1、題目名稱：數控電壓源（題）曲阜師范大學信息科學與工程學院 參賽隊員：吳富新 裴方君 高玉亞 摘要： 本系統以直流電壓源為核心，STC89C52單片機為主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電壓，設置步進等級達0.5V，輸出電壓范圍為0-15V，并可由液晶屏顯示實際輸出電壓值。本系統由單片機程控輸出數字信號，經過D/A轉換器（DAC0832）輸出模擬量，經過電流/電壓轉換（OP07)轉換為電壓，再經過運算放大器（LM328）輸出不同的電壓。實驗測試結果表明本系統實際應用于需要高穩定度小功率恒壓源的領域。關鍵詞： STC89C52 DAC0832 OP07 LM358 液晶Abstract: Th

2、e 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,

3、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 acc

4、uracy 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 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc113951468 1 方案論證與比較 PAGEREF _Toc113951468 h 3 HYPERLINK l _Toc113951469 1.1 采樣方法方案論證 PAGEREF _Toc113951469 h 3 HYP

5、ERLINK l _Toc113951470 1.2 處理器的選擇方案論證 PAGEREF _Toc113951470 h 3 HYPERLINK l _Toc113951471 1.3 周期性判別與測量方法方案論證 PAGEREF _Toc113951471 h 3 HYPERLINK l _Toc113951474 2 系統設計 PAGEREF _Toc113951474 h 4 HYPERLINK l _Toc113951475 2.1 總體設計 PAGEREF _Toc113951475 h 4 HYPERLINK l _Toc113951476 2.2 單元電路設計5 HYPERLI

6、NK l _Toc113951477 2.2.1 前級阻抗匹配和放大電路設計5 HYPERLINK l _Toc113951478 2.2.2 AD轉換及控制模塊電路設計6 HYPERLINK l _Toc113951479 2.2.3 功率譜測量單元電路設計6 HYPERLINK l _Toc113951481 3 軟件設計7 HYPERLINK l _Toc113951482 4系統測試8 HYPERLINK l _Toc113951483 5 結論9 HYPERLINK l _Toc113951484 參考文獻：9 HYPERLINK l _Toc113951485 附錄：9 HYPER

7、LINK l _Toc113951486 附1：元器件明細表：9 HYPERLINK l _Toc113951487 附2：儀器設備清單9 HYPERLINK l _Toc113951488 附3：電路圖圖紙10 HYPERLINK l _Toc113951489 附4：程序清單111. 前言數控直流電壓源是電子技術常用的設備之一，廣泛的應用于教學、科研等領域。傳統地多功能數控直流電壓源功能簡單、難控制、可靠性低、干擾大、精度低且體積大、復雜度高。普通數控直流電源品種很多，但均存在以下二個問題: (1)輸出電壓是通過粗調(波段開關及細調(電位器)來調節。這樣，當輸出電壓需要精確輸出，或需要在一

8、個小范圍內改變時(如1.051.07V)，困難就較大。另外，隨著使用時間的增加，波段開關及電位器難免接觸不良，對輸出會有影響。 (2)穩壓方式均是采用串聯型穩壓電路，對過載進行限流或截流型保護，電路構成復雜，穩壓精度也不高。在家用電器和其他各類電子設備中，通常都需要電壓穩定的直流電源供電。但在實際生活中，都是由220V的交流電網供電。這就需要通過變壓、整流、濾波、穩壓電路將交流電轉換成穩定的直流電。濾波器用于濾除整流輸出電壓中的紋波，一般傳統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壓器就能用作家用電器的電源，這既降

9、低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。傳統的數控直流電壓源通常采用電位器和波段開關來實現電壓的調節，并由電壓表指示電壓值的大小。因此，電壓的調整精度不高，讀數欠直觀，電位器也易磨損，而基于單片機控制的數控直流電源能較好地解決以上傳統穩壓電源的不足。隨著科學技術的不斷發展，特別是計算機技術的突飛猛進，現代工業應用的工控產品均需要有低紋波、寬調整范圍的高壓電源，特別是在一些高能物理領域，急需電腦或單片機控制的低紋波、寬調整范圍的電源。從上世紀九十年代末起，隨著對系統更高效率和更低功耗的需求，電信與數據通訊設備的技術更新推動電源行業中直流/直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發展。

10、整流系統由以前的分立元件和集成電路控制發展為微機控制,從而使直流電源智能化,具有遙測、遙信、遙控的三遙功能,基本實現了直流電源的無人值數控直流電壓源設計遵守“設計的直流穩壓電源主要由單片機系統、鍵盤、數碼管顯示器、指示燈及報警電路、檢測電路、D/A轉換電路、直流穩壓電路等幾部分組成,直流穩壓電源是最常用的儀器設備,在科研及實驗中都是必不可少的。數控電源采用按鍵盤，可對輸出電壓及報警閾值以快慢兩種方式進行設置,輸出由單片機通過D/A,控制驅動模塊輸出一個穩定電壓。同時穩壓方法采用單片機控制, 單片機通過A/D 采樣輸出電壓, 與設定值進行比較, 若有偏差則調整輸出, 越限則輸出報警信號并截流。工

11、作過程中, 穩壓電源的工作狀態(輸出電壓、電流等各種工作狀態)均由單片機輸出驅動LCD顯示, 由鍵盤控制進行動態邏輯切換。以單片機為核心的智能化高精度簡易直流電源的設計,電源采用數字調節、輸出精度高, 特別適用于各種有較高精度要求的場合。電源采用數字控制，具有以下明顯優點: (1)易于采用先進的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。(2)控制靈活，系統升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。(3)控制系統的可靠性提高，易于標準化，可以針對不同的系統(或不同型號的產品)，采用統一的控制板，而只是對控制軟件做一些調整即可。(4)系統維護方便，一旦出現故障，

12、可以很方便地通過RS232接口或RS485接口USB接口進行調試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復，甚至控制參的在線修改、調試;也可以通過MODEM遠程操作。(5)系統的一致性好，成本低，生產制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產成本下降。(6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯運行系統。為了得到高性能的并聯運行逆變電源系統，每個并聯運行的逆變電源單元模塊都采用全數字化控制，易于在模塊之間更好地進行均流控制和通訊或者在模塊中實現復雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實現高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯運行系統

13、。 2. 方案論證與比較2.1 采樣方法比較與選擇 方案一：采用單片機的數控電壓源的設計采用常用的52芯片作為控制器，P0口和DAC0832的數據口直接相連，DA的CS 數控直流電壓源設計和XFER連接后接P3.4，WR2和WR1接單片機的WR端，讓DA工作在單緩沖方式下。DA的8腳接參考電壓，D/A的基準電壓接5V電源，在DAC的8腳輸出電壓的分辨率為約等于0.5V，也就是說D/A輸入數據端每增加1，電壓增加0.5V。通過運放OP07將D/A的輸出電流轉化為電壓，再通過運放LM358將電壓反相并放大。其硬件框圖如圖 電壓89C52 單 片 機 鍵盤 電壓調整D/A轉換液晶顯示 方案二：采用調

14、整管的雙計數器的數控電壓源的設計 此方案采用傳統的調整管方案，主要特點在于使用一套雙計數器完成系統的控制功能，其中二進制計數器的輸出經過D/A變換后去控制誤差放大的基準電壓，以控制輸出步進。十進制計數器通過譯碼后數碼管顯示輸出電壓值，為了使系統工作正常，必須保證雙十計數器同步工作。其硬件框圖如圖所示： 方案三：采用調整管的十進制計數器的數控電壓源的設計 此方案不同于方案之二處在于使用一套十進制計數器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其作為EPROM的地址輸入，而由EPROM的輸出經D/A轉變后控制誤差放大的基準電壓來實現輸出步進，只使用了一套計數器，回避了方案二中必須保證雙計數器同步的問題，

15、但由于控制數據燒錄在EPROM中，使系統設計靈活性降低。其硬件框圖如圖所示： 2.2 數控部分的比較 方案二、三中采用中、小規模器件實現系統的數控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內部接口信號繁瑣，中間相互關聯多，抗干擾能力差。在方案一中采用了89C52單片機完成整個數控部分的功能，同時，89C52作為一個智能化的可編程器件，便于系統功能的擴展。2.3 顯示部分的比較 方案二、三中的顯示輸出是對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸出，顯示值為D/A變化輸入量，由于D/A變換與功率驅動電路引入的誤差，顯示值與電源實際輸出值之間可能出現較大偏差，而方案一中采用LCD直接對電壓值進行顯示。總之，方案一的優

16、點是具有精度高，使用方便，硬件電路簡單等特點，它使用了單片機，使得進一步擴展功能較為方便；方案二、三的優點是電路結構簡單，其缺點是使用比較復雜，精度沒有那么高。考慮到各種因素，本設計采用方案一。3. 數控電壓源的原理3.1 整機電路框圖數控電壓源的電路框圖如圖所示： 鍵盤 電壓89C52 單 片 機 液晶顯示輸出電壓調整D/A轉換電源電路工作原理：本設計介紹了以89C52單片機為控制單元，以數模轉換器DAC0832輸出參考電壓，以該參考電壓控制電壓轉換模塊LM350的輸出電壓大小的數控電壓源。通過改變送給單片機的數字量而達到改變輸出電壓的方法。通過三端穩壓器LM350達到輸出電壓的穩定。3.2

17、.1 DA轉換電路工作原理本設計是采用DAC0832實現數據的數模轉換，其數據口與P0口直接相連，D/A的CS和XFER連接后接P3.4，WR2和WR1接單片機的WR端，讓D/A工作在單緩沖方式下。D/A的8腳接參考電壓，D/A的電壓輸出端接OP07將D/A的輸出電流轉換成電壓。改變P0口的數據便可改變0832的輸出電壓，如當P000H時，DAC0832的輸出電壓就應為0V。其電路圖如圖所示: 3.2.2 電壓調整電路工作原理 本設計的輸出信號采用OP07芯片進行電流/電壓轉換，再將OP07的輸出電流LM358進行反相放大，LM358接成反饋放大電路，通過調節電位器可以調節運放的電壓放大倍數。

18、由于LM358的輸出電壓Vout=1.25V(1+R0/R13)，由電路圖知R13是個定值，而R0則是由R12和下面的電路來確定的，可知R0是個變量，所以LM358的輸出電壓與R0是成線性關系變化的。通過調節RV2，即可調節LM358的輸出電壓。 4. 各部分元件4.1.1 鍵盤電路鍵盤接口通常包括硬件和軟件兩部分。硬件是指鍵盤的結構及其主機的連接方式；軟件是指對鍵盤操作的識別與分析，即鍵盤管理程序。鍵盤一般是一組開關(按鍵)的集合。常用的按鍵有三種：機械觸點式：利用金屬的彈性使按鍵復位。導電橡膠式：利用利用橡膠接彈性使按鍵復位。柔性按鍵：外形及面板布局等可按整機要求設計，在價格、壽命、防潮、

19、防銹等方面顯示出較強的優越性。鍵盤按其工作原理又可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤。這兩類鍵盤的主要區別是識別鍵符及給出相應鍵碼的方法。 編碼鍵盤主要是用硬件來實現對鍵的識別； 非編碼鍵盤主要是由軟件來實現鍵盤的定義與識別。非編碼式鍵盤接照與主機連接方式的不同，可分獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。 (1)獨立式鍵盤：獨立式鍵盤中，每個按鍵占用一根I/O口線，每個按鍵電路相對獨立。I/O口通過按鍵與地相連，I/O口有上拉電阻，無鍵按下時，引腳端為高電平，有鍵按下時，引腳電平被拉低。I/O口內部有上拉電阻時，外部可不接上拉電阻。（2)矩陣式鍵盤：行列式鍵盤采用行列電路結構，當按鍵較多時所占用的口線相對較少，鍵

20、盤規模越大，其優點越明顯。所以，當按鍵數目大于8時，一般采用矩陣式鍵盤結構。4.1.2 鍵盤電路工作原理鍵盤電路原理圖如圖所示：（2）鍵盤電路工作原理如圖4.3所示，當無鍵按下時，單片機的P1.0P1.3及P3.3為高電平。當有鍵按下時，單片機的相應口線通過按鍵與地相連被拉成低電平，其它口線電平狀態不變。因此，通過檢測I/O口線的電平狀態，即可判斷鍵盤上哪個鍵被按下。 4.4 D/A轉換電路D/A轉換電路主要由STC89C522（單片機）、數碼轉換器DAC0832及LM358運算放大器等芯片組成。STC89C52的P2口作為數據端口與DAC0832的8位數據線相連。本系統中，因為CPU的工作任

21、務是單一的，而且數據傳送的目的地址也是單一的，因此，DAC0832采用單緩沖的工作方式，該芯片的CS(低電平有效)、WR1、XFER、WR2四個使能端均與地相接處于有效狀態，這個工作方式不需要給DAC0832分配地址空間，CPU的P1口的數據變化直接反映到DAC0832的輸出端。 5. 數控電壓源的軟件系統初始化后，默認輸出0V電壓，此時，LCD顯示0.0V；然后掃描KEY2，KEY3鍵，當KEY2，KEY3有鍵按下時，程序跳轉至相應的按鍵處理子程序；經過按鍵處理子程序處理后，置相應的標志位，并處理相應的寄存器的值；再回到主程序中，依據不同的標志位送出相應的數字量給DAC0832，并把相應的數

22、據送入顯示緩沖區，最后顯示電源輸出的電壓值；程序繼續掃描KEY2，KEY3鍵，再循環執行前面的步驟。 5.1 主程序 5.2 子程序本程序設定KEY2為電壓+，當按住KEY2鍵不松開時，輸出電壓以0.5V連續步進，直至KEY2鍵松開。當以一定的時間間隔點動KEY2鍵時，輸出電壓也為點動步進。KEY3為電壓-，與KEY2功能基本相同；同時輸出電壓的值顯示在LCD上。通過這種人機交換互設置，可以方便對電壓源輸出進行控制。 6. 電路的調試 6.1 硬件的調試 6.1.1 硬件的調試過程 電路調試過程中遇到的問題和解決辦法： (1).電路線路比較多，容易出現短路現象，數碼顯示由于短路出現顯示不正常顯

23、示，整理線路后能夠正常顯示。 (2).制作和測試12V電源時，由于沒有認真參考整流管的接法和7912的芯片資料，出現三次整流電容爆裂。 (3).穩壓管7812的輸出端輸出電壓，檢查電路，發現輸出端需要增加一個電容，增加后問題得到解決。 (4).由于LCD顯示的電壓不是從LM358輸出的實際電壓值，所以顯示的電壓與實際的電壓值有一點的差距，為了減少誤差，且從前面的電壓調整電路可知輸出電壓與電阻是成線性關系的，所以首先必須調節輸出電壓的線性關系。線性關系主要是這樣調節的：首先輸入1.5V的電壓，調節電位器，使輸出也為1.5V的電壓；通過鍵盤設置，使輸入為3.5V的電壓，反復調節電位器，使輸出為3.

24、4-3.6V的電壓；通過鍵盤設置，使輸入為5.5V的電壓，反復調節電位器，使輸出為5.4-5.6V的電壓；通過鍵盤設置，使輸入為7.5V的電壓，反復調節電位器，使輸出為7.4-7.6V的電壓；通過鍵盤設置，使輸入為9.5V的電壓，反復調節電位器，使輸出為9.4-9.6V的電壓。通過調節輸入輸出電壓的線性關系，確定電位器的阻值。調好了線性關系后，電位器使固定下來了，在以后的操作中不能改變電位器的阻值。隨著電位器阻值的確定，運算放大器的放大倍數也就確定下來了。6.1.2 電路數據的測試. 電壓輸出范圍的測試 主要測試儀器：數字萬用表設計要求的范圍內，通過程序電壓極值，先設最低值，再設最高值，用數字

25、萬用表測量相應的輸出電壓，重復測試三次，具體測試數據如表:誤差分析從上表的數據看出，實際輸出的電壓最低值達不到要求的0V，主要原因是在設計電路原理的時候考慮到條件不足，0832的基準電壓只能是+5V，如果能使0832的基準電壓能夠是-5V，則可以達到要求。最低值誤差（0.040.050)/3=0.03V=30mV最高值誤差（0.040.050.02）/3=0.036V=36mV 總體分析：由以上數據分析可知，在兩端點處，系統最大誤差為36mV，完全達到題目設計要求。(2). 步進控制測試：主要測試儀器：數字萬用表在規定的范圍內，先設定一個初始值。然后通過功能鍵在初始值的基礎上進行先步進控制，然

26、后再步減。測試五組數據如表誤差分析分析上表，在中間段誤差較小，兩端誤差變大，這一方面與電源部分影響有關，另外受運放比較精度及0832的基準電壓和0832的量化誤差的影響。可通過調節電位器對數模輸出補償來減小誤差。總體來說本系統基本上達到設計要求。 6.2 軟件調試 (1) 主程序的調試 在調試主程序時，由于沒有調啟動0832的程序，DA轉換不能正常進行，調用后能正常進行DA轉換。 (2)中斷子程序的調試 在調試中斷子程序時，開始我采用的是電平觸發方式，但達不到要求，按下調整按鍵沒有松開，中斷程序一直在執行，也就是說中斷程序不只執行一次，改為脈沖觸發方式后，能達到理想的效果。 7. 結論由于本系

27、統架構設計較為合理，功能電路實現較好，系統性能優良、穩定，較好地達到了題目要求的各項指標。參考文獻：模擬電子技術基礎童詩白 華成英著，北京：高等教育出版社，2006年；單片機系統及應用，金建設著，北京：北京郵電大學出版社，2009年；電路設計與仿真教程，李秀霞 鄭春厚等著，北京：北京航空航天大學出版社，2008年；模擬電子線路基礎，吳運昌著，廣州：華南理工大學出版社，2004年；數字電子技術基礎，閻石著，北京：高等教育出版社，1997年。附錄：附1：元器件明細表：STC89C52DAC0832液晶LM016LOP07LM358附2：儀器設備清單雙15V變壓器數字萬用表穩壓電源附3：整體電路圖圖

28、紙 附4：程序清單#include#define uchar unsigned charuchar code voltage25=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=vol

29、t 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

30、 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=P10;sbit key2=P11;sbit key3=P12;sbit key4=P13;sbit lcden=P35;sbit lcdrs=P34;int

31、i,j,num;void delay(int z) int i,j; for(i=z;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void write_com(uchar com)lcdrs=0;/命令選擇端P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(uchar sta)lcdrs=1;/寫數據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

32、);write_com(0 x01); write_com(0 x80); /主函數在此/void main() i=0; P2=0;while(1) if(key1=0) delay(10); if(key1=0) j=0; i=10; P2=voltagei; while(j50&key1=0) delay(5); j+; else if(key2=0) delay(10); if(key2=0) j=0; i+; if(i=25) i=0; P2=voltagei; while(j50&key1=0) delay(5); j+; while(!key2); else if(key3=0)

33、 delay(10); if(key3=0) j=0; i-; if(i0) i=24; P2=voltagei; while(j50&key1=0) delay(10); j+; while(!key3); else if(key4=0) delay(10); if(key4=0) j=0; i=24; P2=voltagei; while(j50&key1=0) delay(10); j+; switch(i)case 0:init(); for(num=0;num7;num+) write_data(V1num); break;case 1:init();for(num=0;num9;n

34、um+) write_data(V2num); break;case 2:init();for(num=0;num7;num+) write_data(V3num); break;case 3:init();for(num=0;num9;num+) write_data(V4num); break;case 4:init();for(num=0;num7;num+) write_data(V5num); break;case 5:init();for(num=0;num9;num+) write_data(V6num); break;case 6:init();for(num=0;num7;num+) write_data(V7num); break;cas