數控直流電源

摘要：該電源系統以STC89C52單片機為核心控制芯片，實現數控直流電源功能的方案。設計采用數模轉換器TLC5615、模數轉換器TLC549、大電流DC——DC采用GS3612和LM324M構成穩壓電源，實現了輸出電壓范圍為2～20V，電壓步進，紋波電壓不大于200mVp-p，輸出電流200mA的數控直流電源，另外該方案只采用了3按鍵實現輸出電壓，由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減方便設定，輸出電壓大小由LCD顯示，電源效率＞60%。簡易數控直流電源與傳統電源相比具有操作方便、顯示穩定度高、使用廣泛等特點。

關鍵詞：數控直流電源；TLC5615；TLC549

引言

本設計的課題，不僅讓我們系統全面的鞏固了三年來所學的的理論知識，還使我們把所學的理論知識運用到實際操作中。理論結合實際從而達到對理論知識更加的鞏固與理解，為我們走向社會打下堅實的基礎。

二十一世紀機械制造業的競爭，其實質是自動控制技術的競爭。

本次設計主要內容：數控直流電源；電源系統設計：編程軟件，制作草圖，確定需要設計的數控系統的規劃，做出相應的系統結構圖、流程圖，確保所作圖紙和規劃無誤；軟件程序的編寫：把編寫好的程序導入89S52芯片中，調試程序是否正確，并做出修改。

具體內容：系統結構圖一張、流程圖一張、數據表一張、編寫說明書一份、收集和研究原始資料，為數控直流電源的設計和調試做好初始準備，初步擬定設計方案，繪圖和相應步驟，進行必要的理論設計和知識鏈接，選擇最佳的方案進行調試，確定該方案的正確性，可行性和實用性，將該方案導入單片機調試箱調試程序是否可行，并做出相應的調整。學會并熟練掌握單片機技術的使用。

1單片機的基礎知識

單片機的概述

單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統。單片機也被稱為微控制器，常用英文字母的縮寫MCU表示單片機，它最早是被用在工業控制領域。單片機由芯片內僅有CPU的專用處理器發展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發展便分道揚鑣。

單片機的發展歷史

單片機，專業名稱—MicroControllerUnit，它是由大名鼎鼎的INTEL公司發明的，最早的系列是MCS-48，后來有了MCS-51，現在還有MCS-96系列，我們經常說的51系列單片機就是MCS-51，它是一種8位的單片機，而MCS-96系列則是一種16位的單片機，至于它們之間有何區別，我們以后會講到。后來INTEL公司把它的核心技術轉讓給了世界上很多的小公司，所以世界上就有許多公司生產51系列兼容單片機，比如飛利浦的87LPC系列，偉邦的W78L系列，達拉斯的DS87系列，現代GSM97系列等等，目前在我國比較流行的就是美國ATMEL公司的89C51它是一種帶FlashROM的單片機，我們的講座就是以該型號的單片機來作實驗的。講到這里，也許有的人會問：我平時在各種書上看到全是講解8031，8051等型號的單片機，它們又有什么不同呢？其實它們同屬于一個系列，只是89C51的單片機更新型一點。這里隨便說一下，目前國內的單片機教材都是以8051為藍本的，盡管其內核也是51系列的，但畢竟8051的單片機已經屬于淘汰產品，在市場上也很少見到了，所以由此感嘆，國內的高等教育是如此的跟不上時代的發展需要！這話可能會引起很多人的不滿

單片機的結構

單片機在結構設計上，以及硬件、指令系統、I／O能力等方面都有明顯的特點。下面以MCS-51單片機為例，簡要說明。

1.程序存儲器和數據存儲器分開

單片機的數據存儲器和程序存儲器在存儲器空間上是嚴格分開的，ROM用來存放程序代碼、常數和數據表格，RAM用來存放數據或中間結果。采用這樣的存儲器結構，主要是考慮到單片機用于控制的特點，在過程控制中需要較大的程序存儲器空間和較小的隨機數據空間，而且還允許單片機應用系統擴展存儲空間，因此單片機既有內部ROM又有外部ROM，既有內部RAM又有外部RAM。所以，CPU進行存儲器操作時就要區分內部程序存儲器和外部程序存儲器；對程序存儲器和數據存儲器訪問時要使用不同的尋址方式、指令助記符和存儲器訪問信號；要使用兩個或多個地址指針來尋找數據。

／O端口多功能分時復用

由于大規模集成電路和生產工藝的要求，芯片的引腳數受到一定的限制，為了解決實際的引腳數和需要的引腳信號之間的矛盾，單片機的部分引線被設計成多功能的。如MCS-51的P0口、P2E1和P3E1的引腳都是多功能，如P0口是8位數據線和地址線的低8位共用，P2El是通用I／O口并與地址線的高8位分時復用，P3E1是通用I／O口，還具有第二功能。每條引腳在一定時間起什么作用，則由指令和機器狀態來決定。所以，單片機對外不存在專門的數據線和控制線，而是采用分時復用技術來解決片外數據和地址的傳送問題。

3.片內特殊功能寄存器和工作寄存器組

在MCS-51單片機片內RAM中，還有21個具有特殊功能的寄存器，以及4組8位工作寄存器，每組7個，共有28個8位的工作寄存器，為CPU進行運算、存放中間結果提供了極大的方便。正是有了這些特殊功能寄存器和工作寄存器，才能使一個只有40腳封裝的單片機系統的功能獲得很大的擴充，并使I／OEl在程序控制下具有第二功能。利用特殊功能寄存器還可以完成對定時器斛數器、串行口和中斷邏輯的控制。

4.片內有全雙工串行通信接口

MCS一51單片機的另一個特點是在內部有一個全雙工的串行接口。在程序的控制下，串行口有4種工作方式。用戶可根據需要將它設定為移位寄存器方式，以擴充I／O接口和外接同步輸入、輸出設備；或用做異步通信接口，以實現雙機或多機通信。因此，單片機能極為方便地組成分布式控制系統。

5.獨立的位處理器

在單片機內部有一個能獨立進行操作的位處理器，又稱為布爾處理器，它有自己的累加器以及可按位尋址的RAM區、特殊功能寄存器和I／0E1，并設有專門的按位操作的指令。利用位操作功能，可以十分方便地進行組合邏輯的設計和用軟件模擬組合邏輯的功能。

單片機的主要特性

1．單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統。

2.單片機也被稱為微控制器，是因為它最早被用在工業控制領域。

3.早期的單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。

4.單片機比專用處理器最適合應用于嵌入式系統，因此它得到了最多的應用。

2數控直流電源控制系統分析

設計任務

設計并制作一個有一定輸出電壓范圍的數控電源。其原理示意圖如下：

原理圖

基本要求

1.輸出電壓:2～20V.步進,紋波電壓不大于200mVp-p

2.輸出電流:200mA

3.由“+”,“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減

4.輸出電壓大小由LCD顯示

5.電源效率:>60%

發揮部分

1.開機輸出電壓可預置在2～20V之間的任意一個值

2.最大輸出電流為1A，并有過流保護功能

3.紋波電壓小于100mVp-p

4.電源效率:>75%

5.其它創新

3方案

系統原理框圖如圖1所示，采用STC89C52單片機產生波形，D/A轉換器將其轉換為模擬電壓，再經過放大器放大。由單片機的軟件實現電壓的步進增減等功能。該方案靈活性大，易于擴展，需要專門的譯碼驅動芯片。

圖1方案示意圖

4硬件電路設計

數控直流電源由穩壓電源部分、數字顯示部分、輸出部分、數控部分和輸入電路五部分組成。硬件設計各電路圖見附錄二。

穩壓電源電路:穩壓電源從電路簡單、經濟考慮，本設計采用LM324M輸出集成穩壓器。采用7805作為它們的輸出電壓分別為+5V。直流穩壓電源采用橋式全波整流，單電容濾波，三端固定輸出集成穩壓器件。輸出電路由7815提供+25V電壓，從而大大提高了電壓調整率和負載調整率等指標。電路圖如下

圖2穩壓電源電路

輸入電路:輸入電路由“+”、“－”、“啟動”、“復位”四個按鍵組成，由“+”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進增減，步進值為，啟動按鍵用于啟動控制數控電壓源的輸出。

數控部分:數控部分應具備的功能有：輸出電壓可預置，且能以“步進”的工作方式加或減。數控部分的輸出應該控制電壓源的控制端。

兩個按鈕開關將預制量輸入到MCU并口，輸出結果由LCD顯示。單獨設置的“+”、“－”兩個鍵由單片機進行檢測。數模轉換器DAC接收單片機數據線串行傳送的數據，存放在存儲芯片內，并據以確定輸出電壓。在軟件的控制下，單片機開機后先將預制值讀入，在送去顯示的同時，送入DAC，并產生相同的輸出電壓。然后不斷檢測“+”、“－”兩鍵是否按下。若檢測到有按鍵按下，將使顯示值和輸出電壓相應增減。

輸出電路:輸出電路是由三端固定輸出穩壓器件7805、LM324M和DAC電路所組成的輸出電路。步進電壓由DAC輸入的數字量控制。這種電路輸出電壓的精度取決于7805輸出電壓的誤差；運放的跟隨誤差以及DAC的積分非線性。步進值的誤差直接與DAC的位數有關。如下圖。

圖3輸出電路圖

顯示電路：顯示電路功能是顯示當前輸出的電壓值和電流值。顯示電路由液晶屏和兩片模數轉換器ADC組成。當前輸出的電壓值和電流值分別有兩片模數轉換器轉換成數字量，并串行傳送給單片機，單片機將接收到的8位數字量轉換成電流和電壓的小數和整數部分，然后送到液晶屏顯示當前輸出的電壓和電流值。電路圖如下。

圖3顯示電路圖

5系統結構

單片機及其外圍電路是數控直流電源的控制核心，本設計以STC89C52單片機為核心，單片機通過對D/A轉換器輸出的控制達到對電壓的控制，并用LCD1602液晶來顯示。系統結構圖如圖3所示。

圖4系統結構圖

6芯片介紹

芯片介紹

單片機主要特性：

·4K字節可編程閃爍存儲器

·壽命：1000寫/擦循環

·數據保留時間：10年

·全靜態工作：0Hz-24MHz

·三級程序存儲器鎖定

·128×8位內部RAM

·32可編程I/O線

·兩個16位定時器/計數器

·5個中斷源

·可編程串行通道

·低功耗的閑置和掉電模式

·片內振蕩器和時鐘電路

圖5AT89S52芯片引腳排列

管腳介紹

電源引腳

VCC：接DC電源端。

GND：接地端。

時鐘引腳

XTAL1：外接振蕩元件的一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳接振蕩器的信號。

XTAL2：外接振蕩元件的一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳懸浮。

振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。

控制線

RST：復位輸入端。在此引腳上出現至少兩個機器周期的高電平，將使單片機復位

ALE/：地址鎖存允許/編程脈沖。在對Flash存儲器編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖.

PSEN：外部ROM讀選通信號。

在從外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期出現兩次PSEN有效信號。但在此期間，每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現。PSEN有效信號作為外部ROM芯片輸出允許OE的選通信號。在讀內部ROM或RAM信號時，PSEN無效。

EA/VPP：內、外ROM選擇/編程電源

EA為片內外ROM選擇端。ROM尋址范圍為64KB。AT89S52單片機有4KB的片內ROM，若不夠用時，可擴展片外ROM。當EA保持高電平時，先訪問片內ROM，當PC的值超過4KB時，自動轉向執行片外ROM中的程序。當EA保持低電平時，只訪問片外ROM。

在Flash編程期間，此引腳用于施加編程電壓VPP。

P0～P3

4個8位輸入/輸出口，一共32個引腳。

TLC548和TLC549是以8位開關電容逐次逼近A/D轉換器為基礎而構造的CMOSA/D轉換器。它們設計成能通過3態數據輸出與微處理器或外圍設備串行接口。TLC548和TLC549僅用輸入/輸出時鐘和芯片選擇輸入作數據控制。TLC548的最高I/OCLOCK輸入頻率為，而TLC549的I/OCLOCK輸入頻率最高可達。

圖6TLC549引腳圖

TLC5615為美國德州儀器公司1999年推出的產品，是具有串行接口的數模轉換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍。帶有上電復位功能，即把DAC寄存器復位至全零。

圖7TLC5615引腳排列圖

7軟件設計

軟件介紹

軟件部分采用模塊化程序設計的方法編寫，系統軟件由主控制程序、LCD1602顯示子程序、鍵盤服務、A/D轉換和D/A轉換等子程序組成。還添加了顯示器的自動刷新。

資源分配

SBITVEN=P1^0電壓A/D使能低電平有效

SBITVSDA=P1^1電壓A/D輸入數據

SBITVSCL=P1^2電壓A/D時鐘

SBITIEN=P1^3電流A/D使能低電平有效

SBITISDA=P1^4電流A/D輸入數據

SBITISCL=P1^5電流A/D時鐘

SBITDAEN=P2^0D/A使能低電平有效

SBITDADA=P2^1D/A輸入數據

SBITDASCL=P2^2D/A時鐘

SBITJIA=P3^2增加按鈕

SBITJIAN=P3^3減按鈕

SBITQUEREN=P1^6確認按鈕

SBITRS=P3^51602液晶RS端

SBITLCDEN=P3^41602液晶EN端

SBITRW=P3^61602液晶RW端

程序流程圖

圖8程序流程圖

8工作過程

上電復位：讀取24C02中的電壓，送DA轉換輸出電壓，如24C02中電壓為0則設置初始電壓為5V。

電壓控制：通過兩個加減按鈕控制MCU產生8位數字信號，通過P2口送至8位數模轉換芯片轉換成模擬電流信號，再經運放作I/U轉換，得到控制穩壓電源輸出部分的基準電壓。

電流取樣：采用8位模數轉換芯片作為顯示電流的模數轉換器件，TLC549的取樣電壓由串聯在電源輸出電路的電流取樣電阻分壓取得，并由運放按一定倍數放大后送至Vin，TLC549把轉換結果送至單片機的P1口，再由程序將數據處理后送LCD1602顯示當前電流。

過流保護：當短路或電流超過設定值時，MCU自動保存當前使用電壓并關閉輸出。

穩壓輸出：采用傳統的串聯穩壓電路，由運放和功率輸出管組成。利用TLC5615控制的基準電壓驅動功率管穩壓輸出，反饋部分是通過電阻R3，VR2將取樣電壓輸入運放的反相端比較，VR2可作小范圍調整。

9制作調試

電源部分提供整個電路所需各種電壓，由電源變壓器和整流濾波電路及兩個輔助穩壓輸出構成，電源變壓器的功率由需要輸出的電流大小決定，確保有充足的功率余量。

電流取樣電阻R1要選擇大功率的電阻。也可使用廢舊萬用表上拆下來的電阻線。檢查電路連接無誤后，即可試機。找一塊數字表將其并聯在輸出電路上，按“+”按鈕或“－”按鈕設定一個電壓，此時LCD1602第一行可能會有誤差，適當微調反饋電路的VR2，使其與數字表讀數一致，再將數字表串聯在電源的輸出電路上，選擇適當的電流檔，接上一定的負載。此時，LCD1602第二行會顯示出電流值，適當的調節VR3改變TLC549參考電壓，直至顯示的電流值與萬用表顯示的電流值一致為止，校正完后即可使用。

測試儀器及設備

儀器名稱型號用途數量

計算機PC調試用途1

可跟蹤直流穩壓源1731SB3A提供電源2

數字萬用表UT56測量電壓1

示波器DF4320測量紋波1

測試步驟

第一步：組裝電路，使整個電路能正常工作，掉電存儲電路能使在重新開機后顯示上次斷電時保存的數據。

第二步：在不帶負載的情況下，通過按鍵調節電壓值，使電壓值從0~20V按步進增減，觀察輸出電壓值，并測量紋波電壓，并記錄數據。

第三步：在帶負載、電流達到800mA的情況下，調節電壓值，測試輸出電壓值。

第四步：測試過流保護電路是否能正常工作，即當調節電流值超過設定的電流值時，觀察電流保護電路是否斷開。

測試數據

⑴測試輸出電壓

理論顯示數據單位：V輸出電壓測量單位：V紋波電壓單位：mV