数控直流稳压电源论.docx

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数控直流稳压电源论

数控直流稳压电源论

作者：

谢明亮马学强苏向阳

　　论文关键词：

直流稳压电源　单片机　数字控制

　　论文摘要：

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，输出电压范围为0—，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。

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。

　　Keywords：

regulatedpowersupplyofdirectcurrent;single2chipmicrocomputer,digitalcontrol

　　Abstract：

Thissystemtodcvoltagesourceasthecore,mainlyAT89S52SCM,throughthekeyboardcontrollertoinstalldcpowersupplyoutputvoltage,settingsteppingclasscanoutputvoltage,therangeofV,themaximumcurrent330mAfor,andcanshowtheactualpipebydigitaloutputvoltagevalues.Thissystemconsistsofmicrocontrollerprogramoutputdigitalsignal,throughD/Aconverter（AD0832）outputanalogamplifier,throughisolatingamplifieroutputpower,controlofbase,withthepowertochangethepassivetubevoltageoutputofdifferentvoltage.Testresultsshowthatthissystemapplicationinneedofhighstabilityofsmallpowerconstant-voltagesourcefields.

　　1引言

　　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。

电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题。

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。

　　2系统方案论证与比较

　　方案一：

采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。

　　方案二：

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，能很好地满足题目的要求。

　　比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。

　　3总体方案框图

　　系统总体方案框图如图1所示:

图1系统原理框图

　　4系统部分功能设计

　　稳压输出部分

　　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2），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2稳压输出部分

　　稳压输出部分仿真图

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3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。

如图9，很容易就验证了此稳压输出电路的可靠。

　　数字控制部分

　　单片机部分

　　　　　　　　　　　　　　　图4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。

　　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5.

　　　　　　　　　　　　图5D/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，，……。

　　其时序图如图6：

　　　　　　　　　　　　　图6　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；

　　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7所示：

图7A/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°Cto+70°C，工业级芯片温宽为−40°Cto+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8.

　　　　　　　　　　　　　　　　图8ADC0832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—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9所示。

图9键盘与显示电路图

　　按键的具体意义如下：

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10所示：

图10LCD12864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。

　　串行接口

　　*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。

　　并行接口

管脚号

管脚名称

电平

管脚功能描述

1

VSS

0V

电源地

2

VCC

+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。

　　5总电路软件实现流程图

　　　　　　　图10总流程图

　　程序见后面附录。

　　6电源测试结果

　　电压测试

预置电压（V）

显示电压（V）

测量电压（V）

1

2

3

5

7

8

9

　　性能测试

性能指标

测量条件

测量结果

测量仪表

全程输出电压

DM-311型数字万用表

负载电流

=5V,=25

206mA

过流保护

330mA

　　用单片机控制电源时，输出直流，液晶屏显示清晰正确，误差较小，完美的实现了数控恒压源这一课题。

　　但在功能上还不够强大,没有显示预置电压等等，还可以进一步得到提高。

参考文献

[1]康华光电子技术基础高等教育出版社

[2]串联型直流稳压电源的仿真分析广西师范学院学报第21卷第2期

[3]用单片机制作的直流稳压可调电源电子世界2005年第11期

[4]刘华毅，李霞，徐景德电力电子技术第35卷第六期2001年12月

[5]陈小忠、黄宁、赵小侠单片机接口技术实用子程序人民邮电出版社

附录

附录1：

系统总体电路图

附录2:

系统总程序

;***************************************************

;项目名称：

数控恒压源

;设计者：

谢明亮，马学强，苏向阳

;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ADC08

;32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

ADCSBIT;使能接口

ADCLKBIT;时钟接口

ADDOBIT;数据输出接口（复用）

ADDIBIT;数据输入接口

CSBIT;H=DATA,L=COM

SIDBIT;H=READ,L=WRITE

SCLKBIT;

KEYBUFEQU30H

COMEQU41H;控制字暂存单元

DATEQU42H;显示数据暂存单元

CODEREQU43H;字符代码暂存单元

ADDREQU44H;地址暂存单元

ORG0

LJMPSTART

ORG3

LJMPKEYSCAN

ORG30H

START:

MOVSP,#90H

LCALLDEL_40MS

LCALLINI

MOV70H,#00H

MOV71H,#00H

MOV34H,#02;装入通道功能选择数据值

SETBIT0

SETBEX0

MOVP1,#0FH;将P1口低4位设为输入，高4位清零

SETBEA

MOVKEYBUF,#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

MOVADDR,#80H

MOVDPTR,#WEL_1

MOV40H,#16

LCALLW_LINE

MOVADDR,#90H

MOVDPTR,#WEL_2

MOV40H,#9

LCALLW_LINE

MOVADDR,#95H

MOVDPTR,#WEL_3

LCALLW_LINE1

MOVADDR,#88H

MOVDPTR,#WEL_4

MOV40H,#16

LCALLW_LINE

MOVADDR,#98H

MOVDPTR,#WEL_5

MOV40H,#16

LCALLW_LINE

LCALLDEL_1500MS

LOOP:

LCALLLIGHT;调显读数与示子程序

SJMPLOOP

;****************************************************

;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:

PUSHPSW

PUSHACC

PUSHDPH

PUSHDPL

CLRRS1

SETBRS0;选择1区工作寄存器

LCALLDELAY

MOVA,P1

CPLA

ANLA,#0FH

JZFINISH

MOVDPTR,#TAB1

MOVP1,#0EFH;扫描第一行

LCALLDELAY

MOVP1,#0EFH

MOVA,P1

CPLA

ANLA,#0FH

JZK1;第一行没键按下，则扫描第二行

SJMPKEND

K1:

MOVP1,#0DFH;扫描第二行

LCALLDELAY

MOVP1,#0DFH

MOVA,P1

CPLA

ANLA,#0FH

JZK2;第二行没键按下，则扫描第三行

ADDA,#5

SJMPKEND

K2:

MOVP1,#0BFH;扫描第三行

LCALLDELAY

MOVP1,#0BFH

MOVA,P1

CPLA

ANLA,#0FH

JZK3;第三行没键按下，则扫描第四行

ADDA,#10

SJMPKEND

K3:

MOVP1,#7FH;扫描第四行

LCALLDELAY

MOVP1,#7FH

MOVA,P1

CPLA

ANLA,#0FH

JZFINISH;第四行没键按下，则返回

ADDA,#15

KEND:

MOVCA,@A+DPTR

MOVKEYBUF,A;

MOV33H,#01H;置有中断标志

SJMPFINISH

FINISH:

MOVP1,#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

;**************************

;LCD的初始化子程序;**************************

INI:

MOVCOM,#30H;功能设定,基本指令

LCALLWCOM

MOVCOM,#30H;基本指令,8-bit模式,基本指令

LCALLWCOM

MOVCOM,#0CH;显示开,游标关,反白关

LCALLWCOM

MOVCOM,#01H;清除显示

LCALLWCOM

MOVCOM,#06H;进入设定点,游标7右移,画面不移动

LCALLWCOM

RET

W_LINE:

MOVCOM,ADDR

LCALLWCOM

MOVR4,40H;连续写入N/2个中文或者N个西文字符

W_L1:

MOVA,#00H

MOVCA,@A+DPTR

MOVCODER,A

LCALLWCODE

INCDPTR

DJNZR4,W_L1

RET

W_LINE1:

MOVCOM,ADDR

LCALLWCOM

W_L11:

MOVA,70H

ANLA,#0FH

MOVCA,@A+DPTR

MOVCODER,A

LCALLWCODE

MOVA,#0BH

MOVC