数控步进直流稳压电源的设计与制作论文

安徽机电职业技术学院创新工作室设计报告PAGEPAGE22第22页共22页数控步进直流稳压电源的设计与制作安徽机电职业技术学院

摘要：本课题设计以AT89C51为核心，通过A/D、D/A转换、V/I转换及独特的算法实现了高精度的，电压输出范围为0～12V，电流输出范围为0mA～1A的数控步进直流稳压电源。该电流源具有电压可预置，0.5V步进，同时显示给定值和实测值等功能。关键字：AT89C51，数控电源，A/D、D/A转换、V/I转换CNCsteppingdcvoltagesourceofdesignandmanufactureAbstract :ThistopicdesignUSESAT89C51asthecore,theA/D,D/Atransformation,V/Iconversionanduniquemethodofhighvoltageoutput,therangeof0-12V,currentoutputfor0mA~1Ancsteppingdcvoltagestabilizer.Withthecurrentsourcevoltagepreset,0.5Vstepping,givenvalueandvaluesetc.Function.Keywords :AT89C51,Numericalcontrolledsource,A/D、D/Aconverter、V/Iconverter

目 录TOC\o"1-3"\u1.系统设计 31.1设计要求 31.1.1基本要求 31.1.2技术指标 31.2总体设计方案 41.2.1方案论证与比较 42.单元电路设计 72.1电压源电路设计 72.2控制器电路设计 82.2.1单片机最小系统设计 82.2.2A/D、D/A电路设计 82.3键盘电路设计 92.4显示器电路设计 102.5稳压电源电路 103.软件设计 113.1软件设计流程图 113.2软件功能、算法及源程序： 124.系统测试 144.1测试使用的仪器 144.2指标测试和测试结果 144.2.1输出电压范围测试 144.2.2电压显示准确性测试 144.2.3电流显示准确性测试 144.2.4步进功能测试 154.2.5纹波功能测试…………………………15 5.结语 15参考文献 16附录1主要元器件清单 16附录2单片机最小系统原理图 17附录3模块电路原理图 17附录4单片机最小系统PCB 19附录5模块电路PCB 19附录6操作说明： 20电源就按照这个目录写，好的，加上单元电路调试的方法、问题与解决、电路与程序的改进、问题与不足。1.系统设计设计并制作数控步进直流稳压电源。输入交流200～240V，50Hz；输出直流电压0～+12V。其原理示意图如下所示。1.1设计要求题目要求设计并制作数控步进直流稳压电源。其要求如下:1.1.1基本要求（1）通过“＋”、“－”键步进调整输出电压，可调范围为0～+12V，步进幅度为0.5V。（2）输出电压和电流值通过4位LED显示，显示精度分别为0.1V和0.01A。通过“F1”键实现电压/电流显示切换，开机默认显示电压，按“F1”转换为显示电流，再按“F1”转换为显示电压。4位LED末位显示单位，电流显示“”，电压显示“”。（3）过流保护与报警功能。1.1.2技术指标（1）交流输入电压范围：220V±10％（2）输出电压范围：0～+12V（3）输出电流范围：0～1A（4）输出纹波电压：<10mV（输出电压为10V，输出电流为500mA时测得）（5）过流保护动作电流：1.1A1.2总体设计方案 1.2.1方案论证与比较（1）电压源模块方案方案一：采用集成稳压器构成的开关恒压源。方案二：图1.1采用集成稳压器构成的开关电压源原理框图（2）控制器模块方案方案一：采用FPGA作为系统的控制模块。FPGA可以实现复杂的逻辑功能，规模大，稳定性强，易于调试和进行功能扩展。FPGA采用并行输入输出方式，处理速度高，适合作为大规模实时系统的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引脚较多，加大了硬件设计和实物制作的难度。方案二：采用AT89C51作为控制模块核心。单片机最小系统简单，容易制作PCB，算术功能强，软件编程灵活、自由度大，较好的发挥C语言的灵活性，可用编程实现各种算法和逻辑控制，同时其具有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。基于以上分析，选择方案二,利用AT89C51单片机将电压步进值或设定值通过换算由D/A转换，驱动稳压源电路实现电压输出。输出电压经处理电路作A/D转换反馈到单片机系统，通过数码管显示电压或电流的值。在器件的，D/A转换器选用8位优质D/A转换芯片DAC0832，直接输出电压值，A/D转换器选用8位模数转换芯片ADC0832。（3）显示器模块方案方案一：使用LED数码管显示。数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点，但编程相对复杂。综上所述，选择方案一。（4）键盘模块方案方案一：采用独立式按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线,每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫描方式。方案二：采用标准4X4键盘，此类键盘采用矩阵式行列扫描方式，优点是当按键较多时可降低占用单片机的I/O口数目。 题目要求电压值步进调整，需要的按键只有四个。综合考虑两种方案及题目要求，采用方案一。（5）电源模块方案 系统需要多个电源，单片机、A/D、D/A、使用5V稳压电源，运放需要±12V稳压电源，同时题目要求最高输出电流为1A，电源需为系统提供足够大的稳定电流。综上所述，采用三端稳压集成7805、7812、7912分别得到+5V和±12V的稳定电压，利用该方法实现的电源电路简单，工作稳定可靠。1．2．2系统组成 经过方案比较与论证，最终确定系统的组成框图如图所示。输出输出输出调整单元整流滤波交流输入输出调整单元整流滤波交流输入芯片供电部分芯片供电部分D/A转换器D/A转换器A/D转换器AT89C51A/D转换器AT89C51按键数码管显示按键数码管显示 图1.1数控步进直流稳压电源系统组成框图2.单元电路设计2.1恒定电压源电路设计 2.2控制器电路设计2.2.1单片机最小系统设计通过键盘模块输入给定的电流值或是步进调整信号传送给单片机，单片机在接受到信号后进行处理运算，并显示其给定的电流值，然后经D/A转换以输出电压，驱动恒流源电路实现电流输出，并将采样电阻上的电压经过A/D转换输入单片机系统，通过补偿算法进行数值补偿处理，调整电流输出，并驱动显示器显示当前的电流值。 最小系统的核心为AT89S52，为了方便单片机引脚的使用,我们将单片机的引脚用接口引出,电路如图2.2所示.P0口和P2.0～P2.3是数码管接口；P3口作为D/A转换接口,P2.5～P2.7也是D/A转换器的接口；P1.0～P1.2是A/D转换器的接口;P1.3～P1.6口为键盘接口。

图2.2由AT89C51为核心的单片机最小系统2.2.2A/D、D/A电路设计（1）D/A转换器根据设计基本要求，DA转换输出范围为-5V～0V，要满足步进为0.5V的要求，我们选用8位的D/A转换器，DAC0832是较好的选择，DAC0832各引脚的功能如下：DI0~7：数据输入线；ILE：数据锁存信号，高电平有效CS：输入寄存器选择信号，低电平有效，WR：输入寄存器的写选通信号，输入锁存器的锁存信号LE1由ILE|、CS、WR1的逻辑组合产生。当ILE为高电平、CS为低电平、WR1为输入负脉冲时，在LE1产生正脉冲；LE1为高电平时，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，LE1的负跳变将数据线上的信息锁入输入寄存器。XFER：数据传送信号，低电平有效。WR2为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器锁存信号LE2，由XFER、WR2的逻辑组合产生。当XFER为低电平，WR2输入负脉冲，则在LE2产生正脉冲；LE2为高电平时，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。VREF：基准电源输入引脚。Rf0：反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。Iout1、Iout2：电流输出引脚。电流IOuT1与IOuT2的和为常数，IOuT2、IOuT1随DAC寄存器的内容线性变化。Vcc：电源输入引脚。AGND：模拟信号地。DGND：数字地。（2）A/D转换器 在电路中，ADC0832与单片机P1.0～P1.2口相接，通过编程模拟ADC0832的通信时序实现对ADC0832的操作，然后通过程序查询该管脚是否为低电平，从而实现对ADC0832中寄存器数据的读取。如图2.3所示为A/D与D/A转换电路图,其中CON8接口与单片机最小系统的P1口相接。图2.3A/D与D/A转换电路图2.3键盘电路设计在设计中，使用独立式键盘，可以“+”、“-”、“切换”。其电路图如图2.4所示。图2.4键盘电路图2.4显示器电路设计 本设计采用四个数码管显示模块，数码管与单片机接口：在本设计中，采用8位并行接法，其接口如图2.5所示。图2.5RT19264D接口2.5稳压电源电路 在本设计中,运放需±12V供电，单片机和A/D、D/A需5V供电，采用三端稳压器7805、7812、7912构成一稳压电源，电路如图2.6所示。图2.6稳压电源电路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2.1图2.7电源方框及波形图a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。3.软件设计软件设计采用C语言,对AT89C51进行编程实现各种功能。软件设计的关键是对A/D、D/A转换器的控制。软件实现的功能是：①确定电压步进调整②电压给定值的设置③测量输出电压值3.1软件设计流程图|

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|图3.1单片机程序流程图3.2软件功能、算法及源程序： 源程序用KeilC51编写，在XP系统下调试成功。以下给出部分源程序：//本程序功能：用ADC0832测量电压并显示，并通过DAC0832输出相同的电压//#include<regx51.h>#include<intrins.h>#include<AT89X51.H>#include<stdio.h>#define SEG_DPP0#defineSEG_WPP2#defineDA_DPP3sbitADCS=P1^0;sbitADCLK=P1^1;sbitADDI=P1^2;sbitADDO=P1^2;sbitADF1=P1^3;sbitADF2=P1^4;sbitADDJIA=P1^5;//按键加sbitADDJIAN=P1^6;//按键减sbitDAILE=P2^4;sbitDAWR2=P2^5;sbitDAXFER=P2^6;sbitDAWR1=P2^7;unsignedcharcodeTab[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xC1};//共阳//Tab[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x3E};共阴voidDelay1mS(unsignedinttt){ unsignedchari; while(tt--) for(i=50;i>0;i--) ;}voidDisplay(unsignedintdat)//显示的数值为毫伏{ unsignedcharge,shi,bai,qian,wan; wan=dat/10000%10; qian=dat/1000%10; bai=dat/100%10; shi=dat/10%10; ge=dat%10; SEG_WP=SEG_WP&0xf0|0x07; SEG_DP=Tab[wan]; Delay1mS(10); SEG_WP=SEG_WP&0xf0|0x0b; SEG_DP=Tab[qian]&0x7F;//千位加小数点 Delay1mS(10); SEG_WP=SEG_WP&0xf0|0x0d; SEG_DP=Tab[bai]; Delay1mS(10); SEG_WP=SEG_WP&0xf0|0x0e; SEG_DP=Tab[10]; Delay1mS(10);}unsignedcharADC0832(bitmode,bitchannel)//AD转换，返回结果{ unsignedchari; unsignedchardat,ndat; ADCS=0;//拉低CS端 _nop_(); _nop_(); ADDI=1; //第1个下降沿为高电平 ADCLK=1;//拉高CLK端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿1 _nop_(); _nop_(); ADDI=mode; //低电平为差分模式，高电平为单通道模式。 ADCLK=1;//拉高CLK端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿2 _nop_(); _nop_(); ADDI=channel; //低电平为CH0，高电平为CH1 ADCLK=1;//拉高CLK端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低CLK端,形成下降沿3 ADDI=1;//控制命令结束(经试验必需) dat=0; //下面开始读取转换后的数据，从最高位开始依次输出（D7~D0） for(i=0;i<8;i++) { dat<<=1; ADCLK=1;//拉高时钟端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低时钟端形成一次时钟脉冲 _nop_(); _nop_(); dat|=ADDO; } ndat=0; //记录D0 if(ADDO==1) ndat|=0x80; //下面开始继续读取反序的数据（从D1到D7） for(i=0;i<7;i++) { ndat>>=1; ADCLK=1;//拉高时钟端 _nop_(); _nop_(); ADCLK=0;//拉低时钟端形成一次时钟脉冲 _nop_(); _nop_(); if(ADDO==1) ndat|=0x80; } ADCS=1;//拉高CS端,结束转换 ADCLK=0;//拉低CLK端 ADDI=1;//拉高数据端,回到初始状态 if(dat==ndat) return(dat); else return0;}voidDAC0832(unsignedchardat){ DAILE=1; DAWR1=0; DAXFER=0; DAWR2=0; DA_DP=dat;}main(){ unsignedintadc; unsignedintadc1; while(1) {if(ADDJIA==0){Delay1mS(100);if(ADDJIA==0){if(adc1==5000){adc1=5000;}if(adc1<5000){adc1=adc1+200;}}}if(ADDJIAN==0){Delay1mS(100);if(ADDJIAN==0){if(adc1==0){adc1=0;}if(adc1>0){adc1=adc1-200;}}} adc=ADC0832(1,0);//单通道模式，CH0adc=adc*23.6855*2;//转换为实际电压便于显示 Display(adc); DAC0832(adc1/19.607843); } }4.系统测试4.1测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表4.1所示表4.1测试使用的仪器设备序号名称数量备注1直流稳压稳流电源12数字万用表131/2位3数字万用表141/2位4数字万用表15位4.2指标测试和测试结果4.2.1输出电压范围测试测试条件：空载按“＋”键电压应可调至+12V，按“－”键电压应可调至0.5V以下。经测试符合要求。4.2.2电压显示准确性测试测试条件：空载在输出电压分别为5V、7V、10V时，测量电压显示值与实际值的差异。经测试符合要求。4.2.3电流显示准确性测试测试条件：输出电压为10V调节负载大小，在输出电流分别为0.3A、0.5A、0.7A、1A时，测量电流显示值与实际值的差异。经测试误差不大。4.2.4步进功能测试在输出电压为5V、输出电流为100mA时，连续按“＋”键10次，电压应升至10V，再连续按“－”键6次，电压应为7V。经测试符合要求。4.2.5纹波电压测试测试条件：输出电压为10V，输出电流为500mA用示波器测试负载两端交流信号的最大幅度。4.2.6过流保护功能测试在输出电压为5V的情况下，调节负载大小，输出电流达到1.1A时，LED2应点亮，蜂鸣器LS应发出报警声。5.结语 本系统以单片机AT89S52为核心部件，利用A/D进行数值采集，D/A补偿等技术结合并配合补偿算法实现了题目中要求的精度。在系统设计过程中，力求硬件电路参数合理，线路简单，发挥软件编程灵活的特点，通过多次的调试，不断提高系统的精度和电流的稳定性，来满足系统设计的要求。由于时间关系，该系统还有许多值得改进的地方。 在本次设计的过程中，遇到了许多困难和意料之外的事情，设计进度比较慢，但通过仔细的分析和进行多方面的调整后解决了问题。我们从中体会了共同协作和团队精神的重要性和提高了自身的综合能力。参考文献[1]赵亮，侯国锐.单片机C语言编程与实例.[M]北京:人民邮电出版社,2003[2]曲学基,王增福,曲敬铠.稳定电源实用电路选编.[M]北京:电子工业出版社,2003[3]黄智亮.全国大学生电子设计竞赛训练教程.[M]北京:电子工业出版社,2005[4]张毅刚,刘杰.MCS-51单片机原理及应用.[M]哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004[5]那文鹏,王昊.通用集成电路的选择与使用.[M]北京:人民邮电出版社,2004附录附录1元件数量清单序号元件类别数量备注1电阻21R3功率在3W以上2电位器33电容23其中电解电容9支4集成电路6含光电耦合器1片5整流二极管86开关二极管27稳压二极管28发光二极管29蜂鸣器15V，通电连续鸣响10保险管311变压器212三极管2合计数量75附录2单片机最小系统原理图附录3模块电路原理图附录4单片机最小系统PCB附录5模块电路PCB附录6操作说明：上电之后，显示5V，按“+”“-”可以实现步进，步进单位为0.5V按下F1可以切换电流的显示基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片