1、數控步進直流穩壓電源的設計與制作安徽機電職業技術學院創新工作室摘要：本課題設計以AT89C51為核心，通過A/D、D/A轉換、V/I轉換及獨特的算法實現了高精度的，電壓輸出范圍為012V，電流輸出范圍為0mA1A的數控步進直流穩壓電源。該電流源具有電壓可預置，0.5V步進，同時顯示給定值和實測值等功能。關鍵字：AT89C51，數控電源，A/D、D/A轉換、V/I轉換CNC stepping dc voltage source of design and manufactureAbstract: This topic design USES AT89C51 as the core, the A/

2、D, D/A transformation, V/I conversion and unique method of high voltage output, the range of 0-12 V, current output for 0mA 1A nc stepping dc voltage stabilizer. With the current source voltage preset, 0.5 V stepping, given value and values etc. Function.Key words: AT89C51, Numerical controlled sour

3、ce,A/D、D/Aconverter、 V/I converter目 錄1. 系統設計31.1 設計要求31.1.1 基本要求31.1.2 技術指標31.2 總體設計方案41.2.1 方案論證與比較42. 單元電路設計72.1 電壓源電路設計72.2 控制器電路設計82.2.1 單片機最小系統設計82.2.2 A/D、D/A電路設計82.3 鍵盤電路設計92.4 顯示器電路設計102.5 穩壓電源電路103. 軟件設計113.1 軟件設計流程圖113.2 軟件功能、算法及源程序：124. 系統測試144.1 測試使用的儀器144.2 指標測試和測試結果144.2.1 輸出電壓范圍測試144.

4、2.2 電壓顯示準確性測試144.2.3 電流顯示準確性測試144.2.4 步進功能測試154.2.5紋波功能測試155. 結語15參考文獻16附錄1 主要元器件清單16附錄2 單片機最小系統原理圖17附錄3 模塊電路原理圖17附錄4 單片機最小系統PCB19附錄5 模塊電路PCB19附錄6 操作說明：20電源就按照這個目錄寫，好的，加上單元電路調試的方法、問題與解決、電路與程序的改進、問題與不足。1. 系統設計設計并制作數控步進直流穩壓電源。輸入交流200240V，50Hz；輸出直流電壓0+12V。其原理示意圖如下所示。1.1 設計要求題目要求設計并制作數控步進直流穩壓電源。其要求如下:1.

5、1.1 基本要求（1） 通過“”、“”鍵步進調整輸出電壓，可調范圍為0+12V，步進幅度為0.5V。（2）輸出電壓和電流值通過4位LED顯示，顯示精度分別為0.1V和0.01A。通過“F1”鍵實現電壓/電流顯示切換，開機默認顯示電壓，按“F1”轉換為顯示電流，再按“F1”轉換為顯示電壓。4位LED末位顯示單位，電流顯示“”，電壓顯示“”。（3） 過流保護與報警功能。1.1.2 技術指標（1）交流輸入電壓范圍：220V±10（2）輸出電壓范圍：0+12V（3） 輸出電流范圍：01A（4） 輸出紋波電壓：<10mV（輸出電壓為10V，輸出電流為500mA時測得）（5）過流保護動作電

6、流：1.1 A1.2 總體設計方案1.2.1 方案論證與比較（1）電壓源模塊方案方案一：采用集成穩壓器構成的開關恒壓源。方案二：圖1.1 采用集成穩壓器構成的開關電壓源原理框圖（2）控制器模塊方案方案一：采用FPGA作為系統的控制模塊。FPGA可以實現復雜的邏輯功能，規模大，穩定性強，易于調試和進行功能擴展。FPGA采用并行輸入輸出方式，處理速度高，適合作為大規模實時系統的核心。但由于FPGA集成度高，成本偏高，且由于其引腳較多，加大了硬件設計和實物制作的難度。方案二：采用AT89C51作為控制模塊核心。單片機最小系統簡單，容易制作PCB，算術功能強，軟件編程靈活、自由度大，較好的發揮C語言的

7、靈活性，可用編程實現各種算法和邏輯控制，同時其具有功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優點。基于以上分析，選擇方案二,利用AT89C51單片機將電壓步進值或設定值通過換算由D/A轉換，驅動穩壓源電路實現電壓輸出。輸出電壓經處理電路作A/D轉換反饋到單片機系統，通過數碼管顯示電壓或電流的值。在器件的，D/A轉換器選用8位優質D/A轉換芯片DAC0832，直接輸出電壓值，A/D轉換器選用8位模數轉換芯片ADC0832。（3）顯示器模塊方案方案一：使用LED數碼管顯示。數碼管采用BCD編碼顯示數字，對外界環境要求低，易于維護。方案二：使用LCD顯示。LCD具有輕薄短小，可視面積大，方便的顯示漢字數字，

8、分辨率高，抗干擾能力強，功耗小，且設計簡單等特點，但編程相對復雜。綜上所述，選擇方案一。（4）鍵盤模塊方案方案一 ：采用獨立式按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線,每個I/O口的工作狀態互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。方案二 ：采用標準4X4鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優點是當按鍵較多時可降低占用單片機的I/O口數目。題目要求電壓值步進調整，需要的按鍵只有四個。綜合考慮兩種方案及題目要求，采用方案一。（5）電源模塊方案系統需要多個電源，單片機、A/D、D/A、使用5V穩壓電源，運放需要±12V穩壓電源，同時題目要求最高輸出電流為1A，電源需為系統提供足夠大的穩

9、定電流。綜上所述，采用三端穩壓集成7805、7812、7912分別得到+5V和±12V的穩定電壓，利用該方法實現的電源電路簡單，工作穩定可靠。122 系統組成經過方案比較與論證，最終確定系統的組成框圖如圖所示。輸出輸出調整單元整流濾波交流輸入芯片供電部分D/A轉換器A/D轉換器AT89C51按鍵數碼管顯示圖1.1 數控步進直流穩壓電源系統組成框圖2. 單元電路設計2.1 恒定電壓源電路設計2.2 控制器電路設計2.2.1 單片機最小系統設計通過鍵盤模塊輸入給定的電流值或是步進調整信號傳送給單片機，單片機在接受到信號后進行處理運算，并顯示其給定的電流值，然后經D/A轉換以輸出電壓，驅動

10、恒流源電路實現電流輸出，并將采樣電阻上的電壓經過A/D轉換輸入單片機系統，通過補償算法進行數值補償處理，調整電流輸出，并驅動顯示器顯示當前的電流值。最小系統的核心為AT89S52，為了方便單片機引腳的使用,我們將單片機的引腳用接口引出,電路如圖2.2所示.P0口和P2.0P2.3是數碼管接口；P3口作為D/A轉換接口,P2.5P2.7也是D/A轉換器的接口；P1.0P1.2是A/D轉換器的接口;P1.3P1.6口為鍵盤接口。圖2.2 由AT89C51為核心的單片機最小系統2.2.2 A/D、D/A電路設計（1）D/A轉換器根據設計基本要求，DA轉換輸出范圍為-5V0V，要滿足步進為0.5V的要

11、求，我們選用8位的D/A轉換器，DAC0832是較好的選擇，DAC0832各引腳的功能如下：DI07：數據輸入線；ILE：數據鎖存信號，高電平有效CS：輸入寄存器選擇信號，低電平有效，WR：輸入寄存器的寫選通信號，輸入鎖存器的鎖存信號LE1由ILE|、CS、WR1的邏輯組合產生。當ILE為高電平、CS為低電平、WR1為輸入負脈沖時，在LE1產生正脈沖；LE1為高電平時，輸入鎖存器的狀態隨數據輸入線的狀態變化，LE1的負跳變將數據線上的信息鎖入輸入寄存器。 XFER：數據傳送信號，低電平有效。WR2為DAC寄存器的寫選通信號。DAC寄存器鎖存信號LE2，由XFER、WR2的邏輯組合產生。當XFE

12、R為低電平，WR2輸入負脈沖，則在LE2產生正脈沖；LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出和輸入寄存器的狀態一致，LE2負跳變，輸入寄存器的內容打入DAC寄存器。VREF：基準電源輸入引腳。 Rf0： 反饋信號輸入引腳，反饋電阻在芯片內部。 Iout1、Iout2：電流輸出引腳。電流IOu T1與IOuT2的和為常數，IOuT2、IOuT1隨DAC寄存器的內容線性變化。 Vcc： 電源輸入引腳。 AGND： 模擬信號地。 DGND： 數字地。（2）A/D轉換器在電路中，ADC0832與單片機P1.0P1.2口相接，通過編程模擬ADC0832的通信時序實現對ADC0832的操作，然后通過程序查詢該

13、管腳是否為低電平，從而實現對ADC0832中寄存器數據的讀取。如圖2.3所示為A/D與D/A轉換電路圖,其中CON8接口與單片機最小系統的P1口相接。圖2.3 A/D與D/A轉換電路圖2.3 鍵盤電路設計在設計中，使用獨立式鍵盤，可以“+”、“-”、“切換”。其電路圖如圖2.4所示。圖2.4 鍵盤電路圖2.4 顯示器電路設計本設計采用四個數碼管顯示模塊，數碼管與單片機接口：在本設計中，采用8位并行接法，其接口如圖2.5所示。圖2.5 RT19264D接口2.5 穩壓電源電路在本設計中,運放需±12V供電，單片機和A/D、D/A需5V供電，采用三端穩壓器7805、7812、7912構成

14、一穩壓電源，電路如圖2.6所示。圖2.6 穩壓電源電路穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路組成，如圖2.1圖2.7電源方框及波形圖a 整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。b 穩壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩定，為了得到更為穩定電壓添加了穩壓電路，從而得到穩定的電壓U0。3. 軟件設計軟件設計采用C語言,對AT89C51進行編程實現各種功能。軟件設計的關鍵是對A/D、D/A轉換器的控制。軟件實現的功能是： 確定電壓步進調整 電

15、壓給定值的設置 測量輸出電壓值3.1軟件設計流程圖|圖3.1 單片機程序流程圖3.2 軟件功能、算法及源程序：源程序用Keil C51編寫，在XP系統下調試成功。以下給出部分源程序：/本程序功能：用ADC0832測量電壓并顯示，并通過DAC0832輸出相同的電壓/#include <regx51.h>#include <intrins.h>#include <AT89X51.H>#include <stdio.h>#defineSEG_DP P0#define SEG_WP P2#define DA_DP P3sbit ADCS = P10;sb

16、it ADCLK = P11;sbit ADDI = P12;sbit ADDO = P12;sbit ADF1 = P13;sbit ADF2 = P14;sbit ADDJIA = P15;/按鍵加 sbit ADDJIAN = P16;/按鍵減 sbit DAILE = P24;sbit DAWR2 = P25;sbit DAXFER = P26;sbit DAWR1 = P27;unsigned char code Tab=0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xC1;/共陽/Tab=0x3F,0x06,0x5B,0x4F

17、,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x3E;共陰void Delay1mS(unsigned int tt)unsigned char i;while(tt-) for(i=50;i>0;i-);void Display(unsigned int dat) /顯示的數值為毫伏unsigned char ge,shi,bai,qian,wan;wan = dat/10000%10;qian = dat/1000%10;bai = dat/100%10;shi = dat/10%10;ge = dat%10;SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0

18、7;SEG_DP = Tabwan; Delay1mS(10);SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0b;SEG_DP = Tabqian&0x7F;/千位加小數點Delay1mS(10);SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0d;SEG_DP = Tabbai;Delay1mS(10);SEG_WP = SEG_WP&0xf0|0x0e;SEG_DP = Tab10;Delay1mS(10);unsigned char ADC0832(bit mode,bit channel) /AD轉換，返回結果unsigned char i;unsig

19、ned char dat,ndat;ADCS = 0;/拉低CS端_nop_();_nop_();ADDI = 1;/第1個下降沿為高電平ADCLK = 1;/拉高CLK端_nop_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低CLK端,形成下降沿1_nop_();_nop_();ADDI = mode;/低電平為差分模式，高電平為單通道模式。ADCLK = 1;/拉高CLK端_nop_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低CLK端,形成下降沿2_nop_();_nop_(); ADDI = channel;/低電平為CH0，高電平為CH1ADCLK = 1;/拉高CLK端_nop

20、_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI = 1;/控制命令結束(經試驗必需)dat = 0;/下面開始讀取轉換后的數據，從最高位開始依次輸出（D7D0）for(i = 0;i < 8;i+)dat <<= 1;ADCLK=1;/拉高時鐘端_nop_();_nop_();ADCLK=0;/拉低時鐘端形成一次時鐘脈沖_nop_();_nop_();dat |= ADDO;ndat = 0; /記錄D0if(ADDO = 1)ndat |= 0x80;/下面開始繼續讀取反序的數據（從D1到D7） for(i = 0;i < 7;i+)

21、ndat >>= 1;ADCLK = 1;/拉高時鐘端_nop_();_nop_();ADCLK = 0;/拉低時鐘端形成一次時鐘脈沖_nop_();_nop_();if(ADDO = 1)ndat |= 0x80; ADCS = 1;/拉高CS端,結束轉換ADCLK = 0;/拉低CLK端ADDI = 1;/拉高數據端,回到初始狀態if(dat = ndat)return(dat);elsereturn 0; void DAC0832(unsigned char dat)DAILE = 1;DAWR1 = 0;DAXFER = 0;DAWR2 = 0;DA_DP = dat;ma

22、in()unsigned int adc; unsigned int adc1;while(1) if ( ADDJIA=0) Delay1mS(100); if ( ADDJIA=0) if (adc1=5000) adc1=5000; if (adc1<5000) adc1=adc1+200; if ( ADDJIAN=0) Delay1mS(100); if ( ADDJIAN=0) if (adc1=0) adc1=0; if (adc1>0) adc1=adc1-200; adc = ADC0832(1,0); /單通道模式，CH0 adc = adc*23.6855*2

23、; /轉換為實際電壓便于顯示Display(adc);DAC0832(adc1/19.607843); 4. 系統測試4.1 測試使用的儀器測試使用的儀器設備如表4.1所示表4.1 測試使用的儀器設備序號名稱數量備注1直流穩壓穩流電源12數字萬用表131/2位3數字萬用表141/2位4數字萬用表15位4.2 指標測試和測試結果輸出電壓范圍測試測試條件：空載按“”鍵電壓應可調至+12V，按“”鍵電壓應可調至0.5V以下。經測試符合要求。電壓顯示準確性測試測試條件：空載在輸出電壓分別為5V、7V、10V時，測量電壓顯示值與實際值的差異。經測試符合要求。4.2.3 電流顯示準確性測試測試條件：輸出電壓為10V調節負載大小，在輸出電流分別為0.3A、0.5A、0.7A、1A時，測量電流顯示值與實際值的差異。經測試誤差不大。步進功能測試在輸出電壓為5V、輸出電流為100mA時，連續按“”鍵10次，電壓應升至10V，再連續按“”鍵6次，電壓應為7V。經測試符合要求。紋波電壓測試測試條件：輸出電壓為10V，輸出電