可调直流稳压电源设计.doc

湖北民族学院信息工程学院课程设计报告书题目: 可调直流稳压电源 课 程：电子线路课程设计专 业：电子信息科学与技术班 级： 0309412 学 号： 030941214 学生姓名： 郭涛梅 指导教师： 杨庆 2011年 12月 20日 信息工程学院课程设计任务书学 号030941214学生姓名郭涛梅专业（班级）0309412设计题目可调直流稳压电源设计技术参数1、 输出电压0-12V可调2、 输出电流1A3、 当电压值比较小时，步进0.05V4、 当电压值比较大时，步进1V5、最大电压为12V设计要求1、 输出电压0-12V可调2、 输出电流1A3、 键盘调整输出电压4、 步进电压值有改变，当电压值比较小时，要求可调的精度高，当电压值较大时，可调精度可以低点。参考资料1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052郭天祥.新概念51单片机C语音程序教程入门、提高、开发、拓展全攻略.北京：电子工业出版社，2009.13陈小忠、黄宁、赵小侠. 单片机接口技术实用子程序. 人民邮电出版社4基于单片机的数控直流稳压电源设计./article/ 83/144/2011/20110926218187.html.2011.9.26/2011.12.18. 5陈耀锋.数控直流稳压电源设计./view/aabc3a cea1c7aa00b52acbc0.html.2011.01.09/20数控直流稳压电源毕业设计./p-51476713681.htm l.2011.05.29/2011.12.18. 2011年12月20日 学生姓名： 郭涛梅 学号： 030941214 专业（班级）： 0309412 课程设计题目： 可调直流稳压电源 成绩： 指导教师： 年 月 日信息工程系课程设计成绩评定表摘 要介绍了一种基于AT89C51单片机的数控直流稳压电源设计方法。该设计以直流电压源为核心，AT89C51单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，设置步进等级可达0.05V，输出电压范围为0-12V，输出电流为1A，并可由液晶显示屏显示实际输出电压值。由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器DAC0832输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电压。再经过A/D转换器ADC0832将模拟信号转换为数字信号反馈到单片机中。关键词：单片机 直流稳压电源 AD转换 DA转换 AbstractThis paper describes DC power supply CNC design based on of the AT89C51 microcontroller. The design of a DC voltage source to the core, AT89C51 microcontroller-based controller, the keyboard to set the output voltage of the DC power supply, set up to step level 0.05V, the output voltage range of 0-12V, output current of 1A, and the LCD display shows the actual output voltage. Programmable digital signal output by the microcontroller, through D / A converter DAC0832 analog output, and then through the isolation amplifier operational amplifier, the output power control tube base, with the power transistor base voltage changes the output voltage is different. Then after A / D converter ADC0832 to convert analog signals to digital signals back to the microcontroller.Keywords: microcontroller, DC power supply, analog-digital conversion, digital to analog conversion21目 录1 任务提出与方案论证11.1 总体方案论证11.2 输出模块方案论证31.3 数控模块方案论证31.4 控制模块方案论证41.5 显示模块方案论证42 总体设计52.1 DC/DC变换52.2 AC/DC变换52.3 电源部分63 详细设计及仿真73.1 开关电源的选用7a.输出电流的选择7b.接地7c.保护电路73.2 开关电源的工作原理和特点83.3稳压电源的电路图83.4 显示模块93.5 数模（D/A）转换部分93.6 模数（A/D）转换部分103.7 加减步进模块113.8 电压放大模块113.9 程序设计123.10 测试结果124 总结14参考文献151 任务提出与方案论证现实的生活和实验中，常常要用到各种各样的电源，电压要求亦多样化。如何设计一个电压稳定，输出电压精度高，并且调节范围大的电压源，成了电子技术应用的热点。在市面上，各种电源产品各式各样，有可调节的和固定的。但是普遍存在一些问题，如转换效率低，功耗大，输出精度不高，可调节范围过小，不能满足特定电压的要求，输出不够稳定，纹波电流过大，并且普遍采用可调电阻器调节，操作难度大，易磨损老化。采用单片机数控电源技术则能实时变换电源为输出所需电压的要求，使其成为精度较高，调节范围更大的电压源，便于日常生产生活及实验中使用。随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展.。本文所介绍的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比，具有操作方便，电压稳定度高的特点，其输出电压大小采用数字显示，主要用于要求电源精度比较高的设备，或科研实验电源使用，D/A转换器，译码显示等电路，具有控制精度高，制作比较容易等优点。1.1 总体方案论证方案一：采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源可调输出0-12 V电压，电路方框图见图 2-1所示。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。 0图1-1 方案一电路方框图方案 2 : 此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过 D /A 变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。其电路框图如图2-2所示。图1-2 方案二电路方框图方案 3 : 此方案不同于方案 1之处在于使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为 EPROM的地址输入，而由 EPROM 的输出经 D /A变换后控制误差放大同步的问题，但由于控制数据烧录在 EPROM中，使系统设计灵活性降低。图1-3 方案三电路框图方案 4 : 此方案采用 51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，经过 ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理。利用单片机程控输出数字信号，经过 D /A 转换器( DA0832)输出模拟量，再经开关电源控制电路，使得输出电压达到稳压的目的。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流 /电压转变后,通过 A /D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量,经单片机分析处理，经过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。而且采用PWM 控制的开关电源，该电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标、能构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等优点。而且在成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量则大为减小。图1-4 方案四电路框图综上所述，在本设计中选择方案四。1.2 输出模块方案论证方案 1：采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出不仅增加 /减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出地影响，此输出只能是用万用表量出。而方案 2、方案 3中使用运算放大器做前级的运算放大器，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以减少输出端的纹波电压。在方案 1中，为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出的电压难以跟踪快变的输入，方案 4中的输出电压波形与 D /A 变换输出波形相同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统有一定驱动能力的信号源。1.3 数控模块方案论证图 1-5 数控模块方案 1利用纯硬件来控制电压的输出，其中最基本的电路原理分析，需要计算负载的大小，稳压管的选择有关，方案 2、方案 3中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差，如方案 1中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致。在方案 4 中采用AT89C51单片机完成整个数控部分的功能，同时,AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。1.4 控制模块方案论证在该系统中，采用具有 D /A转换功能的 PWM 调节电路、斩波电路、阔流器和可调稳压管 ( LM317)去控制输出参考电压，在利用 A /D转换采样，使输出更准确，且纹波小，电流亦可扩展，容易保护电路。1.5 显示模块方案论证方案 2、方案 3中的显示输出地对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为 D /A变换的输入量，由于 D /A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案4中采用 A /D转换电路，通过对输出电压的采样，经过单片机的分析处理，通过数据的反馈环节，使电压更加稳定，这样使得显示值与实际输出之间的偏差减为最小。方案 4采用 4位数字电压表直接对输出电压采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预制值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理，还采用了键盘 /显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。2 总体设计此设计采用以AT89C51为整机的主控器件，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使开关控制电源输出电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。2.1 DC/DC变换DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：(1)Buck电路降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。 (2)Boost电路升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。 (3)Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。 (4)Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo 大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。2.2 AC/DC变换AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。2.3 电源部分 方案一：开关稳压电源开关稳压电源是调整管工作在开关状态，通过改变开关管的导通时间来得到稳定的电压输出。由于开关频率较高，甩掉了工频变压器和低通滤波器，从而达到减小整机体积重量，提高工作效率的目的。开关电源以其高效率、轻重量、小体积等优点，逐步取代传统的线性电源。近十年来年由于功率半导体器件的迅速发展，使开关电源的应用越来越广泛。开关电源的发展从来都是与半导体器件以及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。我国在60年代开始研制，至今在开关频率和单机功率等方面都获得了较快的发展。输入电源主要为直流和工频交流，输出多为直流，高频变换器是中间环节，有多种电路形式和控制方式，在航空航天、计算机、通讯、医疗仪器等许多领域得到了广泛的应用。开关稳压电源的控制电路一般采用“电压-脉冲宽度调制器”。开关频率Fk的选择对开关稳压器的性能影响也很大。Fk越高，需要使用的L、C值越小。这样，系统的尺寸和重量将会减小，成本随之降低。另一方面，开关频率的增加将会使开关调整管单位时间转换次数增加。使开关调整管的功耗增加，而效率降低。目前，随着开关BJT、电容、电感材料、工艺性能的改进，Fk可提高到15KHz至500KHz以上。方案二：线性稳压电源线性直流电源是调整元件工作在放大区域的电源。通过改变调整元件的控制信号强弱来调节其等效电阻大小，从而稳定输出的电压或者电流。稳定输出电压的称之稳压电源。目前线性直流电源朝着多功能、高效率、高性能、集成化发展，采用CAD、新颖元器件及新颖电路形式。线性稳压电源有笨重，体积较大等缺点，其致命弱点是效率低，尤其是宽范围可调输出电源，在输出低电压时，效率仅达10%。现在可以看到这类电源大都采用可控和开关电源作预稳压，限制调整管的Uce，即限制调整管的功耗，以提高其效率。但线性稳压电源具有稳定度高，可靠性好，成本低等优点，适用于中、小功率和对电性能指标要求比较高的场合。例如在科研和教学实验室，计量室作为可调电源或基准电源使用。近十多年来多制成集成稳压模块，品种规格较多，便于使用，价格便宜，从而受到欢迎。尤其集成稳压电源使用方便，性能优越。尤其三端稳压电源78系列正电源、79系列负电源己成世界各国大半导体厂基本产品。目前广泛使用的输出电分类有L(0.1A)、M(0.5A)、C(1.5A)，还发展大电流产品T(3A)、H(5A)和P(10A)1。 考虑到设计要求与我现有的设计能力，最终采用线性稳压电源的设计方案。其主要用于实验教学及中、小功率和对电性能指标要求比较高的场合。根据稳压电源的调整元件与负载的联接方式并联稳压电源和串联稳压电源，采用串联稳压电源方式。3 详细设计及仿真3.1 开关电源的选用开关电源在输入抗干扰性能上，由于其自身电路结构的特点（多级串联），一般的输入干扰如浪涌电压很难通过，在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优势，其输出电压稳定度可达（0.51）%。开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点： a.输出电流的选择 因开关电源工作效率高，一般可达到80%以上，故在其输出电流的选择上，应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性能价格比，通常输出计算公式为： Is=K*If式中：Is开关电源的额定输出电流； If用电设备的最大吸收电流； K裕量系数，一般取1.51.8； b.接地 开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采取接地和屏蔽措施，按ICE1000EN61000FCC等EMC限制，形状开关电源均采取EMC电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有EMC电磁兼容滤波器。如利德华福技术的HA系列开关电源，将其FG端子接大地或接用户机壳，方能满足上述电磁兼容的要求。 c.保护电路 开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。3.2 开关电源的工作原理和特点开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热。成本很低。如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意义。开关变压器也不神秘。就是一个普通的变压器。这就是开关电源。开关电源大体可以分为隔离和非隔离两种，隔离型的必定有开关变压器，而非隔离的未必一定有。简单地说，开关电源的工作原理是： 1.交流电源输入经整流滤波成直流； 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上； 3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载； 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰； 在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出；一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。以上说的就是开关电源的大致工作原理。3.3稳压电源的电路图在图3-1中，该部分主要是由三端稳压器LM7812、LM7912、LM7805和若干个电容、二极管元器件组成，220 V市电经220 V12 V变压器降压后得到的双12 V交流电压，经三端稳压器LM7812和LM7912得到+12 V和-12V，再经过LM7805得到+5 V的电压。图3-1 稳压电源电路图3.4 显示模块 显示模块如图3-2所示，显示部分比较简单，主要是由四个数码管和若干电阻组成，四个数码管分别显示电压的十位个位和两个小数位，该部分是由单片机完成的，数码管的各段端口以依次连到AT89C51的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7口，数码管的位端口以依次连到AT89C51的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3，完成对电压的显示功能。电路如图3-2所示：图3-2 数码管显示模块3.5 数模（D/A）转换部分本系统中的数模转换电路如图3-3所示。它主要由DAC0832芯片组成。其工作原理如下：数模转换电路，采用两块 DAC0832 集成块，它是一个 8 位数/模转换电路，这里只使用高 4 位数字量输入端。由于 DAC0832 不包含运算放大器，所以需要外接一个运算放大器相配，才构成完整的 D/A 转换器，低位 DAC 输出模拟量经 9：1 分流器分流后与高位 DAC 输出模拟量相加后送入运放，具体实现，由 900和 100的电阻相并联分流实现，运放将其转换成与数字端输入的数值成正比的模拟输出电压，运放采用具有调零的低噪声高速优质运放 NE5534。DAC0832将CPU发出的8位二进制数据转换成0-5 V的电压因此，该DAC的转换分辨率为10(28-1)=0.04 V，即CPU输出给DAC的数据变化为1 Bit，DAC输出电压的变化为0.04 V。VREF电路为DAC提供基准电压，调节R5A，可使基准电压保持为5 V。图3-3 D/A转换电路在输出电压作为稳压输出电路的参考电压。稳压输出电路的输出与参考电压成比例。8位字长的D/A转换器具有256种状态。当电压控制字从0，1，2，到256时，电源输出电压为0.0，0.06，15.0。其时序图如图3-4：图3-4 DAC0832时序电路clk为时钟端，data为输入数据，LOAD为输入控制信号。3.6 模数（A/D）转换部分图3-5 A/D转换电路本系统中的模数转换电路如图3-5所示。它主要由ADC0832芯片组成。3.7 加减步进模块该部分主要由四个键组成，分别实现的是“+”、“-”、“开始”、“停止”功能，与单片机的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3口连接，控制AT89C51单片机，达到对数字的控制，我们可以通过按键对电压进行调整，按照实际需要可以通过按键得到所需的电压，调节范围是010 V，步进0.1V。 电路图如图3-6所示： 图3-6 键盘部分3.8 电压放大模块图3-7 电压放大模块电路图如图3-7所示。两级低漂移的运放A714及VREF电路组成。DAC0832和运放U3A将CPU发出的8位二进制数据转换成0-5 V的电压，然后经运放U3B反向放大2倍，以得到010 V电压。因此，该DAC的转换分辨率为10(28-1)=0.04 V，即CPU输出给DAC的数据变化为1 Bit，DAC输出电压的变化为0.04 V。VREF电路为DAC提供基准电压，调节R5A，可使基准电压保持为5 V。由于经过DA变换后，输出的电压不稳定，因此，必须要经过稳定电路才能将电压输出测量，稳定电路由OPAMP两片级联而成，第一级采样电压，且将电压适当放大，送入第二级稳定电压，在电压表上直接读出数字。在此处测得的电压为实际输出电压。3.9 程序设计本电路采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达0.1V，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。主程序流程如图3-8所示。图3-8 程序流程图3.10 测试结果数码管显示的是输出的电压，开始运行程序时，数码管显示的是00.00，每按一下K1键，数码管的数字都加0.05，最大值为12.00；每按一下K2键，数码管的数字都减0.05；每按一下K3键，数码管的数字都加1.00，最大值为12.00；每按一下K4键，数码管的数字都减1.00。而电流在0.981.03A范围内变化。 用protuse仿真，数码管初始值为00.00，如图3-9所示。按下K1后数码管值加0.05，即为0.05，如图3-10所示。按下K3键后数码管值加1，即得1.05，如图3-11所示。按下K2后数码管值减0.05，即为1.00，如图3-12所示。按下K4后数码管值减1，即为0.00，如图3-13所示。图3-9 数码管初始值图3-10 按下K1后数码管的值图3-11 按下K3后数码管的值图3-12 按下K2后数码管的值 图3-13 按下K4后数码管的值4 总结本论文主要涉及并实现了一种基于AT89C51单片机的数控直流稳压电源系统。针对现代工业生产的高精度要求，本文运用目前较为流行且成熟的单片机控制技术，设计并建立了一套结构简单、性能可靠、性价比高的系统。一方面使对恒压直流的数字控制更为方便、易于操作。到达了自动化的要求；另一方面对单片机的应用进行了扩展，对于单片机在其他生产领域的应用也有一定的借鉴作用。同时，通过本次设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料和组织材料的综合能力；从中可以自我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高。有了这次的经历，我觉得自己充实了许多，学到了很多东西，更重要的是我们学会了如何解决问题，学会了遇到问题应该如何解决。这将在我们以后的学习和工作中起着重要的作用。参考文献1康华光，陈大钦. 电子技术基础模拟部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，20052郭天祥.新概念51单片机C语音程序教程入门、提高、开发、拓展全攻略.北京：电子工业出版社，2009.13陈小忠、黄宁、赵小侠. 单片机接口技术实用子程序. 人民邮电出版社4基于单片机的数控直流稳压电源设计. /article/83/144/2011/20110926218187.html.2011.9.26/2011.12.18. 5陈耀锋.数控直流稳压电源设计./view/aabc3acea1c7aa00b52acbc0.html.2011.01.09/20数控直流稳压电源毕业设计./p-51476713681.html.2011.05.29/2011.12.18.附录1：系统总电路图附录2：程序清单#include#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned intcode un