論文數(shù)控步進(jìn)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作

1、數(shù)控步進(jìn)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)與制作安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院創(chuàng)新工作室摘要：本課題設(shè)計(jì)以AT89C51為核心，通過(guò)A/D、D/A轉(zhuǎn)換、V/I轉(zhuǎn)換及獨(dú)特的算法實(shí)現(xiàn)了高精度的，電壓輸出范圍為012V，電流輸出范圍為0mA1A的數(shù)控步進(jìn)直流穩(wěn)壓電源。該電流源具有電壓可預(yù)置，0.5V步進(jìn)，同時(shí)顯示給定值和實(shí)測(cè)值等功能。關(guān)鍵字：AT89C51，數(shù)控電源，A/D、D/A轉(zhuǎn)換、V/I轉(zhuǎn)換CNC stepping dc voltage source of design and manufactureAbstract: This topic design USES AT89C51 as the core, the A/

2、D, D/A transformation, V/I conversion and unique method of high voltage output, the range of 0-12 V, current output for 0mA 1A nc stepping dc voltage stabilizer. With the current source voltage preset, 0.5 V stepping, given value and values etc. Function.Key words: AT89C51, Numerical controlled sour

3、ce,A/D、D/Aconverter、 V/I converter目 錄1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)31.1 設(shè)計(jì)要求31.1.1 基本要求31.1.2 技術(shù)指標(biāo)31.2 總體設(shè)計(jì)方案41.2.1 方案論證與比較42. 單元電路設(shè)計(jì)72.1 電壓源電路設(shè)計(jì)72.2 控制器電路設(shè)計(jì)82.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)82.2.2 A/D、D/A電路設(shè)計(jì)82.3 鍵盤電路設(shè)計(jì)92.4 顯示器電路設(shè)計(jì)102.5 穩(wěn)壓電源電路103. 軟件設(shè)計(jì)113.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖113.2 軟件功能、算法及源程序：124. 系統(tǒng)測(cè)試144.1 測(cè)試使用的儀器144.2 指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果144.2.1 輸出電壓范圍測(cè)試144.

4、2.2 電壓顯示準(zhǔn)確性測(cè)試144.2.3 電流顯示準(zhǔn)確性測(cè)試144.2.4 步進(jìn)功能測(cè)試154.2.5紋波功能測(cè)試155. 結(jié)語(yǔ)15參考文獻(xiàn)16附錄1 主要元器件清單16附錄2 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖17附錄3 模塊電路原理圖17附錄4 單片機(jī)最小系統(tǒng)PCB19附錄5 模塊電路PCB19附錄6 操作說(shuō)明：20電源就按照這個(gè)目錄寫，好的，加上單元電路調(diào)試的方法、問題與解決、電路與程序的改進(jìn)、問題與不足。1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并制作數(shù)控步進(jìn)直流穩(wěn)壓電源。輸入交流200240V，50Hz；輸出直流電壓0+12V。其原理示意圖如下所示。1.1 設(shè)計(jì)要求題目要求設(shè)計(jì)并制作數(shù)控步進(jìn)直流穩(wěn)壓電源。其要求如下:1.

5、1.1 基本要求（1） 通過(guò)“”、“”鍵步進(jìn)調(diào)整輸出電壓，可調(diào)范圍為0+12V，步進(jìn)幅度為0.5V。（2）輸出電壓和電流值通過(guò)4位LED顯示，顯示精度分別為0.1V和0.01A。通過(guò)“F1”鍵實(shí)現(xiàn)電壓/電流顯示切換，開機(jī)默認(rèn)顯示電壓，按“F1”轉(zhuǎn)換為顯示電流，再按“F1”轉(zhuǎn)換為顯示電壓。4位LED末位顯示單位，電流顯示“”，電壓顯示“”。（3） 過(guò)流保護(hù)與報(bào)警功能。1.1.2 技術(shù)指標(biāo)（1）交流輸入電壓范圍：220V±10（2）輸出電壓范圍：0+12V（3） 輸出電流范圍：01A（4） 輸出紋波電壓：<10mV（輸出電壓為10V，輸出電流為500mA時(shí)測(cè)得）（5）過(guò)流保護(hù)動(dòng)作電

6、流：1.1 A1.2 總體設(shè)計(jì)方案1.2.1 方案論證與比較（1）電壓源模塊方案方案一：采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒壓源。方案二：圖1.1 采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)電壓源原理框圖（2）控制器模塊方案方案一：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制模塊。FPGA可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，穩(wěn)定性強(qiáng)，易于調(diào)試和進(jìn)行功能擴(kuò)展。FPGA采用并行輸入輸出方式，處理速度高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引腳較多，加大了硬件設(shè)計(jì)和實(shí)物制作的難度。方案二：采用AT89C51作為控制模塊核心。單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單，容易制作PCB，算術(shù)功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，較好的發(fā)揮C語(yǔ)言的

7、靈活性，可用編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，同時(shí)其具有功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。基于以上分析，選擇方案二,利用AT89C51單片機(jī)將電壓步進(jìn)值或設(shè)定值通過(guò)換算由D/A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)壓源電路實(shí)現(xiàn)電壓輸出。輸出電壓經(jīng)處理電路作A/D轉(zhuǎn)換反饋到單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)碼管顯示電壓或電流的值。在器件的，D/A轉(zhuǎn)換器選用8位優(yōu)質(zhì)D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，直接輸出電壓值，A/D轉(zhuǎn)換器選用8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832。（3）顯示器模塊方案方案一：使用LED數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管采用BCD編碼顯示數(shù)字，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)。方案二：使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字?jǐn)?shù)字，

8、分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗小，且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，但編程相對(duì)復(fù)雜。綜上所述，選擇方案一。（4）鍵盤模塊方案方案一 ：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線,每個(gè)I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。方案二 ：采用標(biāo)準(zhǔn)4X4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時(shí)可降低占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目。題目要求電壓值步進(jìn)調(diào)整，需要的按鍵只有四個(gè)。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用方案一。（5）電源模塊方案系統(tǒng)需要多個(gè)電源，單片機(jī)、A/D、D/A、使用5V穩(wěn)壓電源，運(yùn)放需要±12V穩(wěn)壓電源，同時(shí)題目要求最高輸出電流為1A，電源需為系統(tǒng)提供足夠大的穩(wěn)

9、定電流。綜上所述，采用三端穩(wěn)壓集成7805、7812、7912分別得到+5V和±12V的穩(wěn)定電壓，利用該方法實(shí)現(xiàn)的電源電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠。122 系統(tǒng)組成經(jīng)過(guò)方案比較與論證，最終確定系統(tǒng)的組成框圖如圖所示。輸出輸出調(diào)整單元整流濾波交流輸入芯片供電部分D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器AT89C51按鍵數(shù)碼管顯示圖1.1 數(shù)控步進(jìn)直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)組成框圖2. 單元電路設(shè)計(jì)2.1 恒定電壓源電路設(shè)計(jì)2.2 控制器電路設(shè)計(jì)2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)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)

10、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(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)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AT89S52，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P2.0P2.3是數(shù)碼管接口；P3口作為D/A轉(zhuǎn)換接口,P2.5P2.7也是D/A轉(zhuǎn)換器的接口；P1.0P1.2是A/D轉(zhuǎn)換器的接口;P1.3P1.6口為鍵盤接口。圖2.2 由AT89C51為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.2 A/D、D/A電路設(shè)計(jì)（1）D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)設(shè)計(jì)基本要求，DA轉(zhuǎn)換輸出范圍為-5V0V，要滿足步進(jìn)為0.5V的要

11、求，我們選用8位的D/A轉(zhuǎn)換器，DAC0832是較好的選擇，DAC0832各引腳的功能如下：DI07：數(shù)據(jù)輸入線；ILE：數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，高電平有效CS：輸入寄存器選擇信號(hào)，低電平有效，WR：輸入寄存器的寫選通信號(hào)，輸入鎖存器的鎖存信號(hào)LE1由ILE|、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生。當(dāng)ILE為高電平、CS為低電平、WR1為輸入負(fù)脈沖時(shí)，在LE1產(chǎn)生正脈沖；LE1為高電平時(shí)，輸入鎖存器的狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入線的狀態(tài)變化，LE1的負(fù)跳變將數(shù)據(jù)線上的信息鎖入輸入寄存器。 XFER：數(shù)據(jù)傳送信號(hào)，低電平有效。WR2為DAC寄存器的寫選通信號(hào)。DAC寄存器鎖存信號(hào)LE2，由XFER、WR2的邏輯組合產(chǎn)生。當(dāng)XFE

12、R為低電平，WR2輸入負(fù)脈沖，則在LE2產(chǎn)生正脈沖；LE2為高電平時(shí)，DAC寄存器的輸出和輸入寄存器的狀態(tài)一致，LE2負(fù)跳變，輸入寄存器的內(nèi)容打入DAC寄存器。VREF：基準(zhǔn)電源輸入引腳。 Rf0： 反饋信號(hào)輸入引腳，反饋電阻在芯片內(nèi)部。 Iout1、Iout2：電流輸出引腳。電流IOu T1與IOuT2的和為常數(shù)，IOuT2、IOuT1隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。 Vcc： 電源輸入引腳。 AGND： 模擬信號(hào)地。 DGND： 數(shù)字地。（2）A/D轉(zhuǎn)換器在電路中，ADC0832與單片機(jī)P1.0P1.2口相接，通過(guò)編程模擬ADC0832的通信時(shí)序?qū)崿F(xiàn)對(duì)ADC0832的操作，然后通過(guò)程序查詢?cè)?/p>

13、管腳是否為低電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC0832中寄存器數(shù)據(jù)的讀取。如圖2.3所示為A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路圖,其中CON8接口與單片機(jī)最小系統(tǒng)的P1口相接。圖2.3 A/D與D/A轉(zhuǎn)換電路圖2.3 鍵盤電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，使用獨(dú)立式鍵盤，可以“+”、“-”、“切換”。其電路圖如圖2.4所示。圖2.4 鍵盤電路圖2.4 顯示器電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用四個(gè)數(shù)碼管顯示模塊，數(shù)碼管與單片機(jī)接口：在本設(shè)計(jì)中，采用8位并行接法，其接口如圖2.5所示。圖2.5 RT19264D接口2.5 穩(wěn)壓電源電路在本設(shè)計(jì)中,運(yùn)放需±12V供電，單片機(jī)和A/D、D/A需5V供電，采用三端穩(wěn)壓器7805、7812、7912構(gòu)成

14、一穩(wěn)壓電源，電路如圖2.6所示。圖2.6 穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1圖2.7電源方框及波形圖a 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。b 穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負(fù)載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。3. 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言,對(duì)AT89C51進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各種功能。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的控制。軟件實(shí)現(xiàn)的功能是： 確定電壓步進(jìn)調(diào)整 電

15、壓給定值的設(shè)置 測(cè)量輸出電壓值3.1軟件設(shè)計(jì)流程圖|圖3.1 單片機(jī)程序流程圖3.2 軟件功能、算法及源程序：源程序用Keil C51編寫，在XP系統(tǒng)下調(diào)試成功。以下給出部分源程序：/本程序功能：用ADC0832測(cè)量電壓并顯示，并通過(guò)DAC0832輸出相同的電壓/#include <regx51.h>#include <intrins.h>#include <AT89X51.H>#include <stdio.h>#defineSEG_DP P0#define SEG_WP P2#define DA_DP P3sbit ADCS = P10;sb

16、it ADCLK = P11;sbit ADDI = P12;sbit ADDO = P12;sbit ADF1 = P13;sbit ADF2 = P14;sbit ADDJIA = P15;/按鍵加 sbit ADDJIAN = P16;/按鍵減 sbit DAILE = P24;sbit DAWR2 = P25;sbit DAXFER = P26;sbit DAWR1 = P27;unsigned char code Tab=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xC1;/共陽(yáng)/Tab=0x3F,0x06,0x5B,0x4F

17、,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x3E;共陰void Delay1mS(unsigned int tt)unsigned char i;while(tt-) for(i=50;i>0;i-);void Display(unsigned int dat) /顯示的數(shù)值為毫伏unsigned char ge,shi,bai,qian,wan;wan = dat/10000%10;qian = dat/1000%10;bai = dat/100%10;shi = dat/10%10;ge = dat%10;SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0

18、7;SEG_DP = Tabwan; Delay1mS(10);SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0b;SEG_DP = Tabqian&0x7F;/千位加小數(shù)點(diǎn)Delay1mS(10);SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0d;SEG_DP = Tabbai;Delay1mS(10);SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0e;SEG_DP = Tab10;Delay1mS(10);unsigned char ADC0832(bit mode,bit channel) /AD轉(zhuǎn)換，返回結(jié)果unsigned char i;unsig

19、ned char dat,ndat;ADCS = 0;/拉低CS端_nop_();_nop_();ADDI = 1;/第1個(gè)下降沿為高電平ADCLK = 1;/拉高CLK端_nop_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低CLK端,形成下降沿1_nop_();_nop_();ADDI = mode;/低電平為差分模式，高電平為單通道模式。ADCLK = 1;/拉高CLK端_nop_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低CLK端,形成下降沿2_nop_();_nop_(); ADDI = channel;/低電平為CH0，高電平為CH1ADCLK = 1;/拉高CLK端_nop

20、_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI = 1;/控制命令結(jié)束(經(jīng)試驗(yàn)必需)dat = 0;/下面開始讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，從最高位開始依次輸出（D7D0）for(i = 0;i < 8;i+)dat <<= 1;ADCLK=1;/拉高時(shí)鐘端_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低時(shí)鐘端形成一次時(shí)鐘脈沖_nop_();_nop_();dat |= ADDO;ndat = 0; /記錄D0if(ADDO = 1)ndat |= 0x80;/下面開始繼續(xù)讀取反序的數(shù)據(jù)（從D1到D7） for(i = 0;i < 7;i+)

21、ndat >>= 1;ADCLK = 1;/拉高時(shí)鐘端_nop_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低時(shí)鐘端形成一次時(shí)鐘脈沖_nop_();_nop_();if(ADDO = 1)ndat |= 0x80; ADCS = 1;/拉高CS端,結(jié)束轉(zhuǎn)換ADCLK = 0;/拉低CLK端ADDI = 1;/拉高數(shù)據(jù)端,回到初始狀態(tài)if(dat = ndat)return(dat);elsereturn 0; void DAC0832(unsigned char dat)DAILE = 1;DAWR1 = 0;DAXFER = 0;DAWR2 = 0;DA_DP = dat;ma

22、in()unsigned int adc; unsigned int adc1;while(1) if ( ADDJIA=0) Delay1mS(100); if ( ADDJIA=0) if (adc1=5000) adc1=5000; if (adc1<5000) adc1=adc1+200; if ( ADDJIAN=0) Delay1mS(100); if ( ADDJIAN=0) if (adc1=0) adc1=0; if (adc1>0) adc1=adc1-200; adc = ADC0832(1,0); /單通道模式，CH0 adc = adc*23.6855*2

23、; /轉(zhuǎn)換為實(shí)際電壓便于顯示Display(adc);DAC0832(adc1/19.607843); 4. 系統(tǒng)測(cè)試4.1 測(cè)試使用的儀器測(cè)試使用的儀器設(shè)備如表4.1所示表4.1 測(cè)試使用的儀器設(shè)備序號(hào)名稱數(shù)量備注1直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源12數(shù)字萬(wàn)用表131/2位3數(shù)字萬(wàn)用表141/2位4數(shù)字萬(wàn)用表15位4.2 指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果輸出電壓范圍測(cè)試測(cè)試條件：空載按“”鍵電壓應(yīng)可調(diào)至+12V，按“”鍵電壓應(yīng)可調(diào)至0.5V以下。經(jīng)測(cè)試符合要求。電壓顯示準(zhǔn)確性測(cè)試測(cè)試條件：空載在輸出電壓分別為5V、7V、10V時(shí)，測(cè)量電壓顯示值與實(shí)際值的差異。經(jīng)測(cè)試符合要求。4.2.3 電流顯示準(zhǔn)確性測(cè)試測(cè)試條件：輸出電壓為10V調(diào)節(jié)負(fù)載大小，在輸出電流分別為0.3A、0.5A、0.7A、1A時(shí)，測(cè)量電流顯示值與實(shí)際值的差異。經(jīng)測(cè)試誤差不大。步進(jìn)功能測(cè)試在輸出電壓為5V、輸出電流為100mA時(shí)，連續(xù)按“”鍵10次，電壓應(yīng)升至10V，再連續(xù)按“”鍵6次，電壓應(yīng)為7V。經(jīng)測(cè)試符合要求。紋波電壓測(cè)試測(cè)試條件：輸出電壓為10V，輸出電