数控直流稳压电源设计毕业论文
毕业设计（论文）
设计(论文)题目：数控直流稳压电源设计
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目录
摘要........................................................... I V Abstract ......................................................... V 1 绪论. (1)
1.1数控稳压直流电源的研究背景 (1)
1.2数控稳压直流电源发展现状及趋势 (2)
2 系统硬件电路设计 (4)
2.1 系统总体方案设计 (4)
2.2主控器件单片机基本设计 (4)
2.3 D/A转换部分 (8)
2.4 数码显示部分 (10)
2.5电源电路部分 (11)
2.6晶振、按键部分 (12)
2.7系统总体电路图 (13)
3 系统软件设计 (15)
3.1程序设计 (15)
3.2系统主程序流程图 (16)
4 系统调试与仿真 (18)
4.1 系统调试 (18)
4.2 proteus仿真 (21)
总结 (25)
参考文献 (26)
附录一 (27)
附录二 (31)
致谢 (1)
数控直流稳压电源设计
摘要
本实验设计了一个以型号AT89C51单片机为基本控制核心的简易数控直流电源。该设计包括直流电源输入及输出两部分，可完成0-9.9V之间各不同幅值的电压的输出，其中电压输出部分，既可手动的每按“+”“-”键一下进行每0.1V大小的上下调整。单片机编程部分是基于keil2软件上设计，并在proteus进行仿真。该系统具有抗干扰性能好，可靠性高，及最终输出电压值与真实显示值精度较高等优点。在电压输出处还增加了扩流电路，使得电流可达500ma左右。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器输出模拟量，最后利用DAC0832显示。
关键词：单片机；直流电源；数控步进；D/A转换
NC DC regulated power supply
Abstract
The experimental design of a type of AT89C51 single chip microcomputer as the control core of the simple numerical control DC power supply. The design includes DC power input and output of the two part, the output voltage of 0~9.9V can be completed between different amplitude, which part of the output voltage, which can be manually by each "+" and "-" button for about every 0.1V size of the next adjustment. Microcontroller programming part is designed based on the KEIL2 software, and the simulation is done in proteus. The system has good anti-jamming performance, high reliability, and finally output voltage value and real value displayed high precision. In the voltage output by a current amplifying circuit, the current can reach about 500ma. This system consists of microcontroller program output digital signal, through D/A converter output analog, finally by the DAC0832 display.
Key words: Single chip microcomputer; DC power supply; CNC stepper; D/A conversion
1 绪论
几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常的广泛。直流稳压电源的电路形式有很多种，有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。电子设备电源电压不稳定,将会引的起很多问题。设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。因此直流稳压电源的研究就颇为重要。
目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法，另一种是数字方法。前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。直流稳压电源朝着数字化方向发展。因此对于数控恒压源的研究是必要的。随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用D/A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。
1.1数控稳压直流电源的研究背景
电源技术尤其是数控电源技术[1]是一门槛性很强的工程技术，服务于各行各业。众所周知，许多科学实验都离不开电源，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了许多不精确的人为操作[2]，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的就是显示输出电压、电流，预置输出电压值等功能。就是在实验开始前对一些参数进行预设。这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。因此，直流稳压电源[3]今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化与智能化。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、比较难于控制、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[4]。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。及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件[5]。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。
在一些测试设备中需要数控直流稳压电源，以便在测试过程中按测试要求随时改变输出电压。在普通可调直流稳压电源中，通过调节电位器去改变取样电压值，从而获得不同的输出电压。
1.2数控稳压直流电源发展现状及趋势
1.2.1国内发展趋势
以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，随着对系统更高效率和更低功耗的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中直流/直流转换器向更高灵活性和智能化的发展方向，电源产业进入快速发展期。一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品而且还生产了一大批具有代表性的研究成果和产品。目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10—15年，尤其在实现直流恒流的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还存在很大的差距和不足。
1.2.2国外发展趋势
20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐步取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了。
2 系统硬件电路设计
2.1 系统总体方案设计
系统以直流电压源为核心，AT89C51单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，设置步进等级可达0.1V，输出电压范围为0—9.9V，最大电流为500mA，并可由液晶屏显示实际输出电压值。本系统由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器输出模拟量。利用D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现。
系统总体方案框图如图2.1所示。
图2.1系统总体方案框图
2.2主控器件单片机基本设计
2.2.1 AT89C51单片机的介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory的低电压高性能CMOS8位微处理器俗称：单片机。该元器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器同时为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高而且性价比高的方案。
2.2.2 AT89C51单片机的特性
（1）能够与MCS-51 兼容；
（2）寿命：1000写/擦循环；
（3）具有4K字节可编程闪烁存储器；
（4）全静态工作时频率范围：0Hz-24Hz；
（5）数据保留时间：10年；
（6）拥有128*8位内部RAM ；
（7）拥有三级程序存储器锁定；
（8）拥有两个16位定时器/计数器；
（9）拥有32可编程I/O线；
（10）具备可编程串行通道；
（11）拥有5个中断源；
（12）含有片内振荡器和时钟电路；
（13）具备低功耗的闲置和掉电模式。
2.2.3 AT89C51单片机管脚说明
图2.2 AT89C51单片机管脚图如图2.2。
VCC（40）：供电电压；
GND（20）：接地；
P0口（32~39）：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口当FIASH进行校验时P0输出原码此时P0外部必须被拉高；
P1口（1~8）：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后被内部上拉为高可用作输入P1口被外部下拉为低电平时将输出电流这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；
P2口（21~28）：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流当P2口被写“1”时其管脚被内部上拉电阻拉高且作为输入。并因此作为输入时P2口的管脚被外部拉低将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时它利用内部上拉优势当对外部八位地址数据存储器进行读写时P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLAS和校验时接收高八位地址信号和控制信号；
P3口(10~17)：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后它们被内部上拉为高电平并用作输入。作为输入由于外部下拉为低电平P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0 RXD（10）：串行输入口；
P3.1 TXD（11）：串行输出口；
P3.2 /INT0：外部中断0；
P3.3 /INT1：外部中断1；
P3.4 T0：记时器0外部输入；
P3.5 T1：记时器1外部输入；
P3.6 /WR：外部数据存储器写选通；
P3.7 /RD：外部数据存储器读选通；
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST（9）：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间；
ALE/PROG（30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是，每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置
位无效；
/PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现；
/EA/VPP（31）：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 （0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET，当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）；
XTAL1（19）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；
XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出。
2.2.4 AT89C51外接晶体引脚
采用内部方式时：利用片内震荡，XTAL1接单片机片内部震荡电路的输入端，XTAL2接输出端，接入12MHz的晶振。同时在晶振的两端要连接非极性电容（帮助晶振起振）。振荡电容的选择范围：10pf-30pf，本设计方案选用了20pf的电容。如图2.3所示。
图2.3 外接晶体引脚—内部方式
系统单片机控制部分如图2.4所示。
图2.4 单片机控制部分
控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用AT89C51单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。
2.3 D/A转换部分
系统设置D/A转换接口，采用8位模数转换器DAC0832。
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A 转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
图2.5 DAC0832封装图
* D0～D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；
* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；
* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER 的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；
* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
* Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；
* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；
* AGND：模拟信号地
* DGND：数字信号地
其电路如图2.6所示。
图2.6 D/A转换部分
D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。8位字长的D/A转换器具有256种状态。当电压控制字从0，1，2，……到256时，电源输出电压为0.0，0.06，……15.0。
2.4 数码显示部分
led数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d 亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。
led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用
于仪表，时钟车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。
在图2.7中，显示部分比较简单，主要是由数码管和若干电阻组成，数码管分别显示电压的个位和十分位，该部分是由单片机完成的，数码管的各端口以依次连到AT89C51的P0_0、P0_1、P0_2、P0_3、P0_4、P0_5、P0_6、P0_7口，完成对电压的显示功能。
图2.7 数码显示部分
2.5电源电路部分
电源电路部分如图2.8所示。
图2.8 电源电路部分
电源电路中包括电源接口、下载程序接口、5V电源插座、滤波电容。其中包括还有一个肖特基二极管，起保护作用。
肖特基（Schottky）二极管，又称肖特基势垒二极管（简称 SBD），它属一种低功耗、超高速半导体器件。最显著的特点为反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右。其多用作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极管、保护二极管，也有用在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。在通信电源、变频器等中比较常见。
一个典型的应用，是在双极型晶体管 BJT 的开关电路里面，通过在 BJT 上连接Shockley 二极管来箝位，使得晶体管在导通状态时其实处于很接近截止状态，从而提高晶体管的开关速度。这种方法是 74LS，74ALS，74AS 等典型数字 IC 的 TTL内部电路中使用的技术。
肖特基（Schottky）二极管的最大特点是正向压降 VF 比较小。在同样电流的情况下，它的正向压降要小许多。另外它的恢复时间短。
2.6晶振、按键部分
晶振、按键部分如图2.9所示。
图2.9 晶振、按键部分
晶振部分是芯片AT89C51外部的自带的。
按键K1是用来增大调节所需0-9.9V范围内的电压，K2是用来减小调节电压的。这样就会很方便的控制你所要求的电压具体的数值。
2.7系统总体电路图
系统总体电路图如图2.10所示。
图2.10 系统总体电路图
3 系统软件设计
3.1程序设计
C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。
C语言是1972年由美国的Dennis Ritchie设计发明的，并首次在UNIX操作系统的DEC PDP-11计算机上使用。它由早期的编程语言BCPL(Basic Combined Programming Language)发展演变而来，在1970年,AT&T贝尔实验室的Ken Thompson根据BCPL语言设计出较先进的并取名为B的语言,最后导致了C语言的问世。而B语言之前还有A语言，取名自世界上第一位女程序员Ada（艾达）。
随着微型计算机的日益普及,出现了许多C语言版本。由于没有统一的标准, 使得这些C语言之间出现了一些不一致的地方。为了改变这种情况,美国国家标准研究所(ANSI)为C 语言制定了一套ANSI标准，成为现行的C语言标准。
注：国际标准化组织ISO也制定的C语言的标准，目前被很多编译器所采用，如：GCC等。
C语言是世界上最流行、使用最广泛的高级程序设计语言之一。
在操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用C语言明显优于其它高级语言，许多大型应用软件都是用C语言编写的。
C语言绘图能力强，具有可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。它是数值计算的高级语言。
常用的编译软件有Microsoft Visual C++,Borland C++,gcc(linux系统下最常用的编译器),Watcom C++ ,Borland C++, Borland C++ Builder,Borland C++ 3.1 for DOS,Watcom C++ 11.0 for DOS,GNU DJGPP C++, Lccwin32 C Compiler 3.1,Microsoft C,High C等。
综上所述，使用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势，因此本设计我们选择C语言，来达到减少资源的占用，提高程序执行效率，增加软件的可读性的目的。
详见附录一。