基于AT89C51单片机数控电源Word格式.docx
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3.2DAC0832的简介9
3.3DAC0832的引脚功能10
3.4D/A时序图11
3.5DAC0832数模转换模块的设计与实现11
4TLC1543模数转换模块设计与实现13
4.1TLC1543的简介13
4.2TLC1543的特点13
4.3TLC1543的引脚功能14
4.4TLC1543的设计与实现14
5辅助电源、升压﹑串联线性稳压模块的设计与实现15
5.1辅助电源模块15
5.2升压模块的分析16
5.2.1MC34063简介16
5.2.2MC34063的特点16
5.2.3MC34063的电路原理16
5.2.4MC34063模块的应用17
5.3串联线性稳压模块17
5.3.1集成运放作比较电路18
5.3.2集成运放作比较电路原理19
5.3.3串联线性稳压电路的应用19
5.3.4LM358简介19
5.3.5LM358特点20
6控制﹑显示和键盘模块的设计与实现21
6.1控制模块的分析21
6.1.1单片机简介21
6.1.2AT89C51单片机简介23
6.1.3AT89C51单片机的性能参数:
23
6.1.4AT89C51内存空间24
6.1.5AT89C51单片机的功能特性概述24
6.1.6AT89C51接口设计27
6.1.7外接MAX202的应用28
6.1.8串口通信总线接口RS232(9芯)简介28
6.2显示模块29
6.2.1数码显示输出部分29
6.2.274HC373简介31
6.2.3ULN2003简介32
6.3键盘模块34
7系统的软件设计35
7.1开发工具介绍35
7.2软件设计的概述35
8单片机系统抗干扰说明和电路的实际调试40
8.1单片机系统抗干扰说明40
8.2显示模块和键盘的调试42
8.3升压模块的调试42
8.4串联线性稳压模块的调试43
8.5AD/DA模块的调试43
9设计总结和展望44
9.1设计总结44
9.2展望45
致谢46
参考文献47
附录A源代码48
绪论
电源技术尤其是数控电源技术是一门践性很强的工程技术,服务于各行各业。
众所周知,许多科学实验都离不开电源,并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求,因此,如果实验电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化,那么就省去了许多不精确的人为操作,取而代之的是精确的微机控制,而我们所要做的就是显示输出电压、电流,预置输出电压值等功能。
就是在实验开始前对一些参数进行预设。
这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。
因此,直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境,还要在功能上力求实现数控化、多功能化与智能化。
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。
传统的多功能直流稳压电源功能简单、比较难于控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通直流稳压电源品种很多,但均存在以下二个问题:
1)输出电压是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。
这样,当输出电压需要精确输出或需要在一个小范围内改变时(如1.05~1.07V),困难就较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。
2)稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。
在家用电器和其他各类电子设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。
但在实际生活中,都是由220V的交流电网供电。
这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。
滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波,一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成,若由晶体管滤波器来替代,则可缩小直流电源的体积,减轻其重量,且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源,这既降低了家用电器的成本,又缩小了其体积,使家用电器小型化。
随着数控电源在电子装置中的普遍使用,普通电源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。
电源在使用时会造成很多不良后果,世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。
只有满足产品标准,才能够进入市场。
随着经济全球化的发展,满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
数控电源是从80年代才真正的发展起来的,期间系统的电力电子理论开始建立。
电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命,给电力电子技术提供了广阔的发展前景,同时也给电源提出了更高的要求。
这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。
在以后的一段时间里,数控电源技术有了长足的发展。
但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。
因此数控电源主要的发展方向,是针对上述缺点不断加以改善。
单片机技术
及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。
新的变换技术和控制理论的不断发展,各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用,到90年代,己出现了数控精度达到0.05V的数控电源,功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。
从组成上,数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。
目前在电力电子器件方面,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[1]。
数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的,数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数,有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题,极大地提高了生产效率和产品的可维护性。
在一些测试设备中需要数控直流稳压电源,以便在测试过程中按测试要求随时改变输出电压。
在普通可调直流稳压电源中,通过调节电位器去改变取样电压值,从而获得不同的输出电压。
在数控直流稳压电源中,通过改变基准电压来调节输出电压。
基准电压由电压输出型D/A转换器输出,故基准电压可以随时改变。
稳压电源输出的电压值然后再通过A/D转换器转换。
这样在校正输出电压时,只需用高精度电压表,测出当前实际输出的电压值,通过PC机串口发送给数控电压源便可以实现自动校正。
数控电压源输出电压的大小可通过PC机串口发送命令和参数来改变,即可数控。
1直流稳压电源
稳压电源的分类方法繁多,按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源;
按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源;
按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源;
按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源等等。
其划分如图1-1所示:
图1-1直流稳压电源的划分种类
1.1直流稳压源概述
1.1.1直流稳压源的定义
能为负载提供稳定直流电源的电子装置叫直流稳压源。
直流稳压电源又称直流稳压器。
它的供电电源大都是交流电源,当交流供电电源的电压或负载电阻变化时,稳压器的直接输出电压都能保持稳定。
稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。
前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。
纹波系数表示在额定工作情况下,输出电压中交流分量的大小;
后者表示输入电压或负载急剧变化时,电压回到正常值所需时间。
直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。
前者由变压器把单相或三相交流电压变到适当值,然后经整流、滤波,获得不稳定的直流电源,再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。
这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小,但体积大、耗材多,效率低(常低于40%~60%)。
后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压,从而达到稳压。
这类电源功耗小,效率可达85%左右。
所以,80年代以来发展迅速。
从工作方式上可分为:
①可控整流型。
用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。
②斩波型。
输入是不稳定的直流电压,以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流,再经滤波后得到稳定直流电压。
③变换器型。
不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电,再经变压、整流、滤波后,从所得新的直流输出电压取样,反馈控制逆变器工作频率,达到稳定输出直流电压的目的[2]。
1.2方案的比较与选择
1.2.1传统直流稳压源
一、传统直流稳压电源的概述
在电子电路和电气设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电,直流电源可分为两大类,一类是化学电源,如各种各样的干电池、蓄电池、充电电池等电源;
其优点是体积小、重量轻、携带方便等,缺点是成本高,易污染。
另一类是稳压电源,它是把交流电网220V的电压降为所需要的数值,然后通过整流、滤波和稳压电路,得到稳定的直流电压,这是现实生活中应用比较广泛的一类。
二、传统直流稳压源的组成
能够把交流电转变为平滑的﹑稳定的直流电的装置叫直流稳压电源。
它主要由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分组成,如图1-2所示。
图1-2传统直流稳压源的组成
三、传统直流稳压源各部分原理
1.电源变压器
电网提供的交流电一般为220V(或380V),而各种电子设备所需要直流电压的幅值却各不相同。
因此,常常需要将电网电压先经过电源变压器,然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压,最后得到所需要的直流电压幅值。
2.整流部分
整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件,将正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动电压。
但是,这种单向脉动电压往往包含着很大的脉动成分,距离理想的直流电压还差得很远。
3.滤波电路
滤波器由电容、电感等储能元件组成。
它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的脉动成分滤掉,使输出电压成为比较平滑的直流电压。
但是,当电网电压或负载电流发生变化时,滤波器输出直流电压的幅值也将随之而变化,在要求比较高的电子设备中,这种情况是不符合要求的。
4.稳压部分
稳压电路的作用是采取某些措施,使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。
1.2.2数控直流稳压电源
一、数控直流稳压电源的概述
但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点[3]。
单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。
二、数控直流稳压电源的组成
从组成上,数控电源可分成键盘显示电路、控制电路、D/A、A/D转换电路、稳压电路等四部分。
三、数控直流稳压电源的优点
电源采用数字控制,具有以下明显优点:
1.易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。
2.控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法,而不必改动硬件线路。
3.控制系统的可靠性提高,易于标准化,可以针对不同的系统(或不同型号的产品),采用统一的控制板,而只是对控制软件做一些调整即可。
4.系统维护方便,一旦出现故障,可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试,故障查询,历史记录查询,故障诊断,软件修复,甚至控制参数的在线修改、调试;
也可以通过MODEM远程操作。
5.系统的一致性好,成本低,生产制造方便。
由于控制软件不像模拟器件那样存在差异,所以,其一致性很好。
由于采用软件控制,控制板的体积将大大减小,生产成本下降。
6.易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。
为了得到高性能的并联运行逆变电源系统,每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制,易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯),从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。
1.2.3方案的最终选择
通过以上两种方案的比较,方案一的电路结构简单,实现容易,但其精度不高,随着全球经济的发展,传统稳压电源已不再适用在精度要求高的领域。
而方案二的数控直流稳压电源电路结构相对来说较方案的一复杂,但其稳定性、可靠性、易维护性、精度等都比传统直流稳压电源有着明显的优势。
因此本文在设计中采用方案二。
但是由于方案中有辅助电源部分,辅助电源主要就是给系统中的芯片提供工作电源,所以,方案一中的各部分电路在本设计中以设计辅助电源的形式出现。
所以说传统数控直流电源的设计思想是贯穿今后数控电源设计的始终的,这就更体现了技术是一步步不断成熟的历程。
2数控直流稳压电源设计
该数控直流稳压源采用非编码1*4键盘,可对输出电压进行设置显示于数码管,AT89C51单片机的P0口通过DAC0832数模转换模块,其输出电流经过LM324进行电压转换,其输出电压作为基准电压,经过LM358比较放大,并通过调整管稳定输出,并由LM358反馈实现稳压,再将电压通过TLC1543模数转换模块经74HC373驱动器驱动和ULN2003位选后显示于数码管,实现本课题要求。
本设计研究范围:
输出电压:
0~12V。
输出最大电流:
500mA。
本次设计所要解决的问题是:
(1)采用51系列单片机作为整机的控制单元,通过改变输入数字量来改变输出电压值,从而使输出功率管的基极电压发生变化,间接地改变输出电压的大小。
(2)经过A/D进行模数转换,间接用单片机实时对电压进行采样,然后进行数据处理及显示。
(3)单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控,输出电压经过电流/电压转变后,通过A/D转换芯片,实时把模拟量转化为数据量,经单片机分析处理,通过数据形式的反馈环节,使电压更加稳定,构成稳定的压控电压源。
(4)通过键盘来设置直流电源的输出电压,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。
(5)了解各个芯片管脚的功能,掌握单片机的接口控制及编程方法。
2.1系统总体设计方案
运用集成运放比较放大电路结合单片机,利用AD/DA转换控制实现数字化电源。
D/A转换:
采用8位DA转换芯片DAC0832实现数模转化功能。
其输出端电压作为比较放大器的基准电压。
稳压控制:
采用从输出端电压反馈控制形式来实现,主要由利用LM358作比较,调整管实现稳压。
A/D转换:
采用TLC1543模数转换芯片,将键盘控制设定的模拟电压转换成数字电压显示于数码管。
升压电路:
采用MC34063开关电源芯片将5V电压升压至12V。
2.2数控直流稳压源总体结构
一般的,一个数控直流稳压源从逻辑上主要分为电源模块、显示模块﹑硬件控制模块和数据处理四个部分。
总体结构由DAC0832数模转换模块,TLC1543模数转换模块,辅助电源模块,串联线性稳压模块,硬件控制单片机模块,显示模块,键盘模块7个模块组成,其整体结构框图如图2-1所示。
图2-1总体结构框图
3数模转换模块设计与实现
3.1芯片方案选择
由于数模转换芯片有很多种,在这里我提供有个选择方案:
方案一:
采用MX7541是高速高精度12位数字/模拟转换器芯片,功耗低,而且其线性失真可低达0.012%,特别适合于精密模拟数据的获得和控制。
方案二:
采用DAC0832,DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟转换芯片。
本系统是基于51单片机的数控电源的设计,8位的单片机,而MX7541是12位数字输入的,因此须用锁存器。
而此数控电源要求单步0.1V,0~12V,DAC0832完全可以达到,故选择常用的DAC0832即可。
3.2DAC0832的简介
DAC0832为单片20脚双列直插式8位D/A转换器,可以直接与0831单片机,PC机接口。
芯片内有R,2R组成的T型电阻网络,用来对基准电流进行分流,完成数字量输入,模拟量输出的转换。
DAC0832内部结构资料:
芯片内有两级输入寄存器,使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。
D/A转换结果采用电流形式输出。
要是需要相应的模拟信号,可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个功能。
运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻,也可以外接[4]。
该片逻辑输入满足TTL电压电平范围,可直接与TTL电路或微机电路相接,其结构如图3-1。
图3-1DAC0832结构图
3.3DAC0832的引脚功能
DAC0832的引脚分布见图3-2。
图3-2DAC0832的引脚分布
其引脚功能如表3-1所示。
表3-1DAC0832的引脚功能
引脚
缩写符
描述
1
片选
2
写信号1,输入
3
AGND
模拟地
4
DI3
数字量输入
5
DI2
6
DI1
7
DI0
8
UREF
基准电压输入
9
Rfb
反馈电阻
10
DGND
数字地
11
Iout1
DAC电流输出1
12
Iout2
DAC电流输出2
13
DI7
14
DI6
15
DI5
16
DI4
17
XFER
传送控制信号
18
WR2
写信号2,输入
19
ILE
输入锁存
20
UCC
电源
3.4D/A时序图
D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压输出电路的输出与参考电压成比例。
8位字长的D/A转换器具有256种状态。
当电压控制字从0,1,2,……到256时,电源输出电压为0.0,0.06,……15.0。
其时序图如图3-3[11]:
图3-3D/A时序图
Clk为时钟端,Data为输入数据,LOAD为输入控制信号。
每路电压输出值的计算:
REF为参考电压,data为输入8位的比特数据;
我们这里用的REF=5v;
3.5DAC0832数模转换模块的设计与实现
因为DAC0832输出为模拟电流,所以在输出后要接入运算放大器LM324,使输出转换为电压为LM358提供基准电压。
其接法如图3-4。
引脚3,10接地;
8号引脚接基准电压;
DI0~DI7接单片机的P0口;
输出11,12接LM324的2,3脚,9接LM324的1脚,实现电流转换为电压。
图3-4DAC0832单极性输出对外连接
4TLC1543模
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