基于单片机数控直流电源设计_毕业论文

湖南商学院

本科毕业设计（论文）

初拟题目 数控直流电源设计

课题类别 设计□√ 论文□

课题来源 生产□ 科研□ 自拟□√

学生姓名

学 号

学 院 计算机与电子工程学院

专 业 电子信息工程

班 级

指导教师

职 称

本次我们所设计的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示，输出电压的大小调节通过“+”、“-”两键操作，分别作加、减电压控制，单片机将根据按键锁进行的操作增加或减小Ｄ／Ａ转换电路的输入数值，Ｄ／Ａ转换器将数字量按比例转换成模拟电压，然后经过射极跟随器控制调整输出级输出所需的稳定电压。并ICH707芯片实时测试显示输出电压的变化，使设计更加人性化。

第二章 方案论证及比较

2.1 控制器部分

方案一：应用PIC芯片作为控制器。PIC单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器（TRISn , 其中n对应各口，如A、B、C、D、E等），从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言，这是一个很大的优点，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。它的A/D为10位，能满足精度要求。具有在线调试及编程（ISP）功能。

方案二：应用AT89S51作为控制器。51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。而且，51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。当该脚作输出脚使用时，则为

高电平或低电平均可。低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。

PIC芯片的内置很强大，但是一方面它的价格比较昂贵，另一方面，也是由于我们对PIC不大了解，没有试验过，所以，我们选择了51作为我们的控制器。这样一来，我们实现一些功能就必须要加外围电路了。

2.2 显示部分

方案一 ：使用LED显示。优点：可是角度宽，价格便宜。缺点：显示的内容少，介面呆板，而且占用较多的IO口资源。

方案二 ：使用1602液晶显示器。可视面积大，介面美观，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省软件中断资源，应用串行连接，节省I/O口资源。

这次，我们选用了LED作为我们的显示器。因为1602液晶显示器相对来说比较昂贵，而且我们的显示部分只是显示电压的输出值。用四位数码管就可以实现。但是，使用LED占用了比较多的Ｉ／Ｏ资源。

2.3 电源部分

方案一：三端固定输出电压式稳压电源78XX系列运用其器件内部电路来实现过压保护、过流保护、过热保护 。这使它的性能很稳定。能够实现1A以上的电流 器件具有良好的温度系数。并且有多种电压输出值5V~24V，因此产品的应用范围很泛 。可以运用本地调节来消除噪声影响，解决了与单点调节相关的分散问题输出电压误差精度分为±3%和±5% 。

方案二：

LM117/LM317 是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。LM117/LM317 的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调

整率也比标 准的固定稳压器好。LM117/LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。通常 LM117/LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到

LM117/LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM117/LM317能够有许多特殊的用法。比如 把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过117/LM317的极限就行。当然还要避免输出端短路。还 可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。

通过比较分析，此次我们选择了78XX系列芯片来实现我们的电源输出。因为78XX系列的芯片能满足我们的四个固定电压的输出。

第三章 主要电路单元的设计

本系统由电源模块、调压模块、D／A转换模块、显示与键盘模块组成。系统电路结构原理图，如图所示：

+

电路设计：

1．整流、滤波电路设计。

首先确定整流电路结构为桥式电路，选用大的电解电容对输入的电流进行滤波处理。电路如图所示： 市电输入 变压 整流 电压调整及过流保系统电源

+5v +24 +15 比较放大

DA转换 取样AT89S51

键盘 取样显示 AD

转换

整流滤波电路

该整流滤波电路中，220V 的市电输入到电路中，经过一个整流桥堆整流电路 。整流电路的任务是将电网供给的交流电变换成脉动的直流电，通常利用二极管的单向导电性来实现。一般分为半波整流/全波整流/桥式整流/被压整流等，而桥堆就是用在桥式整流中的。通过整流桥堆后的电压为U=U0*1.2。U0为经过变压器变压后的输出电压。经过整流后的电压用两个电容实现滤波处理。

2.电源电路

该电源电路采用了四个三端集成稳压器来为电路输出电路所需要的各种电压。一般三集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，使电压差保持在4-5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些 。78系列的三端稳压器能够输出正的电压。79系列的三端稳压器输出是负电压。由于该电路的芯片发热较大，一般要加上合适的散热片散热保护电路。芯片

分三个引脚，输入、输出和接地，三个引脚不能接反，否则容易烧化电路。

3.放大电路：

这部分电路是实现电压放大的电路。电路的比较放大采用运放NE5534来设计，该器件具有共模抑制比高，响应速度快和压摆率高的特点。设计时可由R10、R11A、R12组成分压取样电路，并要求R10／(R11A+R12)=1／4，即当输出电压存在△UO=0.05 V时，△Ua=0.04 V，这与DAC的输出(10／255=0.04V=1LSB)变化一致。事实上，经过DAC转换以将电流转换为电压并进行电压放大后，即可将得到的10 V电压送比较器NE54534的同相端作为比较的基准电压。由于DAC0832是8位的D／A转换器，故有255步进。由此，当CPU控制DAC变化1LSB时，其对应Va的变化为0.04 V，故Uout的可调变化量为0.05 V(步长)。NE5534和Q1、Q3及取样电路构成的负反馈电路可实现调节输出电压的目的(稳压)。

电路中的过流保护由R9与Q2完成。当Io>0.7A时，VR9=R9Io≥1×0.7=0.7

V，此时Q2导通，并对调整管Q3的基极分流，使TIP41的导通电阻增大，输出电压降低，从而达到过流保护的目的。该系统的短路保护采用保险管来完成。

该电路的数模转换电路是由DAC0832、两级低漂移的运放μA714和VREF电路组成。DAC0832和运放U3A将CPU发出的8位二进制数据转换成0～-5 V的电压，然后经运放U3B反向放大2倍，以得到0～10 V电压。因此，该DAC的转换分辨率为10／(28-1)=0.04 V，即CPU输出给DAC的数据变化为1 Bit，DAC输

出电压的变化为0.04 V。VREF电路为DAC提供基准电压，调节R5A，可使基准电压保持为5 V。

8位数模转换器DAC0832芯片

1. 引脚及其功能

DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。图1-1和图1-2分别为DAC0832的引脚图和内部结构图。其主要参数如下 ：分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参考电压为(+10?/span>-10)V，供电电源为(+5～+15)V，逻辑电平输入与TTL兼容。从图1-1中可见， 在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号 /XFER。

DAC0832引脚图如图所示：

图中，当ILE为高电平，片选信号 /CS 和写信号 /WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。此后，当 /WR1 由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样

输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。

对第二级锁存来说，传送控制信号 /XFER 和写信号 /WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当 /WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。

图中其余各引脚的功能定义如下：

(1)、DI7～DI0 ：8位的数据输入端，DI7为最高位。

(2)、IOUT1 ：模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。

(3)、IOUT2 ：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。

(4)、RFB ：反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器

的输出端和输入端之间。

(5)VREF ：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10～-10)V。

VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。

(6)、Vcc ：芯片供电电压，范围为(+5~ 15)V。

(7)、AGND ：模拟量地，即模拟电路接地端。

(8)、DGND ：数字量地。

4.键盘模块