数控稳压电源报告终审稿)

数控稳压电源报告

文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-

数控直流稳压电源

设计人员：鲍官牛

马彪

吴汉国

指导老师：邱森友

葛

浩

摘要:

本数控直流稳压电源系统采用AT89S52单片机为主控模块，由DAC0832数模转换模块输出电压，经过由高精度运算放大器OP07组成的电压放大模块进行电压放大，引入由功率三极管TIP41C组成的扩流模块进行电流扩大，采用7107进行电压测量式输出显示，能自动切换电源档位，提高本电源系统的效率。

基于可靠的硬件设计，和高效的软件设计，本系统具有电压输出稳定，负载能力好，精度高，人机界面友好，操作方便等特点。

关键词：数控数模转换扩流纹波电压

AT89S52 DAC0832 OP07 7107

Abstract：

The direct voltage source of numerical control uses MCU AT89S52 as controller kernel,and DAC0832,the DA conversion module to output

Voltage,which enlarged by the voltage expansion module basing on accurate Amplifier OP07 Output display bases on IC 7107,with the method of voltage meauring.The system can automatically chooses appropriate power source

supply ,which improves system’s efficiency,and has funtions of current overfloat selt-protecting,and saving the lastest settings.

Base on reliable hardware and effectual software design, this system is qualified with quite high performs.

Keyword: Numerical Control DA Conversion Current Expansion

Current Overfloat Selt-protecting

Voltage Ripple AT89S52 DAC0832 OP07 7107

目录

第一章总论

1.1设计任务和要求 (4)

1.2 作品介绍 (4)

1.3方案论证与比较 (6)

1.3.1 微控制器的选择 (6)

1.3.2 显示部分方案论证 (6)

1.3.3 数据存储保存部分方案论证 (7)

1.3.4 数模转换部分方案论证 (8)

1.3.5 电压显示部分方案论证 (9)

第二章电路原理分析和设计

2.1 数模转换模块设计 (11)

2.2 输出电压显示模块设计 (12)

2.3 人机交互模块设计 (13)

2.3.1 LED显示部分 (13)

2.3.2 键盘输入部分 (13)

2.3.3 按键输入数据处理设计 (14)

2.4 提高电源效率和提压扩流模块.....................................................17第三章系统软件设计.. (20)

3.1 系统设计总思路 (20)

3.单片机资源优化处理 (20)

3.2.1 单片即IO口安排 (20)

3.2.2 提高CPU效率措施 (20)

3.2.3 对于“+”“-“步进的处理 (20)

3.2.4 对于抖动和干扰的处理 (20)

3.3系统软件流程图 (21)

第四章故障分析与系统测试 (22)

4.1故障分析 (22)

4.2系统测试与数据分析...............................................................23附录 (24)

附1：整机电路图 (24)

附2：程序源代码 (27)

第1章总论

1.1设计任务和要求:

1.设计任务:

设计一个数控稳压电源，可由按键直接输入电压值，还具有加、减调节的功能。

2.基本要求:

1、输出电压范围为0~~+9.9V，步进为.01V，纹波不大于10Mv;

2、输出电流为500mA;

3、输出电压值由数码管显示；

4、由“+”、“-”两键分别控制输出电压的步进增减；

5、为实现上述几部件的工作，自制一个稳压直流电源，输出电压为±15V，+5V。

3.发挥部分:

1.输出电压可预置在0~~9.9V之间的任意一个值；

2．用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进为0.1V不变）；

3．扩展输出电压种类（如三角波）。

1.2作品介绍

本系统电路主要包括七大部分，辅助电源模块，主控模块，数据存储模块，人机交互模块，数模转换模块，电压扩大模块，电压显示模块，其中每个模块内部又由一些更具体的功能单元或微控制部分组成。

1.系统架构图如下：

系统架构图

2.系统设计思想：

本系统通过键盘输出所需显示的电压值,单片机将此数字量送至P2口作为数模转换的数字量,DAC0832数模转换模块将此数字量转换为相应的模拟电压信号,此信号经过OP07第一级放大2.5倍后送至第二级放大电路再放大2倍,从而实现数字量1对应输出模拟量为0.1,由于放大器的输出电流远远小于3A 从而需要扩流电路.扩流电路以大功率管TIP41C为核心,采用达林顿结构实现扩流功能.过流保护电路是通过将电阻采样过来的电压与一个基准电压比较来控制继电器从而达到控制电路通断的目的.在提高电源效率方面是通过软件和硬件结合的方式,当要求输出的电压低与9.2V时采用的是12V电源,当高于9.2V时单片机控制端输出高电平使电源转换继电器接通18V电源,从而实现提

高电源效率.输出电压电流显示部分采用中等集成电路7107实现.。

3.系统的主要特色有：

采用MCU作为主控模块，性能良好，具有较好的灵活性，和强大的数据处理能力

友好的人机交换界面。采用LED数码显示，有较好的输入信息提示，输入数据容

错识别，和键盘锁定等功能，使系统健壮稳定

输出电压范围大，步进精度小，输出电流范围大，纹波系数小，有较强的负载能

力

能自动根据用户的电压输入进行供电电源的电压档位选择，提高效率

具有好的PCB制板工

1.3方案论证与比较

1.微控制器的选择：

由于本系统对主控系统的信号与数据处理的实时性要求不高，并考虑整个系统的性价比，我们采用ATMEL的AT89S52单片机，该单片机具有丰富的IO口资源，256B RAM和8K flash ROM，并支持方便的下载线方式进行单片机程序读写。

2.显示部分方案论证：

方案一：采用串行静态显示

这种方式采用单片机串行口方式0输出，送进74ls595，通过74LS595实现串行输入，并行输出，给数码管进行静态显示。优点：74LS595的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。。缺点：延时时间比较长；

方案二：并行口动态显示

这种方式通过轮流接通数码管进行显示，由于轮流周期短，人的眼睛视觉残留，看到数码管稳定显示。缺点：占用教多的IO口。

由于这次系统由于其他部分占用大量IO口资源，且不需用到串行通信，故采取方案一。

3.数模转换部分方案论证:

方案一:DAC0832电流输出型接法.其接线图如下:

此接法虽然在数模转换电路中应用得较多,根据其模拟电压输出公式:

Vout=-D/258*VREF

可以知道,要得到正的电压输出有两种方案:一是输入参考电压VREF为负电压,但考虑到整个系统本身很难再提供-5.12V的电压,并且可能由于放大器本身的误差给电路带来误差从而放弃选择这种方案.二是输入参考电压VREF为正,输出电压通过放大器使其变为其绝对值,很明显这样不但元件多而且会由于过多的外部电路带来误差,从而也不宜选择.

方案二:DAC0832采用电压输出型接法,其电路图如下:

本电路具有电路简单外围器件少且精度高等特点,根据测量数据分析其理论值与

实际值之间的误差在0.3%以内,并且其参考电压为正电压,通过三端稳压管的地接

公共地即可稳出所需的5.12V,可行性好,稳定性较好,故选择此方案.

5.电压显示部分方案论证:

方案一:通过将输出的模拟电压量通过独立的模数转换模块转换成相应的数字量,然后将数字量送至单片机后译码显示.框架图如下：

此方案虽然可行性好,但由于模数转换模块与单片机之间的连接线有八根,要占用

单片机的一个独立的I/O口,而实际上单片机已没有一个可以独立应用的I/0口,

而用两个单片机成本显得较高,使电路的复杂度增加.不宜选择.

.

方案二通过7107

VO

动数码显示，故选择之.

第2章计电路原理分析和设计

2.1数模转换模块设计:

本电路才用高精度八位数模转换芯片DAC0832,它有两种输出模式,一种是电流输出模式,一种是电压输出模式,电流输出模式才用负的参考电压，而电压输出模式采用的是正参考电压，考虑到参考电压的极性问题，本电路采用其电压输出模式.它有三种工作方式:不带缓冲工作方式,单缓冲工作方式,双缓冲工作方式.本电路才用不带缓冲的直通方

式,/WR2,/XFER,/CS,/WR1全部接地，从而将芯片内部的八位输入锁存器,八位DAC锁存器

全部打开,数据通过单片机把数据送至八位数据输入线D0—D7后直接从8脚输出转换后的模拟电压信号。其电路图如下：

5V的电压作为 DAC0832的参考电压，其计算公式如下：

VREF=2.5*[1+(R2+R3)/R1]=5V

从而从DAC0832的8脚输出的模拟信号与数字量的关系为：

Vout=(D/256)*VREF=0.02*D

即数字量每增加1，相应的8脚输出的模拟量增加0.02V，此信号经过5倍后就能达到使数字量每增加1而模拟电压输出幅度增加0.1V.

2.2输出电压显示模块设计：

输出电压显示模块部分我们主要采用了标准数字万用表测量电压的原理来显示所要求显示的电压。这里，我们选择了使用集成芯片7107来组装电路。7107集成电路包含3

1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部设有参考电压、独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。其分辨力为±100uV，显示位数是 3.5 位，用于CMOS 大规模集成电路，具有高准确度、高分辨力、微功耗、外围电路简单、价格较低廉等优点。

7107用双积分的方法实现Ａ／Ｄ转换，以４０００个计数脉冲周期，即用４０００个脉冲的时间作为Ａ／Ｄ转换的一个周期，每个转换周期中包括自动稳零（Ａｚ）、对输入模拟信号ＶＩＮ的积分、对参考电压ＶＲＥＦ的反积分阶段三个过程。经调节可得如下关系：

VIN＝VREF*T/1000;

VIN是VIN+和VIN－两端输入模拟信号的电压。VREF是VREF+和VREF-两端获得的参考电压，是一个常数，因此VIN与Ｔ（指Ｔ个计数脉冲周期）成正比，因Ｔ是用计数表示的，通过译码器，就可以接收计数器的状态，即信号

的大小用数码表示出来，以实现模拟量的数字表示。电压模拟信号从30,31脚输入,模拟

输入信号经100KΩ限流保护电阻从7107的IN

+和IN-端输入，在芯片内转换为

2

1

3位BCD

码并经4→7显示译码/锁存后输出。基准电压由7805产生的+5V电压经过R6和R5分压输

入. R

4、C

4

是RC振荡器的阻容振荡元件，对于图

中参数R

4

=100KΩ，

C 4=100PF，主振频率为f

cp

=0.45/R

4

C

4

=45kHz.。

电路原理图如下：（图中管脚1—19以及22—25接4个共阳极）

2.3人机交互模块设计：

1.LED显示部分：

基于题目精度要求，我们采用2位数码管显示，基于性价比考虑，我们放弃了LCD显示的方式。

采用串行静态显示方式。采用74LS595和共阳数码管组成显示系统。

单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接2片74LS595作为2位LED显示SCLR(10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常我将它接Vcc。

SCK(11脚)：上升沿时数据寄存器的数据移位。QA-->QB-->QC-->...-->QH；下降沿移位寄存器数据不变。（脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。我通常都选微秒级）RCK(12脚)：上升沿时移位寄存器的数据进入数据存储寄存器，下降沿时存储寄存器数据不变。通常我将RCK置为低电平，当移位结束后，在RCK端产生一个正脉冲（5V时，大于几十纳秒就行了。我通常都选微秒级），更新显示数据。

2.按键输入数据处理设计

1.按键可以实现0.1V的步进，第一个按一下可以实现加0.1V，第二个按键按下可以实现减0.1V的步进。

2，第三个按键第一次按下，然后再按加键可以实现加1V,按减键可以实现减1V，当第三个按键第二次按下，就可以实现自动扫描，每次变化是0.1V，一直到9.9V，如果想让电压在0—9.9之间的一个值停下，直接再按一次第三个按键，就可以停止自动扫描。

2.输出电压0—9.9V的实现

单片机通过键盘按键控制八位的二进制的输出，此二进制输入到数/模转换芯片DAC0832。我们给DAC0832的参考电压为5.12V，这样二进制每加一位，从DAC0832出来的电压就步进0.02V（5.12/256=0.02）。此电压加到精密运放OP07进行2.5倍的放大，这样，当单片机输出十进制为180的二进制时，从DAC0832出来的电压就为

3.6V，经运放OP07放大后从运放输出9.0V的电压。由于运放的工作电压是12V，所以

不能通过运放输出18V的电压。从运放输出的9V电压经运放LM358及三极管Q4、Q5

进行两倍电压放大后输出18V的电压。由于输出电压是0—9.9V，所以要求运放有输出0V的能力。要使运放输出0V，必须给运放加一个负电压，又由于通过此负电压的电流很小（不足1mA），所以次负电压可以通过电源变换获得，而不必再通过另外的变压器提供。

放大2.5倍电路图如下，采用的是直流负反馈形式的接法。

放大倍数

Av=(1+R30/R29)=2.5

根据静态平衡条件可得

R34=R29//R30=30*45/(30+45)=18K

输出电压U会被严格的控制在

2×[（U+）－0.008]V

2.4 稳压电源，输出电压为±15V，+5V

我们是采用集成稳压芯片来完成，其具体设计由是电源变压器、整流器、

LM7815、LM7915、LM7805构成，其电路如图所示：

第3章系统软件设计

3.1系统设计总思路：

单片机在整个系统当中起了主控的作用，通过单片机，能实现好的人机交互，能把用户输入的数据转换到正确的数字量输出到DA转换器中，转换为模拟的电压输出。同时，通过单片机能有效的控制电源供电档位选择，还有输入的合理化判断。

3.2单片机资源优化处理：

1.单片机IO口安排：

在本设计中，考虑到IO口资源的有限性，我们讨论作了以下安排：

1.DA0832采用8位精度，安排在P0口；

2.为了节省IO口资源，以后扩展功能考虑，数码显示采用串口输出的方式；

3.“+”、”—”步进键采用外部按键方式处理。

2.提高CPU效率措施：

为了节省CPU资源，我们在软件设计中采用以下几个措施：

1.数码显示时，我们采用了定时0每定时50ms才更新一次显示缓冲区的数据，

并且往数码管送数一次，有效的利用定时器来分担CPU的数码显示额外的消

耗；

2.在DA转换的处理问题中，我们采取的是当且仅当有新的数据，并且是有效的

数据输入时我们才启动DA转换的策略；

3.3.对于“+”“-”步进的处理：

考虑到操作的方便，我们采用了三个按键来处理调节的问题，这样操作起来比较直观，明了。另外，我们考虑自动扫描的时候，想让电压停止在某个值的时候，就可以直接按按键就可以让电压固定，操作方便，人性化。

3.3系统软件流程图：

第4章故障分析与系统测试

4.1故障分析：

故障一：运放OP07无法输出低于0.3V

现象：我们在测试高精度运放OP07时，发现其输出电压Vo.>0.3V，无法达到0V，甚至在无电压输入时，其输出仍为0.3V。

分析：我们参阅了OP07的datasheet,和分析OP07的内部结构图，发现如果采用单电源供电方式，OP07在高度饱和状态，输出端的三极管仍有一个约为0.3V的压降。故在低压输出时，达不到0V。

解决方案：采用双电源供电，由于存在负电，以地线为参考，会抵消三极管的饱和压降，从而达到0V输出。。

故障二：“＋”“—”步进键抖动

现象：我们在测试“＋”“—”步进键时，发现有时按一下键，显示的数值会变化很大。

分析：由于按键的抖动引起的。

解决方案：我们采用软件的方法实现，当按键按下后，先延时5~10ms然后在判断按键是否被按下，或者等待按键的弹起后再执行程序。这样可以有效的消除按键的抖动。

4.2系统测试与数据分析:

1.测试工具

HG6333直流稳压电源

DS5026数字示波器

VC9806数字万用表

2.测试数据及分析

数模转换模块测试

通过给D0-D7输入端一个数字量测量VREF输出电压,并用数字示波器观察其稳定度,测试表格如下

输入二进制值,

对应十进

制数

理论输出电压

(V)

实测输出电

压(V)

误差

00000001 1 0.02 0.020 0

00000111 7 0.14 0.139 0.7%

00111100 60 1.20 1.194 0.5%

180 3.60 3.596 0.1%

从数据可以看出,DAC0832数模转换具有很高的精度,并且其精度随输入数字量的增加而增大,在高电压输出的情况下更加精确。

注释：

在调试的过程中，我们发现从单片机出来的数字0经过dac0832出来的电流，经OP07放大后电压很难达到0V，大概在0.1V左右，于是我们在OP07的输入端加入了一个300Ω电阻接地和一个二极管来消除这种影响（如图数模转换所示）。

采用dac0832来产生三角波，这样比较方便实现；我们的自动扫描能随时停止，

加减的幅度有正负0.1V，正负1V，比较方便调节。

另外我们的显示部分还存在不稳定的问题，这是因为采用了7107来显示造成的，7107的数码管显示刷新的速度跟数据传输的速度不是很一致，可能是是数据传输的较快，7107的显示跟不上造成的。

附录

附1：整机电路图

单片机控制及数模转换原理图:

功率放大电路的原理图：

7107电压显示电路图: