数控直流稳压电源的设计1

1. 设计任务和要求1.1设计要求1.1.1 任务设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。

其原理示意图如下：1.1.2 要求基本要求：（1）输出电压：范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输出电流：500mA；（3）输出电压值由数码管显示；（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。

发挥部分：（1）输出电压可预置在0～9.9V之间的任意一个值；（2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进0.1V不变）；（3）扩展输出电压种类（比如三角波、方波等）。

2 系统方案选择和论证2.1 系统基本方案通过对题目的任务、要求进行分析，我们将整个设计划分成三个部分：自制稳压电源部分，数控部分和输出显示部分。

其系统框图如图2.1所示：市电220V 50Hz图2.11.自制稳压电源部分自制稳压电源输入220v、50hz交流电，通过变压、整流、滤波和稳压电路，输出系统所需的三种直流电压：+15v、-15v、5v。

2.数控部分为完成题目要求制作可调节数控电源，需要有简单的人机接口界面，即需要按键输入和显示输出。

由于数控部分功能较多，较为复杂，对系统性能影响很大，采用了可编程控制器件来作为系统的核心，便可完成题目要求。

由于控制器部分为数字电路，而具体的输出部分为模拟电路，需要D/A 转换电路联系起来，实现电压的输出和调节。

数控部分由自制稳压电源部分供电。

3.输出部分将D/A器件发送过来的电压控制字转换成稳定电压输出，电路主要为D/A转换，稳压输出等组成。

单片机控制电压值通过LED数码管显示出来。

2.2 各模块方案的选择和论证2.2.1 控制器模块作用：各按键信号的辨认，控制电压的输出、显示电压值、各种类波形输出等。

方案1：采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。

优点：可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：成本高，引脚多，PCB布线复杂。

方案2：采用嵌入式处理器（ARM)方案。

优点：运算功能强大，速度较快，编程灵活，自由度大，外围器件少，成本适中，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：PCB设计及焊接技术要求高，之前未接触这一块内容，难度较大。

方案3：采用CPU（51MCU)方案。

优点：算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，技术成熟，体积小，成本低，容易实现仿真、调试和功能扩展。

缺点：速度相对较低。

如图2.2图2.2 系统总体设计框图本设计拟采用此方案。

2.2.2 D/A转换模块作用：输出电压。

方案1：使用DAC0832数模转换优点：DAC0832是8位分辨率D/A转换集成芯片，与处理器完全兼容价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点缺点：8位并行，转换精度低，速度中等。

本设计拟采用此方案。

方案2：使用AD7520数模转换优点：10位并行，转换精度较高，速度较高。

缺点：价格相对较高。

2.2.3 显示模块作用：显示电压值。

方案1：使用LCD显示屏优点：功耗小，显示形式多样缺点：编程难度较高，亮度较低方案2：使用LED数码管优点：编程难度低，价格便宜缺点：功耗较大，电路连接相对较复杂本设计拟采用此方案。

2.2.4 输入模块作用：作为输出设备。

方案1：采用按键开关，如图2.3所示。

图2.3优点：通过译码后，N个开关有2N种状态，可以节省端口缺点：状态的切换不方便，而且操作起来不直观。

方案2：采用点触开关，如图2.4所示。

图2.4优点：状态切换方便，操作简单明了；缺点：开关占用端口比较多。

考到到本系统的模式较多，为了方便用户使用键盘来切换模式，我们选择了方案2。

2.3 各模块的最终方案（1）控制模块：采用AT89C52单片机实现控制；（2）D/A转换模块：采用DAC0832进行数模转换；（3）显示模块：采用两位一体共阳LED数码管；（4）输入模块：采用4*4矩阵按键；3系统硬件设计3.1直流稳压电源设计直流稳压电源是一种将220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它通过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图3.1。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。

选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.1～1.2)U2，直流输出电流 ： （I2是变压器副边电流的有效值。

），稳压电路可选集成三端稳压器电路。

根据上述原理设计辅助电源如图3.2.图3.2 辅助电源3.2 单片机系统电路（1）时钟电路时钟电路是单片机的心脏，它是控制着计算机的工作节奏。

MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2 分别是反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。

如下图所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。

片内振荡器的震荡频率 fOSC 非常接近晶振频率，一般多在 1.2MHz ～12MHz 之间选取，这次用的时钟频率是11.0592MHz 。

图 3.3 中 C7、C8 是反馈电容，其值在 5pF ～30pF 之间选择,其典型值是30Pf 。

作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率起微调作用。

（2）复位电路系统在启动运行时都要复位，使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态， 并从这状态开始工作。

采用按键复位方式。

在按键的瞬间，电容通过电阻充电，就在端出现一定时间的高电平。

只要保持 RST 引脚为高电平时间足够长，就可使 CPU 复位。

所需高电平时间的长短与 Vcc 上升时间和振荡器起振时间有关。

10MHz 时，约1ms ；1MHz 时，约10ms 。

若 Vcc 上升时间小于 20ms ，那么从上电时间算起，只要保持 RST 引脚在高电平停留时间不小于 20ms 即可。

EA 端接VCC,让单片机读取内部存储器的数据。

图3.1直流稳压电源方框图()2~5.121I I o = 工频交流脉动直流直流负载（3）按键电路S1是“+”功能，S2是“-”功能，S3是扩展功能，当按下不同按键时，单片机通过程序识别出所按的键位，于是，通过内部程序运行，可改变P0口，P1口的数据。

图3.3单片机系统电路3.3输出控制电路1．DI0~DI78是8位数字信号输入端，其中D7是最高位（MSB），D0是最低位（LSB）,所以D7接单片机的P17口，D0接单片机的P10口2．Vref是参考电压的输入端。

3．Iout1, Iout2是电流输出端，接运算放大器 NE5532, 进而输出标准电压。

图3.4 D/A转换电路设计3.4 数码管显示电路显示功能采用两位一体共阳数码管实现测量电压值的功能。

具体接法如图3.5，共阳接法，LED 端接P0口，这时候要驱动电流，这个驱动电流是提供LED发光用的，发光管亮的时候电流是从驱动电流——LED ——P0口。

而且数码管用动态显示接口方式，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I/O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，取决于单片机对位选通COM端电路的控制。

图3.5 显示电路3.5按键部分由题目发挥部分要求电压可以在0-9.9V之间预置，并且可以选择不同的输出波形，综上考虑，选择了4*4矩阵键盘来实现。

4*4按键的电路如图3.6：图3.6各个按键的具体功能定义如图3.7：图3.74 系统软件设计根据设计选取的 D/A转换芯片 DAC0832提高分辨率到小数点后一位的要求，按照硬件电路图的连接情况，设计了 D/A转换子程序。

其中选取 AT89C51 的 P1口与 DA转换器的数据口相连，P0口与数码管引脚相连，及P2口与扩展键盘相连。

4.1程序框图设计S1是“+”功能，输出电压按0.1V 步进增。

S2是“-”功能，输出电压按0.1V 步进减。

S3是扩展功能，通过外围键盘可预置在0～9.9V之间的任意一个值及各种波形。

图 4.1为主程序流程图，图4.2为DA转换及LED显示子程序流程图，图4.3扩展子程序流程图。

图4.1 主程序流程图图4.2 DA转换及LED显示子程序流程图图4.3 扩展子程序流程图5 系统调试及数据分析整个系统设计采用的是模块化的设计思想，将系统分成几个模块进行具体的硬件电路设计，因此系统调试也将按照硬件模块进行分模块的调试。

主要用到的工具是数字万用表，电烙铁，示波器。

5.1测试仪器及型号双通道数字存储示波器:Tektronix TDS1012；数字万用表:VC890D.5.2系统调试5.2．1 Protel DXP原理图及程序调试对画好的电路图进行仿真，发现出了很多问题，例如，地线没连，电阻过大，单片机引脚没接好等等，后来一个一个排除出错，最终完成Proteus原理图调试及PCB打印。

在程序调试中，发现有很多错误，都是粗心造成，例如少分号，中括号等等。

经过了一系列的分析和查找，终于一步步完成最终的程序。

5.2.2辅助电源部分调试辅助电源实物制作好后，通电调试，发光二极管不亮，但测的稳压管输出端输出正常，经过检查和计算，发现与发光二极管相串联的电阻过大，使流入发光二极管的电流过小，导致发光二极管不亮。

解决方法：改用阻值小的电阻后，发光正常。

5.2.3单片机部分插上辅助电源后，按下按键开关（程序已下载好了），发现数码管一个段都没亮，首先用数字万用表测VCC对地的电压，只有1.5V，因此单片机工作不正常，接下来查了复位电路，时钟电路，EA 端，发现晶振焊盘虚焊导致时钟电路工作不正常。

改正后，显示稳定。

电路工作正常。

5.2.4显示部分故障的排除先通过单机片编程序及下载让数码管静态显示“8”字型，确保数码管电路正确，但调试时，发现数码管有一个字段不发光,后来经过认真的检查发现,其中一个引脚虚焊。

后经重新焊接，工作正常。

5.2.5数模转换调试过程中，第一轮用万用表欧姆档测试，就遇到实验板上有插孔不通的情况，导致芯片不能正常工作。

相对于别的办法，我选择了导线显式连通，因为其更明晰，更易实现。

对于高阻导线则只能换掉。

第二轮接电后，用万用表的电压档测试单元电路的状态。

如：经过一级NE5532放大器后输出的电压是否为稳定电压，并且与所需电压偏差会不会很大，根据测试结果对电路进行必要的改进，从而达到设计的目的。

5.3各项指标的测量数据5.3.1输出电压值（1）输出电压：范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；（2）输出电流：90mA；（3）输出电压值由数码管显示；（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±15V，＋5V。