摘要此設計要實現的是基于單片機的數控穩壓電源的設計，設計的電路中是以單片機為主控元件的，并設計好其他的電路模塊形成一個整體電路，來達到可輸出并且能夠顯示電壓數值的功能，同時還兼具步進功能。在此次設計中將重點講解該電路的硬件方面各模塊的設計和功能的實現。其重要構成包括單片機部分，穩壓控制部分，數碼管顯示部分，TLC5651模塊，整流濾波及穩壓模塊，MOS管放大模塊等。此次設計的系統通過將上述模塊進行有機結合后，形成一個功能完好的電路，中間還要進行程序的編寫，然后通過測試的方法來檢驗電源的性能，對于所出現的問題進行相應的分析，最后通過對整個設計過程進行總結思考。關鍵詞：穩壓電源，單片機，數控。目錄TOC\o"1-4"\h\u132131緒論 1183602關于數控電源總體方案的選擇 1224982.1引言 134242,2設計的主要的任務方案的挑選 163082.2.1設計任務 168002.2.2設計方面的主要要求 1299072.2.3有關設計方案的分析與選擇 193222.2.4方案的優缺點及選擇 2325603硬件部分的電路原理及設計 210663.1單片機部分 2326473.1.1STC89C51單片機的引腳功能 3204823.1.2STC89C51單片機在電路中的功能實現 3129353.2數模轉換部分 4317493.2.1TLC5615芯片的概述 4178143.2.2TLC5615芯片結構 4192533.2.3TLC5615芯片在電路中的應用 4220373.3放大器部分 4230843.3.1關于放大器部分設計元件的概述 4143183.3.2放大器部分工作原理在電路中的實現 461483.4電源輸入及穩壓部分 595693.4.1關于電源輸入部分個元件的概述 5264603.4.2關于電源輸入部分的工作原理的實現 6190503.5按鍵部分 6124633.5.1按鍵部分的功能簡述 6287353.6數碼顯示輸出部分 6144373.6.1數碼管概述 6290953.6.2數碼管在電路中的工作原理 7241163.7過流檢測及報警部分 7100543.7.1過流檢測及報警部分的簡述 7227383.7.2過流檢測及報警部分的功能實現 7130754.軟件部分設計 9225464.1程序簡要流程圖 932044.2程序編寫 1022525電路整體功能概述 10315586.系統調試測驗 1144346.1系統調試 11236656.1.1硬件方面的調試 1146686.1.2軟件方面的調試 11119266.2系統測試 11222166.2.1系統功能測試 128026.2.2系統誤差分析 12310247.總結 12102138.致謝 1388559.參考文獻 141273510.附錄 141緒論現今，有關電方面的各種技術已然在社會上的各個領域中有了極為深入與廣泛的應用，其中的數控電源技術就可以代表。現在的數控電源技術已經有了比較好的發展，其中融合了其他領域的一些技術，如自動控制理論等。當今社會，各項技術都處在高速發展的時期，隨著計算機應用的不斷深入，許多技術都已經往自動化和精密化發展，由此對電源來說，勢必也要進入這發展的浪潮中，那么對提高電源的整體性能就勢在必行。由于數控電源在許多的電子產品中都有極為廣泛的應用，那么數控電源的性能和運行過程中產生的不足和誤差都要進行考慮，這些都是不能夠忽視的。在上世紀80年代左右，數控電源開始了比較不錯的發展，許多理論開始建立，這為以后數控電源的快速發展打下了基礎。但一些方面的缺點還是一時難以改變，比如精度方面不易達到標準，可靠性方面也較差等。到了上世紀90年代左右，如單片機技術，控制理論等都有了不錯的發展與應用，此時的數控電源的發展也因為各項技術的發展而不斷推進，此時的有關數控電源的一些技術都日趨完善，已經出現了總體性能較好的產品。此次設計的是基于單片機的數控電源的設計，希望通過此次的設計研究，進一步的理解數控電源的工作機理，并由此啟發一些思維。2關于數控電源總體方案的選擇2.1引言數控電源較一般形式的電源是有比較多方面的好處的，其中數控電源的優勢如下：采用數字控制可以使得電路整體性能得到提高，更加的智能化。且其中加入的一些集成元件可以很好地進行電路功能的完成，與單片機相配合后，會使得電路更加的完善。在控制方面，由于采用數字控制，在進行一些功能的時候，可以通過改變程序信息來實現，從而避免對實際電路的改變。采取數字控制的電源對于出現的故障時較易進行判別，出現故障后，可以比較好的進行維護。而且對于在線修改程序信息也是可進行的，方便了很多實際操作的問題。2,2設計的主要的任務方案的挑選2.2.1設計任務由單片機作為主控芯片，作為電路的核心，通過設計其他的一些電路模塊，使得最終能呈現出一個能夠輸出穩定電壓的電源。2.2.2設計方面的主要要求本次設計的由單片機控制的電源要達到輸出電壓能夠穩定且精準的要求，電壓值的最終顯示要控制在0V-15V之間，而且通過電路中的相應部分，能夠使電路能夠有步進功能，且步進值控制在0.1V。2.2.3有關設計方案的分析與選擇待選方案一：在此方案中打算運用數字電路的知識來設計電路，該種方法是可以很好地解決電路硬件之間的排列問題，但是該電路由于是不接觸一些基本的模擬元件，會使得原本較為簡單的設計不可避免的變得復雜，導致一些功能實現會變得極其困難，對于我所設計的電路而言難度會增加很大。待選方案二：將單片機運用到所要設計的電路中，通過一些其他基本的電路元件以構成以構成一個完整的電路，單片機的應用會使得整個的電路合理有序。對于輸出電壓值的顯示方面，采用的是TLC5615數字/模擬轉換器進行數模轉換的方式，經過由運算放大器OPA2107和IRF2107共同構成的負反饋系統，可以得到輸出電壓，期間還會通過具有分壓作用的電位器，使得輸出精準。最終的電壓顯示由LED數碼管顯示。2.2.4方案的優缺點及選擇在控制方面，方案一的主要是通過對數字電路的設計的實現，其特點表現為電路的最終實現是比較復雜的，而對待選方案二來講，待選方案二的設計中中引入了單片機，單片機主控功能的采用會使得整個電路的整體功能得到一個很大的提升，整個電路的可靠性比方案一好，出現故障時也是較方案一好排查和修復，還有一點很重要就是關于后期的排查問題方面，如果方案二出現了問題，是可以隨時在線更改的，極大的方便了后期調試的問題，如果采用方案一，那么對于這一方面來說，無疑在后期會長增加許多的工作量，且操作會很大。綜上所述，選擇方案二是更易于進行的，更容易體現電路功能，更易于后期的調試工作。所以，選擇方案二。其功能圖如下所示：3硬件部分的電路原理及設計3.1單片機部分關于51單片機部分，日常接觸到的很多，51單片機其性能是非常不錯的，且能耗又低，功能極為廣泛，在生活中具有廣泛的應用。對于51單片機我們在日常生活和學習中接觸到很多，對于其功能也是較為熟悉的，對于其內部結構功能的講述不涉及，會在接下來具體到每個模塊中講述。3.1.1STC89C51單片機的引腳功能89C51單片機是所設計電路構成中的主控部分，在控制中居于核心地位，該單片機的引腳共有40個，其中40口接的是電源正極，20口接地。RST起到的作用是復位，要在外電路延伸一個按鍵以實現其功能。P0口之中0,1,2,3的每一個都要接入一個三極管的基極，而每一個三極管的集電極則接入到數碼管中。4,5,6,7口每一個都外接一個按鍵接地。對于P1口的8個端口，則是接入到數碼管中的a,b,c,d,e,f,g,dp上。對于P2口，則是接入到TLC5615的8個引腳上。對于單片機的引腳功能部分在設計中花費了大量的時間去體會，以此能夠在后面的各模塊功能理解和設計上更加的得心應手。3.1.2STC89C51單片機在電路中的功能實現因為單片機在電路中起的是一個主控的作用，很多信號的處理都要由單片機來發出與接收，那么有關STC89C51單片機在電路中的功能實現問題是可以在接下來的一些模塊中可以結合起來看，且上面已經談到了引腳功能圖，一些大致的功能已經體現出來，我會在接下來的每個模塊中具體講到每個模塊怎樣接執行單片機的信號。3.2數模轉換部分3.2.1TLC5615芯片的概述數模轉換功能的實現，及穩壓輸出的實現，此次設計中是通過TLC5651來實現的，工作在+5V的環境中。3.2.2TLC5615芯片結構對于TLC5615的具體功能結構圖已經在下面給出，可以知道TLC5615的引腳有8個，其中8引入+5V，而5則接地，引腳7起到的作用是輸出電壓，1,2,3,腳接的分別是單片機的P34,P33,P32；引腳6接入的的是2.5V的電壓。該功能在整個電路設計中的作用是較為核心的。3.2.3TLC5615芯片在電路中的應用對于TLC5615在該電路中的具體應用方面是很有必要進行說明的，因為在電路正常運行中，單片機的對應端口會發出信號，而該信號是數字信號，但是要在其他模塊中進行信號傳遞，必須變為模擬信號，那么這個作用就由TLC5615來承擔了，而且在采樣的環節，單片機需要進行處理，需要得到的信號為數字信號，那么同樣也需要TLC5615來進行相應的處理。該部分通常會配合放大器部分共同完成一個完整的功能，在放大器部分將會講到這兩部分之間的聯系。3.3放大器部分3.3.1關于放大器部分設計元件的概述該部分運用的芯片是LM358和MOS管F924N,同時還需要接入一個電位器來構成這部分的電路。而且這部分的功能是和上述講到的數模轉換電路緊密結合在一起的，在只是在此細化來說。3.3.2放大器部分工作原理在電路中的實現該部分的作用主要是放大電信號，當單片機的信號有端口發送給TLC5615時，TLC5615會將該信號轉化為模擬信號，但是同時該信號會存在過小的問題，所以在整個電路的設計中是有必要設計放大電路的，因為其擔負著將電路信號放大的作用，其工作原理是信號被送到了LM358的反相端，在這時MOS管的放大作用就發揮出來，電位器在其中發揮著調節作用，在電路運行中可以對其上面的旋鈕進行調節。同時該部分還存在這負反饋的作用，這樣MOS管就可以保證能夠輸出穩定的電壓。3.4電源輸入及穩壓部分3.4.1關于電源輸入部分個元件的概述該部的結構功能圖如下所示，其中的P2是接線柱，為整個電路的電壓輸入端口，一般來說，設計整流電路的經典方法是，通過四個二極管的的一定的連接可形成，但是由于鎮劉巧元件同樣有著這樣的功能，而且只需要一個元件即可，選用整流橋就可以簡化電路，但是工作原理還是如圖中所示那樣。其中的電容C6起到的是濾波作用。還有就是需要穩壓芯片TL431，穩壓管7805和7812.3.4.2關于電源輸入部分的工作原理的實現電流經過濾波整流后，穩壓管7805和穩壓管7812，其中7805與7812的接地端共同接地，且在其輸出端通常要接入一個電容，來完善電路的功能。這些的作用是使得整流濾波后的電壓能夠穩定輸出，其中7812的耐壓值是比7805大的，也因此7812的作用是保護7805，使得7805能夠穩定地輸出5V的電壓，為其他模塊電路供電。3.5按鍵部分3.5.1按鍵部分的功能簡述按鍵部分在整個設計的電路中對于其他功能電路是較為簡單的，主要有復位，步進等功能，該按鍵部分一共由是4個開關構成，4個開關的同一端分別接入到單片機的P20~P23口，而另一端則同時接地，其功能原理如下：當按鍵按下時，對應的P20~P23口為低電平，單片機可以就此檢測到，并產生響應；當按鍵彈起，則對應的P20~P23是高電平。這里提到的按鍵部分的功能與數碼管部分的功能關聯程度高，其功能將在下面要講到的數碼管顯示中體現出來。按鍵部分的結構功能圖如下所示：3.6數碼顯示輸出部分3.6.1數碼管概述這次設計的目標之一是要看出電壓數值的，那么顯示功能就要有元件承擔，本次選用的是數碼管。對于數碼管的連接方式而言，我們是比較熟悉的，一般就兩種方式，根據連接方式的，可以分為共陽極和共陽極數碼管。其內部功能的實現就是有多個二極管來實現，我在本次的設計中所采取的連接方式是共陽極。3.6.2數碼管在電路中的工作原理為了使電路更加的實用方便，特別用四位一體的共陽極數碼管來設計，此外還需設計一個驅動電路來驅動數碼管，該驅動電路由4個S8550三極管來構成。上述所講到的單片機所對應的功能端口就接入到此數碼管的陰極，而數碼管的位選端則要分別接上單片機的P24~P27口，那么這樣就可以使數碼管的功能得以實現。此外還需要在電路中接入4個1K的電阻，這些電阻的作用主要是限制基極電流，防止電流過大進而起到保護電路的作用，因為三極管是工作在開關狀態下的，這些電阻的加入還可以使三極管導通。另外電路中還須接入一個0.22K的電阻，此電阻的直接作用體現的是限制電流，進而體現的是決定二極管的明亮程度。數碼管的結構功能圖如下所示3.7過流檢測及報警部分3.7.1過流檢測及報警部分的簡述在一般的其他電路中為了體現整體電路功能的完整性和安全性都會進行過流檢測和報警電路的設計，而此設計中也要設計此部分電路，該電路的主要功能是進行過流檢測和電路的報警功能，其功能的實現如下所述。3.7.2過流檢測及報警部分的功能實現這里通過對過流檢測與報警功能的分開講述來說明，首先先講述過流檢測部分，該部分功能的實現主要是通過芯片LM358來實現，此處的LM358實現功能涉及到了反相比例電路的原理。對于下圖做簡單的說明，P1口是作為電源的輸出端，電流檢測電阻為R11，該電阻的作用是可以將電流變換成電壓，而后通過LM358的反相放大倍速，而之后進行的動作就是使之和標準電平相比，若果所得電壓高于標準電平，則信號會送到單片機處，單片機也會由此來發出指令使得功能能夠實現。過流檢測部分的結構功能圖如下所示。接下來說明報警部分，該部分的電路構造相較于其他部分也是較為簡單的，設計該模塊所需的元件很簡單，一般請情況下只需要電阻，三極管和蜂鳴器。該模塊只與單片機的P36口連接。其工作原理主要是單片機的P36口的信號來決定三極管的導通，具體表現為當P36口顯示為高電平時，三極管斷開，整個電路相當于開路，蜂鳴器不發出警報；另外該端口顯為低電平時，三極管的狀態導通，電流也由此可以在整個電路中流過，蜂鳴器也就憑此來發揮警報作用。電路中的報警電路總體功能實現較為簡單，其的結構圖如下所示。4.軟件部分設計軟件部分是該設計系統的又一核心，是電路整體功能實現的又一重要部分，軟件系統編寫質量的高低，會直接影響到整個硬件電路的運行時的表現，編寫好軟件部分尤為重要。在設計時應該考慮多方面，盡量使得設計出來的程序有較為不錯的可操作性，實用性和系統性。此部分設計好后要與硬件電路部分進行充分的功能調試，通過不斷的試驗使得軟件部分和硬件電路部分更加趨于完善，關于調試部分的說明將在接下來的敘述中展開。4.1程序簡要流程圖4.2程序編寫由于篇幅過長,在此省略。程序的具體的功能將在實際電路中表現。5電路整體功能概述通過前面每個單元的介紹，已經可以知道該設計大總體電路可以大致分為單片機模塊電路，電源輸入部分電路，放大器部分電路，穩壓部分電路，電流采樣部分電路，顯示電路，按鍵部分電路，過流檢測及報警部分電路等構成。有必要對電路總體的功能進行一個完整的概述，首先講到的是電源輸入部分，此部分是為整個電路的一些芯片和功能實現而設計的，其提供的電壓稱為基準電壓，主要為單片機的正常運行提供5V的電壓，還有一些其芯片。然后是單片機部分，這是整個電路的控制核心，電路的核心運行問題的指令從這里發出，其它部分電路都受到該部分的控制，其連接的是數碼管顯示電路，能夠通過按鍵部分去調節顯示輸出電壓的大小，還對輸出電壓進行采樣，以達到精準輸出的功能，預設的電壓經過單片機的相應端口送到了D/A轉換電路，數字信號變成模擬信號進入到電路中輸出，這里用到的芯片是TLC5615,該芯片的作用在整個電路中也是很核心的，肩負著模擬信號與數字信號之間的相互轉換；此時放大電路的功能體現出來了，因為通過數模轉換器轉換出來的信號存在著信號太弱的問題，必須經過放大電路，這里用到的LM358和F9Z24N，還有就是還需接一個電位器來構成一個負反饋系統，可以通過調節電位器來調節比例，進而體現到輸出電壓的大小變化，以此來完成完整功能的實現。以上就是對整個電路中較為重要的電路部分進行的運行說明。對于軟件部分，只是要注意編寫的程序的正確性，和硬件部分電路的契合，對于具體的編寫請看附錄。6.系統調試測驗6.1系統調試此過程中會用到一些儀器來進行輔助分析，如示波器，對于放大電路部分的調試來說，可以用示波器觀察其狀態，以便于輔助分析。6.1.1硬件方面的調試硬件測試方面主要我按照之前將每個部分分別進行測試，測試結果如下：對于放大器部分的調試，在整個的測試中是比較占用時間的，因為這里的調試時關乎到電壓輸出的精確問題，對于TLC5615J，LM358和電位器進行一個整體協調的測試最終達到了輸出的要求。對于輸入電源部分，這次的測試中對需要供電的幾個元件分別進行了測試，結果發現是正常的。對于數碼管的顯示部分，由于只需測定其顯示功能的正常即可，所以不需用電路的完成程序去測定，只需要編寫一個簡單的程序去測定即可，如能正常顯示，則表示數碼管的顯示功能是完全正常的，最終的測試結果是正常。對于案件部分來說，這部分在電路完整程序編寫好后進行測定，按下每個按鍵發現都能顯示其相應的功能，測定結果為正常。6.1.2軟件方面的調試此次測試用到了要用到編譯器和燒錄器，在編寫了玩程序后進行測試時，通過應用的提示，去分析所編寫程序的錯誤與不足，通過不斷的修改，最終得到了較為合適的程序，之后通過后程序燒錄器將程序燒錄到51單片機上，然后將單片機接到硬件電路中進行進一步的查看，如果在硬件電路中運行出現問題則說明程序還是存在一定的問題，在這次過程中就出現了這樣的情況，要找到所要修改的不合適的地方最后，通過一次次的修改，最終得到了適合的程序，使得整體電路能夠正常的運轉。6.2系統測試當前面的調試部分完全結束，那么此時最后的測試就可以進行了，通常要用到一些測量的儀器，如萬用表，其功能是用來在輸出端測定試劑電壓的大小，然后和預置電壓，和數碼管顯示電壓相比較分析。6.2.1系統功能測試6.2.2系統誤差分析本次測量的數據基本是符合預期的，但還是出現了一些誤差，對于其分析如下:TLC5615的誤差，TLC5615是數模轉換器，存在一定的量化誤差，這會使得整個結果出現誤差。其他器件和線路因為一些穩定的因素也會造成一定的誤差存在。7.總結這次畢業設計的所設計的知識點是比較多的，除了一些之前在課堂學習到的知識外，還有不少的知識點就需要去查閱文獻里解決，對于一個電路，這次我的思路是將整個電路拆封成一個個功能模塊，通過對每個模塊的準確設計，最后將每個部分進行一個有機的融合，對于整體要進行比較細致的考慮，最終得到一個整體電路。本次所設計的數控電源，經過基礎的調試測試，已經具有一定的實用性，其輸出的電壓已經可以滿足一些電子產品的供電。這次所設計電路的元件由51單片機，TLC561模塊,，放大電路模塊，顯示模塊電路，采樣及穩壓電路，按鍵電路等構成。整體的功能可以簡述如下，通過單片機的處理，單片機從對應的端口發出信號給數碼管顯示電路，另一方面P0口發出信號給D/A轉換電路，在壓后進行輸出，此時單片機會對輸出的電壓進行采樣，經過模/數轉換電路后回到單片機，此時單片機會做出響應，以此來達到精準輸出的功能。這次的電路設計中，我的能力得到很大的提升，因為所涉及到的東西很多，很多方面都需要去進行考慮，在一開始的電路規劃中，就得考慮如何讓電路的整體功能的以實現，同時讓所設計電路更加簡單，然后要考慮用何種元件才會更加符合電路，再到實際電路的制作，我更加可以體會到每個部分電路所起到的作用和他們之間的功能聯系，，然后是測序的設計電路的測試，程序的設計我盡量用簡單的設計來實現功能的完全，讓整個硬件電路和測序更加的契合；之后到調試，關于調試這方面其實可學習的地方特別多，因為所設計的電路難免會出現一些問題，此時的調試工作，是最能體現和提高所學知識的地方，能夠使所學知識和實踐結合起來解決問題，最后就是關于論文的撰寫，可以說以上的這些環節，每一個都是讓我能力得到提升的，沒余個環節都是所學知識與實踐的結合產物。此次的設計中遇到的困難是不少的，一開始的時候對于所要設計的東西都有點不知從何下手，但是經過自己查閱了一些資料和結