求助基于51单片机的数控直流电源的设计与仿真

（1）数控步进直流稳压电源的工作原理
图1所示为数控稳压电源的工作原理框图。它以51单片机作为系统控制核心．配以D\A转换模块，电压放大模块，功率放大，电源模块、液晶显示模块及按键处理等组成。




                      图1 工作原理图
电路的工作原理：
当插上电源后，经过电源模块的转换，为单片机和液晶显示器，电压放大模块和稳压电路提供必要的工作电压。其中，单片机和液晶显示器用的是5V电压，电压放大模块和稳压电路用的是15V电压。提供电压后各模块工作，单片机输出数字0到数模转换器，结果数模转换，电压放大和稳压电路后输出0V电压，而后则判断电压加减键有没有按下，没有的话则继续扫描按键，输出电压不变；有的话则进行按键识别后把相应的数字送入数模转换器，经数模转换，电压放大和稳压电路后输出按键设置的相应电压，返回继续进行按键扫描，重复前面的工作。 当复位按键被按下后，单片机将重新工作，电压初始值变为0V。
1.        单片机的选用：
单片机选用51单片机 。
2.        电源模块的设计与实现
　　在本系统中，要求能带动较大的电流，而且对纹波的要求很高，电源部分的电路图如图2所示。50Hz交流220V电压经过变压器，输出约±20V交流电压，经过全桥进行整流，通过电容滤波，1000uF、100uF 0.1uF用于滤除电源中的高频交流成分。采用三端稳压集成电路LM7815驱动放大器LM317，使电源输出电流带动一定的负载，以满足电压源的需要。LM7815输出后经过100欧电阻降压后再送入三端稳压集成电路LM7805，为单片机和液晶模块工作提供电压

图2 电源电路










3.        液晶显示模块电路的设计及实现
由于考虑仪器的显示需求较为简单和开发成本，这里选用性价比较高的LCD 点阵字符型模块RT1602C。本设计中LCM与单片机接口电路如下图1：利用P0口控制，P1口作为8BIT数据线传输。
关于LCD 点阵字符型模块RT1602C的资料:
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。本实验以常见的RT1602C字符型LCD模块。1602B可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。
RT1602C外观如下图所示：

1602引脚说明：
编号        符号        引脚说明        编号        符号        引脚说明
1        VSS        电源地        9        D2        双向数据口
2        VDD        电源正极        10        D3        双向数据口
3        VL        对比度调节        11        D4        双向数据口
4        RS        数据/命令选择        12        D5        双向数据口
5        R/W        读/写选择        13        D6        双向数据口
6        E        模块使能端        14        D7        双向数据口
7        D0        双向数据口        15        BLK        背光源地
8        D1        双向数据口        16        BLA        背光源正极
VDD：电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；
VL：LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；
RS：MCU写入数据或者指令选择端。MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；
R/W：读写控制端。R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据；
E：LCD模块使能信号控制端。写数据时，需要下降沿触发模块。
D0－D7：8位数据总线，三态双向。如果MCU的I/O口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。本充电器就是采用4位数据传送方式；
BLA： LED背光正极。需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；
BLK： LED背光地端。
LCD与单片机的接口电路

4.        单片机和D\A转换的数据传送的设计与实现
单片机和D\A转换TLC5615的数据传送通过单片机本身具备的串行通信接口SPI方式实现，其电路如3所示








                        图3
SPI串行通信原理   
串行通信是计算机与外界交换信息的一种基本方式。所谓串行通信是指将一个数据字按顺序逐位分时传输的方式。串行外围接口SPI是一种单片机外设芯片同步串行扩展接口，由摩托罗拉公司首先推出。SPI通信模式常用于CPU与外围设备如串行EEPROM、移位寄存器、显示驱动器和A/D转换器的通信。SPI接口可以用全双工方式同时发送和接收8位数据，它共定义了4根信号线，这四根信号线分别定义如下：      
1.        串行数据输出线SDO。作用是单向传送数据，先送高位，后送低位。
2.串行数据输入线SDI。作用是单向传送数据，先送高位，后送低位。  
3.同步串行时钟线SCK。作用是由主机向从器件传送时钟信号，使收发双方操作同步。在8个时钟周期内，主机、从器件之间完成一个字节的数据交换。从器件方式选择线SS。它是从器件选通信号输入端。
SPI模式的工作原理
    单片机中的数据通常为8位，在进行串行数据发送时，首先将该8位数据，并行送入移位寄存器，并在移位脉冲的作用下，由左向右或者由右向左移出寄存器，在进行串行数据接收时，在移位脉冲的作用下，将引脚上的电平读入移位寄存器。然后，将该8位数据，并行送出移位寄存器。
1TLC5615串行数模转换器简介
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。TLC5615性能价格比高，目前在国内市场很方便购买。
1 1TLC5615的特点
（1）10位CMOS电压输出；
（2）5V单电源供电；
（3）与CPU三线串行接口；
（4）最大输出电压可达基准电压的二倍；
（5）输出电压具有和基准电压相同极性；
（6）建立时间12 5μs；
（7）内部上电复位；
（8）低功耗，最大仅1 75mW。
TLC5615数模转换最终输出的模拟量为D\A=5V*DN\1023(DN为单片机送入TLC5615数模转换器的10位数据)
5.        稳压电路的设计与实现
该部分电路主要由LM324集成芯片加上一些电阻元件构成，其电路如图4所示
LM324集成芯片简介
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。  


由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
恒压电路的实现
TLC5615数模转换器把模拟电压D\A送出后经过U1：A跟随器，电压变为-D\A，在经过U1：B电压放大处理，其电压值为UB,则
UB=-(-D\A*R3\R5+(-)15*R4\R5)=
  =-D\A*2.55+1.25
在经过U1：C的增益为1的反相比例放大器后其输出电压U为
D\A*2.55-1.25
再把前面D\A=5V*DN\1023代入得，输出
U=5V*DN\1023*2.55-1.25=0.00125DN-1.25
所以输出电压跟负载值的大小无关，只受单片机的输出数据DN控制，所以实现了恒压控制
通过按键改变单片机的输出数据，即可实现步进控制
提高单片机的带负载能力电路
LM317是可调3端电压稳压器，在输出电压范围为1.2伏到3.7伏时能够提供超过1.5安德电流，此稳压器非常易于使用，只要两个外部电阻来设置输出电压。此外还使用内部限流，热关断喝安全工作区补偿使之基本能防止烧断保险丝。
为使该数控电源具有一定的负载能力，采用LM317稳压电路输出，放大电压U接在LM317的1引脚上，由于LM317的特性决定了其引脚2电压比引脚1电压恒定高出1.25V，故引脚2的输出电压即为最终输出电压OUT
OUT= U+1.25=0.00125DN
为此，当单片机输出的数字量为0-960以步进为8的变化时，输出电压的即可以0.1V变化
6.        按键电路的设计与实现
矩阵式键盘的结构与工作原理：
在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别及编程方法如下所述。
       矩阵式键盘的按键识别方法
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。
行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
1. 判断键盘中有无键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2.        判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
独立式键盘的优缺点：
独立式键盘的控制线路简单，链接方便，键盘程序也较简单，特别是按键较少的情况下，能很好的简化按键电路。但按键较多时会占用较多的单片机I\O口。在电路设计中，单片机有限的I\O口是非常重要的资源，必须科学合理的利用这些资料才能保证够整个电路使用，所以我们往往不使用这种键盘链接方式。