嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)

PAGE嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)訓(xùn)論文 課題名稱簡(jiǎn)易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源 班級(jí)電信0912學(xué)號(hào)姓名 2011年6月方案設(shè)計(jì)前言

數(shù)控直流電源是一種常見(jiàn)的電子儀器，廣泛應(yīng)用于電路，教學(xué)試驗(yàn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域。目前使用的可控直流電源大部分是點(diǎn)動(dòng)的，利用分立器件，體積大，效率低，可靠性差，操作不方便，故障率高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子，電器設(shè)備對(duì)電源的性能要求提高，電源不斷朝數(shù)字化，高效率，模塊化和智能化發(fā)展。以單片機(jī)系統(tǒng)為核心而設(shè)計(jì)的新一代——數(shù)控直流電源，它不但電路簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，性能優(yōu)越，而且由于單片機(jī)具有計(jì)算和控制能力，利用它對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算，從而可排除和減少模擬電路引起的誤差，輸出電壓和限定電流采用數(shù)輸入采用鍵盤方式，電源的外表美觀，操作使用方便，具有較高的使用價(jià)值。1、設(shè)計(jì)要求：（1）輸出電壓：范圍0~+9.9V,步進(jìn)0.1V；（2）輸出電流：500mA;（3）輸出電壓值由數(shù)碼管顯示；（4）由“+”、“—”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減；2、實(shí)訓(xùn)目的：（1）掌握模擬電子電路與數(shù)字電路分析和設(shè)計(jì)能力；（2）掌握電路基本設(shè)計(jì)工藝和常用儀器儀表的使用能力，熟練排除電路故障；（3）具備電路裝配、檢測(cè)與調(diào)試工藝和流程控制能力；（4）具備電路測(cè)試方案設(shè)計(jì)能力和測(cè)試數(shù)據(jù)分析能力；3、工作原理：簡(jiǎn)易數(shù)控直流穩(wěn)壓電源主要包括三大部分：數(shù)字控制部分，D/A變換部分及可調(diào)穩(wěn)壓部分。完成這三大部分功能的電路及集成芯片品種很多。合理的設(shè)計(jì)及選擇電路則是完成本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。除了上述的三大部分之外，還包括一些附加的功能電路，如電壓顯示、控制、防止誤操作等。數(shù)字控制部分用+/-按鍵控制產(chǎn)生可增加或減少BCD碼，BCD碼輸入到D/A變換，變換成相應(yīng)的電壓，此電壓通過(guò)放大到合適的電平后加到可調(diào)穩(wěn)壓部分，控制輸出電壓以手動(dòng)0.1V的電壓步進(jìn)或步減，或自動(dòng)連續(xù)步進(jìn)（減），或直接變化到某一設(shè)定的電壓值。方案一：采用數(shù)字電位器與運(yùn)放到組合在該方案中我們用兩個(gè)數(shù)字電位器代替了MCU中的D/A，這樣可以降低成本，同時(shí)簡(jiǎn)化電路，從兩個(gè)串連的數(shù)字電位器可以直接輸出-5V到+5V的電壓同上面方案一樣，當(dāng)輸出反相電壓時(shí)在送電壓回A/D采樣時(shí)要先經(jīng)過(guò)一次反相。但同樣存在上面的問(wèn)題。

優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，降低了成本

缺點(diǎn)：因?yàn)閿?shù)字電位器電阻誤差大，且單片機(jī)的A/D口容易損壞。方案二：采用7805構(gòu)成直流電源采用7805構(gòu)成直流電源的電路，改變RP阻值使7805的公共端的電壓在0到－10V之間可調(diào)，則7805的輸出端電壓就可實(shí)現(xiàn)0V－+9.9V之間可調(diào)了。這種方案是利用了7805的輸出端與公共端的電壓固定為+5的特性來(lái)設(shè)計(jì)的。但同樣存在不好數(shù)控的問(wèn)題。方案三

方案一與方案二結(jié)合，然后再以+5V為參考輸出

如上圖所示，采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出電流，經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換和反向放大之后得到0V~9.9V的電壓，把這個(gè)電壓送到三端穩(wěn)壓器件7805的公共端，然后，再以+5V作為參考則輸出的電壓就能實(shí)現(xiàn)在0V~+9.9V任意可調(diào)。采樣時(shí)，是對(duì)地采樣的，就省去了負(fù)電壓不好采樣的麻煩，這也是我們的創(chuàng)新之處。二、硬件設(shè)計(jì)方案一：數(shù)控部分用單片機(jī)帶動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片提供線性穩(wěn)壓電壓的參考電壓。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于單片機(jī)，系統(tǒng)工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度要求較高，設(shè)計(jì)成本低。缺點(diǎn)：功耗較大，數(shù)碼管輸出顯示不足系統(tǒng)的精確輸出電壓，須對(duì)它進(jìn)行軟件補(bǔ)償。方案二：數(shù)控部分用AVR單片機(jī)的PWM組成開(kāi)關(guān)電源，再利用AVR的AD轉(zhuǎn)換對(duì)輸出電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，利用軟件進(jìn)行電壓調(diào)整以達(dá)到穩(wěn)壓。優(yōu)點(diǎn)：硬件簡(jiǎn)單，穩(wěn)壓的大部分工作由軟件完成。缺點(diǎn)：對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行速度要求很高，利用手頭的ATmaga16L單片機(jī)最高8MHz工作頻率很難達(dá)到速度要求。對(duì)軟件要求較高，功耗小。設(shè)計(jì)思想以STC89C51為核心的單片機(jī)控制，通過(guò)編程，并通過(guò)按鍵來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的改變，并通過(guò)P2口將數(shù)據(jù)傳給TLC5615芯片輸出電流信號(hào)，再通過(guò)LM324芯片將電流轉(zhuǎn)換成電壓并放大再經(jīng)過(guò)濾波作為L(zhǎng)M317的基準(zhǔn)電壓實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)壓直流電源，同時(shí)單片機(jī)P0口輸出相應(yīng)代碼使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的電流值。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵調(diào)好TLC5615的基準(zhǔn)電壓，作品的精度就能夠?qū)崿F(xiàn)。三、軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是：按鍵對(duì)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)送3位8段共陽(yáng)數(shù)碼管，同時(shí)送到8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片（TLC5615），以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量對(duì)電壓的控制。系統(tǒng)中的主程序主要完成按鍵掃描、判斷、處理和數(shù)碼顯示。初始化硬件初始化硬件有健按下？按鍵服務(wù)程序上圖為主程序流程圖，程序一開(kāi)始對(duì)硬件進(jìn)行初始化，例如系統(tǒng)對(duì)YLC5615單片機(jī)端口進(jìn)行定義，然后進(jìn)行按鍵判斷處理程序，首先通過(guò)按鍵掃描判斷是否有按鍵按下，進(jìn)入按鍵服務(wù)陳旭，否則繼續(xù)讀按鍵狀態(tài)。根據(jù)按鍵功能表，軟件設(shè)計(jì)部分中鍵盤實(shí)現(xiàn)的功能如下：按“調(diào)整”鍵開(kāi)始社決定電壓，超過(guò)0~9V視為無(wú)效操作，十位、個(gè)位、十分位循環(huán)輸入，按“確認(rèn)”鍵確認(rèn)，不再閃動(dòng)。按過(guò)“調(diào)整”鍵后，按“增加”鍵，數(shù)值控制住在0~9，調(diào)整需要值后按確定鍵。按“—”鍵進(jìn)行減0.1V微調(diào)，按“+”鍵進(jìn)行加0.1V微調(diào)。鍵盤服務(wù)程序如下：有鍵按下有鍵按下確認(rèn)有按鍵按下是調(diào)整鍵嗎？是設(shè)定鍵嗎？是確認(rèn)鍵嗎？是+—鍵嗎？是復(fù)位鍵嗎？調(diào)整子程序設(shè)定子程序確認(rèn)子程序步進(jìn)+—子程序復(fù)位四．制作與調(diào)試硬件的調(diào)試過(guò)程：1、

輸出電壓：范圍0V～＋9.V，步進(jìn)0.1V。。初始狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)4個(gè)按鍵輸入.0V～＋9.9V之間的任意電壓值，并實(shí)時(shí)顯示。顯示值與實(shí)際測(cè)量值同步，且在0V～＋9.9V之間的調(diào)節(jié)過(guò)程中最大誤差為0.03V；

2、

輸出電壓可預(yù)置在0V～＋9.9V之間的任意一個(gè)值，并且設(shè)有電壓步進(jìn)0.1V的增減鍵，實(shí)時(shí)可調(diào)，有自動(dòng)掃描代替人工按鍵功能，步進(jìn)0.1V；

3、

輸出電流≤500mA；

4、

輸出電壓調(diào)整率≤0.5%(輸入電壓220V變化范圍＋15%～－20%下，空載到滿載）;

輸出電壓/輸出電流特性：

分析：輸出電壓在無(wú)負(fù)載時(shí)，已調(diào)整到5.00V，在500mA輸出電流流動(dòng)時(shí)，輸出電壓為4.94，要比此時(shí)無(wú)負(fù)載電壓5.00V低0.06V（1.2%）。因此對(duì)電源的等效輸出電阻進(jìn)行計(jì)算為0.12Ω（0.06V/500mA）

由于射極跟隨器的輸出阻抗為數(shù)歐，可以知道，加上負(fù)反饋之后大大減小了電源的輸出阻抗。5、在調(diào)試過(guò)程中，碰到了電阻不夠大，后來(lái)經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們又串聯(lián)了一個(gè)2.7K的電阻，這樣電壓就更加穩(wěn)定了，可以輸出相應(yīng)的電壓值。

6、線性度：（測(cè)試數(shù)據(jù)分析）

理論值測(cè)試值偏差理論值測(cè)試值偏差理論值測(cè)試值偏差1.001.01850.01852.002.01460.01463.003.00120.00121.151.16740.01742.152.16380.01383.333.33750.00751.351.36820.01822.352.36190.01193.503.50210.00211.551.56660.01662.552.56170.01173.693.69680.00681.951.96360.01362.752.76040.01043.843.84540.0054理論值測(cè)試值偏差理論值測(cè)試值偏差理論值測(cè)試值偏差4.154.15430.00435.005.0000.00006.116.0970.0134.384.38330.00335.375.3640.00366.326.3090.0124.674.67060.00065.555.5430.0076.456.4370.0134.884.88030.00035.775.7610.0096.846.8230.0174.974.97460.00465.945.9380.0026.996.9710.019理論值測(cè)試值偏差理論值測(cè)試值偏差理論值測(cè)試值偏差7.317.2840.0278.248.2170.0239.008.9710.0297.477.4460.0248.518.4820.0299.389.3460.0347.597.5680.0228.708.6730.0279.539.4990.0317.667.6370.0238.888.8500.0309.749.7020.0387.967.9360.0248.938.9020.0289.999.9520.038軟件的調(diào)試過(guò)程：DA轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)成無(wú)太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)DA轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個(gè)電流開(kāi)關(guān)(或電壓開(kāi)關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外，也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。一般說(shuō)來(lái)，由于電流開(kāi)關(guān)的切換誤差小，大多采用電流開(kāi)關(guān)型電路，電流開(kāi)關(guān)型電路如果直接輸出生成的電流，則為電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器，如果經(jīng)電流椀繆棺緩笫涑觶蛭繆故涑魴?/FONT>DA轉(zhuǎn)換器。此外，電壓開(kāi)關(guān)型電路為直接輸出電壓型DA轉(zhuǎn)換器。TLC5615是一個(gè)串行10位DAC芯片，性能比早期電流輸出的DAC要好。只需要通過(guò)3根串行總線就可以完成10位數(shù)額的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或控制器（單片機(jī)）接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表、移動(dòng)電話，也適用于數(shù)字失調(diào)于增益調(diào)整以及工業(yè)控制場(chǎng)合。其主要特點(diǎn)如下：供5V電源工作、3線串行接口、高阻抗基準(zhǔn)輸入端、DAC輸出的最大電壓為2倍基準(zhǔn)輸入電壓、上電時(shí)內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位、微處理，最大功耗為1.75mW、轉(zhuǎn)換速率快，更新率為1.2MHz。五、總結(jié)本設(shè)計(jì)制作完成了題目要求的基本部分，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。本系統(tǒng)以高性能STC89C51單片機(jī)芯片和8位精度的DA轉(zhuǎn)換器TLC5615為核心部件，利用常用的三端穩(wěn)壓器件7805的公共端與輸出端固定的5伏電壓特性，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字顯示輸出電壓值和電流值可實(shí)時(shí)控制并顯示的高性能數(shù)控電源。通過(guò)此次數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，我對(duì)數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)有了很深的理解。我們綜合應(yīng)用課本上的理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力得到了提高，我覺(jué)得課程設(shè)計(jì)對(duì)我們的幫助很大，它需要我們將學(xué)過(guò)的理論知識(shí)與實(shí)際情況聯(lián)系起來(lái)，加強(qiáng)我們對(duì)學(xué)過(guò)的知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用能力。在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我遇到了幾個(gè)自己不能解決的問(wèn)題，通過(guò)老師和同學(xué)的幫助，最終把問(wèn)題解決，因此，我發(fā)現(xiàn)自己的電子知識(shí)還是有限的，而且我們所學(xué)的理論知識(shí)是很有用的，沒(méi)有堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，是不可能完成設(shè)計(jì)的。通過(guò)自己實(shí)際地設(shè)計(jì)和操作，也進(jìn)一步熟悉了各種模擬和數(shù)字器件的功能和軟件的基本功能，體會(huì)到了設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的過(guò)程和其深刻意義。附錄1：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序#include<at89x52.h>#defineCSP1_2#defineDINP1_0#defineCLKP1_1voiddelay(void);unsignedchara[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};unsignedcharb[6]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb};unsignedcharx=5,y=0;z=0;unsignedcharc[3];unsignedchari,m,s=3,temp,flg,count=0,h,j;///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////voidhex_to_bcd(void){c[0]=x%10/1;c[1]=y%10/1;c[2]=z%10/1;}///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////voiddisplay(void){unsignedchari;for(i=0;i<3;i++){ if(m>20&&(i==s)) P0=0xff; else{ P0=a[c[i]]; if(i==0)P0=a[c[i]]&0X7f; }P2=b[i];delay();}m++;if(m==40)m=0;}///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////*/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////voidkey(void){temp=P3;temp=temp|0xc3;if(temp!=0xff) {delay(); temp=P3;temp=temp|0xc3;if(temp!=0xff){if(temp==0xfb){s=s+2;if(s>6)s=0;if(s<6)TR0=0;elseTR0=1;}//K411111011 if(temp==0xf7){if(s==0){x++;if(x>23)x=0;} elseif(s==2){y++;if(y>59)y=0;} elseif(s==4){z++;if(z>59)z=0;} }//K311110111 if(temp==0xef){if(s==0){if(x==0)x=23;elsex--;} elseif(s==2){if(y==0)y=59;elsey--;} elseif(s==4){if(z==0)z=59;elsez--;} }//K211101111 while((P3|0xc3)!=0xff){display();} }}}//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////*/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////voidda_delayus(unsignedchart){unsignedchari;for(i=0;i<t;i++){;}}voidyc(void){unsignedchari;unsignedinttmp;tmp=(x*100L+y*10+z)<<2;CLK=0;CS=0;for(i=0;i<12;i++){ if((tmp&0x0800)==0)DIN=0; else DIN=1; tmp=tmp<<1;CLK=1; da_delayus(1); CLK=0; da_delayus(1); }CS=1;}/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////voidkey(void){temp=P3;temp=temp|0xd3;//11010011if(temp!=0xff) {delay(); temp=P3;temp=temp|0xd3;if(temp!=0xff){switch(temp){ case0xfb:s=s+1;if(s==3)yc();if(s>3)s=0; break;//K411111011 case0xf7:if(s==0){x++;if(x>9)x=0;} elseif(s==1){y++;if(y>9)y=0;} elseif(s==2){z++;if(z>9)z=0;} break;//K311110111 case0xdf:if(s==0){if(x==0)x=9;elsex--;} elseif(s==1