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1、驾起总T院毕业设计（论文）设计（论文）题目：数控直流稳压电源设计学生姓名：指导教师：二级学院：信息技术学院专业：电子信息工程班级：电子信息工程（1）学提交日期：2013年4月19日答辩日期：2013年5月5日目录摘要HAbstractIIl1绪论11.1 数控稳压直流电源的研究背景11.2 数控稳压直流电源发展现状及趋势22系统硬件电路设计42.1 系统总体方案设计42.2 主控器件单片机基本设计42.3 D/A转换部分82.4 数码显示部分102.5 电源电路部分112.6 晶振、按键部分122.7 系统总体电路图133系统软件设计153.1 程序设计153.2 系统主程序流程图164系统调
2、试与仿真184.1 系统调试184.2 proteus仿真21总结25参考文献26附录一27附录二31致谢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50Oma左右。本系统由单片机程控输出数字信号，经过
3、D/A转换器输出模拟量，最后利用DACO832显示。关键词：单片机；直流电源；数控步进；D/A转换NCDCregulatedpowersupplyAbstractTheexperimentaldesignofatypeofAT89C51singlechipmicrocomputerasthecontrolcoreofthesimplenumericalcontrolDCpowersupply.ThedesignincludesDCpowerinputandoutputofthetwopart,theoutputvoltageof0-9.9Vcanbecompletedbetweendiffer
4、entamplitude,whichpartoftheoutputvoltage,whichcanbemanuallybyeachn+and-buttonforaboutevery0.1Vsizeofthenextadjustment.MicrocontrollerprogrammingpartisdesignedbasedontheKEIL2software,andthesimulationisdoneinproteus.Thesystemhasgoodanti-jammingperformance,highreliability,andfinallyoutputvoltagevaluean
5、drealvaluedisplayedhighprecision.Inthevoltageoutputbyacurrentamplifyingcircuit,thecurrentcanreachabout500ma.Thissystemconsistsofmicrocontrollerprogramoutputdigitalsignal,throughD/Aconverteroutputanalog,finallybytheDAC0832display.Keywords：Singlechipmicrocomputer;DCpowersupply;CNCstepper;D/Aconversion
6、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。
7、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
8、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，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【同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
9、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1.051.07V）,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
10、的直流电【用。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。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，至U90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
11、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
12、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
13、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
14、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，而且可以任电压显示单片机D/A转换 扩流电路AT89C51射极输出按键电源电压输出图2.1系
15、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-FaIshProgrammableandErasableReadOnlyMemOry的低电压高性能CM0S8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。2.2.2AT89C51单片机的特性(1)能够与MCS-
16、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：OHZ-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；（三）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范模式。2.2.3AT89C51单片机管脚说明1ZPI.0-VCCD1LIP0.04U39-3-p1.2P0.13b4p1.3P0.2375ErP0.3366EP0.435734p1.6P0.5833yp1
17、.7P0.6RST/VPDP0.7JZIURXDP3.0EAPP6IITXD/P3.1ALaPROGOU12INT0P3.2PSEN2913INT1P3.3P2.72814T0P3.4P2.62715T1P3.5P2.52616WRP3.6P2.42517RDP3.7P2.324IoXTAL2P2.2yXTAL1P2.120GNDP2.021图2.2AT89C51单片机管脚图如图2.2。VCC(40):供电电压；GND(20):接地；PO口(32-39):PO口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。PO能够用于外部程序数据存储器，
18、它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，PO作为原码输入口当FIASH进行校验时PO输出原码此时Po外部必须被拉高；P1口(18):P1是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O11P1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作为第八位地址接收；P211(21-28):P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口P2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
19、部上拉的缘故。P2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输出其特殊功能寄存器的内容。P2在FLAS和校验时接收高八位地址信号和控制信号；P3口(1017):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也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3.0RXD(10):串行输入口;P3.1TXD(11):串行输出口；P3
20、.2/INTO:外部中断0;P3.3/INT1:外部中断1;P3.4TO:记时器0外部输入；P3.5T1: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。当振荡器复金陵科技学院学士学位论文第二章系统硬件电路设计位器件时，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16o因此它可用作
21、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Oo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；EAPP(31):当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(OOoOH-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RE
22、SET,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H作电路的输入；XTAL2(18):来自反向振荡器的输出。2.2.4AT89C51外接晶体引脚C21.lXTAU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。同时在晶眄色两串要连榔F极性电容(帮助晶振起振)。振荡电容的选择范围：10pf30pf,本设计方案选用了20pf的电容。如图2.3所示。IlGNOTL内部方式图2.3外接晶体引脚一内部方式系统单片机控制部分如
23、图2.4所示。SVSMGlISP20(AS)VCCP21(A9)POO(ADO)P22(A10)POl(ADl)P23(A11)PO2(AD2)P24(A!2)P0.XAD3)P25(AB)P0AAD4)P26(A14)POS(ADS)P0.6(AD6)P3(XRXD)PO.7(AD7)P3I(TXD)PIO(T2)P32INT0PlI(T2EX)P33INTlPl2P34T0Pl3P35T1Pl4P36WRP1.5P37RDPl6ALERPOGPl7PSENRSTVPDXTAL2NC3XTALlNC2EAvPPNClVSSNC33SMG219PO0兄POISfG421PO2WPO3PO424
24、32PO!31PO6RXD30PO；TXD40DO=41Dl42：)：）11二；D；12：j（、39V*yeaa：J T.i110=c(fO.(to2t.M,Cx!).l2,CMta7l.ira,.:,P。：CWfHW113!018019OXan022aza02403C2Saz?as-卜.ITKSQtOl!LB三(tat.emirtIWf11aams.cgti)FTt.：ML/mt川瞬bzitr7i*，7声电:阳图4.4keil仿真程序图4.2proteus仿真4.2.1 PROTUESISlS软件介绍Protues软件是英国LabCentereleCtroniCS公司出版的EDA工具软件。它
25、不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HCl1、PIC10/12/16/182430DsPIC33、AVRARM8086和MSP43售，2010年即将增加Co
26、rtex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR.Keil和MPLA尊多种编译。该软件的特点是：(1)实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPl调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、AVR系列、PIClO/12/16/18系列、HCIl系列以及多种外围芯片。(3)提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速
27、、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51UViSiOn2、MPLAB等软件。(4)具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPlCE分析于一身的仿真软件，功能极其强大其功能特点如下：(1)原理布图(2) PCB自动或人工布线(3) SPICE电路仿真具有3大功能模块：(1)一个易用而又功能强大的ISlS原理布图工具；(2) PROSPICE混合模型SPICE仿真；(3) ARESPCBiSit.随着科技的发展，“计算机仿真技术”已成为许多设计部门重要的前期
28、设计手段。它具有设计灵活，结果、过程的统一的特点。可使设计时间大为缩短、耗资大为减少，也可降低工程制造的风险。相信在单片机开发应用中PROTEUS也能茯得愈来愈广泛的应用。ProtuesISIS的工作界面是一种标准的WindoWS界面，包括：标题栏、主菜单、工具箱、工具栏、状态栏、对象选择按钮、对象方位控制按钮、仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器、编辑窗口O1 .编辑窗口编辑窗口主要完成电路设计图的绘制和编辑。为了作图方便，在编辑窗口内设置有点状栅格，若想除去栅格可以由VieW菜单的Grid菜单项切换。在编辑窗口内放置编辑对象时，被编辑对象所能移动的最小距离称作Snap,亦可由VieW菜单进行设置。2 .预览窗口预览窗口可以显示编辑窗口的全部原理图，也可以显示从对象选择器中选中的对象。当预览窗口
