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0.2V,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
1.1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(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)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(MicrocontrollerUnit),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。
1.2單片機的發展歷史
單片機,專業名稱—MicroControllerUnit(微控制器件),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(不過,再小也有幾個億的銷售/年哦),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(至于什么是FlashROM,我在這兒先不作介紹,等以后大家學到相關的知識時自然就會明白),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(事實上,89C51目前正在用89S51代替,我們的實驗系統采用就是89S52的,兼容89C52)。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
1.3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。
2.I/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。
1.4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(Microcontroler),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
2.1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0.2V,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%
2.3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(大于1.2A保護)
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0.2V,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”0.2V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0.2V。
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
6.1AT89S52芯片介紹
6.1.1AT89S52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
6.1.2管腳介紹
(1)電源引腳
VCC(40):接DC電源端。
GND(20):接地端。
(2)時鐘引腳
XTAL1(19):外接振蕩元件(如晶振)的一個引腳。采用外部振蕩器時,此引腳接振蕩器的信號。
XTAL2(18):外接振蕩元件(如晶振)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。
(3)控制線
RST(9):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/()(30):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(29):外部ROM讀選通信號。
在從外部程序存儲器取指令(或常數)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(31):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。
(4)P0~P3
4個8位輸入/輸出口,一共32個引腳。
6.2TLC549
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2.048MHz,而TLC549的I/OCLOCK輸入頻率最高可達1.1MHz。
圖6TLC549引腳圖
6.3TLC5615
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
7.1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。
7.2STC89C52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
7.3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(0~255),通過P2口送至8位數模轉換芯片(TLC5615)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(TLC549)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(0.1歐)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1.2A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(包括DAC芯片所需的基準穩壓+5V和89C52的+5V),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(5W或10W)。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0.2V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
1.01.0100
2.02.091
3.03.080
4.04.060
6.06.130
8.08.08
10.010.00
12.012.10
18.018.00
20.019.90
10總結
本設計制作完成了題目要求的基本部分的和發揮部分要求,達到了預期目標。本系統以51單片機STC89C52芯片和10位精度的DA轉換器TLC5615為核心部件,利用常用的三端穩壓器件7805的公共端與輸出端固定的5伏電壓特性,最終實現了數字顯示輸出電壓值和電流值可實時控制并顯示的數控電源
結論
由上可知,在這次試驗中想把它一次性的做成功是很困難的,我們的水平還差很多,知識面不夠廣泛,還存在很多的問題,需要通過各種行政和經濟的措施進行解決。其中在試驗中碰到的問題有:在畫梯形圖時遇到有些不會的問題,需要去問老師通過老師的細心教導和認真研究下,這些問題都得到了一一解決。在單片機程序導入的時候會出現不同的情況,通過認真推導和反復求證最終得到一個滿意的方案。找錯誤是很麻煩的事情,要把所有的程序都仔仔細細的來看,但是有可能你看了還是沒有發現是哪有錯誤,只能尋找被的幫助,所以我們要認真加仔細,成功將屬于你。
致謝
在我的畢業設計完成過程中,特別是在修改過程和整理過程中得到了很多老師的全力幫助跟悉心指導,讓我在這條艱難的道路上不氣餒,堅持一路走了下來。
大學的這個門即將向我關上,我的快樂的大學生活即將要結束,我在這里非常感謝大學里照顧我的各位老師對我的教育,讓我受益頗多。尤其是感謝我的那些任課老師,他們在講臺上的認真講課和在辦公室里專心備課是我們最大的感恩,有了老師們的指點江山,激揚文字才有了我們的今天的學識和成就,大學是個美好的地方,每個學生夢想的地方,這里創造人才,培育國家棟梁,我再次衷心感謝老師們的教導,祝你們永葆青春!
參考文獻
[1]《全國大學生電子設計競賽訓練教程》(黃智偉主編王彥陳文光朱衛華編著)
[2]《單片微型計算機與接口技術(第2版)》(李群芳張士軍黃建編著)
[3]《51單片機原理與應用》(張毅剛主編)

責任編輯:電力交易小郭
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