数控电源设计单片机.docx
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数控电源设计单片机
目录
1绪论………………………………………………………1
2方案论证与选择…………………………………………1
3总体方案框图……………………………………………2
4.系统的硬件电路设计……………………………………2
4.1主控制器模块………………………………………2
4.1.1振荡电路…………………………………………3
4.1.2复位电路设计模块………………………………3
4.2D/A转换控制模块……………………………………4
4.3稳压输出模块………………………………………4
4.3.1稳压控制芯片LM324……………………………4
4.3.2稳压输出原理与电路……………………………5
4.4按键控制模块………………………………………5
4.5液晶显示模块…………………………………………6
4.6电源电路设计…………………………………………6
5系统软件设计……………………………………………7
6Proteus仿真及结果分析………………………………8
6.1Proteus仿真结果……………………………………8
6.2仿真结果分析………………………………………9
7总结………………………………………………………9
参考文献……………………………………………………9
附录…………………………………………………………10
1绪论
背景:
随着电子技术的迅速发展,各种电子产品层出不穷,不过不管是哪种电子产品或设备,都需要电源供电才能进行正常的工作,而且对于不同的产品或设备来说,其需要不同的工作电源,但是往往很多电源模块都只能输出固定而单一的电压,而不能提供各种不同数值的电压,因此,在这里做一个数控直流电源的设计。
摘要:
本设计以直流电压源为核心,STC89C52RC单片机为主控制器,单片机系统是数控电源的核心。
它通过软件的运行来控制整个仪器的工作,从而完成设定的功能。
通过数字键盘来设置直流电源的输出电压,并可由液晶屏LCD1602显示实际输出电压值。
本设计由单片机程控输出数字信号,经过D/A转换器(DAC0832)输出模拟量,再经过运算放大器LM324隔离放大,最后输出各种设备所需要的电压。
系统可应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。
关键字:
直流稳压电源;单片机;数控;DAC0832
设计任务:
设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。
原理示意图如下:
图1-1原理示意图
设计要求:
(1)输出电压:
范围0~+9.9V,步进0.1V,纹波不大于10mV;
(2)输出电流:
500mA;
(3)由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减;
(4)为实现上述几部件工作,自制一稳压直流电源,输出±15V,+5V。
2方案论证与选择
方案一:
采用各类数字电路来组成键盘控制系统,进行信号处理。
本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于系统的扩展,对信号处理比较困难。
显示模块用译码器译码后用LED数码管进行显示。
方案二:
采用STC89C52单片机作为这个系统的控制单元,可以通过DAC0832的数据采样和LM324的电压调整可以改变系统输出电压的大小。
为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小,可以将输出电压经过DAC0832进行模数转换,间接用单片机实时对电压进行采样,然后进行数据处理及送LCD1602显示。
显示的电压值便是输出的电压大小。
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大小控制,使系统硬件更加简洁,各类功能易于实现,能很好地满足题目的要求。
比较以上两种方案的优缺点,方案一采用中、小规模器件实现系统的数控部分,使用的芯片很多,造成控制电路内部接口信号繁琐,中间相互关联多,抗干扰能力差。
在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能,也便于系统功能的扩展,且液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点。
故选择方案一。
3总体方案框图
系统总体方案框图如图3-1所示。
图3-1系统总体方案框图
4.系统的硬件电路设计
4.1主控制器模块
本设计采用STC89C52RC单片机为主控制器,如图4-1所示。
该芯片正常工作电压为5V,支持的最高时钟频率为80MHz,Flash程序存储器为8KB,RAM数据存储器为512B,内置看门狗电路,支持ISP/IAP。
本单片机具有以下优点:
1.超低功耗
2.超强抗干扰
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STC89C52RC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。
电路图如图4-1。
图4-1单片机控制部分
4.1.1振荡电路
振荡电路模块电路图如4-2所示。
图4-2振荡电路模块电路图
时钟电路用于产生单片机工作的时钟信号。
而时钟电路又各分为两种,即内部时钟方式和外部时钟方式。
4.1.2复位电路设计模块
复位电路模块电路图如图4-3所示。
图4-3复位电路模块电路图
单片机的复位都是靠外部电路实现的,在时钟电路工作后,
只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平,单片机便实现初始化状态复位。
为了保证应用系统可靠地复位,在设计复位电路时,通常使RST保持高电平。
只要RST保持高电平,则单片机就循环复位。
4.2D/A转换控制模块
系统设置D/A转换接口,采用8位模数转换器DAC0832。
其电路如图4-4所示。
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位的D/A数据口分别与单片机的P0口相连,DAC0832的片选信号和写信号分别由单片机的P32脚和P36脚控制,8位字长的D/A转换器具有256种状态。
图4-4D/A转换控制模块原理图
4.3稳压输出模块
4.3.1稳压控制芯片LM324
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图3-6所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图4-5所示。
图4-5LM324同向输入与反向输入
4.3.2稳压输出原理与电路
此部分将经过D/A转换后的初始电压转换成设备所需要的特定电压。
从DAC0832的IOUT1引脚输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压电路输出的电压大小与DAC0832的IOUT1输出参考电压成比例。
稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路(如图4-6),在电路中,U5A—LM324为比较放大器,U5B—LM324为运算放大器,D/A转换电路的输出电压OUT1接到U5A—LM324的反相端,U5A—LM324运放的输出端输出的电压一边送到运放U6A—LM324的同相端,一边反馈回DAC0832的RFb基准电压。
经运放比较放大后,在经过U6A-LM324的电压放大与调整,使得输出的电压与LCD1602显示的电压保持一致。
图4-6串联式反馈稳压电路
4.4按键控制模块
按键控制模块如图4-7所示。
本设计中,采用独立按键K0-K3对单片机STC89C52RC进行输入控制。
各按键分别一端接地,一端接单片机引脚。
实现功能:
K0表示位选择键(十位或各位),K1、K2是步增步减,K3是确定键。
选择电压后,按确定键,便可输出所需的电压。
图4-7键盘控制电路图
4.5液晶显示模块
显示模块为本设计的重点模块,用于实时显示输出电压值。
这里采用1602液晶显示屏,其主要参数为:
显示容量(16*2个字符),芯片工作电压(4.5-5.5V),工作电流(2.0mA),模块最佳工作电压(5.0V)
单片机与液晶显示模块之间的连接如图4-8所示。
图4-8LCD1602与单片机连接图
数据线DB0-DB7连接单片机的P0口;RS、R/W条控制线分别接单片机的P1.4、P1.5口。
电阻R3用来设置背光的亮度。
4.6电源电路设计
作为一个电路系统来说,电源当然是必不可少的,这里需要三电源供电,即+5V、±15V。
+5V供数字部分使用,±15V供模拟放大部分使用,三种电压都共用一个地。
电源电路如图4-9所示,首先采用带中间抽头的15V变压器,获得±15V的交流电压,再通过整流、滤波电路,获得±15V的直流电压,这时已经获得了两个电压值,再利用所获得的电压进行处理,即可获得+5V电压,这里采用三端稳压器LM7805,LM7805的稳压输出值为+5V,正好符合要求,它的体积较小,且只有三个引脚,即输入、接地和输出,接线比较方便,重要的是用它来降压可使电路结构很简单。
图4-9电源电路
电路总原理图附录1所示。
5系统软件设计
此系统中用到STC89C52单片机的部分功能:
键盘扩展,程序中断,I/O控制。
主程序基本没什么是可做,但因键盘扫描时通过程序查询的方式来实现的,所以在主程序中要调用键盘扫描程序。
主程序流程图如图5-1所示,写电压子程序流程图如图5-2所示,键盘扫描处理子程序如图5-3所示。
图5-2写电压子程序流程图
图5-1主函数流程图
图5-3键盘扫描处理子程序
6Proteus仿真及结果分析
6.1Proteus仿真结果
仿真电路图附录2所示。
仿真结果如表6-1所示。
表6-1proteus仿真结果
给定电压
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
仿真电压
0.01
0.12
0.22
0.32
0.42
0.52
0.62
0.72
0.82
0.92
给定电压
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
仿真电压
1.02
1.12
1.22
1.32
1.42
1.52
1.62
1.72
1.82
1.92
给定电压
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
仿真电压
2.02
2.12
2.22
2.32
2.42
2.52
2.62
2.72
2.81
2.92
给定电压
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
仿真电压
3.01
3.11
3.21
3.31
3.41
3.51
3.61
3.71
3.81
3.91
给定电压
4.0
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
仿真电压
4.01
4.11
4.21
4.31
4.41
4.51
4.61
4.71
4.81
4.91
给定电压
5.0
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
仿真电压
5.01
5.11
5.21
5.31
5.40
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
给定电压
6.0
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
仿真电压
6.0
6.1
6.2
6.3
6.39
6.49
6.59
6.69
6.79
6.89
给定电压
7.0
7.1
7.2
7.3
7.4
7.5
7.6
7.7
7.8
7.9
仿真电压
6.99
7.09
7.19
7.29
7.39
7.49
7.59
7.69
7.79
7.89
给定电压
8.0
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7
8.8
8.9
仿真电压
7.99
8.09
8.19
8.29
8.39
8.49
8.59
8.69
8.79
8.89
给定电压
9.0
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
9.8
9.9
仿真电压
8.98
9.08
9.18
9.28
9.38
9.48
9.57
9.68
9.78
9.89
6.2仿真结果分析
根据所得数据描点画图如图6-1所示。
图6-1仿真结果坐标图
由图6-1可知给定电压与仿真电压相差很小,几乎为一条直线。
能实现0~+9.9V范围内的电压输出,步进为0.1V;当负载电阻为20欧姆时输出电流能达到500mA;电路能由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减,满足设计的要求。
7个人总结
课题中的直流稳压电源包括主控制器模块、D/A转换模块、稳压输出模块、按键控制模块、液晶显示模块和辅助电源模块等几个模块。
其中最重要的事主控制器模块,主控制器模块采用STC89C52单片机来实现。
通过DAC0832芯片的数据采样和LM324的电压调整可以改变输出电压的大小,用LCD1602来显示输出电压的数值,辅助电源独立制作,为芯片提供静态工作点。
参考文献
[1]吴友宇.模拟电子技术基础.北京:
清华大学出版社,2009.4
[2]刘岚.叶庆云.电路分析基础.北京:
高等教育出版社,2010.6
[3]谭浩强.C程序设计(第三版).清华大学出版社,2005.7
[4]吴慎山.电子线路设计与实践.电子工业出版社,2005.9
[5]伍时和.吴友宇,凌玲.数字电子技术基础.清华大学出版社,2009.5
[6]郭天祥.51单片机C语言教程.电子工业出版社,2009.12
附录1电路总原理图
附录2仿真电路图
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