毕业设计（论文）基于单片机的直流稳压电源的设计与仿真

1、 学号：2009060139 岗岗前前综综合合技技能能训训练练报报告告书书 题目： 直流稳压电源的设计与仿真 系 （部）： 电子工程 专 业： 电子信息工程技术 班 级： 09 电工 301 学生姓名： 指导老师： 起止时间： 2011 年 8 月 27 日至 2011 年 10 月 20 日 海海南南软软件件职职业业技技术术学学院院 摘要摘要 基于网络的现代传动远程控制系统结合了在各种电子实验中，电源是最基本的需要。设计出一种 精度的可调输出的电源不但能满足不同电子实验的要求，而且能满足在同一实验中需要使用不同的电 压值来测试的要求。 本文设计了一种直流稳压电源的设计与仿真。该电源的功能由硬

2、件和软件两方面来实现。硬件方 面包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、反馈电路、保护电路、程控电路、显示电路以及支 持单片机运行的复位和时钟电路。市电 220v 电压通过变压器流入系统，经过整流、滤波后变成近似 的直流电压，再经过稳压部分稳压后获得稳定的直流输出。稳压部分由达林顿管作为调整管，由运放 作为反馈取样之后的放大电路，利用放大电路来提高调整管的反应灵敏度电压稳定性。 。 关键词关键词: : at89s53/stc89c58 单片机；直流稳定电源；整流；滤波； a/d； 绪 论 .1 1 结构设计与方案选择 .2 1.1 小功率整流电路 .2 1.2 单相半波整流电路.2 1.3

3、单向全波整流电路.3 1.4 桥式整流电路 .3 1.5 滤波电路 .5 1.6 稳压电路 .8 2 基础知识 .15 2.2 at89c53 简介.15 2.3 adc083 简介.16 3 电路原理和硬件实现 .18 3.1 电路框图.18 32 整体电路设计.18 3.3 orcad 辅助设计.18 3.4 padc 辅助设计 .20 3. eilc51 辅助设计 5 k.23 3.6 电路组成及分析.23 3.7 键盘接口电路 .23 3.8 液晶显示电路 .24 3.9 a/d 转换电路.25 3.10 主电源电路 .27 4 程序设计 .28 4.1 系统核心指令系统简介 .28

4、4.2 程序流程图 .29 4.3 系统初始化程序： .29 结束语.31 结论 .32 致谢 .33 参考文献 .34 附录 1 源程序 .35 绪绪 论论 直流稳压电源是最常用的仪器设备, 在科研及实验中都是必不可少的。针对以上问题, 我们设计 了一套以单片机为核心的智能化直流电源。该电源采用薄膜轻触键盘, 可对输出电压以快慢两种方式 进行设置, 输出由单片机通过 d/a , 控制驱动模块输出一个稳定电压。工作过程中, 稳压电源的工 作状态(输出电压、电流等各种工作状态) 均由单片机输出驱动 lcd 显示,多种显示模式间, 由键盘 控制进行动态逻辑切换。 软件方面，使用单片机语言编程，控制

5、程控部分，即：单片机，d/a、a/d 部分。该部分作用是 控制稳压电路部分的基准电压的输出与调整，同时实现高精度的输出，并且控制液晶显示输出电压。 整个电路的设计就是在综合考虑各个模块现有的电路的基础上，选择最佳电路来实现设计目标的 1 结构设计与方案选择结构设计与方案选择 1.1 小功率整流电路小功率整流电路 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成可以用图 1-1 表示， 它是由变压器，整流，滤波，和稳压电路等四个部分组成。 图 1-1 直流稳压电源组成框图 电源变压器是将交流电网 220v 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将电压变成脉动 的直流电压。

6、由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑 的支流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有正负 10%左右的波动） ，负载和温度的变化而 变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温 度变化时，维持输出直流电压的稳定。 当负载要求功率较大，效率较高时，常采用开关稳压电源。 1.2 单相半波整流电路单相半波整流电路 单相半波整流电路是最简单的整流电路，单相半波阻性负载的整电路如图 1-2 所示。 图 1-2 单相半波整流电路 电路中，t 为变压器，其作用是将市电 220v 的交流电压变成所需要的直流电压，vd 是整流

7、二极 管，其作用是方向变化的交流电变为单相的脉动直流。现介绍电路的基本原理。 当交流电源为正半周，即上正下负时。二极管 vd 因加正向电压而导通，v2 通过二极管 vd 加至 负载电阻 rl 上，负载电压 v0=v2 为正弦半波电压。 当交流电元为负半周，即上负下正时。二极管 vd 上加反相电压，故 vd 不导通，若忽略二极管 vd 的反向漏电流，则负载电阻 rl 中无电流通过，负载电压为零。 由此可见，由于二极管的单向导电作用，只有一个方向的电流流过负载电阻 rl，因此在负载电 阻 rl 上的电压 v0 是单向的脉动直流电压，以后各周期情况和第一周期相同。 输出直流电压的平均值，即直流电压

8、v0 可按下式求出： 22 2 0 0 45. 0)(sin2 2 1 vttdvv 整流输出的是脉动电压，即包含有直流成分，同时又有交流成分，其中的脉动程度一般用纹波系 数来衡量，即纹波系数输出电压的交流成分有效值/输出电压直流成分。对于直流电源来说，纹波 越小越好。为了得到教平滑的直流电压就必须进行滤波，对于输出在几安一下的各种单相整流器来说， 常在整流电路输出端并联一个一定电容量的滤波电容 c，即为容性负载。 半波整流电路的优点是结构简单，使用的元器件少。但缺点是输出的波形脉动大，直流成分比较 低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。所以只能用在输出 功率

9、较小、负载要求不高的场合。 1.3 单向全波整流电路单向全波整流电路 变压器 t 次级线圈具有中心抽头，即得到幅值相等而相位差 180 度的电压 v21 和 v22。在未接滤 波电容时，当变压器 t 的次级线圈的交流电压上(1)正而下(2)负时，vd1 受正向电压而导通，vd2 受 反向电压而截至。于是电流 id1 通过 vd1 流过负载 rl。另半个周期，即上(1)负而下(2)正时，vd2 受 正向电压而导通，vd1 受反向电压而截至。于是电流 id2 通过 vd2 流过负载 rl。在一个周期内负载电 流 i0=id1+id2 为单向脉动电流。负载电压为双半波，因此直流输出平均电压为单相半波

10、整流电路的 2 倍，即 v00.9v2。单向全波整流电如图 1-3 所示。 图 1-3 单相全波整流电路 全波整流电路接入滤波电容 c，其充放电过程与半波整流相同，但由于 v21 和 v22 轮流通过 vd1和 vd2向电容 c 充电，所以输出电压的脉动比半波整流时小。 1.4 桥式整流电路桥式整流电路 桥式整流电路如图 1.4 所示。 工作原理简介如下：在 v2的正半周内，vd1，vd4导通，vd2,vd3截至，在 rl 上建立起上正下负的 脉动电压，如果忽略二极管的管压降及变压器的内阻，则 v0=v2。而在 v2的负办周，二极管 vd2,vd3 导通，vd1,vd4截至，在负载 rl 上仍

11、建立起上正下负的脉动电压，如果忽略二极管的管压降及变压器 的内阻，则 v0=v2。由此可以看出，正负办周都有电流流过负载电阻 rl，而且流过负载电阻的电流方 向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。 桥式整流电路的电压可作如下估算。整流元件仍认为是理想的，在纯电阻负载条件下，电压的顺 时值为： 20sin2 2 ttvvo 负载直流电压平均值为： 2 9 . 0 vvo 图 1-4 桥式整流电路 每个二极管截止时的反向电压相同，为 v2的幅值。即： 22vvd 导通二极管的电流平均值为负载电流平均值的一半，最大值与负载电流最大值相同。综合以上桥 式整流电路的特点是：与半波整流电路

12、相比，在 v2,rl 相同的条件下，输出的直流电压提高了一倍； 电流脉动程度减小；变压器正负半周都有对称电流流过，既得到充分利用，又不存在单向磁化的问题。 所以它的应用较为广泛。但是需要 4 个整流二极管，线路稍复杂。 以上简单介绍了几种整流电路，根据其优缺点的判断，所以在我的设计中采用了桥式整流电路。 一方面，能使电能得到充分利用，另一方面，由于有现成的整流桥集成元件，设计起来也比较方便。 1.5 滤波电路滤波电路 交流电经整流电路后可变为脉动直流电流，其中含有较大的交流分量，为了使设备能用上纯净的 直流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成份。滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电 阻

13、两端并联上电容器 c，或在负载中串联上电感器 l，或由电容，电感组合而成的各中复式滤波电路。 电容滤波就是在整流电路后面,用大量的电解电容与负载并联例如以桥式电路为例,电容滤波电路 如图 1-5 所示: 并联在负载两端的电容器 c 即起滤波作用。下面以有负载 rl 和无负载 rl 两种情况来分析滤波 电路的工作原理。 无负载，即 rl 开路时，电路接通瞬间设电容 c 上起始电压为零。电源接通后，通过整流管及变 压器次级给 c 充电，因导通的二极管及变压器次级电源内阻很小，所以充电时间常数很小，充电电流 很大。只要合理选择元件参数，便不会发生过热或烧坏晶体管的现象。当 v2达到最大值时，vc 也

14、基 本上达到最大值。此后，v2开始减小，导通的二极管由于 v2的绝对值小于 vc，处于反偏截至状态。 此后，输出电压保持为 vc 而不变，。当 v2 的负半周到来时，因 vc 不变，晶体管也不再22vvc 导电。 图 1-5 电容滤波电路 当有负载 rl 时，设 rl 为定值，当电源接通且 c 上还有近似峰值电压时，电压波形如图所示。 在 t1t4间隔内，输入电压 v2vc，vd1,vd2 导电，电容 c 充电，vc 随充电过程而上升，到 t2以后， v2按正弦规律下降，当 vcv2时，整流管 vd1,vd2 处于反向偏置，停止导通；已充电的电容开始对负 载电阻 rl放电，即暂时代替电源向负载

15、供电。电容 c 的放电电压按指数曲线下降。在 t3瞬间，v2上 升到 vc；t3以后，v2vc，电容由放电转换为充电，vd3,vd4导通，构成电源向负载及电容供电的通 路。t4以后，v2vc，vd3,vd4截至，电容又处于放电状态，其过程和 t2t3间隔内相同，以后情况 如此反复。当电源切断后，需带电容放电完毕，输出电压才能为零。 电容滤波器的特点如下： 1 加了滤波电容以后，输出电压的直流成分提高，脉动成分减小。这是利用电容的储能作用来 实现的。当二极管导通时，电容充电将能量储存起来；二极管截至时，再把储存的能量释放给负载， 一方面使输出电压波形比较平滑，同时也增加了输出电压的平均值。 2

16、电容滤波放电的时间常数（）愈大，放电过程愈缓慢，输出电压愈高，同时脉动成crl 分愈小，滤波效果愈好。当时， （如负载开路） ，电容没有放电通路，故 vlv2。当不crl2 加电容滤波时，桥式整流后负载上输出电压的平均值为 vl0.9v2。 3 电容滤波电路的输出电压随输出电流的增大而减小。这是由于滤波电路的负载电阻 rl 减小时， 电容的放电过程加快，输出电流的平均值 io 增大，而输出电压的平均值 vl 却减小了。通常把输出电 压 vl 和输出电流 io 之间的关系曲线称为电源的外特性。电路 输出电压随电流的增大而下降的很快，这种外特性称之为软特性。所以电容滤波电路适合用于负载电 流变化不

17、大的场合。 4 电容滤波电路中，整流二极管的导通角小于 180 度，而且电容放电时间常熟越大，导通角越小。 二极管在短暂的导电时间内，有很大的浪涌电流流过，这对管子的寿命不利。所以选用二极管时，应 考虑它能承受最大冲击电流的情况。一般选管子时，要求它承受的正向电流的能力应大于平均输出电 流的 23 倍。 电容滤波电路简单，制作方便。但是它的输出电流不宜太大，而且要求输出电压的脉动成分较小 时，必须增加电容器的容量，因此电路的体积大也不经济。为此，rc- 型滤波电路在实际电路中经 常使用。 rc- 型滤波电路如图 1-6 所示： 它实际上就是在电容滤波的基础上再加上 1 级 rc 滤波电路构成的

18、。采用这种滤波电路可以进一 步降低输出电压的脉动系数。但是，这种滤波电路的缺点是在 r 上有直流压降，因而必须提高变压器 次级电压；因而整流管的冲击电流仍然比较大；同时，由于 r 产生压降，外特性比电容滤波更软。所 以这种电路只适用于小电流的场合。 图 1-6 rc- 型滤波电路 利用电感具有阻止电流变化的特点，在整流电路的负载回路中串联电感 l，如图 1-7 所示，即构 成电感滤波电路。 图 1-7 电感滤波电路 当整流后的脉动电流增大时，电感 l 将产生反电势l(di/dt)，阻止电流增大；相反，当电流减 小时，电感 l 将阻止电流减小，从而使负载电流脉动成分大大降低，达到滤波的目的。 由

19、于电感交流电阻很大，而直流电阻很小，输出直流分量在电感上损失很小，所以它适用于负载 电流比较大的场合，而且外特性较好，即负载电流变化时，输出直流电压变化较小，另外，电感滤波 的二极管导通角不会减小，避免了浪涌电流的产生。 为了进一步改善滤波效果，可以采用 lc 滤波电路，它是在电感滤波电路的基础上，再在负载电 阻 rl 上并联电容器 c，如图 1-8 所示： 图 1-8 lc 型滤波电路 不难看出，当 l 值很小，或 rl 很大时，该电路和电容滤波电路很类似，呈现电容滤波的特点， 为了保证整流二极管的导电角仍为 180 度，一般要求 l 值很大，对基波信号而言应满足 rl65535)time_

20、value=0;break; case down:time_value-=1 if(time_value0)time_value+65535;break; default=break; 结束语结束语 通过本次系统的设计与制作使我将所学知识系统的串联起来作为一个完整体系，将知识转化为 具有实际意义的产品。这对我以后的学习与工作提供了宝贵的经验。因此我感觉收获很多。作为一个 多功能控制系统，本系统能够在显示万年历的基础上增加了遥控器控制、温度检测、光强度检测等模 块、从而设客户根据不同需求设置不同的控制变量。但本系统还有许多要改进的地方，例如在原有基 础上可以加上 pc 通信模块，湿度检测等；从而

21、使系统能够实时将检测环境的情况记录在 pc 机上，还 可通过 pc 控制单片机做出相应动作，极大增加使用的 便利性。 结论结论 本文给出了一个高精度程控稳压电源的解决方案，初步设计了能够人为控制输出，输出范围在 025v 之间的，稳定精度能达到要求的程控稳压电源。 该系统由硬件和软件部分组成，在查阅并学习现有的模块电路之后，选合适的电路进行组合。硬 件部分由 220v 输入，24v 输出变压器、桥式整流电路、 型 rc 滤波电路、带有运放的串联调整型晶 体管稳压电路组出核心模拟电路部分，由单片机、d/a 芯片，外围电路包括数码管显示部分、按键部 分部分。软件部分利用单片机语言编程，控制 d/a

22、 数据输出和 a/d 转换数据的接收，通过接收反馈电 压，对输出进行调整并显示输出电压。 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路， 要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查 找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书 本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起很大的促进和 帮助，我相信，通过这次的课程设计，在下一阶段的学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。 同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们

23、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；通过使用电路软 件也让我们了解到计算机辅助设计的智能化,有利于提高工作效率。 致谢致谢 在我的学业论文将要完成的时候，想要说的感谢很多。这篇并不太长的论文，不仅使我想到近半 年来的艰辛工作，3 年来的寒窗苦读，更是我人生最重要的一段时间的一个句号。 首先要衷心感谢我的导师黄果老师。课题在选题及研究过程中得到黄果老师的悉心指导。黄果老 师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱

24、鼓励。黄果老师一丝 不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，使我终生受益无穷。 对钱老师的感激之情是无法用言语表达的。 再次，我要感谢在座的各位老师。在座的各位老师不但在大学三年里教会了我很多知识和技能， 使我顺利完成了毕业设计任务，而且更重要的是教会了我怎样做人，这些都会让我受益终身。在此我 表示衷心的感谢！ 最后，对所有帮助过我的领导、实验室老师和帮助过我的同学们致以诚挚的谢意。 参考文献参考文献 1 清华大学自动化系编.电子技术. 人民教育出版社. 2 曲学基. 王增福稳定电源基本原理与工艺技术电子工业出版社 2004 年 1 月第一版. 3 何希才.新型

25、稳压电源及应用实例 电子工业出版社 2004 年 1 月 4 林家瑞.电子工程指南 华中工学院出版 19393. 5 顾宝良.模拟集成电路原理与实用电路 人民邮电出版社，1989. 6 曾凡奎.新简电工手册 一版机械工业出版社 2005 年 1 月 第一版. 7 铃木雅臣. 著 周楠生 译晶体管电路设计日2003 年 9 月 第一版. 8 林渭勋.现代电力电子电路m杭州 浙江大学出版社，2002. 9 陈国成.新型电力电子变换技术 中国电力出版社，2004. 10刘凤君.逆变器用整流电源m北京 机械工业出版社，2003.10. 11谢自美.电子线路设计？实验？测试m 武汉华中电子科技大学出版社，2007.7. 附录附录 1 源程序源程序 org 0000h start: ajmp main main: mov scon,#0 ;设串行口模式 0 mov 23h,#90 ;送输出 9v 的 dn 值指针， mov 20h,#0 ;小数点一位指针指向0字符 mov 21h,#9 ;个位指针指向9字符 mov 22h,#0 ;十位指针指向0字符 acall dsp ;调用显示、输出子程序 setb p3.4 setb p3.5 key1: jb p3.4,key2 ;增强键是否有键? acall del10 jb p3.4,key2 acall k1 key