电子毕业论文-数字显示稳压电源

2013 届本科毕业设计（论文）第 1 章 绪论1.1 系统背景“电源”包括电子电源和化学物理电源。 “电子电源”位于电网（市电与负载之间。对由电网获取的电能进行变换和控制，向负载提供优质电能的供电设备。它涉及的范围有多大，业内人士说法不一，本文重点介绍中小功率的电源设备。为了叙述方便，以下简称电源。现在，TI 公司已经研发出了多款数字式 PWM 控制芯片。目前主要是 UCD7000系列、UCD8000 系列和 UCD9000 系列，它们将成为下一代数字显示稳压电源的探路者。它们总体上既包括硬件部分，还要做软件编程。硬件部分包括 PWM 的逻辑部分、时钟、放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动，同步整流的检测和处理等。先进半导体制程技术不但让元件变得更小更快，它们还需要更低 (密度更大) 的供应电压和更高的供应电流；在此同时，最终系统的功能持续提升，体积和平均售价则不断下降。这些因素迫使电源供应设计人员随着产品世代交替不断开发更精确、响应速度更快、效率更高、体积更小和成本更低的电源供应。面对这些问题，传统模拟控制解决方案正逐渐变得束手无策。数字显示的精准和演算法特性可用来发展更先进的演算法以提高系统效能，例如执行非线性控制来改善暂态响应能力。它的高整合度带来精巧而低成本的控制解决方案，可程式能力则会促成硬件平台标准化和软件客制化以提高生产效率和加快新产品上市时程。传统模拟控制使用比较器、误差放大器和模拟调变器等零件来调整电源输出电压。虽然这些为人熟知的电路架构已经使用数十年，它们仍受到许多限制。举例来说，模拟控制电路因为使用许多零件而需要很大空间，这些零件值还会随着使用时间、温度和其它环境条件而变动并对系统稳定性和响应能力造成负面影响。模拟控制的控制响应特性是由离散零件值决定，因此无法为所有电源值或负载点提供最佳化控制响应；除此之外，模拟系统的测试和维修都非常困难。数字控制显示型交换式电源供应的灵活特性让它们在许多方面胜过模拟技术。数字控制和模拟控制一样都採用闭迴路回授控制理论来稳定电源供应的输出电压，只不过数字控制型电源供应会用模拟数字转换器把模拟参数 (输入和输出电压以及电流等) 转换成数字，然后完全在数字域里对这些参数进行必要处理。它会立即将输出电压转换成数字资料并传送给数字控制器，再由数字控制器利用这些资讯计算新的控制输出。2013 届本科毕业设计（论文）相较于模拟控制器，在数字域执行控制计算可以提供许多优点。数字的演算特性使它能发展出更复杂的控制演算法，例如即时改变控制响应特性让电源供应在各种输入电压或负载点下都能达到最理想的操作结果。数字化电源供应还具备完整的可程式能力，这使它们的修改非常容易。数字控制可以省下原本需要外接的临界值设定和时序零件，不但节省成本和电路板面积，还能避免离散被动元件的生产变异、温度梯度和零件公差等问题。它还能发挥各种经济优势，包括更低成本、更大的最终产品市场和更多的使用者 IP 内容。还能让硬件平重复使用、加快上市时程以及减少开发成本与风险，例如我们可以利用一种硬件平台设计多种电源供应，再透过不同轫体满足各种最终系统的独特要求。这种弹性可以加速上市时程和减少库存，设计人员只要修改轫体就能发展出不同的电源供应。由于电源产品应用的广泛性，电源市场的统计比较困难。国外有的利用功率器件的生产情况推算电源的产量，在中国销售的功率器件以及电源产品相当一部分从国外进口，而且销售渠道很多，因此国内电源市场的统计更加困难。中国电源产业的发展现状近 10 年来，中国电源产业无论是电源技术还是产业的规模，都发展到前所未有的阶段，成为社会各界关注的行业。中国电源产业发展的推动力：电源是各种电设备的动力装置，是电子工业的基础产品，经济建设和社会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展，特别是以下几方面更是起到了推动作用。信息产业的发展：近十年来中国的信息产业以其它行业三倍的速度发展，“九五”期间，中国对电子工业的投资比重由过去五年的 2.2，提高到5.4，投资规模达到 4293 亿元，比过去五年增长近 12 倍，因此成为电源产业发展的强大推动力。近几年移动通信的发展很快，各种信息网络大发展，如国际互联网、通信网、广播电视网、金融信息网，就连铁路、民航售票也形成网络，被人们称为网络时代，各种网络的正常运行，必须要有可靠的电源系统作保障。传统工业的改造：国民经济经过 20 多年的 迅速发展，许多传统工业系统要进行改造，设备需要更新换代，大量先进的电子技术和设备被采用，这不仅对供电质量提出了更高的要求，而且要求电源产品小型化、智能化、高效率、高可靠、无人值守等，一些老的配套电源设备已经不符合要求，将逐渐被淘汰。节约能源：随着经济的发展和科学技术的进步，节约能源、保护环境已经被社会各界所重视。电源是节约能源的重要环节，经过电力电子 和电源技术处理之后的电力供应，节能效果明显。例如家用电器的待机损耗，人们往往不重视，耗电相当大。据美国统计，这种损耗每年有 3554 亿美元，德国环保机构调查，在德国这种损耗每年有 23 亿美元，超过柏林全年的用电总和。采用新的节能芯片之后，可把（510）w 的待机损耗降低到（12）w,甚至更低。节约电力，就减少了不可再生的一次资源（如煤炭、石油）的消耗，而且减少了2013 届本科毕业设计（论文）大气污染。电源产品的小型化还可以节约大量的铜、铁等原材料。所以，电力电子技术的发展是一个国家技术进步的重要标志。有的专家预言：人类未来的福祉将经由能源电子技术的突破而实现。中国电源产业的规模有以下特点：中国电源企业主要分布在三个区域，一是珠江三角洲，主要是深圳、东莞、广州、佛山等地，二是长江三角洲，主要是上海、苏南、浙江的杭州和温州一带，三是北京及周边地区，武汉、西安、成都等地也有一定分布。由于电源产品的广泛性和产品的多样性，就形成了电源产业布局的分散性，各个部门、各个领域几乎都进行电源产品的开发生产。也因此，各个档次的电源产品都有一定的生存空间，而且电源技术的门槛比较低，投资相对比较小，所以大量的民营的中小企业几乎遍布全国。1.2 系统概述本课题设计的数显稳压源，电源电路部分采用的是 LM317 集成稳压电路，输出前经过 ADC0809 作为模数转换器件，89S51 提供四位七段集成数码管的驱动，由用单片机 AT89S51 与 ADC0809 设计的一个数字电压表，能够测量 05V 之间的直流电压值，四位数码显示。ADC0809 是 MOS 型 A/D 转换器 可实现 8 路模拟信号的分时采集，片内有 8 路模拟选通开关，以及相应的通道地址锁用译码电路，其转换时间约为 100us。LM317 集成稳压器输出电流为 2.2A，输出电压范围为1.2537V。其 1，2 脚之间为 1.25V 电压基准。为保证稳压器的输出性能，R1 应小于 240 欧姆。改变 R2 阻值即可调整稳压电压值，D1，D2 用于保护LM317。Uo=(1+R2/R1)*1.25 该线路可调电压 1.25V-20V,输出电流 1.5A，需要加装足够面积的散热片。LM317 内部有过压保护、过热保护、短路保护等，线路设计还增加反向电动势抑制功能，完全适应 DC 模型机车及其它小功率用电器使用，调节平滑，制作和使用都很方便。2013 届本科毕业设计（论文）第 2 章 方案论证2.1 引言稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。设计采用 LM317 芯便构成集成稳压电路，电路简洁，易懂，输出不仅可以在 030V 的范围内连续可调,而且它有良好的稳压性能,较高的调整灵敏度。可以作收音机、录音机、游戏机的外接电源,也可作液晶彩色电视机或小型黑白电视机的外接电源。2.2 输出电源部分直流稳压电源一般由电源变压器，整流滤波电路及稳压电路所组成，各部分电路，各自完成自己的工作，将 220V 的交流电转换为稳定输出的直流电。基本工作电路如图 1-1，图 1-2 所示：图 1-1 电源框图图 1-2 实际电路图直流稳压电源的技术指标特性指标：输入电压、输出电压、输出电流、输出电压范围。质量指标：稳压系数、温度系数、输出电阻、纹波电压，它们的定义式为：2013 届本科毕业设计（论文）其中稳压系数 的定义是负载固定时输出电压的相对变化量与稳压电路的输入电压的相对变化量之比。温度系数 ST是反映温度变化对输出电压的影响；输出电阻 RO反映负载电流变化对输出电压的影响 ；纹波电压是指稳压电路输出端交流分量的有效值，它表示输出电压的微小波动。可见，上述系数越小，输出电压越稳定。2.2.1 电源变压器部分电源变压器 T 的作用是将电网 220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压 Ui。变压器副边与原边的功率比为 P2/ P1=，式中 是变压器的效率。可根据稳压器的输入电压 ，确定电源变压器副边电压 u2 的有效值 U2；根据稳IU压电源的最大输出电流 I0max，确定流过电源变压器副边的电流 I2 和电源变压器副边的功率 P2；根据 P2，查出变压器的效率 ，从而确定电源变压器原边的功率P1。然后根据所确定的参数，选择电源变压器。副边功率P/vA10 10-30 30-80 80-200效率 0.6 0.7 0.8 0.852.2.2 整流滤波电路一、单相整流电路整流电路是小功率直流稳压电路电源的组成部分。其主要功能是利用二极管的单向导电性，将正弦交流电转变成单方向的脉动直流电。常用的整流电路有：1、半波整流电路半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压 Vo只有半个周期可以到达负载，造成负载电压 VL是单方向的脉动直流电压，如图 1-3 所示。图 1-3 半波整流框图主要参数：2013 届本科毕业设计（论文）2、全波整流整流电路利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如下图所示的全波整流电路。从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。如图 1-4。图 1-4 全波整流框图全波整流的特点：输出电压 VO高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高。主要参数：3、桥式整流电路桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，使在电压 V2的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压。图 1-5 桥式整流原理图主要参数：本设计就是采用的这种最常用的桥式整流方式。2013 届本科毕业设计（论文）二、滤波电路从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和 RC 滤波等。1、电容滤波电路图 1-6 电容滤波波形图图 1-6 分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。这里假设 t100mcd）；把发光强度在 10100mcd 间的叫高亮度发光二极管。一般 LED 的工作电流在十几 mA 至几十 mA，而低电流 LED 的工作电流在 2mA 以下（亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。2.4.3 LED 显示器的参数2013 届本科毕业设计（论文）由于 LED 显示器是以 LED 为基础的，所以它的光、电特性及极限参数意义大部分与发光二极管的相同。但由于 LED 显示器内含多个发光二极管，所以需有如下特殊参数：1发光强度比由于数码管各段在同样的驱动电压时，各段正向电流不相同，所以各段发光强度不同。所有段的发光强度值中最大值与最小值之比为发光强度比。比值可以在 1.52.3 间，最大不能超过 2.5。2脉冲正向电流若笔画显示器每段典型正向直流工作电流为 IF，则在脉冲下，正向电流可以远大于 IF。脉冲占空比越小，脉冲正向电流可以越大。本设计的输出显示部分由 7805 提供驱动，把 ADC0809 传输到的数字量经由89S51 单片机通过四位七段数码管显示出来。第 3 章 硬件电路设计2013 届本科毕业设计（论文）3.1 直流稳压输出电路电源部分采用 LM317 集成稳压电路，这是一种输出电压连续可调的集成稳压电源，输出电压在 1.2537V 之间连续可调，输出最大电流可达 1.5A。电路简单，很适宜电子爱好者自制，可用于各种小电器供电。LM317 输出电流为 1.5A，输出电压可在 1.2537V 之间连续调节，其输出电压由两只外接电阻 R1、RP1 决定，输出端和调整端之间的电压差为 1.25V，这个电压将产生几毫安的电流，经R1、RP1 到地，在 RP1 上分得的电压加到调整端，通过改变 RP1 就能改变输出电压。注意，为了得到稳定的输出电压，流经R1 的电流小于 3.5mA。LM317 在不加散热器时最大功耗为 2W，加上 2002004mm3 散热板时其最大功耗可达15W。VD1 为保护二极管，防止稳压器输出端短路而损坏 IC，VD2 用于防止输入短路而损坏集成电路。电容 C2 应靠近 IC 的输入端，C3 应靠近 IC 的输出端，这样能更好地抑制纹波。Uo=(1+R2/R1)*1.25。原理图框图如下：图 3-1 输出电路原理图框图LM317 管脚示意图如下：2013 届本科毕业设计（论文）图 3-2 LM317 管脚示意图3.2 ADC0809 简介1.ADC0809 结构简介ADC0809 是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的 CMOS 组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 （1）ADC0809 的内部逻辑结构 图 3-3 ADC0809 结构图由上图可知，ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完的数字量，当 OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2013 届本科毕业设计（论文）（2）. 引脚结构 图 3-4 ADC0809 引脚结构IN0IN7：8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是 05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4 条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE 线为高电平时，地址锁存与译码器将 A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和 C 为地址输入线，用于选通 IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。表 3-1 通道选择表C B A 选择的通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN7数字量输出及控制线：11 条。ST 为转换启动信号，当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当 EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。OE 为输出允2013 届本科毕业设计（论文）许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。 D7D0 为数字量输出线。 CLK 为时钟输入信号线。因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ。 VREF（），VREF（）为参考电压输入。 2 ADC0809 应用说明 （1）ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与 AT89S51 单片机直接相连。 （2）初始化时，使 ST 和 OE 信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通道的地址到 A，B，C 端口上。 （4）在 ST 端给出一个至少有 100ns 宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据 EOC 信号来判断。 （6）当 EOC 变为高电平时，这时给 OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 3.3 输出驱动及显示电路利用单片机 AT89S51 与 ADC0809 组成一个数字电压表，能够测量 05V 之间的直流电压值，四位数码显示。电路连线图如下：图 3-5 电压表连线图2013 届本科毕业设计（论文）四位七段数码管数码管的结构如下：19.014.2(.56 )50.1.308.01012.512.512.52.54*5=12.78.0 0.5112 9 8 605643A05643B12 9 8 615.24图 3-6 四位七段数码管数码管的结构图本次采用共阴极即 05643A，显示管脚顺序：从数码管的正面观看，以第一脚为起点，管脚的顺序是逆时针方向排列。12 9 8 6 公共脚D5-3 D6-3A-11 B-7 C-4 D-2 E-1F-10 G-5 DP-3 DP5-3 DP6-32013 届本科毕业设计（论文）硬件连线如下：a) 把“单片机系统”区域中的 P1.0P1.7 与“动态数码显示”区域中的 ABCDEFGH 端口用 8 芯排线连接。 b) 把“单片机系统”区域中的 P2.0P2.7 与“动态数码显示”区域中的 S1S2S3S4S5S6S7S8 端口用 8 芯排线连接。c) 把“单片机系统”区域中的 P3.0 与“模数转换模块”区域中的 ST端子用导线相连接。 d) 把“单片机系统”区域中的 P3.1 与“模数转换模块”区域中的 OE端子用导线相连接。 e) 把“单片机系统”区域中的 P3.2 与“模数转换模块”区域中的 EOC端子用导线相连接。 f) 把“单片机系统”区域中的 P3.3 与“模数转换模块”区域中的 CLK端子用导线相连接。 g) 把“模数转换模块”区域中的 A2A1A0 端子用导线连接到“电源模块”区域中的 GND 端子上。 h) 把“模数转换模块”区域中的 IN0 端子用导线连接到“三路可调电压模块”区域中的 VR1 端子上。 i) 把“单片机系统”区域中的 P0.0P0.7 用 8 芯排线连接到“模数转换模块”区域中的 D0D1D2D3D4D5D6D7 端子上。 显示输出驱动电路如下：2013 届本科毕业设计（论文）第 4 章 软件设计4.1 概述一. 由于 ADC0809 在进行 A/D 转换时需要有 CLK 信号，而此时的 ADC0809 的CLK 是接在 AT89S51 单片机的 P3.3 端口上，也就是要求从 P3.3 输出 CLK 信号供ADC0809 使用。因此产生 CLK 信号的方法就得用软件来产生了。 二. 由于 ADC0809 的参考电压 VREFVCC，所以转换之后的数据要经过数据处理，在数码管上显示出电压值。实际显示的电压值(D/256*VREF) 4.2 主程序设计主程序如下：ST BIT P2.6EOC BIT P2.5OE BIT P2.3ORG 0000HSTART: MOV R0,#40HMOV R1,#78HCLR AMOV P2,AMOV P3,AMOV A,#0FFHMOV P0,AMOV P1,AWT: CLR STSETB STCLR STMOV R3,#20HDELY: DJNZ R3,DELYWAIT: JNB EOC,WAITSETB OEMOV C,P0.42013 届本科毕业设计（论文）MOV ACC.0,CMOV C,P0.6MOV ACC.1,CMOV C, P0.5MOV ACC.2,CMOV C,P0.7MOV ACC.3,CMOV C,P0.3MOV ACC.4,CMOV C,P0.2MOV ACC.5,CMOV C,P0.1MOV ACC.6,CMOV C,P0.0MOV ACC.7,CCLR OEMOV B,#100DIV ABMOV 78H,AMOV A,BMOV B,#10DIV ABMOV 79H,AMOV 7AH,BMOV DPTR,#TABMOV A,#00HMOVC A,A+DPTRMOV P1,ACLR P3.3LOOP: MOV DPTR,#TABMOV A,R1MOVC A,A+DPTRMOV C,ACC.0MOV P1.2,CMOV C,ACC.12013 届本科毕业设计（论文）MOV P1.0,CMOV C,ACC.2MOV P1.6,CMOV C,ACC.3MOV P1.4,CMOV C,ACC.4MOV P1.3,CMOV C,ACC.5MOV P1.1,CMOV C,ACC.6MOV P1.7,CMOV C,ACC.7MOV P1.5,CINC R1RETLOOP1: CLR P3.4CLR P1.7LOOP2: LJMP LOOPCLR P3.5LOOP3: LJMP LOOPCLR P3.2CLR AMOV P2,ALJMP STARTTAB: DB 3FH 06H 5BH 4FH 66H6DH 7DH 07H 7FH 6FH 00HEND 2013 届本科毕业设计（论文）结束语经过了近一段时间的学习和查找资料，我终于完成了数字显示稳压电源的设计这篇论文。从开始接到论文题目到设计的实现，再到论文文章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从对四位七段数码管的一无所知和对相关软件不很了解的状态，开始了独立的学习和试验，查看相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作品一步步完善起来，每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我兴奋好一段时间。虽然