数控直流电源

数控直流电源

摘要：该电源系统以STC89C52单片机为核心控制芯片，实现数控直流电源功能的方案。设计采用数模转换器TLC5615、模数转换器TLC549、大电流DC——DC采用GS3612和LM324M构成稳压电源，实现了输出电压范围为2～20V，电压步进，纹波电压不大于200mVp-p，输出电流200mA的数控直流电源，另外该方案只采用了3按键实现输出电压，由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减方便设定，输出电压大小由LCD显示，电源效率＞60%。简易数控直流电源与传统电源相比具有操作方便、显示稳定度高、使用广泛等特点。

关键词：数控直流电源；TLC5615；TLC549

引言

本设计的课题，不仅让我们系统全面的巩固了三年来所学的的理论知识，还使我们把所学的理论知识运用到实际操作中。理论结合实际从而达到对理论知识更加的巩固与理解，为我们走向社会打下坚实的基础。

二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是自动控制技术的竞争。

本次设计主要内容：数控直流电源；电源系统设计：编程软件，制作草图，确定需要设计的数控系统的规划，做出相应的系统结构图、流程图，确保所作图纸和规划无误；软件程序的编写：把编写好的程序导入89S52芯片中，调试程序是否正确，并做出修改。

具体内容：系统结构图一张、流程图一张、数据表一张、编写说明书一份、收集和研究原始资料，为数控直流电源的设计和调试做好初始准备，初步拟定设计方案，绘图和相应步骤，进行必要的理论设计和知识链接，选择最佳的方案进行调试，确定该方案的正确性，可行性和实用性，将该方案导入单片机调试箱调试程序是否可行，并做出相应的调整。学会并熟练掌握单片机技术的使用。

1单片机的基础知识

单片机的概述

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机也被称为微控制器，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

单片机的发展历史

单片机，专业名称—MicroControllerUnit，它是由大名鼎鼎的INTEL公司发明的，最早的系列是MCS-48，后来有了MCS-51，现在还有MCS-96系列，我们经常说的51系列单片机就是MCS-51，它是一种8位的单片机，而MCS-96系列则是一种16位的单片机，至于它们之间有何区别，我们以后会讲到。后来INTEL公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司，所以世界上就有许多公司生产51系列兼容单片机，比如飞利浦的87LPC系列，伟邦的W78L系列，达拉斯的DS87系列，现代GSM97系列等等，目前在我国比较流行的就是美国ATMEL公司的89C51它是一种带FlashROM的单片机，我们的讲座就是以该型号的单片机来作实验的。讲到这里，也许有的人会问：我平时在各种书上看到全是讲解8031，8051等型号的单片机，它们又有什么不同呢？其实它们同属于一个系列，只是89C51的单片机更新型一点。这里随便说一下，目前国内的单片机教材都是以8051为蓝本的，尽管其内核也是51系列的，但毕竟8051的单片机已经属于淘汰产品，在市场上也很少见到了，所以由此感叹，国内的高等教育是如此的跟不上时代的发展需要！这话可能会引起很多人的不满

单片机的结构

单片机在结构设计上，以及硬件、指令系统、I／O能力等方面都有明显的特点。下面以MCS-51单片机为例，简要说明。

1.程序存储器和数据存储器分开

单片机的数据存储器和程序存储器在存储器空间上是严格分开的，ROM用来存放程序代码、常数和数据表格，RAM用来存放数据或中间结果。采用这样的存储器结构，主要是考虑到单片机用于控制的特点，在过程控制中需要较大的程序存储器空间和较小的随机数据空间，而且还允许单片机应用系统扩展存储空间，因此单片机既有内部ROM又有外部ROM，既有内部RAM又有外部RAM。所以，CPU进行存储器操作时就要区分内部程序存储器和外部程序存储器；对程序存储器和数据存储器访问时要使用不同的寻址方式、指令助记符和存储器访问信号；要使用两个或多个地址指针来寻找数据。

／O端口多功能分时复用

由于大规模集成电路和生产工艺的要求，芯片的引脚数受到一定的限制，为了解决实际的引脚数和需要的引脚信号之间的矛盾，单片机的部分引线被设计成多功能的。如MCS-51的P0口、P2E1和P3E1的引脚都是多功能，如P0口是8位数据线和地址线的低8位共用，P2El是通用I／O口并与地址线的高8位分时复用，P3E1是通用I／O口，还具有第二功能。每条引脚在一定时间起什么作用，则由指令和机器状态来决定。所以，单片机对外不存在专门的数据线和控制线，而是采用分时复用技术来解决片外数据和地址的传送问题。

3.片内特殊功能寄存器和工作寄存器组

在MCS-51单片机片内RAM中，还有21个具有特殊功能的寄存器，以及4组8位工作寄存器，每组7个，共有28个8位的工作寄存器，为CPU进行运算、存放中间结果提供了极大的方便。正是有了这些特殊功能寄存器和工作寄存器，才能使一个只有40脚封装的单片机系统的功能获得很大的扩充，并使I／OEl在程序控制下具有第二功能。利用特殊功能寄存器还可以完成对定时器斛数器、串行口和中断逻辑的控制。

4.片内有全双工串行通信接口

MCS一51单片机的另一个特点是在内部有一个全双工的串行接口。在程序的控制下，串行口有4种工作方式。用户可根据需要将它设定为移位寄存器方式，以扩充I／O接口和外接同步输入、输出设备；或用做异步通信接口，以实现双机或多机通信。因此，单片机能极为方便地组成分布式控制系统。

5.独立的位处理器

在单片机内部有一个能独立进行操作的位处理器，又称为布尔处理器，它有自己的累加器以及可按位寻址的RAM区、特殊功能寄存器和I／0E1，并设有专门的按位操作的指令。利用位操作功能，可以十分方便地进行组合逻辑的设计和用软件模拟组合逻辑的功能。

单片机的主要特性

1．单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

2.单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。

3.早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。

4.单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

2数控直流电源控制系统分析

设计任务

设计并制作一个有一定输出电压范围的数控电源。其原理示意图如下：

原理图

基本要求

1.输出电压:2～20V.步进,纹波电压不大于200mVp-p

2.输出电流:200mA

3.由“+”,“-”两键分别控制输出电压步进增减

4.输出电压大小由LCD显示

5.电源效率:>60%

发挥部分

1.开机输出电压可预置在2～20V之间的任意一个值

2.最大输出电流为1A，并有过流保护功能

3.纹波电压小于100mVp-p

4.电源效率:>75%

5.其它创新

3方案

系统原理框图如图1所示，采用STC89C52单片机产生波形，D/A转换器将其转换为模拟电压，再经过放大器放大。由单片机的软件实现电压的步进增减等功能。该方案灵活性大，易于扩展，需要专门的译码驱动芯片。

图1方案示意图

4硬件电路设计

数控直流电源由稳压电源部分、数字显示部分、输出部分、数控部分和输入电路五部分组成。硬件设计各电路图见附录二。

稳压电源电路:稳压电源从电路简单、经济考虑，本设计采用LM324M输出集成稳压器。采用7805作为它们的输出电压分别为+5V。直流稳压电源采用桥式全波整流，单电容滤波，三端固定输出集成稳压器件。输出电路由7815提供+25V电压，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。电路图如下

图2稳压电源电路

输入电路:输入电路由“+”、“－”、“启动”、“复位”四个按键组成，由“+”、“－”两键分别控制输出电压步进增减，步进值为，启动按键用于启动控制数控电压源的输出。

数控部分:数控部分应具备的功能有：输出电压可预置，且能以“步进”的工作方式加或减。数控部分的输出应该控制电压源的控制端。

两个按钮开关将预制量输入到MCU并口，输出结果由LCD显示。单独设置的“+”、“－”两个键由单片机进行检测。数模转换器DAC接收单片机数据线串行传送的数据，存放在存储芯片内，并据以确定输出电压。在软件的控制下，单片机开机后先将预制值读入，在送去显示的同时，送入DAC，并产生相同的输出电压。然后不断检测“+”、“－”两键是否按下。若检测到有按键按下，将使显示值和输出电压相应增减。

输出电路:输出电路是由三端固定输出稳压器件7805、LM324M和DAC电路所组成的输出电路。步进电压由DAC输入的数字量控制。这种电路输出电压的精度取决于7805输出电压的误差；运放的跟随误差以及DAC的积分非线性。步进值的误差直接与DAC的位数有关。如下图。

图3输出电路图

显示电路：显示电路功能是显示当前输出的电压值和电流值。显示电路由液晶屏和两片模数转换器ADC组成。当前输出的电压值和电流值分别有两片模数转换器转换成数字量，并串行传送给单片机，单片机将接收到的8位数字量转换成电流和电压的小数和整数部分，然后送到液晶屏显示当前输出的电压和电流值。电路图如下。

图3显示电路图

5系统结构

单片机及其外围电路是数控直流电源的控制核心，本设计以STC89C52单片机为核心，单片机通过对D/A转换器输出的控制达到对电压的控制，并用LCD1602液晶来显示。系统结构图如图3所示。

图4系统结构图

6芯片介绍

芯片介绍

单片机主要特性：

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

图5AT89S52芯片引脚排列

管脚介绍

电源引脚

VCC：接DC电源端。

GND：接地端。

时钟引脚

XTAL1：外接振荡元件的一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚接振荡器的信号。

XTAL2：外接振荡元件的一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚悬浮。

振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

控制线

RST：复位输入端。在此引脚上出现至少两个机器周期的高电平，将使单片机复位

ALE/：地址锁存允许/编程脉冲。在对Flash存储器编程期间，此引脚用于输入编程脉冲.

PSEN：外部ROM读选通信号。

在从外部程序存储器取指令期间，每个机器周期出现两次PSEN有效信号。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN有效信号作为外部ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内部ROM或RAM信号时，PSEN无效。

EA/VPP：内、外ROM选择/编程电源

EA为片内外ROM选择端。ROM寻址范围为64KB。AT89S52单片机有4KB的片内ROM，若不够用时，可扩展片外ROM。当EA保持高电平时，先访问片内ROM，当PC的值超过4KB时，自动转向执行片外ROM中的程序。当EA保持低电平时，只访问片外ROM。

在Flash编程期间，此引脚用于施加编程电压VPP。

P0～P3

4个8位输入/输出口，一共32个引脚。

TLC548和TLC549是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOSA/D转换器。它们设计成能通过3态数据输出与微处理器或外围设备串行接口。TLC548和TLC549仅用输入/输出时钟和芯片选择输入作数据控制。TLC548的最高I/OCLOCK输入频率为，而TLC549的I/OCLOCK输入频率最高可达。

图6TLC549引脚图

TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。

图7TLC5615引脚排列图

7软件设计

软件介绍

软件部分采用模块化程序设计的方法编写，系统软件由主控制程序、LCD1602显示子程序、键盘服务、A/D转换和D/A转换等子程序组成。还添加了显示器的自动刷新。

资源分配

SBITVEN=P1^0电压A/D使能低电平有效

SBITVSDA=P1^1电压A/D输入数据

SBITVSCL=P1^2电压A/D时钟

SBITIEN=P1^3电流A/D使能低电平有效

SBITISDA=P1^4电流A/D输入数据

SBITISCL=P1^5电流A/D时钟

SBITDAEN=P2^0D/A使能低电平有效

SBITDADA=P2^1D/A输入数据

SBITDASCL=P2^2D/A时钟

SBITJIA=P3^2增加按钮

SBITJIAN=P3^3减按钮

SBITQUEREN=P1^6确认按钮

SBITRS=P3^51602液晶RS端

SBITLCDEN=P3^41602液晶EN端

SBITRW=P3^61602液晶RW端

程序流程图

图8程序流程图

8工作过程

上电复位：读取24C02中的电压，送DA转换输出电压，如24C02中电压为0则设置初始电压为5V。

电压控制：通过两个加减按钮控制MCU产生8位数字信号，通过P2口送至8位数模转换芯片转换成模拟电流信号，再经运放作I/U转换，得到控制稳压电源输出部分的基准电压。

电流取样：采用8位模数转换芯片作为显示电流的模数转换器件，TLC549的取样电压由串联在电源输出电路的电流取样电阻分压取得，并由运放按一定倍数放大后送至Vin，TLC549把转换结果送至单片机的P1口，再由程序将数据处理后送LCD1602显示当前电流。

过流保护：当短路或电流超过设定值时，MCU自动保存当前使用电压并关闭输出。

稳压输出：采用传统的串联稳压电路，由运放和功率输出管组成。利用TLC5615控制的基准电压驱动功率管稳压输出，反馈部分是通过电阻R3，VR2将取样电压输入运放的反相端比较，VR2可作小范围调整。

9制作调试

电源部分提供整个电路所需各种电压，由电源变压器和整流滤波电路及两个辅助稳压输出构成，电源变压器的功率由需要输出的电流大小决定，确保有充足的功率余量。

电流取样电阻R1要选择大功率的电阻。也可使用废旧万用表上拆下来的电阻线。检查电路连接无误后，即可试机。找一块数字表将其并联在输出电路上，按“+”按钮或“－”按钮设定一个电压，此时LCD1602第一行可能会有误差，适当微调反馈电路的VR2，使其与数字表读数一致，再将数字表串联在电源的输出电路上，选择适当的电流档，接上一定的负载。此时，LCD1602第二行会显示出电流值，适当的调节VR3改变TLC549参考电压，直至显示的电流值与万用表显示的电流值一致为止，校正完后即可使用。

测试仪器及设备

仪器名称型号用途数量

计算机PC调试用途1

可跟踪直流稳压源1731SB3A提供电源2

数字万用表UT56测量电压1

示波器DF4320测量纹波1

测试步骤

第一步：组装电路，使整个电路能正常工作，掉电存储电路能使在重新开机后显示上次断电时保存的数据。

第二步：在不带负载的情况下，通过按键调节电压值，使电压值从0~20V按步进增减，观察输出电压值，并测量纹波电压，并记录数据。

第三步：在带负载、电流达到800mA的情况下，调节电压值，测试输出电压值。

第四步：测试过流保护电路是否能正常工作，即当调节电流值超过设定的电流值时，观察电流保护电路是否断开。

测试数据

⑴测试输出电压

理论显示数据单位：V输出电压测量单位：V纹波电压单位：mV