數(shù)控電壓源的仿真與制作

1、武漢理工大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目: 數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì)仿真與制作 初始條件：運(yùn)用所學(xué)的數(shù)電和模電知識(shí)，利用集成可逆計(jì)數(shù)器、d/a轉(zhuǎn)換器、顯示譯碼器、數(shù)碼管、運(yùn)算放大器等器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。（也可以利用fpga或單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)）要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求）1、課程設(shè)計(jì)工作量：1周內(nèi)完成對(duì)數(shù)控電壓源的設(shè)計(jì)、仿真、裝配與調(diào)試。2、技術(shù)要求：輸出電壓09.9v，步進(jìn)電壓值0.1v，輸出紋波電壓10mv，輸出電流5a。 用兩按鈕開關(guān)作為電壓調(diào)

2、整鍵，與可逆計(jì)數(shù)器的加計(jì)數(shù)cpu 時(shí)鐘輸入端和減計(jì)數(shù)cpd時(shí)鐘輸入端相連，可逆計(jì)數(shù)器采用兩片十進(jìn)制同步加/減計(jì)數(shù)器如74ls192 級(jí)聯(lián)而成。 數(shù)字顯示電路采用兩片二十進(jìn)制bcd碼譯碼驅(qū)動(dòng)器如74ls248和2個(gè)七段數(shù)碼管組成。 d/a轉(zhuǎn)換電路可采用dac0832和集成運(yùn)算放大器構(gòu)成。 調(diào)整輸出級(jí)采用運(yùn)放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與d/a轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。調(diào)整管可采用大功率達(dá)林頓管，確保電路的輸出電流值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 穩(wěn)壓電源部分利用7815、7915、和7805設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)15v、±5v工作電源和調(diào)整管所需輸入電壓，要求能提供5a 的電流。 確定設(shè)計(jì)方案，按功能模塊的

3、劃分選擇元、器件和中小規(guī)模集成電路，設(shè)計(jì)分電路，畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。 時(shí)間安排：1）2011年 5月 20_ 日， 方案選擇和電路設(shè)計(jì)仿真。2）2011年 6月 13 日， 電路調(diào)試和設(shè)計(jì)說(shuō)明書撰寫。3）2011年 6 月 4 _日上交課程設(shè)計(jì)成果及報(bào)告，同時(shí)進(jìn)行答辯。參考文獻(xiàn)：1 伍時(shí)和.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第1版）.北京：清華大學(xué)出版社，2009年4月2 余永權(quán).atmel89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002 年4月3 康華光.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版）北京：高等教育出版社，2006年1月4 丁明亮，唐前輝51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真：基于keil c與p

4、roteus北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009年2月5 王建校51系列單片機(jī)及c51程序設(shè)計(jì)北京：科學(xué)出版社，2002.4指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日1引言42 proteus軟件簡(jiǎn)介63 方案論證和確定73.1 控制電路73.2數(shù)據(jù)輸入電路83.3單元電路設(shè)計(jì)93.3 數(shù)模d/a轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)123.4鍵盤輸入電路設(shè)計(jì)143.5 輸出電壓顯示電路設(shè)計(jì)154 軟件設(shè)計(jì)174.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖184.2 軟件功能、算法以及部分源程序215硬件電路安裝與調(diào)試265.1 元件清單：265.2電路安裝與調(diào)試：266 設(shè)計(jì)結(jié)果分析：286.1 仿真結(jié)果分析：28

5、6.2 實(shí)物結(jié)果分析：316.3 實(shí)際電壓測(cè)試表：33七、設(shè)計(jì)心得體會(huì)：34八、參考文獻(xiàn)351引言電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。電源在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國(guó)紛紛對(duì)電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)

6、入市場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來(lái)的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05v的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50

7、w的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。數(shù)字化智能電源模塊是針對(duì)傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的，數(shù)字化能夠少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn),現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用的工控產(chǎn)品均需要有低紋波、寬調(diào)整范圍的高壓電源,特別是在一些高能物理領(lǐng)域,急需電腦或單片機(jī)控制的低紋波、寬調(diào)整范圍的電源。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)： 1) 易于采用

8、先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。 2) 控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動(dòng)硬件線路。 3) 控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)(或不同型號(hào)的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對(duì)控制軟件做一些調(diào)整即可。 4) 系統(tǒng)維護(hù)方便。一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過rs232接口或rs485接口或usb接口進(jìn)行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試，也可以通過modem進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。 5) 系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不同于模擬器件那樣存在差異，因此，數(shù)控電源的一致性

9、很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產(chǎn)成本下降。6) 易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運(yùn)行逆變電源系統(tǒng)，每個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易于在模塊之間更好地進(jìn)行均流控制和通訊或者在模塊中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。2 proteus軟件簡(jiǎn)介proteus軟件是英國(guó)labcenterelectronics公司出版的eda工具軟件。它不僅具有其它eda工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。proteus是世界上著名的eda工具

10、（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到pcb設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。proteus軟件具有4大功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)、完善的電路仿真功能、獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能、實(shí)用的pcb設(shè)計(jì)平臺(tái)。由于proteus軟件界面直觀、操作方便、仿真測(cè)試和分析功能強(qiáng)大，因此非常適合電子類課程的課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)，是一種相當(dāng)好的電子技術(shù)實(shí)訓(xùn)工具，同時(shí)也是學(xué)生和電子設(shè)計(jì)開發(fā)人員進(jìn)行電路仿真分析的重要手段。proteus軟件具有其它eda工具軟件（例：multisim）的功能。這些功能是：（1）原理布圖（2）pcb自動(dòng)或人工布線（3）spice電路仿真革命性的特點(diǎn)

11、（1）互動(dòng)的電路仿真用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如ram，rom，鍵盤，馬達(dá)，led，lcd，ad/da，部分spi器件，部分iic器件。（2）仿真處理器及其外圍電路可以仿真51系列、avr、pic、arm、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，proteus建立了完備的電子設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境。3 方案論證和確定3.1 控制電路方案一:利用按鍵產(chǎn)生的信號(hào)脈沖驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器進(jìn)行電壓的加減，計(jì)數(shù)器每次由脈沖觸發(fā)跳一，也即實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.1，欲實(shí)現(xiàn)步進(jìn)0.1，就需要按一下鍵產(chǎn)生一個(gè)脈沖。由于電容的容值不一，充電時(shí)間

12、常數(shù)不等，故可利用電容充電時(shí)間不相等，又按鍵有一定的時(shí)間，大約為0.2s，但這個(gè)時(shí)間對(duì)電容充電時(shí)間常數(shù)來(lái)說(shuō),以經(jīng)足夠了，本設(shè)計(jì)就是基于這一點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)按一下鍵產(chǎn)生一個(gè)脈沖的。按鍵時(shí)，電源對(duì)五個(gè)r、c充電，由于按鍵的時(shí)間0.1s相對(duì)于充電時(shí)間常數(shù)0.10.5s，足可使電容一端呈現(xiàn)依次高電平，同時(shí)這五個(gè)高電平存在時(shí)間差，從而產(chǎn)生五個(gè)脈沖，使計(jì)數(shù)器跳變一，利用視覺效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)為0.1。變輸出電壓值(a/d轉(zhuǎn)換后電壓值) ,經(jīng)集成運(yùn)放放大和射極輸出器輸出,間接地改變輸出電壓的大小。計(jì)數(shù)器構(gòu)成的控制電路原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，但是無(wú)法對(duì)誤觸發(fā)進(jìn)行有效的屏蔽。其方框圖如圖：按鍵產(chǎn)生+、-信號(hào)脈沖bcd碼計(jì)數(shù)器譯

13、碼顯示可調(diào)穩(wěn)壓輸出da電源+15v -15v+5v圖1：計(jì)數(shù)器脈沖觸發(fā)方案二：由c52單片機(jī)構(gòu)成的單元電路。通過c52單片機(jī)對(duì)鍵盤數(shù)字信號(hào)的檢測(cè)分析，若有按鍵按下時(shí)單片機(jī)按照指令對(duì)相應(yīng)的按鍵進(jìn)行應(yīng)答，將電壓值輸出給d/a轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后經(jīng)過集成運(yùn)算放大器的放大作用，形成足夠大的帶負(fù)載能力后輸出電壓值。基于單片機(jī)的數(shù)控直流電源電路相對(duì)而言較為復(fù)雜，但是整體性能優(yōu)于計(jì)數(shù)器為核心的控制電路，且能實(shí)現(xiàn)更多功能，為將來(lái)的功能擴(kuò)展打下一定的基礎(chǔ)。圖2 總體設(shè)計(jì)框圖經(jīng)過方案論證和比較后,最終確定的系統(tǒng)框圖如上方案二圖所示,主要由主電源、輔助電源、d/a轉(zhuǎn)換、集成運(yùn)放、射極輸出器、單片機(jī)最小系統(tǒng)、

14、顯示及按鍵等組成。3.2數(shù)據(jù)輸入電路方案一：通過c51單片機(jī)上的獨(dú)立按鍵進(jìn)行電壓值的調(diào)整，通過檢測(cè)對(duì)應(yīng)接口的電平信號(hào)，當(dāng)按鍵按下時(shí)分別對(duì)應(yīng)電壓值的增加和減少，步進(jìn)值為0.1v。圖3 獨(dú)立鍵盤設(shè)計(jì)電路方案二：利用c51單片機(jī)豐富的接口進(jìn)行擴(kuò)展，通過矩陣鍵盤掃描程序不斷掃描檢測(cè)按鍵是否按下，可根據(jù)程序的需要自定義九宮格式的數(shù)字輸入方式，將原來(lái)的獨(dú)立鍵盤擴(kuò)展為矩陣鍵盤，使用戶輸入電壓的流程更為方便快捷。圖4 矩陣鍵盤設(shè)計(jì)電路綜上所述，由于矩陣鍵盤相對(duì)獨(dú)立鍵盤而言具有更好的用戶接口，輸入電壓值的方式更為簡(jiǎn)單，以及更高效的輸入方式，且在實(shí)際電路中的連接比較簡(jiǎn)單，僅占用單片機(jī)的一個(gè)接口，故最終選定矩陣鍵盤

15、作為本次電路設(shè)計(jì)方案。3.3單元電路設(shè)計(jì)3.3.1直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源是要將220v工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓，它需要經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成，在本課題中，要求為主要模塊電路提供+5v和+15v直流電壓，所以基本框圖如下圖2-1所示：圖5 電源轉(zhuǎn)換原理圖電壓部分 為了穩(wěn)壓電源可以正常工作，濾波電路的輸出電壓u1應(yīng)該滿足下式：u1 uomax + (ui uo)min + urip + ui其中：uomax為穩(wěn)壓電源輸出最大值； (ui uo)min 為集成穩(wěn)壓器輸入與輸出最小電壓差 ;urip為濾波器輸出電壓的波紋電壓值(一般取uo.(ui uo)min

16、之和的 10%);ui為電網(wǎng)波動(dòng)引起的輸入電壓的變化(一般取uo.(ui uo)min urip之和的 10%) 所以: u1 15+2+(15+2)×10%+(15+2)× 10%+ (15 + 2)× 10% =20.57vu2 = u1/(1.11.2)= u1/1.15= 17.89 18v功率部分 在橋式整流電路中，變壓器次級(jí)電流與濾波器輸出電流的關(guān)系為: i2 = (1.5 2.0)i1 (1.5 2.0)io = 1.75 × 0.5a = 0.875a取變壓器的效率為=0.8 ,則：p=u2×i2 / µ= 18

17、15;0.8750.8= 19.6875 20w電容部分 =rlc (3 5)t2 rl = u1i1所以:c=(3 5)ti12u1= 1.22 × 103f 所以可以取 2200f以上的電容(rlc 越大，電容的放電速度越慢，紋波成分越小)。 又因?yàn)閡cmax = 2u2max(1 + 10%) = 28v 因此電容 c選用4700f，35v 的電解電容。 另外，為了濾除高頻干擾和改善電源的動(dòng)態(tài)特性，還需在濾波電容兩端并聯(lián)0.01 到 0.1f的高頻瓷片電容。在這里選用 104 瓷片電容。 整流部分 整流部分選用橋式整流 id = 0.5i2max = 0.5× 0.8

18、75 = 0.4375a urm = 2u2max × (1 + 10%) = 28v(反向電壓)所以整流二極管選用in4007(id = 1a ，urm = 1000v)可以設(shè)計(jì)要求。 穩(wěn)壓芯片選用 lm7815，lm7915，l7805 (最大電流輸出為 2.2a) 其穩(wěn)壓系數(shù)，輸出電阻，紋波大小等性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)原理圖圖6 電源設(shè)計(jì)電路圖3.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控部分采用 stc89c52 單片機(jī)系統(tǒng)，包括 stc89c52 單片機(jī)，復(fù)位電路，矩陣鍵盤，四位一體共陰 led 數(shù)碼管（led1-led4）。該 系統(tǒng)還提供有液晶顯示模塊、a/d 及 d/a 轉(zhuǎn)換

19、等眾多外圍器件和設(shè)備等接口。 stc89c52 單片機(jī)是一個(gè) 40 管腳的集成芯片，其與 mcs-51 系列的產(chǎn)品兼容，具有 8 kb flash 存儲(chǔ)器，256×8 ram。通過鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進(jìn)調(diào)整信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)在接受到信號(hào)后進(jìn)行處理運(yùn)算，并顯示其給定的電流值，然后經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換以輸出電壓，驅(qū)動(dòng)恒流源電路實(shí)現(xiàn)電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過補(bǔ)償算法進(jìn)行數(shù)值補(bǔ)償處理，調(diào)整電流輸出，并驅(qū)動(dòng)顯示器顯示當(dāng)前的電流值。最小系統(tǒng)的核心為stc89c52，為了方便單片機(jī)引腳的使用,我們將單片機(jī)的引腳用接口引出,電路如圖2.2所示.p0口和p

20、2.0p2.3是lcd接口；p3口作為a/d與d/a轉(zhuǎn)換接口,其中p3.0p3.2是d/a轉(zhuǎn)換器的接口； p1口為鍵盤接口。圖7 由stc89c52為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3 數(shù)模d/a轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)d/a 轉(zhuǎn)換器采用 dac0832 轉(zhuǎn)換器芯片.芯片簡(jiǎn)介設(shè)計(jì)要求電壓輸出范圍是0.0v9.9v，步進(jìn)0.1v，共有100種狀態(tài)，因此采用8位的d/a轉(zhuǎn)換器就能滿足設(shè)計(jì)要求。因此采用常用的dac0832芯片。8位字長(zhǎng)的d/a轉(zhuǎn)換器dac0832具有256種狀態(tài)，能滿足設(shè)計(jì)要求。dac0832芯片是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位dac，它能直接與stc89s52單片機(jī)相連接。圖8 dac0832的芯片引

21、腳排列與名稱主要特性1）8位分辨率；2）電流型輸出，穩(wěn)定時(shí)間為1us；3）可雙緩沖輸入，單緩沖輸入或直接數(shù)字輸入；4）單一電源供電（+5+15v）；5） 低功耗（20mw；）芯片引腳排列與名稱dip封裝形式的dac0832的芯片引腳排列與名稱如右圖所示。vcc:電源電壓，+5v。gnd:地線輸入端。 d0d7：8位數(shù)字量輸入引腳。單片機(jī)由這8根線傳送給d/a轉(zhuǎn)換數(shù)字量。d7為最高有效位，d0為最低有效位。vref：參考電壓端。/cs:片選信號(hào)，當(dāng)/cs為低電平時(shí)候，芯片被選中工作。ile:允許數(shù)字量輸入線。高電平有效。/xref：傳送控制輸入線，低電平有效。/wr1，/wr2：寫命令輸入線。f

22、fb：運(yùn)算放大器反饋線。iout1，iout2：模擬電流輸出線，iout1+iout2為一常數(shù)。參數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)電壓vref由自制電流電源提供+5v電壓，把電壓穩(wěn)定在 5v。（vo=5v）256× n = 0.01 × n (n = 0,1,2,3255)。dac0832 的輸出連接ua741運(yùn)算放大器，采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋形式，把電流轉(zhuǎn)換成電壓，輸出電壓為5v-0v，但本設(shè)計(jì)中要求是0v到9.9v 的輸出電壓，所以要再經(jīng)一個(gè)ua741反向放大 2 倍輸出 0-9.9v 可控制電壓。圖9 設(shè)計(jì)電路圖3.4鍵盤輸入電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，使用標(biāo)準(zhǔn)的4x4矩陣鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)09數(shù)字輸入以及

23、遞增“+”、遞減“”、“置零”等數(shù)值輸入功能，通過軟件程序的設(shè)計(jì)，可以方便準(zhǔn)確地輸入電壓值。具體應(yīng)用電路如下圖：圖12 矩陣鍵盤設(shè)計(jì)電路其中由單片機(jī)stc89c52的p2口去控制矩陣鍵盤的使用，p2.0p2.3控制行，p2.4p2.7控制列，外接+5v工作電壓，10k上拉電阻。3.5 輸出電壓顯示電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求能顯示當(dāng)前電壓值，因此可采用液晶顯示或者數(shù)碼管顯示兩種方法?？紤]到數(shù)碼管顯示過于單調(diào)，因此采用液晶顯示。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在點(diǎn)陣型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中常用的信息顯示器件了。圖13 共陽(yáng)極數(shù)碼管電路圖該部分電路選擇四位共陽(yáng)數(shù)碼管做為輸出直

24、流電壓的顯示器件，通過運(yùn)用兩個(gè)mc74hc573芯片控制數(shù)碼管的位選和段選，并且，都將他們接在stc89s52主芯片上的p0.0p0.7口上進(jìn)行對(duì)數(shù)碼管的控制。通過數(shù)碼管的時(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)知道電路電壓輸出的大小。圖14 數(shù)碼管與單片機(jī)的典型應(yīng)用電路：設(shè)計(jì)電路圖圖15 數(shù)碼管連線圖4 軟件設(shè)計(jì)本電路采用stc89c52單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來(lái)改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。采用軟件方法來(lái)解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)以直流電源為核心，利用單片機(jī)為主控制器，通過鍵盤來(lái)設(shè)置直流電源的輸出電流，

25、設(shè)置步進(jìn)等級(jí)可達(dá)0.1v，并可由數(shù)碼管顯示實(shí)際輸出電壓值和電壓設(shè)定值。利用單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器（da0832）輸出模擬量，再經(jīng)過運(yùn)算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電電流的變化而輸出不同的電壓。單片機(jī)系統(tǒng)還兼顧對(duì)恒壓源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過a/d轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機(jī)分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電壓源。4.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖4.1.1主控程序主控程序首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后顯示電路中的輸出電壓，初始應(yīng)為0v。按下矩陣鍵盤電壓設(shè)置鍵進(jìn)入預(yù)置電壓環(huán)節(jié)。根據(jù)鍵盤的不同輸入，

26、單片機(jī)將向d/ac 0832輸出不同的值數(shù)字信號(hào)控制其輸出不同的電壓值。執(zhí)行后，數(shù)碼管顯示電路將受單片機(jī)控制輸出不同的數(shù)字表示不同的電壓。圖16 主程序流程圖4.1.2 d/a子程序本程序通過將顯示的數(shù)值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼，再將對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼通過單片機(jī)送給d/ac 0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)對(duì)d/a 0832的數(shù)字信號(hào)的寫入。其中，d/a 0832為8位分辨率，滿足對(duì)應(yīng)的分辨率的要求，可以看出，d/a子程序的作用是將設(shè)定的數(shù)字量通過變換送給d/a。圖為d/a子程序框圖。圖17 da轉(zhuǎn)換程序流程圖4.1.3電壓輸出子程序圖為電壓輸出子程序原理框圖：圖19 步進(jìn)，步減子程序框圖由步進(jìn)，步減子

27、程序框圖可以看出，如果每次把d/a的數(shù)字量加01h，可以使步進(jìn)量和步減量由0.1v變?yōu)?.05v。如果采用更高位的d/a轉(zhuǎn)換器?？梢允共竭M(jìn)量和步減量進(jìn)一步的減小,以滿足更高的要求。4.2 軟件功能、算法以及部分源程序4.2.1軟件功能介紹本軟件通過對(duì)stc89c52單片機(jī)為核心的系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)4*3矩陣鍵盤的掃描，并將每一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的鍵值經(jīng)過處理顯示于數(shù)碼管上，并同時(shí)通過輸出對(duì)應(yīng)電壓的二進(jìn)制數(shù)碼控制dac0832輸出相應(yīng)的電壓。4.2.2軟件部分源程序矩陣鍵盤掃描程序：該程序通過定義keyscan、key1、key2以及key3四組函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣鍵盤按鍵按下以及行列坐標(biāo)鍵值的確定。其中，

28、keyscan通過檢測(cè)p2口（矩陣鍵盤接口）電平是否有被拉低的現(xiàn)象，判斷是否有鍵按下。通過其中的switch語(yǔ)句判斷該鍵對(duì)應(yīng)那一列，通過對(duì)應(yīng)列調(diào)用相應(yīng)的key函數(shù)來(lái)判斷相應(yīng)按鍵的坐標(biāo)，同時(shí)對(duì)相應(yīng)按鍵進(jìn)行賦值。void keyscan() /矩陣鍵盤掃描程序uchar temp;p2=0xf0;temp=p2;temp=temp&0xf0; /檢測(cè)是否有鍵按下if(temp!=0xf0)p1=0x0f;delayms(85);temp=p2;temp=temp&0xf0;if(temp!=0xf0)flag+;switch(temp) /若有鍵按下分別進(jìn)行行掃和列掃case 0x

29、e0:key1();break;case 0xd0:key2();break;case 0xb0:key3();break;void key1() /第一列鍵盤對(duì)應(yīng)行掃描函數(shù)uchar temp;p2=0x0f;temp=p2;switch(temp)case 0x07:display(1);break;case 0x0b:display(4);break;case 0x0d:display(7);break;case 0x0e:break;void key2()/第二列鍵盤對(duì)應(yīng)行掃描函數(shù)uchar temp;p2=0x0f;temp=p2;switch(temp)case 0x07:disp

30、lay(2);break;case 0x0b:display(5);break;case 0x0d:display(8);break;case 0x0e:display(0);break;void key3() /第三列鍵盤對(duì)應(yīng)行掃描函數(shù)uchar temp;p2=0x0f;temp=p2;switch(temp)case 0x07:display(3);break;case 0x0b:display(6);break;case 0x0d:display(9);break;case 0x0e:break;dac0832輸出函數(shù)：該函數(shù)實(shí)現(xiàn)的是將按鍵的賦值輸出至dac0832上，并適當(dāng)?shù)膶?duì)輸出電

31、壓值進(jìn)行誤差的優(yōu)化。函數(shù)中shi、ge分別表示矩陣鍵盤按鍵輸入所對(duì)應(yīng)的整數(shù)位和小數(shù)位，z將對(duì)應(yīng)的整數(shù)及小數(shù)整合成一個(gè)兩位數(shù)，由于要求步進(jìn)值為0.1v，故根據(jù)硬件電路可得，若要求步進(jìn)值為0.1v，則5*2/255可得每一位二進(jìn)制代碼對(duì)應(yīng)0.04v，故最接近0.1v的十六進(jìn)制代碼為0x03。由于取0x03時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值約為0.12v故在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)誤差進(jìn)行校正。故考慮到實(shí)際電路的影響因素，該函數(shù)通過調(diào)用switch語(yǔ)句對(duì)不同整數(shù)位的輸出電壓值進(jìn)行優(yōu)化，分別對(duì)應(yīng)不同的輸出整數(shù)電壓值增加或減去不同的校正系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)電壓的精確輸出。同時(shí)由于0x03在乘以85以上的值時(shí)會(huì)出現(xiàn)溢出的現(xiàn)象，故對(duì)于85

32、以上的電壓值，函數(shù)通過在0xff中做減法的方式獲得。成功實(shí)現(xiàn)防止變量溢出的功能。void da0832() /dac0832輸入程序uchar z;z=shi*10+ge; /將整數(shù)位和小數(shù)位的數(shù)值整合為兩位數(shù)switch(shi) /輸出電壓優(yōu)化程序，對(duì)不同數(shù)值下輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化減小誤差case 0:if(z>=5)p3=0x03*z-0x02;else p3=0x03*z;break;case 1:if(z=10)p3=0x03*z-0x02;else p3=0x03*z-0x03*3-0x02;break;case 2:if(z>=24)&&(z<=29

33、)p3=0x03*z-0x03*3-0x02;else p3=0x03*z-0x09;break;case 3:p3=0x03*z-0x03*4-0x02;break;case 4:if(z>=40&&z<=4)p3=0x03*z-0x02*9;else p3=0x03*z-0x03*6-0x02;break;case 5:p3=0x03*z-0x03*8;break;case 6:p3=0x03*z-0x03*9-0x02;break;case 7:p3=0x03*z-0x04*8;break;case 9:p3=0xff-(99-z)*3;break;if(z&

34、gt;=80)&&(z<=84) /防止85時(shí)數(shù)值溢出程序p3=0x03*z-0x03*12;elseif(z>=85)&&(z<=89)p3=0xff-0x03*(97-z);數(shù)碼管顯示語(yǔ)句：該語(yǔ)句位于main函數(shù)中，通過對(duì)位選端口p1口輸出數(shù)值的變化，對(duì)應(yīng)選通所需的數(shù)碼管，再通過段選端口p0口的賦值，選擇對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管使其發(fā)光。輸出按鍵輸入的電壓值。p1=0x07;p0=tablege; delayms(10);p1=0x0b;p0=tableshi&0x7f;delayms(10);5硬件電路安裝與調(diào)試 5.1 元件清單：序號(hào)元

35、器件名型號(hào)名稱數(shù)量備注1單片機(jī)stc89c5212數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac083213運(yùn)算放大器ua74124晶體管tip4115數(shù)碼管7seg-mpx416反相器74hc0447與非門74ls0018電阻res89晶振crystal110電容cap411滑動(dòng)變阻器pot11k12穩(wěn)壓器7815113穩(wěn)壓器7915114穩(wěn)壓器790515.2電路安裝與調(diào)試：根據(jù)設(shè)計(jì)好的原理圖以及在proteus上的仿真調(diào)試，選擇相應(yīng)器件和電路板，焊接實(shí)物?？紤]到元件之間連線的方便，在焊接之前需考慮元件的布局然后進(jìn)行實(shí)際操作。焊接完畢后，可以用萬(wàn)用表對(duì)實(shí)物測(cè)量是否有短路、斷路問題，并一一進(jìn)行修正。當(dāng)確定好電路基本沒問題

36、時(shí)，將寫好無(wú)誤的c語(yǔ)言程序通過isp下載到硬件上進(jìn)行調(diào)試，觀察是否能得到預(yù)期的現(xiàn)象。一般程序在燒寫之前已進(jìn)行仿真模擬運(yùn)行，如沒有得到預(yù)期效果，很可能是硬件的問題，此時(shí)應(yīng)檢查硬件電路是否連接好，再看程序是否出現(xiàn)問題。直到調(diào)試成功。調(diào)試一 ：仿真電路中自制直流穩(wěn)壓源都很好的達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，但是在實(shí)際電路中，可能是干擾的問題，測(cè)試電源電壓為+4.68v、+14.77v和14.80v ，與預(yù)期的+5v 、+15v有一定的誤差；判斷是紋波的問題，所以更換較大的濾波電容220pf,再次測(cè)試后，直流電壓為+4.94v、+14.92v、14.95v較好地達(dá)到目的；調(diào)試二：兩級(jí)運(yùn)算放大器后面為了提高電路的帶負(fù)載能

37、力，所以加上了三極管pn4275，與10歐電阻組成跟隨器，然而，在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，輸出的電壓與電流過大，接著就直接輸出高電壓13多伏了。檢查電路發(fā)現(xiàn)原來(lái)三極管pn4275已經(jīng)燒壞，原因估計(jì)是元件選擇錯(cuò)誤，最大電流太小，后來(lái)買回tip41，在規(guī)格上都符合實(shí)驗(yàn)最大輸出電壓電流，安裝上去后，輸出結(jié)果終于是期望之中的電壓電流值了！調(diào)試三：因?yàn)橹绷麟妷涸吹牡嘏cdac0832模塊電路的數(shù)字地、模擬地是接在一起的，而分布在不同的電路板上了，此外供電電壓也是用導(dǎo)線連接到主電路上的，導(dǎo)線連接過多，加上測(cè)試時(shí)手動(dòng)的原因，顯示電壓電流結(jié)果存在一定的晃動(dòng)，造成不穩(wěn)定。解決方法是在以后設(shè)計(jì)中盡量把所有電路連接到一塊板子上。

38、 6 設(shè)計(jì)結(jié)果分析：6.1 仿真結(jié)果分析： 6.1.1 自制直流電源結(jié)果：由上面proteus仿真結(jié)果顯示可知，設(shè)計(jì)中自制的直流電源順利輸出+15v，15v和+5v的電壓，為數(shù)控主電路提供供電電源，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的基本要求。6.1.2 數(shù)控電壓源仿真結(jié)果分析：仿真結(jié)果分析表輸入電壓v00.51.01.52.02.5仿真電壓v00.5031.011.5002.012.50誤差%00.6100.50輸入電壓v3.03.54.04.55.05.5仿真電壓v3.003.504.014.505.005.50誤差%000.25000輸入電壓v6.06.57.07.58.09.9仿真電壓v6.006.506.9

39、97.508.019.90誤差%000.1400.1250通過仿真結(jié)果可得，該電路軟硬件以具備輸入一定電壓值輸出對(duì)應(yīng)電壓的目的，且輸出電壓最大誤差為1%，輸入電與輸出電壓差滿足小于等于10mv設(shè)計(jì)指標(biāo)，該電路達(dá)標(biāo)。6.2 實(shí)物結(jié)果分析： 6.2.1 輸出電壓9.9v6.2.2 輸出電壓0.10 v6.2.3 輸出電壓3.50v6.2.4 輸出電壓5.5v6.2.5 輸出電壓8.0v輸入電壓v0.10.51.01.52.02.5實(shí)際電壓v0.100.491.101.501.982.47誤差%0210011.2輸入電壓v3.03.54.04.55.05.5實(shí)際電壓v3.003.543.994.49

40、4.935.50誤差%01.10.250.221.40輸入電壓v6.06.57.07.58.09.9實(shí)際電壓v5.976.526.977.548.029.91誤差%0.50.300.400.530.250.116.3 實(shí)際電壓測(cè)試表：通過實(shí)際硬件結(jié)果可得，該電路軟硬件以具備輸入一定電壓值輸出對(duì)應(yīng)電壓的目的，盡管有一輸出電壓誤差為10%，但是其他測(cè)試值誤差但在2%以內(nèi)，所以基本上可以認(rèn)為實(shí)際硬件電路是符合我們?cè)O(shè)計(jì)的要求的。七、設(shè)計(jì)心得體會(huì)：八、參考文獻(xiàn)1 伍時(shí)和.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第1版）.北京：清華大學(xué)出版社，2009年4月2 余永權(quán).atmel89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出

41、版社，2002 年4月3 康華光.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版）北京：高等教育出版社，2006年1月4 丁明亮，唐前輝51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真：基于keil c與proteus北京：北 京航空航天大學(xué)出版社，2009年2月5 王建校51系列單片機(jī)及c51程序設(shè)計(jì)北京：科學(xué)出版社，2002.411附錄 111 設(shè)計(jì)源程序/*程序名稱： 數(shù)控電壓源源程序 程序功能： 完成矩陣鍵盤的掃描，置數(shù) 并向dac0832輸出相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼自定義函數(shù)：矩陣鍵盤掃描程序 keyscan 毫秒級(jí)延時(shí)函數(shù) delayms dac0832輸入函數(shù) da0832 數(shù)碼管顯示函數(shù) display 程序編寫時(shí)間：2011年6

42、月7日 */#include<reg52.h>#define uchar unsigned char /定義無(wú)符號(hào)字符型縮寫#define uint unsigned int /定義無(wú)符號(hào)整形縮寫uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/定義共陰極數(shù)碼管顯示數(shù)組uchar flag=0; /輸入小數(shù)及整數(shù)標(biāo)志符uchar shi=0,ge=0; /定義整數(shù)及小數(shù)字符void keyscan(void); /聲明矩陣鍵盤掃描程序void delayms(uint i) /毫秒級(jí)延時(shí)程序uint j,k;for(j=i;j>0;j-)for(k=110;k>0;k-); /延時(shí)一毫秒void da0832() /dac0832輸入程序uchar z;z=shi*10+ge; /將整數(shù)位和小數(shù)位的數(shù)值整合為兩位數(shù)switch(shi) /輸出電壓優(yōu)化程序，對(duì)不同數(shù)值下輸出電壓進(jìn)行優(yōu)化減小誤差case 0:if(z>=5)p3=0x03*z-0x02;else p3=0x03*z;break;case 1:if(z=1