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1、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
2、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
3、.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
4、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L
5、M324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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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.1U1TAL2_RSTPSEN01234567PpppppppT2PO.O/ADO P0.1A01 PO.2AD2 PO.3AD3 P0.-4A04 PO.5AD5 PO.6AD6 PO.7AD
11、7P2.OAP2. 1A0P2.2A1O P2.3A1 1 P2.4A12P2.5A13 P2.6A14 P2.7A15P3.ORD P3.1TD 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
12、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
13、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
14、.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。R3.4TPR3.51R3.WWF3.7rFO3.3 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，
15、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OTO
16、V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0.039V1,再使DAeO832的电压输出端接到运放LM324,DACO832的输出电流可转换成电压。改变PO端口的数据可以改变DACo832的输出电压，如当PO=OOH时，DACO832的输出电压就应为0V。PO.O/ADOP0.1/AD1P0.2AD2P0.3AD3P0.4,AD4P0.5/AD5P06AD6P0.7AD7P2.Q，A8P2.1A9P2.2A10P2.3A11P2.4A12P2.5A13P2.6A14P2.7A15P3.0RDP3.
17、1TXDP3.21NT0P3.aW11P3.411D16HP3.511P3.6WRP3.7W图3.3数/模转换电路3.4 显示电路该电路的显示局部又可分为电压预制值显示电路，系统设计的是数控电源，因此随时都要知道电压的输出值，所以，显示电路是少不了的，这里是用4位数码管进行显示。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的1/0线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片
18、机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制翻开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为l2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的1/0端口，而且功耗更低。XTALiAT39C52P2.Q*,A8P2.1A9P22A10 P2.3A11 P2.4A12 P2.5A13P2.A14P
19、2.7A15ROSADO PO. VADI P0.2AD2 PO ai,AD3 PO.“AD4 POS 伏 D5 PO.6AD6 P0.7AD7P3(RD P3 1TD P3.2T P3.3jRtTP34D P3.T P3WR P3.7.HD 图3. 4显示系统设计3.5 放大电路通过数/模转换器DACO832输出的是电流，由于我的设计最终输出为模拟电压信号，所以要将由数/模转换器输出的电流信号转换为电压信号，这里就应该用到一个运算放大器来实现。1.M324系列器件带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使
20、用，在本设计中要用到3个放大器，而LM324内部有四个放大器，这样在本钱上可以减少，并且在电路的复杂程度上也得到了很好的优越。因此被广泛应用在各种电路中“纥1.M324放大器可以工作在3.OV到32V的电源下，静态电流为MCl741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。由第一个放大器将电流转换为电压后，电压的取值范围在0-5V,这样达不到设计要求，还需要将输出电压的数值进行放到到070V,这样就使得第二个放大器的放大倍数要到达2倍。放大器电压放大倍数AV仅由外接电阻R2、R3决定，即：Av=l+R2R3负号表示输出信号与输入信号相位相
21、反.。tt端来自数模转换器的输出端，由于该点的输出电压不能到达满量程5V,误差在0.2V范围内，所以通过在第一个放大器输出端的电压误差来具体求得R2和R3的数值，这样可以减少最终输出电压的误差。这样就可以到达设计要求的电压值，再通过三极管的导通可以在R5之间得到0到lOv的电压值。第四章系统软件设计4.1软件程序设计程序设计流程图如图4.1所示。程序开始以后，首先进行数码管的初始化。然后检测按键，如果没有按下按键，数码管当前显示示数为0V；如果有按键按下，进入电压检测中断程序，确认当前数码管的调整值。接着检测D/A是否启动，启动以后进行数模转换，将转换后的模拟量送给系统最终输出端。系统软件完成
22、的功能主要可以分为以下几局部：(1)并行接口单元电路连接按键，识别按键的状态、产生键码并显示在数码管上；(2)启动DACO832进行数模转换，将预置电压缩小1/2后单极输出；(3)实现对整个系统的运行进行控制，完成系统步进、扫描、扩展输出电压等功能。系统主程序，菜单界面子程序组成软件设计的骨架，行反转法键盘扫描子程序，键盘按键取值子程序，算法子程序，显示子程序，“+”、“一”步进子程序，“+”、“一”扫描子程序，程序流程如图4.1所示。行反转法键盘扫描子程序：该子程序通过行反转法检测实验平台键盘，取得键值。该子程序可以判断键盘被按下的情况得到指令来实现对数码管的改变。键盘按键取值子程序：该子程
23、序先对键盘进行一次扫描子程序，取得键值后并非返回主程序，而是继续扫描键盘，直到确定键盘扫描子程序己经扫描不到按键为止。这样的作用是每次调用键盘按键取值，子程序就会取得相应的一个键值，不会因为连续按键而将前面的键值覆盖。图4.1软件流程图第五章系统测试及数据分析5.1硬件的调试(1)在进行系统仿真时，单片机连接数模转换器的输出端口在运行的时候不是高电平状态，由此我在电路中加了定值电阻，这样保证了输出为高电平。(2)显示数码管的示数不是很亮，这样看上去很不方便，所以我在电路中加了上拉电阻，它的作用是增大电流，这样显示的问题就得到了解决。(3)由于LM324输出的实际电压值不同等与数码管显示的电压，
24、所以显示的电压与实际的电压值有偏差，所以通过放大器电阻的调整使显示和输出的示数误差尽可能的减小。5.2 数控局部(1)接通电源，通过按“+”、“一”键来观察数码管上的显示示数是否有误。使用减按键为最小值时，数码管一直显示为0。长按“+”、“一”，能否进行扫描。5.3 软件调试(1)在调试主程序时，由于没有调启动DAC0832的程序，D/A转换不能正常进行,调用后能正常进行D/A转换。(2)显示子程序的调试在调试显示子程序时，由于调用的延时时间不够，数字在数码管上显示不稳定，通过对系统的屡次调试，改变延时时间，最终数字能稳稳地显示在数码管上皿。(3)中断子程序的调试在调试中断子程序时，开始我采用
25、的是电平触发方式，效果达不到要求，按下调整按键没有松开，中断程序一直在执行，也就是说中断程序不只执行一次，之后我改为脉冲触发方式后，能到达理想的效果。5.4 电路数据的分析(1) .电压输出范围的测试主要测试仪器：数字万用表设计要求的范围内，通过程序电压极值，先设最低值，再设最高值，用数字万用表测量相应的输出电压，重复测试三次，具体测试数据如表5.1所示5.1电压输出测试数据次数第一次第二次第三次极值Vmin(OV)Vmax(9.99V)VminVmaxVminVmax设定值09.9909.9909.99实测值09.800.019.8509.84试验误差00.190.010.1400.15误差
26、分析根据以上数据看出，实际输出的电压最高值达不到要求的10V,主要原因是在设计电路原理的时候考虑到条件缺乏，DACO832的输出达不到满量程5V,通过对R2、R3电阻阻值的调整（，可以弥补DAeO832输出的缺乏，那么可以到达要求。总体分析：由以上数据分析可知，在两端点处，系统误差可以忽略不计，完全到达题目设计要求。5.5 结论本次设计过程中，我选择的主要核心是单片机，在以往的课设中，我总是用的数模电为根底来设计电路，这种电路的逻辑简单，让人容易接受。可是电路连接和电子元器件较多，给电路有时会带来一些干扰，使结果没有想象中的那么完美，和理论依据也稍有偏差,在电路图设计出来之后主要的就是考验电路
27、的连接，没有什么可以更好的提高自己设计的能力。但是用到单片机为根底，以上的许多缺点都可以得到很好的解决。比方单片机最好的一点就是可以让电路简单化，有时候完成设计只需要几个芯片就可以实现设计目标。其次单片机主要考察的就是程序的运用，在软件的设计方面，有很多值得学习的地方，软件设计可以用语言来到达设计要求，不管是本钱还是在设计方面都可以使自己的设计变得简单，容易操作，我更加相信软件的开展只会越来越好，越来越重要，运用好软件方面的知识，会在以后的设计中都变的很简单。本次的设计中，我采用单片机为核心，通过程序的设计，使单片机来控制四位一体数码显示管的显示和数值，以单片机的地址数据总线来给数模转换器输入
28、数据，从而让其输出想要得到的信号。从数模转换器输出的信号再加以转化和放大，最终得到设计要求。利用按键输入给单片机一些指令,让单片机来分析和执行程序，使各个模块按方案的方向运行，总体上电路实现了简单、可控、精准的特点。不过本次设计也有许多缺乏之处，比方在组装硬件电路和调试的过程中碰到了很多难题和自己难以解决的问题，经过查阅资料和请教同学，最终解决了局部问题，实物实现了局部功能。还有就是自己的软件知识不过关，在软件方面可以理解，但要主动自己设计的话还存在一定的问题，我觉得在今后得加强软件方面的学习和研究，争取可以实现单独完成设计。同时，通过木次课程设计，稳固了学习过的专业知识，把理论与实践从真正意
29、义上相结合了起来；考验了借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、缺乏，以便于在日后的工作中得以改良、提高；通过软件Proteus,也了解到计算机辅助设计的智能化，有利于提高工作效率。本次设计是一个小型、便捷、可控、稳定的电压源的研究，是我在前人的根底上针对自己能力所开展的一次研究，在这次研究的内容、过程、结果都给了我很多经验和启发。在这次设计中使我喜爱上了单片机，它可以将很多硬件通过软件来实现，使复杂的电路实现简单化，给我的制作带来很多便捷。我更加看好的是科技的开展和进步，我认为在这个专业只有进步，没有后退，需要做的就是不断地展开研究
30、，为人们的生活水平不断提高而献出自己的份力。致谢首先，非常感谢耶老师指导此次的课程设计。虽然，耶老师没有带过的课。但是，耶老师却很负责任要求我们签到。因为大四的我们会不时的离校，通过签到和请假能确实我们在何地何处，以便于了解我们的实时情况。对于此次的报告老师要求严格。还有六个月我们就要离开这个陪伴我四年的大学一一陕西理工学院，非常感谢学院老师可以给我们安排这个课程，让我在即将在做毕业设计之前有一个这样的经历，这会给我做毕业设计带来很大的帮助。参考文献1曲学基.稳定电源电路设计手册M.北京：电子工业出版社，2003.88-932童诗白,华成英.模拟电子技术M.北京：高等教育出版社，2001.27
31、92863王鸿麟，直流稳压电源的原理和设计口1人民邮电出版社，1981.79864肖卫初，郭宝龙，数控直流电压源的设计与实现J,2013,11:151-1605陈龙，樊凌雁等，高精度数控直流电压源的研制J,2012,10：96-1026高桔祥，模拟电子线路设计Dfl.北京：高等教育出版社，2013,4177胡汉才.单片机原理及接口技术IxI.北京：清华大学出版社，2003.171-1868许艳惠.智能化高精度数控直流电源的设计与实现J.微计算机信息，2007,11-2:9王增福，魏永明.新编线性直流稳压电源M.北京：电子工业出版社，2001,10012110State-spaceCurrent
32、controlforfour-leggrid-connectedPWMrectifierswithactivepowerfilteringfunctionJ.IEEEJournalofSolid-stateCircuits,2013,12112211杨旭,王兆安等.开关稳压电源的设计和应用M.北京:机械工业出版社,2010,768112Khong-MengTham,KrishnaswamyNagaraj.ALOWSUPPlyVOItagCHighPSRRVoltageReferenceinCMOSProcessJ.IEEEJournalofSolid-stateCircuits,1995,30
33、.13RazaviB著.陈贵灿等译.模拟COMS集成电路设计M.西安交通大学出版社，2002.67-7514李朝青.单片机原理及接口技术闺.北京航空航天大学出版社，2005.8796附录A：电路总图;附录B：元器件清单表;序号名称规格数量1单片机T89C5112数码管4位13数模转换器DAC083214运算放大器LM32415可变电阻10K26电路板15*1017按键开关48三极管NPN59电容30pF210电容IOuF111电阻IOK912电阻IK413石英晶振12MHz1附录c：数控电压源仿真;附录D：源程序#includettincludettdefineucharunsignedcha
34、r#definedac0832XBYTEOx7fffsbitjial=Pl0;sbitjianl=P1;sbitjia=Pl2;sbitjian=Pl3;sbitledl=Pl4;sbitled2=Pl5;sbitled3=P6;sbitled4=Pl7;ucharx;ucharcodeled=0xc0,0xf9,0xa4,OxbO,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;ucharcodeledx=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10);voiddelay(unsignedintn)unsignedinti,j;for(i=0;in;i+)for(j=0;j250)i=249;if(!jianl)i=i-12.52;i=i-12.52j)while(!jianl);if(i250)i=249;if(!jian)i=iO.5;i=i-O.5;whiIe(Ijian);if(i0)i=0;dac0832=i;dispvoltage=i*3.999;display(dispvoltage);)
