數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

-.z.論文題目數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)學(xué)生指導(dǎo)教師、職稱論文起訖日期自2014年09月23日起，至2015年05月10日選題目的與意義實(shí)現(xiàn)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，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。提高電源的工作效率，減少功耗。主要研究容本次設(shè)計(jì)是基于STC12C5A32S2、*L6012升壓芯片和*L4016降壓芯片的數(shù)控直流電源系統(tǒng)，主要以解決數(shù)控電源的高效轉(zhuǎn)換輸出,高精度數(shù)控輸出,大功率等問題為出發(fā)點(diǎn),研究以單片機(jī)STC12C5A32S2為核心,結(jié)合電流檢測(cè)電路,電壓檢測(cè)電路,運(yùn)放反響回路,ADC采樣電路,DAC采樣電路以及其他外圍輔助電路,以此充分發(fā)揮基于*L6012升壓芯片和*L4016降壓芯片的數(shù)控穩(wěn)壓電源調(diào)整速度快，電壓調(diào)整率低，負(fù)載調(diào)整率低等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高精度低紋波輸出,大功率輸出等功能。三、根本要求1可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控和手動(dòng)兩種模式。2輸出電壓圍：5.00—31.00V。3輸入電壓圍：10.00—30.00V。4步進(jìn)電壓100mV以下。5輸出電流：可達(dá)3A四、進(jìn)度安排2014.09.23-2014.11.30:指導(dǎo)教師下達(dá)畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文〕任務(wù)書，學(xué)生承受任務(wù)、收集、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。2014.12.01-2014.12.30:開題報(bào)告2015.01.01-2015.03.15學(xué)生撰寫論文提綱；系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試、實(shí)驗(yàn)；撰寫論文〔設(shè)計(jì)說(shuō)明書〕。2015.03.16-2015.03.19:論文修改、定稿。2015.04.22-2015.05.10:論文辯論準(zhǔn)備及辯論。五、主要參考文獻(xiàn)、資料[1]全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].：高等教育.2009.1[2]閆俊嶺,帥華.基于89C51單片機(jī)的數(shù)控直流電源外圍電路設(shè)計(jì)[J].數(shù)字信,2013,(04):67-73.[3]鵬.基于單周控制的數(shù)控直流電源的研究[D].華中科技大學(xué),2011.[4]瞿才鑫.數(shù)控直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué),2013.[5]王小明,盧志強(qiáng).基于STC89C52數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,(34):145-146+178目錄數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)III摘要III關(guān)鍵詞IIITheDesignOfNumericalControlledDCPowerIIIAbstractIIIKeywordsIII1前言32方案論證32.1電源局部方案一32.2電源局部方案二32.3電源局部方案三32.4數(shù)控局部方案32.5方案選擇33硬件設(shè)計(jì)33.1硬件電路的總體設(shè)計(jì)方案33.2具體硬件單元電路設(shè)計(jì)33.2.1STC12C5A32S2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路33.2.2LCD1602液晶顯示模塊電路33.2.3控制局部的電源供電電路33.2.4電阻分壓電路33.2.5TLC1549ADC轉(zhuǎn)換電路與基準(zhǔn)電壓電路33.2.6獨(dú)立按鍵、蜂鳴器和模式指示燈電路33.2.7數(shù)控模式與手動(dòng)模式切換電路33.2.8數(shù)控模式與手動(dòng)模式控制電路33.2.9電源局部電路34軟件設(shè)計(jì)34.1主函數(shù)程序設(shè)計(jì)34.2外部中斷0程序設(shè)計(jì)34.3自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓程序設(shè)計(jì)35系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析35.1系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試3手動(dòng)輸出電壓3數(shù)控輸出電壓3輸入電壓3輸出電流35.2誤差分析3參考文獻(xiàn)3致3附錄3附錄1系統(tǒng)控制局部原理圖3附錄2電源局部原理圖3附錄3軟件設(shè)計(jì)主函數(shù)代碼3-.z.數(shù)控直流電源設(shè)計(jì)摘要本設(shè)計(jì)采用STC12C5A32S2單片機(jī)作為整機(jī)的控制中心，利用*L6012升壓芯片和*L4016降壓芯片作為電源模塊的核心。用LCD1602液晶模塊來(lái)作為屏幕顯示，主要顯示輸入電壓、輸出電壓、輸出電流和控制模式。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控和手動(dòng)控制兩種模式。數(shù)控模式可以通過(guò)按鍵輸入數(shù)值來(lái)控制對(duì)應(yīng)想要的電壓值，也可以通過(guò)按鍵來(lái)進(jìn)展輸出電壓的微調(diào)。手動(dòng)模式可以直接調(diào)節(jié)電位器來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。本設(shè)計(jì)具有性能可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、過(guò)壓、過(guò)流報(bào)警、掉電保存等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)控電源單片機(jī)升壓降壓-.z.The

Design

Of

Numerical

Controlled

DC

PowerAbstractThisdesignadoptsSTC12C5A32S2MCUascontrolcenterofthewholemachine,using*L6012boosterand*L4016step-downchipasthecoreofthepowermodule.Using

LCD1602

as

screen

display

which

mainly

shows

the

voltage

input

or

output,

thecurrent

input

or

output

and

the

control

mode.Thisdesigncanachievetwopatternsofnumericalcontrolandmanualcontrol.Numericalcontrolmode:It

can

be

controlled

by

keying

a

certain

voltage

value

and

also

can

finely

tunes

output

voltage

by

key

.

Manual

mode:

It

can

adjust

output

voltage

by

directly

adjusting

potentiometer.Thisdesignfeaturesindependableperformance,simplestructure,over-voltage,over-currentalarm,electricitysaving,etc.Keywords:DigitallyControlledPowerSource;Microcontroller;Step-up;Step-down-.z.1前言隨著現(xiàn)代信息化革命的開展，電源技術(shù)給電子技術(shù)提供了穩(wěn)定的開展前提，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。普通電源在工作時(shí)容易產(chǎn)生老化、誤差、可調(diào)節(jié)性變差等現(xiàn)象。嚴(yán)重的會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度或造成系統(tǒng)崩潰、毀壞，為此各個(gè)企業(yè)對(duì)電源技術(shù)有了更高的要求。自20世紀(jì)90年代以后，數(shù)控電源技術(shù)有了長(zhǎng)足的開展，也取得了很大的技術(shù)突破。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不夠、精度不高、紋波較高、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此現(xiàn)代數(shù)控電源的主要開展趨勢(shì)，是針對(duì)以上缺乏而加以改良的。本設(shè)計(jì)也是主要針對(duì)數(shù)控電源的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，重點(diǎn)在提高數(shù)控程度、降低功耗、提高帶負(fù)載能力。2方案論證本設(shè)計(jì)主要分為電源局部和數(shù)控局部，因此本人就分別進(jìn)展論證。2.1電源局部方案一采用線性穩(wěn)壓器件來(lái)作為電源局部的核心部件。如LM317，它是正電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓圍為1.24V～35.5V，能提供1.5A以下的電流，紋波抑制比高達(dá)80dB，輸出電壓紋波極小,還具有輸出短路保護(hù)、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)。而且只需要兩個(gè)電阻來(lái)設(shè)置輸出電壓，這使得電路設(shè)計(jì)起來(lái)非常簡(jiǎn)單,可以節(jié)省元件,而且控制方便。這是因?yàn)長(zhǎng)M317的Vout引腳與可調(diào)段引腳的電壓差是1.24V，即圖2.1中R1兩端的電壓為1.24V。所以有Vout=(1.24/R1)*(R1+R2)+Iadj*R2〔式2.1〕由于Iadj被芯片部控制在小于100uA的圍，所以可以“Iadj*R2〞這一項(xiàng)產(chǎn)生的誤差可以忽略，即可以去掉“Iadj*R2〞這一項(xiàng)。最后有Vout=1.24(1+R2/R1)〔式2.2〕由式2.2可知：只要固定了R1，改變R2的阻值，就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。綜上特點(diǎn)，LM317相比其他的開關(guān)電源芯片有很大的優(yōu)勢(shì)。圖2.1LM317降壓電路2.2電源局部方案二采用芯龍半導(dǎo)體的開關(guān)電源管理芯片*L6012，該芯片具有工作效率最高達(dá)94%以上、最高輸出電流可達(dá)6A、輸入電壓寬度為5V到48V、輸出電壓可達(dá)60V、置多種保護(hù)電路等特點(diǎn)。而且它既可以作為升壓芯片來(lái)使用，也可以當(dāng)作升降壓芯片來(lái)使用。其中它的大功率升壓型開關(guān)電源芯片升降壓應(yīng)用方案是符合本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求的。該升降壓方案的原理圖如圖2.2所示。圖2.2*L6012升降壓應(yīng)用根據(jù)圖2.2上的公式VOUT=1.25*(1+R2/R1)〔式2.3〕得只要固定住R1，而將R2改為可調(diào)的電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。根據(jù)該芯片的特點(diǎn)和應(yīng)用原理圖分析可以得到：本方案是可行的、符合要求的。2.3電源局部方案三本方案采用*L6012和*L4016。*L6012的性能特點(diǎn)同方案二中所描述。*L4016是開關(guān)降壓型DC-DC芯片，具有很好的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率，輸出電壓圍為1.23V～37V，輸入電壓圍為7V～42V，輸出電流可高達(dá)8A，芯片部集成有各種保護(hù)等模塊。本方案是運(yùn)用到了*L6012的升壓方案和*L4016的降壓方案，即先讓*L6012將電壓升高到31V以上的一個(gè)固定電壓值，再讓*L4016將電壓降到31V以下。這一升一降就可以到達(dá)本設(shè)計(jì)要求的輸出電壓了。具體原理圖如圖2.3所示：圖2.3*L6012和*L4016組成的升降壓應(yīng)用根據(jù)*L6012和*L4016的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，只要調(diào)整好R1/R3的比值就可以將電壓升高到31V以上的一個(gè)固定電壓值，只要調(diào)整好R2/R4的比值就可以將電壓降到31V以下。為此本方案也是可行的、符合要求的。2.4數(shù)控局部方案數(shù)控局部采用是以宏晶科技的STC12C5A32S2為主，以其他電路為輔的一個(gè)控制局部。STC12C5A32S2的性能特點(diǎn)如下：〔1〕它是增強(qiáng)型8051單片機(jī)，指令代碼與傳統(tǒng)8051的相似，1個(gè)時(shí)鐘周期就是1個(gè)機(jī)器周期，比普通的8051單片機(jī)快11倍?！?〕工作電壓為：3.5V—5.3V；2.1V—3.6V?！?〕工作頻率圍為：0到34MHz,相當(dāng)于普通8051單片機(jī)的0到411MHz?！?〕Flash為32K字節(jié)，部集成有1280字節(jié)的RAM?！?〕具有ISP〔在系統(tǒng)可編程〕/IAP〔在應(yīng)用課編程〕的功能，無(wú)需專用編譯器、仿真器，可直接通過(guò)串口下載程序代碼。〔6〕4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4路多種電平方式觸發(fā)的外部中斷,2路PCA實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器。〔7〕具有8路，10位的ADC；2路PWM?！?〕I/O口可以設(shè)置為四種模式。總體的控制模型示意圖如圖2.4所示：電源模電源模 塊LCD1602顯示：輸入、輸出電壓、輸出電流、工作模式控制電路LCD1602顯示：輸入、輸出電壓、輸出電流、工作模式控制電路電流轉(zhuǎn)換電路電阻分壓電阻分壓電壓放大電壓放大STC12C5A32S2單片機(jī)系統(tǒng)STC12C5A32S2單片機(jī)系統(tǒng)PWM三個(gè)獨(dú)立按鍵鍵三個(gè)獨(dú)立按鍵鍵圖2.4總體的控制示意圖2.5方案選擇根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，LM317的一些參數(shù)是非常適宜本設(shè)計(jì)的，但是電流參數(shù)達(dá)不到要求，而且本設(shè)計(jì)是要求輸出電壓是可以大于輸入電壓的，因此用LM317是很難到達(dá)要求得。所以方案一不可行。方案二和方案三理論上都可行，但在本人實(shí)際的把電路板做出來(lái)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)方案二的負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率都達(dá)不到要求，而且對(duì)于元件的參數(shù)要求比擬嚴(yán)格。因此電源局部選擇方案三來(lái)實(shí)施。數(shù)控局部的方案如圖2.4所示，它具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于集成、節(jié)省元件和空間、費(fèi)用較少等特點(diǎn)。3硬件設(shè)計(jì)“〞3.1硬件電路的總體設(shè)計(jì)方案圖3.1總體的設(shè)計(jì)框圖根據(jù)所選的方案，總體的設(shè)計(jì)框圖如圖3.1所示。本設(shè)計(jì)的思路是：以兩個(gè)電阻組成的分壓電路將輸入電壓和輸出電壓“降低〞到符合STC12C5A32S2單片機(jī)的AD電壓采集圍，即0～5V。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電阻的阻值比就可以倒推出輸入電壓和輸出電壓。以LCD1602液晶顯示模塊為屏幕顯示輸入、輸出電壓、輸出電流、工作模式。以5個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)作為按鍵輸入，即電壓輸出的設(shè)定、模式的選擇、電壓輸出的增減、記錄當(dāng)前電壓都可以用5個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)完成。讓輸出電流經(jīng)過(guò)負(fù)載再經(jīng)過(guò)采樣電阻后流到地，這樣就可以在采樣電阻上產(chǎn)生壓降，將此電壓放大到適合STC12C5A32S2單片機(jī)的AD電壓采集圍。STC12C5A32S2單片機(jī)再進(jìn)展程序運(yùn)算就可以計(jì)算出輸出電流，并顯示在LCD1602液晶顯示模塊上。當(dāng)單片機(jī)啟動(dòng)后或者通過(guò)按鍵設(shè)定好輸出電壓后，單片機(jī)就自動(dòng)運(yùn)算，產(chǎn)生適宜的PWM波形。該P(yáng)WM波形進(jìn)入控制電路局部后會(huì)被整流成直流電壓，并與電阻分壓電路進(jìn)展比擬，最后接入到*L4016的FB引腳，這樣就可以控制輸出電壓。3.2具體硬件單元電路設(shè)計(jì)STC12C5A32S2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖3.2STC12C5A32S2單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.2所示，STC12C5A32S2單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由STC12C5A32S2芯片、晶振電路、復(fù)位電路和各種插針組成。其中按鍵S2為復(fù)位按鍵，它是通過(guò)高電平來(lái)觸發(fā)STC12C5A32S2復(fù)位的。C10的作用是讓復(fù)位的高電平保持至少2個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間，而讓STC12C5A32S2有做夠的時(shí)間來(lái)判斷是不是該復(fù)位。R16的作用是給C10放電，這使得STC12C5A32S2的復(fù)位引腳上的電平逐漸降低，當(dāng)降低到0時(shí)，單片機(jī)開場(chǎng)工作。STC12C5A32S2的P0口是接LCD1602的數(shù)據(jù)口，P2.7和P2.6是接LCD1602的使能端和存放器選擇引腳。P2.5接的是圖3.8中的蜂鳴器控制端。P2.2接的是圖3.10中的繼電器控制端。P2.1和P2.0接的是圖3.8中的指示燈。P1.0、P1.1、P1.2都是ADC輸入引腳。P1.3是作為PWM波的輸出引腳。STC12C5A32S2的6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)11號(hào)引腳接的是5個(gè)獨(dú)立按鍵。15號(hào)、16號(hào)和17號(hào)引腳接的是TLC1549的7號(hào)、6號(hào)和5號(hào)引腳。18號(hào)和19號(hào)引腳接的是晶振電路，其實(shí)STC12C5A32S2部也有振蕩電路，但因?yàn)樗荝C振蕩電路，頻率不夠精準(zhǔn)也不夠穩(wěn)定，所以采用外部晶振電路。由于本人只有11.0591MHz的晶振，所以本次設(shè)計(jì)就采用11.0591MHz的晶振。圖3.3LCD1602液晶顯示模塊電路3.2.2LCD1602液晶顯示模塊電路圖3.4LCD1602液晶顯示模塊實(shí)物如圖3.3和圖3.4所示，本設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶顯示模塊來(lái)作為顯示器。相對(duì)于其他的顯示模塊來(lái)說(shuō)，LCD1602具有體積小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格廉價(jià)等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶顯示模塊。LCD1602的引腳總共有16個(gè)，排布依次是VSS〔地線〕、VDD〔電源〕、V0〔屏幕比照度調(diào)節(jié)〕、RS〔存放器選擇〕、R/W〔讀寫信號(hào)線〕、EN〔使能端〕、DB0～DB7〔雙向數(shù)據(jù)總線〕、BLA〔背光電源正極〕、BLK〔背光電源負(fù)極〕。調(diào)節(jié)R25時(shí)可以調(diào)節(jié)LCD1602屏幕的比照度。STC12C5A32S2向LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用8位并行IO口來(lái)傳輸?shù)?，這是因?yàn)榭梢宰寯?shù)據(jù)傳輸更快，及時(shí)的顯示輸入、輸出電壓、輸出電流、工作模式。由于LCD1602的執(zhí)行速度比STC12C5A32S2還要快，所以可以不用檢測(cè)LCD1602的閑與忙，進(jìn)而直接將5號(hào)引腳接地。3.2.3控制局部的電源供電電路圖3.5控制局部的電源供電電路圖3.5中的LM2596是一款高效的開關(guān)降壓芯片，輸出電壓可連續(xù)調(diào)整為0～37V，能提供3A的電流，本身又集成有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷等電路。LM2596的1號(hào)引腳是電源輸入腳，它是接到*L4016的輸入引腳，從*L6012升壓后取得電壓。由于*L6012升壓后的電壓高于31V,所以采用此供電電路可以減少功耗，經(jīng)過(guò)LM2596降壓后供應(yīng)7805,再由7805來(lái)給控制局部供電。之所以經(jīng)過(guò)LM2596降壓后還要使用7805來(lái)再次穩(wěn)壓，是因?yàn)?805是一款常見的集成降壓芯片，它可以提供的電流可達(dá)1.5A，供電電壓穩(wěn)定、紋波極小。在大多數(shù)的電子產(chǎn)品中設(shè)計(jì)中，常用的穩(wěn)壓器有78××系列和79××系列?！?8〞代表的是它可以輸出正電壓，而“79〞可以輸出正電壓。顧名思義，“7805〞就表示它是一個(gè)可以輸出正5V的三端穩(wěn)壓器；而“7905〞就表示它是一個(gè)可以輸出負(fù)5V的三端穩(wěn)壓器三端。這種穩(wěn)壓用的集成芯片，只有3個(gè)引腳，分別是VIN、GND、VOUT。常見的封裝有TO-220、TO-3等封裝。本次設(shè)計(jì)采用的是TO-220封裝。3.2.4電阻分壓電路如圖3.6所示,VIN接的是電源模塊的輸入電源端,VOUT接的是電源模塊的輸出電壓端。P1.1、P1.2就是STC12C5A32S2單片機(jī)的引腳，直接使用STC12C5A32S2單片機(jī)置的AD轉(zhuǎn)換器就可以讀出R22和R24的電壓。只要R39和R22、R40和R24的電阻阻值確定下來(lái)，就可以通過(guò)STC12C5A32S2單片機(jī)計(jì)算出VIN和VOUT的電壓值并顯示在LCD1602上。圖3.6電阻分壓電路計(jì)算公式為VIN=(ADC1/1023*4.95)/R22*(R39+R22)〔式3.1〕OUT=(ADC2/1023*4.95)/R24*(R40+R24)〔式3.2〕DAC1和DAC2是P1.1和P1.2引腳讀回模擬電壓后轉(zhuǎn)換出來(lái)數(shù)字值；除以1023是因?yàn)镾TC12C5A32S2單片機(jī)的8路ADC是10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器；4.95是單片機(jī)的工作電源電壓值。3.2.5TLC1549ADC轉(zhuǎn)換電路與基準(zhǔn)電壓電路圖3.7的上半局部電路是基準(zhǔn)電源電路，其中的TL431是一款可控精細(xì)穩(wěn)壓源，它的輸出電壓可以只用兩個(gè)電阻來(lái)設(shè)置Verf，電壓圍可在2.5V到36V之間的任意值。圖3.7的下半局部電路是ADC轉(zhuǎn)換電路，其中TLC1549是一個(gè)8引腳的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有部采樣和保持、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。TLC1549的1號(hào)腳是正基準(zhǔn)電壓輸入端，2號(hào)腳是模擬電壓信號(hào)輸入端，3號(hào)腳是負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入端，4號(hào)腳是模擬地，5號(hào)腳是片選端，6號(hào)腳是數(shù)據(jù)輸出端，7號(hào)腳是時(shí)鐘線，8號(hào)腳是電源端。之所以還需要圖3.7的電路是因?yàn)樵撾娐肥怯脕?lái)測(cè)量輸出電流，以提高測(cè)量精度。本次設(shè)計(jì)采用基準(zhǔn)電壓就是4V，這比STC12C5A32S2的部基準(zhǔn)電壓較低，所以可以提高測(cè)量電流的精度。當(dāng)輸出電流流過(guò)負(fù)載后再流進(jìn)采樣電阻時(shí)，就在采樣電阻上產(chǎn)生壓降，將這壓降經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大后接到TLC1549的2號(hào)引腳。圖3.7TLC1549ADC轉(zhuǎn)換電路與基準(zhǔn)電壓電路3.2.6獨(dú)立按鍵、蜂鳴器和模式指示燈電路圖3.8獨(dú)立按鍵、蜂鳴器和模式指示燈電路圖3.9“輸入電壓〞模式如圖3.8所示，本次設(shè)計(jì)總共采用5個(gè)獨(dú)立按鍵。從左至右數(shù)，第一個(gè)按鍵是“模式設(shè)置〞按鍵，它可以設(shè)置本設(shè)計(jì)的電源輸出方式，即數(shù)控模式和手動(dòng)模式，默認(rèn)情況下是數(shù)控模式；第二個(gè)按鍵是LCD1602的“屏幕切換〞按鍵，第一次按下時(shí)就切換到數(shù)控模式下的“輸入電壓〞模式，之后屏幕的光標(biāo)在設(shè)置電壓的“十位〞上閃爍。如圖3.9所示，第二次按下時(shí)光標(biāo)就在“個(gè)位〞閃爍，以此類推，當(dāng)?shù)谖宕伟聪聲r(shí)就又重新回到“十位〞。此時(shí)第一個(gè)按鍵就作為“輸入電壓〞模式的“確認(rèn)并返回〞鍵；第三個(gè)按鍵是“+〞鍵，第四個(gè)按鍵是“-〞鍵；第五個(gè)按鍵是“記錄當(dāng)前電壓〞鍵。圖3.8的左下角是蜂鳴器控制電路，是低電平觸發(fā)的,它的作用是為按鍵按下提供指示音，也為輸入電壓過(guò)壓、輸出電壓過(guò)壓、輸出電流過(guò)流提供報(bào)警聲。圖3.8中的兩組LED燈是本設(shè)計(jì)工作狀態(tài)的指示燈，系統(tǒng)啟動(dòng)后默認(rèn)是右邊的指示燈亮，左邊的指示燈滅。當(dāng)按下第一個(gè)按鍵時(shí)，右邊和左邊的指示燈狀態(tài)會(huì)交換，即右邊的指示燈滅，左邊的指示燈亮。3.2.7數(shù)控模式與手動(dòng)模式切換電路圖3.10數(shù)控模式與手動(dòng)模式切換電路如圖3.10所示，該電路是工作模式的切換電路，它在默認(rèn)時(shí)不工作，即J20是高電平，F(xiàn)B與DAC0相通，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)就處于數(shù)控模式。當(dāng)J20是低電平時(shí)，電路工作，F(xiàn)B與ADJ0引腳相通，此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)就是處于手動(dòng)模式。圖3.10中的三極管本是采用SS8550，它的集電極電流最高可以達(dá)1.5A，是足夠驅(qū)動(dòng)繼電器的。圖中的二極管采用的是1N4007，它的最高反向耐壓可達(dá)1001V，能夠承受正向浪涌電流為31A。它的作用是保護(hù)三極管，因?yàn)槔^電器的控制局部是電感線圈，在通斷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)這個(gè)電動(dòng)勢(shì)存在時(shí)電流就可以通過(guò)二極管回到電源，從而減少流過(guò)三極管的電流，進(jìn)而保護(hù)三極管。繼電器是采用5V的，這樣可以節(jié)省電路。不用再找其他電源來(lái)給繼電器供電。3.2.8數(shù)控模式與手動(dòng)模式控制電路圖3.11數(shù)控模式與手動(dòng)模式控制電路如圖3.11所示，R41和R23組成的電路是手動(dòng)模式的控制電路，當(dāng)調(diào)節(jié)R41是就可以調(diào)節(jié)可輸出電壓，ADJ引腳是與圖3.10的ADJ相接。DAC引腳是與圖3.10的DAC相接。圖3.11中的PWM波是由STC12C5A32S2的P1.3引腳產(chǎn)生的。PWM波經(jīng)過(guò)10K電阻和100uF電容濾波后變成直流信號(hào)，加在LM393的2號(hào)腳上，由運(yùn)放的“虛短〞特性可知，LM393的3號(hào)腳上也是濾波后的直流電壓，所以就相當(dāng)于調(diào)節(jié)PWM波的占空比就可以調(diào)節(jié)LM3933號(hào)腳的電壓，也就可以調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，3號(hào)腳上的電壓就會(huì)改變，與2號(hào)腳上的電壓相比后經(jīng)1號(hào)腳輸出，最后進(jìn)入*L4016的FB引腳，使*L4016自行調(diào)節(jié)讓輸出電壓保持不變。3.2.9電源局部電路圖3.12電源局部電路圖3.13*L6012升壓電路圖3.13中的升壓原理可以化簡(jiǎn)為圖3.14所示。圖3.14升壓電路簡(jiǎn)化圖升壓變換器的原理圖如圖3.14所示，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，電源電壓Vi給電感充電，二極管VD截止，負(fù)載由C供電，此時(shí)電感上的電壓為Vi，設(shè)開關(guān)S閉合時(shí)間為Ton，則電感增加的磁通量就為：Vi*Ton。當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，由于電感上的電流不會(huì)突變，所以電流還是從左往右流，二極管VD正向?qū)?，電感的磁通量減少。設(shè)開關(guān)S斷開時(shí)間為Toff,則在電感上減少的的磁通量就為：(Vo-Vi)*Toff。當(dāng)開關(guān)S的閉合和斷開狀態(tài)到達(dá)穩(wěn)定、平衡時(shí)，Vi*Ton=(Vo-Vi)*Toff，由于占空比D<1，所以有Vo>Vi,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)升壓功能。圖3.15*L4016降壓電路圖3.16降壓電路簡(jiǎn)化圖降壓變換器的原理圖大致如圖3.16所示，當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，電源電壓Vi給電感充電，二極管VD截止，加在電感上的電壓為Vi-Vo,設(shè)開關(guān)S閉合時(shí)間為Ton，則電感上增加的磁通量就為：(Vi-Vo)*Ton。當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，由于電感的電流不突變，所以電流是從下往上流過(guò)二極管VD，二極管VD正向?qū)ǎ姼械拇磐繙p少。設(shè)開關(guān)S斷開時(shí)間為Toff,則電感減少的的磁通量就為：Vo*Toff。當(dāng)開關(guān)S的閉合和斷開狀態(tài)到達(dá)平衡、穩(wěn)定時(shí)，有〔Vi-Vo〕*Ton=〔Vo〕*Toff，由于占空比D<1，所以有Vo<Vi,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降壓功能。圖3.12是電源局部總的原理圖，其實(shí)也是圖3.13和圖3.15的整理和合并。由圖3.13中的輸出電壓公式可知：只要固定了R1，調(diào)節(jié)R2就可以調(diào)節(jié)輸出電壓了。由本設(shè)計(jì)要求，*L6012的輸出電壓是要求固定高于31V的。圖3.15中的R2和R1其實(shí)對(duì)應(yīng)的是圖3.11中的R41和R23。圖3.12中的2號(hào)腳，即FB引腳是直接接在圖3.10上的FB引腳。這樣就可以通過(guò)圖3.10中的繼電器控制整個(gè)電源局部的工作模式了。4軟件設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的程序是用C語(yǔ)言編寫的，采用KeilSoftware公司出品的Keil4C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)。4.1主函數(shù)程序設(shè)計(jì)主函數(shù)的流程圖如圖4.1所示：圖4.1主函數(shù)流程圖如圖4.1所示，系統(tǒng)初始化局部包括了STC12C5A32S2的IO口模式設(shè)置；將P3.1、P3.2引腳設(shè)置為ADC轉(zhuǎn)換模式；外部中斷0和定時(shí)器中斷0設(shè)置；LCD1602初始化設(shè)置，并顯示固定的字符；讀取部的EEPROM，復(fù)原上一次掉電時(shí)的輸出電壓。LCD1602顯示局部包括了輸入電壓顯示，位于LCD1602液晶屏幕的左上角，即“IV:00.00V〞,其中“IV〞表示輸入電壓，“00.00V〞表示輸入電壓的電壓值。其中輸出電壓顯示位于LCD1602液晶屏幕的左下角，即“OV00.00V〞,其中“OV〞表示輸出電壓，“00.00V〞表示輸出電壓的電壓值。位于屏幕的右上角是系統(tǒng)的工作模式，如“CVDAC〞是代表系統(tǒng)處于數(shù)控模式；而“CVDAC〞是代表系統(tǒng)處于手動(dòng)模式。位于屏幕右下角的輸出電流顯示，即“0.000A〞，電流的單位是安培〔A〕。Key1_num是否為0是判斷該不該進(jìn)入“輸入電壓〞模式的關(guān)鍵，當(dāng)按鍵key1被按下時(shí)就出發(fā)了外部中斷0，進(jìn)而改變了key1的鍵值，當(dāng)Key1_num非0時(shí)就進(jìn)入了“輸入電壓〞模式，此時(shí)就可以通過(guò)key1、key2和key3來(lái)設(shè)置輸出電壓了，而key0就是“確認(rèn)并返回〞鍵。4.2外部中斷0程序設(shè)計(jì)圖4.2外部中斷程序流程圖如圖4.2所示，5個(gè)獨(dú)立按鍵都是可以觸發(fā)外部中斷的。按鍵程序的思路是：〔1〕當(dāng)系統(tǒng)上電后是數(shù)控模式，5個(gè)按鍵都可以被按下。此時(shí)如果按下key0就可以切換到手動(dòng)模式，進(jìn)而可以手動(dòng)調(diào)節(jié)圖3.11中的R41來(lái)控制輸出電壓。如果再次按下key0就又返回到數(shù)控模式。〔2〕“輸入電壓〞模式是數(shù)控模式的子模式，只有在數(shù)控的前提下才可以進(jìn)入“輸入電壓〞模式，即key0_num等于1時(shí)才可以通過(guò)手動(dòng)輸入數(shù)值來(lái)改變輸出電壓。當(dāng)key1按下時(shí)，LCD1602的屏幕就會(huì)被切換，光標(biāo)就會(huì)在“十位〞上面閃爍，此時(shí)按下key2或key3就可以改變“十位〞上的數(shù)值。如果再繼續(xù)按下key1就會(huì)移動(dòng)光標(biāo)的位置，此時(shí)按下key2或key3就可以改變光標(biāo)所在位置的數(shù)值。以此類推，即光標(biāo)顯示的位置會(huì)這樣變化：“十位〞->“個(gè)位〞->“十分位〞->“百分位〞->“十位〞。〔3〕key2和key3是“數(shù)值+〞和“數(shù)值-〞這兩個(gè)按鍵都可以在數(shù)控模式和“輸入電壓〞模式下使用，但是不能在手動(dòng)模式下使用，即使是被按下也不會(huì)有任何反響。〔4〕key4鍵可以在任何情況下被使用，它的作用就只是把當(dāng)前的輸出電壓值保存到部的EEPROM里。4.3自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓程序設(shè)計(jì)如圖4.3所示，在之前的主函數(shù)中已經(jīng)采集了輸出電壓，這里就直接將輸出電壓值Out_Vol與設(shè)定的電壓值V_out進(jìn)展比擬。由于STC12C5A32S2部的CCAP0L和CCAP0H存放器是控制PWM的低電平，即PWM的數(shù)值越高，占空比越低；反之，PWM的數(shù)值越低，占空比越高。而本設(shè)計(jì)是采用高電平來(lái)控制*L4016的。所以，如果Out_Vol大于V_out，就將PWM增加，進(jìn)而將輸出電壓調(diào)低；如果Out_Vol小于V_out，就將PWM減小，進(jìn)而將輸出電壓調(diào)高。本次的自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓程序是放在主函數(shù)中，這是因?yàn)闉榱颂岣唠妷赫{(diào)整的速率。如果放在其他地方，就會(huì)有可能很久才會(huì)去執(zhí)行，這樣就會(huì)造成處理速度過(guò)慢，無(wú)法及時(shí)的將輸出電壓調(diào)整到設(shè)定值，進(jìn)而整個(gè)系統(tǒng)將一直處于滯后的調(diào)整狀態(tài)。這會(huì)造成輸出電壓波動(dòng)較大，無(wú)法到達(dá)要求。圖4.3自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓流程圖5系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析5.1系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試手動(dòng)輸出電壓本次測(cè)試將輸入電壓固定，負(fù)載固定為40歐姆，系統(tǒng)處于手動(dòng)模式。采用的是數(shù)字萬(wàn)用表UT39B作為測(cè)試用表，將萬(wàn)用表接到電源模塊的輸出端，將控制局部調(diào)至手動(dòng)模式，調(diào)節(jié)電位器來(lái)控制輸出電壓。檢測(cè)結(jié)果如表5.1所示，表中的絕對(duì)誤差=〔LCD1602的顯示電壓〕-〔UT39B萬(wàn)用表的顯示電壓〕。相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/〔UT39B萬(wàn)用表的顯示電壓〕*100%，由于UT39B萬(wàn)用表的精度問題，當(dāng)輸出電壓超過(guò)20V時(shí)，測(cè)出來(lái)的電壓精度位數(shù)就只有3位，即只準(zhǔn)確到小數(shù)點(diǎn)后一位。由表中的絕對(duì)誤差中可以看出：用萬(wàn)用表測(cè)量的輸出電壓與用單片機(jī)檢測(cè)的相差無(wú)幾，最大的正向絕對(duì)誤差只有0.07V，最大的反向絕對(duì)誤差只為-0.02V。而從絕對(duì)誤差來(lái)看：最大的正向相對(duì)誤差只為0.71%，所以通過(guò)手動(dòng)模式控制的輸出電壓圍和精度是滿足要交求的。表5.1手動(dòng)輸出電壓輸出電壓比擬，VIN=15V,RL=40歐姆，手動(dòng)模式1602顯示/〔V〕5.056.058.049.9212.0814.0715.9918.1620.1521.04UT39B萬(wàn)用表測(cè)量/〔V〕5.026.017.999.8512.1014.0716.0018.2120.221.0絕對(duì)誤差〔V〕0.030.040.050.07-0.020-0.01-0.05-0.050.04相對(duì)誤差0.60%0.67%0.63%0.71%-0.17%0.00%-0.06%-0.27%-0.25%0.19%1602顯示/〔V〕22.1423.0824.0425.0326.0327.0828.0429.0030.0331.06UT39B萬(wàn)用表測(cè)量/〔V〕22.123.024.025.026.027.128.029.030.031.0絕對(duì)誤差〔V〕0.040.080.040.030.03-0.020.040.000.030.06相對(duì)誤差0.18%0.35%0.17%0.12%0.12%-0.07%0.14%0.00%0.10%0.19%數(shù)控輸出電壓本次測(cè)試將輸入電壓固定，負(fù)載固定為40歐姆，系統(tǒng)處于數(shù)控模式，通過(guò)獨(dú)立按鍵來(lái)控制輸出電壓，檢測(cè)結(jié)果如表5.2所示：表5.2數(shù)控輸出電壓輸出電壓比擬，VIN=15V,RL=40歐姆，數(shù)控模式1602顯示/〔V〕5.026.057.969.9212.0114.0716.0318.0919.9721.07UT39B萬(wàn)用表測(cè)量/〔V〕4.996.027.949.8612.0614.1216.0418.1019.9221.1絕對(duì)誤差〔V〕0.030.030.020.06-0.05-0.05-0.01-0.010.05-0.03相對(duì)誤差0.60%0.50%0.25%0.61%-0.41%-0.35%-0.06%-0.06%0.25%-0.14%1602顯示/〔V〕22.1122.9323.9725.0025.9927.0828.0429.0330.1831.02UT39B萬(wàn)用表測(cè)量/〔V〕22.123.023.925.026.027.128.129.130.231.1絕對(duì)誤差〔V〕0.01-0.070.070-0.01-0.02-0.06-0.07-0.02-0.08相對(duì)誤差0.05%-0.30%0.29%0.00%-0.04%-0.07%-0.21%-0.24%-0.07%-0.26%由表5.2可知，表中的絕對(duì)誤差=〔LCD1602的顯示電壓〕-〔UT39B萬(wàn)用表的顯示電壓〕。相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/〔UT39B萬(wàn)用表的顯示電壓〕*100%，由于UT39B萬(wàn)用表的精度問題，當(dāng)輸出電壓超過(guò)20V時(shí)，測(cè)出來(lái)的電壓精度位數(shù)就只有3位，即只準(zhǔn)確到小數(shù)點(diǎn)后一位。由表中的誤差中可以看出：用萬(wàn)用表測(cè)量的輸出電壓與用單片機(jī)檢測(cè)的相差無(wú)幾，最大的正向誤差只有0.07V，最大的反向誤差只為-0.08V。所以通過(guò)數(shù)控模式控制的輸出電壓圍和精度是滿足要交求的。輸入電壓本次測(cè)試將輸入電壓固定，負(fù)載固定為40歐姆，系統(tǒng)處于數(shù)控模式，通過(guò)供電設(shè)備YB1731來(lái)控制輸入電壓，檢測(cè)結(jié)果如表5.3所示：表5.3輸入電壓輸入電壓比擬，VOUT=15V,RL=40歐姆1602顯示/〔V〕9.9311.9714.0015.9918.0919.9921.0722.07UT39B萬(wàn)用表測(cè)量/〔V〕9.9111.9914.0115.9618.0519.9521.022.0絕對(duì)誤差〔V〕0.02-0.02-0.010.030.040.040.070.07相對(duì)誤差0.20%-0.17%-0.07%0.19%0.22%0.20%0.33%0.32%1602顯示/〔V〕23.0224.0525.0125.9727.0328.0429.0230.02UT39B萬(wàn)用表測(cè)量/〔V〕23.024.025.025.927.028.029.029.9絕對(duì)誤差〔V〕0.020.050.010.070.030.040.020.12相對(duì)誤差0.09%0.21%0.04%0.27%0.11%0.14%0.07%0.40%由表5.3可知，表中的絕對(duì)誤差=〔LCD1602的顯示電壓〕-〔UT39B萬(wàn)用表的顯示電壓〕。相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/〔UT39B萬(wàn)用表的顯示電壓〕*100%，由于UT39B萬(wàn)用表的精度問題，當(dāng)輸出電壓超過(guò)20V時(shí)，測(cè)出來(lái)的電壓精度位數(shù)就只有3位，即只準(zhǔn)確到小數(shù)點(diǎn)后一位。由表中的誤差中可以看出：用萬(wàn)用表測(cè)量的輸出電壓與用單片機(jī)檢測(cè)的相差無(wú)幾，最大的正向誤差只有0.07V，最大的反向誤差只為-0.08V。所以通過(guò)數(shù)控模式控制的輸出電壓圍和精度是滿足要交求的。輸出電流本次測(cè)試將輸入電壓固定為30V，負(fù)載固定為10歐姆，系統(tǒng)處于數(shù)控模式，通過(guò)供電設(shè)備YB1731來(lái)供電，檢測(cè)結(jié)果如表5.4所示：表5.4輸出電流輸出電流比擬，VIN=30V,RL=10歐姆1602顯示/〔A〕0.4890.6040.6960.8110.9181.0101.0911.2071.3111.393VC890D萬(wàn)用表測(cè)量/〔A〕0.490.610.710.840.951.051.131.261.371.45絕對(duì)誤差-0.001-0.006-0.014-0.029-0.032-0.04-0.039-0.053-0.059-0.057相對(duì)誤差-0.204%-0.984%-1.972%-3.452%-3.368%-3.810%-3.451%-4.206%-4.307%-3.931%1602顯示/〔A〕1.5321.6291.7101.8151.9432.0252.1292.2112.3362.400VC890D萬(wàn)用表測(cè)量/〔A〕1.581.681.771.871.992.082.182.252.362.44絕對(duì)誤差-0.048-0.051-0.06-0.055-0.047-0.055-0.051-0.039-0.024-0.04相對(duì)誤差-3.038%-3.036%-3.390%-2.941%-2.362%-2.644%-2.339%-1.733%-1.017%-1.639%由表5.4可得，表中的絕對(duì)誤差=〔LCD1602的顯示電壓〕-〔VC890D萬(wàn)用表的顯示電壓〕。相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/〔VC890D萬(wàn)用表的顯示電壓〕*100%。由于VC890D萬(wàn)用表的精度問題，輸出電流只能使用“20A〞檔位，測(cè)出來(lái)的電壓精度位數(shù)就只有3位，即只準(zhǔn)確到小數(shù)點(diǎn)后2位。由于供電設(shè)備YB1731能提供的電壓圍是0～30V，最大提供的電流為3A，考慮到本系統(tǒng)的部消耗，所以本次測(cè)試的最大電流無(wú)法測(cè)到3A，當(dāng)?shù)竭_(dá)2.5A左右時(shí)供電設(shè)備YB1731就自動(dòng)斷電保護(hù)了，進(jìn)而無(wú)法測(cè)量。由表中的誤差中可以看出：用萬(wàn)用表測(cè)量的輸出電壓與用單片機(jī)檢測(cè)的有些差異，最大的誤差有0.06A。即總的誤差圍在60mA以。所以本次測(cè)量的參數(shù)根本能到達(dá)要求。5.2誤差分析本次設(shè)計(jì)對(duì)精度要求不算太高，但在輸出電壓比輸入電壓高的要求下就顯得比擬有難度，其中輸出電流的誤差較大。在此我考慮到的原因有以下幾個(gè)：〔1〕供電設(shè)備YB1731比擬老舊，輸出電流不夠大，輸出電壓在25V以上時(shí)不太穩(wěn)定，產(chǎn)生抖動(dòng)?！?〕本次設(shè)計(jì)的測(cè)量用表都是三位半的數(shù)字萬(wàn)用表，測(cè)量精度有限，其中電流檔的誤差最為明顯。〔3〕電流經(jīng)過(guò)采樣電阻產(chǎn)生的壓降太小，不夠穩(wěn)定，在經(jīng)過(guò)只有10倍的放大無(wú)法排除誤差，而電壓放大是采用LM358運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其芯片本身不夠精細(xì)，容易產(chǎn)生誤差。〔4〕本次設(shè)計(jì)采用的是開關(guān)電源芯片，其本身的工作頻率高達(dá)400KHz，容易對(duì)旁邊電路造成干擾?！?〕由于電源局部和控制局部是分開設(shè)計(jì)的，進(jìn)而造成兩模塊之間必須使用較多的連線，而杜邦線的質(zhì)量和阻、接觸電阻都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成影響。面對(duì)這些可能的誤差，本人將以改良電路、程序補(bǔ)償?shù)确椒ㄊ沟眠@些誤差根本到達(dá)要求。參考文獻(xiàn)[1]宋樹祥.模擬電子線路[M].：大學(xué).2012.6[2]康華光.電子技術(shù)根底—數(shù)字局部〔第五版〕[M].：高等教育.2006.1[3]林小茶.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)〔第三版〕[M].：中國(guó)鐵道.2010.12[4]全利.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].：高等教育.2009.1[5]閆俊嶺,帥華.基于89C51單片機(jī)的數(shù)控直流電源外圍電路設(shè)計(jì)[J].數(shù)字信,2013,(04):67-73.[6]鵬.基于單周控制的數(shù)控直流電源的研究[D].華中科技大學(xué),2011.[7]瞿才鑫.數(shù)控直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華中科技大學(xué),2013.[8]王小明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