《数控电压源论》word版.doc

题目名称 数控电压源 题 曲阜师范大学信息科学与工程学院 参赛队员 吴富新 裴方君 高玉亚 摘要 本系统以直流电压源为核心 STC89C52 单片机为主控制器 通过键盘来设 置直流电源的输出电压 设置步进等级达 0 5V 输出电压范围为 0 15V 并可由液晶屏显 示实际输出电压值 本系统由单片机程控输出数字信号 经过 D A 转换器 DAC0832 输 出模拟量 经过电流 电压转换 OP07 转换为电压 再经过运算放大器 LM328 输出不 同的电压 实验测试结果表明本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域 关键词 STC89C52 DAC0832 OP07 LM358 液晶 Abstract The audio signal analyzer is based on a 32 bit MCU controller through the AD converter for audio signal sampling the continuous signal discrete and then through the FFT fast Fourier transform computing in the time domain and frequency domain of the various audio frequency signal weight and power and other indicators for analysis and processing and then through the high resolution LCD display signals in the spectrum The system can accurately measure the audio signal frequency range of 20 Hz 10KHz the range of 5 5Vpp mVpp resolution of 20 Hz and 100 Hz correspondent Power measurement accuracy up to 1 and be able to accurately measuring the periodic signal cycle is the ideal audio signal analyzer solution Keyword FFT MCU Spectrum Power 1 方案论证与比较 3 1 1 采样方法方案论证 3 1 2 处理器的选择方案论证 3 1 3 周期性判别与测量方法方案论证 3 2 系统设计 4 2 1 总体设 计 4 2 2 单元电路设计 5 2 2 1 前级阻抗匹配和放大电路设计 5 2 2 2 AD 转换及控制模块电路设计 6 2 2 3 功率谱测量单元电路设计 6 3 软件设计 7 4 系统 测试 8 5 结论 9 参考文献 9 附录 9 附 1 元器件明细表 9 附 2 仪器设备清单 9 附 3 电路图图纸 10 附 4 程序清单 11 1 前言 数控直流电压源是电子技术常用的设备之一 广泛的应用于教学 科研等领域 传统地多 功能数控直流电压源功能简单 难控制 可靠性低 干扰大 精度低且体积大 复杂度高 普通数控直流电源品种很多 但均存在以下二个问题 1 输出电压是通过粗调 波段开关及细调 电位器 来调节 这样 当输出电压需要精确输 出 或需要在一个小范围内改变时 如 1 05 1 07V 困难就较大 另外 随着使用时间的 增加 波段开关及电位器难免接触不良 对输出会有影响 2 稳压方式均是采用串联型稳压电路 对过载进行限流或截流型保护 电路构成复杂 稳压精度也不高 在家用电器和其他各类电子设备中 通常都需要电压稳定的直流电源供 电 但在实际生活中 都是由 220V 的交流电网供电 这就需要 通过变压 整流 滤波 稳压电路将交流电转换成稳定的直流电 滤波器用于滤除整流输 出电压中的纹波 一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成 若由晶体管滤波器来替代 则可缩小直流电源的体积 减轻其重量 且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作 家用电器的电源 这既降低了家用电器的成本 又缩小了其体积 使家用电器小型化 传 统的数控直流电压源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节 并由电压表指示电压 值的大小 因此 电压的调整精度不高 读数欠直观 电位器也易磨损 而基于单片机控 制的数控直流电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足 随着科学技术的不断发展 特别是计算机技术的突飞猛进 现代工业应用的工控产品均需 要有低纹波 宽调整范围的高压电源 特别是在一些高能物理领域 急需电脑或单片机控 制的低纹波 宽调整范围的电源 从上世纪九十年代末起 随着对系统更高效率和更低功 耗的需求 电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流 直流电源转换器向更高灵 活性和智能化方向发展 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制 从而 使直流电源智能化 具有遥测 遥信 遥控的三遥功能 基本实现了直流电源的无人值数控直 流电压源设计遵守 设计的直流稳压电源主要由单片机系统 键盘 数码管显示器 指示 灯及报警电路 检测电路 D A 转换电路 直流稳压电路等几部分组成 直流稳压电源是最 常用的仪器设备 在科研及实验中都是必不可少的 数控电源采用按键盘 可对输出电压及 报警阈值以快慢两种方式进行设置 输出由单片机通过 D A 控制驱动模块输出一个稳定电压 同时稳压方法采用单片机控制 单片机通过 A D 采样输出电压 与设定值进行比较 若有 偏差则调整输出 越限则输出报警信号并截流 工作过程中 稳压电源的工作状态 输出电 压 电流等各种工作状态 均由单片机输出驱动 LCD 显示 由键盘控制进行动态逻辑切换 以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计 电源采用数字调节 输出精度高 特 别适用于各种有较高精度要求的场合 电源采用数字控制 具有以下明显优点 1 易于采用先进的控制方法和智能控制策略 使电源模块的智能化程度更高 性能更完美 2 控制灵活 系统升级方便 甚至可以在线修改控制算法 而不必改动硬件线路 3 控制系统的可靠性提高 易于标准化 可以针对不同的系统 或不同型号的产品 采用统 一的控制板 而只是对控制软件做一些调整即可 4 系统维护方便 一旦出现故障 可以很方便地通过 RS232 接口或 RS485 接口 USB 接口进 行调试 故障查询 历史记录查询 故障诊断 软件修复 甚至控制参的在线修改 调试 也可以通过 MODEM 远程操作 5 系统的一致性好 成本低 生产制造方便 由于控制软件不像模拟器件那样存在差异 所 以 其一致性很好 由于采用软件控制 控制板的体积将大大减小 生产成本下降 6 易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统 为了得到高性能的并联运行逆变电源系 统 每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制 易于在模块之间更好地进行 均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法 不需要通讯 从而实现高可靠性 高冗余度的逆变电源并联运行系统 2 方案论证与比较 2 1 采样方法比较与选择 方案一 采用单片机的数控电压源的设计 采用常用的 52 芯片作为控制器 P0 口和 DAC0832 的数据口直接相连 DA 的 CS 数控直 流电压源设计和 XFER 连接后接 P3 4 WR 2 和 WR1 接单片机的 WR 端 让 DA 工作在单 缓冲方式下 DA 的 8 脚接参考电压 D A 的基准电压接 5V 电源 在 DAC 的 8 脚输出电 压的分辨率为约等于 0 5V 也就是说 D A 输入数据端每增加 1 电压增加 0 5V 通过运 放 OP07 将 D A 的输出电流转化为电压 再通过运放 LM358 将电压反相并放大 其硬件框 图如图 方案二 采用调整管的双计数器的数控电压源的设计 此方案采用传统的调整管方案 主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能 其中二进制计数器的输出经过 D A 变换后去控制误差放大的基准电压 以控制输出步进 十进制计数器通过译码后数码管显示输出电压值 为了使系统工作正常 必须保证双十计 数器同步工作 其硬件框图如图所示 方案三 采用调整管的十进制计数器的数控电压源的设计 此方案不同于方案之二处在于使用一套十进制计数器 一方面完成电压的译码显示 另一方面其作为 EPROM 的地址输入 而由 EPROM 的输出经 D A 转变后控制误差放大的基准 电压来实现输出步进 只使用了一套计数器 回避了方案二中必须保证双计数器同步的问 题 但由于控制数据烧录在 EPROM 中 使系统设计灵活性降低 其硬件框图如图所示 键盘 液晶显示 89C52 单 片 机 电压 D A 转换 电压调整 2 2 数控部分的比较 方案二 三中采用中 小规模器件实现系统的数控部分 使用的芯片很多 造成控制电 路内部接口信号繁琐 中间相互关联多 抗干扰能力差 在方案一中采用了 89C52 单片机 完成整个数控部分的功能 同时 89C52 作为一个智能化的可编程器件 便于系统功能的 扩展 2 3 显示部分的比较 方案二 三中的显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出 显示值为 D A 变 化输入量 由于 D A 变换与功率驱动电路引入的误差 显示值与电源实际输出值之间可能 出现较大偏差 而方案一中采用 LCD 直接对电压值进行显示 总之 方案一的优点是具有 精度高 使用方便 硬件电路简单等特点 它使用了单片机 使得进一步扩展功能较为方 便 方案二 三的优点是电路结构简单 其缺点是使用比较复杂 精度没有那么高 考虑 到各种因素 本设计采用方案一 3 数控电压源的原理 3 1 整机电路框图 数控电压源的电路框图如图所示 键盘 液晶显示 89C52 单 片 机 电压 D A 转换 电压调整电源电路 输出 工作原理 本设计介绍了以 89C52 单片机为控制单元 以数模转换器 DAC0832 输出参考电压 以该 参考电压控制电压转换模块 LM350 的输出电压大小的数控电压源 通过改变送给单片机的 数字量而达到改变输出电压的方法 通过三端稳压器 LM350 达到输出电压的稳定 3 2 1 DA 转换电路工作原理 本设计是采用 DAC0832 实现数据的数模转换 其数据口与 P0 口直接相连 D A 的 CS 和 XFER 连接后接 P3 4 WR 2 和 WR1 接单片机的 WR 端 让 D A 工作在单缓冲方式下 D A 的 8 脚接参考电压 D A 的电压输出端接 OP07 将 D A 的输出电流转换成电压 改变 P0 口的数据便可改变 0832 的输出电压 如当 P0 00H 时 DAC0832 的输出电压就应为 0V 其电路图如图所示 3 2 2 电压调整电路工作原理 本设计的输出信号采用 OP07 芯片进行电流 电压转换 再将 OP07 的输出电流 LM358 进 行反相放大 LM358 接成反馈放大电路 通过调节电位器可以调节运放的电压放大倍数 由于 LM358 的输出电压 Vout 1 25V 1 R0 R13 由电路图知 R13 是个定值 而 R0 则是由 R12 和下面的电路来确定的 可知 R0 是个变量 所以 LM358 的输出电压与 R0 是成线性 关系变化的 通过调节 RV2 即可调节 LM358 的输出电压 4 各部分元件 4 1 1 键盘电路 键盘接口通常包括硬件和软件两部分 硬件是指键盘的结构及其主机的连接方式 软 件是指对键盘操作的识别与分析 即键盘管理程序 键盘一般是一组开关 按键 的集合 常用的按键有三种 机械触点式 利用金属的弹性使按键复位 导电橡胶式 利用利用橡胶接弹性使按键复位 柔性按键 外形及面板布局等可按整机要求设计 在价格 寿命 防潮 防锈等方面 显示出较强的优越性 键盘按其工作原理又可分为编码式键盘和非编码式键盘 这两类键盘的主要区别是识 别键符及给出相应键码的方法 编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别 非编码键盘主要是由软件来实现键盘的定义与识别 非编码式键盘接照与主机连接方 式的不同 可分独立式键盘和矩阵式键盘 1 独立式键盘 独立式键盘中 每个按键占用一根 I O 口线 每个按键电路相对独 立 I O 口通过按键与地相连 I O 口有上拉电阻 无键按下时 引脚端为高电平 有键按 下时 引脚电平被拉低 I O 口内部有上拉电阻时 外部可不接上拉电阻 2 矩阵式键盘 行列式键盘采用行列电路结构 当按键较多时所占用的口线相对较 少 键盘规模越大 其优点越明显 所以 当按键数目大于 8 时 一般采用矩阵式键盘结 构 4 1 2 键盘电路工作原理 1 键盘电路原理图如图所示 2 键盘电路工作原理如图 4 3 所示 当无键按下时 单片机的 P1 0 P1 3 及 P3 3 为高电平 当有键按下时 单片机的相应口线通过按键与地相连被拉成低电平 其它口线 电平状态不变 因此 通过检测 I O 口线的电平状态 即可判断键盘上哪个键被按下 4 4 D A 转换电路 D A 转换电路主要由 STC89C522 单片机 数码转换器 DAC0832 及 LM358 运算放 大器等芯片组成 STC89C52 的 P2 口作为数据端口与 DAC0832 的 8 位数据线相连 本系 统中 因为 CPU 的工作任务是单一的 而且数据传送的目的地址也是单一的 因此 DAC0832 采用单缓冲的工作方式 该芯片的 CS 低电平有效 WR 1 XFER WR 2 四个使 能端均与地相接处于有效状态 这个工作方式不需要给 DAC0832 分配地址空间 CPU 的 P1 口的数据变化直接反映到 DAC0832 的输出端 5 数控电压源的软件 系统初始化后 默认输出 0V 电压 此时 LCD 显示 0 0V 然后扫描 KEY2 KEY3 键 当 KEY2 KEY3 有键按下时 程序跳转至相应的按键处理子程序 经过按键处理子 程序处理后 置相应的标志位 并处理相应的寄存器的值 再回到主程序中 依据不同的 标志位送出相应的数字量给 DAC0832 并把相应的数据送入显示缓冲区 最后显示电源输 出的电压值 程序继续扫描 KEY2 KEY3 键 再循环执行前面的步骤 5 1 主程序 5 2 子程序 本程序设定 KEY2 为电压 当按住 KEY2 键不松开时 输出电压以 0 5V 连续步进 直至 KEY2 键松开 当以一定的时间间隔点动 KEY2 键时 输出电压也为点动步进 KEY3 为电压 与 KEY2 功能基本相同 同时输出电压的值显示在 LCD 上 通过这种人 机交换互设置 可以方便对电压源输出进行控制 6 电路的调试 6 1 硬件的调试 6 1 1 硬件的调试过程 电路调试过程中遇到的问题和解决办法 1 电路线路比较多 容易出现短路现象 数码显示由于短路出现显示不正常显示 整理 线路后能够正常显示 2 制作和测试 12V 电源时 由于没有认真参考整流管的接法和 7912 的芯片资料 出 现三次整流电容爆裂 3 稳压管 7812 的输出端输出电压 检查电路 发现输出端需要增加一个电容 增加后 问题得到解决 4 由于 LCD 显示的电压不是从 LM358 输出的实际电压值 所以显示的电压与实际的电 压值有一点的差距 为了减少误差 且从前面的电压调整电路可知输出电压与电阻是成线 性关系的 所以首先必须调节输出电压的线性关系 线性关系主要是这样调节的 首先输入 1 5V 的电压 调节电位器 使输出也为 1 5V 的电压 通过键盘设置 使输入为 3 5V 的电压 反复调节电位器 使输出为 3 4 3 6V 的电压 通过键盘设置 使输入为 5 5V 的电压 反复调节电位器 使输出为 5 4 5 6V 的电压 通过键盘设置 使输入为 7 5V 的电压 反复调节电位器 使输出为 7 4 7 6V 的电压 通过键盘设置 使输入为 9 5V 的电压 反复调节电位器 使输出为 9 4 9 6V 的电压 通过调节输入输出电压的线性关系 确定电位器的阻值 调好了线性关系后 电位器 使固定下来了 在以后的操作中不能改变电位器的阻值 随着电位器阻值的确定 运算放 大器的放大倍数也就确定下来了 6 1 2 电路数据的测试 1 电压输出范围的测试 主要测试仪器 数字万用表 设计要求的范围内 通过程序电压极值 先设最低值 再设最高值 用数字万用表 测量相应的输出电压 重复测试三次 具体测试数据如表 误差分析 从上表的数据看出 实际输出的电压最低值达不到要求的 0V 主要原因是在设计电路 原理的时候考虑到条件不足 0832 的基准电压只能是 5V 如果能使 0832 的基准电压能够 是 5V 则可以达到要求 最低值误差 0 04 0 05 0 3 0 03V 30mV 最高值误差 0 04 0 05 0 02 3 0 036V 36mV 总体分析 由以上数据分析可知 在两端点处 系统最大误差为 36mV 完全达到题 目设计要求 2 步进控制测试 主要测试仪器 数字万用表 在规定的范围内 先设定一个初始值 然后通过功能键在初始值的基础上进行先步 进控制 然后再步减 测试五组数据如表 误差分析 分析上表 在中间段误差较小 两端误差变大 这一方面与电源部分影响有关 另外 受运放比较精度及 0832 的基准电压和 0832 的量化误差的影响 可通过调节电位器对数模 输出补偿来减小误差 总体来说本系统基本上达到设计要求 6 2 软件调试 1 主程序的调试 在调试主程序时 由于没有调启动 0832 的程序 DA 转换不能正常进行 调用后能 正常进行 DA 转换 2 中断子程序的调试 在调试中断子程序时 开始我采用的是电平触发方式 但达不到要求 按下调整按 键没有松开 中断程序一直在执行 也就是说中断程序不只执行一次 改为脉冲触发方式 后 能达到理想的效果 7 结论 由于本系统架构设计较为合理 功能电路实现较好 系统性能优良 稳定 较好地达 到了题目要求的各项指标 参考文献 模拟电子技术基础 童诗白 华成英著 北京 高等教育出版社 2006 年 单片机系统及应用 金建设著 北京 北京邮电大学出版社 2009 年 电路设计与仿真教程 李秀霞 郑春厚等著 北京 北京航空航天大学出版社 2008 年 模拟电子线路基础 吴运昌著 广州 华南理工大学出版社 2004 年 数字电子技术基础 阎石著 北京 高等教育出版社 1997 年 附录 附 1 元器件明细表 1 STC89C52 2 DAC0832 3 液晶 LM016L 4 OP07 5 LM358 附 2 仪器设备清单 1 双 15V 变压器 2 数字万用表 3 稳压电源 附 3 整体电路图图纸 附 4 程序清单 include define uchar unsigned char uchar code voltage 25 0 x00 0 x08 0 x10 0 x18 0 x20 0 x28 0 x30 0 x38 0 x40 0 x48 0 x50 0 x58 0 x60 0 x68 0 x70 0 x78 0 x80 0 x88 0 x90 0 x98 0 xa0 0 xa8 0 xb0 0 xb8 0 xc0 uchar code V1 volt 0V uchar code V2 volt 0 5V uchar code V3 volt 1V uchar code V4 volt 1 5V uchar code V5 volt 2V uchar code V6 volt 2 5V uchar code V7 volt 3V uchar code V8 volt 3 5V uchar code V9 volt 4V uchar code V10 volt 4 5V uchar code V11 volt 5V uchar code V12 volt 5 5V uchar code V13 volt 6V uchar code V14 volt 6 5V uchar code V15 volt 7V uchar code V16 volt 7 5V uchar code V17 volt 8V uchar code V18 volt 8 5V uchar code V19 volt 9V uchar code V20 volt 9 5V uchar code V21 volt 10V uchar code V22 volt 10 5V uchar code V23 volt 11V uchar code V24 volt 11 5V uchar code V25 volt 12V sbit key1 P1 0 sbit key2 P1 1 sbit key3 P1 2 sbit key4 P1 3 sbit lcden P3 5 sbit lcdrs P3 4 int i j num void delay int z int i j for i z i 0 i for j 110 j 0 j void write com uchar com lcdrs 0 命令选择端 P0 com delay 5 lcden 1 delay 5 lcden 0 void write data uchar sta lcdrs 1 写数据 P0 sta delay 5 lcden 1 delay 5 lcden 0 void init 初始化 lcden 0 write com 0 x38 write com 0 x0c write com 0 x06 write com 0 x01 write com 0 x80 主函数在此 void main i 0 P2 0 while 1 if key1 0 delay 10 if key1 0 j 0 i 10 P2 voltage i while j 50 j else if key2 0 delay 10 if key2 0 j 0 i if i 25 i 0 P2 voltage i while j 50 j while key2 else if key3 0 delay 10 if key3 0 j 0 i if i 0 i 24 P2 voltage i while j 50 j while key3 else if key4 0 delay 10 if key4 0 j 0 i 24 P2 voltage i while j 50 j switch i case 0 init for num 0 num 7 num write data V1 num break case 1 init for num 0 num 9 num write data V2 num break case 2 init for num 0 num 7 num write data V3 num break case 3 init for num 0 num 9 num write data V4 num break case 4 init for num 0 num 7 num write data V5 num break case 5 init for num 0 num 9 num write data V6 num break case 6 init for num 0 num 7 num write data V7 num break case 7 init for num 0 num 9 num write data V8 num break case 8 init for num 0 num 7 num write data V9 num break case 9 init for num 0 num 9 num write data V10 num break case 10 init for num 0 num 7 num 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