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簡易數(shù)控直流電源設(shè)計 1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計出有一定輸出電壓范圍和功能的數(shù)控電源。 2 設(shè)計要求 （1）輸出電壓：范圍0～＋9.9V，步進(jìn)0.1V，紋波不大于10mV； （2）輸出電壓值由LCD顯示； （3）由“＋”、“－”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減； （4）輸出電壓可預(yù)置在0～9.9V之間的任意一個值； （5）自制鍵盤設(shè)置電壓值。 3 設(shè)計原理與總體方案 3.1 總體設(shè)計方案 鑒于目前數(shù)控直流源一般采取運(yùn)放構(gòu)成的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計方案大多為開環(huán)系統(tǒng)，主控制器僅用于數(shù)字給定及顯示，沒有對輸出電流進(jìn)行檢測和控制。本文在傳統(tǒng)電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用控制系統(tǒng)中反饋與控制原理，引入電流負(fù)反饋，在采樣電阻上獲取和電流成正比的采樣電壓，并接人運(yùn)算放大器的反向輸入端，實現(xiàn)負(fù)反饋，形成恒流輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)； 軟件方面，將具有全局尋優(yōu)能力但收斂速度慢的遺傳算法和具有收斂速度快且局部尋優(yōu)能力強(qiáng)的直接搜索法結(jié)合在一起，設(shè)計基于遺傳算法和直接搜索策略的混合優(yōu)化算法，充分利用了遺傳算法的全局搜索能力并以此作為優(yōu)化過程的“粗調(diào)”，同時利用直接搜索法良好的局部搜索能力作為優(yōu)化過程的“微調(diào)”，集中了兩者的優(yōu)點，而克服了兩者的弱點，得到的目標(biāo)函數(shù)值較遺傳退火策略更優(yōu)，而且一致性更好，用于PID參數(shù)整定是具有整定速度快，調(diào)節(jié)時間短，穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點。同時結(jié)合PID算法，形成軟件閉環(huán)，實現(xiàn)對輸出電流的精確控制。 系統(tǒng)工作原理如下：由鍵盤預(yù)置電壓值，輸入到單片機(jī)；采樣電阻采集的電壓信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)，當(dāng)兩值之差絕對值為零或不大于設(shè)定值時，不作任何調(diào)整；當(dāng)兩值之差大于設(shè)定值時，運(yùn)用PID算法進(jìn)行調(diào)整，送人D／A轉(zhuǎn)換，調(diào)整輸出電壓，直到差值在允許的范圍內(nèi)。單片機(jī)控制液晶顯示電流的設(shè)定值、實際輸出值和電壓步進(jìn)值。 3.2 顯示模塊選擇 LCD（Liquid Crystal Display）顯示器是利用液晶顯示技術(shù)來進(jìn)行圖像表現(xiàn)的顯示裝置，從液晶顯示器的結(jié)構(gòu)來看，無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。LCD顯示器按照控制方式不同可分為被動矩陣式LCD及主動矩陣式LCD兩種。 LCD由兩塊玻璃板構(gòu)成，厚約1mm,其間由包含有液晶材料的5μm均勻間隔隔開。因為液晶材料本身并不發(fā)光，所以在顯示屏兩邊都設(shè)有作為光源的燈管，而在液晶顯示屏背面有一塊背光板（或稱勻光板）和反光膜，背光板是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線，其作用主要是提供均勻的背景光源。 背光板發(fā)出的光線在穿過第一層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬液晶液滴的液晶層。液晶層中的液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個或多個單元格構(gòu)成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)，液晶材料的作用類似于一個個小的光閥。在液晶材料周邊是控制電路部分和驅(qū)動電路部分。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場時，液晶分子就會產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。 3.3鍵盤選擇 鍵盤實際上是一組開關(guān)的集合：當(dāng)開關(guān)按下時，兩根導(dǎo)線接通；當(dāng)開關(guān)釋放時，兩根導(dǎo)線斷開。我們通過鍵盤的輸入設(shè)置預(yù)置值。 3.3.1高低電平翻轉(zhuǎn)矩陣鍵盤 矩陣鍵盤又稱行列鍵盤，它是用四條I/O線作為行線，四條I/O線作為列線組成的鍵盤。在行線和列線的每個交叉點上設(shè)置一個按鍵。這樣鍵盤上按鍵的個數(shù)就為4*4個。這種行列式鍵盤結(jié)構(gòu)能有效地提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口 最常見的鍵盤一般由16個按鍵組成，在單片機(jī)中正好可以用一個P口實現(xiàn)16個按鍵功能。當(dāng)無按鍵閉合時，P3.0~P3.3與P3.4~P3.7之間開路。當(dāng)有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，置列線P3.4~P3.7為輸入狀態(tài)，從行線P3.0~P3.3輸出低電平，讀入列線數(shù)據(jù)，若某一列線為低電平，則該列線上有鍵閉合。第二步，行線輪流輸出低電平，從列線P3.4~P3.7讀入數(shù)據(jù)，若有某一列為低電平，則對應(yīng)行線上有鍵按下。綜合一二兩步的結(jié)果，可確定按鍵編號。但是鍵閉合一次只能進(jìn)行一次鍵功能操作，因此須等到按鍵釋放后，再進(jìn)行鍵功能操作，否則按一次鍵，有可能會連續(xù)多次進(jìn)行同樣的鍵操作。 識別按鍵的方法很多其中，最常見的方法是掃描法 按鍵按下時，與此鍵相連的行線與列線導(dǎo)通，行線在無按鍵按下時處在高電平。如果所有的列線都處在高電平，則按鍵按下與否不會引起行線電平的變化，因此必須使所有列線處在電平。這樣，當(dāng)有按鍵按下時，改鍵所在的行電平才回由高變低。才能判斷相應(yīng)的行有鍵按下。 3.3.2獨(dú)立按鍵式鍵盤 獨(dú)立按鍵式直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點式每個按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其他I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立按鍵的典型應(yīng)用如圖所示。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一個I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費(fèi)較大，不宜采用。 獨(dú)立按鍵的軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)。先逐位查詢沒跟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(rèn)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。 獨(dú)立按鍵數(shù)量少，可根據(jù)實際需要靈活編碼。矩陣鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，因此可以分別對行號和列號進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號。相比較而言高低電平反轉(zhuǎn)矩陣鍵盤占用的I/O接口少，實現(xiàn)的鍵數(shù)較多，比較符合我們的設(shè)計需求。 3.4主控芯片選擇 51系列是基本型，包括8051、8751、8031、8951.這四個機(jī)種區(qū)別，僅在于片內(nèi)程序儲存器。8051為4KBROM，8751為4KBEPROM，8031片內(nèi)無程序儲存器，8951為4KBEEPROM。其他性能結(jié)構(gòu)一樣，有片內(nèi)128B RAM，2個16位定時器/計數(shù)器，5個中斷源。其中，8031性價比較高，又易于開發(fā)，目前應(yīng)用面廣泛。 51系列單片機(jī)的特點：8位cpu；片內(nèi)帶振蕩器，頻率范圍為1.2MHz~12MHz；片內(nèi)帶128B的數(shù)據(jù)存儲器；片內(nèi)帶4KB的程序存儲器；程序存儲器的尋址空間為64KB；片外數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間為64KB；128個用戶位尋址空間；21個字節(jié)特殊功能寄存器；4個8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3；兩個16位定時、計數(shù)器；兩個優(yōu)先級別的五個中斷源；一個全雙工的串行I/O接口，可多機(jī)通信；111條指令，包含乘法指令和除法指令；片內(nèi)采用單總線結(jié)構(gòu)；有較強(qiáng)的位處理能力；采用單一+5V電源。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3001.tmp.png 圖1 MCS-51基本結(jié)構(gòu)圖 4 硬件電路設(shè)計 總體設(shè)計圖：
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3002.tmp.jpg 圖2 電路設(shè)計圖 4.1 DAC電路 一個8位D/A轉(zhuǎn)換器有8個輸入端（其中每個輸入端是8位二進(jìn)制數(shù)的一位），有一個模擬輸出端。輸入可有2^8=256個不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出為256個電壓之一，即輸出電壓不是整個電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是256個可能值。下圖是DAC0832的邏輯框圖和引腳排列。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3012.tmp.jpg 圖3 DAC0832的邏輯框圖和引腳排列 D0~D7：數(shù)字信號輸入端。 ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。 CS：片選信號，低電平有效。 XFER：傳送控制信號，低電平有效。 WR1：寫信號1，低電平有效。 WR2：寫信號2，低電平有效。 IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。 Rfb：是集成在片內(nèi)的外接運(yùn)放的反饋電阻。 Vref：基準(zhǔn)電壓（-10~10V）。 Vcc：是源電壓（+5~+15V）。 DAC0832輸出的是電流，所以須經(jīng)過一個外接的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。 AGND：模擬地 NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3013.tmp.jpg 圖4 DAC電路 4.2矩陣鍵盤模塊 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖4所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口(如P1口)就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵(9鍵)。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3024.tmp.jpg 圖5 矩陣式鍵盤
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3035.tmp.jpg 圖6 鍵盤電路設(shè)計 4.3 顯示部分 1602液晶也叫1602字符型液晶，它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中：第1引腳：GND為電源地；第2引腳：VCC接5V電源正極；第3引腳：V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端；第4引腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器；第5引腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進(jìn)行讀操作，低電平(0)時進(jìn)行寫操作；第6引腳：E(或EN)端為使能端,高電平（1）時讀取信息，負(fù)跳變時執(zhí)行指令；第7～14引腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電源。第15引腳背光正極，第16引腳背光負(fù)極。 表1 液晶1602A各個管腳的介紹 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3045.tmp.jpg 圖7 LCD電路設(shè)計 4.4 自制電源模塊 自制電源輸出+12V、-12V及+5V的電壓 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3046.tmp.jpg 圖8 自制電源 4.5 主控芯片 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3057.tmp.jpg 圖9 主控芯片電路 4.6 放大電路 放大電路是增加電信號幅度或功率的電子電路。應(yīng)用放大電路實現(xiàn)放大的裝置稱為放大器。它的核心是電子有源器件，如電子管、晶體管等。為了實現(xiàn)放大，必須給放大器提供能量。常用的能源是直流電源，但有的放大器也利用高頻電源作為泵浦源。放大作用的實質(zhì)是把電源的能量轉(zhuǎn)移給輸出信號。 放大電路本身的特點: 一、有靜態(tài)和動態(tài)兩種工作狀態(tài)，所以有時往往要畫出它的直流通路和交流通路才能進(jìn)行分析; 二、電路往往加有負(fù)反饋，這種反饋有時在本級內(nèi)，有時是從后級反饋到前級，所以在分析這一級時還要能"瞻前顧后"。在弄通每一級的原理之后就可以把整個電路串通起來進(jìn)行全面綜合。
file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3058.tmp.jpg 圖10 放大電路
5 軟件設(shè)計流程 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3068.tmp.jpg 圖11 軟件設(shè)計流程圖 注：在穩(wěn)壓輸出端用萬用表的電壓檔測輸出電壓，將會基本等于從鍵盤的輸入電壓。
6 仿真 6.1 仿真問題及解決 （1）D/A轉(zhuǎn)換電路沒有正常工作； 問題原因：D0-D7接口出現(xiàn)錯誤。 （2）步進(jìn)0.1的程序出現(xiàn)問題； 問題原因：沒有寫入浮點型函數(shù)。
6.2 仿真結(jié)果及分析 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps3069.tmp.jpgfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps307A.tmp.jpg 圖12 輸入3.2V電壓時的仿真輸出值 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps307B.tmp.jpgfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps308C.tmp.jpg 圖13 輸入5.9V電壓時的仿真輸出值 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps308D.tmp.jpgfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps309D.tmp.jpg 圖14 輸入6.3V電壓時的仿真輸出值 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps309E.tmp.jpgfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps309F.tmp.jpg 圖15 輸入8.3V電壓時的仿真輸出值 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps30B0.tmp.jpgfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps30B1.tmp.jpg 圖16 輸入9.1V電壓時的仿真輸出值
表2 測得的數(shù)據(jù)和從鍵盤輸入的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)分析: 誤差不超過0.03 誤差分析： （1）電路中元器件的影響 （2）外界對輸出電壓的干擾，導(dǎo)致輸出有誤差
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附錄 仿真圖 file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wps30C2.tmp.jpg
源程序 #include<reg51.h> /*頭文件以及變量定義*/ #include<math.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit rs=P2^4; sbit rw=P2^5; sbit ea=P2^6; uchar num,i,key,j=0; float a2; uchar keyscan(void); uchar code table[6]="Please"; uchar code table1[16]=" enter letter..."; uchar code table2[16]="0123456789abcde."; float table3[6]; uchar code table4[8]="volt(v):"; uchar code table5[6]="error!"; uchar table6[6]; void delay(uint z) { uint x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); }
void write_com(uchar com) { rs=0; rw=0; P0=com; delay(5); ea=1; delay(5); ea=0; } void write_date(uchar date) { rs=1; rw=0; P0=date; delay(5); ea=1; delay(5); ea=0; } void disvol() { write_com(0x80+0x40); //寫電壓 for(num=0;num<8;num++) { write_date(table4[num]); delay(10); } }
void init() { delay(5); write_com(0x38); write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x01); write_com(0x80); for(num=0;num<6;num++) { write_date(table[num]); delay(20); } write_com(0x80+0x40); for(num=0;num<0x10;num++) { write_date(table1[num]); delay(20); } } void diserr() { write_com(0x80+0x40); for(num=0;num<6;num++) { write_date(table5[num]); delay(20); } delay(2000); }
void he_zhi() { uint a1,a3,c11,c12; float b1,b2,b3,b4,c1,c2,h; if(table3[0]!='.') //整數(shù)加點 { if(!table3[1]) { if(j==1) { table3[1]='.'; } }
if(!table3[2]) { if(j==2) { table3[2]='.'; } }
if(table3[1]=='.') { b1=table3[0]; b2=table3[2]/10; b3=table3[3]/100; h=b1+b2+b3; a2=h*256/10; a3=a2; a1=a3+1; c1=a2-a3; c2=a1-a2; c11=1000*c1; c12=1000*c2; if(c11>c12) { P1=a1; } else { P1=a3; } //光標(biāo)顯示位 if(j==1) { write_com(0x80+0x49); } if(j==3) { write_com(0x80+0x4b); } if(j==4) { write_com(0x80+0x4c); }
}
else if(table3[2]=='.') { b1=table3[0]*10; b2=table3[1]; b3=table3[3]/10; b4=table3[4]/100; h=b1+b2+b3+b4; if(h<=10) { a2=h*256/10; a3=a2; a1=a3+1; c1=a2-a3; c2=a1-a2; c11=1000*c1; c12=1000*c2; if(c11>c12) { P1=a1; } else { if(a3==256) { P1=255; } else { P1=a3; } } if(j==2) { write_com(0x80+0x4a); }
}
else { write_com(0x01); diserr(); } } else { write_com(0x01); diserr(); } }
if(table3[0]=='.') { write_com(0x01); diserr(); }
}
void qingchu(uchar p) { uchar z; for(z=0;z<=5;z++) { table3[z]=p; } } void jia(uchar dat) //步進(jìn)函數(shù) { switch(dat) { case 0: write_date(table2[1]); break; case 1: write_date(table2[2]); break; case 2: write_date(table2[3]); break; case 3: write_date(table2[4]); break; case 4: write_date(table2[5]); break; case 5: write_date(table2[6]); break; case 6: write_date(table2[7]); break; case 7: write_date(table2[8]); break; case 8: write_date(table2[9]); break; case 9: write_date(table2[0]); break; } table3[2]++; if(table3[2]==10) table3[2]=0; } void jian(uchar dat) { switch(dat) { case 0: write_date(table2[9]); break; case 1: write_date(table2[0]); break; case 2: write_date(table2[1]); break; case 3: write_date(table2[2]); break; case 4: write_date(table2[3]); break; case 5: write_date(table2[4]); break; case 6: write_date(table2[5]); break; case 7: write_date(table2[6]); break; case 8: write_date(table2[7]); break; case 9: write_date(table2[8]); break; } table3[2]--; if(table3[2]==-1) table3[2]=9; }
void main() { init();
delay(4500); write_com(0x01); write_com(0x80+0x40); write_com(0x0f); disvol(); i=0x80+0x48;
while(1) { key=keyscan(); delay(100); switch(key) { case 0xee:write_com(i); write_date(table2[0]);table3[j]=0;j++; // table2[16]="0123456789abcde." i++; break;//0 case 0xde:write_com(i); write_date(table2[1]);table3[j]=1;j++; i++; break;//1 case 0xbe:write_com(i); write_date(table2[2]);table3[j]=2;j++; i++;break;//2 case 0x7e:write_com(i); write_date(table2[3]);table3[j]=3;j++; i++;break;//3 case 0xed:write_com(i); write_date(table2[4]);table3[j]=4;j++; i++;break;//4 case 0xdd:write_com(i); write_date(table2[5]);table3[j]=5;j++; i++;break;//5 case 0xbd:write_com(i); write_date(table2[6]);table3[j]=6;j++; i++;break;//6 case 0x7d:write_com(i); write_date(table2[7]);table3[j]=7;j++; i++;break;//7 case 0xeb:write_com(i); write_date(table2[8]);table3[j]=8;j++; i++;break;//8 case 0xdb:write_com(i); write_date(table2[9]);table3[j]=9;j++; i++;break;//9 case 0xe7:write_com(i); write_date(table2[15]);table3[j]='.';j++; i++;break; case 0xbb:write_com(0x80+0x48+2); jia(table3[2]); break;//加 case 0x7b:write_com(0x80+0x48+2); jian(table3[2]); break;//減 case 0xd7:he_zhi(); i=0x80+0x48; j=0; break; case 0xb7:write_com(0x01); qingchu(0); j=0; disvol(); write_com(0x80+0x48); i=0x80+0x48; break;
} } } uchar keyscan(void) { uchar cord_h,cord_l; P3=0x0f; cord_h=P3&0x0f; if(cord_h!=0x0f) { delay(100); if(cord_h!=0x0f) { cord_h=P3&0x0f; P3=cord_h|0xf0; cord_l=P3&0xf0; return(cord_h+cord_l); } }return(0xff); }
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