数控直流电流源(第一题).doc

21ic数控直流电流源（第一题）摘要：本系统以直流电压源为核心，AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电压源的输出电流，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。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DAC0832）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，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电压。实际测试结果表明，本系统输出电压稳定，不随负载和环境温度变化，并具有很高的精度，输出电流误差范围1，输出电压可在0V-18V范围内任意设定，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。 一 方案设计与论证1.1总体设计方案与比较：方案一：通过编码开关来控制存储器的地址；根据地址输出对应的数字量送数模（D/A）进行转换；再根据输出的电压量来控制稳压源的变化；同时；通过四个编码开关的BCD码送给4511及数码管显示。此方案的优点是电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限，在实验过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。其电路方框图如图1.1所示：方案二：采用以89S52为核心的单片机系统来控制8位DAC0832的数据的输入并将其转换成模拟量输出同时单片机把输入的预值电压送数码管显示，通过ICL7107把实际输出电压显示出来。此方案的优点是输入的预值电压信号稳定且避免了大量的数据存储，所以电路设计和制作采用方案二。其电路方框图如图1.2所示基于51单片机的数控电源设计magicchip 发表于 2007-7-12 17:31:00 0推荐本文介绍了以51系列单片机为控制单元，以数模转换器DAC0832输出参考电压，以该参考电压控制电压转换模块LM350的输出电压大小。该电路设计简单，应用广泛，精度较高等特点。 关键词：单片机（MCU），数模转换器（DA），掉电存储器（EEPROM）。引言目前所使用的直流可调电源中，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。利用数控电源，可以达到每步0.1V的精度，输出电压范围015V，电流可以达到2A。系统结构图1：硬件系统结构图对选用芯片说明DAC0832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，如电路图所示，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/WR2=/XFER=0，DAC寄存处于直通状态。又由于ILE=1，故只要在选中该片（/CS=0）的地址时，写入（/WR=0）数字量，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/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。AT24C02是一款常用的可掉电保存数据的ROM，2K比特容量，采用I2C总线操作，关于它的具体操作方法参考相关资料。图2：主硬件电路图图3：参考电压电路图硬件电路设计采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的/CS和/WR1连接后接P2.0，/WR2和/XEFR接地，让DA工作在单缓冲方式下。DA的11脚接参考电压，参考电压电路如图2所示，通过调节可调电阻调节LM336的输出电压为5.12V，所以在DAC的8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。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 R8/（R8 R9）=1K/（1K 4K）=5，输出到电压模块LM350的电压分辨率=0.02V5=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。本电路设计三个按键，KEY1为翻页按键，最近设置的电压大小保存在EEROM里面，比如10个电压，按一下KEY1，电压变为下一个，省去了反复设置电压的麻烦，KEY2为电压 ，KEY3为电压 ，按一下KEY2，当前电压增加0.1V，按一下KEY3，当前电压减小0.1V。限于篇幅原因，未画出数码管显示电路，该系统使用3个数码管，可以显示三位数，一个小数位，比如可以显示12.5V，采用动态扫描驱动方式。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LM350输出。为了达到2A的输出电流，LM350必须选用金属外壳封装，并且带稍大面积的散热片。软件流程软件系统 软件的设计主要完成三方面的功能:1.设置电压并且保存，主要是对EEROM的操作。2.把设置的电压送到DA，主要是对DA的操作。3.中断显示，把设置的电压显示到LED数码管上。该数控电压源实现保存最近10电压功能，当打开电源的时候，它显示和输出的必须是上次使用电压大小，所以在EEROM中使用11个地址保存数据，第一个地址保存当前电压编号，大小为110。第2个地址第11个地址连续保存10个电压大小数据。电压编号的大小分别对应到相应地址电压大小。对软件流程做一下说明：当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到DA，在转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号，如果KEY1按下，电压编号指向下一个，保存该电压编号，读对应电压，把他送到DA并且显示。如果KEY2按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWEROUT引脚）增加0.1V，保存设置电压数据。如果KEY3按下，电压数据减1，输出电压减少0.1V，保存设置电压数据。结语该数控电压源经过时间实际使用说明，具有精度高，使用方便，硬件电路简单等特点。如果要作成产品，还需要增加电流测量和显示部分，对这部分电路请参考相关资料。本文主要对如何控制功率输出电压大小做出个例子，该电路对测量领域，以及马达调速方面都可以扩展使用。参考文献：1 陆坤.奚大顺等电子设计技术电子科技大学出版社. 1997.52 马忠梅.籍顺心等 单片机的C语言应用程序设计北京航空航天大学出版社 2001.53月7日8155接数码管显示8051#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define PA XBYTE0x0101#define PB XBYTE0x0102#define PC XBYTE0x0103#define CTRL XBYTE0x0100void delay(int MS);code uchar cod=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6D,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;code uchar set8=0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f ;void main()uchar i;CTRL=0x0d; while(1)/for(i=0;i=3;i+) PA=cod1+i;PC=set0;delay(50); PA=cod5+i; PC=set1;delay(50);PA=cod0+i;PC=set2;delay(50);PA=cod8+i; PC=set3;delay(50); void delay(int MS) uchar us,usn; while(MS!=0) usn = 2; while(usn!=0) us=0x0f; while (us!=0)us-; usn-; MS-; 二 模块电路设计及比较系统硬件以AT89S52单片机为核心，外围包括电源模块、数码管显示模块、D/A转换模块及恒压源模块。21 电源模块：本设计共用到电源有四种：即5V，15V.2.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。b 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。+5V其中+5 V给DAC0832,单片机供电；-5V为ICL7107参考电压。要求输出的电压最大值为18V，取样电阻为0.37欧图2.2中电路提供+5V的电源；主要用于单片机（AT89S52）、数码显示（包括74LS164,ICL7107）。图2.2中提供的15V的电源用于LF56,NE5532和 VCC . 由于要求输出的电压最大值为18V,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用4700UF 50V的电容。图2.3是单片机和DAC0832的电路连接2.2单片机和DAC0832模块：DAC0832跟单片机的连接方式采用单级缓存的方式，连接方式如图2.3所示，其中外部数据存储的地址为0x7fff,当数据赋给该地址时，单片机传输过来的数字量经过DAC832的数模转换，转换成模拟电流量，而本设计的要求是输出模拟电压量控制稳压源的各项操作，为此，本设计在电流输出端接入运放LF356,把电流量转换成电压量，DAC0832的基准电压是5V，由精密稳压源LM336提供，提高了基准输出电压的精密度，保证了输出精度达到设计要求23稳压源输出模块：稳压输出部分是将数模转换的电压进行处理后，输出符合要求的电压。由电压放大，电流扩大，过流保护三部分构成。电压放大部分由一工作于放大区的运放构成，调整其反馈系数，可以对输出电压进行微调得到符合要求的电压。电流扩大部分由两大功率三级管TIP41C组成的达流顿管，对输出的电压进行扩流。过流保护由三极管9013和取样电阻构成，正常工作是三极管处于截至状态，当电流超过最大值时，取样电阻两端的电压使得三极管导通，减小了达林顿管的输出电流。电流的最大值为Im0.6/0.33A=1.5A。3.1：4*4键盘工作原理及数码管显示模块： 74LS164为串行输入并行输出的移位寄存器，可以作为静态显示器接口，接在AT89S52的串行口上用于数码的显示。数码显示模块如图3.2所示。键盘对单片机输入数据，键盘为4*4矩阵键盘，用AT89S52的并行口P1接44矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线，44矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。键盘原理图见图3.23.2:键盘功能设计示意图：3.3实际输出电压显示模块： 为了实现输出电压的实时监控，使用ICL7107搭建的数字电压表对其输出电压采样测量，并输出显示，用户可以从显示器上看见两个电压值：其一为单片机设置的电压值即期望值;其二为输出电压的实测值。正常工作时两者相差很小。一旦出现异常状况，用户可以看出期望值不符，从而采取相应的措施。三 软件设计本作品使用Keil C51系列仿真器作为编程器件，它是以WINDOWS为设计平台，在使用时先在uVsion2环境下编辑程序，然后保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序，s生成hex文件，最后调试和执行这样一步步来实现仿真。本作品软件要实现的功能是：键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，送到8位数模转换器（DAC0832）,再送到恒压源模块，实现数字量对电压的控制。模块框图见图3.1方案二：采用以89S52为核心的单片机系统来控制8位DAC0832的数据的输入并将其转换成模拟量输出同时单片机把输入的预值电压送数码管显示，通过ICL7107把实际输出电压显示出来。此方案的优点是输入的预值电压信号稳定且避免了大量的数据存储，所以电路设计和制作采用方案二。其电路方框图如图1.2所示二 模块电路设计及比较系统硬件以AT89S52单片机为核心，外围包括电源模块、数码管显示模块、D/A转换模块及恒压源模块。21 电源模块：本设计共用到电源有四种：即5V，15V.2.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。b 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。+5V其中+5 V给DAC0832,单片机供电；-5V为ICL7107参考电压。要求输出的电压最大值为18V，取样电阻为0.37欧图2.2中电路提供+5V的电源；主要用于单片机（AT89S52）、数码显示（包括74LS164,ICL7107）。图2.2中提供的15V的电源用于LF56,NE5532和 VCC . 由于要求输出的电压最大值为18V,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用4700UF 50V的电容。图2.3是单片机和DAC0832的电路连接2.2单片机和DAC0832模块：DAC0832跟单片机的连接方式采用单级缓存的方式，连接方式如图2.3所示，其中外部数据存储的地址为0x7fff,当数据赋给该地址时，单片机传输过来的数字量经过DAC832的数模转换，转换成模拟电流量，而本设计的要求是输出模拟电压量控制稳压源的各项操作，为此，本设计在电流输出端接入运放LF356,把电流量转换成电压量，DAC0832的基准电压是5V，由精密稳压源LM336提供，提高了基准输出电压的精密度，保证了输出精度达到设计要求23稳压源输出模块：稳压输出部分是将数模转换的电压进行处理后，输出符合要求的电压。由电压放大，电流扩大，过流保护三部分构成。电压放大部分由一工作于放大区的运放构成，调整其反馈系数，可以对输出电压进行微调得到符合要求的电压。电流扩大部分由两大功率三级管TIP41C组成的达流顿管，对输出的电压进行扩流。过流保护由三极管9013和取样电阻构成，正常工作是三极管处于截至状态，当电流超过最大值时，取样电阻两端的电压使得三极管导通，减小了达林顿管的输出电流。电流的最大值为Im0.6/0.33A=1.5A。3.1：4*4键盘工作原理及数码管显示模块： 74LS164为串行输入并行输出的移位寄存器，可以作为静态显示器接口，接在AT89S52的串行口上用于数码的显示。数码显示模块如图3.2所示。键盘对单片机输入数据，键盘为4*4矩阵键盘，用AT89S52的并行口P1接44矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线，44矩阵键盘识别处理每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。键盘原理图见图3.23.2:键盘功能设计示意图：3.3实际输出电压显示模块： 为了实现输出电压的实时监控，使用ICL7107搭建的数字电压表对其输出电压采样测量，并输出显示，用户可以从显示器上看见两个电压值：其一为单片机设置的电压值即期望值;其二为输出电压的实测值。正常工作时两者相差很小。一旦出现异常状况，用户可以看出期望值不符，从而采取相应的措施。三 软件设计本作品使用Keil C51系列仿真器作为编程器件，它是以WINDOWS为设计平台，在使用时先在uVsion2环境下编辑程序，然后保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序，s生成hex文件，最后调试和执行这样一步步来实现仿真。本作品软件要实现的功能是：键盘对单片机输入数据，单片机对获得的数据进行处理，送到8位数模转换器（DAC0832）,再送到恒压源模块，实现数字量对电压的控制。模块框图见图3.1方案二：采用以89S52为核心的单片机系统来控制8位DAC0832的数据的输入并将其转换成模拟量输出同时单片机把输入的预值电压送数码管显示，通过ICL7107把实际输出电压显示出来。此方案的优点是输入的预值电压信号稳定且避免了大量的数据存储，所以电路设计和制作采用方案二。其电路方框图如图1.2所示数控直流稳压电源 四本例介绍的数控直流稳压电源电路采用LED数码显示输出电压值，具有显示直观、操作方便、稳压精度高等特点，其输出电压为0-9.9V步迸式可调 (步迸值为0.1V)，输出电压为5A。电路工作原理该直流稳压电源电路由电源稳压电路、操作控制电路、显示驱动电路、数/模 (D/A)转换电路和调整输出电路组成，如图5-23所示。电源稳压电路由电源开关Sl、熔断器FU、电源变压器T、整流桥堆URl-UR3、电容器Cl、C3-C13和稳压集成电路IC8-IClO组成。操作控制电路由电源调整按钮S2、S3、电阻器Rl-R3和可逆计数器集成电路ICl、IC2组成。显示驱动电路由LED数码显示器A、B和译码驱动集成电路IC5、1C6组成。数/模转换电路由DAC集成电路IC3、1C4、电阻器R4、肪和电位器RPl、RP2组成。调整输出电路由运算放大器集成电路IC7(Nl、N2)、电阻器R6-R8、电位器RP3、电容器Cl、C2和复合电源调整管Vl、V2组成。接通电源开关S，交流220V电压经T降压后，产生一组交流l2V电压、一组交流6V电压和两组交流l5V电压。交流6V电压经UR2整流、C9和ClO滤波及IClO稳压后，为ICl厂IC6提供+5V工作电压。两组交流l5V电压经URl整流及IC8、1C9稳压后，产生土l5V电压，作为lC7的工作电源。交流l2V电压经UR3整流及Cl2、C13滤波后产生+17V左右的脉动电压，经调整输出电路稳压调整后输出。S2为输出电压上升调整按钮，S3为输出电压下降调整按钮。按动S2或S3时，IC1和IC2对控制指令进行计数后，产生二进制数字控制信号。该控制信号一路送至显示驱动电路进行译码处理 (将二进制码转换成十进制码)后，通过LED数码显示器显示出输出电压值;另一路送至数/模变换器变换成模拟控制电压信号，再经IC7缓冲放大后去控制复合电源调整管Vl、V2，使输出电压与LED数码显示器显示的电压值相同。元器件选择Hl-R6和R8均选用1/4W金属膜电阻器;R7选用lW金属膜电阻器。RPl-RP3均选用膜式可变电阻器。Cl选用耐压值为250V涤纶电容器;C2-C4、C7、C8和Cl2均选用耐压值为25V的铝电解电容器;C9和Cll均选用耐压值为16V的铝电解电容器;C5、C6、ClO和C13选用独石电容器。URl和UR2均选用5OV、lA的整流桥堆;UR3选用5OV、6A的整流桥堆。Vl选用2N5534或BD248、3DD68B型低频大功率硅NPN晶体管;V2选用S8050或C8050、3DG8050型硅NPN晶体管。ICl和IC2均选用74LSl92型4位十进制同步加/减计数器集成电路;IC3和1C4均选用DAC0832型8位数/模转换集成电路;IC5和1C6均选用74LS248型七段译码器集成电路;IC7选用NE5534型可调低噪运算放大器集成电路;lC8选用LM7815型三端稳压集成电路;IC9选用LM7915型三端稳压集成电路;IClO选用LM7805或W7805型三端稳压集成电路。T选用30W、二次电压为6V、l2V(5A)和双l5V的电源变压器。S1选用250V、触头电流容量为SA的交流电源开关;S2和S3均选用微型动合开关按钮。二 模块电路设计及比较系统硬件以AT89S52单片机为核心，外围包括电源模块、数码管显示模块、D/A转换模块及恒压源模块。21 电源模块：本设计共用到电源有四种：即5V，15V.2.1.1 电源原理稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.1a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。b 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。+5V其中+5 V给DAC0832,单片机供电；-5V为ICL7107参考电压。要求输出的电压最大值为18V，取样电阻为0.37欧图2.2中电路提供+5V的电源；主要用于单片机（AT89S52）、数码显示（包括74LS164,ICL7107）。图2.2中提供的15V的电源用于LF56,NE5532和 VCC . 由于要求输出的电压最大值为18V,而且主要电流从它通过，所以要用大电容，本设计采用4700UF 50V的电容。图2.3是单片机和DAC0832的电路连接2.2单片机和DAC0832模块：DAC0832跟单片机的连接方式采用单级缓存的方式，连接方式如图2.3所示，其中外部数据存储的地址为0x7fff,当数据赋给该地址时，单片机传输过来的数字量经过DAC832的数模转换，转换成模拟电流量，而本设计的要求是输出模拟电压量控制稳压源的各项操作，为此，本设计在电流输出端接入运放LF356,把电流量转换成电压量，DAC0832的基准电压是5V，由精密稳压源LM336提供，提高了基准输出电压的精密度，保证了输出精度达到设计要求23稳压源输出模块：稳压输出部分是将数