基于單片機的路燈穩(wěn)壓控制系統(tǒng)方案

1、設計（論文）目的與要求一、任務針對我國在城市照明上所存在的巨大的能源消耗而設計一套基于單片機智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。通過智能控制器對功率單元進行控制，進而操控可變電抗變換器來改變路燈的輸出電壓，通過改變路燈的光照來實現(xiàn)節(jié)能。二、目的1.在學習完單片機與相關課程的基礎上，進一步加深和鞏固所學的知識，培養(yǎng)和提高學生查找資料、整理資料的能力。2.通過硬件設計、軟件編寫，使學生掌握用單片機組成應用系統(tǒng)的方法，提高硬件設計、制作、焊接，軟件編寫、調試的能力。3.通過本次設計鞏固單片機的接口、定時、中斷等基本知識，掌握外圍芯片的基本知識。4.熟練掌握用Protel 99 繪制電路圖與PCB板的制作。三、要求

2、1. 設計要求完成的基本功能：穩(wěn)壓控制功能；軟啟動功能；自動啟停功能；智能調壓控制功能等。2技術參數要求：1）穩(wěn)壓精度： 2）響應時間：0.048s3設備要求：計算機、MCS51單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)、常用集成電路芯片、三極管、按鍵和LED數碼管。 4設計說明書要求包括：目錄、標題、概述、方案總體設計（硬件、軟件、 框圖）、單元電路和單元軟件程序、電路總圖、硬件實物與軟件清單、系統(tǒng)調試說明、設計總結與改進意見、參考文獻等。5論文字數2萬3萬字。6. 論文格式嚴格按照學校規(guī)定的論文格式編排。四、附件1. 系統(tǒng)電路原理圖 2. 列出完整元器件清單 3. 印刷電路板圖 4.完整的程序清單五、進度安排1.

3、 2010年12月20日2011年1月10日 要求理解畢業(yè)設計任務書，查閱相關資料；完成開題報告；完成中英文資料翻譯；2. 2月16日4月6日 要求根據所查閱的資料，完成論文提綱；理解設計原理，進行程序設計；設計相關電路設計、調試；產品基本實現(xiàn)功能。3. 4月7日4月12日 完成完整的畢業(yè)設計初稿；4. 4月13日5月3日 完成完整的畢業(yè)設計論文終稿；一校：總體功能與思路；二校：功能細節(jié)、格式細節(jié)；5. 5月4日5月17日準備畢業(yè)設計論文答辯；65月18日5月29日 進行畢業(yè)論文答辯。 六、參考書目1. 廣第.單片機基礎M.航空航天.2何立民.單片機應用技術選編M.航空航天. 3康華光.電子技

4、術基礎（模擬部分）M.高等教育. 4康華光.電子技術基礎（數字部分）M.高等教育.5明熒.8051單片機課程設計實訓教材M.清華大學. 6吳金戍.8051 單片機實踐與應用M.清華大學.7黃志偉.全國大學生電子競賽培訓教程M.電子工業(yè).8. 揚本文,旭東城市路燈照明節(jié)能方案與運行管理J電力2006(8)：61-629. 江思敏. Protel電路設計教程M.清華大學 .10. 鄒常茂,慶軍國智能照明節(jié)電器設備的現(xiàn)狀與技術特J節(jié)能與環(huán)保，2(X)3(12)：52-53指導教師：月華 2010年 12月 18日47 / 61本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告設計（論文）題目 基于單

5、片機的路燈穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的設計設計（論文）題目來源自選課題設計（論文）題目類型工程設計起止時間 2010.12至2011.6一、 設計（論文）依據與研究意義：如今，照明路燈的數量越來越多，使得路燈的用電量占城市用電總量的比重越來越大，在用電高峰期時，電網超負荷運行，電網電壓都低于額定值，在用電低谷期供電電壓又高于額定值，當電壓高時不但影響照明設備的使用壽命，而且耗電量也大幅增加（電源電壓若增加20%，則耗電量增加44%），當低谷時，照明設備又不能正常工作。所以，對城市路燈的設計已經成為了當務之急，特別是午夜之后車流量急劇減少時，應該適當的關閉路燈，節(jié)省用電。但是我國的既能省電又能延長路燈壽命的技

6、術相比國外卻是落后了，特別是要針對我國的現(xiàn)狀并且吸取國外的技術經驗才能設計出符合我國的路燈控制技術。目前我國市場上有多種路燈節(jié)能控制產品，能達到一定節(jié)能效果，但就功能和效果上還不能盡如人意，主要由以下幾類情況：采用自禍變壓器與磁飽和電抗器的降壓技術。其不足是由于反應速度較慢，用電高峰時電壓降到非穩(wěn)定區(qū)，容易造成燈光閃滅，不能自動調節(jié)，同時如果電壓突然升高，則不能避免燈具受到市電的瞬時高壓沖擊，對燈具的保護能力較差;相對來說穩(wěn)壓功能較差。針對于磁飽和電抗器來說，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。采用電氣器件構成的可控硅式設備。該設備主要采取簡單的相控技術，不足之處是元件容易發(fā)熱燒壞，由于采用相控

7、技術產生諧波污染電網，使熒光燈和氣體燈小停閃動，減損燈具壽命與相關附件的使用壽命，降低照明質量，不綠化不環(huán)保，國家相關規(guī)定已經明確禁止使用這種無功補償技術設備，以系統(tǒng)節(jié)電濾波形式，主要是凈化電網，補充無功功率，補償電網，而對于有功電度表計量系統(tǒng)，缺少實際節(jié)電效果。如今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制，從而使直流電源智能化，具有遙測、遙信、遙控的三遙功能，基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守。并且，在當今科技快速發(fā)展過程中，模塊化是直流電源的發(fā)展趨勢，并聯(lián)運行室電源產品大容量化地一個有效手段，可以通過設計N+1冗余電源系統(tǒng)，實現(xiàn)容量擴展，提高電源系統(tǒng)的可靠

8、性、可用性，縮短維修、維護時間。電流模塊電源采用電流型控制模式，集中式散熱技術，實時多人物監(jiān)控，具有高效、高可靠、超低輻射，維護快捷等優(yōu)點，機箱結構緊湊，防腐與散熱也作了多方面的加強。它的應用將會克服大功率電源的制造、運輸與維修等困難。而且和傳統(tǒng)可控硅電源相比節(jié)電20%-30%節(jié)能優(yōu)勢，奠定了它將是未來大功率直流電源的首選。 近20年來，美國和日本照明節(jié)能集中在使用緊湊型熒光燈(CFL)和熒光燈采用鎮(zhèn)流器兩個方面。國外照明節(jié)能技術的發(fā)展具有以下特點. (1)大力推動綠色照明，在光源的材料，使用規(guī)上加以有效管理，出臺了一系列的標準和管理要求，將照明節(jié)能推廣到全民圍;(2)不斷提高功率器件性能要求

9、，主要體現(xiàn)在鎮(zhèn)流裝置上技術提高。通過對鎮(zhèn)流器技術改進來提高照明設備的功率因素。本設計可以通過對外界光線和電壓信號的采集來控制路燈的自動啟停以與智能調壓從而減少城市路燈照明耗電量，又對輸入電壓進行穩(wěn)壓調節(jié)來提高用電效率，緩解許多地方電力供應緊和城市化加快對路燈需求數量增加之間的矛盾，同時可以延長照明設備使用壽命。參考文獻：1 鄒紅.數字電路與邏輯設計M.:人民郵電，2008.32 祥臣.模擬電子技術基礎教程M.:清華大學.2005.33 先鋒工作室編著.單片機程序設計實例M.:清華大學,20024 湯毅剛,喜元,孟升衛(wèi),兆慶.MCS-51單片機使用子程序設計M.:工社,2003業(yè)大學出版5 明熒

10、.8051單片機課程設計實訓教材M.:清華大學,20036 揚本文,旭東城市路燈照明節(jié)能方案與運行管理J.電力,2006(8)：61-627 鄒常茂,慶軍國智能照明節(jié)電器設備的現(xiàn)狀與技術特性J節(jié)能與環(huán)保，2(X)3(12)：52-538 王新賢.通用集成電路速查手冊M.:科學技術，2002.99 馬忠梅.單片機的C語言應用程序設計M.:北航，2003.10 新民 王燕芳.微型計算機控制技術M.:高等教育出版,2004.11 Jun-Lian Zhang and Jian-Xun Jin,Analysis of DC Power Transmission Using High Supercond

11、ucting CablesJ.Journal of Electronic Science and Technology of China,2008.(2-10)12S.Levialdi,NATO AST on Sigital image processingJ.1980(105-145)13Power Integration.Inc.Topswich-GX datasheetsR.2000(TOP242-249)14Power Integration.Inc.National semiconductor datasheetsR.200515Clovis L.Tondo.Scott E.Gimp

12、el.The C Answer Book Solutions to the Exercises in The C Programming LanguageR.2000二、 設計（論文）主要研究的容、預期目標：（技術方案、路線）主要研究容：1. 利用光傳感器來控制繼電器開關路燈的設計；2. 對路燈電壓進行穩(wěn)壓控制的設計；3. 對路燈電壓/電流進行反饋采樣的設計；4. 對采樣電壓進行調壓的設計?？傮w設計方案如下：1. 采集外界光信號，通過A/D轉換后輸入控制器。當外界光信號強度低于一定數值時，通過軟啟動開啟路燈。當光信號強度高于一定數值時，通過軟啟動關閉路燈。這樣能起到節(jié)電的作用。光控電路流程圖如

13、圖1所示。2. 采集輸入電壓信號，通過交流/直流轉換、A/D轉換后輸入控制器，與已設定的標準電壓值進行比較，并對輸入電壓進行穩(wěn)壓，然后將該電壓輸出并驅動路燈。3. 通過時鐘來對路燈亮度進行調節(jié)，在午夜之后將路燈亮度進行降低，這樣既能維持路面的照明，又能節(jié)約用電。開啟路燈光信號信號采集控制器判斷是否有光照射？N關閉路燈Y圖1 自動光控啟?？刂瞥绦蛄鞒虉D保留顯示設定值|實際值-設定差值|大于1?原來的顯示設定值+差值恢復現(xiàn)場顯示結果返回NNYY保護現(xiàn)場實際值<設定值？原來的顯示設定值-差值圖2 穩(wěn)壓判斷控制程序流程圖將采集到的電壓信號與額定電壓相比較，如果采樣電壓與額定電壓差值大于1，則判斷

14、差值是否為負；否則顯示額定值。在判斷差值正負時，如果為負，在顯示值為額定值與差值之和，否則顯示值為額定值與差值之差。穩(wěn)壓控制程序流程圖如圖2所示。模數轉換器三端穩(wěn)壓器電壓采樣電流采樣電源單片機液晶屏顯示鍵盤控制數模轉換器三端穩(wěn)壓器光信號采集燈信號反饋繼電器驅動電壓放大圖3 總體設計圖總體設計圖如圖3所示。本設計是以單片機控制為核心，通過采集三端穩(wěn)壓器輸出的電壓并將該電壓與設定電壓進行比較，進而調整輸出電壓的大小，達到穩(wěn)壓的目的。預期目標：能夠實現(xiàn)以下幾個功能：穩(wěn)壓控制功能；自動啟停功能；智能調壓控制功能三、設計（論文）的研究重點與難點：研究重點：1、對路燈電壓進行穩(wěn)壓控制；2、對路燈進行智能啟

15、停；3、對路燈電壓進行智能調壓。研究難點：1、電路電壓不穩(wěn)定，電壓波動幅度不能確定。2、不能確定在進行補償后的電壓是否與額定電壓相等。四、 設計（論文）研究方法與步驟（進度安排）：1、2010年12月20日2011年1月10日 要求理解畢業(yè)設計任務書，查閱相關資料；完成開題報告；完成中英文資料翻譯；2、2月16日4月6日 要求根據所查閱的資料，完成論文提綱；理解設計原理，進行程序設計；設計相關電路設計、調試；產品基本實現(xiàn)功能。3、4月7日4月12日 完成完整的畢業(yè)設計初稿；4、4月13日5月3日 完成完整的畢業(yè)設計論文終稿；一校：總體功能與思路；二校：功能細節(jié)、格式細節(jié)；5、5月4日5月17日

16、準備畢業(yè)設計論文答辯；6、5月18日5月29日 進行畢業(yè)論文答辯五、 進行設計（論文）所需條件：硬件：計算機，AT89C51單片機，集成電路芯片，LED數碼管，運算放大器，LED顯示屏，三極管，按鍵。軟件：MCS51單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)，單片機開發(fā)板。在該設計中，軟件的設計起到舉足輕重的作用，因為系統(tǒng)工作的可靠性以與穩(wěn)定性都是靠軟件（程序）來控制的。六、 指導教師意見：簽名： 年 月 日摘 要：在生活中，路燈照明是必不可少的，它能使我們的道路更加明亮，使我們的城市更加美觀。本文主要設計了一種基于51單片機為核心控制器的數控穩(wěn)壓控制系統(tǒng)。該電路具有電壓可步進調制，對輸出電壓和電流信號進行調整以與顯

17、示，根據光照情況進行LED燈的開關功能。本文設計的路燈穩(wěn)壓控制系統(tǒng)主要以STC89C52單片機為核心控制單元，先以光信號采集電路進行繼電器驅動，再以數模轉換芯片DAC0832輸出參考電壓，并控制三端穩(wěn)壓器LM317輸出電壓，同時對輸出電壓/電流進行采樣，接著采用A/D轉換芯片ADC0832對采樣的電壓、電流轉換為數字信號，再通過單片機實現(xiàn)閉環(huán)控制。隨著科學技術的不斷發(fā)展，特別是計算機技術的突飛猛進，人們節(jié)電意識的不斷提高，穩(wěn)壓控制電源將會成為城市建設的首選。關鍵詞：單片機（MCU）；數模轉換器（DAC）；模數轉換器（ADC）；閉環(huán)控制Abstract:In life, street lamp

18、lighting is indispensable, it can make our way more bright, to make our city more beautiful. This paper designed a kind of 51 single-chip microcomputer as the core controller based on the numerical control voltage control system. This circuit has voltage can be stepping modulation, output voltage an

19、d current signal to adjust and display light situation, according to the switch function leds. This design voltage control system mainly lamps STC89C52 singlechip control unit, first with the light signal acquisition circuit relay drivers, again with analog-to-digital conversion chip DAC0832 output,

20、 and controls the three reference voltage stabilizer LM317 output voltage, the output voltage/current simultaneously on sampling, then adopts A/D conversion chips for sampling ADC0832 voltage, current into digital signals, then through the SCM realizing closed-loop control. Along with the developmen

21、t of science and technology, especially the rapid development of computer technology, people power saving consciousness rise ceaselessly, the control of the power supply voltage will become urban construction of choice.Keywords:Micro Controller Unit (MCU)；digital-to-analog converters (DAC)；digital c

22、onverter (ADC)；closed-loop control 目錄1、緒論11.1 國外研究狀況21.2 論文的總體結構32、總體設計方案與各功能模塊硬件實現(xiàn)42.1 總體設計方案與論證42.2各功能模塊主要硬件實現(xiàn)62.2.1 三端可調穩(wěn)壓器62.2.2 數模轉換芯片72.2.3 模數轉換芯片92.2.4 運算放大器112.2.5 液晶屏顯示113、硬件模塊設計133.1 單片機控制模塊133.2 穩(wěn)壓控制模塊143.3 電壓與電流采樣模塊163.4 顯示模塊173.5 鍵盤模塊183.6 光信號采集模塊193.7 繼電器驅動模塊204、軟件設計214.1 主程序模塊214.2 電壓

23、反饋比較子程序模塊224.3 按鍵掃描子程序模塊235、系統(tǒng)測試245.1 硬件測試245.2 軟件調試256、總結和展望28參考文獻29致30附錄一系統(tǒng)整體原理圖31附錄二系統(tǒng)源程序32附錄三 PCB圖45附錄四實物圖46附錄五元器件清單47電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉，如果沒了電，人類將失去光明，人類生活將變成一片混亂。電能給我們帶來幸福，我們卻時時刻刻在浪費它，特別是我們用的照明路燈，浪費得特別嚴重。現(xiàn)在，各個城市，大街小巷都裝有路燈，路燈已成為家喻戶曉的照明設備。但我們并不知道，隨著照明路燈的劇增，路燈的用電量也在急劇增加。而且路燈基本都采用高壓鈉燈（該燈功率大），區(qū)域供電電壓極不

24、穩(wěn)定，波動圍大。尤其是在下半夜，電壓通常高達250V以上，致使燈泡損耗率極高。為節(jié)省能耗，減少浪費，降低成本，有必要進行改造。對城市路燈的設計已經成為了當務之急，特別是午夜之后車流量急劇減少時，應該適當的關閉路燈，節(jié)省用電。但是我國的既能省電又能延長路燈壽命的技術相比國外卻是落后了，特別是要針對我國的現(xiàn)狀并且吸取國外的技術經驗才能設計出符合我國的路燈控制技術。因此，我嘗試利用單片機來控制電壓的穩(wěn)定輸出，降低額外浪費。本文主要介紹了如何利用單片機來控制穩(wěn)壓，恒流輸出。本設計主要以三端穩(wěn)壓電路來實現(xiàn)輸入電壓的穩(wěn)定，利用數模轉換電路來實現(xiàn)輸出電壓/電流的采集、反饋，接著讓單片機來控制輸出，從而形成一

25、個閉環(huán)反饋回路。1、緒論電源技術尤其是數控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、材料等諸多學科領域。直流穩(wěn)壓電源是電子技術常用的儀器設備之一，廣泛的應用于教學、科研等領域，是電子實驗員、電子設計人員與電路開發(fā)部門進行實驗操作和科學研究所不可缺少的電子儀器。在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源來供電。而整個穩(wěn)壓過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成。然而這種傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源功能簡單、不好控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復雜度高。普通的直流穩(wěn)壓電源品種有很多，但均存在以下二個問題：輸出電壓是通過粗調（波段開關）與細調（

26、電位器）來調節(jié)。這樣，當輸出電壓需要精確輸出，或需要再一個小圍改變時，困難就較大。另外，隨著使用時間的增加，波段開關與電位器難免接觸不良，對輸出會有影響。穩(wěn)壓方式均是采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，對過載限流或截流型保護，電路構成復雜，穩(wěn)壓精度也不高。隨著電子技術的不斷發(fā)展，以單片機為核心的新一代智能型穩(wěn)壓電源不但電路簡單，結構緊湊，價格低廉，性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣數據進行各種計算，從而可排除和減少由于干擾信號和模擬電路引起的誤差，提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精度，降低了模擬電路的要求。在家用電器和其他各類電子設備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在實際生活中，都

27、是由220V的交流電網供電。這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉換成穩(wěn)定的直流電。濾波器用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波器直流電源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關來實現(xiàn)電壓的調節(jié)，并由電壓表指示電壓值的大小。因此，電壓的調整精度不高，讀數欠直觀，電位器也容易磨損。而基于單片機控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。1.1 國外研究狀況在我國，以電力電子學為

28、核心技術的電源產業(yè)，從二十世紀60年代中期開始形成，到了90年代以來，電源產業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面，電源產業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快;另一方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導下，我國電力電子技術的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎創(chuàng)新，電源產業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術難度較大，具有國際先進水平的產品，而且還產生了一大批具有代表性的研究成果和產品;目前國還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎創(chuàng)新研究。但是我國電源產業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足:在電源產品的質量、可靠性、開發(fā)投入、生產規(guī)模、工藝水平、先進檢測設備、智能化、網絡化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10-15年。目

29、前我國市場上有多種路燈節(jié)能控制產品，能達到一定節(jié)能效果，但就功能和效果上還不能盡如人意，主要由以下幾類情況：采用自禍變壓器與磁飽和電抗器的降壓技術。其不足是由于反應速度較慢，用電高峰時電壓降到非穩(wěn)定區(qū)，容易造成燈光閃滅，不能自動調節(jié)，同時如果電壓突然升高，則不能避免燈具受到市電的瞬時高壓沖擊，對燈具的保護能力較差;相對來說穩(wěn)壓功能較差。針對于磁飽和電抗器來說，除了上述不足外，其效率也普遍偏低。采用電氣器件構成的可控硅式設備。該設備主要采取簡單的相控技術，不足之處是元件容易發(fā)熱燒壞，由于采用相控技術產生諧波污染電網，使熒光燈和氣體燈小停閃動，減損燈具壽命與相關附件的使用壽命，降低照明質量，不綠化

30、不環(huán)保，國家相關規(guī)定已經明確禁止使用這種無功補償技術設備，以系統(tǒng)節(jié)電濾波形式，主要是凈化電網，補充無功功率，補償電網，而對于有功電度表計量系統(tǒng)，缺少實際節(jié)電效果。如今隨著直流電源技術的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機控制，從而使直流電源智能化，具有遙測、遙信、遙控的三遙功能，基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守。并且，在當今科技快速發(fā)展過程中，模塊化是直流電源的發(fā)展趨勢，并聯(lián)運行室電源產品大容量化地一個有效手段，可以通過設計N+1冗余電源系統(tǒng)，實現(xiàn)容量擴展，提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性，縮短維修、維護時間。電流模塊電源采用電流型控制模式，集中式散熱技術，實時多人物監(jiān)控，具有高

31、效、高可靠、超低輻射，維護快捷等優(yōu)點，機箱結構緊湊，防腐與散熱也作了多方面的加強。它的應用將會克服大功率電源的制造、運輸與維修等困難。而且和傳統(tǒng)可控硅電源相比節(jié)電20%-30%節(jié)能優(yōu)勢，奠定了它將是未來大功率直流電源的首選。近20年來，美國和日本照明節(jié)能集中在使用緊湊型熒光燈(CFL)和熒光燈采用鎮(zhèn)流器兩個方面。國外照明節(jié)能技術的發(fā)展具有以下特點.(1)大力推動綠色照明，在光源的材料，使用規(guī)上加以有效管理，出臺了一系列的標準和管理要求，將照明節(jié)能推廣到全民圍;(2)不斷提高功率器件性能要求，主要體現(xiàn)在鎮(zhèn)流裝置上技術提高。通過對鎮(zhèn)流器技術改進來提高照明設備的功率因素。1.2 論文的總體結構第一部

32、分主要是介紹本設計的背景、意義以與國外研究現(xiàn)狀，還介紹了本設計的主要研究容。第二部分主要介紹了本設計總的設計思路并提出了幾種方案的實現(xiàn)與論證，并對該方案運用的基礎知識和所使用的器件作出了扼要的介紹。第三部分主要詳細闡述了各個模塊的整體結構以與設計框圖，包括單片機控制系統(tǒng)模塊、穩(wěn)壓控制模塊、電壓/電流采樣模塊、繼電器驅動模塊、顯示模塊、光信號采集模塊和鍵盤模塊。第四部分主要闡述了軟件設計的思路以與軟件設計流程圖。第五部分主要對該系統(tǒng)進行測試與誤差分析。第六部分是對本設計進行總結。2、總體設計方案與各功能模塊硬件實現(xiàn)2.1 總體設計方案與論證根據設計要求，我設計了以下三種方案：方案一，設計開關電源

33、。在前期方案設計中采用PWM脈寬調制。它的功耗小，效率高，穩(wěn)壓圍寬，電路形式靈活多樣，功耗小，效率高。在制作過程中發(fā)現(xiàn)，PWM占空比的線性變化使相應的電流呈非線性變化，經分析發(fā)現(xiàn)濾波電容的存在對占空比很小的PWM波積分效果明顯，導致電壓的非線性變化更顯著，特別是PWM占空比很小時（希望得到輸出的電壓很?。脝纹_關電源的PWM技術控制開關的占空比來調整輸出電壓的，以達到穩(wěn)定輸出的目的。但用數字量控制的作用更加明顯。方案二，用D/A和運算放大器做電流源，即采用D/A輸出調節(jié)晶體管的偏置電流（電壓）。采用此方案能有效的縮短調節(jié)時間，并能提高輸出精度。設計方案，包括了微控制器模塊、穩(wěn)壓控制模塊、

34、顯示模塊、鍵盤模塊四部分構成，形成開環(huán)控制。方案原理圖如圖2.1所示。方案三，用D/A芯片和三端穩(wěn)壓控制芯片來實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，即采用D/A輸出調節(jié)晶體管的偏置電流（電壓）：使用電壓、電流采樣電路，通過A/D轉換實現(xiàn)閉環(huán)控制。本設計主要是通過MCU控制D/A的輸出電壓大小，通過放大器放大，給穩(wěn)壓模塊作為輸出的參考電壓，真正的電壓、電流是由穩(wěn)壓模塊輸出。采用此方案是對方案二的改進，能有效的縮短調節(jié)時間，進一步提高輸出精度。該設計方案，主要由單片機控制模塊，穩(wěn)壓控制模塊，電壓/電流采樣模塊，顯示模塊，鍵盤模塊，光信號采集模塊，繼電器輸出模塊七部分組成。液晶屏顯示電路，該模塊使用LCD1602液晶顯示屏

35、，可以清晰的顯示分別組成顯示電路的十位、個位、小數點位，同時還能顯示英文名稱和電壓/電流單位。系統(tǒng)整體設計方框圖如圖2.2所示。單片機輸入按鍵電路穩(wěn)壓電路輸出液晶屏顯示數模轉換圖2.1 方案原理圖模數轉換器三端穩(wěn)壓 電壓采樣電流采樣電源單片機液晶屏顯示鍵盤控制數模轉換器三端穩(wěn)壓光信號采集燈信號反饋繼電器驅動電壓放大圖2.2 系統(tǒng)整體設計方框圖2.2各功能模塊主要硬件實現(xiàn)2.2.1 三端可調穩(wěn)壓器在進行穩(wěn)壓器選擇時，我挑選了以下兩種三端穩(wěn)壓器來進行比較分析。方案一，7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，它是5V固定電壓輸出，應用非常廣泛。其部有過流保護、過熱保護以與安全工作區(qū)得保護，使它基本上不會損壞。

36、如果能夠提供足夠的散熱片，它就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然7805是按照固定電壓值來設定的，但是當接入適當的外部器件后，就能獲得各種不同的電壓和電流。方案二，LM317是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路。在輸出電壓圍為1.2V到37V時能夠提供超過1.5A的電流。此穩(wěn)壓器非常易于使用，只需要兩個外部電阻來設置輸出電壓。此外還使用部限流、熱管段和安全工作區(qū)補償使之基本能防止燒斷保險絲。LM317服務于多種應用場合，包括局部穩(wěn)壓等。該器件還可以用來制作一種可編程的輸出穩(wěn)壓器，或者，通過在調整點和輸出之間接一個固定電阻，LM317可用作一種精密穩(wěn)流器。因為要求輸出電壓可調，所以選

37、擇三端可調式集成穩(wěn)壓器。在可調式集成穩(wěn)壓器中，317系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調的正電壓，337系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調的負電壓，其可調圍為1.2V37V，最大輸出電流為1.5A。穩(wěn)壓部含有過流、過熱保護電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點。其電壓調整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構成的可調電壓穩(wěn)壓電源，LM317典型電路如圖2.3所示。當穩(wěn)壓器離電源濾波器有一定距離時Cin是必需的。Co對穩(wěn)定性而言不必要，但改進瞬態(tài)響應。Vout=1.25V（1+）+IadjR2 (式2.1)式2.1中，1.25是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調整端之間的固有參考電壓Vref，此電壓加于給定電阻R1兩端，將產生一個恒

38、定電流通過輸出電壓調節(jié)電位器R2。，電阻R1常取值120240，與其并聯(lián)的電容器C可進一步減小輸出電壓的紋波。綜合以上兩種方案，從性能以與電路需求上考慮，本設計采用方案二，因為LM317以與LM337電路能夠連續(xù)可調電壓/電流，而且LM317可輸出正電壓，LM337可輸出負電壓。圖2.3 LM317應用電路2.2.2 數模轉換芯片數模轉換芯片TLC5620是帶有4個電壓輸出型的8位數模轉換器，DAC0832是一種常用的CMOS數模轉換器，以下是對這兩種數模轉換芯片的方案比較。方案一，TLC5620帶有緩沖參考輸入（高阻抗）。DAC模塊輸出電壓圍為1或2倍的參考電壓，TLC5620是單向的。這個

39、器件使用很簡單，有一個5V的單電源供電。上電復位功能可以保證重啟動條件。對TLC5620的數字控制是通過一個簡單的3線串行總線完成，并且與CMOS版本兼容，易于和所用主流微處理器和微控制器接口。11位的命令字由8位數據位、2位DAC模塊選擇位和1位圍位組成，圍位允許輸出圍在1或2倍之間選擇。DAC寄存器是雙緩沖的，允許一套完整的新值寫入器件，通過控制LDAC端所有DAC輸出都可以同時更新。數字輸入的施密特觸發(fā)器特性可以抑制高頻噪聲。14針的小外形封裝使得模擬信號的數字控制功能可以應用于要求節(jié)省空間的情況。TL5620的工作溫度圍是0到70。TLC5620不需要外部微調。TLC5620是用4個電

40、阻串DAC模塊實現(xiàn)的。每個電阻串的一端接到GND端，另一端接到參考輸入緩沖的輸出端。通過使用電阻串可以維持單調性。線性依賴于電阻元件的匹配和輸出緩沖的性能。由于輸入帶有緩沖，DAC對參考源總是呈現(xiàn)高阻抗。方案二，DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數/模轉換器。DAC0832是一個8位D/A轉換芯片，單電源供電，從+5V+15V均可正常工作，基準電壓的圍為±10V，電流建立時間為1us，CMOS工藝，低功耗20mm。它由一個8位輸入寄存器、1個8位DAC寄存器和1個8位D/A轉換器組成。它旨在直接與8080，8048，8085，Z80與其他通用的微型處理器進行相接

41、。存儲的硅鉻R-2R電阻梯形網絡將參考電流分開，并為電路提供合適的溫度處理特性（全圍最大線性溫度誤差的0.05%）。電路利用CMOS電流開關和控制邏輯來取得最少的電能損耗和最小的輸出泄露電流誤差。特殊的電路也能提供TTL邏輯輸入電壓的水平兼容。雙緩沖可以使這些D/A轉換器在獲取下一個數位字時輸出相應一個數位字的電壓。這就使得任何一個D/A轉換器均可進行同步更新。DAC0832邏輯框圖和引腳排列如圖2.4所示。DAC0832的電路簡單，電流建立時間短，購買容易，故選擇方案二。 圖2.4 DAC0832邏輯框圖和引腳排列DAC0832利用、ILE、控制信號可以構成三種不同的工作方式。1、直通方式：

42、當=0時，數據可以從輸入端經兩個寄存器直接進入D/A 轉換器。2、單緩沖方式：兩個寄存器之一始終處于直通，即=0或=0，另一個寄存器處于受控狀態(tài)。3、雙緩沖方式：兩個寄存器均處于受控狀態(tài)。這種工作方式適用于多模擬信號同時輸出的應用場合。本設計中DAC0832的和連接后接單片機的P3.0，和接地，讓DAC083工作在單緩沖方式下。2.2.3 模數轉換芯片TLC548是一款以開關電容逐次逼近原理工作且轉換速度較快的模數轉換芯片，而ADC0832則能夠進行數據校驗，減小數據誤差。以下對這兩款模數轉換芯片進行方案選擇。方案一，TLC548是美國儀器公司生產的8位串行A/D轉換器芯片，可與通用微處理器、

43、控制器通過CLK、CS、DATA OUT三條口線進行串行接口。是以開關電容逐次逼近原理工作的8位串行A/D芯片，供電圍為3V6V，控制口線少，時序簡單，轉換速度快，功耗低，價格便宜，適用于低功耗的袖珍儀器上的單路A/D采樣，也可將多個器件并聯(lián)使用。具有4MHz片系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉換時間最長17s，TLC548允許的最高轉換速率為45500次/s，TLC549為40000次/s?？偸д{誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準轉換圍，VREF-接地，(VREF+)VREF-1V，可用于較小信號的采樣。TLC548具有片系

44、統(tǒng)時鐘，該時鐘與I/OCLOCK是獨立工作的，無須特殊的速度或相位匹配。當CS為高時，數據輸出(DATA OUT)端處于高阻狀態(tài)，此時I/O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時使用多片TLC548時，共用I/O CLOCK，以減少多路(片)A/D并用時的I/O控制端口。TLC548還可方便地與具有串行外圍接口(SPI)的單片機或微處理器配合使用，也可與51系列通用單片機連接使用。方案二，ADC0832是美國國家半導體公司生產的一種8位分別率、雙通道A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級。其部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉換時間僅為32us，據有

45、雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變得更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。在正常情況下，ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別為CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO與DI并聯(lián)在一根數據線上使用。由于ADC0832據有雙數據輸出，穩(wěn)定性能強，雖然轉換速度沒有TCL548快，但是TCL548適用于低功耗的袖珍儀器。綜合各方面因素，方案二更適合本設計。ADC0832引腳功能與引腳圖如圖2.5所示，實物圖如圖2.6

46、所示。圖2.5 ADC0832引腳圖排列 圖2.6 ADC0832實物圖ADC0832引腳功能：1、：片選使能，低電平芯片使能。2、CH0：模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。3、CH1：模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。4、GND：芯片參考0電位（地）。5、DI：數據信號輸入，選擇通道控制。6、DO：數據信號輸出，轉換數據輸出。7、CLK：芯片時鐘輸入。8、Vcc/REF：電源輸入與參考電壓輸入（復用）。2.2.4 運算放大器運算放大器OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓（對于OP07A最大為25uV），所以OP07在很多

47、應用場合不需要額外的調零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。而且OP07具有極低的失調電壓溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度與長期穩(wěn)定等特點。該運放可防應用于穩(wěn)定積分、精密絕對值電路、比較器與微弱信號的精確放大。OP07具有以下幾個特點：1、低輸入偏置電流：1.8nA。2、低失調電壓漂移：0.5uV/。3、超穩(wěn)定，時間：2V/month最大。4、高電源電壓圍：±3V至±22V。5、超低偏移：150

48、uV最大。因此，本設計采用OP07作為運算放大器。2.2.5 液晶屏顯示LCD1602可以在LCD顯示屏上完整顯示32個英文字符和日文等一些字符，適合顯示英文文字信息量較小的地方，可以應用在計算器、頻率計、信號發(fā)生器、時鐘等產品上。LCD1602引腳如圖3.4所示。LCD1602顯示屏性能與特點：1、顯示容量：16X2個字符。2、芯片工作電壓：4.5-5.5V。3、工作電流2MA（5V）不包括背光電流。4、模塊最佳工作電壓為5V。5、字符尺寸：2.95X4.35mm。6、帶有英文和日文字庫，使用方便。LCD1602顯示屏引腳功能表如表2.1所示。表2.1 LCD引腳定義引腳號引腳名電平輸入/輸

49、出作用1VSS電源地2VCC電源（+5V）3VEE對比調整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令，1=輸入數據5R/W0/1輸入0=向LCD寫入指令或數據1=從LCD讀取信息6E1,1-0輸入使能信號，1時讀取信息，1 0(下降沿)執(zhí)行指令7DB00/1輸入/輸出數據總線line0（最低位）8DB10/1輸入/輸出數據總線line19DB20/1輸入/輸出數據總線line210DB30/1輸入/輸出數據總線line311DB40/1輸入/輸出數據總線line412DB50/1輸入/輸出數據總線line513DB60/1輸入/輸出數據總線line614DB70/1輸入/輸出數據總線line715A+V

50、CCLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負極2.3 本章小結 綜合以上各個方案的論證，本設計總原理框圖如圖2.7所示。本設計主要采用常用的STC89C52單片機芯片作為控制器，P0口和DAC0832的數據口直接相連，D/A的電壓輸出端接放大器OP07的輸入端，設定放大器的放大倍數為5，輸出到電壓模塊LM317的電壓分辨率0.1V。所以，當MCU輸出數據增加1的時候，最終輸出電壓增加0.1V，當調節(jié)電壓的時候，可以以每次0.1V的梯度增加或降低電壓。本主電路的原理是通過MCU控制D/A的輸出電壓大小，通過放大器放大，給穩(wěn)壓模塊作為最終輸出的參考電壓，真正的電壓、電流還是由穩(wěn)壓模塊LM317

51、輸出。這樣整個電路就能形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，通過對輸出電壓、電流的采集反饋，從而對輸出電壓進行穩(wěn)壓、恒流調節(jié)。模數轉換ADC0832三端穩(wěn)壓 LM317電壓采樣電流采樣電源單片機STC89C52液晶屏顯示鍵盤控制數模轉換DAC0832三端穩(wěn)壓LM317光信號采集燈信號反饋繼電器驅動電壓放大OP07圖2.7 系統(tǒng)原理框圖3、硬件模塊設計3.1 單片機控制模塊單片機控制模塊主要以51系列的STC89C52芯片為核心，P0口接液晶顯示屏LCD1602作為輸出數據顯示傳輸，同時P2.0、P2.1、P2.2是液晶LCD控制端口；P1口接DAC0832作為輸出數據傳輸，P3.0為DAC0832控制端口；P3.

52、1，P3.2，P3.3接3個獨立鍵盤作為輸入數據傳輸；P2.5,P2.6，P2.7接ADC0832作為輸入/輸出數據傳輸。單片機控制電路如圖3.1所示。單片機RESET腳所接電路中，開關KEY1起到復位的作用。圖3.1 單片機控制電路3.2 穩(wěn)壓控制模塊該穩(wěn)壓控制模塊主要由DAC0832、LM337、LM317與運放OP07組成。主要是用DAC0832輸出的參考電壓去控制LM317輸出大小變化。其中DAC0832的基準電壓Verf來源是通過調節(jié)LM337基準源。單片機STC89C52的P1口和DAC0832的數據口直接相連，DAC0832的和連接后接P3.0，和接地，讓DAC0832工作在單緩

53、沖方式下。通過調節(jié)可調電阻調節(jié)LM337的輸出電壓為5.12V，DAC0832的輸出電流轉換為電壓的公式為：ui=-(bn-1*2n-1+ bn-2*2n-2+b1*2+ b0*20)*Rf=-B （式3.1）所以在DAC0832的11腳輸出電壓的分辨率為5.12V/256=0.02V，也就是說DAC0832輸入數據端每增加1，電壓增加0.02V。穩(wěn)壓控制電路如圖3.2所示。圖3.2 穩(wěn)壓控制電路由圖2.3的LM317應用電路分析可得，設運算放大器OP07的輸入電壓分別為Ui1和Ui2，輸出輸出電壓為Vo1。DAC0832的電壓輸出端接運算放大器OP07的輸入端，該放大電路運用了典型的差分放大

54、電路，并由差分放大公式Uo1=Au（|Ui1-Ui2|）且放大值Au=（R8+R9）/R8，得輸出電壓與輸入電壓關系： Uo1=(R8+R9)/R8*(| Ui1-Ui2|)=5*（|Ui1-Ui2|） (式3.2)電源輸出電壓為：Uout=Uo1+Uref*(1+R11/R12)=Uo1+1.25*(1+R11/R12)=Uo1+1.8 （式3.3）式3.3中，Uref為R12兩端的電壓，所以最小輸出電壓為1.8V，輸出到電壓模塊LM317的電壓分辨率為0.02*5=0.1V。當單片機輸出數據增加1時，最終輸出電壓增加0.1V，當調節(jié)電壓的時候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓。3.3 電壓與電流采樣模塊電壓與電流采樣模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，ADC0832是一個8位的逐次逼近型ADC，它與一個兩通道的模擬器連接，能對來自端口的兩路單端輸入電壓進行采樣。其中單端輸入電壓以0V（GND）為基準。對于ADC0832：以輸入電壓為準，如果輸入電壓大于設定的電壓值，則減小DAC輸出電壓一位數值，再采樣比較，如此循環(huán)下去，直到輸入的電壓等于設定的電壓值或者接近設定的電壓值。同理，如果輸入的電壓小于設定的電壓，則增大輸出電壓一位數值，再采樣比較，如此循環(huán)下去，直到輸入的電壓等于設定的電壓值或接