《基于51系列单片机数控直流稳压电源设计说明书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于51系列单片机数控直流稳压电源设计说明书.doc（14页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、目录 绪论2一 设计要求2二方案论证2（一） D/A数字模拟转换模块3（二） 可调稳压芯片3三 设计原理4（一） 单片机模块4 1 单片机介绍5 2 单片机外围电路介绍6（二） D/A模块7 1 DAC0832及其外围电路8 2 D/A 转换的计算9（三）直流电源13 1直流供电电源制作原理13 2 输出电源工作原理14四 仿真结果数据分析16五 结束语17六 致谢. 18七 参考文献.18绪论电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作生产时产生的误差，会影响整个系统的精确度，数控电源是从80年代才真正发展起来的，期
2、间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的进步和发展，但是其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压装换模块的出现为精度数控电源的发展提供了有利的条件，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，已经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，几乎都为旋钮
3、开关调节电压，调节精度不高、而且经常跳变，使用麻烦数字化电源模块是针对传统电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和认为参与的环节数，有效的解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等的工程问题，极大的提高生产率和产品的可维护性。一 设计要求 （一）设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源，基本要求如下： 1、输出直流电压调节范围115V，纹波小于10mv; 2、电压误差少于0.05%； 3、输出电流为1A以上；4、稳压系数小于0.2，直流电源内阻小于0.5； （二）扩展要求：1、输出直流电压能步进调节，步进值为1V； 2、由“+”“-”两间分别控制输出电压
4、步进增和减。二 方案论证 分析本题，根据设计要求先确定了本系统的整体设计原理框图如图1： 输出整流滤波可调稳压芯片单片机D/A模块按键模块显示模块图1 原理框图 （一） D/A数字模拟转换模块方案一：采用MX7541是高速高精度12位数字/模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达0.012%，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。方案二：采用DAC0832，DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟转换芯片。本系统是基于51单片机的数控电源的设计， 8位的单片机，而MX7541是12位数字输入的，因此须用锁存器。而此数控电源要求单步1V，115V，DAC0832完全可以达到，故选择常用的DA
5、C0832。 （二） 可调稳压芯片三端可调稳压芯片有多种，其中最常见的有LM317、LM337、LM318、LM196等几种，LM317用于正电压调整，LM337用于负电压调整。本系统的输出电压范围1+15V为正电压输出，固排除LM337，对于LM317又有如下各种型号，它们的输出电流与电压的对照表如表1: 表1 常见稳压输出电流和电压范围芯片型号输出电流(A)输出电压(V)LM317L0.11.2537LM317T0.51.2537LM3171.51.2537LM31851.2537LM196101.2515根据设计要求输出电压范围115.0V，输出电流1A，以上有多种型都可以满足要求，再根
6、据成本和现有材料，我选择了LM317T三端可调稳压芯片。 三 设计原理 本系统选用的模块包括：单片机系统，D/A转换模块，LED显示模块，直流电源模块，具体的电路图参照附录二。 （一） 单片机模块 此次的毕业设计的核心部分是单片机的控制，给以相关的命令，按照人们的意愿执行相应的操作，这次选用的是ATMEL公司生产的常用芯片AT89C52。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），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，片内置通
7、用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 1、单片机介绍 CPU即中央处理器的简称，是单片机的核心部件，它完成各种运算和控制操作，CPU由运算器和控制器两部分电路组成。 a. 运算器电路 运算器电路包括ALU（算术逻辑单元）、ACC（累加器）、B寄存器、状态寄存器、暂存器1和暂存器2等部件，运算器的功能是进行算术运算和逻辑运算。 b. 控制器电路 控制器电路包括程序计数器PC、PC加1寄存器、指令寄存器、指令译码器、数据指针DPTR、堆栈指针SP、缓冲器以及定时与控制电路等。控制电路完成指挥控制工作，协调单片机各部分正常工作。 c. 定时器/计数器
8、 MCS52单片机片内有两个16位的定时/计数器，即定时器0和定时器1。它们可以用于定时控制、延时以及对外部事件的计数和检测等。 d. 存储器 MCS52系列单片机的存储器包括数据存储器和程序存储器，其主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是相互独立的，物理结构也不相同。 e. 并行I/O口 MCS52单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2和P3），每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。P0口为三态双向口，能带8个TTL门电路，P1、P2和P3口为准双向口，负载能力为4个TTL门电路。 f. 串行I/O口 MCS521单片机具有一个采用通用异步工作方式的全双工串行通信接口，可以同
9、时发送和接收数据。 g. 中断控制系统 8051共有5个中断源，即外中断2个，定时/计数中断2个，串行中断1个。 h. 时钟电路 MCS52芯片内部有时钟电路，但晶体振荡器和微调电容必须外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列，振荡器的频率范围为1.2MHz12MHz，典型取值为6MHz。 i. 总线 以上所有组成部分都是通过总线连接起来，从而构成一个完整的单片机。系统的地址信号、数据信号和控制信号都是通过总线传送的，总线结构减少了单片机的连线和引脚，提高了集成度和可靠性。 选用单片机的结构： 1、一个8 位算术逻辑单元 ；2、32 个I/O 口4 组8 位端口可单独寻址； 3、两个16 位定时
10、计数器 ；4、全双工串行通信 ；5、6 个中断源两个中断优先级； 6、128 字节内置RAM ；7、独立的64K 字节可寻址数据和代码区。 每个8051 处理周期包括12 个振荡周期每12 个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12 取倒数然后指令执行所须的周期数因此如果你的系统时钟是11.059MHz 除以12 后就得到了每秒执行的指令个数为921583条指令取倒数将得到每条指令所须的时间1.085ms 。AT89C52的管脚图如图2：图2 89CS52管脚图 2、 单片机外围电路介绍 （1）电源引脚Vcc和Vss Vcc：电源端，接5V。 Vss：接地端。 （
11、2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输入，若使用外部TTL时钟时，该引脚必须接地。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在片内它是振荡器倒相放大器的输出，若使用外部TTL时钟时，该引脚为外部时钟的输入端。 （3）地址锁存允许ALE 系统扩展时，ALE用于控制地址锁存器锁存P0口输出的低8位地址，从而实现数据与低位地址的复用。 P0口的P1.0,P1.1,P1.2,P1.3和键盘相连，作为整个系统的输入部分。其中和P1.0相接的是+5V电源的数字输入键，和P1.1相接的是+12V电压的数字输入键。和P1.2,P1.3相
12、接的分别是“+”，“”号键。 P1口和DAC0832的输入相接，作为D/A模块的输入。 电路如下： 图3 按键输入图 其中S1、S2为固定电压的输入，分别是+8V和+12V电压的输入按钮，S3、S4分别为+，键，对电压值进行加和减计算。 /WR和/RD分别接到两数码管的公共端COM1和COM2。 （二） D/A模块 。 1 DAC0832及其外围电路 本系统是基于单片机的数控电源的设计，而MX7541 是 12 位数字 输入的 ， 因此须用锁存器。而此数控电源要求单步1V， 115 V只需区分14个点，DAC0832完全可以达到，故选择常用的DAC0832。当其与单片机进行相连时，电路也 简单
13、，只需把单片机的数据线与DAC0832的输入端直接相连即可，程序也很简单，只需向其送数据即可。 （1）DAC0832的管脚图如图4所示： 图4 DAC0832管脚图 （2）其各个引脚的连接及外围图：图5 D/A模块电路 （3）管脚的具体名称和用法 ：D0 D7：数字量输入端； ：片选信号，低电平有效； ILE：数据锁存允许信号，高电平有效； ：第1写信号，低电平有效； ：第2写信号，低电平有效； ：数据传送控制信号，低电平有效； ：电流输出端1； ：电流输出端2； ：反馈电阻端； ：基准电压，基电压范围为-10V +10V； GND：数字地； AGND：模拟地 ； 单片机与DAC0832的接口
14、可按二级缓冲器方式、单缓冲器方式和直通方式联接。如上图4的联接方式是直通方式联接方式。由OUT1脚输出的为一个模拟电流值，经过运算放大器后为一个电压值，这电压值输入到后面的运算放大部分，作为后面部分的输入。2、 D/A 转换的计算 D/A转换器（DAC）输入的是数字量，经转换输出的是模拟量。DAC的技术指标很多，如：分辨率、满刻度误差、线性度、绝对精度、相对精度、建立时间、输入/输出特性等。 分辨率：DAC的分辨率反映了它的输出模拟电压的最小变化量。其定义为输出满刻度电压与 的比值，其中 n 为DAC的位数。如：8位DAC的满刻度输出电压为5V，则其分辨率为 ；10位DAC的分辨率为 。可见，
15、DAC的位数越高，分辨率越小。 建立时间：是描述DAC转换速度快慢的参数。其定义为从输入数字量变化到输出达到终值误差 LSB（最低有效位）所需的时间。高速DAC的建立时间可达1us。 接口形式：在DAC输入/输出特性之一。包括输入数字量的形式，十六进制式BCD，输入是否带有锁存器等。 DAC0832为8位D/A转换器。单电源供电，范围为+5V +15V，基准电压范围为 。电流的建立时间为1us。CMOS工艺功耗20 mw。 输入设有两级缓冲锁存器。 电压的计算方式： 设计要求数控电压步进为1V，因此要准确选择D/A的参考电压 ，如上图用一个精密电阻进行调节，计算方法如下： ，数字量取0 256
16、，n取16， 取8V,即数字量每步进16，模拟量0.03125V，要达到步进1V，必须放大2倍，用运放即可 。运算放大器的原理如下图：图6 运算放大电路输出的电压V，再从Vi输入，经过电容C10滤波再输入， ， ， ， 输出的Vo值的大小为输入Vi的 倍，只需调节可调电阻R3的阻值达到所需的电压放大倍数即可，输出的电压Vo通过电压跟随，再用于控制LM317T的输出。 （四）直流电源 1、直流供电电源制作原理 由于本系统的许多的电源电压都是由+5V的电源供电，且D/A模块中的74LS164要用到+12V，12V的电源，所以这要制作这些不同值的电源，涉及到的各类芯片有7805，7812，7912。
17、 首先制作电路中的+12V，-12V的电源，这要用到三端固定稳压芯片，一个整流，滤波过程。电路如图6： 图8 +12 V和-12V电源的制作图 +5V的电源制作和+12的电源制作的原理和电路图一样，只需将电路的7812换成7805即可。 电源工作原理： 降压 整流 滤波 稳压 输出 。 降压： 由于输入的市用电压为220V，远大于我们所需电压幅值，必须把电压降低，直接用一个变压器即可达到降压的目的. 整流:由于降压后的电压仍为交流电压，要把交流电压整为直流电压，利用整流桥，整流桥内部实际上就是四个大功率的二极管(例如IN4007) 。 Ui的电压/时间曲线如图a所示，当Ui为正时，二极管D2、
18、D3导通，D1、D4截止，电流从a流向b，U1输出正电压，经过外电路后，又从d流向c，形成电流回路。当Ui为负时，二极管D1、D4导通，D2、D3截止，电流从c流向b，U1仍然输出正电压,实现了交流到直流的转变。 滤波:经整流后的直流并不是稳定的直流，是一个周期性的振荡曲线。要减落这种振荡幅度，最简单的滤波方法就是用电容，利用电容的充放电特性。 输入的U1 时，放电未完又再次充电，输入的U1U2，电容C就开始充电， 时，充电未完又再次放电，由此类推，不断放电充电，滤波后的电压为U2在 到 的正电压之间波动变化，且波动幅度变缓，使用大电容值的电容滤波此幅度波动更平缓，且多次滤波使直流的纹波更小。
19、 稳压： 波后的电压U2输入三端稳压芯片LM7805便可将稳定输出电压+5V，在上图中的一个二极管D3是一个保护二极管，它的作用是保护稳压芯片。 7805、7812、7912是所需的三端稳压器，分别输出+5V、+12V、12V。 2、 输出电源工作原理 输出电源的原理图和上面的恒定电源的制作原理基本一样，电路图如下： 图9 输出电源电路图220V市电经变压器变压（降压），二极管桥式整流，电容滤波后送入LM317第三脚（输入端），第二脚输出稳压的直流电压。第一脚为调整端，调整端电压Ui与输出端电压Uo之间为1.25的基准电压。输出的基本公式为： U0=1.25+Ui; 四 仿真结果数据分析 本系
20、统的设计电路相对简单，硬件制作基本完成，我用ISIS Profressional软件已仿真出来，效果非常的好。已经在输出的精度和稳定性基本达到要求，输出的电压范围为1+15v，步进为1v，又预设两个定值电压+12v和+5v。实验结果为下表： 表3 仿真数据结果理论值（V）2345678实际值（V）2.013.014.005.006.007.008.00理论值（V）9101112131415实际值（V）9.009.9911.0012.0013.0014.0014.8 由上表的电压实测值与显示值对比值，可见该电源相对误差小于1%，按下“+”、“”键时，单步变化1V的精度也基本符合要求。五 结束语
21、这次毕业设计过程中综合了所学的数字电路，模拟电路，单片机，C语言对单片机编程，对大学所学的知识起了一个很好的巩固作用，同时也应用到了Protell 99软件画图和ISIS Profressional软件仿真，仿真的结果还比较的准确，但是实物却没有完全实现功能。这此过程中认识到自己的知识面太狭小，也许是自己制作的实品太少了，对一些芯片的了解甚少，今后在工作中一定要补充这块。同时也认识到理论和实践的差别，通过实际制作更能了解到一些模块电路和芯片的功能，特别是检查电路时，让自己对电路有更深的了解。撰写设计时，也让自己认识到做每件事都应认真对待，要规范、严谨。六 致谢通过本次毕业设计，我在指导老师的精
22、心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，单片机领域这对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助。另外,此次毕业设计还获得了计科系各位领导和老师的大力支持。在此，我忠心感谢单片机组的其它同学以及计科系各位老师的指导和支持。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导、老师和同学。七 参考文献1王港元.电工电子实践指导M.江西科学技术出版社 2陈明荧 8051 单片机课程设计实训教程M清华大学出版社 3郁慧娣微机系统及其接口技术M南京东南大学出版社， 1999 年 4谢嘉茥,宣月清,冯军 电子线路-非线性部分M
23、 高等教育出版社 ， 200 0 年 5何立民单片机高级教程M北京航空航天大学出版社， 2003 年 6王毓银数字电路逻辑设计M高等教育出版社 7马忠梅,籍顺心.单片机的C语言应用程序设计M北京航空航天大学出版社.2001.5 8邱涛基于51单片机的数控电源设计M华强电子世界网，2005.6 9具有8K系统内可编程Flash的8位微控制器ATmega48/V ATmega88/V. 10徐龙祥,朱熀秋,刘正埙高速数据采集与处理系统M 南京航空航天大学学报 ，2000 Vol.32 No.1 P.119-123 11 孙建广,檀润华 等基于I2C串行总线的大功率开关电源数字控制M 河北工业大学学报 ，2000年29卷6期