数控直流电压源设计.docx

课程设计III题目数控直流电压源设计学生姓名学号所在学院物理与言工程学院专业班级电子1201班指导教师耶晓东完成地点博远楼2015年12月10日课程设计任务书院（系）专业班级学生姓名一、课程设计题目数控直流电压源设计二、课程设计进行地点:三、课程设计的内容要求：选择通用集成D/A转换器，如DACo832,将输入的数字量转换为模拟电流输出，配接运放将模拟电流转换为输出电压，再利用三极管提高带负载能力，使输出电压范围满足OVT0V,对应4位（或8位）D/A转换器，可实现步进不大于10/2“（10/28）v。注意：采用精密稳压器为D/A转换器提供参考电压:运放引入负反应，通过这两个途径可有效提高控制精度。发挥局部：系统自带电源，输入数字量能通过键盘设定。数控直流电压源设计指导教师：摘要以单片机AT89C51单片机为核心，配接8位的DACO832数模转换器、LM324运算放大器以及四位一体数码管显示器，设计了数控直流电压源。数控步进为0.039V,输出电压在OTOV范围内可通过按键设定。该电路具有简单、直观、可控、稳定性好等特点。经过PrOteUS环境下的仿真，以及后期的电路连接和调试，电路工作正常，到达了任务书的设计要求。在后续改良中，增加了两个按键可实现步进为Iv的调整，使得电压设定更加方便。关键词电压；显示；控制；D/A转换第一章引言0第二章系统的设计原理及方案12.1 设计原理12.2 设计方案12.3 方案论证2第三章硬件电路设计33.1最小系统33.2 控制电路33.3 数/模转换电路43.4 4显示电路53.5 放大电路6第四章系统软件设计84.1 软件程序设计8第五章系统测试及数据分析105.1 硬件的调试105.2 数控局部105.3 软件调试105.4 电路数据的分析105.5 结论11致谢13参考文献14附录A：电路总图；15附录B：元器件清单表；16附录C：数控电压源仿真；17附录D：源程序18第一章引言随着科技迅速的开展，人民生活不断提高，科技对于人们来说越来越智能化。电源对于来说已经是生活中不可缺少的电子装备，普通电源的输出量一定，而且在工作的时候会产生误差，系统的稳定性不高，为了使用户更加的方便，本次课题的研究能很好的解决这些问题。本次设计研究的是数控直流电压源，在研究上大体上分为软件和硬件。软件主要采用单片机的内部程序来完成，程序至关重要，负责各个模块之间的运作，在此分析了程序的工作原理和程序的结构。硬件以单片机为核心，由单片机来贯穿整个硬件系统以到达设计目的。主要采用的方法由电源模块负责给各个局部供电，通过按键电路给单片机发出指令，配合单片机内部设定的程序对指令进行分析，一方面单片机使四位一体数码管显示出按键电路所按的数值。另一方面单片机由数据地址总线给数模转换器发送数字信号，再由数模转换器将所给的信号转换为模拟电流信号，最后通过LM324放大器将电流转化为电压信号，并且进行放大得到设计要求的输出电压。第二章系统的设计原理及方案研究的重点是系统硬件电路设计和软件设计。以单片机系统为核心设计的数控直流电压源，电路简单明了，结构紧凑，这样可以减少因电路繁多而造成相互之间的电磁影响，输出电压采用的是键盘输入方式设定。再通过软件设计可以方便改动一些参数，例如输出电压的步进。可以针对不同的用户设定不同的规格。2.1 设计原理该系统主要由单片机最小控制系统、显示电路、独立按键、D/A转换电路、运算放大电路和系统供电电源等组成。上述各局部单元提供工作电源是由外接220V的交流电源经过整流滤波后提供的，通过独立的键盘为单片机设定一定的预输出值，通过DAC0832转化为模拟量，再经过运算放大和稳压电路最后输出预设电压值，通过数码管能够直观的显示出预设值。2.2 设计方案方案一采用传统的数字电路方案，调节输出的电压是通过“+,-”两个按键操作，用来控制可逆计数器作加，减计数，可逆计数器的二进制数字输出分为两路运行：一路进入数模转换电路（D/A转换电路），数模转换电路将数字量按比例，转换为模拟电压，之后经过射极跟随器控制,调整输出级，输出稳定的直流电压。另一路用于驱动数字显示电路，可以精确显示当前输出电压值；此方案原理方框图如图2.1所示。图2.1方案系统框图方案二采用单片机作为系统的核心控制单元，由电源模块给各个电路进行供电，通过“+”键来对单片机发出指令，在单片机接收到指令后进行分析，然后将“+”键的数值在显示模块显示出来。另一方面将数据经过D/A转换，然后通过放大器来进行调整输出。显示的电压值便是输出的电压大小。此系统比拟灵活，数据的预置以及电压的大小控制是采用软件方法得到解决，这样系统硬件可以更加简洁，功能易于实现，能够很好的满足题目的要求。其原理方框图如图2.2所示。供电电路图2.2方案二系统框图方案三并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源可以防止这些缺点。而简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，必须对简易稳压电源进行改良，增加一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反应过程，所以这样的稳压电源叫串联负反应稳压电源。2.3 方案论证方案一采用中、小规模器件实现系统的数控局部，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。方案三中的负反应局部过于狂杂。方案二比拟灵活，采用51系列单片机作为整机的控制单元，数据的预置以及电压的步进控制利用软件方法来解决，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。故最终选择方案二。第三章硬件电路设计该系统主要由单片机最小控制系统、显示电路、独立按键、D/A转换电路、运算放大电路和系统供电电源等组成。上述各局部单元提供工作电源是由外接220V的交流电源经过整流滤波后提供的，通过独立的键盘为单片机设定一定的预输出值，通过DAC0832转化为模拟量，再经过运算放大和稳压电路最后输出预设电压值，通过数码管能够直观的显示出预设值。3.1 最小系统时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，。单片机本身就是一个繁琐的同步时序电路，确保同步运作方式的进行，电路在时钟信号的命令下严格地遵守时序电路下开始工作。单片机内部有一个高增益的反相放大器，芯片的XTALl端口是它的输入端，XTAL2是它的输出端。在芯片的外部,XTALl与XTAL2在晶体管振荡器和微调电容之间相连。这样就构建成一个稳定的自激振荡器。晶体管振荡器连接在XTALl与XTAL2之间在单片机内部产生时钟脉冲信号。时钟信号对于单片机来说是不可缺少的一局部，它是单片机正常工作的根底。单片机最小系统采用上电复位和按键复位两种方式来实现单片机的复位操作。上电复位，顾名思义要接通电源，利用电源来对单片机进行复位操作。按键复位的前提是接通电源的前提下，在单片机工作期间，通过对按键的操作来是单片机实现复位功能。这两局部虽然结构简单，但却是单片机不可或缺的重要组成局部。 XTAL.1U1×TAL2_±_RSTPSEN01234567PpppppppT2×PO.O/ADO P0.1A01 PO.2AD2 PO.3AD3 P0.-4A04 PO.5AD5 PO.6AD6 PO.7AD7P2.OAP2. 1A0P2.2A1O P2.3A1 1 P2.4A12P2.5A13 P2.6A14 P2.7A15P3.OR×D P3.1T×D P3.2nTO P3.3INT1P3.4TO P3.5T1P3.WRP3.7RDATC52图3.I最小系统电路图3.2 控制电路按键的接口一般分为硬件和软件两局部。硬件是指按键的结构及主机的连接方式。软件是指对操作按键时的识别和分析，也就是按键程序。按键的工作原理又可分为编码式按键和非编码式按键。这两类按键的主要区别是识别按键和相应按键的方法。编码按键主要是用硬件来实现按键的识别。非编码按键主要是由软件来实现按键的定义与识别。非编码按键接照与主机连接方式的不同，可分独立式按键和矩阵式按键。独立式按键：独立式按键中，每个按键就占用一条I/O线，每个按键电路都是相对独立的。I/O端口通过按键与地相连，I/O端口有上拉电阻，没有按下按键时，引脚端为高电平，按下按键时，引脚电平为低电平。I/O端口内部有上拉电阻时，外部可以不接上拉电阻。控制电路主要由单片机组成，利用软件程序来控制，将单片机的Pl端口设置为按键开关输入信号，当按键发生不同的变化时，单片时机通过程序控制显示局部，使其显示的数值在设定范围内可加可减，并且加减的程度不一，可以实现轻松、快速、准确的到达预定电压。当没有按下键时，单片机的pl.O至Pl.3是高电平。当按下键时，与按键相连的单片机端口会改变为低电平，其他的端口电平不变。所以，如果能检查到I/O线的上下电平，就能判断按下了哪个按键。确定是哪个键按下后，还要知道该建的功能是怎样的，就可以做出相应的处理。键盘各按键的功能分别是加键(+IV)、减键(-1V)加键(+0.039V)、减键(-0.039V)。(+)键可实现输出电压加O.03V和IV；(一)键可实现输出电压减O.039V和IVoXTAU1XTALJ2RSTP1SEHALE I 图3. 2控制电路图× OFN34SG7P尸尸P尸尸Q,尸C1234567 OHD AAA / 0123457 d5dd6dd6 I->l,-12,;o/乂小/A/A/A/A 22.2.3E.7RR2 a 2 2 a 2RPnRPn由于本设计要求数控电源的输出电压调整范围为0.0V9.9V,步进值为0.039V,如果要实现从0.0丫到9.9丫的调整，就必须要重复操作很屡次，因此仅使用加键或减键来实现数据的加0.093或减0.039将会很麻烦，为了减少按键的次数，可采用分档输入方式，即增加一个(+1)、(-1)键,在个位之间进行切换，这样实现数据调整明显要方便很多。R<5.0R×0R3.IZTXOR3.2lKTP3.3T11TTF>3.4TPR3.51R3.WWF>3.7rF<O3.3 数/模转换电路由于数控电源输出的是模拟信号，而单片机输出的是数字信号，所以，必须要通过数/模转换。数/模转换芯片很多，有电压输出和电流输出，分辨率也有所不同，有8位，12位，16位等等，不同的分辨率，价格也有很大的差距，因数控电源输出的精确度要求不是很高，如果在本钱上考虑，使用8位的数/模转换器DAC0832就可以做到。从单片机到数/模转换器DAC0832的导线中连接的电阻起到一个始终保持高电平。XTAL1XTAL2RSTP1,2 P1.1T2E× P1.2P13P1.4P1.5P1.6 P1.7该设计是采用DAC0832对数据进行数模转换，它的数据端口与单片机的PO口直接相连，DAC0832的CS和XFER连接到P3.6,单片机的WR端接数模转换的WRl,让DACO832单缓冲下工作。DAC0832的8脚接参考电压，为了方便设计，在本次设计中的电压在OTOV电压，所以在DACO832的8脚输出电压的分辨率为10V256=0.03900.039V,也就是说DAC0832输入数据端每增加1,电压增加0.039