简易数控直流电源设计的报告

简易数控直流电源简易数控直流电源 i 摘 要 数控直流电源是一种常见的电子仪器 广泛应用于电路 教学试验和科学 研究等领域 目前使用的可控直流电源大部分是点动的 利用分立器件 体积 大 效率低 可靠性差 操作不方便 故障率高 随着电子技术的发展 各种 电子 电器设备对电源的性能要求提高 电源不断朝数字化 高效率 模块化 和智能化发展 以单片机系统为核心而设计的新一代 数控直流电源 它不 但电路简单 结构紧凑 价格低廉 性能优越 而且由于单片机具有计算和控 制能力 利用它对数据进行各种计算 从而可排除和减少模拟电路引起的误差 输出电压和限定电流采用数输入采用键盘方式 电源的外表美观 操作使用方 便 具有较高的使用价值 关键词 数控直流电源 单片机 ABSTRACT Numerical control dc power is a common electronic instrument is widely used in the circuit the teaching experiment and scientific research etc Current use of controlled most of the dc power supply is the point start the use of the device division big volume low efficiency poor reliability operation convenience not high failure With the development of electronic technology various kinds of electronic electrical equipment to improve the performance requirements of power the power supply high efficiency the constant digital modular and intelligent development Based on the single chip computer system as the core and the design of a new generation of numerical control dc power it not only circuit is simple compact structure the price is low superior performance and because the single chip microcomputer with the calculation and control ability use it for data so as to eliminate all kinds of calculation and reduce the error caused by the analog circuit output voltage and current limit the number of the keyboard input way the power supply appearance convenient in operation has higher application value Key words Numerical control dc power Single chip microcomputer 1 目 录 第一章设计任务与要求 1 1 1 基本功能 1 1 2 扩展与创新 1 第二章 系统方案 2 2 1 直流稳压电源 2 2 2 总设计方案 2 第三章 系统硬件设计 5 3 1 数控部分 5 3 2 稳压输入部分 7 第四章 软件设计 9 4 1 软件设计流程图 9 第五章 测试结果及结果分析 11 5 1 系统功能测试 11 5 2 系统指标测试 11 5 3 系统误差分析 12 致谢 13 参考文献 14 附录 15 第一章 设计任务与要求 1 1 基本功能 1 输出电压 范围 0 9 9V 步进 0 1V 纹波不大于 10mV 2 输出电流 500mA 3 输出电压值由数码管显示 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 示意图如下 图 1 1 1 2 扩展与创新 1 输出电压可预置在 0 9 9V 之间的任意一个值 2 用自动扫描代替人工按键 实现输出电压变化 步进 0 1V 不变 3 扩展输出电压种类 比如三角波等 第二章第二章系统方案系统方案 2 1直流稳压电源 稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置 对一个理 想的直流 稳压电源来说 应具有下述特点 l 在直流和所有频率下 输出阻抗为零 2 在交流电源电压很宽的范围内 并在供电电路所要求的负载电流范围内 调整率为零 直流电压输出恒定 3 功耗为零 4 电网电压和负载电流变化时 输出电压能立即恢复稳定 5 当过载电流消除时 过载保护装置能自动恢复到正常工作状态 为了给元器件提供稳定的电流输出 我自制了一个直流稳压电源 电路图如下 图 2 1 2 2 总体设计方案 方案一 方案一如图 2 2 所示 采用单片机 数字电位器方案 此方案就是 把常用的电位器调节电源中的机械式电位器用数字电位器代替 数字电位器是 没有机械抽头 具有较小的震动公差和较高的机械可靠性 且其可编能力允许 可重复可靠地返回同一抽头位置 因此此方案线路较为简单 可靠 但现有的 数字电位器分辨率有限 常见的有 32 抽头 64 抽头 构成的分压电路精度有 限 无法满足设计要求 变压器整流滤波 AT89C51 数字电位器 串联调整 P0 220VDC 图 2 2 方案一 方案二 方案二如图 2 3 所示 此方案采用单片机 串联调整型稳压电源 单片机输出电压控制数字量送至 DA 转换器 经 DA 转换器输出的模拟电压作为 误差放大器的基准电压 由于理想 DA 转换器的输出量 A 与输入量 D 和 R 的关 系应为 A R D 对一个确定的 DA 转换器 模拟基准电压 R 往往是一个固定值 相当于一个比例系数 显然这里 DA 转换器输出的电量不能连续可调 而只能 以所用 D A 转换器的绝对分辨率为量化单位增减 所以 D A 转换器实际上是准 模拟量输出 这样通过改变稳压电源的基准电压的方法就可使实现输出的步进 增加 或减小 稳定性高 纹波小 可靠性高 调试容易 缺点是要求功率器 件一调整管严格工作在线性区 靠调整管之间的电压降来稳定输出 当输出电 压较低时 稳压电路的输入输出端压降太大 调整管静态损耗大 发热量大 使得电路总效率不高 变压器整流滤波 AT89C51 取样电路 串联调整220VDC输出 比较放大D A电路 图 2 3 方案二 方案三 采用 EasyARM2103 为核心控制器 具有电压可预置 可步进调整 输出的电压信号和预置的电压信号可同时显示的数控直流电源 其系统框图如 图 2 4 所示 系统由 EasyARM2103 开发板 八位 LED 数码显示 电源电路 D A A D 电路 功放电路 短路保护和报警电路 稳压输出电路八部分组成 系统通过 开关 三个按键来控制预置电压的升降 并通过数码管 显示 EasyARM2103 单片机送出相应的数字信号 在 D A 转换之后输出电流 经集成运放 OP07 转换 OP07 放大 RC 网络滤波 最终稳定 同时由 LED 数码 管显示实际输出电压 图 2 4 方案三 综合观上三种方案 不难确定方案三为最佳方案 第三章第三章系统硬件设计系统硬件设计 3 1 数控部分 主要由数字电路构成 它要完成键盘控制 预置电压显示控制 电压控制 字输 数码管显示控 电流过流软件保护及报警等功能 由于控制功能多 选 用 EasyARM2103 开发板作为主控系统 其核心芯片图如图 3 1 图 3 1 2103 核心控制芯片 3 11 ARM2103 开发板 LPC2103 是一个基于支持实时仿真的 16 32 位 ARM7 TDMI S CPU 的微控制器 并 带有 32kB 的嵌入高速 Flash 存储器 128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行 32 16 位定时器 增强型 10 位 ADC 定时器输出匹 配 PWM 特性 多达 13 个边沿 电平触发的外部中断 32 条高速 GPIO 使得 LPC2103 微控制器特别适用于工业控制和医疗系统中 其食物图如图 3 2 所示 图 3 2 3 12 键盘显示电路 此次的显示部分由键盘显示板来完成 它由 2 个 8 位 LED 数码显示器和 2 片 SN74HC164CN 芯片加上 8 个按键组成 具体电路图如下图 3 3 RST 9 CLK 8 D1 1 D2 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VDD 14 GND 7 U3 RST 9 CLK 8 D1 1 D2 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VDD 14 GND 7 U4 a 11 f 10 g 5 d 2 e 1 b 7 c 4 dp 3 GND1 6 GND2 8 GND3 9 GND4 12 u1 Display12 a 11 f 10 g 5 d 2 e 1 b 7 c 4 dp 3 GND1 6 GND2 8 GND3 9 GND4 12 u2 Display12 12 S8 12 S1 12 S2 12 S3 12 S5 12 S4 12 S6 12 S7 VCC 1 KEY 2 DATA 3 CLK 4 GND 5 JP1 head5 1K R8 1K R1 1K R2 1K R3 1K R4 1K R5 1K R6 1K R7 1KR9 2 2uF C1 0 01uF C2 1 2 3 4 5 P1 Header 5 abcdefghabcdefgh abcdefgh D a h N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 VCC W N1 N8 VCC KEY DATA CLK VCC VCC 图 3 3 3 2稳压输出部分 稳压输出部分原理图如图 3 4 所示 这部分将控制部分送来的电压控制字 数据转换成稳定电压输出 他由数 模转换器 DAC0832 集成运放 OP 07CP 晶体三极管 TIP122 TIP127 9015 9014 基准电压源组成 图 3 4 3 21 主电路的工作原理及参数计算 电压输出范围 0 9 9V 步进 0 1V 共有 100 种状态 8 为字长的 D A 转换器 具有 256 种状态 能满足要求 设计中用两个电压控制字代表 0 1V 当电压控 制字从 0 2 4 198 时 电源输出电压为 0 0V 0 1V 9 9V 电路选用的 D A 转换芯片是 DAC0832 该芯片价廉且精度较高 DAC0832 属于电流输出型 D A 输出的电流随输入的电压控制字线性变化 为了得到电压 还需外接一片 运放来实现电流到电压的转换 该运放输入端的输入电流对转换精度影响打 DAC0832 输出地电流有几十微安的变化 若运放输入端的输入电流为 0 1uA 如 uA741 的输入电流约为此值 且有一定变化 则会引入相当于 1 2 个电压控制 字的误差 因此应选用高输入阻抗的运放 如 JFET 输入的运放 LF356 他的输 入电流可以忽略 DAC0832 需要外接基准电压 此基准电压的性能决定了输出 电压的性能 要求基准电压具有高稳定度和低纹波 故选用 LM336 5 作为基准 源 当 DAC0832 采用 5V 基准电压时 D A 转换电路的满幅输出为 5 0V 电压控 制字为 255 时 由于实际最大用到电压控制字 198 因此 D A 部分最大输出电 压 U imax 198 255 5 0 3 882V D A 转换部分输出电压 Ui 作为电源功放机的输入电压 其输出电压 U0 1 Rpi R3 R2 Ui 3 22 过流保护电路 在图 3 4 中 Q1 9015 Q3 9014 构成过流保护电路 正常工作时 Q1 截止 Q1 集成级电平为 15V 使 Q3 截止 INTO 输出高电平 不触发中断 当 输出电流过大时 例如 Io 500mA 时 取样电阻 R2 1 5 欧姆 上的压降 0 75V 调节电位器使 Ube 0 6V 时 三极管 Q1 导通 Q1 的等电极电平提高 于是三极管 Q2 也导通 INTO 呈现低电平 触发 LPC2103 中断 执行中断保护 程序 3 23扩展输出负电源 输出负电压只要在 D A 转换端再介入一级反相加法器 其输出电压 U0 与输 入电压 Ui 的关系为 U0 2Ui 3 882 V 这样一来输出电压的变化范围为 3 882 3 882 V 从而扩展了负电路 3 24扩展输出电压种类 可以采用专用波形发生器芯片 如 LM324 或者采用 DDS 技术 将波形数据 存储在 RAM 存储器芯片中 由 CPU 送出量化后的波形数据 即可在输出端得到 相应的波形 由于时间仓促 输出负电源和扩展电压种类都未能实现 第四章第四章软件设计软件设计 4 1 软件设计流程图 1 主程序流程图如图 4 1 所示 主要包括 D A 转换处理子程序 A D 转换处 理子程序 调整 DA 输出 键盘处理子程序等 2 过流保护程序流程图及其计数器中断流程图如图 4 3 所示 3 键盘扫描程序流程图如图 4 3 所示 图 4 1 图 4 2 图 4 3 过流保护和计数器中断流程图 第五章 测试结果及结果分析 5 1 系统功能测试 1 直流稳压电源调试 此模块的输入电压为 16V 的交流变压器 经 LM7805 LM7905 LM7815 LM7915 芯片和一些电容及电感滤波后输出正负 5V 正负 15V 的直流电压 稳度精度可 以达到要求 2 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 3 放大器调试 经 DAC0832 输出后输入 OP07 经调试后可行 5 2系统指标测试 1 输出端接空载 测量仪器 万用表及示波器 记录数据如下表 5 1 数据记录 室温下 表 5 1 1234567891011 预置电压 V 数码显示 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 09 9 输出电压 V 数码显示 0 001 002 013 014 025 026 037 038 039 049 94 实测电压 V 1905a 测量 0 0001 0052 0103 0164 0205 0256 0317 0328 0369 0429 947 2 输出 0 5A 时 测量仪器 万用表及示波器 记录数据如下表 5 2 数据记录 室温 下 表 5 2 1234567891011 预置电压 V 数码显示 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 09 9 输出电压 V 数码显示 0 000971 982 993 995 006 017 018 019 029 92 实测电压 V 1905a 测量 0 0000 9851 9852 9954 0005 0056 0117 0128 0169 0229 926 5 3 系统误差分析系统误差分析 从电路的原理框图可以看出 系统的主要误差来源于 1 DAC0832 的量化误差 DAC0832 为 8 位 D A 转换器 满量程为 10V 的量化误差为 1 2 Lmbs 20mV 按满度归一化的相对误差为 0 2 2 运放零点漂移 由运算放大器的零点漂移 温度漂移等带来的误差 可以通过温度补偿措 施来解决此误差 3 A D D A 转换误差 受 AD 转换器精度及基准源稳定程度的限制 不可避免地带来一定的误差 为了更精确的输出恒流电源 必须选用更多位数的 AD DA 芯片 4 因外界突发干扰或仪表显示值等引起的随机误差或粗大误差 5 基准电压温漂引入的误差 LM336 在 0 40 范围内漂移不大于 4mV 故相对误差 2mV 5mV 0 04 致谢致谢 为期 2 周的课程设计结束了 有付出就会有收获 在这两个星期里 我学 习了制作一个产品了完整流程 鉴于个人专业素质的原因 很多问题我并不能 依靠自己在短时间的完成 所以我虚心的向老师和同学们请教 而且也得到了 老师和同学们耐心和仔细的指导 除了学习知识外 我感受到了学习间交流的 乐趣 当然 最深刻的 我明白了自己专业技能的不足 甚至在一个完整的流 程里 需要用上许许多多的知识 包括本专业的也包括外专业的以及生活中的 一些常识 我想 这方面我需要不断的加强 在实习中 我感受到了一种学习心态的重要性 在调试一直调试不出来的 时候 是否还能有那份坚持 在电容爆掉时 是否还能抛开那份气馁 在程序 一直运行不成功的时候 是否还能有那份耐心 在时间一晃而过而还毫无进展 的时候 是否还能有那份镇定 在这次试验中 我要感谢指导我的老师们 他们那耐心与细致的指导是我 前进道路上了一站明灯 我还要感谢我的同学们 他们热心的帮助与融洽的氛 围让我有一个舒适的学习环境 最后 我要说 学习 永无止尽 参考文献参考文献 1 华成英 童诗白 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2006 2 阎石 数字电子技术技术 高等教育出版社 2006 3 铃木雅臣 晶体管电路设计 科学出版社 2004 4 周立功 深入浅出 ARM7 广州致远电子有限公司 2007 5 高吉祥 全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 模拟电子线路设 计 电子工业出版社 2007 附录附录 A 程序清单 include config h include include UART H define key 1 5 define DATA0832 1 30 define SHCP0832 1 28 define STCP0832 1 29 define DACS0832 1 31 uint8 Data0832 255 定时器中断标志 uint8 T0Flag FALSE uint8 DATA 9 uint8 i 0 用于记录刷新的位数 显示器共有八位 每显示一位就 i 显示下一位 直到 i 7 时就令 i 0 重新从第一位显示起 uint8 display 8 uint8 keydown 9 按键位置寄存 段码 其中的 digitable 10 为不显示任何内容 const uint8 digitable 13 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x00 0 x40 0 x80 位码 const uint8 selectable 8 0 xfe 0 xfd 0 xfb 0 xf7 0 xef 0 xdf 0 xbf 0 x7f 函数名称 Timer0 InitExt 功能描述 TIMER0 初始化 入口参数 无 出口参数 无 void DA dataInit void PINSEL1 PINSEL1 设置 P0 22 P0 25 是 GPIO 口 IO0DIR DATA0832 SHCP0832 STCP0832 DACS0832 输 出 函数名称 Timer0 InitExt 功能描述 TIMER0 初始化 入口参数 无 出口参数 无 void HC595send data uint8 data 要传输的数据 建议用数组的方法来 查询 uint8 i IO0CLR STCP0832 锁存器 for i 0 i 8 i IO0CLR SHCP0832 if data else IO0CLR DATA0832 data data 1 IO0SET SHCP0832 IO0SET STCP0832 锁存器 函数名称 Timer0 InitExt 功能描述 TIMER0 初始化 入口参数 无 出口参数 无 void DAC0832 SendData uint8 data IO0CLR DACS0832 HC595send data data IO0SET DACS0832 函数名称 Timer0 InitExt 功能描述 TIMER0 初始化 入口参数 无 出口参数 无 void Timer0 InitExt void T0TC 0 定时器设置为 0 T0PR 0 时钟不分频 T0MCR 0 x03 设置 T0MR0 匹配后复位 T0TC 并产生中断标 志 T0MR0 Fpclk 400 2 5 毫秒定时 刷新频率为 50HZ T0TCR 0 x01 启动定时器 函数名称 IRQ Timer0 功能描述 TIMER0 中断服务程序 入口参数 无 出口参数 无 void irq IRQ Timer0 void T0Flag TRUE T0 中断标志置位 T0IR 0 x01 清除中断标志 VICVectAddr 0 函数名称 IRQ Init 功能描述 设置定时器 0 中断 IRQ 入口参数 无 出口参数 无 void IRQ Init void VICIntSelect 0 x00 所有中断通道设置为 IRQ 中断 VICVectCntl0 0 x20 0 x04 设置定时器 0 中断通道分 配最高优先级 VICVectAddr0 uint32 IRQ Timer0 设置中断服务程序地址 VICIntEnable 1 0 x04 使能定时器 0 中断 函数名称 void CONVBIT uint32 num uint32 place 功能描述 入口参数 显示的数的内容 num 显示内容在数组中的位置 出口参数 无 void CONVBIT uint16 num DATA 0 num 10 DATA 1 num 100 10 DATA 2 num 1000 100 DATA 3 num 10000 1000 DATA 4 num 100000 10000 DATA 5 num 1000000 100000 DATA 6 num 10000000 1000000 DATA 7 num 10000000 DATA 8 10 黑码 函数名称 MSPI Init 函数功能 初始化 SPI 接口 设置为主机 入口参数 无 出口参数 无 void MSPI Init void SPI SPCCR 0 x08 设置 SPI 时钟分频 SPI SPCR 0 3 CPHA 0 数据在 SCK 的 第一个时钟沿采样 1 4 CPOL 1 SCK 为低有效 1 5 MSTR 1 SPI 处于主模 式 0 6 LSBF 0 SPI 数据传输 MSB 位 7 在先 0 0 uiDly for i 0 i 50000 i uint8 uiVal Function name Main Descriptions 利用 ADC 对通道 0 的电压进行采样 并把值发送到 PC 机显示出来 input parameters 无 output parameters 无 Returned value 无 int main void char cStr 20 PINSEL0 0 PINSEL0 0 x01 8 设置 P0 4 脚为 SCK SPI0 0 x01 12 设置 P0 6 脚为 MISO SPI0 其它脚 都为默认的 GPIO 功能 PINSEL1 PIN