1、基于單片機的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計基于單片機的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計2011年09月26日11:36本站整理 作者：秩名 用戶評論（0）關(guān)鍵字：穩(wěn)壓電源（110）單片機（1452）隨著新型電力電子器件和適于更高開關(guān)頻率的電路拓撲的不斷岀現(xiàn)，傳統(tǒng)應用技術(shù)，由于功率器件性能的限制使開關(guān)電源性能的影響減至最小，新型的電源電路拓撲和新型的控制技術(shù)，可使功率開關(guān)工作在零電壓或零電流狀態(tài)，為了提高開關(guān)電源工作效率，設計岀性能優(yōu)良的開關(guān)電源，十分必要。1、幾種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計方案比較1.1幾種設計方案電路原理方案1 :采用模擬的分立元件，利用純硬件來實現(xiàn)功能，通過電源變壓器、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路，實現(xiàn)穩(wěn)

2、壓電源穩(wěn)定輸出 戈V、 ±12 V、±5 V并能可調(diào)輸出 030V電壓，見圖1所示。但由于模擬分立元件的分散性較大，各電阻電容之間的影響較大，因此所設計的指標不高、不符合設計要求、且使用的器件較多、連接復雜、靈活性差、功 耗也大，同時焊點和線路較多，使成品的穩(wěn)定性和精度受到影響。輸人 f s;Lr 整詼或路樓壓電路一-I23 / 49圖1 方案1電路原理D /A變換后去控制誤差放大的基準電壓，以方案2 :此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點在于使用一套雙計數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，其中二進制計數(shù)器的輸岀經(jīng)過 控制輸岀步進。十進制計數(shù)器通過譯碼后驅(qū)動數(shù)碼管顯示輸岀電壓值，為了使

3、系統(tǒng)工作正常，必須保證雙計數(shù)器同步工作。方案3 :此方案不同于方案 1之處在于使用一套十進制計數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EPROM的地址輸入，而由 EPROM的輸出經(jīng)D /A變換后控制誤差放大同步的問題，但由于控制數(shù)據(jù)燒錄在EPROM中，使系統(tǒng)設計靈活性降低。電壓預制*1 t廠#l . J 1 / ! n b-j 上 | l X * 電F* h步逬加H汁數(shù)器=>| 卜:轉(zhuǎn)換步逬減亠彳過流保護卩処圖3 方案3電路原理方案4 :此方案采用51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸岀電壓值，從而使開關(guān)控制電源輸岀電壓發(fā)生變化，間接地改變輸岀電壓的大小。

4、為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸岀電壓值的大小，經(jīng)過ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理。利用單片機程控輸岀數(shù)字信號，經(jīng)過D /A轉(zhuǎn)換器（DA0830）輸岀模擬量，再經(jīng)開關(guān)電源控制電路，使得輸岀電壓達到穩(wěn)壓的目的。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒壓源進行實時監(jiān)控，輸岀電壓經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過A /D轉(zhuǎn)換芯片，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機分析處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電壓源。而且采用PWM 控制的開關(guān)電源，該電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標、能構(gòu)成高效率無工頻變壓器的隔離式開關(guān)電源等優(yōu)點。而且在成本上與同

5、等功率的線性穩(wěn)壓電源相當，而電源效率顯著提高， 體積和重量則大為減小。圖4 方案4電路原理2、方案的比較與論證(1) 輸岀模塊方案1:采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準電壓的方式使輸岀不僅增加/減少，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸岀地影響，此輸岀只能是用萬用表量岀。而方案2、方案3中使用運算放大器做前級的運算放大器，由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以減少輸岀端的紋波電壓。在方案1中，為抑制紋波而在線性調(diào)壓電源輸岀端并聯(lián)的大電容降低了系統(tǒng)的響應速度，這樣輸岀的電壓難以跟蹤快變的輸入，方案4中的輸岀電壓波形與 D /A變換輸岀波形相同，不僅可以輸岀直流電平，而且只要預先生成波形的量化數(shù)據(jù)

6、，就可以產(chǎn)生多種波形輸岀，使系統(tǒng)有一定驅(qū)動能力的信號源。(2) 數(shù)控模塊方案1利用純硬件來控制電壓的輸岀，其中最基本的電路原理分析，需要計算負載的大小，穩(wěn)壓管的選擇有關(guān)，方案2、方案3中采用中、小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差，如方案1中的雙計數(shù)器一旦出現(xiàn)計數(shù)不同步時，會導致顯示電壓與輸出電壓不一致。在方案4中采用AT89C51單片機完成整個數(shù)控部分的功能，同時，AT89C51作為一個智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴展。圖5方案5數(shù)控模塊(3) 控制模塊在該系統(tǒng)中，采用具有 D /A轉(zhuǎn)換功能的PWM調(diào)節(jié)電路、斬波電路、闊流

7、器和可調(diào)穩(wěn)壓管(LM317)去控制輸出參考電壓，在利用A /D轉(zhuǎn)換采樣，使輸出更準確，且紋波小，電流亦可擴展，容易保護電路。(4) 顯示模塊方案2、方案3中的顯示輸岀地對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸岀，顯示值為D /A變換的輸入量，由于 D /A變換與功率驅(qū)動電路引入的誤差，顯示值與電源實際輸岀值之間可能岀現(xiàn)較大偏差。方案4中采用A /D轉(zhuǎn)換電路，通過對輸岀電壓的采樣，經(jīng)過單片機的分析處理，通過數(shù)據(jù)的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，這樣使得顯示值與實際輸岀之間的偏差減為最小。方案4采用4位數(shù)字電壓表直接對輸岀電壓采樣并顯示輸岀實際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，岀現(xiàn)預制值與輸岀值偏差過大，用戶可以根據(jù)該

8、信息予以處理，還采用了鍵盤 /顯示器的查詢時間，提高了 CPU的利用率。3、結(jié)束語如前所述，雖然方案 3比前兩者有許多優(yōu)點，但方案1、方案2對于完成設計要求并非不可行，而且在某些方面還具有優(yōu)勢，之所以采用方案4，一個很重要的考慮是系統(tǒng)使用了單片機，使得進一步的功能擴展較為方便。數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計【摘要摘要摘要摘要】 】本本本本設計設計設計設計以直流電壓源為核心以直流電壓源為核心以直流電壓源為核心以直流電壓源為核心， ， STC89C52RC 單片機為主控制器單片機為主控制器單片機為主控制器單片機為主控制器， ，單片機系統(tǒng)是數(shù)控電源的核心單片機系統(tǒng)是數(shù)控電源的核心 單片機系統(tǒng)是數(shù)控電源的核心單

9、片機系統(tǒng)是數(shù)控電源的核心。 。它通過軟它通過軟它通過軟它通過軟件的運行來控制整個儀器的工作件的運行來控制整 個儀器的工作件的運行來控制整個儀器的工作件的運行來控制整個儀器的工作， ，從而完成設定的功從而完成設定的功從而完成設定的功從而完成設定 的功能能能能。 。通過通過通過通過數(shù)字數(shù)字數(shù)字數(shù)字鍵盤來設置直流電源的輸出電壓鍵盤來設置直流電源的輸出電壓鍵盤來設置直流電源的輸出電壓 鍵盤來設置直流電源的輸出電壓， ，輸出電壓范圍為輸出電壓范圍為輸出電壓范圍為輸出電壓范圍為0000 9.99.99.99.9V ，最大電流為最大電流為最大電流為最大電流為 3mA ，并可由液晶屏并可由液晶屏并可由液晶屏并

10、可由液晶屏 LCD1602 顯顯顯顯示實際輸出電壓值示實際輸出電壓值 示實際輸出電壓值示實際輸出電壓值。 。本本本本設計設計設計設計由單片機程控輸出數(shù)字信號由單片機程控輸出數(shù)字信號由單片機程控輸出數(shù)字信號 由單片機程控輸出數(shù)字信號， ，經(jīng)過經(jīng)過經(jīng)過經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 （ DAC0832 ）輸出模擬量輸出模擬量輸出模擬量輸出模擬量， ， 再經(jīng)過運算放大器再經(jīng)過運算放大器再經(jīng)過運算放大器再經(jīng)過運算放大器 LM324 隔離放大隔離放大隔離放大隔離放大 ,最后輸出各種設備所需要的電壓 最后輸出各種設備所需要的電壓最后輸出各種設備所需要的電壓最后輸出各種設備所需要的電壓。實際測試實際

11、測試實際測試實際測試結(jié)果表明結(jié)果表 明結(jié)果表明結(jié)果表明， ，本系統(tǒng)實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒本系統(tǒng)實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒本系統(tǒng)實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒本 系統(tǒng)實際應用于需要高穩(wěn)定度小功率恒壓源的領(lǐng)域壓源的領(lǐng)域壓源的領(lǐng)域壓源的領(lǐng)域。 。 【關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字關(guān)鍵字】 】直流穩(wěn)壓電源直流 穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源； ；單片機單片機單片機單片機； ；數(shù)控數(shù)控數(shù)控數(shù)控； ；DAC08321.概述 1.1 課題背景 電源技術(shù)特別是穩(wěn)壓電源技術(shù)在工程技術(shù)方面使用性很強，在各個行業(yè)里得到了廣泛的應用。直流穩(wěn)壓電源的電路形式有很多種,有串聯(lián)型、開關(guān)型、集成電路、穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電源等等

12、。目前使用的直流穩(wěn)壓電源大部分是線性電源，利用分立元件組成，體積大，效率低，可靠性差，操作使用不便，自我保護功能不完善， 故障率高（長期工作在大電流和大電壓下,電子元器件很容易損壞）但在直流穩(wěn)壓電源中，通過整流、濾波電路所獲得的直流電源的電壓往往是不穩(wěn)定的1 。當在外在電壓波動或負載電流變化的時侯也會使輸出電壓有所改變。供給電子設備的電壓源的不穩(wěn)定,會使設備產(chǎn)生很多問題。所以，設計出質(zhì)量優(yōu)良的直流穩(wěn)壓電源，才能滿足各種電子線路的要求。數(shù)控電源是從80 年代才真正的發(fā)展起來的，系統(tǒng)的一些電力電子理論基礎(chǔ)在那期間剛剛建立。這些理論的研究為其后來電源的發(fā)展提供了一個較好的基礎(chǔ)。在以后的電力電子發(fā)展中

13、，數(shù)控電源技術(shù)的發(fā)展得到了長足的進步。不過其產(chǎn)品存在數(shù)控程度 要求達不到、分辨率不夠高、功率密度低、可靠性比較差等缺點。因此穩(wěn)壓電源以后主要的主要發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷的進行改善。單片機技 術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件 的研制應用，到 90 年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達到 0.05V 的數(shù)控電源，功率密度達到每立方英寸 50W 的數(shù)控電源 2 。 1.2 本論文的主要設計思想目前，市場上各種直流電源的基本環(huán)節(jié)大致相同，都包括交流電源、交流變壓器、整流電路、濾波穩(wěn)壓電路等 3 。本設計將單片

14、機控制系統(tǒng)應用于直流穩(wěn)壓電源的方法和原理，實現(xiàn)了穩(wěn)壓電源的數(shù)控調(diào)節(jié)。 從組成上，本設計硬件電路主要由單片機、變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓輸出電路、 D/A 轉(zhuǎn) 換電路、顯示電路等組成。利用 D/ A 轉(zhuǎn)換器的高分辨率和單片機的自動檢測技術(shù)設計數(shù)控電源更顯示出其優(yōu)越性。數(shù)控電源既能方便輸入，具有較高精 度和穩(wěn)定性， 而且在 0.0V 到 9.9V 可以任意設定輸出電壓，所有功能由面板上的鍵盤控制單片機實現(xiàn)， 給電路實驗帶來極大的方便 ,提高了工作效率。 1.3 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計研究的意義 基于單片機的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，與傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源相比，具有新穎性、獨創(chuàng)性和先進性。它不僅能作為常規(guī)的

15、電 子產(chǎn)品和科研實驗電源用，而且可以通過軟件編程的方法使穩(wěn)壓電源產(chǎn)生連續(xù)變化的輸出電壓，具有很高的性價比 4 。電源采用數(shù)字控制，具有以下明 顯優(yōu)點： 1.采用先進的智能控制策略和控制方法，體現(xiàn)出電源模塊的高程度智能化，更加完美性能。2.系統(tǒng)升級方便，控制比較靈活，只需修改控制算法，而不必改動硬件線路。 3. 提高控制系統(tǒng)的可靠性，更容易實現(xiàn)標準化，可以針對不同的系統(tǒng) （或不同型號的產(chǎn)品 ） ，采用相同的控制板，而只需對 軟件控制部分做一些調(diào)整便可。4.系統(tǒng)電壓輸出的一致性比較好，成本低廉，方便量產(chǎn)。2.各模塊方案的論證 2.1 控制方案比較 方案一 :采用各類數(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進行

16、信號處理， 如選用 CPLD 等可編程邏輯器件。 本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴展，對信號處理比較困難。方案二：采用 STC89C52 單片機作為這個系統(tǒng)的控制單元，可以通過 DAC0832的數(shù)據(jù)采樣和 LM324 的電壓調(diào)整可以改變系統(tǒng)輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以將輸出電壓經(jīng)過 DAC0832 進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及送LCD1602 顯示。顯示的電壓值便是輸出的電壓大小。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預置以及電壓的大小控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求

17、。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案 一采用中、小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用單 片機完成整個數(shù)控部分的功能， 也便于系統(tǒng)功能的擴展 5。 2.2穩(wěn)壓輸出方案比較 方案一 :采用線性調(diào)壓電源 以改變其基準電壓的方式使輸出不僅增加 /減少， 這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出的影響。 方案二 :使用運算放大器對電壓的比較放大由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以大大減小輸出端的紋波電壓。 在方案一中輸出的電壓很難跟蹤電壓的快速變化， 而方案二中的輸出電壓波形與 DAC0832 的輸出波形相同， 不僅可

18、以輸 出直流電平，而且只要預先生成產(chǎn)生波形的量化數(shù)據(jù)，便可以輸出多種波形，使系統(tǒng)產(chǎn)生的信號源有一定的驅(qū)動能力。 2.3 顯示部分比較 方案一 :使用 數(shù)碼管顯示 使用多位數(shù)碼管顯示，顯示不靈活。方案二 :使用 LCD1602 液晶顯示 液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點。本方案采用 LCD1602 ，它具有兩行顯示，每行顯示 16 個字符，采用單 +5V 供電，外圍電路簡單，價格便宜，具有很高的性價比。而數(shù)碼管雖然便宜，但 顯示單調(diào)。占用過多的 I/O。 2.4總體方案框圖 系統(tǒng)總體方案框圖如圖 2-1所示。 圖 2-1 系統(tǒng)總體方案框圖2.各模塊方案的論證 2.1

19、控制方案比較 方案一 :采用各類數(shù)字電路來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進行信號處理， 如選用 CPLD 等可編程邏輯器件。 本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于系統(tǒng)的擴展，對信號處理比較困難。 方案二：采用 STC89C52 單片機作為這個系統(tǒng)的控制單元，可以通過 DAC0832的數(shù)據(jù)采樣和 LM324 的電壓調(diào)整可以改變系統(tǒng)輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以將輸出電壓經(jīng)過 DAC0832 進行 模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及送 LCD1602 顯示。顯示的電壓值便是輸出的電壓大小。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件 方法來解決數(shù)據(jù)的預置以及電壓的

20、大小控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案 一采用中、小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用單 片機完成整個數(shù)控部分的功能， 也便于系統(tǒng)功能的擴展 5。 2.2穩(wěn)壓輸出方案比較 方案一 :采用線性調(diào)壓電源 以改變其基準電壓的方式使輸出不僅增加 /減少， 這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出的影響。 方案二 :使用運算放大器對電壓的比較放大由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以大大減小輸出端的紋波電壓。 在方案一中輸出的電壓很難跟蹤電壓的快速變化，

21、 而方案二中的輸出電壓波形與 DAC0832 的輸出波形相同， 不僅可以輸 出直流電平，而且只要預先生成產(chǎn)生波形的量化數(shù)據(jù)，便可以輸出多種波形，使系統(tǒng)產(chǎn)生的信號源有一定的驅(qū)動能力。 2.3 顯示部分比較 方案一 :使用 數(shù)碼管顯示 使用多位數(shù)碼管顯示，顯示不靈活。方案二 :使用 LCD1602 液晶顯示 液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點。本方案采用 LCD1602 ，它具有兩行顯示，每行顯示 16 個字符，采用單 +5V 供電，外圍電路簡單，價格便宜，具有很高的性價比。而數(shù)碼管雖然便宜，但 顯示單調(diào)。占用過多的 I/O。 2.4總體方案框圖 系統(tǒng)總體方案框圖如圖 2

22、-1所示。 圖 2-1 系統(tǒng)總體方案框圖具有語音播報功能的水溫控制系統(tǒng)文章來源：凌陽大學計劃網(wǎng)站作者：凌陽大學計劃網(wǎng)站 發(fā)布時間： 2003-10-9 9:30:35摘要關(guān)鍵詞：SPCE061A 單片機 Pt1000 PID本系統(tǒng)采用凌陽十六位單片機 SPCE061A 實現(xiàn)溫度控制， 溫度信號由 PT1000 和電壓放大 電路提供。 通過 PID 算法實現(xiàn)對電爐功率和水溫控制。 同時， 具有溫度數(shù)字語音播報和顯示。SPCE061A 單片機概述SPCE061A是繼m nSP系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一個 16位結(jié)構(gòu)的微 控制器。目前有兩種封裝形式： 84引腳的PLCC84封裝

23、和80引腳的LQFP80貼片封裝。主要性 能如下： 1位m' nSF微處理器；X作電壓：VDD 為2.43.6V(cpu), VDDH 為2.45.5V(I/O)； CPU 時鐘：32768Hz49.152MHz;內(nèi)置 2K 字 SRAM 、內(nèi)置 32K FLASH ；可編程音頻處理； 32位通用可編程輸入 /輸出端口； 32768Hz實時時鐘，鎖相環(huán) PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；2個 16位可編程定時器 /計數(shù)器 (可自動預置初始計數(shù)值 )；2個10位 DAC( 數(shù)-模轉(zhuǎn)換 )輸出通道；通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道語音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模 -數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克

24、風放大器自動增益控制(AGC) 功能；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下 (時鐘處于停止狀態(tài) )； 1個中斷源：定時器 A/ B , 2個外部時鐘源輸入，時基，鍵喚醒等；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼 SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；具備異步、同步串行設備接口；具有低電壓復位 (LVR) 功能和低電壓監(jiān)測 (LVD) 功能；內(nèi)置在線仿真電路接口 ICE ( In- Circuit Emulator )；具有保密能力；具有 WatchDog 功能(由具體型號決定)一、方案設計與論證40本題目是設計一個水溫控制系統(tǒng)，對象為 1升凈水，加熱器為 1千瓦電熱爐。要求能在 攝氏

25、度至 90攝氏度范圍內(nèi)設定控制水溫，靜態(tài)控制精度為0.2攝氏度。并具有較好的快速性與較小的超調(diào)，以及十進制數(shù)碼管顯示、溫度曲線打印、語音播報溫度等功能。測量部分采用熱敏電阻，可滿足 40攝氏度至 90攝氏度測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性、可靠 性較差，對于檢測小于 1攝氏度的信號是不適用的。采用溫度傳感器鉑電阻 Pt1000 。鉑熱電阻的物理化學性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定， 它能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好。在0 100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是，Rt = R0(1+At+Bt*t);其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；R0是溫度為0攝氏度時的電阻

26、；t為任意溫度值，A,B為溫度系數(shù)。驅(qū)動控制部分方案一：此方案采用 89C51 單片機實現(xiàn)，單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法 和邏輯控制。但是 89C51 需外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器來滿足數(shù)據(jù)采樣。如果系統(tǒng)增加語音播放功能， 還需外接語音芯片，對外圍電路來說，比較復雜，且軟件實現(xiàn)也較麻煩。另外，51單片機需要用仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為繁瑣。此方案采用SPCE061A單片機實現(xiàn)，此單片機內(nèi)置8路ADC,2路DAC,且集成開發(fā)環(huán)境中,配有很多語音播放函數(shù)，用 SPCE061A 實現(xiàn)語音播放極為方便。另外，比較方便的是該芯片 內(nèi)置在線仿真、編程接口，可以方便實現(xiàn)在線調(diào)試，這大大加快了系統(tǒng)的

27、開發(fā)與調(diào)試。二、系統(tǒng)硬件電路設計2.1電路方框圖及說明語音播放：語音播放水溫設置溫度，并播報整數(shù)溫度變化。鍵盤設定：用于溫度設定。共三個按鍵。KEY1:設置溫度的十位數(shù)；0-9KEY2:設置溫度的個位數(shù)；0-9KEY3:溫度設置確認；并語音播報 /溫度重新設置。KEY2,系統(tǒng)上電后，數(shù)碼管全部顯示為零，根據(jù)按KEY1次數(shù)，十位的數(shù)碼管順序增加。同樣也如此。按KEY3后，系統(tǒng)開始測溫，開關(guān)電爐。并語音播報變化的整數(shù)值溫度。數(shù)據(jù)采樣： 將電壓信號經(jīng) AD 轉(zhuǎn)換后，換算成溫度值，用于播報和顯示。數(shù)據(jù)顯示： 采用三位八段數(shù)碼管顯示，設置溫度與測量溫度，顯示小數(shù)點后1位數(shù)字。串行口傳輸： 將采樣溫度值，

28、上傳至 PC 機，描繪曲線并打印。繼電器 /熱電爐： 通過三極管控制繼電器的開關(guān)來完成對熱電爐的功率控制。2.2 各部分電路設計1、CPU本系統(tǒng)采用 SPCE061A 芯片作為核心部件， SPCE061A 內(nèi)部帶有 8路 ADC 和2路的 DAC,32 個 IO 口，內(nèi)置 32K 字閃存和 2K 字的靜態(tài)存儲器。用來實現(xiàn)水溫控制資源足夠使用。SCI13a. JWD13IC E EN15C1Z_土ciaICE SCIC17ICE皿恃IDOd'U45S19V££ I20AC121AC.AC222'wRFF?73-24fiGC25OPI2$MCOUT27WCBI2

29、31104X icyU1=.Ct104*R'lCOUOSC32O : OSCU2I KTE5T VDC XICE XICECLK XICESDA V5?FVlfi AC1 DAC3 X41EF2 vss AGC OPI nicout MICH PF USE NCNIC： NCNCMCNCMC NCPVPPIQB11IO91ZIOBI3 IOBI4 IOB15 ASLEEPVSS KROMT IUA15 I6A14 I0AJ3 10 Al 2 10 All IOAJD0?I0R13LIOE136SI0B144I0B15餐SLEEPV5S箭蟲 I0A155fiMl斗5810*1357ICH

30、A1256no All55JOA1D5+aZZ；巫九10611!"KC2? C2S104?3inr AvssmnnitVS$ I2、鍵盤設置電路IOAO 接 KEY1,IOA1 接 KEY2,IOA2 接 KEY3。KEYW32 K1o晟_迥S3 K2 .00LA1別K3 尢_1QA23、數(shù)碼顯示電路外接三位數(shù)碼管，通過三極管控制LED片選。LED-3LED5S41ASSSU+古+0 總 00 *ILJIQ Q 占 NZ00IS8I0A3R-PACK4IM1DI0A81閃22IOA12IOA133XZW zA人人/4IOA145人 ZX /% .eIOA157F 7 Z V-*L&l

31、t;sf?-PACK44、音頻輸出電路通過SPY0030功率放大器，驅(qū)動喇叭。完成語音播放。5、熱電爐控制電路通過三極管控制繼電器的開關(guān)。CONTFOL TEKPEPATUPE6、測溫部分電路溫度傳感器使用 Pt電阻，運放采用 HT9274集成芯片。因為 Pt電阻在0攝氏度時，阻值為1千歐姆，在100攝氏度時，阻值為1380歐姆，則表示阻值變換從 0380歐姆，電壓從0V-3.3V。采用差動運放，通過可調(diào)分壓電阻可以滿足零點調(diào)節(jié)。因為Pt電阻中電流基本為1 2mA,則Pt電阻電壓就在0380mV波動。因此采用10倍電壓放大?；緷M足SPCE061A 數(shù)模轉(zhuǎn)換。6、串行通訊部分電路系統(tǒng)設計要求控

32、制系統(tǒng)能同PC聯(lián)機通信，已利用 PC圖形處理能力打印顯示溫度曲線。由于SPCE061A串行口為TTL電平，PC串行口為 RS232電平，使用一片 MAX232為電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動。通信速率為9600波特率。數(shù)據(jù)5秒傳輸一次。C1IQ.1V工口c«廠卄D1ICID IIU1IC1+VCCV+C1-DOUT1catRINIC2-ROUT1V-DimOOUT2DINQRIM2ROUTEHIM23t3CPi&Is7 門 .9叮C3¥DDHCS10 i三、軟件設計3.1 PID控制算法介紹算法有兩種：直接計算法就是當前需要的控制量。公式：Pout = Kp * e(t) + Ki

33、*刀e(t) + Kd (eg(t-1);增量計算法就是相對于標準算法的相鄰兩次運算之差，得到的結(jié)果是增量，也就是說在上一次的控制量的基礎(chǔ)上需要增加的控 制量。公式：Pout(t-1) = Kp*(e(t)-e(t-1) + Ki e(t) + Kd(e(t)*e(t-1) + e(t-2);基本偏差:e(t)表示當前測量值與設定目標之差，設定目標是被減數(shù)，結(jié)果可以是正或負，正數(shù)表示還沒有達到，負數(shù)表示已經(jīng)超過了設定值。這是面向比例項用的變動數(shù)據(jù)。累計偏差：刀e(t)= e(t) + e(t-1)+ e(t-2)+.+e(1)這是我們每一次測量到的偏差值的總和，這是代數(shù)和，考慮到正負符號的 運

34、算，這是面向積分項用的變動數(shù)據(jù)?；酒畹南鄬ζ睿篹(t) -e(t-1)，用本次的基本偏差減去上一次的基本偏差，用于考察當前控制的對象的趨勢，作為快速反應的重要依據(jù)，這是面向微分項的一個變動數(shù)據(jù)。比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定 性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數(shù)Ti， Ti 越小，積分作用就越強。反之 Ti 大則積分

35、作用弱，加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響 應變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率， 具有預見性， 能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以 改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作 用，因此過強的加微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應的是變化率，而當輸入沒有變化時，微 分作用輸出為微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD 或 PID 控制器。3.2程序結(jié)構(gòu)圖3

36、.3主程序流程圖基于單片機的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計24 / 49I3.4中斷流程圖基于單片機的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設計3.5 測試方法和測試結(jié)果1、測試環(huán)境環(huán)境溫度 28攝氏度；測試儀器 : 數(shù)字萬用表；溫度計 0-100 攝氏度； 打印機；秒表；2測試方法 使系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，采用溫度計同時測量水溫變化情況，得出系統(tǒng)溫差指標。3測試結(jié)果設定溫度由 40攝氏度到 60攝氏度標定溫差 <=0.4 攝氏度調(diào)節(jié)時間 350秒靜態(tài)誤差 <=0.2攝氏度最大超調(diào)量 0.5攝氏度4.測試結(jié)果分析 如果加入模糊控制會使調(diào)節(jié)時間縮短，增強 PID 控制的效果。 四、總結(jié)51 / 49同時由于 SPCE061A

37、的時鐘最高可達 49M ，32個 I/O 口，而且具有一定的語音處理功能等， 這些都為我們實現(xiàn)電路提供了非常便利的條件。 同時也因為開發(fā)環(huán)境友好， 易用，方便 配有語音播放函數(shù)，這些大大加快系統(tǒng)開發(fā)設計。本系統(tǒng)核心是控制算法的設計和實現(xiàn)，各 方面指標基本達到題目要求。五、參考資料參考文獻：1997）第三屆全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編（ SPCE061A 單片機原理與應用 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)凌陽大學計劃網(wǎng)站數(shù)控直流電流源作者：李高望 陸樨張江松'賽前輔導老師及文稿整理老師：尹仕摘要 利用單片機所具有的智能測控特點，設計制作了基于單片機的“數(shù)控直流電流源”。該電流源具有設定準確、輸出電

38、流穩(wěn)定、可 調(diào)范圍全程線性等特點。本設計由兩大模塊組成：大功率壓控電流源模塊； 單片機應用系統(tǒng)模塊。前者是電流源的核心，起著恒流調(diào)節(jié)、抑制紋波電流的關(guān)鍵作用；后者則起著設定電流源輸出、改善電流調(diào)節(jié)精度、消除小電流輸出的非線性等作用。此外，還 實現(xiàn)了變增益測量，提高了電流的測量精度。本電流源采用LCD顯示界面，使用直觀方便。AbstractBy making good use of the intelligent measure and control function of theMicroprogrammed Control Unit(MCU), the numerical-controll

39、ed direct current source is designed and made. This direct current source not only can steadily output, but also can be accurately in itialized, and adjusted lin early at a wide ran ge. The desig n is composed of two basic modules: The high-powervoltage-co ntrolled curre nt source module; The MCU ap

40、plicati on system module. The former one is the hard core of the curre ntsource, while keeping the output current steadily and restraining its ripple. The latter one controls the initialization of the output, improves the precision of the output signal and eliminates the nonlinear effect at the low

41、output terminal made by small signals. In addition, the design realizes the measurement to make the gain variable, so that we improve the measure precision of the current source. Besides, using LCD makes the direct current source more convenient to use.一、方案論證本系統(tǒng)主要由單片機、顯示器、鍵盤、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓控制電流源模塊、

42、電源等組成。方案設計與論證如下：1單片機的選擇對單片機的要求：只要能夠方便地擴展顯示器、鍵盤、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器等外設即可，其他并無特殊要求。常見的單片機有8051系列的單片機、8096系列的單片機、SPCE061的凌陽單片機。臺灣凌陽科技股份有限公司生產(chǎn)的凌陽單片機具有集成度高、易于 擴展，中斷處理能力較強，指令系統(tǒng)很高效等特點，且本組成員均能夠熟練使用，故本設計選擇凌陽SPCE061理16位單片機。2顯示器的選擇對顯示器的要求：能夠顯示設定的輸出電流、實際輸出電流等；可以用6位以上LED數(shù)碼顯示器、液晶顯示器或者觸摸屏，LED使用比較方便，但液晶顯示器和觸摸屏顯示信息量大，且可以顯

43、示漢字，人機交互的友好性強，所以不采用數(shù)碼顯示器。而觸摸屏同時 將鍵盤輸入和LCD顯示合為一體了，它只占用了 2個 10 口，選擇它既可以減少10 口的資源，又可以使外設精簡。故選擇觸摸屏作為顯 示器。3鍵盤選擇 單片機輸入設備通常有鍵盤、撥碼開關(guān)、觸摸液晶屏等，也可以采用紅外遙控的方法進行輸入。鑒于本設計中的輸入設備主要用 于設定輸出電流值和（采用LED數(shù)碼顯示器時）切換顯示內(nèi)容，故不方便采用撥碼開關(guān)和紅外遙控，所以選擇鍵盤和觸摸液晶屏作為 輸入設備都是可以的。本設計選擇觸摸液晶屏作為輸入設備。4A/D 轉(zhuǎn)換器根據(jù)題目要求，系統(tǒng)應能測量顯示實際輸出電流的范圍及精度指標是：范圍202000mA

44、精度0.1 %+ 1mA因此可知，A/D的精度至少要在 12位以上，但由于只是用于測量顯示，因而測量速度要求不高；又因為測量對象為直流信號，故也沒有雙極性測量的要求。 據(jù)此可以考慮采用以下具有變增益功能的 A/D 轉(zhuǎn)換器。方案一 ：ICL7135是美國Intersil 公司生產(chǎn)的4位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，它采用單基準電壓，能對雙極性輸入的模擬電壓進行轉(zhuǎn) 換。它具有自動量程控制信號輸出，自動極性判別信號輸出，動態(tài)字位掃描BCD碼輸出的特點，因此在轉(zhuǎn)換精度要求較高而采樣時間可以相對較慢的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中被廣泛應用。方案二：AD770是16位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，2通道全差分模擬輸入，使用+ 5V單

45、電源，主要應用于低頻測量。它利用了工轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了 16位無誤碼性能，三線數(shù)字接口，可以通過串行輸入接口由軟件配置芯片的增益值、輸入信號極性和數(shù)據(jù)更新速率， 非常靈活方便。具有自校準和系統(tǒng)校準功能，能夠消除器件本身和系統(tǒng)的增益以及偏移誤差，是用于開發(fā)智能系統(tǒng)、微控制器系統(tǒng)和 基于DSP系統(tǒng)的理想產(chǎn)品。由于其精度比ICL7135高，所以此處采用AD77055. D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)題目要求，所設計的直流電流源應具有數(shù)控功能，按發(fā)揮部分的指標要求，應滿足輸出最大2000mA步進1mA的要求；又因為所設計的直流電流源為壓控電流源，因此，用“單片機+D/A”的方式實現(xiàn)數(shù)控功能最為合適。根據(jù)指標要求，D/A

46、的位數(shù)至少為11位，故而我們選擇12位的D/A轉(zhuǎn)換器。由于系統(tǒng)對輸出電流設定的實時性沒有要求，所以選擇串行12位D/A MAX53以節(jié)約單片機接口資源。MAX53是MAX IM公司生產(chǎn)的12位雙通道、三線串行輸入、電壓輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。它不需要任何外圍器件就可達到最佳的性能指標。6. 壓控電流源電壓控制的電流源模塊，可采用的方案有以下三種： 功率集成運放，如 OPA501 OPA541 PA05等; 運放+晶體三極管放大； 可調(diào)集成穩(wěn)壓模塊，如 LM317。方案一：直接使用功率集成運放。特點：使用容易、性能穩(wěn)定可靠。常用的功率集成運放一般能夠輸出土40V, 1015A的功率,性能指標也較高，

47、完全能夠滿足本題要求。功率集成運放還可以雙極性輸出，但本題只需單極性輸出，卻需要為功率集成運放配置正 負雙電源。方案二：利用三端可調(diào)直流穩(wěn)壓集成芯片,通過調(diào)整其輸出電壓來實現(xiàn)負載的恒流特性。特點：直接利用穩(wěn)壓片提供所需功率, 只需要添加相應控制電路即可實現(xiàn)本題的大部分要求,但是,其電流調(diào)整率指標只能達到0.5%0.15%,不滿足題目要求,方案三：采用“運放功率三極管”的結(jié)構(gòu)構(gòu)成恒流源。特點：性能滿足本題要求,同時可以通過選用功率三極管的不同容量來 滿足不同的應用要求。鑒于上述原因,我們選用方案三。7電源 設計了兩套直流穩(wěn)壓電源,一套為單片機及其外設提供工作電源,另一套為大功率三極管及其電流源負

48、載提供電源,兩套電源分 開,可以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。（1）為單片機系統(tǒng)提供電源的直流穩(wěn)壓電源該電源按常規(guī)設計，輸出電壓等級有土 5V, 土 15乂電路原理圖如圖1、圖2所示。圖1 +5V 電源圖2 5V與土 15V電源2）為電流源負載提供功率的電源在對為電流源負載提供功率的電源進行設計時，我們考慮了兩套方案：直接采用不穩(wěn)壓的整流電源；采用直流穩(wěn)壓電源?？紤]到系統(tǒng)對容量的要求以及對紋波電流的要求，我們選擇了用LM317勾成的可調(diào)穩(wěn)壓電源。其優(yōu)點是： 可以進行預穩(wěn)壓，以提高輸出電流對輸入交流電源電壓變化的穩(wěn)定度； 為壓控電流源電路提供具有穩(wěn)壓特性且很小紋波的高質(zhì)量的工作電源， 以有效降低輸出 電

49、流紋波系數(shù)；可以根據(jù)輸出電壓要求合理整定壓控電流源電路的工作電壓，在LM31：和末級功率三極管間分散負擔并合理分配功率損耗，方便散熱；其電路原理圖如圖 3所示。圖3 1.2521V可調(diào)電源穩(wěn)壓電源電路輸出電壓為：VO=VREF 1R2/R1 + I ADJR2輸出調(diào)節(jié)電路中固定電阻R i取150，此時電位器艮選取10k精密線繞電位器，因整流橋輸出為26V直流電，故UOmax能滿足15V需求，經(jīng)測量，最大可達到21V。輸入輸出端濾波電容各取2X4700卩F,以減小紋波電壓，穩(wěn)定輸出電壓，增強 帶負載能力。選取IN5404,可防止輸出輸入短路時燒毀芯片。二、電路設計1. A/D 轉(zhuǎn)換(AD7705

50、(1) IO 口資源分配 DOUT接 IOAO,為了使將它的數(shù)據(jù)更方便的讀出來，將它放在第一位，初始化為帶上拉電阻的輸入口； DRDY接 IOA1，初始化為帶上拉電阻的輸入口； DIN接IOA2，經(jīng)數(shù)據(jù)緩存器輸出低電平； SCLK接IOA3,經(jīng)數(shù)據(jù)緩存器輸出低電平； RESET接IOA4，經(jīng)數(shù)據(jù)緩存器輸出低電平；(2) 硬件電路設計圖4為AD7705勺引腳連接圖。圖4 AD7705的引腳連接圖 23腳間的晶振用小的好，這里采用1MHz加電容效果更佳。CS接地。 在電源VDD接觸處，加兩個濾波電容，一個10F的電解電容和一個0.1 uF的獨石電容，以穩(wěn)壓用。芯片的電源供電越穩(wěn)定, 紋波越小，其性

51、能越好，采樣值越穩(wěn)定。2. D/A 轉(zhuǎn)換(MAX532(1)IO 口資源分配 DIN接IOA5，同相低電平輸出； SCLK接IOA6,同相低電平輸出； CS接I0A7,同相高電平輸出。(2) 硬件電路設計如圖5所示，在正電源VDD和負電源VSS上也加上了兩個濾波電容，一個10小 的電解電容和一個0.1 H 的獨石電容，同AD7705 目的同樣是穩(wěn)壓?？梢允请娫醇y波小,使芯片工作時性能好,輸出的波形更加穩(wěn)定。為之后穩(wěn)定電流的輸出奠定了良好的基礎(chǔ)。圖5 MAX532的引腳連接圖3壓控電流源模塊電壓控制的電流源電路如圖 6 所示。壓控電流源模塊主要由給定與比較放大單元、功率放大單元和電流反饋單元組成

52、。給定與比較放大單元由U1(OP07及其外圍阻容器件組成，起著計算給定電流與實際輸出電流偏差并進行放大的作用。與R2并聯(lián)的電容器C9起加速反饋的作用，與運放反饋電阻并聯(lián)的電容器C10起濾波作用，二極管D1起電壓鉗位作用，用以保護運算放大器；功率放大單元由Q1、Q2和Q3及其配套阻容器件組成，為滿足最大輸出容量(10V, 2000mA的要求，選取最嚴重工況(負載端短路且輸出2000mA 計算Q3的功率損耗：(10+ 5) VX 2A= 30W式中，5V是考慮電流源輸出10V電壓，輸出2A電流時，為Q3留出的ce極間電壓。為可靠起見，留有足夠的功率裕量和安全系數(shù)，選 擇Q3勺型號為：2N5886其

53、主要技術(shù)參數(shù)如下：圖 6 電壓控制的電流源100V, 25A,允許管耗300W C14起紋波抑制作用，二極管 D3用以保護功率三極管Q3防止其承受反壓而損壞; 電流反饋單元由儀用放大器 AD62（和低噪聲運放OP07勾成，前者對串聯(lián)在負載回路的康銅絲兩端電壓進行取樣，康銅絲是一種溫度特 性佳的阻性元件，其兩端電壓正比于流過的電流，因此該電壓的反饋就是負載電流的反饋。儀用放大器具有極強的抗共模干擾的能力， 特別適合對小信號進行放大。OP07乍為二級放大且其輸入端設置一個反饋系數(shù)調(diào)節(jié)用的精密電位器，起著輸出電流校正之功用。4負載電流、負載電壓的測量負載電流、電壓測量電路如圖 7所示。負載電流測量電路與電流源電路中的電流反饋環(huán)節(jié)相同，可調(diào)電位器用作測量回路的增益； 負載電壓測量電路具有相同結(jié)構(gòu)，只是 AD62啲取樣點是經(jīng)R3, R4分壓得到的，以保證 AD62工作在最大允許輸入電壓值的范圍內(nèi); 注意到負載電壓測