張震 基于單片機的數(shù)控電源

1、1 緒論在現(xiàn)在的生活中，我們常常會用到各種電源，電源技術(shù)服務(wù)于各行各業(yè)。直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)中常用設(shè)備，廣泛應(yīng)用于實驗、教學、科研等領(lǐng)域。數(shù)控電源一般采用單片機系統(tǒng)來構(gòu)成。單片機數(shù)控電源是以單片機為控制核心，配以相應(yīng)的外圍電路和功能軟件，實現(xiàn)具有一定電壓調(diào)節(jié)功能的電源，該設(shè)計包含硬件部分和軟件部分，對硬件和軟件合理的調(diào)配和使用，從而實現(xiàn)數(shù)控電源的設(shè)計。1.1 課題背景及意義數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強的工程技術(shù)，服務(wù)于諸多行業(yè)?，F(xiàn)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等眾多學科領(lǐng)域。直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的儀器設(shè)備之一,廣泛的應(yīng)用于教學、科研等領(lǐng)域，是實驗員、電子設(shè)計人員進

2、行實驗和科研不可或缺的電子儀器。在電子系統(tǒng)中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源來供電，傳統(tǒng)直流電源的穩(wěn)壓過程是由電源變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓等四部分組成，因而具有功能簡單、干擾大、可靠性低、精度低且體積大、復(fù)雜度高的缺點?，F(xiàn)代家用電器和其他電子產(chǎn)品中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在實際生活中，都是由市電供電。這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電源。濾波器用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，

3、又縮小了其體積，使家用電器電源電路小型化。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常配以電位器和波段開關(guān)來實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié)，并由電壓表指示電壓值的大小。因此，電壓的調(diào)整精度不高，讀數(shù)不夠直觀，電位器也易耗損。而基于單片機控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我國，以電子學為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀60年代中期到了90年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展時期，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動電源行業(yè)向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；另一方面，在國家資助和創(chuàng)新意識帶領(lǐng)下，我國電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界

4、涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國際先進水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品；目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足，在電源產(chǎn)品的可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設(shè)備、智能化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面有很大差距，尤其在實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多。國內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w說來，國內(nèi)直流穩(wěn)壓電源制造技術(shù)在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。1.3 課題的主要

5、內(nèi)容（1）如何實現(xiàn)對電源的輸出控制。系統(tǒng)設(shè)計的目的是要用單片機來替代傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中手動旋轉(zhuǎn)電位器，實現(xiàn)輸出電壓在電源量程范圍內(nèi)步進可調(diào)，精度要求高。實現(xiàn)的途徑很多，可以用鍵盤控制液晶顯示，配以軟件設(shè)置實現(xiàn)0.1V的步進，通過DAC的模擬輸出控制電源輸出，或者用其它更有效的方法，因此如何選擇簡單有效的方法是本課題需要解決的首要問題。 （2）數(shù)控直流電源功能的完備。數(shù)控直流穩(wěn)壓電源要實現(xiàn)電壓的鍵盤化輸出控制，同時要具備輸出、電壓比較及數(shù)組存貯與預(yù)置等功能。另外，根據(jù)要求電源還應(yīng)該可以通過按鍵選擇一些特殊的功能。如何有效的實現(xiàn)這些功能也是課題所需研究解決的問題。 （3）設(shè)計要求。輸出電壓范圍：0

6、.5V10V，電壓步進：0.1V；輸入電壓由液晶顯示；自制鍵盤，可以通過鍵盤輸入電壓值；輸出電壓值可在輸出端用萬用表測得；1.4 論文的總體結(jié)構(gòu)第一部分簡要介紹課題的背景、意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，介紹本文的主要研究內(nèi)容, 包括實現(xiàn)的目標、功能的完備和性能指標。第二部分提出了數(shù)控直流電源的總的設(shè)計思路和幾種實現(xiàn)方案論證，以及相關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，對這些方案的可行性進行比較分析，選擇了一種基于51 單片機系統(tǒng)的數(shù)控直流電源的方案，并對該方案運用的基礎(chǔ)知識和使用的器件作出扼要的介紹。第三部分模塊化詳細闡述了基于51 單片數(shù)控直流電源的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計框圖，包括數(shù)據(jù)單片機控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)壓控制

7、模塊、及鍵盤模塊。第四部分主要闡述了數(shù)控直流電源的軟件系統(tǒng)的設(shè)計思路和軟件設(shè)計流程。第五部分對數(shù)控直流電源的性能參數(shù)進行測量與評估，以及對誤差進行分析。第六部分對本數(shù)控直流電源的給出了本課題的結(jié)論。本論文共分6個部分，主要闡述了設(shè)計方案的選擇和確定以及對系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計作了較為具體的論述。由于本人知識、實際應(yīng)用水平及工程實際水平有限，在本次畢業(yè)設(shè)計中難免產(chǎn)生一些錯誤，敬請各位老師批評指正。2 總體方案論證本章從系統(tǒng)方案與設(shè)計等一些方面來進行論證。2.1 方案的比較與選擇方案一：設(shè)計線性穩(wěn)壓電源，是目前常使用的直流穩(wěn)壓電源，它利用分立器件組成，體積大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我

8、保護功能不夠全，因而故障率高。方案二：設(shè)計開關(guān)電源。在前期方案設(shè)計中采用PWM脈寬調(diào)制。它的功耗小，效率高，穩(wěn)壓范圍寬，電路形式靈活多樣，功耗小，效率高。在制作過程中發(fā)現(xiàn)，PWM3占空比的線性變化使相應(yīng)的電流呈非線性變化，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)濾波電容的存在對占空比很小的PWM波積分效果明顯，導(dǎo)致電壓的非線性變化更顯著，特別是PWM占空比很小時(希望得到輸出的電壓很小)，利用單片開關(guān)電源的PWM技術(shù)控制開關(guān)的占空比來調(diào)整輸出電壓的，以達到穩(wěn)定輸出的目的。但用數(shù)字量控制的作用更加明顯。方案三：設(shè)計智能型穩(wěn)壓電源，以單片機為控制核心，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，性能卓越，而且由于單片機具有計算和控制能力，利用它對采樣

9、數(shù)據(jù)進行各種計算，從而可排除和減少由于干擾信號和模擬電路引起的誤差，提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精密度，降低了對模擬電路的要求。與方案一、二相比，方案三中提及的智能穩(wěn)壓電源具有小型化、高效率、低成本、高可靠性、低干擾、模塊化和智能化等優(yōu)點。終上所述，選擇方案三。采用常用的51芯片作為控制器，P0口與DAC0832的數(shù)據(jù)口直接相連，比較輸出電壓模塊LM324的電壓分辨率0.1V。所以，當MCU輸出數(shù)據(jù)增加1 的時候，最終輸出電壓增加0.1V，當調(diào)節(jié)電壓的時候，可以以每次0.1V的梯度增加或者降低電壓，并通過LCD電路來顯示，本主電路的原理是通過MCU控制DAC0832的輸出電壓大小，通過DAC

10、0832的轉(zhuǎn)換，給電壓比較模塊，真正的電壓、電流還是由比較電壓輸出模塊LM324輸出。方案原理圖如圖2.1所示。鍵盤控制51單片機DAC比較電路輸出電壓顯示電路圖2.1 方案原理圖2.2 系統(tǒng)主要模塊的概述本設(shè)計采用AT89C51單片機、DAC0832、四運算放大器LM324、獨立鍵盤和液晶顯示LCD1602來實現(xiàn)整體電路功能。主要是對AT89C51單片機的各個I/O口的充分利用。P0口連接液晶顯示電路，P1口連接獨立鍵盤電路，P2口直接連接DAC0832芯片輸出電壓，最終的電壓通過帶有真差動輸入的四運算放大器。這種設(shè)計總體上能充分利用單片機各個接口而不必添加額外芯片，大大減少成本和電路板面積

11、。2.2.1 AT89C51單片機性能AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，內(nèi)含4K容量的可反擦寫的只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，該器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強大可應(yīng)用于許多高性價比的場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C51芯片引腳圖如圖2.2所示。圖2.2 AT89C51引腳圖 （1）AT89C51主要功能指標：（a）與MCS-51指令集完全兼容；（b）4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器；（c）1000次擦寫周期；（d）全靜態(tài)

12、操作：0Hz24MHz；（e）三級加密程序存儲器；（f）128×8字節(jié)內(nèi)部RAM；（g）32個可編程I/O口；（h）2個16位定時/計數(shù)器；（i）6個中斷源；（j）可編程串行UART通道；（k）低功耗空閑和掉電模式；（2）AT89C51的引腳及功能介紹：（a）VCC：供電電源端。（b）GND：接地端。（c）P0口：P0口是一組8位漏級開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。每位可吸收8個TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器或者程序儲存器，此時它可以分時復(fù)用為轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線。在運用Flash編程時，P0口作為接受指令字節(jié)；在程序校檢時，輸出指令字節(jié)，此時要求外接上拉電

13、阻。（d）P1口：P1口是一個自帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口輸出緩沖器能接收輸出4個TTL門電流。P1口管腳寫入1后，通過內(nèi)部上拉電阻使端口為高電平，此時可用作輸入口，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。Flash編程和校驗時，P1口用做低8位地址的接收。 （e）P2口：P2口是一個自帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口的輸出緩沖器可驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高置高電平，且作為輸入。作為輸入口使用時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出地址的高8位。P

14、2口在Flash編程和校驗時，同樣也接收高位地址信號和其它控制信號。（f）P3口：P3口是一組帶有8位內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。對P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉電阻提高為高電平，并當作輸入口。作為輸入端時，由于外部下拉為低電平，P3口將用上拉電阻輸出電流。 （g）RST：復(fù)位輸入信號。當振蕩器工作時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間來使單片機復(fù)位。（h）ALE/PROG：當訪問外部存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存低8位字節(jié)。在Flash編程期間，該引腳用于輸入編程脈沖。工作時，ALE端以振蕩器頻率1/6的頻率周期輸出固定的正脈沖信號。

15、因此它可用作對外部輸出時鐘或用于實現(xiàn)定時。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。此外，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)將ALE設(shè)置為無效。（i）/PSEN：程序儲存允許輸出是對外部程序存儲器的讀選通信號，當單片機由于外部程序存儲器取指令時，每個機器周期兩次均有效，即輸出兩個脈沖。（j）/EA：外部允許訪問端。當EA端保持低電平時，則在此期間CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH）。如果加密LB1被設(shè)置時，EA將內(nèi)部鎖定為復(fù)位；當EA端保持高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。在Flash編程時，該腳也用于+12V的編程電源。（k）XTAL1：振蕩器反相放大器

16、及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入端。（l）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832是一種采樣頻率8位的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，該芯片與單片機系統(tǒng)完全兼容。這個D/A轉(zhuǎn)換芯片具有價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換容易控制等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得以廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。（1）DAC0832的主要功能指標：（a）8位分辨率； （b）電流穩(wěn)定時間僅1us； （c）可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)據(jù)輸入； （d）在滿量程下可以調(diào)整線性度； （e）可單一電源供電； （f）低功耗為20mW。 （2）DAC0832引腳及功

17、能介紹：（a）D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平，有效時間大于90ns； （b）ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； （c）CS：片選信號輸入線，低電平有效； （d）WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通信號輸入線，負脈沖有效； （e）WR2：DAC寄存器寫選通信號輸入線，負脈沖有效； （f）IOUT1：電流輸出端，當輸入值為1時，Iout1最大； （g）IOUT2：電流輸出端，其值與Iout1值之和為常數(shù)； （h）Rfb：反饋信號輸入線，芯片內(nèi)部有反饋電阻； （i）Vcc：電源輸入端，工作電壓范圍為+5V+15V； （j）Vref：基準電壓輸入端，Vref的電壓范圍為-10V+10V； （k

18、）AGND：模擬信號接地端，模擬信號和基準電源的參考接地；（l）DGND：數(shù)字信號接地端； 四運算放大器LM324LM324為價格低廉的帶有真差動輸入的四運算放大集成電路。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它具有一些顯著優(yōu)點。該四運算放大器可以工作在3V以下或者32V以上的電源，其靜態(tài)電流很低。該芯片共模輸入電壓范圍包括了負電源，因此消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置器件的必要。LM324具有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源輸入端，“Vo”為電壓輸出端。在兩個信號輸入端中，Vi（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；V

19、i（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。 （1）LM324的主要參數(shù)特性描述： （a）4運算低功率放大器；（b）1.2MHz帶寬；（c）3dB帶寬增益乘積為1.2MHz；（d）變化斜率為0.5V/s ；（e）增益帶寬為1.2MHz；（f）工作溫度范圍為0°C70°C；（g）電源電壓范圍3V32V； （h）輸入最大偏移電壓7mV； （i）額定電源電壓為+15V； （2）LM324的主要功能特點：（a）短路輸出保護功能； （b）自帶真差動輸入級； （c）可在電壓范圍3V32V單電源工作：；（d）低偏置電流最大為100nA；（e）具有內(nèi)部補償?shù)墓δ埽?

20、（f）共模范圍拓展至負電源； （g）具有輸入端靜電保護的功能； LCD顯示電路LCD1602 可以在LCD顯示屏上完整顯示32 個英文字符和日文等一些字符,適合顯示英文文字信息量較小的地方?？梢詰?yīng)用在計算器、頻率計、信號發(fā)生器、時鐘等產(chǎn)品顯示上。引腳圖如圖2.3所示。圖2.3 LCD1602引腳（1）LCD1602主要技術(shù)參數(shù)：（a）顯示容量：32字符；（b）芯片工作電壓范圍為4.5V5.5V；（c）正常工作電流2mA，不包括背光源電流；（d）模塊最佳工作電壓設(shè)置5V；（e）自帶英文和日文字庫,使用簡便；（2）LCD1602引腳接口說明：（a）1腳：VSS為地電源；（b）2腳：VDD接5V正電

21、源；（c）3腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度較弱，接地電源時對比度較高，對比度過高時會產(chǎn)生陰影，使用時可以通過一個10K的滑動變阻器調(diào)整其對比度。（d）4腳：RS為寄存器選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。（e）5腳：R/W為讀寫信號端，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW為低電平時可以寫入指令或者顯示地址。（f）6腳：E端為使能控制端，當E端由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，LCD就執(zhí)行命令。（g）7腳14腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 鍵盤電路目前鍵盤電路常用的主要有兩種，一種是獨立式鍵盤電路，另一種是矩陣式鍵盤電路。獨立式鍵盤電路是指直接用I/O

22、口線構(gòu)成的單個按鍵電路，每根I/O口線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其它I/O口線的工作狀態(tài)。這種方式無論在硬件連接還是軟件編譯處理上都比較簡單，直接選取輸入鍵值，簡單快捷，這種方式在I/O富余的情況下可以使用。矩陣式鍵盤電路是指按鍵設(shè)置在行列式交點上，行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。當行線通過上拉電阻接+5V時，被鉗位在高電平狀態(tài)。鍵盤中有無按鍵按下是由列線送入全掃描字、行線讀入行線狀態(tài)來判斷的。鍵盤中哪一個鍵按下可由列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來判斷。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單。在本課題中由于鍵盤數(shù)目較少，經(jīng)過所查閱的參考資料經(jīng)綜合考慮最終決定采用獨立式鍵盤，這樣可以充分利用I/

23、O口，簡化軟件編程，并且節(jié)省電路板面積。3 硬件電路設(shè)計硬件電路主要由模擬電路和數(shù)字電路兩大部分組成。本設(shè)計的數(shù)控直流電源是由51單片機為主控模塊，DAC0832 為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，四運算放大器LM324為比較輸出芯片，鍵盤模塊由三個獨立按鍵組成，系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。系統(tǒng)主要由微控制器模塊、比較輸出模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊五部分構(gòu)成，具有電壓可預(yù)置、可步進調(diào)整、輸出的電壓信號。系統(tǒng)框圖如圖3.1所示。晶振電路復(fù)位電路鍵盤電路51單片機LCD顯示電路DA轉(zhuǎn)化電路電壓比較電路電壓輸出圖3.1 系統(tǒng)總體框圖 3.1 單片機控制模塊的設(shè)計單片機控制模塊即為主機部分，整個控制都是依靠單片機完成

24、。從功能和價位以及本題目要求來看，我選擇51單片機作為本方案的控制核心，P0 口接液晶顯示作為輸出數(shù)據(jù)顯示傳輸，同時P1.5、P1.6、P1.7是液晶LCD控制端口；P2 口接 DAC0832 作為輸出數(shù)據(jù)傳輸，P3.0 為DAC0832 控制端口；P1.0、P1.1、P1.2接三個獨立鍵盤作為輸入數(shù)據(jù)傳輸。單片機控制電路如圖3.2所示。圖3.2 單片機控制電路 3.2 單片機時鐘電路的設(shè)計MCS-51單片機各功能部件的運行都是以時鐘信號為基準，在時鐘電路工作下，系統(tǒng)才能有條不紊的工作，因此時鐘頻率直接影響著單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響著單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MCS-51單片機有兩種時

25、鐘產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本次畢業(yè)設(shè)計采用的是內(nèi)部時鐘方式作為單片機時鐘產(chǎn)生方式。在單片機的內(nèi)部有一用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，即為輸入端XTAL1和輸出端XTAL2。在此兩引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容器，即可構(gòu)成一個穩(wěn)定的振蕩器。在頻率穩(wěn)定性要求不高，并盡可能廉價時，可采用陶瓷諧振器和電容器組成并聯(lián)諧振回路。內(nèi)部振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2端輸出的時鐘信號。振蕩頻率取決于所用石英晶體的諧振頻率和電容的大小。晶振的頻率范圍一般為1.2MHz12MHz,晶振的頻率越高，系統(tǒng)的時鐘頻率越高，單片機的運行速度就越快。圖3.3給出了采用內(nèi)部時鐘方式的晶體振蕩器

26、的單片機時鐘電路圖。圖3.3 單片機時鐘電路元器件參數(shù)選擇如下：AT89C51的振蕩頻率可在1MHz24MHz范圍內(nèi)選取，本設(shè)計的時鐘電路選取12MHz的振蕩頻率。C1、C2的電容取值無嚴格要求，因其取值對振蕩頻率輸出穩(wěn)定、大小、起振速度有略微影響。一般對石英晶體，可取典型值30pF左右，本次畢業(yè)設(shè)計C1、C2均選取了33pF的電容器。對陶瓷諧振器，可取典型值40pF左右。3.3 單片機復(fù)位電路的設(shè)計復(fù)位電路是單片機系統(tǒng)中必不可少的組成部分。所謂的復(fù)位就是將單片機重新啟動，使單片機內(nèi)部的所有寄存器都回到初始狀態(tài)。復(fù)位電路方式有上電自動復(fù)位方式和手動復(fù)位方式，本設(shè)計中系統(tǒng)采用手動復(fù)位方式。復(fù)位電

27、路如圖3.4所示。圖3.4 手動復(fù)位電路手動復(fù)位過程如下：按下鍵后，電容器被短路放電、RST直接與VDD相連，此時為高電平，從而進入復(fù)位狀態(tài)；松手后，電源開始對電容充電，此時充電電流在電阻上，形成高電平送到RST端，仍然是復(fù)位狀態(tài)；最后，電容充電結(jié)束，電流降為0，電阻上的電壓也降為0，RST降為低電平，系統(tǒng)開始正常工作。3.4 鍵盤模塊的設(shè)計鍵盤電路是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個按鍵實則是一個開關(guān)元件，也就是說鍵盤是一組規(guī)則排列的開關(guān)。鍵盤按照結(jié)構(gòu)原理可分為兩類，一類是觸點式開關(guān)鍵盤，如機械式開關(guān)、導(dǎo)電橡膠式開關(guān)等；另一類是無觸點開關(guān)鍵盤，如電氣式鍵盤，磁感應(yīng)鍵盤等。兩者相比，前者造價較低，

28、后者壽命較長。目前，單片機系統(tǒng)中最常見的是觸點式開關(guān)按鍵。 鍵盤按照接口原理可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤兩類，這兩類鍵盤的主要區(qū)別是識別鍵符及給出相應(yīng)鍵碼的方法。編碼鍵盤主要是用硬件來實現(xiàn)對鍵盤的識別，非編碼鍵盤主要是由軟件設(shè)置來實現(xiàn)鍵盤的定義與識別。全編碼鍵盤能夠由硬件邏輯自動提供與鍵對應(yīng)的編碼，此外，一般還具有去抖和多鍵保護電路，這種鍵盤使用方便，但需要較多的硬件，價格較貴，一般的單片機應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用較少。非編碼鍵盤只簡單地提供按鍵，其它工作均由軟件完成，由于其經(jīng)濟實用，從而較多地應(yīng)用于單片機系統(tǒng)中。本系統(tǒng)采用獨立式按鍵結(jié)構(gòu)，并結(jié)合非編碼鍵盤相應(yīng)原理。獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵

29、電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線 。每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。圖3.5 鍵盤接口圖獨立式按鍵軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)，先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。本設(shè)計共設(shè)計三個按鍵，分別為“增加”鍵，“減少”鍵，“確定”鍵，三個按鍵分別與P1.0，P1.1，P1.2連接，電路圖如圖3.5所示。3.5 顯示模塊的設(shè)計用于單片機系統(tǒng)設(shè)計顯示的方式主要分為兩類：LED顯示和LCD顯示。前者顯示亮度較高，制作成本低，適合做遠距離顯示，但其功耗較大，所用端口隨顯示的數(shù)字位數(shù)增加而增

30、加。如果采用動態(tài)掃描方式顯示，則占用CPU的內(nèi)存空間，如果采用靜態(tài)顯示則需要加鎖存器，加大硬件制作量，就該題目要求來說，需要設(shè)定電壓顯示，又與實際電壓比較再顯示，LCD顯示更為清晰、直觀，從上面諸多因數(shù)來看，采用LCD顯示比較理想。LCD最常用的就是液晶1602，LCD1602 可以在LCD顯示屏上完整顯示32 個英文字符和日文字符，適合顯示英文文字信息量較小的地方,可以清晰顯示出同時還能顯示英文名稱和電壓/電流單位。通過單片機編程控制第4腳RS數(shù)據(jù)/命令選擇端，第5腳R/W讀/寫選擇端，第6腳使能信號，從而實現(xiàn)顯示效果。本設(shè)計中LCD1602接法如圖3.6所示。圖3.6 LCD1602 顯示

31、電路3.6 數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊的設(shè)計本設(shè)計采用DAC0832的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，P2口和DAC0832的數(shù)據(jù)口直接相連，DA的/CS和/WR1連接后接地，/WR2和/XEFR連接輸出同時也接地，ILE信號引腳接高電平，DA的8腳接參考電壓，芯片處于直通狀態(tài)，此時8位數(shù)字量一旦到達DI0DI7輸入線上，就立刻進行D/A轉(zhuǎn)換并輸出結(jié)果。通過獨立式鍵盤給單片機輸入一數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)在顯示電路上顯示，單片機保存該數(shù)據(jù)，然后在鍵盤上按確認鍵，就是把DAC0832電路打開把數(shù)據(jù)傳輸進去，這個芯片把送過來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號后經(jīng)過比較電路最終輸出所要電源電壓。3.7 電壓比較輸出模塊的設(shè)計本設(shè)計中真正的電壓輸出是通過

32、四運算放大器LM324的末端輸出的，具體的設(shè)計如圖3.7所示，DAC0832的11腳接LM324的6腳，LM324的5腳接地，4腳和11腳分別連接+12V和-12V，DAC的9腳接1K的電阻與運放的7腳相連，構(gòu)成比較回路。選用集成型電壓比較器LM324是為了使電路工作更加可靠，同時該類芯片具有負載能力強、抗干擾性優(yōu)越等特點，可以更好的實現(xiàn)電路功能。圖3.7 比較輸出電路4 軟件設(shè)計在單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)中，常用的編程語言有匯編語言和C語言兩種。這兩種開發(fā)語言都具有各自的特點。以下就這兩種開發(fā)語言的特點分別作簡介并根據(jù)實際開發(fā)情況，選擇適合的開發(fā)語言。匯編語言的特點：可直接操縱系統(tǒng)的硬件資源，從而

33、可以編寫高質(zhì)量的編碼。但是采用匯編語言編寫比較復(fù)雜的數(shù)值計算程序相對比較困難，又因匯編語言源程序的可讀性遠不如高級語言，如果想修改程序功能，得花費心思重新閱讀程序，效率不是很高。C語言的特點：C語言程序的優(yōu)點是可讀性與可移植性好，程序開發(fā)周期短；使用C語言編程更符合人的思維方式和思考習慣，編寫代碼效率高，維護方便；采用C語言易于開發(fā)復(fù)雜的單片機應(yīng)用程序，有利于單片機產(chǎn)品的重新選型和應(yīng)用程序的移植，大大提高了單片機軟件的開發(fā)速度。目前，在單片機的開發(fā)中，C語言得到越來越多的應(yīng)用，而匯編語言也在很多環(huán)境下具有優(yōu)勢。實際應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況來選擇開發(fā)語言。C語言不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且具體應(yīng)用在

34、單片機以及嵌入式系統(tǒng)開發(fā)上。本設(shè)計中首先對系統(tǒng)初始化，讀取預(yù)置電壓，預(yù)存電壓值為10V，并將其發(fā)送給LCD顯示電壓。之后在判斷是否有鍵按下，當有按鍵按下時，接受來自鍵盤的電壓輸入值，并通過D/A把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬電壓量，控制輸出電壓大小。軟件的設(shè)計分為鍵盤的軟件設(shè)計、顯示的軟件設(shè)計、D/A的軟件設(shè)計等。各部分軟件的設(shè)計綜合利用了C語言中結(jié)構(gòu)式語句，函數(shù)的定義與調(diào)用，邏輯判斷以及循環(huán)控制，充分體現(xiàn)C語言的簡潔緊湊、運算符豐富、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富以及可移植性高等優(yōu)點。4.1 仿真開發(fā)平臺ProteusProteus軟件是英國Labcenter電子公司設(shè)計開發(fā)的一款EDA工作軟件。它不單具有其它ED

35、A工具軟件的仿真功能，還能訪問單片機及其外圍設(shè)備。Proteus是著名的EDA仿真軟件，從原理布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路的仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。Proteus不僅可將許多單片機設(shè)計系統(tǒng)實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。Proteus具有如下特點：（1）Proteus軟件提供了數(shù)千種元器件和多達30多個元件庫；（2）個性化的編輯環(huán)境；（3）快速選取和放置器件；（4）層次化設(shè)計；（5）原理圖自動連線并自動生成仿真日志；4.2 軟件程序開發(fā)平臺KeilKeil C51軟件是美國Keil軟件公司開發(fā)的一個功能強大的單片機開發(fā)平臺。單片機開

36、發(fā)中除了必不可少的硬件電路設(shè)計外，同樣離不開軟件，隨著單片機開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到使用現(xiàn)在的高級語言，單片機的開發(fā)軟件也在不斷的發(fā)展，Keil軟件是目前最流行的開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，Keil提供了包括C語言編輯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的開發(fā)方案。Keil具有如下特點：（1）具有全功能的源代碼編輯器；（2）元件庫用來配置開發(fā)工具的設(shè)置；（3）項目管理器用來創(chuàng)建和維護用戶的項目；（4）集成工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式系統(tǒng)；（5）所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對話框模式；（6）真正的源代碼對單片機和外圍器件的調(diào)試器；4.3 主程序設(shè)計系統(tǒng)軟

37、件流程圖直觀描述了如何實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓調(diào)節(jié)。首先對系統(tǒng)的輸出電壓進行初始化設(shè)定，然后通過判斷案件是“+”鍵或是“-”鍵對系統(tǒng)輸出電壓進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并將給定的數(shù)據(jù)給DA轉(zhuǎn)換器，最終使給定的電壓輸出。主程序框圖如圖4.1所示。初始化系統(tǒng)讀取ROM中保存的電壓送DA轉(zhuǎn)換輸出電壓允許定時器中斷顯示鍵盤掃描是否按下增加鍵是否按下減少鍵是否按下確認鍵NNN電壓加0.1V并送入LCD顯示電壓減0.1V并送入LCD顯示保存電壓YYY開始結(jié)束圖4.1 主程序結(jié)構(gòu)框圖4.4 子程序設(shè)計子程序設(shè)計包括：液晶顯示設(shè)計、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計、鍵盤設(shè)計。下面對每部分軟件設(shè)計逐一說明。4.4.1 液晶讀寫數(shù)據(jù)的設(shè)計本設(shè)計中液

38、晶顯示是兩行字符，第一行顯示的英文“VOLTAGE”,第二行則用來顯示設(shè)置的電壓值。根據(jù)原理圖，LCD1602的數(shù)據(jù)線D0D7腳分別接單片的P0口，RS、R/W和E端分別接P1.5、P1.6和P1.7，液晶顯示的軟件流程圖如圖4.2所示。讀/寫數(shù)據(jù) 進行一次讀/寫操作狀態(tài)Busy=0?狀態(tài)Busy=0? 讀/寫正確的數(shù)據(jù)讀/寫數(shù)據(jù)NNYY圖4.2 液晶1602讀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)框圖4.4.2 D/A轉(zhuǎn)換的設(shè)計由原理圖可知，片選信號/CS、數(shù)據(jù)控制信號/XFER、/WR1、/WR2均與地線相連，DAC0832為直通方式，CPU對DAC0832執(zhí)行一次寫操作，則將一個數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器，DAC輸出模

39、擬量隨之變化。D/A轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4.2所示。開始鍵盤輸入調(diào)入程序D/A轉(zhuǎn)換循環(huán)圖4.3 D/A轉(zhuǎn)換的設(shè)計4.4.3 鍵盤的設(shè)計單片機循環(huán)對各個按鍵進行掃描，如果檢測到有按鍵按下，則判斷是哪個鍵按下，再去執(zhí)行各個按鍵所對應(yīng)的程序?！霸黾印辨I為步增電壓鍵，步進值為0.1V；“減少”鍵為步減電壓鍵，步減值也為0.1V；“確認”鍵是確定輸出電壓值的按鍵?！霸黾印辨I的軟件流程圖如圖4.4所示，其余兩個按鍵同理。開始鍵盤初始化按鍵掃描判斷為增加執(zhí)行相關(guān)程序單片機步進0.1V輸出顯示YN圖4.4 鍵盤的軟件流程圖5 系統(tǒng)測試與誤差分析5.1 軟件測試（1）測試軟件程序編譯器keil uvision3。

40、 （2）編譯結(jié)果在編制完C語言后，即在keil uvision3 界面下，進行了調(diào)試，結(jié)果系統(tǒng)正常工作如圖5.1所示。圖5.1 編譯結(jié)果圖5.2 硬件測試（1）復(fù)位電路能否正常工作的調(diào)試，打開原理圖，進行仿真，按下復(fù)位按鈕，通過觀察LCD顯示判斷復(fù)位電路能否正常工作。（2）鍵盤電路以及顯示電路的調(diào)試，打開原理圖，進行仿真，通過按鍵點擊“增加”，“減少”，“確定”三個按鈕觀察LCD顯示結(jié)果是否正常，并且觀察是否以0.1V步進。 （3）比較輸出電路的調(diào)試，主要是對四運算放大器LM324功能的調(diào)試，該部分電路功能實質(zhì)是比較DAC0832的11腳輸出端與9腳電壓的比較，通過電壓表測兩端口電壓即可。 5

41、.3 系統(tǒng)整體測試結(jié)果分析（1）測試工具（a）雙蹤示波器；（b）數(shù)字萬用表。（2）測量結(jié)果如表5.1所示。表5.1 測試數(shù)據(jù)及誤差分析設(shè)定值(V)輸出電壓(V)誤差(V)11.21.240.0422.52.530.0333.03.100.1044.04.120.1254.54.540.0465.85.930.1376.56.690.19888.190.1999.59.580.081010100由上表計算可得，系統(tǒng)的絕對誤差為（0.04+0.03+-+0.08）/10=0.09V；系統(tǒng)的相對誤差為（0.04/1.2+0.03/2.5+-+0.08/9.5）/10=2.0%。（3）誤差分析從電路的

42、原理框圖可以看出，系統(tǒng)的誤差來源于三個方面： （a）DAC0832 的量化誤差，DAC為8位D/A轉(zhuǎn)換器，滿量程為15V 的量化誤差為 1/2L MBS=(1/2)*(1/28)*15V=29.30mV。按滿度歸一化的相對誤差為（1/2）*（1/28）=0.20% ；（b）輸入失調(diào)電壓引入的誤差 LM324漂移不大于7mV，故相對誤差<=7mV/12V=0.06%。； （c）其它器件和線路由于溫漂、不穩(wěn)定等原因引起的誤差。結(jié)束語經(jīng)過幾十天的艱苦奮戰(zhàn)，我最終完成了畢業(yè)設(shè)計的基本要求。雖然過程是艱苦的，但最終成功的喜悅同樣令我快樂。該設(shè)計采用閉環(huán)反饋調(diào)整的方法，設(shè)計出了實用的直流電壓源，其電

43、壓輸出的級數(shù)與D/A的位數(shù)有緊密關(guān)系，本設(shè)計采用了8位的DAC0832，若采用12位或16位的D/A轉(zhuǎn)換器進行相應(yīng)的調(diào)整，直流電源的精度會進一步提高。為了爭取時間，降低成本，我們的解決方案是采用的51 單片機達到了此次畢業(yè)設(shè)計預(yù)期目的，由于該電源在結(jié)合了線性電源與開關(guān)電源各自優(yōu)點的基礎(chǔ)上還加入了單片機控制，不僅小巧、輕便、輸出特性良好而且還操作簡單，相信會有很好的應(yīng)用前景。與此同時此次的設(shè)計還培養(yǎng)了我的動手能力，使我進一步了解畢業(yè)設(shè)計的基本知識，能領(lǐng)會和靈活運用畢業(yè)設(shè)計中目標任務(wù)、計劃、過程控制、總結(jié)反饋等各個環(huán)節(jié)所涉及的內(nèi)容，并且具備了迅速接受新知識的能力，對新挑戰(zhàn)具有一定的適應(yīng)能力。本設(shè)計

44、輸出的電壓穩(wěn)壓精度高，可以用在對直流要求較高的設(shè)備上，或在實驗室中當作試驗電源使用。本次設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)很多的問題，給我的感覺就是很難，很不順手，看似原理比較簡單的電路，要動手把它給設(shè)計出來，是很難的一件事，主要原因是我們沒有經(jīng)常動手設(shè)計過電路，還有資料的查找也是一大難題，這就要求我們在以后的學習中，應(yīng)該注意到這一點，更重要的是我們要學會把書本中學到的知識和實際的電路聯(lián)系起來，這不論是對我們以后的就業(yè)還是學習，都會起到很大的幫助，我相信，通過這次的畢業(yè)設(shè)計，鞏固了我們學習過的專業(yè)知識，也使我們把理論與實踐從真正意義上結(jié)合了起來；考驗了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)文獻資料，和組織材料的綜合

45、能力；從中可以自我測驗，認識到自己哪方面有欠缺、不足，以便于再日后的學習中得以改進、提高。致謝本設(shè)計是在谷亞林老師的悉心指導(dǎo)下完成的。他具有嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，豐富的實踐經(jīng)驗，在學術(shù)及為人方面使我受益匪淺。衷心感謝他對我的關(guān)心指導(dǎo)和幫助。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我把理論與實際聯(lián)系起來，對平時所學的單片機和電子電路技術(shù)，將這些學科有機的聯(lián)系起來，進行了本次設(shè)計。這次設(shè)計使我們將大學這幾年所學的知識做了一次很好的總結(jié)，也使我們明白了學習不再是單一的學習，而是全面貫穿的去學習，去思考問題，這為我們以后的工作和學習提供了很好的思路和方法，也打下了堅實的基礎(chǔ)。在本次設(shè)計中，我同樣碰到了好多的問題?？琢顦s老師在這些

46、問題上，不是像答疑一樣的幫助我們?nèi)ソ鉀Q問題，而是去引導(dǎo)我們，給我們一個思路，剩下的具體的工作都要自己去進行理解和設(shè)計，這讓我們學會了自己去進行一定范圍內(nèi)的創(chuàng)作。同樣，我們在學科之間交叉上，存在不少的盲點，通過這次設(shè)計，我在這些學科都能進行聯(lián)系，在遇到不懂的問題，也學會了自己去圖書館和網(wǎng)絡(luò)上找資料，同樣我查閱資料的能力也得到了很好的鍛煉。借此機會特別向我的指導(dǎo)老師谷亞林教授表達我最誠摯的謝意。鑒于我的水平有限，難免在設(shè)計中存在一些錯誤和不當之處，望各位老師批評指正，在此對大家表示衷心的感謝。參 考 文 獻1 張毅剛. MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計M. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.2 何

47、立民. 單片機系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：北京航空航天大學出版社，1990.3 劉小成，吳清，夏春明. 單片機原理及C51應(yīng)用M. 上海：華東理工大學出版社，2009. 4 沙占友，等. 單片機外圍電路設(shè)計M. 北京：電子工業(yè)出版社，2003. 5 李朝青. PC機與8051間的通訊J. 北京：北京航天航空大學出版社,2002，4：219244.6 賈好來. MCS-51單片機原理及應(yīng)用M. 北京：機械工業(yè)出版社，2007. 7 邊春遠. MCS-51單片機應(yīng)用開發(fā)實用子程序M. 北京：人民郵電出版社，2005. 8 范蟠果. 單片機實驗與應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計M. 北京：國防工業(yè)出版社，2007.9 周立功.

48、 單片機實驗與實踐M. 北京：北京航空航天大學出版社，2004.10 南建輝. MCS-51單片機原理及應(yīng)用實例M. 北京：清華大學出版社，2004.11 何立民. 單片機高級教材M. 北京：北京航空航天大學出版社，2000.12 童詩白，華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出社，2001.13 朱大奇. 單片機原理應(yīng)用與實驗M. 北京：科學出版社, 2009.14 陳有卿，謝剛. 新穎電子模塊應(yīng)用手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.15 趙亮，侯國銳. 單片機C語言編程與實例M. 北京：人民郵電出版社，2003.附錄A 仿真電路圖附錄B C語言程序#include <r

49、eg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code table="-VOLTAGE-OUT:+.V " ;sbit k1=P10;sbit k2=P11;sbit k3=P12;sbit e=P15;sbit rw=P16;sbit rs=P17;sbit beer=P37;uchar shiwei=0,dianya =9,gewei=0,xiao1=0,xiao2=0,qued=0;uint shuma=0;void jianpan();void xianshi();void x

50、ianshi2();void xiang();void delay(uint ms);void init();void rwcom(uchar y);void rwdata(uchar c);void delay(uint ms)uchar t;while(ms-) for (t=0;t<120;t+);void rwcom(uchar y) rs=0; rw=0; P0=y; e=1; delay(5); e=0;void rwdata(uchar c) rs=1; rw=0; P0=c; e=1; delay(5); e=0; void init() delay(15); rwcom(0X38); delay(5); rwcom(0X06); delay(5); rwcom(0X01); delay(5); rwcom(0X0c); delay(5); rwcom(0X83); delay(5);void jianpan() if(k1=0) xianshi2(); if(k1=0) di