毕业设计论文基于数控直流稳压电源设计.docx

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毕业设计论文基于数控直流稳压电源设计

山西煤炭职业技术学院

毕业设计

（论文）

论文题目：

基于数控直流稳压电源设计

专业：

电子信息工程

2012年05月15日

山西煤炭职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

题目：

基于数控直流稳压电源设计

任务与要求：

设计以AT89S52单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，分析了该系统的原理,阐述了该系统的设计方案及工作流程,并给出了硬件和软件设计,经过D/A转换器（AD0832）输出模拟量，再经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，数控直流稳压电源设计的系统仿真调试,验证了方案的可行性。

时间：

2012年2月10日至2012年5月13日共9周

学生姓名：

李维

学号：

4233090142

专业：

电子信息工程技术

指导教师：

张华

2012年5月15日

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源的输出电压，设置步进等级可达0.1V，输出电压范围为0—9.9V，最大电流为330mA，并可由液晶屏显示实际输出电压值。

系统有过流保护电路，当输出电流过大时功率管自动截至，而且有红色指示灯发出警报。

系统中的ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD0832）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，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。

关键词：

直流稳压电源　单片机　数字控制

第一章绪言

几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常的广泛。

直流稳压电源的电路形式有很多种，有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。

在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。

输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。

电子设备电源电压不稳定,将会引的起很多问题。

设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。

因此直流稳压电源的研究就颇为重要。

目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:

一种是模拟方法，另一种是数字方法。

前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。

直流稳压电源朝着数字化方向发展。

因此对于数控恒压源的研究是必要的。

随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用D/A转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。

程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。

第二章数控直流稳压电源设计原理

采用AT89S52单片机作为整机的控制单元，通过改变DAC0832的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。

为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以将输出电压经过ADC0832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。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现。

第一节总体方案框图设计原理

系统总体方案框图如图2-1所示:

图2-1 系统原理框图

第二节总体电路图设计原理

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源的输出电压，设置步进等级可达0.1V，输出电压范围为0—9.9V，最大电流为330mA，并可由液晶屏显示实际输出电压值。

系统有过流保护电路，当输出电流过大时功率管自动截至，而且有红色指示灯发出警报。

本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（AD0832）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。

利用D/A转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。

程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现。

系统总体电路图如图2-2所示:

图2-2系统总体电路图

第三章硬件电路设计

第一节稳压输出部分

一、稳压输出原理与电路

这部分将数控部分送来的电压控制字转换成稳定电压输出。

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。

稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图3-1），在电路中，Q1—TIP122为调整管，U6A—LM358为比较放大器，R19、R22组成反馈网络。

D/A转换电路的输出电压DAOUT接到U6A的同向端，稳压电源的输出经R19、R22组成的取样电路分压后送到运放U6A的反向端，经运放比较放大后，驱动调整管Q1。

路平衡时，D/A电路的输出电压

与取样后的电压

相等。

稳压输出部分的过流保护电路由R21和Q2组成。

设

为保护动作电流，则当电源输出电流I增加到

时，R21上的压降

*R21使得Q2管导通，分掉了Q1上的基极电流，使输出I不再增加，起到了过流保护作用。

图3-1  稳压输出部分

二、稳压输出部分仿真图

图3-2  稳压电路仿真图

一般的直流稳压电源是用可变电阻来实现输出电压的调节，那么要在直流稳压电源的基础上实现数字控制的话，实际上很简单，我们只要将可变电阻换成数字控制部分来代替，就能实现数控恒压源这一课题。

所以，首先要做的，就是选择合适的稳压输出电路并对其可行性进行了仿真。

如上图3-2，很容易就验证了此稳压输出电路的可靠。

第二节数字控制部分

一、单片机部分

单片机控制部分原理图如下图3-3：

图3-3 单片机控制部分

控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用AT89S52单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。

注释：

AT89S52单片机一些功能可以用AT89C52单片机互换。

二、D/A转换部分

系统设置D/A转换接口，采用8位模数转换器DAC0832。

其电路如图3-4：

图3-4 D/A转换部分

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3-5：

图3-5　DAC0832数模转换时序图

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；

三、A/D转换部分

A/D转换部分我们采用美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片ADC0832。

其电路图如图3-6所示：

图3-6 A/D转换部分

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。

ADC0832具有以下特点：

　　·8位分辨率。

　　·双通道A/D转换。

　　·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容。

　　·5V电源供电时输入电压在0~5V之间。

　　·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS。

　　·一般功耗仅为15mW。

　　·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装。

　　·商用级芯片温宽为0°C~+70°C，工业级芯片温宽为−40°C~+85°C。

芯片接口说明：

　　·CS_片选使能，低电平芯片使能。

　　·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

　　·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

　　·GND芯片参考0电位（地）。

　　·DI数据信号输入，选择通道控制。

　　·DO数据信号输出，转换数据输出。

　　·CLK芯片时钟输入。

　　·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

  ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

单片机对ADC0832的控制原理：

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

其时序图如图3-7：

图3-7  ADC0832时序表

如图所示，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。

当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。

直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。

也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATD0。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

键盘部分：

由于要实现人机对话，要显示0—9.9V的电压值，我们自制3*4按键的键盘来完成整个系统控制。

电路原理如图3-8所示。

图3-8 键盘与显示电路图

　　按键的具体意义如下表3-1示：

表3-1实验数据

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

*

ENTER

显示部分：

本方案采用YM12864型LCD，可直接显示4*8个汉字，界面友好，支持串并行两种连接方式，其电路连接如图3-9所示：

图3-9  LCD12864与单片机连接图

YM12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字。

也可完成图形显示。

第三节串行接口

LCD12864用于串行接口时部分引脚的名称及功能如下表3-2示：

表3-2串行接口时部分引脚的名称及功能

管脚号

名称

LEVEL

功能

1

VSS

0V

电源地

2

VDD

+5V

电源正（3.0V-5.5V）

3

VO

-

对比度（亮度）调整

4

CS

H/L

模组片选端，高电平有效

5

SID

H/L

串行数据输入端

6

CLK

H/L

串行同步时钟：

上升沿石读取SID数据

15

PSB

L

L:

串口方式（见注释1）

17

/REST

H/L

复位端，低电平有效（见注释2）

19

A

VDD

背光源电源+5V（见注释3）

20

K

VSS

背光源负端0V（见注释3）

注释1：

如在实际应用中仅使用串口通讯模式，可将PSB接固定低电平，也可以将模块上的J8和“GND”用焊锡短接。

注释2：

模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。

注释3：

如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。

第四节并行接口

LCD12864用于并行接口时各个引脚的名称及功能如下表3-3示：

表3-3并行接口时各个引脚的名称及功能

管脚号

管脚名称

电平

管脚功能描述

1

VSS

0V

电源地

2

VCC

3.0+5V

电源正

3

V0

-

对比度（亮度）调整

4

RS（CS）

H/L

RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据

RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据

5

R/W（SID）

H/L

R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0

R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR

6

E（SCLK）

H/L

使能信号

7

DB0

H/L

三态数据线

8

DB1

H/L

三态数据线

9

DB2

H/L

三态数据线

10

DB3

H/L

三态数据线

11

DB4

H/L

三态数据线

12

DB5

H/L

三态数据线

13

DB6

H/L

三态数据线

14

DB7

H/L

三态数据线

15

PSB

H/L

H：

8位或4位并口方式，L：

串口方式（见注释1）

16

NC

-

空脚

17

/RESET

H/L

复位端，低电平有效（见注释2）

18

VOUT

-

LCD驱动电压输出端

19

A

VDD

背光源正端（+5V）（见注释3）

20

K

VSS

背光源负端（见注释3）

*注释1：

如在实际应用中仅使用并口通讯模式，可将PSB接固定高电平，也可以将模块上的J8和“VCC”用焊锡短接。

*注释2：

模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可将该端悬空。

*注释3：

如背光和模块共用一个电源，可以将模块上的JA、JK用焊锡短接。

第四章系统的软件设计

第一节系统总电路软件实现流程图设计

总电路软件实现流程图如图4-1示：

图4-1总电路实现流程图

程序见后面第四章第二节。

第二节系统总程序设计

本程序是设计的一个数控恒压源，先用一个3*4的键盘输入,所用的电压，再通过DAC0832输出电压。

再采用一个ADC0832;将电压读回单片机，单片机再采用一片LCD串口显示出来。

以下接口定义根据硬件连线更改:

ADCS    BIT  P2.5        ;使能接口

ADCLK   BIT  P2.4        ;时钟接口

ADDO    BIT  P2.3        ;数据输出接口（复用）

ADDI    BIT  P2.3        ;数据输入接口

CS      BIT  P3.0        ;H=DATA,L=COM

SID     BIT  P3.1        ;H=READ,L=WRITE

SCLK    BIT  P3.6        

KEYBUF  EQU  30H

COM     EQU  41H         ;控制字暂存单元

DAT     EQU  42H         ;显示数据暂存单元

CODER   EQU  43H         ;字符代码暂存单元

ADDR    EQU  44H         ;地址暂存单元

ORG0

LJMP   START

ORG3

LJMP   KEYSCAN

ORG30H

START:

MOVSP,#90H

     LCALLDEL_40MS

     LCALLINI

     MOV70H,#00H

    MOV71H,#00H

    MOV34H,#02             ;装入通道功能选择数据值

    SETB IT0

    SETB EX0

    MOV  P1,#0FH           ;将P1口低4位设为输入，高4位清零

    SETB EA

    MOV KEYBUF,#00H     ;起初输出0V电压

    MOVR2,#01H            ;置送数时送数空间不同的标志位

     CLRA

     MOV24H,A              ;清零24h，25h，31H，32H，33H

    MOV25H,A

    MOV31H,A

    MOV32H,#05H

    MOV33H,#00H

    MOV  ADDR,#80H

     MOV  DPTR,#WEL_1

    MOV  40H,#16

     LCALLW_LINE

     MOV  ADDR,#90H

     MOV  DPTR,#WEL_2

    MOV  40H,#9

     LCALLW_LINE

    MOV  ADDR,#95H

    MOV  DPTR,#WEL_3 

     LCALLW_LINE1

     MOV  ADDR,#88H

     MOV  DPTR,#WEL_4

    MOV  40H,#16

     LCALLW_LINE

     MOV  ADDR,#98H

     MOV  DPTR,#WEL_5

    MOV  40H,#16

     LCALLW_LINE

     LCALLDEL_1500MS

LOOP:

LCALLLIGHT               ;调显读数与示子程序

    SJMP LOOP;键盘扫描程序

;键码存在KEYBUF单元，格式为数字0-9和”.”号，还有Enter键

KEYSCAN:

PUSH   PSW

        PUSH ACC

        PUSH DPH

        PUSH DPL

        CLR  RS1

        SETB RS0            ;选择1区工作寄存器

        LCALLDELAY

        MOV  A,P1

        CPL  A

        ANL  A,#0FH

        JZ   FINISH

        MOV  DPTR,#TAB1

        MOV  P1,#0EFH       ;扫描第一行

        LCALL DELAY

        MOV  P1,#0EFH

        MOV  A,P1

        CPL   A

        ANL A,#0FH

        JZ      K1             ;第一行没键按下，则扫描第二行

        SJMP KEND

K1:

MOVP1,#0DFH               ;扫描第二行

   LCALL DELAY

   MOVP1,#0DFH

   MOVA,P1

   CPLA

   ANLA,#0FH

   JZ K2                     ;第二行没键按下，则扫描第三行

   ADDA,#5

   SJMP   KEND

K2:

MOVP1,#0BFH               ;扫描第三行

   LCALL DELAY

   MOVP1,#0BFH

   MOVA,P1

   CPLA

   ANLA,#0FH

   JZ K3                      ;第三行没键按下，则扫描第四行

   ADDA,#10

   SJMP   KEND

K3:

MOVP1,#7FH                ;扫描第四行

   LCALL DELAY

   MOVP1,#7FH

   MOVA,P1

   CPLA

   ANLA,#0FH

   JZ FINISH                  ;第四行没键按下，则返回

   ADDA,#15

KEND:

MOVC A,@A+DPTR

   MOVKEYBUF,A;

   MOV 33H,#01H             ;置有中断标志

   SJMP   FINISH

FINISH:

MOV P1,#0FH            ;为下一次扫描作准备

   POPDPL

   POPDPH

   POPACC

   POPPSW

   RETI

TAB1:

DB00H,01H,02H,00H,03H;,00H,00H,00H,33H

   DB00H,04H,05H,00H,06H;,00H,00H,00H,00H

    DB00H,07H,08H,00H,09H;,00H,00H,00H,0AH

    DB00H,0AH,00H,00H,0BH;,00H,00H,00H,46H

INI:

;LCD的初始化子程序

   MOV  COM,#30H      ;功