数控直流电源.doc

设计报告设计题目 简易数控直流电源 学 院 专 业 年 级 课程名称 小组成员 学 号 设计时间 成 绩 指导教师 本科学生课程设计任务书课程设计题目简易数控直流电源学院专业班级设计要求：设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源（1）输出电压：范围09.9V，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，可用到试验箱上的12V和5V直流电源。学生应完成的工作：电路设计,电路焊接软件设计,硬件调试软件调试,脱机运行报告纂写参考资料：1 华成英，童诗白. 模拟电子技术基础.高等教育出版社,2007年8月2 李群芳，张士军，黄建. 单片微型计算机.电子工业出版社，2009年2月3 赵辉，刘印华 . PROTEL 99电子线路CAD.北京邮电大学出版社.2008年1月课程设计工作计划：第一周: 分析并设计分析电路.第二周: 编写软件程序及调试.第三周: 焊接硬件电路, 软硬件联合调试.任务下达日期 2010 年 月 日 完成日期 2010 年 月 日指导教师 （签名） 学生 （签名）说明：1、学院、专业、年级均填全称。 2、本表除签名外均可采用计算机打印。本表不够，可另附页，但应在页脚添加页码。目录一、设计任务与要求41.1设计任务41.2设计要求4二、任务分析及方案52.1 人机接口模块52.2 显示报警模块52.3 输出模块5三、硬件电路设计63.1 数控部分63.1.1 设定初值63.1.2加减设定及报警电路63.2显示部分63.3 电路输出部分83.4 其它部分93.5 完整电路103.6 最终实物图113.7 元器件清单11四、软件系统设计124.1 软件流程图124.2 程序源代码13五、问题及解决（调试）185.1 软件调试185.2 硬件调试18六、系统测试及数据分析186.1、测试指标186.2、测试结果及数据分析196.2.1 波形电压测试196.2.2 声、光报警测试206.2.3 输出电压测试216.3功能拓展（软件得以实现）236.3.1 拓展实现输出-9.9V0V的电压236.3.2 放大电流的其他电路246.3.3 自制直流电源电路24七、总结25参考文献25一、设计任务与要求 1.1设计任务设计出有一定输出电压范围和功能的数控直流电压源，为电子设备供电。在设计过程中，选择12个单元电路使用仿真软件进行仿真调试，绘制所有的电路图并撰写设计报告。其原理示意图如下： 1.2设计要求1.2.1基本要求 （1）输出电压：范围09.9V，步进0.1V，纹波不大于30mV；（2）输出电压值由数码管显示；（3）由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减； （4）输出电压可预置在09.9V之间的任意一个值，若初值设定无效则声光报警，并自动以5V作为初值；（5）输出电流：500mA；（6）为实现上述功能，可以使用试验箱提供的12V，5V直流电源。1.2.2发挥部分 （1）用自动增减代替手工多次按键，实现输出电压连续变化（步进0.1V不变）；（2）使用PS2键盘作为输入、字符液晶显示输出；（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）；（4）实现输出的过流保护，当输出电流超过600mA时电源自动断电。二、任务分析及方案 根据设计要求，我们以单片机为衔接，程序控制。将其它部分分为这几个模块，人机接口模块、显示报警模块、输出模块。其各个模块连接如下图所示单片机输出报警 模 块人机接口模块对应输出 模 块2.1 人机接口模块根据设计任务，我们可以通过选取单片机的一个端口作为输入口，通过对该口给定对应的高低电平来实现初值的设定，如何给定对应的高低电平呢？通过拨码开关设定经上拉电阻拉高对应位电平即可实现。对于实现十进制步进，因为我们从输入口得到的是十六进制的数，首先我们得将其转化为十进制数，再通过外部中断的方式来控制对该数自加、减以实现步进。2.2 显示报警模块从输入口得到对应初值后，取高、低四位对初值设定判断，当判断为错误初值时，因为喇叭发声需要一个脉冲信号，所以我们想到通过定时器定时给对应报警电路输入口给定高低电平来实现。对于数码显示，选取一个端口作为显示输出口，将处理后的值直接传到该口后经译码器译码得到对应的数码显示的输入码值，从而实现。2.3 输出模块读入初值经处理后如何将得到对应得电压值和输出电流，是本次设计中的难点所在！我们还是选取一个端口作为输出口，通过处理初值后我们得到的一个十进制的数，传入该口后该数的BCD码，是一个数字信号，而我们要得到的是一个模拟值。因而我们要进行数模转换，我们这里选取的是我们常用的数模转换DAC0832，得到一个于输入的数字信号值成线形变化的模拟电流信号，但这个电流极小，而且我们要的得到的是对应的电压值。故而要先对其流压转换，转换后得到电压再经反向比例放大，通过滑动变阻器调节得到对应的电压值。再通过稳压管提供电流使其负载电流能达到500MA，使其具有一定的驱动能力。三、硬件电路设计3.1 数控部分3.1.1 设定初值通过拨码开关的高4位控制预设电压值的整数部分，低4位控制小数部分；并结合上拉电阻给对应的位拉高电平，从而实现对P2口传入相应的值！3.1.2加减设定及报警电路单片机上电后，P3口每个位都为高电平，此时，通过按键在对应的外部中断口给低点平，从而实现外部中断。报警电路主要是通过对三极管放大电流，同时通过定时器给予一个脉冲信号，促使发光二极管发光和喇叭发声，达到报警提示的效果。 图3.1设定初值的电路 图3.2 外部中断及报警电路3.2显示部分 将经过处理后的数值传入P1口后，高4位与低4位分别通过74LS47译码器，得到相应的码值，随后通过数码显示管将对应的值给予显示。由于74LS47是低电平有效。应选取共阳极的数码显示管。如图3.3图3.374ls47简介 注：1、当需要0到15的输出功能时，灭灯输入（BI）必须为开路或保持在高逻辑电平，若不要灭掉十进制零，则动态灭灯输入（RBI）必须开路或处于高逻辑电平。2、当低逻辑电平直接加到灭灯输入（BI）时，不管其它任何输入端的电平如何，所有段的输出端都关死。3、当动态灭灯输入（RBI）和 输入端A、B、C、D 都处于低电平而试灯输入(LT)为高时，则所有段的输出端进入关闭且动态灭灯输出（RBO）处于低电平（响应条件）。 4、当灭灯输入/动态灭灯输出（BI/RBO）开路或保持在高电平，且将低电平加到试灯输(LT)时，所有段的输出端都得打开。* BI/RBO 是用作灭灯输入（BI）与/或动态灭灯输出（RBO）的线与逻辑。3.3 电路输出部分通过处理后的数值传入P0口后，结合上拉电阻拉高对应位的电平，作为数模转换的输入值，即可通过DAC0832数模转换得到一个对应的模拟的电流信号值。如图3.4图3.4 数模转换 DAC0832简介 其为8位的D/A转换，其结构图如图3.5，有两个数据缓冲器；通过对其不同的控制可以有三种工作方式（直通、单缓冲、双缓冲）。输出IOUT=VREF*(输入值/255)/RFB，有此也可以看出输出电流是随输入值线性变化的。 图3.5 DAC0832内部逻辑结构图因为我们选取的基准电压为5V，根据通过UA741先将这个模拟的电流信号转化的电压信号，VO = -IOUT*RFB就为负值，然后在对其进行反向比例运算放大，通过滑动变阻器调节比例放大系数，从而得到对应的电压值。再利用稳压管8705提供输出足够大的电流，并使其具有一定的负载能力，调节滑动变阻器，以改变负载电阻，从而使输出电流达到500MA。同时为了保证此时的输出电压为对应值，故而再利用运放UA741组成一个电压跟随器。最终达到输出要求。如图3.6、图3.7 图3.6 流压转换 图3.7 输出电流稳压管7805简介 7805其内含基准电压电路、比较放大电路（共集-共射放大）、保护电路（过流保护、调整管安全区保护、过热保护），其引入了深度负反馈，输出电压很稳定，为5V，其调整端电流很小。3.4 其它部分 单片机复位电路以及内部振荡电路。 对于51单片机，只要使其复位引脚RST出现5MS以上的高电平即可，即我们通过按下按键给定一端时间的高电平，或上电后，给电容充电，使RST 持续一端高电平时间均可。 单片机内有一个高增益反相放大器，外接晶振后，构成自激振荡器，产生振荡时钟脉冲。这里的电容起到了稳定振荡频率、快速起振的作用。 图3.8 复位电路以及内部振荡电路3.5 完整电路 3.6 最终实物图3.7 元器件清单 元件名称元件类型元件参数元件封装 元件标号个数单片机8051DIP40U11数模转换器DAC0832DIP20U21译码器74LS47DIP-14U3U42运算放大器UA741DIP8U5AU5B2数码显示管DPY_7-SEG_DPDS1DS22按键开关SW-PBSWS1S2S33三极管NPN（9014）90149014Q11上拉电阻RESPACK4DIP-16RP1RP2RP3RP64拨码开关SW DIP-8IDC16S41晶振CRYSTAL12MHZXTAL1Y11电容CAP25pFRAD0.1C1C22电解电容ELECTRO135uFRB.2/.4C31发光二极管DIODEDIODE0.4D11 小喇叭SPEAKERRB.3/.6LS11滑动变阻器RES450KR141稳压管LM317 1电阻RES2300AXIAL0.3R31电阻RES21KAXIAL0.3R41电阻RES210KAXIAL0.3R121电阻RES210KAXIAL0.3R131四、软件系统设计开始4.1 软件流程图设定主程序和各个中断的入口地址，选择中断定时器工作方式并开启外部中断，从P2口读入设定的初值，并对其作取反、移位的操作，使其数值符合对应拨码开关的设定 直接将0AAH传给P1口经译码过后，供数码管显示；并给P0口传入三角波的波形数据，即从99自减一到0，再自加到99，一直循环判断初值是否为0AAH，0BBH；OCCH，0DDH; 直接将0BBH传给P1口经译码过后，供数码管显示；并给P0口传入方波的波形数据，即先传100经过一段延时后传0再延时，一直循环 Yes直接将0CCH传给P1口经译码过后，供数码管显示；并给P0口传入正弦波的波形数据，给传一个数后、延时、再传，一直循环 NO 分别取低4位和高四位并判断其是否大于9， 通过外部中断来改变延时，来调节输出波形的频率，当初值为0DDH时，通过其调节占空比 直接向P1口传入00H，以作为初值设定错误时的数码显示，同时开启T0，供发声、发光报错 Yes NO对高4位、低4位数值进行处理，将其转化为既定的十进制数（类似于完成89H89的转换），并将转换后的值传到P0口，以供数模转换、流压信号的转换和放大，得到对应的输出电压值 当外部中断0来时，将转换后的数值自减1，并直接传到P0口供转换输出对应电压值当外部中断1来时，将转换后的数值自加1，并直接传到P0口供转换后输出对应电压值再将上面通过转换和加减后的数值处理，即对其逆转换，（8989H）后的值传到P0口以供输出，同时也传到P1口以供数码管显示结束4.2 程序源代码 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT00 ORG 000BH LJMP TC00 ORG 0013H LJMP INT11 ORG 0100HMAIN: MOV TCON,#00H ；选择外部中断方式，本程序设置为低电平触发 MOV IE, #87H ；开启EA，INT1,T0,INT0MOV SP, #60H ；堆栈指针指向60H，本来默认的是07H,因为后面延时占用到了地址08H-0CH，如不改变SP的指向必然会在调用子程序或是中断来临时等的压栈发生冲突！MOV A,#0FFH MOV P2,A CLR P3.4 ；给P3.4清零，即保证最初报警无输入！MOV R5,#00MOV R4,#100NOPNOPMOV A,P2 ；从P2口读入初值CPL A CLR C RRC A ；对A进行向右大循环，即原A的7到1位-A的6到0位，原CY的值给A的7位，原A的0位传到CY;MOV 07H,C ；位寻址 （书P21），这是选的20H的八个位；RRC AMOV 06H,CRRC AMOV 05H,CRRC AMOV 04H,CRRC A MOV 03H,CRRC AMOV 02H,CRRC AMOV 01H,CRRC AMOV 00H,C MOV A,20H ；通过对P2口读入的初值进行处理后，传到累加器准备对初值进行判断； MOV R3,A CJNE A,#0AAH,DZY ；判断初值是否为0AAH MOV P1,A ；是则传给P1直接显示，并准备输出类似三角波的电压（0V-10V-0V-） MOV R2,#100ASS: MOV P0,R2 MOV B,R4 MOV R6,B DJNZ R6,$ DJNZ R2,ASS BSS: INC R2 MOV P0,R2 MOV B,R4 MOV R6,B DJNZ R6,$ MOV A,R2 CJNE A,#100,BSS ；通过先从100自减一到0再自加一到100，重复，从 而类似实现三角波的电压输出 SJMP ASS DZY: CJNE A,#0BBH,LHY ；判断初值是否为0BBH MOV P1,A ；是则传给P1直接显示 ，并准备输出0V，10V的脉冲电压（方波）CSS: MOV R2,#100 MOV P0,R2 MOV B,R4 MOV R6,B DJNZ R6,$ MOV R2,#0 MOV P0,R2MOV B,R4 MOV R6,B DJNZ R6,$ SJMP CSS ；通过先给出10V延时后再给0V再延时，重复，从而实现方波的电压输出LHY: CJNE A,#0CCH,KAI ；判断是否为0CCH， MOV P1,A ；是则传给P1直接显示，并准备输出类似类似正弦波波形电压MOV R7,A MOV DPTR,#TAB1 ；指向正弦波数据采样表 MOV R2,#0ESS: MOV A,R2 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV B,R5 MOV R6,B DJNZ R6,$ INC R2 CJNE R2,#64,ESS MOV R2,#0 SJMP ESS ；一直将正弦波形数据表的数传到输出KAI: CJNE A,#0DDH,ZHJ ；判断初值是否为0DDH，再输出方波波形电压，此时可通过外部中断调节其占空比 MOV P1,AMOV R7,ALEI: MOV R2,#100 MOV P0,R2 MOV B,R4 MOV R6,B DJNZ R6,$ MOV R2,#0 MOV P0,R2 MOV R6,#100 DJNZ R6,$ DJNZ R5,$ SJMP LEIZHJ: MOV A,R3 MOV B,#10H DIV AB MOV R7,A ；初值的高四位即作为十进制数的十位，即将初值除以16即10H即可得到其值（即为商），并将其存在R7中便与后面调用！ MOV R6,B ；初值的低四位即作为十进制数的个位，即将初值除以16即10H即可得到其值（即余数），并将其存在R6中便与后面调用！ CLR C SUBB A,#0AH JNC ERROR ；先判断高四位的数是否不大于9，大则初值设置错误，准备报警和给出到其值错误时的数码显示！ MOV A,R6 CLR C SUBB A,#0AHJC RIGHT ；带进位的减法，当高四位不大于9时，再判断低四位的数是否大于9，不大于则初值设置正确，准备对其进行处理后给出数码显示以及供给DA转换，在通过运放从而得到对应的电压值！ERROR: MOV TMOD,#01H ；定时器选择方式1；最大计数值为2的16次方（65536个脉冲）MOV TH0,#0FCHMOV TL0,#18H ；设置1mS的定时初值，0F18即为64536，晶振为12M，（65536-64536）*12/12/1000=1ms SETB TR0 SETB P3.4 ；此时为错误报警，故而给高电平供发声，发光MOV R5,#0FFH MOV R4,#05H ；为了延长脉冲时间ERREXIT:LCALL ERRORP JB TR0,ERREXIT RET ；跳到错误时的显示，直到TR0为0时 RIGHT: MOV B,#0AH MOV A,R7 MUL ABADD A,R6 ；保证在正确输入初值的前提下，将高四位的值乘10即0AH，再加上低四位的值即完成了类似从89H到89的转换，即成为十进制的数 ；以便于完成十进制步进！ MOV R2,AMOV P0,R2 ；将得到的值传到数模转换LCALL DISPLAY ；调用数码显示 SJMP $ ；等待中断 INT00: DEC R5 DEC R4 ；在输出波形电压时，通过自减各个值之间的延时，从而实现调频 CJNE R7,#0AAH,BUG0 SJMP TPEXI1BUG0: CJNE R7,#0BBH,BUG1 SJMP TPEXI1 BUG1: CJNE R7,#0CCH,BUG SJMP TPEXI1BUG： DEC R2 ；外部中断INT0来临时，将处理后的值自减一 LCALL DIS0 ；跳到DIS0对自减一后的值传给数模转换，以及再进行处理后供给数码显示TPEXI1：MOV 0AH,#04H T00A: MOV 08H,#0FFHT009: MOV 09H,#0FFHDJNZ 09H,$DJNZ 08H,T009DJNZ 0AH,T00A ；一个较长的延时RETIINT11: INC R4INC R5 ；在输出波形电压时，通过自加各个值之间的延时，从而实现调频CJNE R7,#0AAH,BUG2SJMP TPEXI2 BUG2: CJNE R7,#0BBH,BUG3SJMP TPEXI2BUG3: CJNE R7,#0CCH,BUG4SJMP TPEXI2 BUG4: INCR2 ；外部中端INT1来临时，将处理后的值自加一 LCALL DIS0 ；跳到DIS0对自加一后的值传给数模转换，以及再进行处理后供给数码显示TPEXI2：MOV 0AH,#04HT00C: MOV 08H,#0FFHT00B: MOV 09H,#0FFHDJNZ 09H,$DJNZ 08H,T00BDJNZ 0AH,T00C ；一个较长的延时RETITC00: MOV TH0,#0FCH MOV TL0,#18H ；再设初值，已达到一个定时脉冲DJNZ R5,EXITTC0 DJNZ R4,EXITTC0 CLR TR0 CLR P3.4EXITTC0:RETIDIS0: MOV P0,R2 ；对外部中断来临后处理的值传给数模转换，供输出对应的电压值MOV A,R2 MOV B,#0AHDIV ABMOV R7,AMOV R6,B ；对外部中断来临后处理的值再加以十位、个位分离，便于数码显示 LCALL DISPLAY RETDISPLAY: MOV A,R7 MOV B,#10H MUL AB ADD A,R6 MOV P1,A ；将分离后的十位、个位结合，完成类似89-89H的转换，从而便于显示RETERRORP: MOV P1,#00H ；初值设定错误时，给数码显示的值！ RETTAB1: DB 70,76,83,88,94,100,105,109,113,117,120,123,125,127,128,128,128；DB 127,125,123,120,117,113,109,105,100,94,88,83,76,70,64,58,52,45； DB 40,34,28,23,19,15,11,8,5,3,1,0,0,0,1,3,5,8,11,15,19,23,28,34,40；DB 45,52,58,64;END五、问题及解决（调试）5.1 软件调试 根据要求和软件流程图，编写好程序后，通过生成HEX文件，再于在仿真软件上画好的硬件原理图联接，运行测试是否实现所要求指标。我们主要是通过PROTEUS软件进行的仿真。 在调试中，为实现所有功能要对程序和电路图加以不断修改完善，并通过调用分步运行观察各存储器里数值的变化是否符合要求，同时可以仿真对于较难实现硬件测试的部分。而且，便于对设计进行修改，当仿真达到了既定要求后我们才好焊接处硬件进行测试。 在软件中我们主要遇到了这些问题并通过大家协作得到了解决。1.直接用到08H，09H单元存储，然后因为程序中调用了子程序和中断，因而需要压栈、弹栈，而堆栈指针开始默认的是07H，这样08H，09H就存储混乱；我们通过先将堆栈指针指向其他地址，避免这种冲突。2.我们开始选用的是下降沿触发中断，加延时去抖动时，延时时间不好把握（按键响应时间过快过慢不好调节）；我们通过改变低电平触发来解决。5.2 硬件调试按照通过仿真后的原理图，选用对应元件并完成焊接后，通过万用表对其一一核查，我们在焊接的时候也将其去划分为各个模块，并对其测试检测通过后再进行下一模块的焊接，这样保证了我们的焊接效率，也便于发现焊接时的错误，核查无误后通过单片机程序下载器将通过软件仿真后的程序下载到单片机中；再给定对应的+5V、+12V、-12V电源，使硬件工作，然后测试其功能。在测试上电前，一定要注意电源的接触良好和各个线路的检查，否则易损坏元器件在硬件测试中，遇到了这些问题并通过大家协作得以解决。1.数码显示时，为了点亮小数点，开始直接将对应脚（5脚）接地，导致数码显示管损坏；后加一个保护电阻得以解决。2.在放大电流的时候，开始直接用多个三极管共集电极接法，但是此时电流放大过大，导致三极管损坏，后通过加过流保护电路得到解决，但是此时的输出电压纹波较大，后通过选用稳压管从而得到解决。六、系统测试及数据分析6.1、测试指标6.1.1 输出波形电压：如方波、三角波等6.1.2 实现数控：输出电压可以预置在09.9V之间的任意一个值，若初值设定错误则报警提示；同时能在该范围内通过按键实现步进0.1V，输出和显示对应的值。6.1.3 有负载能力，输出电流能达到500MA6.1.4 空载时，电压纹波不大于10MV6.2、测试结果及数据分析6.2.1 波形电压测试1、三角波形测试 用拨码开关设定初值为0AAH，观察数码管显示是否为要求显示的值，用示波器观察是否输出三角波波形电压，并通过按键实现调频。设定初值为0AAH，示波器显示结果图。2、方波波形测试 用拨码开关设定初值为0BBH，观察数码管显示是否为要求显示的值，用示波器观察是否输出方波波形电压，并通过按键实现调频。当初值为0DDH时，通过按键实现调节占空比。设定初值为0AAH，示波器显示结果图。3、正弦波波形测试 用拨码开关设定初值为0CCH，观察数码管显示是否为要求显示的值，用示波器观察是否输出正弦波波形电压，并通过按键实现调频。设定初值为0CCH，示波器显示结果图。6.2.2 声、光报警测试 用拨码开关设定一个错误的初值（即高、低四位任一大于9），观察数码管显示是否为要求显示的值，同时观察发光二极管和喇叭是否工作，起到报警作用。 设定一个错误的初值时报警提示图（图为设定为4FH）。6.2.3 输出电压测试用拨码开关设定一个合适的初值，观察数码管是否显示出对应的值，同时用万用表测试空载时的输出电压是否为给定值；再通过按键对其加减，观察数码管显示和输出电压变化，是否实现步进；最后加上负载后，再次观察。 A、设定初值为80H时，数码管、万用表显示结果图 B、空载时，设定和输出电压对照表设定电压值（V）0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.50实测电压值（V）0.000.501.011.501.992.503.013.514.014.50设定电压值（V）5.005.506.006.507.007.508.008.509.009.50实测电压值（V）5.005.496.006.506.997.508.008.499.009.51 通过多次设定不同初值，以观察得到的电压，发现纹波不大于10MV，符合既定要求。 C、加入500MA负载时，设定和输出电压对照表设定电压值（V）0.000.501.001.502.002.503.003.504.004.50实测电压值（V）0.000.480.981.441.962.432.923.473.954.46设定电压值（V）5.005.506.006.507.007.508.008.509.009.50实测电压值（V）4.945.455.976.456.937.467.988.488.949.43 图6.6 带负载时的输出显示 D、负载特性 通过设定输出恒定电压（我们这里选择为5.0V），再通过滑动变阻器调节，促使负载电流变化，从而测得实际输出电压负载电流（MA）100200300400500实测电压值（V）4.994.984.964.954.