基于单片机的数控直流稳压电源.doc

太原科技大学毕业设计（论文） TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY毕业设计（论文）题目：基于单片机的数控直流稳压电源学 生 姓 名 学 号 班 级 电气121503 所属院（系） 电子信息工程学院 指 导 教 师 2016 年 6 月 10 日II摘 要IAbstractII第1章 绪论- 3 -1.1课题背景- 3 -1.2设计任务及技术要求- 3 -1.2.1.设计任务：- 3 -1.2.2.技术要求：- 3 -第2章 方案的论证与设计- 4 -2.1 方案选择- 4 -2.2 方案的确定- 4 -2.3 方框图的设计- 4 -第3章 单元电路设计- 6 -3.1.1 AT89C51单片机- 6 -3.1.2 单片机在电路中应用- 6 -3.2 数/模转换电路设计- 7 -3.2.1 DAC0832芯片简介- 7 -3.2.2 DAC0832在电路中的应用- 7 -3.3 放大电路设计- 7 -3.3.1 OP07简介- 7 -3.3.2 OP07在电路中的应用- 7 -3.4 辅助电源电路设计- 8 -3.5 键盘显示电路设计- 9 -3.5.1 键盘电路设计- 9 -3.5.2 显示电路设计- 9 -3.6 稳压电路设计- 10 -3.6.1 TL431典型电路- 10 -3.6.2 10V分压电路- 10 -3.6.3 加法运算电路- 11 -3.6.4 LM317的输出电压设计电路- 11 -第4章 软件程序设计- 13 -4.1 系统主程序流程图- 13 -4.2 子程序流程图- 14 -第5章 系统测试与误差分析- 15 -5.1 测试电路与测试方法- 15 -5.2 测试数据与结果分析- 15 -第6章 总结- 17 -参考文献- 18 -致 谢- 19 -III摘 要数控直流稳压电源是最常用的电子仪器设备之一，也是电子仪器设备的一个重要组成部分。本文介绍了一种数控直流稳压电源的设计原理和实现方法，他是以51单片机为核心的，其主要由键盘部分、单片机部分、辅助电源部分、显示部分、D/A转换部分、稳压控制部分等六部分构成。该系统原理是以数模转换芯片DAC0832输出参考电压，以控制电压转换模块LM317输出电压，以AT89C51单片机为控制单元，同时输出稳压恒流。本系统具有显示直观、使用方便、电压的可预置、可步进增减调整等特点。在本文的最后，对该系统进行了系统测试和误差分析，并对本次设计做出了总结。关键词：单片机；数/模转换器；数控直流稳压电源；IAbstractThe numerical controller DC power supply is the most commonly used numerical control equipment, It is also an important part of electronic instruments and equipment. The method of this paper based on the 51 MCU core of the numerical controller DC power supply design theory and realization. There are six modules of this system, which is mainly consisted of keyboard module, micro-controller module, power supply module, display module, D/A converters module, DC Regulators module. The system is based on the principle of single-chip microcomputer to control the unit AT89C51 to DAC0832 digital-to-analog converter chip reference voltage to control the output voltage LM317 output voltage conversion module size. The system has the following features, such as intuitive showing, easy using, the voltage can be preset, step changes in adjustment, etc.At the end of this paper, the system test and error analysis are carried out, and the design of this system is summarized.Keywords: MCU, DAC, the numerical controller DC power supply.II第1章 绪论基于单片机的数控直流稳压电源造价比较低，通过使用较为普遍的原件就能实现应有的功能，清晰直观。数控直流稳压电源利用先进的数字显示技术，输出电压很容易读出，只要仪器不出现故障，输出结果就是唯一的，这不仅准确客观，而且符合人们的读数习惯。传统的稳压电源是通过调节电位器的阻值进而改变输出电压，长时间使用后，就会有接触不良等故障出现，导致输出电压不稳定。数控直流稳压电源利用步进的方法，选取到不一样的输出电压，并用数码管显示出来，工作稳定。基于单片机的数控直流稳压电源，具有造价低，显示清晰，输出电压容易改变等优点。1.1课题背景数字控制电源技术是一种实践性很强的工程技术，存在于各行各业。当今电源技术融合了电子、电气、材料等诸多领域,直流稳压电源是一种常用的仪表设备，普遍地应用于教学、科研等领域，是科学研究和电子设计师与电路开发部进行试验操作不能缺少的电子仪器。随着电子技术的发展，电源技术中遇到的许多难题都可以通过找寻新器件的办法解决。各式各样的D/A转换器已经被广泛利用，可以便捷地对电压值进行数字控制，这样自然就可以便宜地实现数控直流稳压电源的电路。目前，利用单片机构成的数控稳压电源产品越来越多，并且已被广泛用于家庭电器、工业电器等领域，由于它扩展能力很强，功能日趋完善，现在已经应用到人们生活的各个方面，人类的生产生活也因为电源技术的进步而获得了许多的便利。1.2设计任务及技术要求1.2.1.设计任务：基于单片机的数控直流可调稳压电源1.2.2.技术要求：1).输出电压为(110)v 2).步进电压为0.1V 3).最大输出电流5A第2章 方案的论证与设计2.1 方案选择方案一：模拟电路基于模拟电路的可调稳压电路，是用一个电位器来调整输出电压,电位器的每个档旁边标明的电压值构成了它的显示系统。随着电子技术的发展，它的不耐用的缺点已经使它渐渐离开了历史舞台，并被其他电源所替代。方案二：纯数字电路基于纯数字电路的可调稳压电源巧妙地通过减少硬件之间的磨损使其使用寿命得到了提高，而且输出电压不会随时间产生太大的误差。然而他的缺点是电路较为复杂，制作很困难，衍生问题比较多。方案三：单片机的电路基于单片机的数字稳压电源将数字电路和单片机很好地结合在一起，不仅能够达到纯数字电路的效果，并且能够极大地简化纯数字电路。应用单片机后，还可以通过软件实现保护功能，日后扩展其他的功能也非常方便。2.2 方案的确定经过认真的比对，本着设计合理、切合指标、经济划算的标准，最终认为方案三符合本次毕业设计的要求。2.3 方框图的设计图2.1是数控直流稳压电源的设计方框图。由以下几个部分组成：键盘部分、显示部分、单片机部分、D/A转换部分、辅助电源部分、电压输出调整部分。220V89C51单片机DAC0832键盘输入电压输出调整电路电压输出LED显示自制辅助电源-15V+5V+15V至各单元电路基准电压图2.1 设计原理图第3章 单元电路设计3.1 单片机电路设计3.1.1 AT89C51单片机AT89C51是自带4K字节FLASH的存储器，它拥有高性能、低电压的CMOS 8位微处理器。很多嵌入式控制系统，在利用51单片机后，灵活性高，并且价格低廉。AT89C51 有下面的标准功能： 32 个I/O 口线，一个全双工串行通信口，两个16位定时/计数器。3.1.2 单片机在电路中应用图3.1是单片机系统的中心部分，如同其他单片机系统一样，单片机是完成该功能的核心控制部分。由电容和电阻组建了单片机的上电自动复位电路，在上电瞬间，电容相当于短路，此时在RST端出现一段时间的高电平，只要高电平保持适当长的时间，就可以使MCS-51单片机有效复位。由晶振和微调电容构成了内部振荡方式，产生振荡时钟脉冲，其中晶振值为12MHz。单片机芯片的40脚接5V，20脚接地。图3.13.2 数/模转换电路设计3.2.1 DAC0832芯片简介DAC0832是一种8分辨率的D/A转换集成芯片。它与微处理器完全兼容。它由四部分构成，分别是：D/A转换电路，输入锁存器，DAC寄存器及转换控制电路。3.2.2 DAC0832在电路中的应用因为设计的数控电源仅仅需要一路输出，所以为了简化程序设计以及电路组装，DAC0832的硬件电路采用如图3.2所示的单缓冲接口电路。管脚8接+10V的参考电压，Vcc选择为+5V的参考电压。图3.23.3 放大电路设计3.3.1 OP07简介OP07芯片是一种非斩波稳零、低噪声的双极性运算放大器集成电路，主要用于微弱信号的放大。3.3.2 OP07在电路中的应用DAC0832的输出连接OP07运算放大器，采用差动输出形式，输出电压为-10 V至0V。如图3.3。图3.33.4 辅助电源电路设计芯片DAC0832和单片机工作时需用电源供电，+5V是它们工作时的参考电压，而+15V、-15V为电路中所使用芯片OP07和LM358提供驱动电源。电路中先使用二极管进行桥式整流，再经电解电容滤波，去耦电容去除高频噪声后使用7805、7815、7915芯片，实现稳压输出各种电压值。为使输出纹波减少干扰，电路中加入100F滤波电容，可以有效的去除干扰，提高输出质量。如图3.4所示。图3.43.5 键盘显示电路设计3.5.1 键盘电路设计在单片机系统中，如果使用的按键比较多，往往采用矩阵式键盘，它的结构如图3.5所示，44的行、列结构可以组建成一个含有16个按键的键盘。151413111091287654012312303210+5V图3.5 矩阵式键盘的结构 矩阵式键盘中，行线和列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；有键按下时，行线、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。如图3.6所示为本设计中的键盘部分。图3.63.5.2 显示电路设计本次设计中选用4位七段LED动态显示器，一共占用12个I/O口，即P0.0-0.7和P2.0-2.3。本次设计采用扫描显示的方式，某一时刻只让某一位选线处于选通状态，其他位选线都处在截止状态，那么段选线上就会输出相应显示位的字符字形码。如图3.7所示。图3.73.6 稳压电路设计3.6.1 TL431典型电路本次设计中的TL431典型电路如图3.8所示。此电路的作用是将15V电压变成10V电压，然后再分别输入给DAC0832的Vref端和分压电路的输入端。图3.83.6.2 10V分压电路本次设计中的10V分压电路如图3.9所示。此电路的作用是将10V电压通过电阻的分压输出1.25V的电压，并把它当作加法电路的一路输入值。LM358在电路中作为电压跟随器，起隔离作用。图3.93.6.3 加法运算电路本次设计中的加法运算电路如图3.10所示。此电路的两个输入电压分别是OP07的输出电压-10V0V和1.25V的固定输入电压。通过LM358，最后输出的电压范围为-1.25V8.75V，并把它输入到LM317的调节端。图3.103.6.4 LM317的输出电压设计电路LM317是三端可调式稳压器，能够在输出电压是1.2537V的范围里连续可调。本次设计中，LM317的输出电压电路如图3.11所示。此电路调节电压的范围是-1.25V8.75V，而最终的输出电压范围是0V10V。加入一定的负载后，可以测出其对应的电流值，可以达到1A。图3.11第4章 软件程序设计4.1 系统主程序流程图各个功能模块执行单独的子程序，由主程序指挥各个子程序的顺序执行。流程图如图4.1所示判断是否有键按下开始读入键值减0.1V加0.1V清除确认输出电压值系统初始化扫描P0口消 抖显示电压值否 是否继续 是否继续 是 结束图4.14.2 子程序流程图本次设计中，由于LED接口直接接在了单片机I/O口上，没有足够的驱动力，导致显示并不是很亮，所以使用一个中断使显示增亮。主流程图如图4.2所示,键盘子程序流程图如图4.3所示。中断入口中断返回系统处理显 示图4.2否 中断开始是否有键按下延时10ms左右有键按下调用按键扫描子程序 按键处理中断返回图4.3第5章 系统测试与误差分析5.1 测试电路与测试方法（1）测试电路如图5.1所示：键盘LCD显示UOP07输出口加法电路中LM358输出口LM317电路中2脚输出口U1U3U2图5.1（2）测试方法：利用软件仿真：记录LED的数据，记录U1U2U3所显示的电压值，用电压表测量多组数据并表格记录。5.2 测试数据与结果分析（1） 软件仿真数据记录:如表5.1所示。表5.1软件仿真的数据序 号12345678910给定电压(V)0.51.52.53.54.55.56.57.58.59.5显示电压U(V)0.51.52.53.54.55.56.57.58.59.5输出U1(V)-0.51-1.52-2.50-3.51-4.49-5.50-6.47-7.48-8.46-9.48输出U2(V)-0.730.281.262.273.254.265.236.247.228.24输出U3(V)0.521.532.513.524.505.516.487.498.479.49U-U3 (V)-0.02-0.03-0.01-0.020.00-0.010.020.010.030.01U1+U3 (V)0.010.010.010.010.010.010.010.010.010.01（2）测试结果分析：由表5.1可知，给定的电压值和LED显示的电压值完全一样；OP07的输出值U1与LM317的2脚输出值U3都相差0.01 V；LED显示的电压值与LM317的2脚输出值U3相差的范围为-0.03 V 0.03 V，同时4.5V以下相差值都是负数，4.5V以上大部分为正值。总的看来，此数控直流稳压电源有较好的精度特性。第6章 总结本次毕业设计的题目是基于单片机的数控直流稳压电源，用的是AT89C51单片机,由键盘部分、单片机部分、辅助电源部分、显示部分、D/A转换部分、稳压控制部分等六部分构成。本次设计中，充分利用了按键部分，有利于实现电压值预置和步进加减电压值并且在LED模块上显示出来。本系统具有显示直观、使用方便、电压的可预置、可步进增减调整等特点。在本次设计中我收获了很多，方案的构思与确立，电路的制作与仿真，程序的编写与调试，论文的编写与修改，每一步都让我提高。研究过程中遇到困难，并最终解决，为自己在以后的工作中积累到了宝贵的经验。当前，数控电源技术已经渗透到了人们的日常生活中，而且拓展功能越发强大，相信在不久的将来，此技术能为人类社会创造更大的财富。人类的生产生活也将会因为电源技术的进步而获得了更多的便利。参考文献1姚志树,周云龙.基于单片机和SG3525的程控开关电源设计J.江苏技术师范学院学报,2010,16(9)：29-33.2覃焕昌,许发翔,覃铭.数字控制直流稳压电源的设计J.百色学院学报,2009，22(6)：50-53.3戴建华,冒莉.基于ICL8038和X9C103的函数信号发生器的设计J.无锡商业职业技术学院学报,2008，8(3)：29-31.4高松.基于单片机的数控直流稳压电源J.陶瓷研究与职业教育,2008，6(2)：43-44.5刘公致,刘敬彪,居剑林.基于SOC的数字直流电压源设计J.2005年全国单片机与嵌入式系统学术交流会论文集,2005,8(3):12-13.6祝敏.直流数控可调稳压电源的设计J.电子元器件应用,2008,10(4)：62-64.7刘凤然.单片机最小系统的教学研究J.北京高教学会实验室工作研究会2007年学术研讨会论文集,200,5(3):17-18.8韩颖.基于AVR单片机的温度测试仪的设计J.江苏理工学院学报,2014,20(6)：34-36.9严天峰.单处机实用技术讲座（8）：第六讲 键盘及其接口技术J.电子世界,2002,(8)：26 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劳动安全 438.3 卫生防护 44第九章 组织机构与运作方式 459.1 组织机构 459.2组织管理 469.3劳动定员 46第十章 投资估算 4710.1编制依据 4710.2 投资估算 4710.3资金筹措 48第十一章 经济效益评价 4911.1 成本核算 4911.2 利润估算 5111.3经济风险分析 5211.4财务评价结论 54第十二章 结 论 55- 21 -