课程设计-基于51单片机的数控直流电源设计.doc

图3-2-5按键模块原理图
3
为了实现设定电压数据的掉电保护，我在系统中连接了EEPROM24C02B，保证了在行驶过程中，如果数控电源意外掉电，已经设定的电压数据能够下来。
24C02B是ATMEL公司生产的一款256 byte的串行EEPROM，能重复擦写1,000,000次，记录的信息能保存100年以上，而且与单片机的连接只要2根线。24C02的接图如图3-2-6所示。
随着科学技术的不断发展，特别是计算机技术的突飞猛进，现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源，而在一些高能物理领域，更是急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。
1.2
本设计给出的数控直流稳压电源的输出电压范围为0~13V,额定工作电流为0.5A,并具有“+”、“-”步进电压调节功能,其最小步进为0.05 V,纹波不大于10 mV,此外,还可用LCD液晶显示器显示设定电压值和输出电压值。
图3-2-6EEPROM拓展模块原理图
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
显示模块主要由TLC1543及LCD液晶显示屏组成。由美国德州公司生产的TLC1543，是具有10位分辨率的AD转换器，，它具有11路模拟输入通道及3路内置自测试方式，具有显著的优点。LCD液晶屏幕采用1602，能够显示16X2个字符。由输出端采样得到的模拟信号，输入到TLC1543的其中一路模拟输入通道IN0，通过AD转换，TLC1543将模拟量转化为10位数字量输入到单片机相应的IO口。通过处理，单片机将模拟量值通过1602液晶显示出来。显示模块的接图如图3-2-7所示。
方案三：用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流(电压)，使用电压采样电路，通过A/D转换实现闭环控制。采用此方案是对方案二的改进，能有效的缩短调节时间，进一步提高输出精度。设计方案，其主要由微控制器模块、D/A转换模块、电压调整模块、显示模块、键盘模块、电源模块六部分构成。液晶屏显示电路，该系统使用LCD1602液晶显示屏，可以清晰地显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位，同时还能显示英文名称和电压/电流单位。
即U2每改变0.04V，U0改变0.05V。由于单片机输入到DAC0832的二进制数据每改变1BIT，U1改变0.04V即U2改变0.04V，所以U0改变0.05V。因此，该设计最小步进电压为0.05V。电容C9的作用为抑制输出纹波电压。
图3-2-4电压调整模块原理图
3
系统共设置了9个独立按键，实现了常用电压设定，电压“+”“—”设定及正常关机辨别的功能。01~08的功能分别是：设置电压值12V,9V,5V,3V,步进-0.5V,步进+0.5V,步进-0.05V，步进+0.05V。09为关机设定。
方案二应用1602液晶显示模块。优点：界面美观，可显示文字及数字；缺点：价格较贵。通过比较，我选节方案二。
3.
方案一利用I/O口直接连接的独立式键盘,每键都有相应的I/O口对应,编程容易控制，实现方便；
方案二利用P3口接成4*2键盘。优点：利用6个IO口得到8个按键，可使操作介界变得简单，操作也方便；缺点：软件处理比独立按键复杂。
图3-2-1 电源模块原理图
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DA转换模块由DAC0832，两级运放UA741组成。DAC0832具有8位分辨率，有3种工作方式（单缓冲，双缓冲，直通）。本设计中DAC工作于直通工作方式。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。
+21V
+15V
-15V
+5V
UO
图2-1 系统总框图
第
3.1
3.
由于该电源总共需要+21V，+15V，-15V，+5V电压，所以采用双220V/18V 变压器，经桥式整流滤波后得到21V电压；由三端稳压器7815,7915和7805分别得到+15V，-15V和+5V电压。
3.
方案一应用mega16作为控制器。AVR是51的升级版，具有速度快，且自带512字节的EEPROM，不需要另外接扩展的EEPROM的优点；缺点是，对AVR的使用不太熟悉，价格比较贵。
3.
我选用应用最广泛的ST24C02芯片。该芯片价格便宜，操作简单，抗干扰强，数据能保持一百年。
3.2
本系统由电源模块，调压模块，DA转换模块，键盘模块，EEPROM拓展模块与显示模块组成。
3
220V市电经过双18V变压器转换后的到+ -18V电压，再经过桥式整流滤波电路，得到18*1.2=21.6(V)电压。其中+21V电压经过7815转换得到稳定+15V电压，再经7805转换得到稳定+5V电压；-21V电压经过mc7915转换得到稳定的-15V电压。其中，+21V为系统供电，+15V,-15V,+5V分别为各独立元件供电。
基于51单片机的数控直流电源设计
学号：XXXXXXXXXX
姓名：XXX
日期：2013年12月
第
1.1
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。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。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，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和研究不可缺少的电子仪器。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通的直流稳压电源品种有很多，但均存在以下两个问题：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，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。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的直流电。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。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，并有电压表指示电压值的大小。因此，电压的调整精度不高，读数欠直观，电位器也易磨损。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。
方案二：用D/A和运算放大器做电流源，即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流（电压）。采用此方案能有效的缩短调节时间，并能提高输出精度。设计方案，包括了微控制器模块、D/A转换模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成,形成开环控制。采用常用的51芯片作为控制器，P0口和DAC0832的数据口直接相连，DA的电流输出端接放大器UA741的反向输入端，DAC0832和运放UA1将单片机发出的八位二进制数转换成0—5V负电压，再经过反向比例放大器UA2将负电压转换成0—10V正电压，输出到电压调整模块NE5534，将电压的步进值调整为0.05V。所以，当MCU输出数据增加1的时候，最终输出电压增加0.05V，当调节电压的时候，可以以每次依0.05V的梯度增加或者降低电压。数码管显示电路，该系统使用3个数码管，可以显示三位数，分别组成显示电路的十位、个位、小数点位。本主电路的原理是通过MCU控制DA的输出电流大小，通过两级放大器转换成电压值并放大，经过电压调整模块调整作为最终输出的电压。
图3-2-3DA转换模块原理图
3
本设计的电压调整模块如图3-2-4所示。Q1，Q2组成复合管，以实现大电流输出。由于该设计预定额定电流为0.5A,最大输出电压为12.5V，所以要求Q1管射极最大功率Pmax=0.5*12.5=6.25W，所以选取TIP41c。Q3管9013和电阻R1为限流保护部分。当输出电流大于0.7A时，R1上的压降为0.7V使得T3管导通，Q3管集电极对Q2管基极分流，使得Q2管基极电流明显变小使得输出电流变小，从而达到过流保护的功能。发光二极管起过流提醒作用。
按照方案三的设计能够很好的满足课程设计的目标与要求，所以最后选用方案三。
2.2
采用双220V/18V变压器，将220V市电经桥式整流，滤波后得+21V和-21V电压值，再经过三端稳压芯片得到需要的+15V,-15V和+5V，为系统提供电源支持。以单片机STC89C52为核心，输出电流经D/A转换，比较放大后得到合适的电压值，经电压调整后输出UO,对UO采样，经A/D转换送回到单片机与设定值比较，自动调整以实现闭环控制。系统总框图如图2-1所示。
图3-2-7显示模块原理图
第
4
系统的核心部分是对输出精度的闭环控制。对输出电压值采样，通过A/D转换通道送入单片机，与输出值进行比较，若误差不在规定范围内，就调整STC89C52的输出值，直到满足要求。系统主程序流程图如图4-1-1和图4-1-2所示。
方案二采用STC89C52作为控制器。优点：技术比较熟练，使用广泛，价格便宜，而且功能上也完全满足本系统的要求；缺点：需要连接扩展EEPROM。
因为本系统对单片机的速度要求不是很高，而且连接扩展EEPROM也不复杂，经过比较，选用方案二。
3.
方案一使用LED显示。优点：可视角度宽，介格便宜；缺点：
显示的内容少，介面呆板，而且占用较多的IO口资源。
通过比较，结合本设计不需要太多IO口，方案一为最佳方案。
3.
方案一采用PCF8591芯片。优点：集AD，DA于一身；缺点：价格昂贵，且操作不熟悉。