数控直流电源设计论文

数控直流电源1

简易数控直流电源

摘要：

随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，本文将介绍一种数控直流稳压电源，本电源由模拟电源、显示电路、控制电路、数模转换电路、放大电路四部分组成.准确说就是模拟电源提供各个芯片电源、数码管、放大器所需电压;显示电路用于显示电源输出电压的大小。同时分析了数字技术和模拟技术相互转换的概念。与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高以及其输出电压大小采用数码显示的特点。

关键词：

单片机AT89C51 ，数模转换DAC0832 ，串行输入并行输出74LS164

The simple number controls direct current power supply

-----89C51 system error margin is analytical

Author: Yu Quanhao

Thtor : Zhang qinglin

Abstract

Along with the development of the ages, the numerical electronics technique has already make widely available to our life, work, research, each realm, this text will introduce a kind of number to control direct current steady press power supply, this power supply from imitate power supply,show electric circuit,control electric circuit,few molds conversion electric circuit and enlarge electric circuit to constitute for four-part cent.Accurate say be imitate power supply to provide each electric voltage that chip power supply,the figures tube,enlarger need;the manifestation electric circuit used for showing the power supply outputs electric voltage of size.Analyzed a numerical technique and imitates the concept that the technique converts mutually in the meantime.With traditional steady press power supply to compare to have an operation convenience, the power supply stability high characteristics, its exportation electric voltage size adoption figures show.

Keyword:

SCM AT89C51 74 LS164 D/A C

目录

1 绪论

1.1研究背景及意义 (1)

1.2国内外研究现状 (2)

1.3课题的研究方法 (2)

2 基础知识

2.1 芯片的原理及应用

2.1.1 AT89C51简介 (3)

2.1.2 HA17741 (5)

2.1.3 TL082 (6)

2.1.4 74LS1364 (7)

2.1.5. DAC0832............................................. ...... (9)

2.1.6 7805、7812管脚图 (9)

2.1.7 7915管脚图.................................... (10)

2.2多位LED显示的串口实现原理

2.2.1 实现方式 (11)

2.2.2 引脚功能............................................................ (11)

3 电路原理和硬件实现

3.1 电路框图............................................................ (12)

3.2 整体电路图................................................... .................. (13)

3.3 内部电路及原理分析

3.3.1电路组成............................................................... (14)

4 程序设计

4.1 程序流程图................................. ........................ ......... (21)

4.2程序运行原理............................................................... (23)

5 电路的调试

5.1 实验仪器........................................................................... (24)

5.2 电路测试数据.............................. ..................... ......... ...... (24)

6 系统误差分析................................................... ......... ......... (25)

7．结

论 (25)

8. 参考文献 (27)

9．附录

附录A：源程序........................................................................ (27)

附录B：材料清单..................................................................... (32)

1 绪论

1.1研究背景及意义

直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多, 但均存在以下二个问题: 1) 输出电压是通过粗调(波段开关) 及细调(电位器)来调节。这样, 当输出电压需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时(如1. 05～ 1. 07V ) ,困难就较大。另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电位器难免接触不良, 对输出会有影响。

2) 稳压方式均是采用串联型稳压电路, 对过载进行限流或截流型保护, 电路构成复杂,稳压精度也不高。

在家用电器和其他各类电子设备中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、

稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。

传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损.而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。

随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。

1.2 国内外研究现状

从上世纪九十年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。

早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。

由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产

品。

现今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现了直流电源的无人值守

“设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/ A 转换电路、直流稳压电路等几部分组成,系统框图如图2 所示。单片机系统选用89C51 型号单片机, 内含4 K 的ROM. 采用8255 作为电压输出的扩展接口,8279作为键盘和显示器的扩展接口。

1.3 课题研究方法

直流稳压电源是最常用的仪器设备, 在科研及实验中都是必不可少的。针对以上问题, 我们设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。该电源采用薄膜轻触键盘, 可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置, 输出由单片机通过

D/A , 控制驱动模块输出一个稳定电压。同时稳压方法采用单片机闭环控制, 单

片机通过A/D 采样输出电压, 与设定值进行比较, 若有偏差则调整输出, 越限则输出报警信号并截流。工作过程中, 稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态) 均由单片机输出驱动L ED 显示,多种显示模式间, 由键盘控制进行动态逻辑切换。

本课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计, 该电源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高, 且兼备双重过载保护及报警功能, 特别适用于各种有较高精度要求的场合。

2 基础知识

2.1 芯片的原理及应用

2.1.1 AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器.具有4K字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器(PEROM), ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器. AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案. 三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路：

Pin Configuration

图

2.1 AT89C51管脚图

表2.1 T89C51P3口定义

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

2.1.2 HA17741

内含单个放大器，但是其内部差分放大电路不够理想对称，需要外接电位器调零，调整输入级的对称程度，使电路输入为零时输出为零。由于每次启动都需要调零，且调零需要改变电路，故不采用这个芯片，用TL082CP代替。

图2.2 7741管脚图

2.1.3 TL082

内含两个差分放大器，能够自动调零。

图

2.3 TL082管脚图

电特性图

图2.4 TL082最大输出尖峰电压与供电电压关系图

2.1.4 74LS1364

8位串行输入并行输转换寄存器,异步清零, 输入端低逻辑时阻止数据输入,在

下一个时钟脉冲重起触发器低电平,这样阻止多余的数

据。

图2.5 74LS164管脚定义与输入、输出特性

2.1.5.DAC0832

图2.6 DAC0832 管脚图

2.1.6 7805、7812管脚图

图2.7 7805、7812管脚图

2.1.7 7915管脚图

图2.8 7815管脚图

图2.9 7915管脚图

2.2多位LED显示的串口实现原理

2.2.1 实现方式

该实现方式是通过89C51串行输入,再串行输出到74LS164,再经过74LS164并行输出到数码显示管.

单片机89C51的串行口设定工作在方式0状态.在方式0时,89C51的串行口起到一个一位寄存器的作用.RXD引脚输出端,TXD引脚输出移位时钟.一个字节输出完毕AT89C51自动发送中断标志TI置位.这种显示方式的优点是可以显示位数多，显示亮度大，显示程序简单，主程序不必扫描显示接口，因此有更多的时间用于完成其它任务。

2.2.2 引脚功能

74LS164有14条引脚.74LS164为TTL单向8位移位寄存器,可实现串行输入,并行输出其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接CLK为时钟输入端，可连接到串行口的TXD 端。每一个时钟信号台的上升沿加到CLK端时，移拉寄存器移一位，D0位首先送出，最后是D7位，8位二进制数全部移入74LS164中。MR（第9脚）为复位端，当MR=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。

Q0…Q7(第3-6和10-13引脚)并行输出端分别接LED显示器的dp—a各段对应的引脚上。

LED的8个段选端通过电阻和74LS164的并行输出口即8根选线相连接。电路中设计了3位LED显示器，其功能为：左首位为十位数，左二位为个位数，左三位为小数点后的十位数。据此，给出如下显示子程序。

3．电路原理和硬件实现

3.1 电路框图

图3.1 系统原理框图

3.2 整体电路图

图3.2整体电路

3.3 内部电路及原理分析

3.3.1电路组成

本电源由模拟电源、显示电路、控制电路、数模转换电路、放大电路四部分组成.准确说就是模拟电源提供各个芯片电源、数码管、放大器所需电压;显示电路用于显示电源输出电压的大小。

1.数码显示电路

显示电路由三个数码管和3个74LS164组成。三个数码管分别组成显示电路的十位、个位、小数点位，由于三个数码管至少需要21根I/O线，为节约资源，采用串行输入并行输出的74LS164进行驱动输出。单片机的两个并行口分别作为信号输出口和时钟控制信号。采用单片机的P3.4、P3.5作为控制加减的控制口。8M晶振为单片机提供时钟信号。电容C3和电阻R25组成复位电路。如图

图3.3显示和控制电路

根据电压输出范围及步进要求，显示电路需要三个数码管组成:一个具有小数点一位、个位和十位的显示器。这三个数码管为带小数点的七段LED数码管。驱动这三位数码管，至少需要21条驱动线，为了节省CPU的I/O口线，显示电路采用CPU的串行口RXD和TXD通过74LS164进行输出口线扩展。74LS164是串入并出的8位移位寄存器，在⑧脚所加脉冲的上升沿作用下，把①、②脚（一般并联使用）输入的串行数据锁存在并行输出端，通过这些并行口线驱动数码管的各字段。数码管选用共阳的KPS-5101（BHBD15），当74LS164的输出端口某线为低电位时，对应的字段被点亮。

1. 电源电路

1、线性电源电路 (+5V +15V模拟电源电路图)

线性电源由18V变压器经过全波整流，电容整流滤波，通过三端稳压管7815、7812、7805稳压为芯片AT89C51、DAC0832、TL082、74LS164、3DD15D、数码管提供电压。如图

图3.4线性电源电路

2.(-15V电源)

－15V电源电路由18V经过全波整流，电容整流滤波，通过三端稳压管7915稳压输出。如图

图3.5－15V电源电路

3. D/A转换电路

D/A转换电路主要由AT89C51（单片机）、数/码转换器DAC0832及TL082差分放大器等芯片组成。AT89C51的P1口作为数据端口与DAC0832的8位数据线相连。AT89C51内含4K字节的ROM，无需外部存储器，因此选用它可使电路得到简化。本系统中，因为CPU的工作任务是单一的，而且数据传送的目的地址也是单一的，因此，DAC0832采用直通的工作方式，改芯片的CS/(低电平有效)、WR1/、XFER/、WR2/四个使能端均与地相接处有效状态，这个工作方式不需要给DAC0832分配地址空间，CPU的P1口的数据变化直接反映到DAC0832的输出端。

4. DAC0832转换器

DAC0832是一种典型的8位转换器，内部为双缓冲寄存器即输入寄存器和DAC寄存器，WR1/、WR2/、分别为该两寄存器的写信号输出端，ILE为输入锁存使能端，高电平有效，CS/为片选端，XFER/为传输控制端，它和WR2/共同控制DAC寄存器的工作状态。DAC0832有两个接地端AGND（模拟电路接地端）和DGND（数字信号）接地端，一般情况下，这两个地端均并联接地。DAC0832的D/A转换电路为倒T型R-2R电阻网络，故有IOUT1和IOUT2两个电流输出端，根据不同的电路组成，该芯片可以有两种输出模式，一种为电流输出模式，这种模式基准电压加在VREF端，由IOUT1，IOUT2输出的电流经运算放大器相加后输出；另一种为电压输出模式，这种模式基准电压加在IOUT1和IOUT2之间，模拟电压加从VREF 端输出。本电路采用后一种模式，其基准电压通过电阻和2.5V稳压管组成的稳压电路提供，其基准电压为2.5V，最后经过放大器TL082放大到12.5V,作为电路设计的程序设计编码基准电压。由于DAC0832为8位转换器，所以采取把12.5V 电压等分256份，得出每0.1V的步进为2.048。即：12.5/256=0.1/ⅹ,ⅹ＝2.048。这样就可以得出DAC0832的Dn的TAB1对应的值。由于采用了2.5V的稳压二极管最为基准电压，所以必须经过放大器放大一定倍数达到12.5V.

5. 输入输出电路

从电路图可知，放大器输出信号是受控电源的控制信号，根据需要选择不同的DAC0832输入的数字量的值即可获得不同的控制电压（放大器输出电压），进而可获得所需的输出电压值。8031单片机基本系统数控部分核心采用 8031 单片微机与 EPROM、RAM、地址锁存器74LS373组成单片机的基本系统，并对P2口的P2.5、P2.6、P2.7经74LSl38地址译码后作为6264、8279和0832的选通信号，电路图如图所示。

图3.6扩展输出负稳压源电路

受控电源即电压输出电路实际上是由7812三端稳压器和3DD15D大功率管组成。由于7812的带负载能力较差，因此，需要通过大功率管3DD15D进行扩展。本电路中7812的接地端（第②脚）不是直接接地，而是与运放的输出端相接。根据7812三端稳压器的工作原理可知，在其接地端②脚与V1（放大器输出端）相联之后，其输出端第③脚的输出电压V3应该为本身的围压值V1之和。即：V3=12+V1。由于电压输出电路通过3DD15D大功率管进行带负载能力的扩展，电源实际输出的电压是从该功率管个发射极输出的，因此，电源输出的电压其实际值要比V3减少一个发射结的电压降即0.7V，所以电源输出的电压

VOUT=V3-0.7V=12+V1-0.7V，调节两个精密电位器，使得实际输出电压与显示电压相等。也就是不同的DAC0832输入的数字量的值经过放大器TL082放大后与电源输出电压VOUT的关系。就这样确定了电源输出电压CPU输出数字Dn的关系，这就是编程的依据。按照0.1V的步进量，在0-10V的输出电压范围内，应该有101个Dn值。编程时，根据Dn的表达式可以算出全部的101个Dn值，并将这些值从小到大顺序存在一张名为TAB1的表格中。要输出某一电压值，只要从该表格中查表取出相对应的Dn的值，并通过D/A转换电路即可得到所需的电压。

本电路中，K1，K2为输出电压选择键，其中K1为“增加键”，该键没按一次输出电压将在上一输出值的基础上增加0.1V，K2为“减小键”，其功能与K1正好相反。

6.模拟输出和放大电路

采用DAC0832的Vref模式，11脚和12脚接2.5V稳压管为参考电压，8脚输出电压TL082按比例放大5倍,得到所需要电压,由于TL082带负载能力差,用

3DD15D进行功率放大.如图

图3.7模拟输出和放大电路

4 程序设计

4.1 程序流程

图

开始

初始化

显示初值送显存

显示初值

有按键?

增加键?

减少键?

减少子程序

调用显示

结束

增加子程序

图 4.1 程序流程图

4.2 程序运行原理

在本电路中由于CPU的工作任务是单一的，因此，源程序的工作过程为：系统上电复位后，默认输出9伏电压，然后扫描K1，K2键，当K1或K2键有按下时，程序跳转至相应的按键处理子程序，经按键子程序处理后，再嵌套调用显示子程序，完成显示与输出操作后返回主程序，继续扫描此两键。

程序设计需要考虑的主要问题有两个方面。一方面要找出数字量Dn与输出电压的关系，这是程序设计的依据；另一方面要建立显示值与输出电压值的对应关系，这是程序设计是否成功的标志。因为在本系统中，显示的输出电压值不是之间从输出电路中通过检测得到的，因此显示与输出并不存在直接联系。但为了使显示值与实际输出值相一致，在程序编写时，必须人为地为两者建立某种关系。采用的方法是：在程序存储器中建立TAB1和TAB2两张表格，TAB1放101个Dn值，数值从小到大顺序排列，其值分别对应输出电压0-10V，TAB2存放数码显示器

0-9字符所对应的数据。TAB1表格的数据指针存放在内存RAM中23H单元，内存20H，21H和22H三个单元分别存放数码显示器小数点一位，个位和十位的字符数据指针。在主程序中初始化后之后首先给23H赋予40的偏移量，这个偏移量指向TAB表中的Dn为145，此值对应的输出电压为9V，由于这个原因，必然要求显示器显示的字符为“09.0”，为此，须分别给20H，21H和22H赋予0，9

和0的偏移量，这三个偏移量分别指向TAB2中0，9和输出两者之间就建立了初步的对应关系。为了使两者保持这种对应的关系，在K1和K2按键处理子程序中，必须使23H，20H，21H和22H四个数据指针保持“同步”地变化，即为当K有键时，23H单元增加1指向下一Dn时，20H单元也相应增加1指向下一字符，并且20H单元(小数点一位指针)、21H单元(个位指针)和22H元(十位指针)应遵循十进制加法的原则，有进位时相应各位应作出相应地变化；当K2有键时，23H单元减1指向前一Dn时，20H单元也相应减1指向前一字符，并且20H，21H，22H 三个单元的数据指针应遵循十进制减法原则，有借位时相应的各位须作出相应地变化。按照这一算法只要控制TAB1表格数据指针不超出表格的长度就能使显示值与输出值保持一一对应的关系，即显示器能准确地显示出电源输出电压值的大小，达到电路设计的目的。由于理论计算与实际情况还存在着一定的差异，为了使显示值更加接近实际输出值，本电路在装配需要对输出电压进行校正。方法是：在电压输出电路带一轻负载的情况，将输出电压调至8.3V(显示器显示值)选用精确度较高的数字万用表对实际输出电压值进行校正，通过调整W1使实际输出电压达到8.3V；然后再将输出电压调至5V和9V(均为显示器显示值)，同样用数字表进行校正，通过调整W2使输出电压值分别达到5V和9V。如此反复校正几次，就能使显示器的显示值和实际输的一致出值达到较好的一致性。0符所对应的数值。这样显示与实际输出电压达到较好性。

5 电路的调试

5.1 实验仪器

TPE-GP2 高频电路实验学习机数字万用表实验面包板单片机仿真器编程器示波器5020B 电烙铁吸锡器剪刀剥线钳实验板电线若干镊子数字万用表螺丝刀实验电源箱0-30V 等。

5.2 电路测试数据

电路调试过程中遇到的问题和解决办法：

1. 电路线路比较多，容易出现短路现象，数码显示由于短路出现显示不正常显示，整理线路后能够正常显示。

2. 由于没有找到合适的2.5V稳压管，用3V稳压管代替，在限流电路加精密电位器调节电阻使得稳压管两端电压为2.5V.

3. 在差分放大器的输入端串联10K的电位器，在输入端和输出端加100K反馈电位器，调节两个电位器使得输出电压数值和显示值相等。

4. 制作和测试－15V电源时，由于没有认真参考整流管的接法和7915的芯片资料，出现两次整流电容爆裂。

5.数码显示出现问题，检查电路发现出现虚焊，不焊后能正常显示。

6. 稳压管7812的输出端输出电压，检查电路，发现输出端需要增加一个电容，增加后问题得到解决。

7. 反复调节电路，使得符合实验要求。

6 系统误差分析

从电路的原理框图可以看出，系统的主要误差来源于三方面：

⑴ 0832的量化误差 0832为8位D/A转换器，满量程为10V的量化误差为

=±(1/2) ×(1/28)×10V≈±20mV。按满度归一化的相对误差为

±(1/2)L

MBS

±(1/2)×(1/28)=±0.2％。

⑵ 基准电压温漂引入的误差 LM336在0~40范围内漂移不大于4mV，故相对误差=±2mV/5V=±0.04％。C°

⑶ 由功率放大器引入的误差(主要考虑LM356的温漂)共有三项：

① 基准电压温漂产生的满度相对误差为±0.04％；

② 8位D／A变换附加的量化误差±20mV；

③ 功放前级LM356温漂引入的附加误差为±100μV。