAC ，the Analog to Digital ADC ， the closed-loop control目录摘要Abstract目录第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 单片机概述、应用及发展2 单片机发展概述3 单片机的应用领域5 单片机的发展趋势6 单片机应用系统开发简介7 单片机开法方式的发展81.4 恒流源的发展历程9 电真空器件恒流源的诞生9 晶体管恒流源的产生和分类9 集成电路恒流源的出现和种类101.5 国内外研究现状101.6 课题的主要内容10第二章 方案与设计基础知识122.1方案设计与论证122.2主控单片机 MCU 14 STC89C52 简介14 引脚说明152.3 液晶显示屏（1602）15 LCD1602简介15口说明162.4 三端可调稳压器172.5 运算放大器OP071818介182.6数模转换芯片18 A/D转换芯片ADC0832介绍19 ADC0832接口说明20第三章 系统电路原理及硬件实现213.1 系统总体框图213.2 系统模块电路设计21 单片机控制模块21 稳压控制模块22 电压与电流采样模块23块26 电源模块27 键盘模块273.3 系统整体原理图28第四章 系统的软件设计294.1 软件设计思路294.2 系统软件流程29模块29较程序模块31第五章 系统测试与误差分析325.1 系统测试32试32 硬件测试32体测试。335.2 误差分析34第六章 总结35参考文献37附录A 系统整体原理图38附录B 系统源程序39第一章 绪论1.1研究背景及意义直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通的直流稳压电源品种有很多, 但均存在以下二个问题: 输出电压是通过粗调 波段开关 及细调 电位器 来调节。这样, 当输出电压需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时困难就较大。另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电位器难免接触不良, 对输出会有影响。稳压方式均是采用串联型稳压电路, 对过载进行限流或截流型保护, 电路构成复杂,稳压精度也不高。家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节并由电压表指示电压值的大小因此，电压的调整精度不高读数欠直观，电位器也易磨损而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的突飞猛进，现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源在一些高能物理领域急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。1.2 国内外研究现状世纪年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。如今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现了直流电源的无人值守。并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。如：扬州鼎华公司近年来结合美国Sorensen Amrel等公司的先进技术，成功开发了单机最大功率120KW智能模块电源，可以并联32台（可扩展到64台），使最大输出功率可以达到7600kW以上。智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力 如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理 的微处理器 CPU ，随机存取数据存储器 RAM ，只读程序存储器 ROM ，输入输出电路 I/O口 ，可能还包括定时计数器，串行通信口 SCI ，显示驱动电路 LCD或LED驱动电路 ，脉宽调制电路 PWM ，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统1。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑 PC机 有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标2。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件 包含可支持开发应用程序的软件资源 及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛3。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。1946年第一台电子计算机诞生至今，只有50年的时间，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管晶体管集成电路大规模集成电路，现在一块芯片上完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志2。1946年2月15日，第一台电子数字计算机问世，这标志着计算机时代的到来。ENIAC是电子管计算机，时钟频率仅有100KHz，但能在1秒钟的时间内完成5000次加法运算1。与现代的计算机相比，有许多不足，但它的问世开创了计算机科学技术的新纪元，对人类的生产和生活方式产生了巨大的影响 。匈牙利籍数学家冯?诺依曼在方案的设计上做出了重要的贡献。1946年6月，他又提出了“程序存储”和“二进制运算”的思想，进一步构建了计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成这一计算机的经典结构1。单片机诞生于20世纪70年代，像Fairchild公司研制的F8单片微型计算机。所谓单片机是利用大规模集成电路技术把中央处理单元 Center Processing Unit,也即常称的 CPU 和数据存储器 RAM 、程序存储器 ROM 及其他I/O通信口集成在一块芯片上，构成一个最小的计算机系统，而现代的单片机则加上了中断单元，定时单元及A/D转换等更复杂、更完善的电路，使得单片机的功能越来越强大，应用更广泛。20世纪70年代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上，像Farichild公司就属于这一类型，它还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统。类似的单片机还有Zilog公司的Z80微处理器。1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。在MCS-48的带领下，其后，各大半导体公司相继研制和发展了自己的单片机，像Zilog公司的Z8列。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，像INTEL公司的MCS-51系列，Motorola公司的6801和6802系列，Rokwell公司的6501及6502系列等等，此外，日本的著名电气公司NEC和HITACHI都相继开发了具有自己特色的专用单片机4。80年代，世界各大公司均竞相研制出品种多功能强的单片机，约有几十个系列，300多个品种，此时的单片机均属于真正的单片化，大多集成了CPU、RAM、ROM、数目繁多的I/O接口、多种中断系统，甚至还有一些带A/D转换器的单片机，功能越来越强大，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，可以说，单片机发展到了一个全新阶段，应用领域更广泛，许多家用电器均走向利用单片机控制的智能化发展道路。1982年以后，16位单片机问世，代表产品是INTEL公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232字节，ROM则达到了8kB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道，高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。随后的事情，熟悉单片机的人士都比较清楚了，更多的单片机种蜂拥而至，MOTOROLA公司相继发布了MC68HC系列单片机，日本的几个著名公司都研制出了性能更强的产品，但日本的单片机一般均用于专用系统控制，而不像INTEL等公司投放到市场形成通用单片机。例如NEC公司生产的uCOM87系列单片机，其代表作uPC7811是一种性能相当优异的单片机。MOTOROLA公司的MC68HC05系列其高速低价等特点赢得了不少用户。Zilog公司的Z8系列产品代表作是Z8671，内含BASIC Debug解释程序，极大地方便用户。而美国一半的COP800系列单片机则采用先进的哈佛结构。ATMEL公司则把单片机技术与先进的Flash存储技术完美地结合起来，发布了性能相当优秀的AT89系列单片机。包括中国的台湾HOLTEK和WINBOND等公司也纷纷加入了单片机发展行列，凭着他们廉价的优势，分享一杯美羹。1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。此期间，单片机园地里，单片机品种异彩纷呈，争奇斗艳。有8位、16位甚至32位机，但8位单片机仍以它的价格低廉、品种齐全、应用软件丰富、支持环境充分、开发方便等特点而占着主导地位。而INTEL公司凭着他们雄厚的技术，性能优秀的机型和良好的基础，目前仍是单片机的主流产品。只不过是九十年代中期，INTEL公司忙着开发他们个人电脑微处理器，已没有足够的精力继续发展自己创导的单片机技术，而由PHILIPS等公司继续发展C51系列单片机。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：（1）在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。（2）在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。（4）在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途5。现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：（1）低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗高达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS 互补金属氧化物半导体工艺 。像80C51就采用了HMOS 即高密度金属氧化物半导体工艺 和CHMOS 互补高密度金属氧化物半导体工艺 。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。（2）微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器 CPU 、随机存取数据存储 RAM 、只读程序存储器 ROM 、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW 脉宽调制电路 、WDT 看门狗 、有些单片机将LCD 液晶 驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD 表面封装 越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。（3）主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集 RISC 也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。1）单片机应用系统的开发设计单片机应用系统时，在完成硬件系统设计之后，必须配备相应的应用软件。正确无误的硬件设计和良好的软件功能设计是一个实用的单片机应用系统的设计目标。完成这一目标的过程称为单片机应用系统的开发。单片机作为一片集成了微型计算机基本部件的集成电路芯片，与通用微机相比，它自身没有开发功能，必须借助开发机（一种特殊的计算机系统）来完成如下任务：排除应用系统的硬件故障和软件错误；程序固化到内部或外部程序存储器芯片中。指令是让单片机执行某种操作的命令。在单片机中，指令按一定的顺序以二进制码的形式存放于程序存储器中。为了书写、输入和显示方便，人们通常将二进制的机器码写成十六进制形式。如，二进制码00000100B可以表示为04H。04H所对应的指令意义是累加器A的内容加1。若写成INCA则要清楚得多，这就是该指令的符号表示，称为符号指令6。符号指令要转换成计算机所能执行的机器码并存入计算机的程序存储器中，这种转换称为汇编。常用的汇编方法有三种：一是手工汇编，设计人员对照单片机指令编码表，把每一条符号指令翻译成十六进制表示的机器码指令，借助于小键盘送入开发机，然后进行调试，并将调试好的程序写入程序存储器芯片。二是利用开发机的驻留汇编程序进行汇编。三是利用通用微型计算机配备的汇编程序进行交叉汇编，然后将目标码传送到开发机中。另外，现在人们还可以常常采用高级语言（如C51）进行单片机应用程序的设计。在PC机编程好的高级语言源程序经过编译、连接后形成目标码文件，并传送到开发机中。这种方法具有周期短、移植和修改方便的优点，适合于较为复杂系统的开发7。2）单片机应用系统传统开发方式单片机开发系统又称为开发机或仿真器。仿真的目的是利用开发机的资源（CPU、存储器和I/O设备等）来模拟开发的单片机应用系统（即目标机）的CPU、存储器和I/O操作，并跟踪和观察目标机的运行状态。仿真可以分为软件模拟仿真和开发机在线仿真两大类。软件模拟仿真成本低，使用方便，但不能进行应用系统硬件的实时调试和故障诊断。下面仅介绍两种在线仿真方法。一种是利用独立型仿真器开发。独立型仿真器采用与单片机应用系统相同类型的单片机做成单板机形式，板上配置LED显示器和简易键盘3。这种开发系统在没有普通微机系统的支持下，仍能对单片机应用系统进行在线仿真，便于在现场对应软件进行调试和修改。另外，这种开发系统还配有串行接口，能与普通微机系统连接。这样，可以利用普通微机系统配备的组合软件进行源程序的编辑、汇编和联机仿真调试。然后将调试无误的目标程序（即机器码）传送到仿真器，利用仿真器进行程序的固化。另一种是利用非独立型仿真器开发。这种仿真器采用通用微型计算机加仿真器方式构成。仿真器与通用微机间以串行通信的方式连接。这种开发方式必须有微机的支持，利用微机系统配备的组合软件进行源程序的编辑、汇编和仿真调试。有些仿真接口上还配备有EPROM写入插座，可以将开发调试完成的用户应用程序写入EPROM芯片。与前一种相比，此种开发方式现场参数的修改和调试不够方便。以上两种开发方式均是在开发时拔掉目标系统的单片机芯片和程序存储器芯片，插上从开发机上引出的仿真头，即把开发机的单片机出借给目标机。仿真调试无误后，拔掉仿真头，再插回单片机中调试好的程序固化到EPROM芯片中并插到目标机的程序存储器插座上，目标机就可以独立运行了。由于单片机贴片封装形式的广泛采用以及Flash存储器技术的迅速发展，传统的单片机应用系统开发的理念将受到冲击。采用新的单片机应用系统开发技术可将单片机先安装到印制线路板上，然后通过PC机将程序下载到目标系统。如：SST公司推出的SST89C54和SST89C58芯片分别有20KB和30KB的Super FLASH存储器，利用这种存储器可以进行高速读写的特点，能够实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。首先在PC机上完成应用程序的编辑、汇编（或编译）、模拟运行，然后实现目标程序的串行下载。Microchip公司推出的RISC结构单片机PIC16F87X中内置有在线调试器ICD（In-Circuit Programming）功能，该公司还配置了具有ICSP（In-Circuit Serial Programming）功能的简单仿真器和烧写器。通过PC机串行电缆就可以完成对目标系统的仿真调试 。电子管通常不能单独作为恒流器件，但可用它来构成各种恒流电路。由于电子管是高压小电流器件，因此用简单的晶体管电路难于获得的高压小电流恒流源，用电子管电路却容易实现，并且性能相当好。 晶体管恒流源的产生和分类进入年代，随着半导体技术的发展，设计和制造出了各种类型性能优越的晶体管恒流源，并在实际中获得了广泛的应用。晶体管恒流源电路可封装在同一外壳内，成为一个具有恒流功能的独立器件，用它可构成直接调整型恒流源。用晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源，在许多电子电路中得到了应用。但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高，很难达到，且最大输出电流也不过几安培。它适用于那些对稳定度要求不太高的场合。 集成电路恒流源的出现和种类到了年代，半导体集成技术的发展，使得恒流源的研制进入了一个新的阶段。长期以来采用分立元件组装的各种恒流源，现在可以集成在一块很小的硅片上而仅需外接少量元件。集成电路恒流源不仅减小了体积和重量，简化了设计和调试步骤，而且提高了稳定性和可靠性。在各种恒流源电路中，集成电路恒流源的性能堪称最佳。1.5 国内外研究现状在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪年代中期开始形成，到了年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足：在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为年，尤其在实现直流恒流源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。目前，全国的电源及其配件的生产销售企业有家以上，产值有亿元，但国内企业著名的如北京大华、江苏绿扬等销售的数控直流稳压电源大多是代理日本和台湾的产品，国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体来说，国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.6 课题的主要内容如何实现对电源的输出控制系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输出电压可调，精度要求高。实现的途径很多，可以用DAC的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题。数控直流电源功能的完备数控直流稳压电源要实现电压的键盘化输出控制，同时要具备输出、过压过流保护及数组存贮与预置等功能。另外，根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。性能指标最大电压:V输出最大电流:A电压步进:0.1V电压分辨率:V1.7 论文的总体结构简要介绍课题的背景、意义、国内外研究现状，介绍本文的主要研究内容。提出了数控直流电源的总的设计思路和几种实现方案论证，及相关系统功能，对这些方案的可行性进行比较分析，选择了一种基于单片机系统的数控直流电源的方案，并对的。第三模块化详细阐述了电源的系统整体结构和设计框图，包括数据单片机控制模块、压控制模块、电压/电流采样模块、电源模块及。主要阐述了数控直流电源的软件系统和软件设计流程对数控直流电源的性能参数进行测量与评估，以及。对本数控直流电源的给出了本课题的结论，并对其发展前景进行了展望。根据设计的要求： 1最高输出电压V，最大输出电流A。2、电压步进0.1V3、纹波系数尽可能小，输出稳定4、有限按键操作方便，LCD显示界面5、闭环控制理论的嵌入式软件实现特色及基本技术路线：1低成本解决方案2、直观的实验效果3、经典理论验证平台先硬件后软件，先局部后整体我设计出个方案：方案一：设计开关电源。在前期方案设计中采用PWM脉宽调制。它的功耗小，效率高，稳压范围宽，电路形式灵活多样，功耗小，效率高。在制作过程中发现，PWM占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果明显，导致电的非线性变化更显著，特别是PWM占空比很小时 希望得到输出的电很小 ，利用单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。但作用更加明显。方案二：用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流（电压）。采用此方案能有效的缩短调节时间，并能提高输出精度。设计方案，微控制器模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块部分构成方案原理示意图见图： 图方案原理框图采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的电压输出端接放大器OP07的输入端，放大器的放大倍数为，输出到电压模块LM3的电压分辨率0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。数码管显示电路，该系统使用3个数码管，可以显示三位数，分别组成显示电路的十位、个位、小数点位。本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输出的参考电压，真正的电压，电流还是由电压模块LM3输出。方案三：用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流（电压）电压/电流采样。采用此方案能有效的缩短调节时间，提高输出精度。设计方案，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。显示电路，该系统使用显示，可以显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位。方案原理示意图见图图2 方案三原理框图依据设计要求中说提出的特色及基本技术路线所以选用方案。2.2主控单片机 MCU STC89C52 简介STC89C52为8位单片机，程序存储器为8K，外部可扩展至64KB，内部RAM为512B，可扩展至64KB，4组可位寻址的8位输入/输出口，即图中P0，P1，P2，P3。有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。图2.3 STC89C52引脚图 引脚说明主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。2.3 液晶显示屏（1602） LCD1602简介LCD1602可以在LCD显示屏上完整显示32个英文字符和日文等一些字符,适合显示英文文字信息量较小的地方.可以应用在计算器,频率计,信号发生器,时钟等产品上。6图2.4 LCD16021、显示容量:16X2个字符.芯片工作电压:4.5-5.5V工作电流2MA 5.0V 不包括背光电流.模块最佳工作电压5V5、字符尺寸: WXH mm带有英文和日文字库,使用方便.引脚接口说明编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端（H/L）5R/W读/写选择端（H/L）6E使能信号7D0Data 1/08D1Data 1/09D2Data 1/010D3Data 1/011D4Data 1/012D5Data 1/013D6Data 1/014D7Data 1/015BLA背景光源正极16BLK背景光源负极LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM317 的输出电压范围是1.2V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。可调整输出电压低到1.2V。保证1.A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB 纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。电压范围1.25V 至 37V 连续可调。LM317工作原理：LM317的输入最同电压为30多伏，输出电压1.5-32V.电流1.5A.不过在用的时候要注意功耗问题.注意散热问题。LM317有三个引脚.一个输入一个输出一个电压调节。输入引脚输入正电压,输出引脚接负载, 电压调节引脚一个引脚接电阻 200左右 在输出引脚,另一个接可调电阻 几K 接于地.输入和输出引脚对地要容LM317标准应用电路图图2.5 LM317应用电路LM317的输出电压：Vout 1.25V 1+R2/R1 +IAdjR2。因为IAdj控制在小于100uA，IAdjR2这一项的误差在多数的应用中可以忽略，这时的输出电压为Vout 1.25V 1+R2/R1 。2.5 运算放大器OP07OP07低噪声高精度运算放大器图2.6 OP07引脚图 1、低的输入噪声电压幅度0.35 VP-P 0.1Hz 10Hz 极低的输入失调电压10 V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/MO低的输入偏置电流 1nA高的共模抑制比126dB宽的共模输入电压范围14V宽的电源电压范围 3V 22V可替代725、108A、741、AD510 等电路2应用简介07 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，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。D/A转换DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。如图所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。DAC0832的逻辑框图和引脚排列。图D0D7：数字信号输入端。CS：片选信号，低电平有效。WR1：写信号1，低电平有效。XFER：传送控制信号，低电平有效。WR2：写信号2，低电平有效。IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端。Rfb：是集成在片内的外接运放的反馈电阻。 Vref：基准电压（-1010V）。Vcc：是源电压（+5+15V）。AGND：模拟地 NGND：数字地，可与AGND接在一起使用。2.7模数转换芯片 A/D转换芯片ADC0832介绍ADC0832是具有多路转换开关的8位串行IO AD转换器，转换速度较高。正常情况下，ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是/CS、CLK、DO和DI，但由于DO与DI在通信时并未同时使用，并且与单片机的接口是双向的，在/CS变低后的前3个时钟周期内DI端被检测，DO端呈高阻态。数据转换开始后，DI线被禁止，直到下一次转换开始，所以在I/O口资源紧张时可以将DI和DO并联在一根数据线上使用。图2.8 ADC0832引脚图 ADC0832接口说明1、CS_ 片选使能，低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND 芯片参考0 电位（地）。DI 数据信号输入，选择通道控制。DO 数据信号输出，转换数据输出。CLK 芯片时钟输入。Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。系统的总体设计方案主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。DAC0832按键 三个 电压放大OP07可调稳压LM317输出模数转换ADC0832电压跟随器TS914电压电路电流放大并转换成电压 L272 电压采样电流采样电源 +15V、-15V、+5V 系统模块电路设计从功能和价位以及本题目要求来看，我选择 系列作为本方案的控制核心。图3.2 单片机控制电路 稳压控制模块本稳压控制模块设计主要是用DAC0832输出的参考电压去控制LM3输出大小变化。其中DAC0832的基准电压来源是通过调节LM336-5V基准源。 控制器P1口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接P.0，/WR2和/XEFR接地，让DA工作在单缓冲方式下。DA的脚接参考电压，参考电压电路如图所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V （3.1）所以在DAC的脚输出电压的分辨率为5.12V/256 0.02V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.02V。Ui1、Ui2，输出电压为Vo1。DA的电压输出端接放大器OP07的输入端，Uo1 Au |Ui1-Ui2| 且放大值Au （R+R18）/R，Uo1 （R+R18）/RUi1-Ui2| （1K+4K）/1KUi1-Ui2| 5* |Ui1-Ui2| 。电源输出电压为Uout Uo1+Uref* 1+R22/R23 Uo1+1.25* 1+R22/R23 Uo1+1.8，其中Uref为R23两端的电压， 输出到电压模块LM3的电压分辨率 0.02V5 0.1V。当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压。电压与电流采样模块是系统的重要组成部分，一个位的逐次逼近型ADC，它与一个通道的模拟器连接，能对来自端口的单端输入电压进行采样。其中单端电压输入以0V? GND ?为基准。对ADC的说明Ui对应，然后通过运算放大器TS914连接成的电压跟随器，对采样到的电压输入到模数转换器ADC0832转换成数字信号，输入到单片机系统进行处理。图3.5 电压采样电路（2）电流采样电路电流采样电路 如图3.6所示 ，为了提高系统控制的灵敏度，采用一级运算放大器对采样电压进行放大，再送到ADC进行A/D转换。最后数据由单片机系统进行相应处理，而且该芯片是采用串行数据传送方式，硬件电路简单。在输出回路中串联一个采样电阻，从采样电阻上得到一个反馈电压。由运算放大器L272组成的差分比例运算电路，输出电压为Uo R16/R15* Ui1-Ui2 20* Ui1-Ui2 ，Ui1、Ui2分别为采样电阻R19两端的电压。由于采样电阻阻值 0.35 很小，在该电阻上的压降相应也小，即压降就为电流。其电流控制电路图如图3.6所示，放大倍数Au R16/R15 60/3 20，经运放过来的电压通过A/D转换，送给单片机处理，从而实现压控稳流。17图3.6 电流采样电路块显示的方式很多，主要分为两类：LED显示，LCD显示。前者显示亮度高，制作成本低，适合做远距离显示，但由于其耗电较大，所用端口随显示的数据位数增加而增加。如果采用动态扫描方式显示，则占用CPU的时间，如果采用静态显示则需要加锁存器，耗费硬件制作时间，就该题目要求来说，需要设定电显示，实际电显示，LD显示更为清晰、直观，从上面诸多因数来看，采用LCD显示比较理想。LCD最常用的就是1602液晶模块。RS数据/命令选择端 H/L R/W?读/写选择端 H/L E 使能信号读状态：输入：RSL，RW H，E H输出：D0D7 状态字写指令：输入：RSL，RW L，D0D7 指令码，E高脉冲输出：无读数据：输入：RSH，RW H，E H输出：D0D7 数据写数据：输入：RSL，RW L，D0D7 数据，E高脉冲输出：无220V电源通过变压器降压，整流滤波后降压整流滤波后经过三端