数字可调稳压电源论文.doc

青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 I 基于基于 51 单片机数控直流电源设计单片机数控直流电源设计 摘摘 要要 电源是各种电子电器线路与装置不可缺少的原动力 电源电路性能的好坏 直接 影响到电子电器线路与装置的工作质量和效率 而单片微型计算机 简称单片机 又 称为微控制器 MCU 它的出现又是计算机发展史上的一个重要的里程碑 它以体积 小 性能全 性价比高等诸多优点而独具特色 在工业控制 尖端武器 通信设备 信息处理 家用电器等诸多领域独占熬头 该电路是直流电源与单片机的一次联合应 用 数字可调直流稳压电源 首先 由变压器和整流桥及其三端稳压管组成一个具 有三端输出的电压源 分别输出 15V 15V 5V 电压 为第二部分电路提供所需电 压 5V 接着采用 STC89c52 单片机控制 按 键进行操作 对输出电压进行控制 还可以采用键盘直接输入 其具有精确度高 可达 0 01V 步进稳定 每级 0 1V 且步 进可变化 输出的范围可变化的优点 该电路刚通电时电源输出电压为 0V 通过面 板上的 或 按键 以步进 0 1V 来调整输出电压的大小 最大值可达 12 8V 的直流 电源 电流输出可达 1A 并有过流保护 其电流值可以设定 显示采用 LCD1602 实时显示当前电压值及当前电流值 输入部分采用矩阵按键 可以方便的进行数字输 入 操作更加方便 该电路特点 电路新颖 实用性强 易于制作 操作简便输出稳 定 关键词 关键词 微控制器 数字可调 过流保护 实时显示 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 II Abstract Power is the indispensable impulsion for all sorts of electronic circuit and device Power supply circuit performance directly affect the electronic circuit and device s working quality and efficiency And the single chip computer hereinafter referred to as SCM also known as micro controller MCU its occurrence is computer history it is an important milestone in small volume performance high performance to price all many merits and unique in industrial control sophisticated weapons communications equipment information processing household appliances and so on many domains boils the exclusive This circuit dc and SCM is a joint application digital adjustable dc voltage stabilizer First the transformer and rectifier bridge and three end with a third of voltage tube at output voltage source output 15V respectively 15V 5 v for the second part the 12V voltage circuit provide voltage 5V Then by using STC12C5A40S2 SCM control and key operation the control of the output voltage still can use keyboard input It has high precision up to 0 01 V stepping stability 0 1 per level and stepping can change V The scope of the output can change advantages This circuit has just when a current power output voltage 0V through the panel for the and button to stepping 0 1 V to adjust the size of the output voltage the maximum can reach 12 8 V dc power supply current output can reach 1A and have over current protection its current value can set Display using LCD1602 real time display current voltage and current current value Input part adopts matrix buttons easy to carry out digital input it is more convenient to operate This circuit features circuit novel practical simple operation easy production output stability Key word micro controller digital adjustable over current protection real time display 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 III 目目 录录 摘摘 要要 I ABSTRACT II 第一章第一章 绪绪 论论 1 第二章整体设计分析第二章整体设计分析 2 2 1 方案比较 2 第三章部分电路组成元件简介第三章部分电路组成元件简介 4 3 1 数模转化 DAC 及输出电路简介 4 3 2 控制核心 7 第四章系统硬件设计第四章系统硬件设计 11 4 1 单片机最小系统 11 4 2 显示模块 12 4 3 输出电压工作电路 15 4 4 报警电路的设计 16 第五章第五章 软件设计软件设计 17 5 1 编程语言的选择 18 5 2 按键的软件设计思想及程序 18 5 3 LCD1602 人机界面设计 21 5 4 STC12C5A40S2 内部 AD 的应用 21 第六章第六章 调试与分析调试与分析 23 致致 谢谢 25 参参 考考 文文 献献 26 附录一附录一 设计的整体电路图设计的整体电路图 27 附录二源程序代码附录二源程序代码 28 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 1 第一章第一章 绪绪 论论 在电子电路及设备中 一般都需要稳定的直流电源供电 而且直流电源为 单相小功率电源 他将频率为 50H 有效值 220V 的单相交流电压转换为幅值 稳定 输出电流为几百 A 直流电压 最初的稳压电路使用的是稳压管稳压电路 尽管其电路简单 所以下的直流电压 单相交流电经过电源变压 整流 滤波 和稳压转换成稳定的 但是用元器件数量少 受稳压管自身参数的限制 其输 出电流小 输出电压不可调节 只能适用于负载电流较小 负载电压不变的场 合 串联型稳压电路以稳压管稳压电路为基础 利用晶体管的电流放大作用 增大负载电流 在电路中引人深度电压负反馈使输出电压稳定 并且通过改变反 馈网络参数使输出电压可调 目前使用的可控直流电源大部分是利用分立器件制作而成所以具有体积大 效率低 可靠性差 操作不方便 故障率高等缺点 随着电子技术的发展 各 种电子电器设备对电源的性能要求提高 电源不断朝数字化 高效率 模块化 和智能化等方向发展 本设计以数字电路为基础 通过控制上升按钮或下降按 钮来调节电压 使电压以步进 退 方式输出 它不但电路简单 结构紧凑 价 格低廉 性能优越 而且电源的外表美观 操作使用方便 具有较高的使用价 值 1 而且电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术 服务于 各行各业 随着数控电源在电子装置中的普遍使用 普通电源在工作时产生的 误差 会影响整个系统的精确度 电源在使用时会造成很多不良后果 世界各 国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准 只有满足 产品标准 才能够进入市场 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 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 本课题要求设计一个数字式可调稳压电源 要求实现输出电压 0 12V 可调 显示采用 LCD 显示 电源输出电流 1A 课题功能实现 在实现要求的基础上又增加了 0 8V 可以实现电流显示 采用 LCD1602 显示 并增加了过流保护 并且保护值可以调 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 2 第二章整体设计分析第二章整体设计分析 2 12 1 设计要求设计要求 1 1 最高输出电压 最高输出电压 15V15V 最大输出电流 最大输出电流 1A1A 2 2 电压步进 电压步进 0 1V0 1V 3 3 纹波系数尽可能小 输出稳定 纹波系数尽可能小 输出稳定 4 4 有限按键操作方便 有限按键操作方便 LCDLCD 显示界面 基于显示界面 基于 5151 单片机数单片机数 控直流电源的设计控直流电源的设计 5 5 闭环控制理论的嵌入式软件实现 闭环控制理论的嵌入式软件实现 特色及基本技术路线 特色及基本技术路线 1 1 低成本解决方案 低成本解决方案 2 2 直观的实验效果 直观的实验效果 3 3 经典理论验证平台先硬件后软件 先局部后整体 经典理论验证平台先硬件后软件 先局部后整体 2 2 2 2 方案比较方案比较 对于输出可调电压的电源设计 比较常用的技术方案有以下几种方案 方案一 采用方案一 采用 RC 降压电路 将降压电路 将 220V 交流电降压并采用稳压二极管进行交流电降压并采用稳压二极管进行 稳压后得到稳定的直流电压 稳压后得到稳定的直流电压 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 实现稳压电源稳定输出 5 V 12 V 并能可调输出 0 12V 电压 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这 种电源具有一定的局限性和不安全因素 2 例如 输出电压可调节性差 同时 RC 电路是一种非隔离电路 因此在使用的时候有可能会产生触电危险 因此需 谨慎使用 方案二 采用开关电源技术 设计输出稳定的直流电压方案二 采用开关电源技术 设计输出稳定的直流电压 其工作原理是让功率器件工作在开关状态 通过控制功率器件导通与截止 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 3 的比值和频率 从而使功率器件的输出电压的平均值产生改变 可以通过 AD 器件采集输出电压值 与设定电压值进行对比 对功率管导通时间和频率进行 调节 从而使输出电压更加稳定 由于开关电源中的功率管始终工作在频率较 高的开关状态 因此电源的效率较高 可以达到百分之 80 以上 但是由于功率 管工作在开关状态 在功率管开关过程中所产生的交流电压和电流在流过电路 中其他电子元器件时会产生尖峰干扰和谐波干扰 假如不采取一些措施来抑制 这些干扰 那么开关电源的输出电压质量就会大大降低 影响使用效果 方案三 方案三 用 D A 和运算放大器做电流源 即采用 D A 输出调节晶体管 的偏值电流 51 单片机 8051 掉电存贮 单元 24C02 三位数码管显示 单 元 电压控制单 元 LM317 按键电路 电源电路基于 51 单片机数控直流电源 的设计 电压 使用电压 电流采样电路 通过 A D 转换实现闭环控制 采用此方案是对方案二的改进 能有效的缩短调节时间 进一步提高输出精度 方案确定 方案确定 通过对三种方案进行对比 选择方案三 此设计方案 其主要由微控 制器 模块 稳压控制模块 电压 电流采样模块 显示模块 键盘模块 电源模 块五部分构成 液晶屏显示电路 该系统使用 LCD1602 液晶显示屏 可以 清晰地显示分别组成显示电 路的十位 个位 小数点位 同时还能显示英文 名称 图 2 1 设计的功能框图 单片机单片机 DAC0832 信号调理信号调理 功放输出功放输出 设定输入设定输入Lcd 显示显示 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 4 第三章部分电路组成元件简介第三章部分电路组成元件简介 3 13 1 数模转化数模转化 DACDAC 及输出电路简介及输出电路简介 3 1 1 数模转化数模转化 DAC 简介简介 常用 AD 转换器有并行比较型 反馈比较型 和间接 AD 转换器 并行比较型由电压比较器 寄存器和代码转换器三部分组成 其特点是 由于转换时并行的 其转换时间只受比较器 触发器和编码电路延迟时间限制 因此转换速度快 随着分辨率的提高元件数目要按几何级数增加 使用这种含 有寄存器的并行 AD 转换电路时 可以不用附加积分保持电路 反馈比较型经常常用的是计数型和逐次比较型两种方案 转换电路由比较 器 AD 转换器 计数器脉冲源 控制门以及输出寄存器组成 5 逐次比较型 AD 转换器完成一次转换所需时间与其位数和时钟脉冲频率有关 位数越少 时钟频率越高 转换所需时间越短 这种 AD 转换器具有转换速度快 精度高 的特点 间接 AD 转换器有电压 时间变换型和电压 频率变换型两类 间接转换型 AD 主要就是将输入的电压信号转换成时间量或者频率量来实现的 目前使用 的不多 3 1 2ADC0832 介绍介绍 ADC0832 是一种 8 位分辨率 双通道 A D 转换芯片 由于它体积小 兼 容性 性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎 其目前已经有很高的普及率 输入输出电平与 TTL CMOS 相兼容 输入电压在 0 5V 之间 工作频率可达 到 250KHZ 转换时间仅为 32 S 且据有双数据输出可作为数据校验 以减少 数据误差 转换速度快且稳定性能强 独立的芯片使能输入 使多器件挂接和 处理器控制变的更加方便 通过 DI 数据输入端 可以轻易的实现通道功能的 选择 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 5 图 3 1 DAC0832 引脚图 引引脚脚使使用用 CS 片选使能 低电平芯片使能 CH0 模拟输入通道 0 或作为 IN 使用 CH1 模拟输入通道 1 或作为 IN 使用 DI 数据信号输入 选择通道控制 DO 数据信号输出 转换数据输出 CLK 芯片时钟输入 Vcc REF 电源输入及参考电压输入 复用 单片机对单片机对 ADC0832 的控制原理 的控制原理 电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用 当要进行 A D 转 换时 须先将 CS 使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束 此时 芯片开始转换工作 同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 6 DO DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号 在第 1 个时钟脉冲的下 沉之前 DI 端必须是高电平 表示启始信号 在第 2 3 个脉冲下沉之前 DI 端 应输入 2 位数据用于选择通道功能 当此 2 位数据为 1 0 时 只对 CH0 进 行单通道转换 当 2 位数据为 1 1 时 只对 CH1 进行单通道转换 当 2 位 数据为 0 0 时 将 CH0 作为正输入端 IN CH1 作为负输入端 IN 进行输入 当 2 位数据为 0 1 时 将 CH0 作为负输入端 IN CH1 作为正输入端 IN 进行 本次才用通道 0 对外部输入电压进行 转换 4 24 2 显示模块显示模块 显示电路采用 LCD1602 使得显示界面更加可视 显示信息丰富 1602 是工业字符型液晶 能够同时显示 16x02 即 32 个字符能显示 16 列 2 行字符 1602 字符型液晶通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线 具有显示质量 高 液晶显示器画质高且不会闪烁 数字式接口 功耗低等特点 适合显示字 母 数字 符号等 10 1602 的指令集的指令集 通常推荐的初始化过程 延时 15ms 写指令 38H 延时 5ms 写指令 38H 延时 5ms 写指令 38H 延时 5ms 以上都不检测忙信号 以下都要检测忙信号 写指令 38H 写指令 08H 关闭显示 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 7 写指令 01H 显示清屏 写指令 06H 光标移动设置 写指令 0cH 显示开及光标设置 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 如下表所示 表 4 1 控制指令表 序号指令RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 1清显示0000000001 2光标返回000000001 3置输入模式00000001I DS 4 显示开 关控制 000 0 001DCB 5光标或字符移位000001S CR L 6置功能00001DLNF 7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址 8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址 9读忙标志或地址01BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM 10 要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读数 11 读出的数据内容 其中 代表任意电平 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 8 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 说明 1 为高电平 0 为低电平 指令 1 清显示 指令码 01H 光标复位到地址 00H 位置 指令 2 光标复位 光标返回到地址 00H 指令 3 光标 和显示模式设置 I D 光标移动方向 高电平右移 低电平 左移 S 屏幕上所有文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平则无效 指令 4 显示开关控制 D 控制整体显示的开与关 高电平表示开显示 低电平表示关显示 C 控制光标的开与关 高电平表示有光标 低电平表示无 光标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪烁 低电平不闪烁 指令 5 光标或显示移位 S C 高电平时移动显示的文字 低电平时移动 光标 指令 6 功能设置命令 DL 高电平时为 4 位总线 低电平时为 8 位总线 N 低电平时为单行显示 高电平时双行显示 F 低电平时显示 5x7 的点阵字符 高电平时显示 5x10 的点阵字符 指令 7 字符发生器 RAM 地址设置 指令 8 读忙信号和光标地址 BF 为忙标志位 高电平表示忙 此时模块 不能接收命令或者数据 如果为低电平表示不忙 时序表如下 表 4 2 时序表 读 状 态 输入RS L R W H E H 输 出 D0 D7 状态字 写 指 令 输入 RS L R W L D 0 D7 指令码 E 高脉 冲 输 出 无 读 数 输入 RS H R W H E H 输 出 D0 D7 数据 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 9 据 写 数 据 输入 RS H R W L D 0 D7 数据 E 高脉冲 输 出 无 显示模块电路图 5V 5V VSS 1 VDD 2 VL 3 RS 4 R W 5 EN 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 BL 15 BL 16 LCD 1602 P1 10K R6 RS EN P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 图 4 2 显示模块电路图 整个输出部分的硬件电路如图 3 3 所示 主控单片机输出数字信号 送给 DAC0832 的数据端 经过数模转化 输出 0 5V 的电压值 再经过放大倍数为 2 6 倍的运算放大器使输出电压 0 12 8V 经过 TIP122 与 TIP127 的推挽输出级 输出最高电流 5A 的电压 输出电压误差 5V 256 2 6 0 05v 所以可以使得步进 电压为 0 1V 4 44 4 报警电路的设计报警电路的设计 蜂鸣器分为有源和无源 本次工程采用有源式 驱动只需一只 NPN 的三极 管 E 极接 GND C 极接蜂鸣器的负端 蜂鸣器的正端接 Vcc 三极管的 B 极通 过一只 4 7K 的电阻到单片机上 采用蜂鸣器当做报警电路形象 且价格低廉驱 动电路简单 当负载电流超过设定的最高限度时 蜂鸣器即发出吱吱的报警声 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 10 提醒用户电流超标 原理图如下 Q BELL Q18 8050 4K7 R20 VCC GND BUZZ 图 4 4 报警电路原理图 第六章第六章 调试与分析调试与分析 调试仪器 数字万用表 电烙铁 斜口钳 尖嘴钳 吸锡器镊子 硬件调试 首先检查整个电路 电路连接完好 没有明显的错连 漏连 接上电源 电源指示灯亮 1602 显示初始电压值 0V 用万用表的两只表笔测 试运放 LM358 的输出电压为 0V 当设置输出电压 4 9V 一次 1602 显示电压 值变为 4 9V 万用表读数变为 4 85V 再设置输出电压 5V 一次 1602 显示电 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 11 压值变为 5 0V 万用表读数再次变为 4 96V 通过改变显示电压值 用万用表 随机测得几组空载输出电压数据见表 6 1 表 6 1 空载输出电压数据表 12345678910111213 设定电压 V 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 010 0 11 0 12 0 输出电压 V 0 01 0 0 2 0 1 3 0 1 4 0 2 5 0 2 6 0 3 7 0 3 8 0 3 9 0 4 10 04 11 05 12 05 实测电压 V 0 0 00 1 0 05 2 0 10 3 0 16 4 0 20 5 0 25 6 0 31 7 0 32 8 0 36 9 0 42 10 048 11 056 12 065 带 1A 负载输出电压数据见表 6 2 表 6 2 1A 负载输出电压数据表 12345678910111213 设定电压 V 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 010 0 11 0 12 0 输出电压 V 0 00 9 7 1 9 8 2 9 9 3 9 9 5 0 0 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 2 9 9 8 11 01 12 02 实测电压 V 0 0 00 0 9 85 1 9 86 2 9 95 4 0 00 5 0 05 6 0 11 7 0 12 8 0 16 99 022 10 048 11 026 12 035 稳压电源负载特性 输出电压恒设定为 12V 负载电流从 0 2 1A 之间变化 时的稳压电源负载特性 见表 6 3 表 6 3 稳压电源负载特性 负载 电流 A 0 200 300 400 500 600 700 800 901 00 青岛理工大学琴岛学院专科毕业设计论文 12 实测 电压 V 12 03812 03412 03012 02612 02212 01812 01312 00912 006 上述测量结果用图解法计算电源的动态内阻为 RD U I 12 0435 12 005 1 02 0 1 0 047 误差原因分析 系统误差主要来源于三个方面 1 0832 的量化误差 0832 为 8 位 D A 转化器 满量程为 5V 的量化误 差为 1 2 L 1 2 1 28 5V 10mV 按满度归一化的相对误差 为 1 2 1 28 0 2 2 基准电压温漂引入的误差 LM336 在 0 40C 范围内温漂不大于 4mV 相对误差 2mv 5V 0 04 3 由功率放大器引入的误差 主要考虑 LM358 的温漂 共有三项 基准电压温漂产生的满度相对误差为