数控直流稳压电源毕业设计 数控直流稳压电源的设计.docx
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海 南 师 范 大 学
本 科 生 毕 业 论 文
题目:
数控直流稳压电源的设计
姓 名:
朱立鸿
学 号:
200706302251
专 业:
电子信息科学与技术
年 级:
2007级
院 别:
物理与电子信息工程
完成日期:
2011年5月
指导教师:
严世胜(副教授)
-1-
目 录
1.引言 1
2.方案的论证与设计 2
3.单元电路的设计 2
3.1最小系统控制电路设计 3
3.2D/A转换电路设计 3
3.3放大和输出稳压电路的设计 5
3.4液晶显示电路设计 6
3.5系统供电电源设计 7
3.6整机电路图和系统仿真 7
4.软件程序设计 9
5.4.1程序流程图 10
6.4.2程序代码 11
6.数据测量 19
7.6.1数据测量值 19
8.6.2误差分析 21
7.结论 21
8.参考文献 22
附录一 23
数控直流稳压电源的设计
作者:
朱立鸿指导教师:
严世胜副教授
(海南师范大学物理与电子信息工程,海口,571158)
摘要:
该设计采用220V市用交流电输入,输出电压为0~10V可调,输出最大电流为1A,
可步进0.1V调整。
电源的主控电路采用AT89C51单片机,并能够通过液晶直观地显示出电压。
设计分析了各个模块电路和整机的工作原理,给出了整机工作的硬件实现和主要的软件流程
设计。
关键词:
直流稳压电源;数控;AT89C51;D/A转换
NCDCregulatedpowersupplydesign
Author:
ZhuLihongTutor:
AssociateProfessorYanShisheng(DepartmentofPhysicsandEledtronicInformationEngineering,Hainan
normaluniversity,Haikou,571158)
Abstract:
Thedesignuses220V,withACinputandoutputvoltageisadjustable0~10V,outputmaximumcurrentof1A,step0.1Vcanbeadjusted.ThemaincontrolcircuitpowersupplyAT89C51microcontrolleranddirectlythoughtheLCDdisplayvoltage.Circuitdesignandanalysisofeachmoduleandthewholeoftheworkingprincipleofthewholeworkofthehardwareandmainsoftwareprocessdesign.
Keywords:
DCpowersupply;NC;AT89C51;D/AConverter
1.引言
随着电力电子技术的发展,当今电器化电子产品对电源的可靠性和精确性提出了更高的要求。
尤其是电子计算机和通讯技术的发展,对电源的要求更加苛刻。
一个高性能和高精度的供电电源是智能化系统正常工作必不可少的组成部分。
为了克服和解决以上传统电源(模拟电源)难以实现的问题,数控电源应用而生。
在如今的电子行业发挥着重要的作用。
设计一个高精度、精确跟踪输出、高稳定性、良好的人机界面的简易数控电源,能减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节,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问题,极大地提高了生产效率和产品的维护性[1]。
基于数控电源具有以上传统模拟电源无
法替代的优越性,为此设计一个简易的数控电源。
2.方案的论证与设计
通过查阅大量资料,得知显示电路和控制电路是本设计的核心,对它的选择有以下两种方案:
方案一:
采用纯数字电路[2]
纯数字电路的稳压电源避免了硬件之间的磨损,使得使用寿命大大提高,而且其输出电压也不会随时间产生误差。
但是它的电路较为复杂,制作时很困难,由于电路的复杂产生的问题也会很多。
方案二:
采用单片机的方法
采用单片机的数字稳压电源是将数字电路和单片机很好地结合在一起,不但能够达到数字电路的效果,而且能够大大地简化复杂的纯数字电路。
经过对以上两种设计方案的对比和全方位的综合考虑,为了使电路的设计更加合理化,切合技术指标,决定采用方案二。
3.单元电路的设计
3.1系统设计方框图
系统设计方框图如图1所示。
该系统主要由单片机最小控制系统、显示电路、独立按键、D/A转换电路、放大电路和稳压电路和系统供电电源等组成。
外接
220V的交流电源经过整流滤波后给上述各部分单元提供工作电源,通过独立键盘给单片机设定预输出值,并通过DA0832转化为模拟量,再经过运算放大和稳压电路最后输出预设电压值,通过液晶能够直观的显示出预设值。
放大电路
D/A转换
单片机
显示电路
变压器
按键
输出电路
整流滤波
稳压电路
~220v
-23-
图1 数控直流稳压电源设计方框图
3.2最小控制系统的设计
最小控制系统由STC单片机、晶振、独立键盘和复位电路等组成[3]。
如2
所示。
40
+5V
1
2
3
4
6
图25
7
8
AT89C51的管脚排列如上图1所3
U4A
最小控制系统
示,9管脚接复位电路
+5V。
成自激震荡,连接到单成复位电路,连接到单电源接通,电容迅速
V电源通过R6对电容
P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17
VCC
P00P01P02P03P04P05P06P07
,18、19管脚为晶振的
12
C3
30pf
C2
30pf
INT1INT0
P20P21
两个输入端,+5V20管脚接地,40管1脚5
14
晶振Y1和两个电Y1容C2、C3构31
R5
接
T1
T0
EA/VP
AT89C51
P22P23P24
P26
P25片机的X1和X2端,
18
X2
电解电容C4、51电阻CRR5YS和TA按L
C4
键S519构 X1
P27
片机的复位端。
当按
+
键S5按下后,复位端通过2R2u5f与+95V
RESET
RXD放电,使RST管脚为
GND
S5 17 RD
TXD
20
R6
高电平;当复位按键S5弹起后,1+65 WR
脚出现复位正脉冲。
2K
ALE/P
PSENC4重新充电,RST管
4个独立按键S1~S4分别与C51的P24~P27相连接,独立按键S1为电压调整按钮,S2为电压加一按钮,S3为电压减一按钮,S4为D/A转换确认键。
S1~S3按键的作用是通过程序控制对输入的电压随时可调,且步进值能够为0.1V增加或者减少。
S4键的作用是按下启动D/A转化,将单片机的预设值转化为模拟量输出。
3.2D/A转换电路设计
3.2.1DA0832芯片简介
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个
DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成[4]。
3.2.2DA0832的主要特性
DA0832分辨率(LSB)为8位,电流稳定时间为1us,有三种工作方式,即直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。
工作方式的设置由19管脚ILE、2管脚
WR和18管脚WR2决定,本设计采用直通方式,将2管脚和18管脚全部接地为低电平。
另外DA0832采用单电源供电(+5V~15V),且在满量程内呈线性变
11
12
9
8
5V
19
18
2
Iout1Iout2
RfbVref
+5 ILE
WR2WR1
U3
lsbDI0DI1DI2DI3DI4DI5DI6
msbDI7
CS
Xfer
DAC0832
7
6
5
4
16
15
14
13
1
17
1
2
3
4
5
6
7
8
13
12
15
14
31
19
18
9
17
16
U4A
P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17
INT1INT0
T1T0
EA/VPX1
X2
RESET
RDWR
AT89C51
P00P01P02P03P04P05P06P07
P20P21P22P23P24P25P26P27
RXDTXDALE/PPSEN
20
Vcc
40
VCC
+5V +5V
20
GND
化。
3.2.3DA0832在设计中的应用
采用0832将单片机预设的电压值转化为模拟量,其电路连接如下图4所示。
图4 DA0832与单片机的连接
DA0832的8位数据线D0~D17与单片机的P1口连接,1管脚(CS)和17管脚(Xfer)接地,8管脚(Vref)的参考电压为5V,则LSB=5V/2^8=0.02V,即最小分表率为0.02V。
11管脚(Iout1)和12管脚(Iout2)为电流输出端,本设计中将Iout2接地,采用Iout1输出,然后接运算放大LM324将输出电流转化为电压。
经过LM324转化后的电压值也为5V。
为了达到与单片机预设电压范围
0~10V同步,输出端电压需要经过两级放大。
第一级不放大,直接将D/A输出的电流转化为电压,第二级放大,放大倍数n=Rf/R1=2K/1K=2.因为DA0832转换后的电压的范围为0~5V,即DA0832的8位输入端全为高电平1时,输出电压为5V,输入端全为低电平0时,输出电压为0V,且呈线性变化。
为此为了使输出与液晶显示同步,必须经过放大倍数n=2的二级放大。
3.3放大和输出稳压电路的设计
由于DA0832芯片为电流输出型,为了得到输出电压,必须经过运放转化为电压。
设计采用运放LM324放大器放大。
LM324芯片的主要特性有:
可单双电源工作,单电源工作范围为3V~32V,双极性电源工作范围为±16V,设计采用双极
性电源,且电源电压为±12V;每个集成LM324芯片内装4个运放器[5]。
采用反向输入,放大和稳压电路如图5。
1
ADJ
图5 放大电路和稳压电路
U3的输出端I0ut1接U2的13管脚(IN-),Iout2接U2的12管脚(IN+),然后接地。
第一级只是转化0832输出的电流为电压,没有进行放大。
LM324第一级的输出端14经过1K的电阻接第二级放大的输入端2(IN-),也是反向输入,两次反向后最终输出的电压为正向。
由于三端稳压LM317的工作电压范围为1.26~37V,达不到输出为0V的设计要求,为此在第二级放大采用求和反向放大,
-12V的电压经过10K的电位器分压后输出反向电压为-1.25V,在液晶显示为0的情况下使其LM317调整稳压后的电压达到0V。
LM317主要特性有基准电压标准值为1.25V,ADJ调整端电流标准值为50uA,最大为100uA。
为此,为保证额定的输出电压值,调整端R1的电阻阻值
-12V
RW210K
R1200
R22
R212K
10k
R20
2k
+5
11
12
9
8
5V
19
18
2
Iout1Iout2
RfbVref
lsbDI0DI1DI2DI3DI4DI5
DI6
msb
DI7
3
+Vout
U1
Vin
LM317
2
1
2
3
4
5
6
7
OUT1OUT413
14
ILEWR2WR1
U3
CS
Xfer
DAC0832
IN1(-) IN4(-)
IN1(+)IN4(+)11
12
VCC VEE10
IN2(+)IN3(+)9
+220uf
C1
J1
1
2
OUT
+12
RW3
10k
OUT2
U2
IN2(-) IN3(-)8
OUT3LM324
+12V
-12V
20
Vcc
+5V
R=1.25V/10mA=125Ω。
通常实际的取值在120~200Ω之间。
输出电压值计算公式为:
Uo=1.25´(1+Rw/R)+IadjRw。
3.4液晶显示电路设计
显示部分采用液晶LCD1602,LCD1602显示容量是为16´2个字符,芯片工作电压为4.5~5.5V。
接口信号说明如表1。
表1 液晶接口说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据输入D2端
2
VDD
电源正极
10
D3
数据输入D3端
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
数据输入D4端
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
数据输入D5端
5
R/W
读/写选择端(H/L)
13
D6
数据输入D6端
6
E
使能信号
14
D7
数据输入D7端
7
D0
数据输入D0端
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据输入D1端
16
BLK
背光源负极
液晶LCD1602与STC单片机的连接电路图如图6。
LC1602D的8位数据接口与单片机的P0口相连,由于STC单片机P0口没有内接电阻,为此外接了
10K上拉排阻。
这是因为单片机P口的输出电流非常微弱,不足以驱动液晶显示数据而连接的。
1602的控制端RS、R/W、E端分别与STC的
P20、P21、P22连接。
VCOM为液晶显示亮度调整端,外接10K的电位器。
BLA-和BLA+分别为液晶背光源正极和负极,BLA-接地,BLA+接+5V。
液晶的显示由单片机的程序去控制。
1RW2
1
2
10K3
+5
10k*8CON9
U4A
P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17
INT1INT0
P00P01P02P03P04P05P06P07
39
38
37
36
35
34
33
32
+5
P20 21
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
P21 22
P22 23
1602
GND
+5V
VCOMRS
R/WED0D1D2D3D4D5D6D7
BLA+BLA-
□晶1602
T1T0
EA/VPX1
X2
RESET
RDWR
AT89C51
P23 24
P24 25
P25 26
+5
P26 27
P27 28
RXD 10
ALE/P 30
TXD 11
PSEN
29
40
VCC
1
2
3
4
5
6
7
8
9 W
2
+5
20
GND
图6 LCD1602与单片机连接电路图
3.5系统供电电源设计
控制系统STC单片机和DA0832工作需要+5V的电源,而运算放大器
LM324需要±12V的双极性电源,为此需要设计出满足上述芯片工作需要的电源。
电源电路图如图7所示。
图7 系统供电电源
系统供电电源外接220V交流电,经过双18V变压器T1降压和整流桥整流变为直流,接着用电容C1、C2、C3、C4滤波,最后用三端稳压芯片
7812、7912、7805稳压后再经电容C5、C6、C7、C8滤波就可得到+12V,-
12V,+5V的电源。
3.6整机电路图和系统仿真
整机电路图见附录一。
系统仿真采用仿真软件Proteus,图8、9分别为预设0V和10.0V输出电压的仿真结果。
4
uf
U17812
1 Vin
+12V
3
U37805
1 Vin
+5V
3
D1
D1
D2
+C1C310
+C7
C5 2200
104
T1
18V/40W
2200uf
C13+C14
2200uf
104
JP2
+12V
+C2
2200uf
C4104
U27912
C6104
D3
D4
+C8
2200uf
+5V
-12VGND
4H
2
Vin
-12V
3
1
2
3
4
2
GND
2
GND
J1
2
1
220v
1
GND
EAD
C4
30pF
C3
+5V
30pF
C2
22uF
19
X1
CRYSTAL
18
9
29
R8
VSSVDDVEE
RSRWE
D0D1D2D3D4D5D6D7
1K
U1
XTAL1
XTAL2
RST
+5v
PSEN
+5V
P0.0/AD039
P0.1/AD138
P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7
P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
LCD1
1 16
37 +5V
3
14
36
4
13
35
5
12
34
6
11
33
7
10
32
8
9
21
10K
22
23
24
2 15
U3
1CS
2WR1
3GND
4DI3
5DI2
6DI1
7DI0
+5V
8VREF
9RFB
10GND
VCC20
ILE(BY1/BY2)19
WR218
XFER17
DI416
DI515
DI614
DI713
IOUT212
IOUT111
+5V
30ALE
31EA
1P1.0
2P1.1
3P1.2
4P1.3
5P1.4
6P1.5
7P1.6
8P1.7
AT89C51
+12VDBG_TRACE=1
4
U4:
A
P2.4/A1225
P2.5/A1326
P2.6/A1427
P2.7/A1528
P3.0/RXD10
P3.1/TXD11
P3.2/INT012
P3.3/INT113
P3.4/T014
P3.5/T115
P3.6/WR16
P3.7/RD17
R20
S1
S2
S3S4
R21
1.5k
+12V
+0.57
4
U4B
+5V
DAC0832
3 2k
1
2
3
1 Volts
11
2
11
LM324
10kR22
-12V
-12v
图8 预设值为0V时的仿真图
C4
30pF
R8
VSSVDDVEE
RSRWE
D0D1D2D3D4D5D6D7
1K
U1
19
+5V 39
LCD1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1 16
C3
+5V
30pF
C2
22uF
X1
CRYSTAL
18
9
XTAL1
XTAL2
RST
P0.0/AD0P0.1/AD138
P0.2/AD237
P0.3/AD336
P0.4/AD435
P0.5/AD534
P0.6/AD633
P0.7/AD732
+5V
2 15
3 14
4 13
5 12
6 11
7 10
8 9
U3
1CS
2WR1
VCC20
ILE(BY1/BY2)19
+5v
+5V
29PSEN
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