电子系统数控直流稳压电源设计.doc

河南科技大学毕业设计（论文）题目申请表（指导教师填表）院系：电气自动化 研究所（教研室）： 自动化 填表日期： 2010 年 3 月 日1、完成课题需要的条件说明：1、单片机编程语言相关参考书一本；2、计算机一台，查找资料，编程设计。3、系统相关技术资料。准备情况：1、 数控稳压电源相关技术资料已具备齐全。2、 具备单片机相关实验。研究所（教研室）意见：主任签字： 年 月 日院系意见：院长（主任）签字：年 月 日注：1.课题类型一栏填写：工程设计、硬件设计、论文或软件工程。2.课题来源一栏填写：科研、生产或自拟。3.本表一式两份，一份由院系保存，一份由研究所（教研室）保存。 电子系统的数控直流稳压电源的设计摘 要几乎所有的电子系统都要求有稳定的直流电源供电。特别是在厂矿企业和实验室中，直流稳压电源作为一种必备的电子设备得到了广泛的应用。常见的直流稳压电源，大都采用串联反馈式稳压原理，通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。由于电位器阻值变化的非线性和调整范围窄，使普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。而直流电源一般是有电网的交流电经整流，滤波，稳压来实现的。目前，直流稳压电源已朝着多功能和数字化的方向发展，本文是采用AT89C51单片机与桥式整流电路及三端集成稳压器实现对直流稳压的数字化控制，主要突出单片机的控制作用，有较强的使用价值。设计主要从以下三方面做了考虑及选择： 第一，选择三端集成稳压器作为稳压电路并对其可行性进行了仿真测试，验证了其稳压的可靠性（满足稳定度及纹波电压标准）。 第二，选择8279键盘显示接口芯片，具有动态显示驱动电路简单，不占用CPU的时间，可自动进行扫描，且接口方便系统灵活等特点。 第三，逻辑控制用单片机89C51控制驱动继电器去选择电阻网络中相应的电阻，实现了线性电压按0.1V步进的可能，简化了硬件电路，增加了系统的灵活性。 本系统中单片机通过8279键盘显示控制器来监测显示当前输出电压值，并向模拟开关输出当前设定值，从而控制继电器选择电阻网络中相应的电阻并通过稳压电路输出。当键盘中控制电压的增减键被按下时，单片机就会对设定值进行相应的增减操作，并将修改之后的设定值送给模拟开关，更新输出电压为当前设定值。具有输出短路保护及功率器件过热保护功能，能够实现输出电压在2V-20V，调节单位为0.1V，输出电流为1A的数控直流稳压电源，系统具有通用性好，可靠性高，线路简单，成本低廉，使用方便的优点。关键词：单片机，三端稳压集成器，模拟开关，8279键盘显示器，电阻网络DIGITAL DC VOLTAGE-STABILIZED POWER SOURCE OF THE ELECTRONIC SYSTEM DESIGN ABSTRACT Almost all of the electronic systems are required to have a stable direct current power supply. Especially in the mines and laboratory, DC voltage-stabilized power source as a necessary electronic equipment has been widely used. Most Of the common DC voltage-stabilized power sources adopt series feedback regulator theory, by adjusting the output sampling resistor branch of the potentiometer to adjust the output voltage. As non-linear potentiometer resistance changes and adjustments narrow, so for the common DC power supply it is difficult to make the output voltage to achieve the precision adjustments. The DC power supply is usually a grid of AC by the rectifier, filter, and regulator to achieve. At present, the direct current voltage-stabilized source has been moving in the direction of the digital multi-function and development, this paper discusses how to achieve digital control over direct current voltage-stabilized source by using AT89C51, bridge rectifier circuits and integrated three-terminal DC Voltage Regulator. The main highlight the role of the Single chip Microcomputer control effect, and have stronger use value. Mainly from the following three aspects of design thinking and doing choice: 1. Choose the three-terminal DC Voltage Regulator as voltage-stabilized electric circuits and its circuit simulation test the feasibility and reliability of the test voltage (stability and ripple voltage standard).2. Select the 8279 keyboard and display interface chip, the dynamic display of driving circuit is simple, do not take up CPU time, can be scanned automatically, and interfaces to facilitate the system flexible. 3. The logic control relay control driver with 89C51 microcontroller to select the appropriate resistor resistor network to achieve a linear voltage by 0.1V step possible to simplify the hardware circuit to increase the flexibility of the system.This system through the keyboard display chip controller 8279 display the current output voltage monitoring, and sent to the analog switch output current value, thereby control relay and resistance of the network voltage output circuit and resistance. When the keyboard control voltage changes in the key is pressed, the microcontrollewill increase or decrease in value of the corresponding operation, and modify the data sent after the output voltage analog switch and update for the current value.With the output power components, short circuit protection and overheating protection function, it can achieve the output voltage 2V-20V, regulator unit 0.1V, output current of 1A. The type of system possesses many advantages.Comparing with other system. It has high reliability and low cost; its lines are simple and it is easy to operate. KEY WORDS: Single chip Microcomputer, Integrated three-terminal DC Voltage Regulator, Analog switches, 8279 keyboard display, Resistance network 目 录 摘 要IIABSTRACTIII前 言1第一章 绪论21.1 直流稳压电源的简介及分类21.2 直流稳压电源的常用类型31.2.1 并联型稳压电源31.2.2 串联稳压电源4第二章 系统方案论证与比较72.1 晶体管串联式直流稳压电路72.2 功率放大稳压电路82.3 三端稳压集成器电路10第三章 系统硬件电路设计123.1 系统组成及原理123.2 整流滤波电路及辅助电源123.2.1 交流电压交换部分133.2.2 整流滤波部分143.2.3 辅助电源中的稳压部分153.3 稳压器和电阻网络163.3.1 三端稳压器LM317介绍163.3.2 稳压器的仿真可行性测试173.3.3 电阻网络183.4 接口和驱动电路193.5 控制电路设计193.5.1 89C51单片机介绍193.5.2 单片机外围芯片连接介绍223.6 8279键盘显示接口电路233.6.1 Inter8279芯片简介243.6.2 8279的编程方法253.6.3 8279芯片的命令273.6.4 8279键盘显示电路介绍30第四章 系统软件设计354.1 主控程序设计354.2 子程序设计36结 论39附录1：系统硬件电路图40附录2：系统程序43参考文献48致 谢49前 言当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的而且在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题。设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。因此,直流稳压电源的研究就颇为重要。目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法，另一种是数字方法。前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用D/A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且可以任意设定输出电压或电流，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，能够有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题。电源采用数字控制，具有以下明显优点： 1、控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。 2、系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过MODEM远程操作。3、易于组成高可靠性的多模块逆变电源并联系统。每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联系统。 第一章 绪论1.1 直流稳压电源的简介及分类当今社会人们极大的享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路-电源电路。大到超级计算机、小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作。当然这些电源电路的样式、复杂程度千差万别。超级计算机的电源电路本身就是一套复杂的电源系统。通过这套电源系统，超级计算机各部分都能够得到持续稳定、符合各种复杂规范的电源供应。袖珍计算器则是简单多的电池电源电路。不过你可不要小看了这个电池电源电路，比较新型的电路完全具备电池能量提醒、掉电保护等高级功能。可以说电源电路是一切电子设备的基础，没有电源电路就不会有如此种类繁多的电子设备。由于电子技术的特性，电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。另外，很多电子爱好者初学阶段首先遇到的就是要解决电源问题，否则电路无法工作、电子制作无法进行，学习就无从谈起。 稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源既然我们谈的是稳压电源的分类，那么首先就应该清楚电源的输出是什么，是输出直流电还是输出交流电。这样第一个层次就出来了，首先应该根据电源的输出类型来分类。接下来的分类就要麻烦一些，是按稳压电路与负载的连接方式分类还是按调整管的工作状态分类呢？其实了解一下我们身边的电子设备会发现实际应用中稳压电源有两个区别很大的种类，一种是各种比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源，比如收音机、小型音响等；一种是各种复杂电子设备中广泛使用的开关稳压电源，比如大屏幕彩电、微型计算机等。这样看来第二个层次的分类我们可以根据调整管的工作状态来分类。接下来的第三个层次的分类就是根据稳压电路与负载的连接方式来分类。再往下面细分由于各种不同的电路特性相差太大，就不好一概而论，应该根据每一个具体类别的特性进行分类区分了。 1.2 直流稳压电源的常用类型 经整流滤波后输出的直流电压，虽然平滑程度较好，但其稳定性仍比较差。其原因主要有以下几个方面： 1、由于输入电压不稳定（通常交流电网允许有10的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定； 2、由于整流滤波电路存在内阻，当负载变化时，引起负载电流发生变化，使输出直流电压发生变化； 3、由于电子元件（特别是导体器件）的参数与温度有关，当环境温度发生变化时，引起电路元件参数发生变化，导致输出电压发生变化； 4、整流滤波后得到的直流电压中仍然会有少量纹波成份，不能直接供给那些对电源质量要求较高的电路。 所以，经整流滤波后的直流电压必须采取一定的稳压措施才能适合电子设备的需要。常用的直流稳压电路由串联型和并联型稳压电路。 1.2.1 并联型稳压电源 并联型稳压电路中常见的是硅稳压管和晶体管并联稳压电源。并联稳压电源的优缺点如下： (1) 并联稳压电源的优点 有过载自保护性能，输出断路时调整管不会损坏。 在负载变化小时，稳压性能比较好。 对瞬时变化的适应性较好。 （2）并联稳压电源的缺点 效率较低，特别是轻负载时，电能几乎全部消耗在限流电阻和调整管上。 输出电压调节范围小。 稳定度不易做得很高。 其实并联稳压电源的这些优点对于串联稳压电源而言，都可以通过采用一些特殊的电路实现。但是并联稳压电源的这些固有的缺点却很难改进，所以现在普遍使用的都是串联稳压电源。 1.2.2 串联稳压电源 并联稳压电源有效率低、输出电压调节范围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源正好可以避免这些缺点，所以现在广泛使用的一般都是串联稳压电源。常见的有串联负反馈稳压电源和开关电源，本文主要用的是串联线性稳压电源。其中串联负反馈是在简易串联稳压电源的基础上发展起来的，由于简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节，当需要改变输出电压时必须更换稳压管，造成电路的灵活性较差；同时由输出电压直接控制调整管的工作，造成电路的稳压效果也不够理想。所以必须对简易稳压电源进行改进，增加了一级放大电路，专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程，所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频（50Hz)上,所以重量较大。 该类电源优点是稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路，输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。1.3 直流稳压电源的技术指标 直流稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，反映直流稳压电源的固有特性，如输入电压、输出电压、输出电流、输出电压调节范围；另一类是质量指标，反映直流稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内阻（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。 1、特性指标 （1）输出电压范围 符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。 （2）最大输入输出电压差 该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。 （3）最小输入输出电压差 该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入输出之间的电压差值。 （4）输出负载电流范围 输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标规范所给出的指标。 2、质量指标（1）电压调整率Su电压调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压Vi变化时直流稳压电源输出电压Vo稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。 （2）电流调整率Si电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流（输出电流）变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。 （3）纹波抑制比Sr 纹波抑制比反映了直流稳压电源对输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰峰值与输出纹波电压峰峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表示。（4）温度稳定性K 集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内（TminTiTmax）直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。 3、极限指标 （1）最大输入电压 它是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。 （2）最大输出电流 它是保证稳压器安全工作所允许的最大输出电流。 第二章 系统方案论证与比较 2.1 晶体管串联式直流稳压电路 晶体管串联型稳压电路如下图2-1所示，其整流滤波部分是由四个二极管构成的桥式整流滤波，稳压部分有调整管（晶体管T1），比较放大管T2，R1既是T1的偏置电阻，又是T2集电极负载电阻；取样电路R3，R4，R5，基准电压D组成。其稳压原理：当电网电压波动或负载引起输出直流电压发生变化时，取样电路取出输出电压的一部分送入比较放大器，并与基准电压进行比较，产生的误差信号经T2放大后送到调整管T1的基极，使调整管改变其管压降，以补偿输出电压的变化，从而达到稳定输出电压的目的。 图2-1 晶体管串联式负反馈稳压电源电路 根据本设计任务的要求，首先想到要实现输出电压的数字控制和数字显示，可利用数模转换器（DAC）和数字逻辑控制电路来控制通常的线性稳压电源。由此在图2-1的基础上可得出如图1-2所示的方案一的原理框图。该电路中，输出电压U0经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与数模转换器基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压Ui发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压为恒定值（稳压值）。本方案中的逻辑控制部分若采用中小规模器件来实现，将比较繁琐而且对可靠性及抗干扰能力会带来一些影响。虽然逻辑控制电路功能完全可以用单片机来实现，这样即使有些浪费，但可使本系统的功能便于扩展。 整流滤波显示单元逻辑控制调整管误差放大DAC保护电路取样 图2-2 方案一的原理框图 2.2 功率放大稳压电路 本方案的主要特点是输出部分不再用传统的调整管。在方案一中使用DAC可以方便实现一个程控电源的基本功能，电路如图1-3所示。图中的数字量X1、X2、Xn可以由拨盘开关设定或用单片机来控制。输出电压为： 但这样的简单电路，输出功率较小，满足不了本设计任务的要求。设计因此可在此电路基础上再加以功率放大，可得如图1-4所示的方案二的原理框图。 图2-3 用DAC实现程控电源的基本功能电路 方案中的功率放大可用运放作前级，再用分立元件的功率放大器，也可采用集成芯片。由于功放输出的波形与DAC输出波形相同，因此该系统除能输出直流电压外，还可以很容易地实现具有功率输出的信号发生器。 键盘功率放大保护电路输出DAC输出显示单片机接口电路数码显示辅助电源 图24 方案二的原理框图 图2-4中的功率放大电路一般用下图2-5所示电路作为稳压中的电路。 图2-5 功率放大及检测电路 通过负比例环节，调整输出值，用大功率晶体管提高输出功率，以满足负载要求。用小电阻取分压来检测电流值。同样采用比例环节来反馈输出的电压真实值。 2.3 三端稳压集成器电路 集成稳压器选用LM317，其输出电压范围为：1.2V37V可调，其芯片内有过渡、过热和安全工作区保护，最大输出电流可达1.5A。而本方案中的输出电压、电流值并不是很大，输出电压可调范围也并不是很宽，因此当前已有的三端集成稳压器LM317能满足要求，而且这类芯片内部都有过流和热保护电路，价格也不贵，所以用这种芯片为主题来组成所要求的系统是比较合理的。其基本稳压电路如下图2-6所示。 图2-6 LM317的基本稳压电路其中，决定LM317输出电压的是电阻R1、R2的比，假设R2是一个固定电阻。因为输出端的电位高，电流经R1、R2流入接地点。LM317的控制端消耗非常少的电流，大约为50微安，可忽略不计。所以，控制端B的电位是IR2,又因为LM317 控制端B、 输出端接脚间的电位差为1.25 V，所以Out(输出）的电压为： （1-1）而流经R1、R2中的电流不小于5毫安，因此必须正确选择R1，使电流不小于5毫安。有上述公式1-1知，只要调节R2的大小就可以改变输出电压的大小。若把R2设计成一个电阻网络，用开关或者继电器来切换其阻值，就可实现数控输出电压的任务，电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，因为电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。图2-6中的二极管D1、D2后，可为负载电容的存储电荷提供一条放电通路，起到一定的保护作用。逻辑控制部分采用单片机系统使功能比较灵活，硬件电路结构比较简单。从而可基本上得出方案三的原理框图，如下图2-7所示。 图2-7 方案三的原理框图 总上三节的三种方案所述，决定选用方案三来完成本设计的任务。 第三章 系统硬件电路设计3.1 系统组成及原理 本文是一个实用的数控稳压电源系统。第2章中的图2-7为单片机控制的数控稳压电源方框图，稳压电源硬件电路主要由整流滤波电路、稳压电路、电阻网络、接口驱动电路、键盘显示电路及单片机构成。整流滤波与稳压电路采用桥式整流及三端集成稳压器构成，集成稳压器采用LM317，其输入端电压为24V。键盘显示电路采用中断控制芯片8279驱动键盘及八段LED显示器 。继电器的控制信号及相关输出参数都是经由AT89C51控制输出，电路可输出控制四路开关量，并可扩展至八路及以上开关量。稳压电源输出电流1A；输出电压为2V20V，单位调节幅度为01V；电压稳定度小于0.2，纹波电压小于1OmV。稳压电源还具有输出短路保护及功率器件过热保护功能。 本系统的具体工作原理过程：单片机通过8279键盘显示控制器既可以输入任意初始值，又可以通过功能键和数字键配合输入相应的改变量，而且还可以监测显示当前输出电压值。同时向模拟开关输出当前设定值，从而控制继电器吸合电阻网络中相应的电阻并通过稳压电路输出。当键盘中控制电压的增减键被按下时，通过确认键来输入改变值，单片机就会对设定值进行相应的增减操作，并将修改之后的设定值送给模拟开