通信工程毕业设计数控直流稳压电源设计.doc

2016届通信工程专业毕业设计（论文）本 科 毕 业 论 文题 目：数控直流稳压电源设计作 者：xxxxx学 号：xxxxxx所属学院：电子工程学院专业班级：通信工程2班指导教师：李穗职 称：副教授完成时间：2016 年5 月12 日文达学院教务处制独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名： 日期： 年 月 日论文版权使用授权书本人完全了解安徽文达信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意安徽文达信息工程学院学院可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)学生签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日数控直流稳压电源设计摘 要在日常生活和工作中，需要一个电源为使用的手机、电脑、pad、无线路由器等设备供电，普通电源在人们实际工作中所产生的误差，它的输出精确度以及稳定性的达不到要求，有时候会让整个系统的测量精确度、以及输出结果的准确性都受到极大影响，从而影响用户的使用体验，所以应当设计数控直流稳压电源满足人们的需求。本系统以 AT89S52 单片机作为系统的核心，由键盘和显示器接口电路、稳压输出电路、过流保护电路、输出电压种类扩展电路、输出显示电路等几个部分组成。该系统实现了 输出电压：范围 -9.9 9.9 V，步进0.1V，纹波不大于10mV；输出电流：1A以上；输出电压值由数码管显示。输入模块的按键按下之后，对单片机就有了一个输入，单片机将输入的数字一方面给显示模块，让它们在数码管中显示出来；另一部分输给DAC0832，让它转化为模拟量电流输出，通过运算放大器将这模拟量转化为相应的电压，经过放大后实现输出和译码显示，从而实现输出电压的控制。 关键词： 数控直流电源，功率放大，过流保护吴益才：数控直流稳压电源设计Digital DC Voltage-stabilized Power SourABSTRACT In our daily life and work, we all need to a power supply for the mobile phone, computer, pad, wireless routers and other equipment, power supply, ordinary power in our practical work generated the error, the output accuracy and stability of not up to our requirements, sometimes makes the measuring accuracy of the whole system, and outputs the result accuracy are greatly affected, thereby affecting our experience, so we should design NC DC regulated power supply to meet the needs of our. This system to AT89S52 microcontroller as the core of the system, by keyboard and display interface circuit, voltage stabilizing output circuit, over flow protection circuitry, expansion of output voltage, output display circuit, and several other parts. The system realizes the output voltage: scope - 9.9 9.9 V and step in 0.1V, ripple less than 10mV. Output current: 1A above; the output voltage value by the digital tube display. After pressing the button input module, the microcontroller has an input, SCM will enter the digital to display module, let them in the digital tube display; another part of the lost to DAC0832, let it transformation for the analog current output, through the operational amplifier will this converted to analog voltage, after amplification to achieve output and decoding revealed, in order to realize the control of the output voltage.KEY WORDS: digital control DC power supply, power amplifier, over current protection2016届通信工程专业毕业设计（论文）目 录1 引 言11.1 数控直流稳压电源的研究背景和意义11.2 国内外的研究现状11.3 本文的主要内容22 数控直流稳压电源硬件电路设计32.1 设计要求和系统方框图32.2 主控模块设计32.2.1单片机选型32.2.2 主控模块电路52.3 键盘和显示器接口电路62.4稳压输出电路72.4.1主电路的工作原理和参数计算72.4.2 过流保护电路82.4.3 扩展输出负电源92.4.4扩展输出电压种类92.5 电源设计102.5.1 15V电源（0.7A）102.5.2 +5电源（1A）113 软件设计124 测试结果和结果分析134.1 功能测试144.2系统指标测试144.3系统误差分析145 结论16主要参考文献17附录A 软件程序18附录B 硬件电路22致 谢232016届通信工程专业毕业设计（论文）1 引 言1.1 数控直流稳压电源的研究背景和意义在当下这个信息技术高度发达的社会环境下，随着计算机技术以及电子通信技术的快速发展，现代的电源技术已经逐步成为一种融合多方面技术，并且涉及到诸多学科领域的综合技术，其中囊括了电气、电子集成、系统、物联网、移动互联网，智能家居等技术，还有工业控制理论学、材料学等等。电源技术与现今的科技与经济发展关系日益密切，在各行各业所需求的电子产品中被广泛应用，也是一种具有很强实践性的数字电子信息技术，因此，可以预计到今后在国内外的发展前景十分广阔。但是从实际应用的这个方面来看，普通电源在人们实际工作中所产生的误差，有时候会让整个系统的测量精确度、以及输出结果的准确性都受到极大影响，最后导致整个工作产生偏差从而影响良品率等等，这也给电源的稳定性和适配性等提出了更高的要求。同时，在日常生活中，人们使用的都是普通电源，它经常会造成许多无法预估的后果，所以电源的数字化控制无疑是人们改进的目标之一,它所给人带来的便利也是不言而喻的,这其中数控直流稳压电源就是一个典型案例,人们对它的输出精确度以及稳定性的要求也越来越精益求精，对输出条件要求更加苛刻。数控直流稳压电源主要用微处理器等配合其它控制器件控制电源的电压输出，实现输出可调，高精度输出，过载保护，数字显示等。数控稳压电源调节的范围大，采用高精度的D/A转换器。同时步进可调，这种高精度的的数控稳压电源可以满足对电源要求比较高的场合。数控稳压电源要具有完整的保护电路，并且直流稳压电源在输出电压时发生短路及异常工作状态的时候自动运行中断保护程序，避免电路的损坏，而且重置后能立即正常的工作而不影响工作效率。1.2 国内外的研究现状电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。随着对系统更高效率和更低功耗的需求1，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展2。从80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构3，直流/直流电源行业正面临着新的挑战即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。然而，早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。而如今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化4。1.3 本文的主要内容本系统以 AT89S52 单片机作为系统的核心，由键盘和显示器接口电路、稳压输出电路、过流保护电路、输出电压种类扩展电路、输出显示电路等几个部分组成。该系统实现了 输出电压：范围 -9.9 9.9 V，步进0.1V，纹波不大于10mV；输出电流：1A以上；输出电压值由数码管显示。输入模块的按键按下之后，对单片机就有了一个输入，单片机将输入的数字一方面给显示模块，让它们在数码管中显示出来；另一部分输给DAC0832，让它转化为模拟量电流输出，通过运算放大器将这模拟量转化为相应的电压，经过放大后实现输出和译码显示，从而实现输出电压的控制。2 数控直流稳压电源硬件电路设计2.1 设计要求和系统方框图数控直流稳压电源基本要求：数控稳压电源需要有一定输出电压调节范围，功能操作方便，控制精度高，可控范围在0到+9.9V，步进0.1V；输出电压值能够进行译码显示，电压稳定度高；由“+”控制输出电压的步进增，由“-”控制输出电压的步进减。设计主要由数字电路构成，把220V的民用交流电经过变压、整流、滤波调整后输出，输出电压是通过LF356放大比较，矩阵键盘给单片机AT89S52输入数据，预置拨码开关输入控制，经过DAC0832转换输出电压，然后通过LF356运放放大比较，输出0-9.9V电压，并显示在数码管上，框图如下图1所示。AT89S52单片机最小系统预置电路键盘显示器接口显示键盘输出功率放大DAC0823基准电压图1 系统设计方框图2.2 主控模块设计2.2.1单片机选型单片机的控制是此次数控稳压电源设计的核心部分，选用单片机AT89S52，单片机AT89S52是Atmel 公司生产的常用芯片。单片机AT89S52在电子相关产业中有着无法比拟的影响力和应用场景，此次设计选用AT89S52主要是以下几个原因：指令系统兼容性强、低电压低功耗、处理计算性能高、拥有256 bytes的RAM（随机存取存储器）5。单片机的核心部件是CPU（中央处理器）、内存、内部和外部总线系统，它可以执行和运算操作各种类型的命令，其中CPU的主要由运算器和控制器组成。运算器是加工处理数据的部件，运算器电路的功能是进行逻辑运算和算数运算，包括累加器、状态寄存器、通用寄存器、ACC（累加器）、ALU（算数逻辑单元)等几个部件，核心部件是ALU。控制器电路主要协调单片机各个部分的正常操作，完成指挥以及控制电路的运行，它主要包括程序计算器PC、指令寄存器（IR）、指令译码器或操作译码器、脉冲源及启停线路、时序控制信号形成部件等等。AT89S52内有两个16位的定时/计数器(T0和T1），当通过外部触发并且对外部的触发脉冲进行计数就是计数功能，而通过对特殊寄存器赋值而对内部中断脉冲进行计数时，对应脉冲的间隔时间计数就定时功能。AT89S52的数据存储器是电路运行中的程序的临时数据存储媒介，它与外接的程序存储器的寻址空间是相互独立的。AT89S52并行的I/O口的每一条I/O线都能够独立的作用于输入或者输出。AT89C52一共有四个8位I/O口，P1是一个三态双向口，可以带八个TTL门电路；而P1、P2、P3是准双向口，具有四个TTL门电路的负载能力。AT89S52的串行I/O口具有一个双全工串行通信接口，它采用异步串行的工作方式，收发数据可以同时互不干扰的进行。图2 AT89S52引脚图AT89S52的中断控制系统由两个外部中断、两个计数/定时器中断以及一个串行口中断组成，它共有五个中断源。AT89S52内部有一个时钟震荡电路，时钟电路会产生时钟脉冲序列。产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号，并且完整的时钟震荡电路需外接晶体振荡器和微调电容。如果电路需要接振荡器，那么震荡器必须接地，并且其中振荡器可供选择的频率范围1.2MHz-12MHz。2.2.2 主控模块电路AT89S52最小应用系统包括一片地址译码器74LS138以及一片AT89S52的CPU芯片。AT89S52的P1.0-P1.3接拨码开关的输出送入74LS157后的选择数据，电源加电时，在初始化程序中CPU读取预置值，根据预置值输出电压控制字，从而实现开机预置。如图3 的AT89S52单片机基本系统原理图所示。图3 AT89S52单片机基本系统原理图2.3 键盘和显示器接口电路键盘和显示器电路如图4所示。键盘和显示器电路选用INTEL公司设计生产的通用的可编程键盘和显示器接口电路芯片的82796。8279芯片具有这次设计键盘和显示器接口电路所需要的多项功能，它能够自动扫描键盘和显示器的状态，随着实时命令以及电路状态进行动态的显示，并且可以自动识别闭合键号以及防止抖动等功能。图4 键盘/显示器电路数控稳压电源的设计所采用的输入键盘为4*4的键盘，16个按钮开关此次设计使用了15个，其中不仅仅有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个数字按键，还设置了+0.1（步进增）、-0.1（步进减）、+1、-1、CLC（表示清零）、ENTER使用电源时常用功能。在设计中用了8279的RL0-RL3与设计采用的4*4的键盘相连，作为键盘输入，而SL0-SL3作为扫描输出。因为此设计只使用六个数码管，设计采用3-8译码器74LS138就能满足需要了，所以键盘扫描输出值用了3位，为SL0-SL2。设计中采用了2*4个拨动开关，可以预置2组4位数据，经选择器74LS157，由1Y-3Y输出给CPU P1.1-P1.4，作为输出电压预置数使用。因AT89S52是八位芯片，一次只能输出八位数据，所以预置数也必须是八位，拨码开关一组高为四位，另外的一组为低四位。2.4稳压输出电路稳压输出部分的原理图如下面的图5所示，将主控部分送来的电压控制字数据转换成了稳定电压输出。它主要由数模转换器DAC0832、集成运放OP-07、LF356和晶体三极管VT1(TIP122)、VT2(TIP127)、VT7(9015)、VT8(9014)以及基准电压源LM336-5组成。图5 稳压输出部分的原理图2.4.1主电路的工作原理和参数计算电路电压输出可是0到9.9V内任意设置，步进为0.1V，共100种输入数据。八位字长的D/A转换器具有256种状态，所以能够满足需要。设计中的用两个电压控制字代表0.1V，当电压控制字分别为0,2,4，198时，相对应的电源输出电压为0.0V，0.1V，0.2V，,9.9V。此设计电路选用的是物美价廉而且精度比较高的D/A转换器为DAC0832，选用DAC0832主要原因是其属于电流输出型数模转换器，而且它的输出电流会随输入的电压控制字线性变化。为了得到电压，所以在设计中外接一片运放来实现电流到电压的转换。接入的运放输入端的输入电流对转换精度要求很高（影响很大），如果运放输入端的输入电流为0.1A，DAC0832输出的电流有几十微安的变换，而且在一定的范围内变化，相当于引入了1-2个电压控制字的误差，所以设计为了减小误差应当选用高输入阻抗的运放，例如JFET输入的运放LF356或者0P07，他的输入电流基本可以忽略，所以对回路造成的误差很小。由于DAC0832还需外接基准电压，并且该基准电压的性能决定了设计输出电压的性能，所以必须要求基准电压能够达到高稳定度和低纹波的特性，综合考虑之下，设计用LM336-5作为基准电压源是比较合适的选择。为了适应设计的电路，将DAC0832接入5V基准电压，D/A转换电路的满幅输出为5.0V，可是设计电压控制字为255，但是实际用到的最大电压控制字为198，因此数模转换器部分最大输出电压为UMAX=(198/255)*5.0=3.882V将它写为Ui=（UREF/28-1）*Di数模转换部分输出电压Ui作为电源功放级的输入电压。数控稳压电压中的功放级由IC3（LF356）和VT1(TIP122)、VT2(TIP127)来形成，他们构成闭环推挽输出电路，而该电路又属于典型的电压串联负反馈电路。根据电路图于是可以得到输出电压U0与输出电压Ui 的关系式：U0=1+（RP1+R3）Ui代入上式，得U0=1+（RP1+R3）（UREF/28-1）*Di当Ui=3.882V，R2=10k，R3=9.1k，U0=9.9V，由上述方程可得RP1=6.402k。先选用RP1=10k的精密多圈电位器。当CPU的输入电压控制字（100111100）2=（198）10时，Ui=3.882V，调节RP1使U0=9.9V。2.4.2 过流保护电路在上面图5中，VT7(9015)、VT8(9014)与电阻电容串并联构成的过流保护电路，电路正常工作时，上图右上方的VT7(9015)截止，而VT7(9015)集电极的电平为-15V，从而使得VT8(9014)截止，最后在电路A点输出高电平，从而不断触发中断。当电路输出电流过大时，电路中的取样电阻R16的电流流过负载的电势差大于0.75V。可以通过调节RP3使得VT7(9015)的UBE大于0.6V时，则VT7(9015)会导通，VT7(9015)的集电极的电平会增高，于是VT8(9014)也会被导通，电路中的A点呈现低电平，从而触发AT89S52中断，执行设计中断保护程序。2.4.3 扩展输出负电源在上面设计图5的情况下，数控电源的输出电压只能为0-9.9V，不能输出负电源，只要对上图稍加改动便能扩充负电源，具体电路如下面图6所示。图6 负电源扩展电路从改动之后的电路图可以看的到，为了扩展负电源输出，只要将一个一级反相加法器接在D/A转换器的转换端口8后，则该电路的输入电压U0与输出电压Ui的关系为U0=-（Ui/R2 +Ur/R1）R4=-2Ui+3.882（V）这样一来输出电压的变化范围就为-3.882至3.882V，所以扩展了负电源。2.4.4扩展输出电压种类下列两种方法都可以扩展整个系统输出的电压种类（比如：正弦波、矩形波、三角波等等）行之有效的方式。方法一：对于芯片的选择是使用专门的波形发生器的芯片，比如LM324，这种芯片可以产生设计需要的正弦波、矩形波、三角波以及锯齿波，接着通过使用选择开关进行一个波形的所需要的选择输出，原理如下面的方框图所示。然后将所选择的波形的输出电压连接的功放级的输入端便可以得到所要求的各种波形的输出电压。选择开关LM324 波形输出方法二：采用DDS的技术(DDS信号发生器采用直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis，简称DDS)技术9)，DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成10。时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数11。之后将波形的数据（或者称作函数表）存储在RAM的储存的芯片中，量化后的波形数据从CPU里面送出来，最后所需要的相应的波形便可以在输出端得到。此次设计采用的是第二种扩展输出电压种类的方法。2.5 电源设计2.5.1 15V电源（0.7A）15V电源电路如下图所示。图7 15V电源电路原理图对于滤波电容的选择，要考虑到三点：整流管的压降、7815/7915的最小电流流过负载的电势差Ud、电网波动10%。由此可计算得到允许纹波的峰-峰值。rt=18*2（1-10%）-0.7-Ud-15=4.9（V）接近似电流放电计算，并设=0（通角），则C=(I*t)/u=（0.7*1/100）/4.9=1430（F）所以选取电容为C=2200F/30V2.5.2 +5电源（1A）+5电源电路如下图所示，计算允许的最大纹波峰-峰值。rt（max）=9*2（1-10%）-1.4-2.3-5=2.76（V）C=(I*t)/u=（1*1/100）/2.76=3600（F）所以此次设计采用的滤波电容C=F/16V。图8 +5V供给电源电路原理图3 软件设计开始开机参数初始化ROM中是否预置电压 Y N 扫描键盘判断是否按键按下数控直流稳压电源 吴益才 N Y直流输出并填充相应参数表数码管显示输出过流 N Y执行中断图10 主程序流程图在开机之后，先执行开机参数初始化，再检查是有预置数据，若有则输出预置并显示预置；若无预置，则判断键盘有无输入，若有输入，读取输入值并输出输入电压值以及填充相应参数表，显示输出数值，如无输入，则继续等待输入。接着对输出电压电流检测，送回单片机处理，若过载，系统执行中断，若未过载，继续输出并显示，中断服务程序如下图所示。 中断开始将输出减为0查询外中断是否正常正常 N Y 返回主程序图11 中断服务框图4 测试结果和结果分析4.1 功能测试此次设计的电路相对来说比较简单，我用ISIS Profressional软件已仿真出来，效果比较满意。此次设计的电路在精度和稳定性能上基本符合预期的设想，预期电路输出电压为0-9.9V，在设计过程中巧妙的扩展了-9.9-0V，且在显示输出测量电压值的同时显示预置值，并且输出波纹不大于10mV。4.2系统指标测试ISIS Profressional软件仿真数据如下：输出端空载时（数码显示）：表1 输出端空载时数码管显示数据1234567891011预置电压/V0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.09.9输出电压/V0.001.002.013.014.025.026.037.038.039.049.94输出端带载时（数码显示）：表2 输出端带载时数码管显示数据1234567891011预置电压/V0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.09.9输出电压/V0.000.971.982.993.995.006.017.018.019.029.924.3系统误差分析从电路的系统原理框图可以看得到，系统的误差主要来源于三个方面：（1）DAC0832的量化误差：DAC0832是一个八位的数模转换器，总量程为10V的量化误差为（1/2）LMBS=1（1/2）*（1/28）*1020mA按满度归一化的相对误差为（1/2）*（1/28）=0.2%。（2）基准电压温漂导致的系统温差： LM336在0-40范围内漂移不大于4mV，所以相对误差=2Mv/5mV=0.04%。（3）由于功率放大器导致的误差： 功率放大器导致的误差主要考虑LF356的温漂，主要分为三个部分：基准电压的温漂，它所导致产生的满度相对误差为0.04%；八位的D/A转换附加的量化误差为20mV；功放前级LF356温漂导致引入的附加误差为100V。三种情况产生的误差可以看作是彼此独立的，这样可以计算得到系统的最大误差（没有考虑系统的线性误差）为：MAX=0.04%*UMAX20.1mV 5 结论此次设计预期的要求是首先输入电压范围为0到+9.9V，其次整个系统电路的输出电压需要有显示，但是在设计的过程中，逐渐的复习了相关知识，对知识理解层次也有了变化，可以将预期的要求提升到设计的系统电路的输出电压的范围为-9.9V到+9.9V，为了实现上述几个部件的工作，且能够自行设计一个自制的稳压直流输出电源15V和+5V的电路，而不需要接入相关的电压源，直接接入民用电220V，并且可以得到输出的电流为稳定的额定值：500mA，而且整个设计的系统电路在运行情况下纹波不大于10mV。这次设计我首先确定了硬件电路部分，用ISIS Profressional进行了一个硬件电路图的制作，在制图过程中利用了之前学过的C语言程序设计、数字电路、模拟电路以及汇编语言，因为整个设计需要一个CPU来驱动，所以在做毕业设计的过程中现学了单片机的使用，自学了C语言对单片机的编程。在整个过程中将我之前大学学过的相关知识进行了一个串联，将之前的零碎的知识点，在应用的过程中系统化的理解了相关知识结构，巩固了整个大学所学习的知识，与此同时也在设计过程中提升了自学能力。此次设计的仿真结果比较满意，不过，也因此在这次设计的过程中意识到了自己的知识面太狭窄，知识结构太单薄，设计能力太差，对芯片的了解知之甚少。此次的设计让我了解了之前学习使用的模块电路和芯片电路的功能以及区别，尤其在仿真检测期间，让自己对电路电子元器件的理解和应用更加深刻了。在后期的论文述写方面，也让自己使用办公软件的能力大大提升，特别是在排版输入公式方面，让自己的排版能力大大加强。主要参考文献1邹于丰,基于AT89C2051单片机的温控器系列J.电子世界.2011年,第5期,P392陈跃东. 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