数控直流电源

摘要：该电源系统以STC89C52单片机为核心控制芯片，实现数控直流电源功能的方案。设计采用数模转换器TLC5615、模数转换器TLC549、大电流DC——DC采用GS3612和LM324M构成稳压电源，实现了输出电压范围为2～20V，电压步进0.2V，纹波电压不大于200mVp-p，输出电流200mA的数控直流电源，另外该方案只采用了3按键实现输出电压，由“+”、“-”两键分别控制输出电压步进增减方便设定，输出电压大小由LCD显示，电源效率＞60%。简易数控直流电源与传统电源相比具有操作方便、显示稳定度高、使用广泛等特点。

关键词：数控直流电源；TLC5615；TLC549

引言
本设计的课题，不仅让我们系统全面的巩固了三年来所学的的理论知识，还使我们把所学的理论知识运用到实际操作中。理论结合实际从而达到对理论知识更加的巩固与理解，为我们走向社会打下坚实的基础。

二十一世纪机械制造业的竞争，其实质是自动控制技术的竞争。
本次设计主要内容：数控直流电源；电源系统设计：编程软件，制作草图，确定需要设计的数控系统的规划，做出相应的系统结构图、流程图，确保所作图纸和规划无误；软件程序的编写：把编写好的程序导入89S52芯片中，调试程序是否正确，并做出修改。
具体内容：系统结构图一张、流程图一张、数据表一张、编写说明书一份、收集和研究原始资料，为数控直流电源的设计和调试做好初始准备，初步拟定设计方案，绘图和相应步骤，进行必要的理论设计和知识链接，选择最佳的方案进行调试，确定该方案的正确性，可行性和实用性，将该方案导入单片机调试箱调试程序是否可行，并做出相应的调整。学会并熟练掌握单片机技术的使用。

1单片机的基础知识

1.1单片机的概述
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机也被称为微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

1.2单片机的发展历史
单片机，专业名称—MicroControllerUnit(微控制器件)，它是由大名鼎鼎的INTEL公司发明的，最早的系列是MCS-48，后来有了MCS-51，现在还有MCS-96系列，我们经常说的51系列单片机就是MCS-51，它是一种8位的单片机，而MCS-96系列则是一种16位的单片机，至于它们之间有何区别，我们以后会讲到。后来INTEL公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司（不过，再小也有几个亿的销售/年哦），所以世界上就有许多公司生产51系列兼容单片机，比如飞利浦的87LPC系列，伟邦的W78L系列，达拉斯的DS87系列，现代GSM97系列等等，目前在我国比较流行的就是美国ATMEL公司的89C51它是一种带FlashROM的单片机（至于什么是FlashROM，我在这儿先不作介绍，等以后大家学到相关的知识时自然就会明白），我们的讲座就是以该型号的单片机来作实验的。

讲到这里，也许有的人会问：我平时在各种书上看到全是讲解8031，8051等型号的单片机，它们又有什么不同呢？其实它们同属于一个系列，只是89C51的单片机更新型一点(事实上,89C51目前正在用89S51代替，我们的实验系统采用就是89S52的，兼容89C52)。这里随便说一下，目前国内的单片机教材都是以8051为蓝本的，尽管其内核也是51系列的，但毕竟8051的单片机已经属于淘汰产品，在市场上也很少见到了，所以由此感叹，国内的高等教育是如此的跟不上时代的发展需要！这话可能会引起很多人的不满

1.3单片机的结构
单片机在结构设计上，以及硬件、指令系统、I／O能力等方面都有明显的特点。下面以MCS-51单片机为例，简要说明。

1.程序存储器和数据存储器分开
单片机的数据存储器和程序存储器在存储器空间上是严格分开的，ROM用来存放程序代码、常数和数据表格，RAM用来存放数据或中间结果。采用这样的存储器结构，主要是考虑到单片机用于控制的特点，在过程控制中需要较大的程序存储器空间和较小的随机数据空间，而且还允许单片机应用系统扩展存储空间，因此单片机既有内部ROM又有外部ROM，既有内部RAM又有外部RAM。所以，CPU进行存储器操作时就要区分内部程序存储器和外部程序存储器；对程序存储器和数据存储器访问时要使用不同的寻址方式、指令助记符和存储器访问信号；要使用两个或多个地址指针来寻找数据。

2.I／O端口多功能分时复用
由于大规模集成电路和生产工艺的要求，芯片的引脚数受到一定的限制，为了解决实际的引脚数和需要的引脚信号之间的矛盾，单片机的部分引线被设计成多功能的。如MCS-51的P0口、P2E1和P3E1的引脚都是多功能，如P0口是8位数据线和地址线的低8位共用，P2El是通用I／O口并与地址线的高8位分时复用，P3E1是通用I／O口，还具有第二功能。每条引脚在一定时间起什么作用，则由指令和机器状态来决定。所以，单片机对外不存在专门的数据线和控制线，而是采用分时复用技术来解决片外数据和地址的传送问题。

3.片内特殊功能寄存器和工作寄存器组
在MCS-51单片机片内RAM中，还有21个具有特殊功能的寄存器，以及4组8位工作寄存器，每组7个，共有28个8位的工作寄存器，为CPU进行运算、存放中间结果提供了极大的方便。正是有了这些特殊功能寄存器和工作寄存器，才能使一个只有40脚封装的单片机系统的功能获得很大的扩充，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还可以完成对定时器斛数器、串行口和中断逻辑的控制。

4.片内有全双工串行通信接口
MCS一51单片机的另一个特点是在内部有一个全双工的串行接口。在程序的控制下，串行口有4种工作方式。用户可根据需要将它设定为移位寄存器方式，以扩充I／O接口和外接同步输入、输出设备；或用做异步通信接口，以实现双机或多机通信。因此，单片机能极为方便地组成分布式控制系统。
5.独立的位处理器
在单片机内部有一个能独立进行操作的位处理器，又称为布尔处理器，它有自己的累加器以及可按位寻址的RAM区、特殊功能寄存器和I／0E1，并设有专门的按位操作的指令。利用位操作功能，可以十分方便地进行组合逻辑的设计和用软件模拟组合逻辑的功能。

1.4单片机的主要特性
1．单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
2.单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。
3.早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
4.单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

2数控直流电源控制系统分析

2.1设计任务
设计并制作一个有一定输出电压范围的数控电源。其原理示意图如下：

原理图
基本要求
1.输出电压:2～20V.步进0.2V,纹波电压不大于200mVp-p
2.输出电流:200mA
3.由“+”,“-”两键分别控制输出电压步进增减
4.输出电压大小由LCD显示
5.电源效率:>60%

2.3发挥部分
1.开机输出电压可预置在2～20V之间的任意一个值
2.最大输出电流为1A，并有过流保护功能（大于1.2A保护）
3.纹波电压小于100mVp-p
4.电源效率:>75%
5.其它创新

3方案
系统原理框图如图1所示，采用STC89C52单片机产生波形，D/A转换器将其转换为模拟电压，再经过放大器放大。由单片机的软件实现电压的步进增减等功能。该方案灵活性大，易于扩展，需要专门的译码驱动芯片。

图1方案示意图

4硬件电路设计
数控直流电源由稳压电源部分、数字显示部分、输出部分、数控部分和输入电路五部分组成。硬件设计各电路图见附录二。
稳压电源电路:稳压电源从电路简单、经济考虑，本设计采用LM324M输出集成稳压器。采用7805作为它们的输出电压分别为+5V。直流稳压电源采用桥式全波整流，单电容滤波，三端固定输出集成稳压器件。输出电路由7815提供+25V电压，从而大大提高了电压调整率和负载调整率等指标。电路图如下

图2稳压电源电路

输入电路:输入电路由“+”、“－”、“启动”、“复位”四个按键组成，由“+”、“－”两键分别控制输出电压步进增减，步进值为0.2V，启动按键用于启动控制数控电压源的输出。
数控部分:数控部分应具备的功能有：输出电压可预置，且能以“步进”0.2V的工作方式加（“+”、）或减（“－”）。数控部分的输出应该控制电压源的控制端。
两个按钮开关将预制量输入到MCU并口，输出结果由LCD显示。单独设置的“+”、“－”两个键由单片机进行检测。数模转换器DAC接收单片机数据线串行传送的数据，存放在存储芯片内，并据以确定输出电压。在软件的控制下，单片机开机后先将预制值读入，在送去显示的同时，送入DAC，并产生相同的输出电压。然后不断检测“+”、“－”两键是否按下。若检测到有按键按下，将使显示值和输出电压相应增减0.2V。
输出电路:输出电路是由三端固定输出稳压器件7805、LM324M和DAC电路所组成的输出电路。步进电压由DAC输入的数字量控制。这种电路输出电压的精度取决于7805输出电压的误差；运放的跟随误差以及DAC的积分非线性。步进值的误差直接与DAC的位数有关。如下图。

图3输出电路图

显示电路：显示电路功能是显示当前输出的电压值和电流值。显示电路由液晶屏和两片模数转换器ADC组成。当前输出的电压值和电流值分别有两片模数转换器转换成数字量，并串行传送给单片机，单片机将接收到的8位数字量转换成电流和电压的小数和整数部分，然后送到液晶屏显示当前输出的电压和电流值。电路图如下。

图3显示电路图

5系统结构
单片机及其外围电路是数控直流电源的控制核心，本设计以STC89C52单片机为核心，单片机通过对D/A转换器输出的控制达到对电压的控制，并用LCD1602液晶来显示。系统结构图如图3所示。

图4系统结构图

6芯片介绍
6.1AT89S52芯片介绍
6.1.1AT89S52单片机主要特性：
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路

图5AT89S52芯片引脚排列

6.1.2管脚介绍

(1)电源引脚
VCC(40)：接DC电源端。
GND(20)：接地端。

(2)时钟引脚
XTAL1(19)：外接振荡元件(如晶振)的一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚接振荡器的信号。
XTAL2(18)：外接振荡元件(如晶振)的一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚悬浮。
振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

(3)控制线
RST(9)：复位输入端。在此引脚上出现至少两个机器周期的高电平，将使单片机复位
ALE/()(30)：地址锁存允许/编程脉冲。在对Flash存储器编程期间，此引脚用于输入编程脉冲().
PSEN(29)：外部ROM读选通信号。
在从外部程序存储器取指令(或常数)期间，每个机器周期出现两次PSEN有效信号。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN有效信号作为外部ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内部ROM或RAM信号时，PSEN无效。
EA/VPP(31)：内、外ROM选择/编程电源EA为片内外ROM选择端。ROM寻址范围为64KB。AT89S52单片机有4KB的片内ROM，若不够用时，可扩展片外ROM。当EA保持高电平时，先访问片内ROM，当PC的值超过4KB时，自动转向执行片外ROM中的程序。当EA保持低电平时，只访问片外ROM。
在Flash编程期间，此引脚用于施加编程电压VPP。

(4)P0～P3
4个8位输入/输出口，一共32个引脚。
6.2TLC549

TLC548和TLC549是以8位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOSA/D转换器。它们设计成能通过3态数据输出与微处理器或外围设备串行接口。TLC548和TLC549仅用输入/输出时钟和芯片选择输入作数据控制。TLC548的最高I/OCLOCK输入频率为2.048MHz，而TLC549的I/OCLOCK输入频率最高可达1.1MHz。

图6TLC549引脚图

6.3TLC5615
TLC5615为美国德州仪器公司1999年推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。

图7TLC5615引脚排列图

7软件设计
7.1软件介绍
软件部分采用模块化程序设计的方法编写，系统软件由主控制程序、LCD1602显示子程序、键盘服务、A/D转换和D/A转换等子程序组成。还添加了显示器的自动刷新。

7.2STC89C52资源分配
SBITVEN=P1^0电压A/D使能低电平有效
SBITVSDA=P1^1电压A/D输入数据
SBITVSCL=P1^2电压A/D时钟
SBITIEN=P1^3电流A/D使能低电平有效
SBITISDA=P1^4电流A/D输入数据
SBITISCL=P1^5电流A/D时钟
SBITDAEN=P2^0D/A使能低电平有效
SBITDADA=P2^1D/A输入数据
SBITDASCL=P2^2D/A时钟
SBITJIA=P3^2增加按钮
SBITJIAN=P3^3减按钮
SBITQUEREN=P1^6确认按钮
SBITRS=P3^51602液晶RS端
SBITLCDEN=P3^41602液晶EN端
SBITRW=P3^61602液晶RW端

7.3程序流程图

图8程序流程图

8工作过程
上电复位：读取24C02中的电压，送DA转换输出电压，如24C02中电压为0则设置初始电压为5V。
电压控制：通过两个加减按钮控制MCU产生8位数字信号（0~255），通过P2口送至8位数模转换芯片（TLC5615）转换成模拟电流信号，再经运放作I/U转换，得到控制稳压电源输出部分的基准电压。
电流取样：采用8位模数转换芯片（TLC549）作为显示电流的模数转换器件，TLC549的取样电压由串联在电源输出电路的电流取样电阻（0.1欧）分压取得，并由运放按一定倍数放大后送至Vin（+），TLC549把转换结果送至单片机的P1口，再由程序将数据处理后送LCD1602显示当前电流。
过流保护：当短路或电流超过设定值1.2A时，MCU自动保存当前使用电压并关闭输出。
稳压输出：采用传统的串联稳压电路，由运放和功率输出管组成。利用TLC5615控制的基准电压驱动功率管稳压输出，反馈部分是通过电阻R3，VR2将取样电压输入运放的反相端比较，VR2可作小范围调整。

9制作调试
电源部分提供整个电路所需各种电压（包括DAC芯片所需的基准稳压+5V和89C52的+5V），由电源变压器和整流滤波电路及两个辅助稳压输出构成，电源变压器的功率由需要输出的电流大小决定，确保有充足的功率余量。
电流取样电阻R1要选择大功率的电阻（5W或10W）。也可使用废旧万用表上拆下来的电阻线。检查电路连接无误后，即可试机。找一块数字表将其并联在输出电路上，按“+”按钮或“－”按钮设定一个电压，此时LCD1602第一行可能会有误差，适当微调反馈电路的VR2，使其与数字表读数一致，再将数字表串联在电源的输出电路上，选择适当的电流档，接上一定的负载。此时，LCD1602第二行会显示出电流值，适当的调节VR3改变TLC549参考电压，直至显示的电流值与万用表显示的电流值一致为止，校正完后即可使用。
测试仪器及设备
仪器名称型号用途数量
计算机PC调试用途1
可跟踪直流稳压源1731SB3A提供电源2
数字万用表UT56测量电压1
示波器DF4320测量纹波1

测试步骤
第一步：组装电路，使整个电路能正常工作，掉电存储电路能使在重新开机后显示上次断电时保存的数据。

第二步：在不带负载的情况下，通过按键调节电压值，使电压值从0~20V按步进0.2V增减，观察输出电压值，并测量纹波电压，并记录数据。

第三步：在带负载、电流达到800mA的情况下，调节电压值，测试输出电压值。

第四步：测试过流保护电路是否能正常工作，即当调节电流值超过设定的电流值时，观察电流保护电路是否断开。

测试数据
⑴测试输出电压
理论显示数据单位：V输出电压测量单位：V纹波电压单位：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总结
本设计制作完成了题目要求的基本部分的和发挥部分要求，达到了预期目标。本系统以51单片机STC89C52芯片和10位精度的DA转换器TLC5615为核心部件，利用常用的三端稳压器件7805的公共端与输出端固定的5伏电压特性，最终实现了数字显示输出电压值和电流值可实时控制并显示的数控电源

结论
由上可知，在这次试验中想把它一次性的做成功是很困难的，我们的水平还差很多，知识面不够广泛，还存在很多的问题，需要通过各种行政和经济的措施进行解决。其中在试验中碰到的问题有：在画梯形图时遇到有些不会的问题，需要去问老师通过老师的细心教导和认真研究下，这些问题都得到了一一解决。在单片机程序导入的时候会出现不同的情况，通过认真推导和反复求证最终得到一个满意的方案。找错误是很麻烦的事情，要把所有的程序都仔仔细细的来看，但是有可能你看了还是没有发现是哪有错误，只能寻找被的帮助，所以我们要认真加仔细，成功将属于你。

致谢
在我的毕业设计完成过程中，特别是在修改过程和整理过程中得到了很多老师的全力帮助跟悉心指导，让我在这条艰难的道路上不气馁，坚持一路走了下来。
大学的这个门即将向我关上，我的快乐的大学生活即将要结束，我在这里非常感谢大学里照顾我的各位老师对我的教育，让我受益颇多。尤其是感谢我的那些任课老师，他们在讲台上的认真讲课和在办公室里专心备课是我们最大的感恩，有了老师们的指点江山，激扬文字才有了我们的今天的学识和成就，大学是个美好的地方，每个学生梦想的地方，这里创造人才，培育国家栋梁，我再次衷心感谢老师们的教导，祝你们永葆青春！

参考文献
[1]《全国大学生电子设计竞赛训练教程》（黄智伟主编王彦陈文光朱卫华编著）
[2]《单片微型计算机与接口技术（第2版）》（李群芳张士军黄建编著）
[3]《51单片机原理与应用》（张毅刚主编）