全国大学生电子设计大赛设计报告 大学生电子设计大赛

关键字：双极性，同步跟踪，AT89S52单片机，电源

Abstract
This power supply system is composed of electric voltage outputparts, the MCU system part,, steady power supply part, peripherallyassistance part, four parts. The analog line is the important partThe whole system, matching with a digital circuit controlling, thewhole system carrys on a precise overall situation controlling withthe AT89 S52, the voltage output parts, lend support to accordingto the outer circle in the error margin allow the scope part ofimportation manifestation mold piece of keyboard importation theinitial value output precise voltage, and carry on power to promoteto the electric voltage in the power enlarge the part, passemulation wreath road the part carry on an electric voltage a valueof the exportation keep, steady press power supply part to thewhole system and outward the exportation provide foundation powersupply, the outer circle assistance part still once included toflow protection mold piece, taking in to carry on a more validprotection to the system. With argument, system can to the driftwhich outputs electric voltage number, the bad influences such assymmetry degree and line wave electric voltage etc. of plus orminus electric voltage carry on repressing and loweringeffectively. By debugging and measuring, complete the basic partand all the exertive part of requests and also own innovations.

Keywords：Bipolar, Synchronous Follow, AT89S52, Power

目　　录
竞赛题目 2
（一）任务 2
（二）要求 2
１、基本要求 2
２、发挥部分 2
系统方案的选择与论证 3
（一）基本方案论证 3
１、电路部分方案选择 3
２、最终方案设计思想及框架示意图 3
（二）总体设计方案 3
系统的硬件设计与实现 4
（一）系统硬件的主要组成部分 4
（二）系统各模块单元的理论分析与实际电路设计 4
１、系统控制部分电路设计 4
２、功率放大部分电路设计 5
３、稳压电源部分电路设计 6
４、外围辅助部分电路设计 7
系统的软件设计 9
（一）系统主程序流程图 9
（二）辅助子程序流程图 9
１、按键检测 9
２、DA输出 9
３、过流保护 9
４、数据储存 10
调试（系统测试）过程 11
（一）测试仪器与设备 11
（二）测试过程 11
１、分模块调试 11
２、整机系统调试 12
（三）结果分析 12
１、测试数据分析 12
２、误差分析 13
（四）创新与发挥 13
总结 14
参考文献 14
附录 15
附录1、部分元器件明细表 15
附录2、PCB印制电路板图 15
附录3 部分程序清单 15

竞赛题目
（一）任务
设计一种双路输出，电压极性相反、幅值相等跟踪调节的精密直流电压源，如图所示。

（二）要求
与 均为相对GND端的电压， 与 同步可调且对称变化，为测试检验时的标准值。除非特殊说明，以下均为开机预热15min后、负载时的实测指标。
１、基本要求
1 ．输出电压调节范围： 、 ；
2 ．输出电压值在满度时的误差： ， ；
3 ．输出电压值在满度时的对称度： ；
4 ．输出电压值设定的步进值分为四种：1 mV、10mV、100mV、1V；
5 ．输出纹波电压的峰峰值（满度输出时）不大于5mV；
6．具有人机接口功能，输出电压设定值采用数字显示，设定电压为正值，格式为.痧餠；
7．经济性、可靠性与操作的方便性。要求成本相对低、芯片使用数量相对少、可靠性相对高、操作方便。工艺要达到较好的水平。
２、发挥部分
8 ．输出电压值在满度时的误差： ， ；
9 ．输出电压值在满度时的对称度： ；
10．输出电压值的稳定度：开机预热15min后的10min内，在整个输出范围内的电压稳定度优于0.1%；准确度优于0.2%；
11．输出纹波电压的峰峰值（满度输出时）：< 2mV；
12．增加电源的负载能力，当UO=3V时，输出电流IO≥0.2A，且满足1~4条的指标；
13．当一路负载 而另一路时，在UO1=3.2V条件下，能达到DUO<10mV的指标；当 、时，仍能达到DUO<10mV的指标；
14．当输出电流幅值大于等于0.6A时，输出端产生过载保护功能，同时产生通道过载状态指示。当短路或过流因素排除后，应能恢复供电；
15．其他有特色的内容与创新。

系统方案的选择与论证
（一）基本方案论证
本设计硬件电路分为电压输出部分、功率放大部分、数字环路部分、模拟环路部分、稳压电源部分、外围辅助部分六部分。

１、电路部分方案选择
方案一
全系统应用AT89S52作全局控制，通过DA输出设定电压值，并通过功率放大器进行电流放大，并通过用可调的三端稳压器组差分电路达到满足输出电压为0的要求，通过TLC2543进行电压采集实施校正输出，以满足电压输出精度。但本设计存在比较大的问题，设计中的差分要求前后级的地是分开的，这就对系统设计造成比较严重的麻烦，而且通过差分后，电流的供给能力比较弱，不足以满足设计要求的指标。
方案二
全系统用AT89S52作全局控制，通过TLV5618输出设定电压值，并通过TL084与调整管TIP122与TIP127组成电压跟随器进行电流放大，TIP122与TIP127又分别组成模拟环路，对系统输出进行模拟调节，以提高输出稳定度。本方案完全基于模拟电子技术，仅仅应用了一部分必要的数字电子控制整体系统，本系统的优点在于成本低廉，而且基于模拟电路的设备工作稳定，只要参数合理并且准确就可以有很高的精确输出。
综上所述，设计方案二可以满足设计要求，并且可以有一定的提高空间。

２、最终方案设计思想及框架示意图

图：系统总框架图

（二）总体设计方案
因为加入了过流保护模块，电源采用双电源供电方式，如果采用单电源，当外界发生短路时，整个系统就会因缺电而瘫痪，过流保护模块也会因此而失效，所以采用了双电源的方案。
单片机系统采用了AT89S52配以X5045看门狗，它是便宜的单片机系统，虽然性能不强，但在要求速度不快时，此单片机完全能满足要求。
DA采用TLV5045。
其他部分采用分列元件组成的纯模拟电路，通过一系列调整控制，以达到标准。

系统的硬件设计与实现
（一）系统硬件的主要组成部分
系统控制部分：本部分是以AT89S52为核心的最小系统模块，单片机起用12MHz；模块中还包括X5045，和一个蜂鸣器。
功率放大部分：本部分是以DA芯片TLV5618输出信号为基础，通过TL084进行反向调整输出负电压，应用TIP122与TIP127组成互补调整系统满足功率输出。
稳压电源部分：本部分是通过一系列78系列、79系列等三端稳压器进行电压调节，并通过一系列电容滤波组合后，稳定输出正负16V，正负8V，单路正5V。
外围辅助部分：本部分包括以HD7279A为核心的键盘显示模块，和一块由模拟电路组建的电流保护模块。

（二）系统各模块单元的理论分析与实际电路设计
１、系统控制部分电路设计
系统控制部分设计原理图

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。此单片机完全可以胜任此次的设计要求。
X5045把四种常用的功能：上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁（BlockLockTM）保护的串行EEPROM存储器组成在一个封装之内。这种组合降低了系统成本、减少了电路板空间和增加了可靠性。
向器件加电时激活了上电复位电路，它保持RESET/RESET有效一段时间。这可使电源和振荡器稳定，然后微处理器再执行代码。看门狗定时器对微控制器提供了一个独立的保护机制。
当系统故障时，在可选的超时时间（time-outinterval）之后，器件将激活RESET/RESET信号，用户可以从三个预置的值中选择一个超时时间。一旦选定，即使在断电后重启电源时也不会改变。
器件的低VCC检测电路，可以保护系统免受低电压之影响，当VCC降到最小VCC转换点以下时，系统复位。复位一直持续到VCC回到正常工作电平并且稳定为止。有5个工业标准的转换电压门限Vtrip可以选用，并且Xicor独特的电路允许对门限编程以满足用户的需要或者对高精度应用的精细调整的需要。
X5045的存储器部份是具有Xicor块锁保护的CMOS4Kb串行EEPROM。该阵列内部的组织是×8。器件具有SPI接口的特性，其软件协议允许工作在一个简单四线总线上。
本次使用X5045不仅仅是因为它是AT89S52单片机常用的看门狗系统，更因为本次的设计的发挥部分我们准备启用X5045片内集成的EEPROM，可以为我们设计用户自定义数字的保存和关断后不丢失的数据提供保障。

２、功率放大部分电路设计
DA输出控制模块

TLC5618是带有缓冲基准输入（高阻抗）的双路12位电压输出数字-模拟转换器（DAC）。
DAC输出电压范围为基准电压的两倍，且其输出是单调变化的。该器件使用简单，用5V单电源工作。器件包含上电复位功能以确保可重复启动。
通过CMOS兼容的3线串行总线可对TLC5618实现数字控制。器件接收用于编程的16位字产生模拟输出。数字输入端的特点是带有斯密特（Schmitt）触发器，它具有高的噪声抑制能力。
数字通信协议包括SPITM，QSPITM和MicrowireTM标准。
本电路的TLC5618的8脚接数字电路供电（+5V）；5脚接数字地；6脚接2.048V的基准电压；4脚和7脚是二个电压输出端，本电路仅用B端口（7脚）输出；1脚为芯片的串行数据输入端口，连接单片机的P2.2口；2脚为芯片的串行时钟输入端口，连接单片机的P2.1口；3脚为芯片的片选端口，连接单片机的P2.0口。

图：TLC5618I的功能方框图

图：TLC5618I的时序关系

功率输出控制模块

正输出电路的思路主要是将DA的输出电压接到电压跟随器上，推动电源调整管，从而带动负载。
负输出输出电路的思路主要是将DA的输出电压接到反向电压加法器上在接到电压跟随器上，推动电源调整管，从而带动负载。
为了能带动更大的负载，我们将9013，9012与达林顿管tip122,tip127组成增强型达林顿管，从而提高电源的带负载能力。
实验证明此图能满足题目的大部分要求，但纹波加大了，因此需要大量的电解电容与独石电容组成多阶滤波电路，从而削减了纹波。

３、稳压电源部分电路设计

本电源我们设计的是两套独立的电源，一套主要提供数字电路系统的电压保证数字系统不受模拟电路的影响。另外一路输出的包括稳定输出正负16V，正负8V，单路正5V。

４、外围辅助部分电路设计
键盘显示模块的电路设计

HD7279A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。HD7279A内部含有译码器可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。但是HD7279A也有其缺陷存在：其工作速度比较慢，与MCS-51通讯的时候需要加很多的等待；如果通讯线路超过50cm后会出现信号干扰，或信号比较弱无法正常显示；而且芯片比较脆弱经常因为一些原因烧毁，但是我们起用的原因在于他可以满足我们的要求而且对于成本来说也是比较合理的选择。

图：HD7279A管脚图图：HD7279A实物图

过流保护模块的电路设计

过流保护的主要的思路是应用运算放大器的差分作用。当运算放大器大正输入与负输入接到同一电平时，其输出为零。当干路电流为零时，干路的电阻两端的电压为零。通过电桥的分压后，其电压差为零，运算放大器输出为零。当干路电流时，干路的电阻两端存在电压。通过电桥的分压后，其电压差为IR*R1/(R1+R2)，运算放大器输出电压为4-5伏，是高电平。题目要求0.6A时过流保护启动，因此干路的电阻两端的电压为1.5*0.6=0.9v，电桥的比值是1：4，差分电压是0.9/4=0.225伏，因此只需要运算放大器的正输入比负输入低0.225伏即可。至于负端过流保护和正端的原理是一样的。将两运放的输出接到一与门上，即可完成过流保的目的。

系统的软件设计
（一）系统主程序流程图

（二）辅助子程序流程图
１、按键检测

２、DA输出

３、过流保护

４、数据储存

调试（系统测试）过程
（一）测试仪器与设备
序号 名称 型号 数量 备注
1 数字万用表 DT9205 1 3CH
2 标准型数字万用表 UT88B 1 5位半
3 示波器 GOS-620 1 20MHZ
4PC机1
5 伟福仿真器 H51/S 1
6 51系列下载器 TOP852 1

（二）测试过程
１、分模块调试
系统的调试先分模块进行，最后进行整机调试，以提高调试效率。调试过程如下：
电源模块调试：
由于电源模块采用了78XX系列和LM317因此电路比较简单，调试简易。主要调试317 使其电压与7908的绝对值相等供电的电源正负绝对相等

基准源调试
调节TL431的调节电阻，使电压为4.500V。
调节DA的基准电压分压电阻，使电压为2.048V。

输出电路调试：

跟随调节：
正路采用直接方式 不需要调节即可满足电压跟随。
负路采用使用反向加法器来得到负电压，为了使前后的电压绝对值相等，需要调节可调电阻。将反向加法器的输入端接到tl431的输出端，用标准的4.500伏来代替DA的输入电压，调节反向加法器的输入可调电阻，使输出端为-4.500V。
０点调节：
DA经我们测试发现当输入全零时，正路输出竟然不是零，而是5。6毫伏，导致输出不是零。因此我们将DA与输入级之间加入一小值电阻，再通过一大值电阻接到-8伏电源，使DA输出电压下拉到绝对0伏，完成了正电压的0点调节。至于负路，由于DA的另一路输出道是绝对零伏，因此直接输出即可。
满度调节：
将输出级分别接100欧的电阻，将键盘设定为3.999V。
稍微调节DA的基准电压，使输出级的输出电压为3.999V。
稍微调节反向加法器的输入电阻，使输出为-3.999V。

过流保护电路调节：
正路调节
将过流保护电路模块放入系统中　将７4HC３２或门的一个输入脚接地，调节可调电阻，使中间的电压差为零，每一点的电位为３。５伏，这时或门的输出应为０，将电源的输出调为３。９９９伏，用５０欧的电位器串一只电流表作为负载，调节电位器使电流为０。６A，这时再调节运放正输入的电位，使或门的输出刚好为1，这样就完成了正路的调整。
负路调节
由于运放采用的是单电源供电，不能差分负电压，因此用7805从正16伏取电压正5伏电压，将负电压差分上拉为正电压差分，大致取正1。5伏左右。剩下调试方式与正路相同。

２、整机系统调试
将整机装入箱中，用线连接好，电源模块，重复以上步骤。

（三）结果分析
１、测试数据分析
(1)基本部分
表1基本部分测试数据分析
基本要求实际性能
输出电压范围

满度输出时
电压值误差

满度输出时
电压值对称度

电压值设定四级步进电压值设定四级步进
满度输出时
纹波电压的峰峰值 ≤5mV <2mV
具有人机接口功能具有人机接口功能

（2）发挥部分
表2发挥部分测试数据分析
满度输出时
电压值误差

满度输出时
电压值对称度

开机预热15min后的10min内，输出电压值的稳定度在整个输出范围内电压稳定度优于0.1%；准确度优于0.2%在整个输出范围内电压稳定度优于0.1%；准确度优于0.2%

增加电源的负载能力 当UO=3V时， IO≥0.2A，且满足1~4条的指标；当UO=3V时， IO≥0.2A，且满足1~4条的指标；
满度输出时
纹波电压的峰峰值 <2mV <2mV
当一路负载而另一路开路时的电压对称度 在UO1=3.2V，R＝8条件下，DUO<10mV 在UO1=3.2V，R＝8 条件下，DUO<10mV
0.6A时，输出端产生过载保护功能，同时产生载状态指示。短路或过流因素排除后，能恢复供电0.6A时，输出端产生过载保护功能，同时产生载状态指示。短路或过流因素排除后，能恢复供电
有其他有特色的内容与创新有其他有特色的内容与创新

２、误差分析
由于模拟环功能有限，造成末级带负载能力的下降。
另外输出引线太长再带负载时也会减少输出电压。
电压跟随器由于强烈的负反馈会引起末级高频振动，使末级纹波加大。因此用两个大容量电解电容。

（四）创新与发挥
在本设计中加入了用户自定义功能设定，可以让用户将自己常用的电压数值保存在系统的存储空间里，当用户需要的时候可以仅仅按动一个按键就可以直接输出用户之前设定的电压输出值；在本社机中还加入了开机欢迎画面；按键提示音，过流蜂鸣报警和过流显示报警功能。

总结

我们在整个设计制作过程中，始终关注系统的性能指标和运行的稳定性，本着稳定性和精确性并重的原则，我们采取了诸多的有效措施，完成了设计题目所规定的部分指标和要求，达到基本的性能指标，而且对于有些指标我们的设计还有了一定的的提高，功能也有所扩展。
这次是我们新团队第一合作共同完成一个项目，虽然在过程中有很多的麻烦和困难存在，但是最终我们都一一克服，我们希望在未来的努力中可以更加团结，达到更加完美的地步。

参考文献

闻伍春，运算放大器在电测技术中的应用，机械工业出版社；
蔡美琴等，MCS－51系列单片机系统及其应用（第二版），高等教育出版社；
电子工业出版社，全国大学生电子设计竞赛训练教程，电子工业出版社；
张培仁，基于C语言编程MCS－51系列单片机原理与应用，清华大学出版社；
高锋，单片微机应用系统设计及实用技术，机械工业出版社；
赵亮、候国锐，单片机C语言编程与实例，人民邮电出版社；
张毅刚，新编MCS－51系列单片机应用设计，哈尔滨工业大学出版社；
全国大学生电子设计竞赛组委会，全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编（第一届～第五届）北京理工大学出版社；
李光飞等，单片机课程设计实例指导，北京航空航天大学出版社；
楼然苗，51系列单片机设计实例，北京航空航天大学出版社。

附录
附录1、主要元器件表
名称 数量 作用
89S52 1 单片机
x5045 1 看门狗
12M晶振 1
30p瓷片电容 2
HD7279Ａ 1 显示键盘芯片
lm358 1 2单电源运放
74HC32 1 4或门
tl084 1 4双电源运放
tlv5618 1 串口12位双da
tip122 1 NPN达林顿
tip127 1 PNP达林顿
9012 若干 PNP三极管
9013 若干 NPN三极管
204微调电阻 若干 滤波

附录2、PCB印制电路板图
本设计系统仅将前端面板设计并制作成PCB。

附录3 部分程序清单

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