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本科毕业设计说明书（论文）第1页共34页1绪论在现在的生活中，我们常常会用到各种电源，电源技术服务于各行各业。直流稳压电源是电子技术中常用设备，广泛应用于实验、教学、科研等领域。数控电源一般采用单片机系统来构成。单片机数控电源是以单片机为控制核心，配以相应的外围电路和功能软件，实现具有一定电压调节功能的电源，该设计包含硬件部分和软件部分，对硬件和软件合理的调配和使用，从而实现数控电源的设计。1.1课题背景及意义数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于诸多行业。现今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等众多学科领域。直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域，是实验员、电子设计人员进行实验和科研不可或缺的电子仪器。在电子系统中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电，传统直流电源的稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成，因而具有功能简单、干扰大、可靠性低、精度低且体积大、复杂度高的缺点。现代家用电器和其他电子产品中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中，都是由市电供电。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源。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，使家用电器电源电路小型化。传统的直流稳压电源通常配以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，读数不够直观，电位器也易耗损。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。1.2国内外研究现状在我国，以电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业向更高灵活性和智能化方向发展。一方面，电源产业规模的发展在加快；另一方面，在国家资助和创新意识带领下，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，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的本科毕业设计说明书（论文）第2页共34页产品，而且还产生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。但是我国直流稳压电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足，在电源产品的可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、持续创新能力等方面有很大差距，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来，国内直流稳压电源制造技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.3课题的主要内容（1）如何实现对电源的输出控制。系统设计的目的是要用单片机来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输出电压在电源量程范围内步进可调，精度要求高。实现的途径很多，可以用键盘控制液晶显示，配以软件设置实现0.1V的步进，通过DAC的模拟输出控制电源输出，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题。（2）数控直流电源功能的完备。数控直流稳压电源要实现电压的键盘化输出控制，同时要具备输出、电压比较及数组存贮与预置等功能。另外，根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。（3）设计要求。输出电压范围：0.5V~10V，电压步进：0.1V；输入电压由液晶显示；自制键盘，可以通过键盘输入电压值；输出电压值可在输出端用万用表测得；1.4论文的总体结构第一部分简要介绍课题的背景、意义、国内外研究现状，介绍本文的主要研究内容,包括实现的目标、功能的完备和性能指标。第二部分提出了数控直流电源的总的设计思路和几种实现方案论证，以及相关系统实现的功能，对这些方案的可行性进行比较分析，选择了一种基于51单片机系统本科毕业设计说明书（论文）第3页共34页的数控直流电源的方案，并对该方案运用的基础知识和使用的器件作出扼要的介绍。第三部分模块化详细阐述了基于51单片数控直流电源的系统整体结构和设计框图，包括数据单片机控制模块、数模转换模块、稳压控制模块、及键盘模块。第四部分主要阐述了数控直流电源的软件系统的设计思路和软件设计流程。第五部分对数控直流电源的性能参数进行测量与评估，以及对误差进行分析。第六部分对本数控直流电源的给出了本课题的结论。本论文共分6个部分，主要阐述了设计方案的选择和确定以及对系统硬件设计、软件设计作了较为具体的论述。由于本人知识、实际应用水平及工程实际水平有限，在本次毕业设计中难免产生一些错误，敬请各位老师批评指正。本科毕业设计说明书（论文）第4页共34页2总体方案论证本章从系统方案与设计等一些方面来进行论证。2.1方案的比较与选择方案一：设计线性稳压电源，是目前常使用的直流稳压电源，它利用分立器件组成，体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够全，因而故障率高。方案二：设计开关电源。在前期方案设计中采用PWM脉宽调制。它的功耗小，效率高，稳压范围宽，电路形式灵活多样，功耗小，效率高。在制作过程中发现，PWM3占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的PWM波积分效果明显，导致电压的非线性变化更显著，特别是PWM占空比很小时(希望得到输出的电压很小)，利用单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。但用数字量控制的作用更加明显。方案三：设计智能型稳压电源，以单片机为控制核心，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差，提高稳压电源输出电压和控制电流精密度，降低了对模拟电路的要求。与方案一、二相比，方案三中提及的智能稳压电源具有小型化、高效率、低成本、高可靠性、低干扰、模块化和智能化等优点。终上所述，选择方案三。采用常用的51芯片作为控制器，P0口与DAC0832的数据口直接相连，比较输出电压模块LM324的电压分辨率0.1V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.1V，当调节电压的时候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低电压，并通过LCD电路来显示，本主电路的原理是通过MCU控制DAC0832的输出电压大小，通过DAC0832的转换，给电压比较模块，真正的电压、电流还是由比较电压输出模块LM324输出。方案原理图如图2.1所示。本科毕业设计说明书（论文）第5页共34页图2.1方案原理图2.2系统主要模块的概述本设计采用AT89C51单片机、DAC0832、四运算放大器LM324、独立键盘和液晶显示LCD1602来实现整体电路功能。主要是对AT89C51单片机的各个I/O口的充分利用。P0口连接液晶显示电路，P1口连接独立键盘电路，P2口直接连接DAC0832芯片输出电压，最终的电压通过带有真差动输入的四运算放大器。这种设计总体上能充分利用单片机各个接口而不必添加额外芯片，大大减少成本和电路板面积。2.2.1AT89C51单片机性能AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，内含4K容量的可反擦写的只读程序存储器和128字节的随机存取数据存储器，该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大可应用于许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域。AT89C51芯片引脚图如图2.2所示。键盘控制51单片机DAC比较电路输出电压显示电路本科毕业设计说明书（论文）第6页共34页图2.2AT89C51引脚图（1）AT89C51主要功能指标：（a）与MCS-51指令集完全兼容；（b）4k字节可重擦写Flash闪速存储器；（c）1000次擦写周期；（d）全静态操作：0Hz~24MHz；（e）三级加密程序存储器；（f）128×8字节内部RAM；（g）32个可编程I/O口；（h）2个16位定时/计数器；（i）6个中断源；（j）可编程串行UART通道；（k）低功耗空闲和掉电模式；（2）AT89C51的引脚及功能介绍：（a）VCC：供电电源端。（b）GND：接地端。本科毕业设计说明书（论文）第7页共34页（c）P0口：P0口是一组8位漏级开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。每位可吸收8个TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器或者程序储存器，此时它可以分时复用为转换地址和数据总线。在运用Flash编程时，P0口作为接受指令字节；在程序校检时，输出指令字节，此时要求外接上拉电阻。（d）P1口：P1口是一个自带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口输出缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，通过内部上拉电阻使端口为高电平，此时可用作输入口，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。Flash编程和校验时，P1口用做低8位地址的接收。（e）P2口：P2口是一个自带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高置高电平，且作为输入。作为输入口使用时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。在访问外部程序存储器或16位地址外部数据存储器时，P2口送出地址的高8位。P2口在Flash编程和校验时，同样也接收高位地址信号和其它控制信号。（f）P3口：P3口是一组带有8位内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。对P3口写入“1”后，它们被内部上拉电阻提高为高电平，并当作输入口。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将用上拉电阻输出电流。（g）RST：复位输入信号。当振荡器工作时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间来使单片机复位。（h）ALE/PROG：当访问外部存储器或数据存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存低8位字节。在Flash编程期间，该引脚用于输入编程脉冲。工作时，ALE端以振荡器频率1/6的频率周期输出固定的正脉冲信号。因此它可用作对外部输出时钟或用于实现定时。要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。此外，单片机执行外部程序时，应将ALE设置为无效。（i）/PSEN：程序储存允许输出是对外部程序存储器的读选通信号，当单片机由于外部程序存储器取指令时，每个机器周期两次均有效，即输出两个脉冲。（j）/EA：外部允许访问端。当EA端保持低电平时，则在此期间CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H~FFFFH）。如果加密LB1被设置时，EA将内部锁定为复位；当EA端保持高电平时，CPU执行内部程序存储器中的指令。在Flash编程时，该脚也用于+12V的编程电源。（k）XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟工作电路的输入端。本科毕业设计说明书（论文）第8页共34页（l）XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.2.2DAC0832数模转换器DAC0832是一种采样频率8位的D/A转换集成芯片，该芯片与单片机系统完全兼容。这个D/A转换芯片具有价格低廉、接口简单、转换容易控制等优点，在单片机应用系统中得以广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路和转换控制电路构成。（1）DAC0832的主要功能指标：（a）8位分辨率；（b）电流稳定时间仅1us；（c）可单缓冲、双缓冲或直接数据输入；（d）在满量程下可以调整线性度；（e）可单一电源供电；（f）低功耗为20mW。（2）DAC0832引脚及功能介绍：（a）D0~D7：8位数据输入线，TLL电平，有效时间大于90ns；（b）ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；