数控直流稳压电源

本科毕业设计数控直流稳压电源的设计学生姓名： 王佳林 学 院： 应用科技学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 2010级 学 号： 120352010070 指导教师： 王毅 日期：2014-4-28目 录摘要1概述1.1课题背景1.2本设计的主要设计思想1.3 数控直流稳压电源设计研究的意义2 各模块方案的论证2.1 控制方案比较2.2稳压输出方案比较2.3显示部分比较 2.4总体方案框图3.系统的硬件电路设计3.1主控制器模块3.2 稳压输出模块3.2.1稳压控制芯片LM3243.2.2 稳压输出原理与电路3.2.3 调压控制芯片LM317.93.3 按键控制模块3.4液晶显示模块103.4.1 LCD1602主要管脚介绍103.4.2 液晶显示程序设计113.4.3 读写控制时序如表3-3所示123.4.4 1602LCD的一般初始化过程. 133.4.5 LCD1602与单片机连接图.133.5 振荡电路设计模块133.6 复位电路设计模块143.6.1 CPUA内部复位电路143.7 采用分段供电的方法供电153.8 辅助电源设计154. 系统软件设计164.1系统程序设计流程图165.调试结果与分析175.1 测试仪器175.2 测试方法175.3调试过程与分析175.4 测试结果195.5 测试结论196.毕业设计总结206.1 主要成果206.2 展望206.3 经验总结和致谢21参考文献22附录附录1：电子元器件明细表22附录2：系统总体电路图26附录：系统源代码30 数控直流稳压电源设计摘要本设计以现行线性直流电压源为核心，ATMEGABL-8PU单片机为主要控制器，单片机系统是数控电源的核心。它通过运行程序来控制整个电源的工作，来完成设定的功能。通过按键来设置线性直流电源的输出电压，输出电压范围为09.9V（可以根据程序来设定），最大输出电流为1000mA，并可由液晶屏LCD1602显示电路来显示实际输出的电压值。本设计由单片机程序控制输出数字信号，经过ATMEGABL-8PU单片机内部D/A转换器输出模拟量，再经过运算放大器LM324隔离放大,最后输出各种设备所需要的电压。实际测试结果表明，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。【关键字】直流稳压电源；单片机；数控；ATMEGABL-8PU1概述1.1 课题背景电源技术特别是稳压电源技术在工程技术方面的实用性很强，在各行各业里都得到了广泛的应用。直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立元件组成，体积大，效率低，可靠性差，操作使用不便，自我保护功能不完善，故障率高（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏），但在直流稳压电源电路构成相对简单，除变压器外其余器件相对便宜。但在相对要求电路稳定的场合并不建议采用。1.2 本设计的主要设计思想 目前，市场上各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等。本设计将单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节。从组成上，本设计硬件电路主要由单片机、变压器、整流电路、滤波电路、稳压输出电路、D/A转换电路、显示电路等组成。利用D/A转换器和单片机的自动检测技术设计数控电源更显示出其优越性。数控电源既能方便输入，具有较高精度和稳定性，而且在0.0V到9.9V可以任意设定输出电压，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。1.3 数控直流稳压电源设计研究的意义基于单片机的数控直流稳压电源，与传统直流稳压电源相比，具有新颖性、独创性和先进性。它不但能作为常规的电子产品和科学研究实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比。电源采用数字控制，具有以下明显优点：1.采用单片机控制策略和控制方法，体现出电源模块的高程度智能化，更加完美性能。 2.系统升级方便，控制比较灵活，只需修改控制算法，而不必改动硬件线路。 3.系统提高控制的可靠性，更容易实现标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用相同的控制板，而只需要对软件控制部分做出微小调整便可。4.系统电压输出的一致性比较好，成本低廉，方便量产。在要求不高的场合可以大量使用。2 各模块方案的论证2.1 控制方案比较方案一:采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。方案二：采用单片机作为这个系统的控制单元，可以通过LM324的电压调整可以改变系统输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以利用单片机将输出电压经过模数转换，直接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及送至LCD1602显示。显示的电压值便是输出的电压大小。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的大小控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。比较以上两种方案的优缺点，方案一采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，容易造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能，也便于系统功能的扩展。 2.2稳压输出方案比较方案一:采用线性调压电源以改变其基准电压的方式使输出增加/减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响。方案二:使用运算放大器对电压的比较放大由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以大大减小输出端的纹波电压。在方案一中输出的电压很难跟踪电压的快速变化，而方案二不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成产生波形的量化数据，便可以输出多种波形，使系统产生的信号源有一定的驱动能力。2.3显示部分比较 方案一:使用数码管显示使用多位数码管显示，显示不灵活。而且占用较多单片机I/O口。方案二:使用LCD1602液晶显示液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。本方案采用LCD1602，它具有两行显示，每行显示16个字符，采用单+5V供电，外围电路简单，价格较为便宜，具有很高的性价比。而数码管虽然便宜，但显示单调。占用过多的I/O,而ATMEGABL-8PU的I/O较少不建议使用数码管。2.4总体方案框图系统总体方案框图如图2-1所示。图2-1 系统总体方案框图3.系统的硬件电路设计3.1主控制器模块本设计采用PDIP封装的ATMEGABL-8PU芯片为主控制器，如图3-1所示。本单片机具有以下特点：产品种类: 微控制器 (MCU)数据总线宽度: 8 bit系列: AVR程序存储器类型: Flash程序存储器大小: 8 KB数据 RAM 大小: 1 KB最大工作温度: + 85 C封装 / 箱体: PDIP-28最小工作温度: - 40 C图3-1 ATMEGABL-8PU芯片引脚图控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用ATMEGABL-8PU单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。电路图如图3-2。图3-2 单片机控制部分图3-3DAC0832数模转换时序图Clk为时钟端，Data为输入数据，LOAD为输入控制信号。每路电压输出值的计算：REF为参考电压，data为输入8位的比特数据；本设计用的REF为-5v。3.2 稳压输出模块3.2.1稳压控制芯片LM324LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。，内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。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，四组运放相互单独。每一组运算放大器可用如图所示的符号来表示，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相位相反；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同向输入与反向输入见图3-4，LM324引脚排列见图3-5 图3-4 LM324同向输入与反向输入图 3-5 LM324引脚图由于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。3.2.2 稳压输出原理与电路此部分将经过D/A转换后的初始电压转换成设备所需要的特定电压。从单片机引脚输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压电路输出的电压大小单片机输出参考电压成比例。稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图3-6），在电路中， U5ALM324为比较放大器，U5BLM324为运算放大器。当V1=0时，Vo=-1.25V，这时LM317输出为0。Vo=Vi(R19/R18+1) - (5*G17+Vi*G18)/(G17+G18+G21) G为电导。把C25C26值增大，电压纹波会更好。adc0 由R13/R16分压，测量电源的输出电压的。adc1 通过运放U3B放大取样电阻R23上的电压，测量电源的输出电流。图3-6 串联式反馈稳压电路3.2.3 调压芯片LM317LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。3.3 按键控制模块按键控制模块如图3-7所示。本设计中，采用独立按键S1-S5对单片机核心芯片ATMEGABL-8PU进行输入控制。各按键分别一端接地，一端接单片机引脚。实现功能：可以0.1V步进 也可按住开关连续调整， S1是确定键。选择电压后，按确定键，便可输出所需的电压，S2是电压加键，S3是电压减键，S4 S5是电流加减键控制最大输出电流。图3-7 键盘控制电路图3.4液晶显示模块3.4.1 LCD1602主要管脚介绍 显示模块为本设计的重点模块，用于实时显示输出电压值。这里采用1602液晶显示屏，其主要参数为：显示容量（16*2个字符），芯片工作电压（4.5-5.5V），工作电流（2.0mA），模块最佳工作电压（5.0V）。LCD1602共有16个引脚，各管脚的功能表3-2所示。表3-2 LCD1602管脚功能介绍表引脚图符号状态功能1VSS电源地2Vdd电源+5V3V0对比度控制端4RS输入寄存器选择5R/W输入读、写操作6E输入使能信号7DB0三态数据总线（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地说明：V0: 液晶显示器对比度调整端，接正电源的对比度最弱，接地电源是对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。RS: 寄存器选择，高电平时选择数据存储器；低电平时选择指令寄存器。R/W：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平，R/W为低电平时可以写入数据。E： 使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。3.4.2 液晶显示程序设计1.读操作时序：图3-8读操作时序2.写操作时序：图3-9 写操作时序3.4.3 读写控制时序如表3-3所示表3-3 读写控制时序表RSR/WE功能00下降沿写指令代码01高电平读忙标志和AC码10下降沿写数据11高电平读数据3.4.4 1602LCD的一般初始化过程1延时15mS2写指令38H3写指令08H：显示关闭4写指令01H：显示清屏5写指令06H：显示光标移动设置6写指令0CH：显示开及光标设置3.4.5 LCD1602与单片机连接图单片机与液晶显示模块之间的连接如图3-10所示。图3-10 LCD1602与单片机连接网络图数据线DB4-DB7连接单片机的16-19脚；RS、E3条控制线分别接单片机的4脚、14脚口。R/W接地，电阻R2用来设置背光的亮度，可用电位器控制。3.5 振荡电路设计模块单片机的工作是在统一的脉冲控制下的进行的。这个脉冲就是由单片机控制器的时钟电路发出的，即时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时钟电路用于产生单片机工作的时钟信号。而时钟电路又各分为两种，即内部时钟方式和外部时钟方式。本文设计采用内部时钟方式此种方式时，单片机内接一个高增益反向放大器构成内部振荡器。引脚XTAL1和XTAL2分别此放大器的输入端和输出端。同时在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器构成稳定的自激振荡器，其发出的脉冲信号直接送入到内部时钟发生器。电容C6和C7通常选择为（30或10）pF左右；外接陶瓷谐振器时则选为47pf左右。电容C6和C7对频率有微调作用。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器可靠地工作，谐振器和电容应安装得与单片机芯片尽可能的近。内部时钟发生器实际上是一个二分频的触发器，该二分频为单片机提供一个二相的时钟信号即相位信号1（P1）和相位信号2（P2），驱动CPU产生执行指令功能的机器周期。这里我们采用的是8MHz晶振，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高，如图3-11所示。图3-11 振荡电路3.6 复位电路设计模块3.6.1 CPUA内部复位电路因为ATMEGABL-8系列单片机采用高电平复位方式，其内部复位电路如图3-12所示，高电平复位脉冲RST引脚输入到内部施密特触发器整形后，送CPU内部复位电路。CPU在每一个机器周期的S5P2相采样施密特触发器的输出端，若为高电平，则强迫机器进入复位状态。为了保证CPU内部各个单元电路可靠复位，RST引脚复位脉冲高电平维持时间必须大于等于2个机器周期（即24个振荡周期）。 3.7 采用分段供电的方法供电继电器用来切换12-24V 切换，减少三端稳压器在过高的工作电压下产生的不必要的功率损耗。3.8 辅助电源设计利用三端稳压器7805、7812、7815产生所需的电源电压以供集成芯片和单片机使用。辅助电源原理图如图3-12所示。变压器产生12V左右的辅助交流电，辅助电源的输入端电源由12V变压器的辅助线圈提供，经过整流桥D整流后经电容C18滤成平稳的12V作为三端稳压器LM7812的输入电源，输出端经过电容C37滤波后就可得到平稳的幅值为12V的直流电。产生的12V直流电压给LM324的正电源端供电。LM7805的输入电源直接由LM7812产生的12V直流电提供，其输出电压也是通过电容C4、C8进行滤波。输出的5V电压作为单片机的供电电源。图3-17中D6，D7是保护二极管，利用三端稳压器7905产生-5V的电压作为LM317的基准电压和LM324的负电源端电压。图3-12 辅助电源4. 系统软件设计4.1系统程序设计流程图此系统中用到ATMEGABL-8PU单片机的部分功能：键盘扩展，程序中断，I/O控制。主程序基本没什么是可做，但因键盘扫描时通过程序查询的方式来实现的，所以在主程序中要调用键盘扫描程序。主程序流程图如图4-1所示，写电压子程序流程图如图4-2所示，键盘扫描处理子程序如图4-3所示。图4-2写电压子程序流程图图4-1主函数流程图5.调试结果与分析5.1 测试仪器万用表，数字示波器。5.2 测试方法在运算放大器7输出端上测量电压；数字示波器测试纹波电压。5.3调试过程与分析在本次毕业设计过程中，由于使用的是ATMEGABL-8PU芯片，这个系列的程序下载只需通过MAX232下载接口就可以。使得本次设计中硬件仿真变的就比较困难，因为如此就得先用万能板先进行单片机外围电路的简易搭接，通过一步一步的调试来达到最后的目的，同时尤其学会了分部调试的思想，这就使得当遇到问题时不会觉得无从下手，不会觉得那么迷茫，使调试变得比较有条理。 在检查完硬件电路没有短路、断路的情况下，接通电源，并且测试各个集成片的电源电压是否符合要求，以及单片机晶振是否起振，只有晶振正常起振单片机才能工作，通过检测，上述情况均正常。 进行调试时方发现屏幕对比度过高，在仔细检查后，发现液晶反视度调节部分电路连接有问题，也就是液晶LCD1602的3脚，这一脚应该连接一滑动变阻器或者一定值电阻来改变对比度，而出现的错误是将这一脚接了低电平电平，这就使得整个液晶屏是混黑的，即使有显示也看不到，角度不同会看到，在意识到这个错误并且改正后液晶立刻正常工作，在硬件调试的过程中还出现一个问题。那就是LM324的负电压（11脚），当我给它一个0电压时。稳压输出只能在5V到9.9V之间。当我给它一个-5V的电压时，输出稳压可以在0V到9.9V之间调整。这个问题现在还一直找不出原因。所以的问题告诉了我们设计电路中一定要仔细，任何一点小错误都有可能导致达不到最后的目的。在调试软件的时候，要有足够的耐性。通常一两次的编译很难成功的。在软件的调试过程中，每一个错误都要认真的推测，有时候只是一些语法错误，也要检查很久。可能还是因为自己的编写软件水平还比较薄弱。程序写的还不够严谨和规范。其中在调试软件的时候有一个问题给我造成了很对的造成了很大的困扰，那就是在各个子程序都没有问题，而最终结果却不象想象的那样，在认真研究以及老师的提点后终于发现了这主要是程序结构的问题，在对程序进行结构调整后，基本上符合要求了。通过这个问题的研究和调试结果，使得明白了一个完整的程序并不是各个子程序的简单相加，尤其要注意它的结构，在整个程序中要尽可能少的使用一些复杂的语句，这并不是说不要用，而是在能不用情况下尽可能不用，因为每执行一次此命令，就要进行一次堆栈操作，而且在本次设计中子程序比较多，所以就导致程序执行时间加长。5.4 测试结果测试结果如表5-1所示。表5-1 测试结果显示电压（V）测量电压（V）10.981.31.261.51.511.61.611.81.8122.012.62.613.13.003.73.7055.0066.0088.0199.019.79.719.99.915.5 测试结论用单片机控制的电源时，输出直流0-9.9V，液晶屏显示清晰正确，误差较小，完美的实现了数控直流稳压源这一课题。本设计的但在功能上还不够强大,没有显示预置电压，由于制作过程中遇到的一些问题。所以原先设计要求里过流保护和过压保护电路没有实现，本设计还可以进一步得到提高。6.毕业设计总结6.1 主要成果本次毕业设计在自己的努力，同学的帮助，老师的指点下已全部完成，结果重要，过程也很珍贵，因为好的结果必然得经过一个艰辛的过程，而从这个坚信的过程中我获得了珍贵的经验和教训，仔细认真的总结将对自己是个质的提升。现先将此次毕业设计的成果简要汇报如下：1.完整的数控直流稳压电源设计方案；2.模块化的3.电压最小调整范围: Sv=0.1V；4.采用1602液晶显示作为按键输入的设定电压；5.输出电压范围: 0-9.9v，每个电压值可以通过键盘输入直接控制；6.误差范围: 小于0.1V7.纹波电压: 0峰峰值= 451 Then Portc.3 = 1 Else Portc.3 = 0 继电器控制 If A 400000 Then Portc.4 = 1 Else Portc.4 = 0 Gosub Lp_lcd Gosub Lp_key If A_dc = C Then 截止型电流保护 Waitms 500 If A_dc = C Then A1 = A A = 0 Locate 1 , 10 Lcd OC Gosub Mu End If End IfLoopEnd/显示处理/Lp_lcd: V1 = Str(v_dc) V1 = Format(v1 , 0.00) 数字转换为字符串,确定小数点 V2 = Str(a_dc) V2 = Format(v2 , 0.000) C1 = Str(c) C1 = Format(c1 , 0.000) Locate 1 , 1 Lcd U= ; V1 ; V Lowerline Lcd I= ; V2 ; A 1 T