基于单片机的数控稳压电源的设计与制作.doc

I 毕业设计毕业设计 论文论文 学学 院院 专专 业业 班班 级级 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 论文题目论文题目 基于单片机的数控稳压电源的基于单片机的数控稳压电源的 设计与制作设计与制作 I 摘要摘要 随着时代的发展 数字电子技术已经普及到我们生活 工作 科研 各个领 域 本文将介绍一种数控稳压电源 本电源由模拟电源 显示电路 控制电路 数模转换电路 放大电路四部分组成 模拟电源提供各个芯片电源 数码管 放 大器所需电压 显示电路用于显示电源输出电压的大小 与传统的稳压电源相比 具有操作方便 电源稳定性高以及其输出电压大小采用数码显示的特点 关键词 关键词 单片机 稳压电源 数字控制 II ABSTRACT With the development of the times digital electronic technology has been popular in all of our lives work research and all fields This paper introduces a NC DC power supply the power consists of analogue power supply display circuit control circuit digital to analog converter and circuit amplifier Accurately analog power supplies voltage for chip power the digital tube and amplifier display circuit displays the output voltage NC DC current source can reduce output error that caused by components aging In terms of software it mainly uses the PID algorithm to achieve the precise control of output current The system has good features of high reliability small size simple operation and friendly man machine interface Keywords Single Chip computer voltage stabilizing source Digital control III 目录 摘要 I ABSTRACT II 第 1 章 引言 1 1 1 背景 1 1 2 研究内容 2 第 2 章 总体设计 3 2 1 方案比较与选择 3 第 3 章硬件设计 5 3 1 设计思路 5 3 2 AT89C51 模块电路 5 3 3 显示模块电路 6 3 4 741 运算放大器外围电路 7 3 4 1 电流电压转换部分 7 3 4 2 数模转换部分 8 3 5 AT89C51 单片机主要特性及引脚功能介绍 10 3 6 七段数码管介绍 12 3 7 DAC0832 介绍及应用 13 3 8 LM741 简介 16 3 9 系统总电路原理图 16 第 4 章 系统软件设计 18 4 1 主控程序框图 18 第 5 章 系统调试与分析 23 5 1 硬件调试 23 5 2 软件调试 23 5 3 系统调试 23 5 4 测试结果 24 第 6 章 结束语 26 致谢 27 参考文献 28 附录 源代码 29 元件清单 32 实物图 33 1 第第 1 章章 引言引言 1 11 1 背景背景 近年来 随着电力电子技术的不断发展 数控电源在以往使用线性电源的场 合中也获得日益广泛的应用 在一些工业场合 例如 在设备仪表检测中 需要 提供电压源和电流源 而且要求调节范围广 纹波低 如果采用多台功能单一电 源设备 体积和重量都会增加很多 不经济 也不能满足工作的要求 因此研究 开发多功能 宽范围 可调节的数控电源很有意义 在现实生活中 人们经常要用到电子器件 而电子电路要正常工作 电源的 作用是不可忽视的 电源性能的好坏 对电路 电子仪器和电子设备的使用寿命 使用性能等影响很大 尤其在带有感性负载的电路和设备 如电机 中 对电源的 性能要求更高 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术 服 务于各行各业 电力电子技术是电能的最佳应用技术之一 当今电源技术融合了 电气 电子 系统集成 控制理论 材料等诸多学科领域 随着计算机和通讯技 术发展而来的现代信息技术革命 给电力电子技术提供了广阔的发展前景 同时 也给电源提出了更高的要求 随着数控电源在电子装置中的普遍使用 普通电源 在工作时产生的误差 会影响整个系统的精确度 电源在使用时会造成很多不良 后果 世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准 只有满足产品标准 才能够进入市场 随着经济全球化的发展 满足国际标准的 产品才能获得进出的通行证 数控电源是从 80 年代才真正的发展起来的 期间 系统的电力电子理论开始建立 这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础 在以后的一段时间里 数控电源技术有了长足的发展 但其产品存在数控程度达 不到要求 分辨率不高 功率密度比较低 可靠性较差的缺点 因此数控电源主 要的发展方向 是针对上述缺点不断加以改善 单片机技术及电压转换模块的出 现为精确数控电源的发展提供了有利的条件 新的变换技术和控制理论的不断发 展 各种类型专用集成电路 数字信号处理器件的研制应用 到 90 年代 己出 现了数控精度达到 0 05V 的数控电源 功率密度达到每立方英寸 50W 的数控电源 从组成上 数控电源可分成器件 主电路与控制等三部分 目前在电力电子器件 方面 几乎都为旋纽开关调节电压 调节精度不高 而且经常跳变 使用麻烦 2 1 21 2 研究内容研究内容 直流稳流电源在工程技术和测量领域 有重要的实际运用 目前 市面上出 售的大都是稳压电源 而研究和生产稳流电源的则比较少 且已有的稳流电源价 格十分昂贵 因此 发展适用 经济 性能可靠的直流稳流电源 有较为广阔的 市场前景和应用价值 本设计给出了一种输出电流范围在200mA 2000mA 之间 且输出与给定值偏差不大于给定的1 的直流稳压 直流稳流电源 本次毕业设计主要是以单片机AT89C51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 2 到 20V 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 3 第第 2 章章 总体设计总体设计 进入 21 世纪以来 开关电源正朝着智能化 数字化的方向发展 数控电源提 供了智能化的适应性与灵活性 能满足复杂的电源要求 传统的电源虽然能满足 部分电路的电压要求 但在自动控制领域中经常需要一种输出可调的电压源 用 来控制执行机构的动作 要求电压源的步进量很小 例如 0 1V 而电压调节的 范围很宽 如 0 20 0V 这些传统的电源就无法做到了 而数控电源是具有数 字控制功能的开关电源 它能调节电压或电源的启动 关断 并且步进量可以做 到很小 从而满足了自动控制领域的电压源的要求 考虑到一般情况下用到的电 压都在 2V 以上 所以本次设计的数控稳压源的电压输出范围值就设定在 2 20V 2 12 1 方案比较与选择方案比较与选择 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 此方案虽然 也能实现数控稳压源的功能 但是这种方案的结构比较复杂 另一种方案是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 741 运算放大器来实现电流转换成电压这一过程 通过 741 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 通过以上两种方案的比较 我选取了第二种方案 使用单片机来实现 4 原理电路示意图如下图 2 1 所示 图图 2 12 1 原理电路示意图原理电路示意图 单片机 AT89C51 按键电 路 数码管 显示 数模转换器 DAC0832 741 运算 放大器 实现电流 转换电压 741 运算 放大器 实现放大 功能 5 第第 3 章硬件设计章硬件设计 3 13 1 设计思路设计思路 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 AT89c51 模块 DAC0832 LM741 四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 AT89C51 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 ADC0809 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 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 23 2 AT89C51AT89C51 模块电路模块电路 由于在 FLASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FLASH 进行校验时 P0 输 出 原码 此时 P0 外部电压必须被拉高 P0 端口接上拉电阻后 再与 DAC0832 的 数字输入信号口相连 P0 0 与 DI0 相连 P0 1 与 DI1 相连 P0 2 与 DI2 相连 P0 3 与 DI3 相连 P0 4 与 DI4 相连 P0 5 与 DI5 相连 P0 6 与 DI6 相连 P0 7 相连 DI7 加上上拉电阻从而使得输出电压为 AT89C51 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 2 1 所示 6 图图 3 13 1 AT89C51AT89C51 P0P0 口连线口连线 3 33 3 显示模块电路 显示模块电路 如下图 3 2 所示 图图 3 23 2 数码管数码管 以上的第 0 段到第 6 段也就是对应的的 a 到 g AT89C51 的 P1 0 口与数码管 a 端相连 P1 1 与 b 端相连 P1 2 与 c 端相连 P1 3 与 d 端相连 P1 4 与 e 端 相连 P1 5 与 f 端相连 P1 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 s1 s2 s3 是用来控制数码管的位的开关 分别与 AT89C51 的 P2 0 P2 1 P2 2 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 7 3 43 4 741741 运算放大器外围电路 运算放大器外围电路 本次设计用到两个 741 运算放大器 分别用来电流转换电压和电压放大功 能 3 43 4 1 1 电流电压转换部分 电流电压转换部分 如下图 2 2 电路图所示 图图 3 23 2 741741 运算放大器电流转换电压部分电路运算放大器电流转换电压部分电路 由上图 3 2 可知 放大器的输入端 2 端口和 3 端口分别接 DAC0832 的模拟电 流输出端 I OUT1 和 I OUT2 同时我们可以看到 3 端口接地 6 端口与 DAC0832 的 RFB 端口相连 也就是电路中引入了负反馈 由运算放大器的虚断虚短原理可 知 6 端口的输出值为 I OUT1 RFB 也就实现了电流到电压的转换 而由上面 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 此时我们必须再次 引入一个 741 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 3 所示 8 图图 3 33 3 运算放大器运算放大器 图中的两个电压表只是为了检测运算放大器的放大倍数的精度问题 我们就 撇开它们 3 端口与上图那个 6 端口相连 我们就把它的电压值定为 V3 2 端口 接 10K 的电阻后再接地 我们把它的电压定为 V2 输出端 6 端口的电压我们将 它定为 V6 从电路图上看 该运算放大器引入了 40K 的负反馈电阻 同样根据 虚断虚短的原理 我们可知 V3 V2 由于 2 端口接地 根据虚断原理则我们可以得出 V3 0 10K V6 0 40K 10k 经化解 可得出 V6 5 V3 这也就实现了电压的放大功能 3 43 4 2 2 数模转换部分 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 4 所示 9 图图 3 43 4 DAC0832DAC0832 内部结构图内部结构图 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 从上式中 我们可 222 2 0 0 0 2 2 1 1 DDD RfVref v n n n n n 以看到输出的模拟量与输入的数字量成正比 222 0 0 2 2 1 1 DDD n n n n 这也就实现了数字量到模拟量的转换 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 数模转换部分的连线图如下图 3 5 所示 图图 3 53 5 数模转换部分连线图数模转换部分连线图 数字信号输入端 D0 到 D7 与 AT89C51 的 P0 口的 P0 0 到 P0 7 分别对应相连 10 为了保证有足够的电压 我们在 P0 口加了 10K 的上拉电阻来提供压降 以此用 来的得到足够的电压 基准电压 Vref 端口接 5 12V 电压 传输控制信号 XFER 接 电阻后接地 这个端口也是对低低平有效 REF 端口与 741 运算放大器的输出口 6 端口相连 用来提供负反馈电阻 从而使得实现电流转换电压 片选信号 CS 端 口 写信号 WR1 口 模拟地 AGND 与数字地 DGND 相连后接地 因为这些端口是对 低电平有效 关于管脚说明及主要参数会在后面详细提到 DAC0832 有两种工作方式 单缓冲工作方式和双缓冲工作方式 而本设计中 用到的是单缓冲工作方式 也就是一个寄存器工作于直通状态 另一个工作与受 控锁存状态 3 53 5 AT89C51AT89C51 单片机主要特性及引脚功能介绍单片机主要特性及引脚功能介绍 AT89C51 的主要参数有 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 4K 字节可重擦 写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态工作频率范围 0Hz 24Hz 三级 程序存储器锁定 128 8 字节内部 RAM 32 个可编程 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 6 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内 振荡器和时钟电路 AT89C51 主要功能特性有 4K 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量两级中断结构 一个全双工 串行通信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C51 可降低至 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他所有部件工作直到下一个硬件复位 AT89C51 结构图如下图 3 6 所示 11 图图 3 63 6 AT89C51AT89C51 结构图结构图 4 引脚功能说明 VCC 供电电压 GND 接地 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 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 12 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 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 EA 端必须保持低电平 接地 不管是否有内部程序存储器 注意加 密位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 当 EA 端保持高电平 接 VCC 端 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 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 3 63 6 七段数码管七段数码管介绍介绍 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 13 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 7 所示 图图 3 73 7 LEDLED 数码管数码管 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 73 7 DAC0832DAC0832 介绍及应用介绍及应用 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下图 3 8 所示 14 图图 3 83 8 DAC0832DAC0832 逻辑结构图逻辑结构图 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 15 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 如下图 3 9 所示 图图 3 93 9 单缓冲工作方式单缓冲工作方式 运用 DAC0832 实现调幅其连线如下图 3 10 所示 图图 3 103 10 DAC0832DAC0832 实现调幅连线图实现调幅连线图 16 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 83 8 LM741LM741 简介简介 LM741 其引脚图如下图 3 11 所示 图图 3 113 11 LM741LM741 引脚图及内部结构图引脚图及内部结构图 其中 2 接口和 3 接口为输入端 6 接口为输出端 1 接口和 5 接口调零 7 接口和 4 接口为电源接口 3 93 9 系统总电路原理图系统总电路原理图 本次设计的系统电路原理图如下图 3 12 所示 17 图图 3 123 12 系统电路原理图系统电路原理图 本次设计采用 AT89C51 芯片作为控制器 P0 口和 DAC0832 的数据口直接相连 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 由图 2 11 可知输出电压为 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 741 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 本电路设计两个按键 分别用来增大电压和减少电压 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 18 第第 4 4 章章 系统软件设计系统软件设计 为了使控制系统各种硬件设备能够正常运行 有效地实现实时控制和管理 除了要设计合理的硬件电路 还要有高质量的软件支持 充分的考虑到软件和硬 件的结合 使系统达到更好的效果 系统软件设计采用单片机应用软件 单片机 软件采用C语言编写 单片机主要实现了过程控制 信号处理 数据读取 通信 处理等功能 在系统的软件设计中我们也才用了模块化设计 将系统的各部分功 能编写成子模块的形式 这样增强了系统软件的可读性和可移植性 本系统是以 AT89C51为核心的单片机控制方案 利用单片机灵活的编程设计和丰富的I O端口 及其控制的准确性 实现数字控制电压的功能 软件采用C语言编写 全部模块 化编程 系统主要由显示模块 按键输入中断模块 电压调整量计算模块等组成 主程序进行系统初始化设定 包括I O 口 定时器 中断 各数据缓冲区初始化 输 出显示信息并对系统进行监控等待中断 按键输入及数模转换都将激发中断 其 中数模转换中断优先级高于按键输入中断 数模转换中断子程序由I N T0 引入 中断后首先读取模数转换值进入显示缓冲区 再调用PID 调节子程序计算调节量 并将输出量送D A 转换完成一次电压调节 4 14 1 主控程序主控程序框图框图 主控程序首先进行系统初始化 把电压数据送到数模转换器 把设置的电压 显示到数码管上 其框图如图 4 1 所示 19 N N Y Y Y Y N N 图图 4 14 1 主控程序框图主控程序框图 部分相关程序如下 void main void unsigned char i TMOD 0 x01 TH0 65536 4000 256 TL0 65536 4000 256 扫描数码管 扫描按键 电压增加 0 1V 子程序 电压减少 0 1V 子程序 是否 KEY 是否 KEY 系统初始化 数模转换 20 TR0 1 ET0 1 EA 1 Intv 2 decv 0 P0 0 x14 dispcount 0 dispbuf 0 intv 10 dispbuf 1 intv 10 dispbuf 2 decv while 1 按键电路 if P3 1 0 i 增加 0 1V 子程序 if P3 1 0 if decv 9 intv intv 1 decv 0 else decv decv 1 P0 P0 1 while P3 1 0 if P3 0 0 减少 0 1V 子程序 for i 245 i 0 i if P3 0 0 if decv 0 intv intv 1 decv 9 21 else decv decv 1 if intv 2 设定电压的最小值为 2 intv 2 decv 0 P0 0 x14 else P0 P0 1 while P3 0 0 dispbuf 0 intv 10 dispbuf 1 intv 10 dispbuf 2 decv void t0 void interrupt 1 using 0 TH0 65536 4000 256 TL0 65536 4000 256 if dispcount 0 if dispbuf 0 0 P2 dispbitcode dispcount 置 位 选 P1 dispcode dispbuf dispcount 置 字 选 else 22 P2 dispbitcode dispcount P1 dispcode dispbuf dispcount if dispcount 1 P1 P1 0 x80 dispcount if dispcount 3 dispcount 0 23 第第 5 5 章章 系统调试与分析系统调试与分析 为了确定系统实现的功能与任务书要求的符合程度 需要对系统的关键部分 进行实际的测试 5 15 1 硬件调试硬件调试 硬件的调试步骤 在给硬件电路加电之前 首先要进行静态测试 主要内容有 1 检查线路 通过目测和使用数字万用表 检查电路连线的正确性 2 核对元器件 检查所有元器件是否有插错或损坏现象 3 检查电源系统将电路板中所有的芯片都从插座上拔下 给电路加电 逐一 检查各芯片插座上电源引脚和其它引脚电压是否有异常情况 若一切正常 断电 插上一个芯片 重复检查电压 并试摸该芯片是否发热 如果电源电压正常而芯 片过热 说明芯片有故障 如果插上某个芯片后对电源系统有影响 则应进一步 检查与该芯片有关的电路或更换该芯片再试 4 外围电路测试 将所有能进行硬件单独调试的电路都调试好 进行这些局 部电路调试时 可能要人为的提供有关模拟或开关信号 5 25 2 软件调试软件调试 由于本系统是分模块进行程序设计的 所以调试时先分模块进行调试 根据 每个模块的输入和所要求的输出 来直接测试小模块 如数据存储模块 调试时 将它放在一个主函数里单独测试 看其是否能够完成预定的功能 如能 测试通 过 否则 修改并反复测试直到通过 另外 键盘输入和显示输出作为一部分一 起结合硬件进行调试 使得它能够按照要求进行输入和显示操作 在软件的调试过程中 使每个模块都调试成功后 编译连接程序 进行整个程序 的调试运行 5 35 3 系统调试系统调试 由于在系统设计中采用模块设计法 所以方便对各电路模块功能进行逐级测 试 数模转换器模块调试 运算放大器模块调试 调试主程序模块等的调试 最 后将各模块组合后进行整体测试 各模块都调试通过之后 将各个模块连接起来与硬件结合进行联合调试 在 进行联合调试时 经过反复的实验 调试通过按键测试 显示的处理及其控制系 24 统流程的功能 使程序按照要求进行 5 45 4 测试结果测试结果 通过按键 调节电压的上升下降幅度 每次调节电压时以 0 1V 的梯度增加 或者下降电压 调节范围为 2 20 如下图 5 1 a 及 5 1 b 所示 图图 5 15 1 a a 最小输出测试结果最小输出测试结果 25 图图 5 15 1 b b 最大输出测试结果 最大输出测试结果 26 第第 6 6 章章 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 ADC0809 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 2V 20V 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 27 致谢致谢 本设计在王昕峰老师的精心执导下 顺利完成 在此次的设计过程中王昕峰 老师对我们严格要求 他的严谨治学的态度深深影响着我 他让我们知道了如何 治学 让我知道在以后的学习中如何能够顺利的完成自己的学习计划 在论文完 成之际 在感受收获的喜悦的同时 心中更是充满了感激之情 由衷地感谢王老 师对我的指导 论文从开题到定稿 都离不开王老师的悉心教导 王老师严谨治 学的态度 渊博的学识 敏锐的思维和高度的责任感 求真务实的工作作风以及 忘我的奉献精神深深地影响着我 使我受益匪浅 工作上给予我许多帮助 学习 上给予我许多勉励 感谢我们班的同学们 感谢他们在学习和生活中给予我的关 心与帮助 感谢我亲爱的家人 感谢父母多年的养育之恩 感谢他们对我各方面的 关心 鼓励和支持 他们的关心 帮助和支持让我有更强的信心和更大的勇气去 面对困难 迎接挑战 顺利完成学业 真心感谢所有给予我帮助和支持的师长和 朋友们 在这里 允许我对他们说一声 谢谢 并致以最真挚的祝福 28 参考文献参考文献 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