小型直流稳压电源的设计

1、乐山师范学院毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计）系（院） 物理与电子工程学院 专 业 电子信息工程 论文题目 小型直流稳压电源的设计 学生姓名 * 指导教师 * （姓名及职称）班 级 2011级电信*班 学 号 * 完成日期：2015年5月小型直流稳压电源的设计学生姓名 学号物理与电子工程学院 电子信息工程 摘要本设计主要为模拟电子线路与单片机控制技术相结合，通过proteus软件进行仿真调试，形成三路输出的直流稳压电源。当负载发生变化或输入电源发生波动时，系统能保持输出电压不变，且稳定输出5V，9V，24V的直流电压。系统具有负载短路时自动切断电源的断路保护和液晶显示功能关键词直流稳压电

2、源 短路保护 单片机控制 液晶显示 电路仿真1设计任务与要求根据设计任务目标，通过调研与论证，硬件制作和调试，形成能够输出稳定直流电压的小型直流稳压电源电路系统，并且采用液晶显示器显示来显示输出电压值，设计任务主要体现在下面几个方面。1、采用交流市电通过接入小型铁芯变压器得到一个转换电压，得以向后面的电路供电；2、通过桥式整流电路和滤波电路滤除脉动直流电中的交流成分，得到更加平滑的输出电压；3、设计系统输出稳定的三组不同的直流电压，且输出电压不能随负载变化而变化；4、输出三个稳定电压值分别为+5V，+9V，+24V；5、利用仿真软件进行电路设计、仿真测试、优化调试。要求达到在电路输入AC220

3、V±10%，50Hz时，系统输出三路稳定的直流电压，电压误差在±2%左右，纹波电压Up-p5mV，另独立输出一路直流电压供给系统控制和显示的直流偏置电压；同时要求采用LCD实时显示稳压电源输出电压值；模拟电源负载当发生短路时，电路系统自动进入保护状态；采用proteus电路软件进行系统仿真设计和调试。2设计方案2.1系统整体方案设计基于单片机的小型直流稳压电源的设计的总体方案如图2.1所示。根据设计要求，学习的专业与技能，对系统进行设计。其中主要的设计单元为：交流电源转换电路，直流稳压电路，模数转换电路，单片机电路与显示电路。为了在负载短路时，能够保护电源，增加了单片机检测

4、到负载短路时，电路自动断电功能。1图2.1 系统电路总体设计方案图根据电路功能与所要形成的硬件系统的技术要求，可采用以下两种方案实现本设计任务目标。2.2方案论证2.2.1方案一电路采用开关稳压电源，功率调整管工作在开关状态，开关电源组成的基本电源框图如下图2.2所示。开关型稳压电源，是在电路接入交流市电以后，通过整流滤波电路得到一个比较平滑的电压，该电压通过一个二次电源DC/DC转换电路得到4个输出电压，其中三个电压通过A/D转换电路输出到单片机控制器，在控制电路的作用下分别显示当前的输出电压，另一个电压则是为A/D转换电路，单片机与显示电路提供基准电压。1图2.2 开关电源基本电源框图2.

5、2.2方案二系统电路主要由线性元件组成。交流电压通过交流变换电路将交流高压（220V）降压为交流低压（约24V），再通过直流稳压电路得到四个直流电压输出，其中一个+5V的电压单独为控制电路与液晶显示器提供直流偏置供电，另三个电压通过模数转换器，传送给单片机，最后在显示电路上显示出模拟电路的输出电压值。在模拟负载短路时，单片机通过检测输出端短路，电路自动断电，显示器显示电路没有输出电压。线性元件组成的稳压电路系统框图如下图2.3所示。2图2.3 线性元件组成的稳压电路系统框图通过对以上两种设计电路的比较，并且根据系统设计功能与技术性能要求，以及任务完成的目标，决定设计采用第二个方案，即采用线性元

6、件组成的直流稳压电源，该电路所用电路模块元器件经济实惠，其电源系统具有纹波电压小，性能稳定可靠等特点。3设计原理分析3.1电源转换电路与整流滤波电路3.1.1交流电源转换电路 在系统设计中，电源输入转换电路采用小型铁芯变压器。其作用是将输入的交流市电电压（交流220V）转变成系统稳压电源模块部分设计所需要的电压（交流24V）。即设计电路系统中采用输入220V，50Hz的交流电，单路输出24V的变压器。3.1.2桥式整流与电容滤波电路交流电通过变压器，得到一个电路所需的电压时，该电压是一个在时间和方向上都在不断改变的交流电压。而设计要求的是直流电压，那么就需要通过一定的电路来实现直流电压的输出。

7、首先是整流电路。在模拟电路中整流电路的作用是将大小和方向都在随时变化的交流电转化成方向不变但大小变化的脉动直流电。在本次的设计里面因为是小容量整流装置，所以采用单向整流电路。而单向整流电路又分为单相半波整流电路和单相桥式整流电路。这两个电路都是利用二极管的单向导电性，但是因为单相半波整流电路只采用一只二极管，所以它的输出电压脉动非常大并且效率低。与半波整流电路不同的是单相桥式整流电路有4只二极管，它们轮流导电，所以可以得到脉动直流电。所以在本次设计里面采用单向桥式整流电路，该电路由电源变压器T和4只整流二极管V1-V4组成，其中4只整流二极管组成桥式电路的4条臂。整流滤波电路如图3.1所示。2

8、图3.1 桥式整流电容滤波电路接线图电路输入的交流电在通过桥式整流电路后得到的电压中还含有很多的交流成分，为了得到更加平滑的输出直流电压，就要将脉动直流电中的交流成分滤除，因此在上面的电路中接入滤波电路。设计时，根据所学习的专业和技能，且成本预算低，决定采用电容实现滤波。因为电容本身的特点是对交流阻抗小，直流开路，而且电容具有两端的电压不能突变的性质，电路结构十分简单。7图3.2 整流滤波波形图滤波原理：假设电路处于交流电的正半周，桥式整流电路的V1，V3管导通，电流分两路流经负载支路和给电容C充电，此时V1和V3管相当于开关接通，电容C相当于并联在变压器的次级上，所以输出波形和V2相同，是正

9、弦波。当U2到达90度时，U2开始下降，当U2下降到一定数值时，电压不足以使二极管V1，V3导通，此时二极管进入截止状态，由电容C向负载提供电压，但是由于电容具有电压不能突变的性质，电容只能慢慢向负载供电。在经过一定时间后电路处于交流电的负半周，这时二极管V2和二极管V4导通，电路再次分成两路流经负载和向电容充电，过程同上。图3.2为整流滤波电路的波形图。3.2稳压电路 在滤波电路后接入稳压电路，该电路是为了在交流电网电压和负载发生变化的时候能够保持输出电压基本不变的电路。设计里面选用三端稳压器来稳定输出电压。因为设计要求的输出电压是固定的正电压，所以采用78xx系列。三端稳压器78xx系列一

10、般有5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V七个档次，输出电流最大1.5A。本设计采用LM7805，LM7809，LM7824这三个三端稳压器。图3.3为78系列的外形和接线图。2三端稳压器从封装中引出3只引脚，分别是输入端为1脚，2脚为输出端，3脚为公共端。将电容C1和C0分别接入三端稳压器输入端和输出端，其中C1用来旁路高频干扰信号，输出端C0用于消除输出电压的波动，具有消振的作用。如图3.4所示。3图3.3 78xx系列引脚图图3.4 四路输出三端稳压器接线图3.3功能转换电路与电路保护功能功能转换电路采用三个继电器和两个按键构成。其中，继电器选用电磁继电器。通过继电器与按键的配

11、合，实现功能转换。当按下按键1时，电路准备测试电压，按键2则用于电压的转换，每按一次按键2电路则输出不同的电压。图3.5为继电器工作时的原理图。其保护电路的作用是在负载发生短路时，电路自动断电，显示电路显示没有输出电压。在设计里面当单片机检测到当输出5V的时候如果电压低于3.5V则断开，输出9V的时候如果电压低于7V则断开，输出24V的时候如果电压低于20V则断开。图3.5 电磁继电器原理图3.4软件设计与模数转换系统3.4.1软件设计为了实现系统设计所有的功能，本次系统设计把软件按照一定的原则划分为一个个相对独立又相互关联的较小的模块，其程序流程图如图3.6所示。图3.6 软件系统流程图3.

12、4.2模数转换电路在设计中模数转换器采用ADC0804，它是一个逐次逼近型，单通道的8位模数转换器，转换时间快，大约100us，不需要调零，分辨率高，0V-5V是0804在单电源工作时输入电压范围。5图3.7 ADC0804接线图在ADC0804中，模拟转化电压的工作范围在0V-5V之间，所以IN+的输入电压由直流稳压电源的输出电压提供，在本次设计里面IN+的电压等于R13上的电压。在模拟电路中，通过整流，滤波，稳压后的输出电压为5V,9V,24V。所以通过串联电阻的分压，IN+的输入电压为：0.833V4V,满足ADC0804模拟转化电压的工作范围。在ADC0804的学习中知道，ADC080

13、4的工作电压是5V，而Vref/2是参考电压为2.5V，所以通过两个电阻R10，R11串联一端接电源，一端接地分压到Vref/2上的电压就为2.5V。模数转换器的接线图如图3.7所示。3.5单片机最小系统与显示电路在本次设计里面采用STC89C52单片机，它是一种增强型，低功耗，高性能的8位微控制器。在编程时可以使用串口直接下载，十分方便。对于以前的8051单片机的代码，STC89C51完全兼容，本次设计里面采用5V的单片机，工作电压为3.3V5.5V，实际工作频率可以达到48MHz。图3.8为STC89C52的接线图。6首先是时钟电路，为了给系统提供更高的时钟信号，采用外部晶体时钟，选用12

14、MHz的晶振，其中电容C1和电容C2为晶振电容，分别接在晶振的两只脚和接地端。这两个电容的大小会轻微影响晶振的谐振频率，振荡器的工作稳定性，起振的难易和输出幅度。为了使P0口输出高电平，P0口是一个漏极开路的I/O口，所以要在P0口接上拉排阻。单片机的输入接口P1口则是接收模数转换器ADC0804模数转换后的二进制代码。通过P2口的P2.0，P2.1，P2.2接出分别连接三个电阻R10，R9，R8再与三个发光二极管相连，将三个按键与P2口的4，5，6脚相连接，当按下S2时，电路显示三端稳压器LM7805的输出电压值，同时D4亮，按下S3时，显示三端稳压器LM7809的输出电压值，D3亮。按下S

15、4时，电路显示三端稳压器LM7824的输出电压值，D2亮。如图3.9所示为直流电压的检测图。4图3.8 STC89C52接线图图3.9 直流电压检测图单片机的27,28和12脚分别通过一个1K的电阻接入PNP型三极管的基极，控制继电器断电。接入三个三极管Q1，Q2，Q3是因为单片机的输出电流小，而一般继电器要求的驱动电流较大，所以通过三个三极管放大电流，得以驱动继电器工作。二极管D6，D7，D8在设计里面起保护作用，当三极管短路的时候，保护继电器不被损坏。图3.10所示为保护电路的接线图。图3.10 保护电路接线图直流稳压电路的输出电压采用1602字符液晶显示，这款液晶可以同时显示32个字符。

16、图3.11 1602液晶显示器接线图1602液晶的控制引脚RS,WR,EN与单片机P0的I/O口相连，D0-D7是1602的数据引脚，显示输出电压。R2用于调节液晶的显示亮度。图3.11为1602的接线图。4设计的过程通过前面硬件和软件的设计准备，为了使电路最终能够达到任务要求，进行了如下设计过程。4.1系统电路原理图绘制采用PROTEL 99 SE软件进行本次设计里面的原理图设计，进入界面后第一要建立原理图文件，在项目中添加需要的库，有的元件没有封装要画封装，开始进行原理图的设计，其原理图如图4.1所示。图4.1 系统原理图4.2系统硬件电路制作在购买好元件后就要开始按照原理图进行焊接，由于

17、元件的大小不一样采用的安装方式也就不一样。如图4.2所示为电路元器件安装效果图。（电路所需元件见附录一）。图4.2 电路元器件安装效果图4.3硬件电路调试与分析在焊接的时候有的元件一只脚上会焊接多条线，所以在焊接时就要采用一些方法和技巧，可以把需要焊接的线拧成一股多一点焊锡。这样就比较容易焊接并且不容易脱落。在焊接单片机时，由于引脚之间间隙较小，所以焊接的时候要格外小心。在焊接好元件后，首先在不插电的情况下检查是否有脱焊和漏焊的元件引脚，接着把电源插入，对照Proteus7.4sp3仿真电路检查是否达到设计结果。如图4.3所示。在调试时，首先是调试模拟电路部分，第一次调试时，当接上电源后，测试

18、有输出电压5V和24V电压，没有9V的输出，但是测量桥式整流电路有大约23V的输出电压，这时用万用表测量三端稳压器LM7809时没有输出电压，所以判定这个三端稳压器在安装时被损坏，换了一个稳压器后电路输出正常。第二步调试控制板，给单片机STC89C52下载完程序以后，用电脑的USB接口给控制板提供基准电压，1602显示器上有显示。接下来把两个板子所有的连线接上，突然听见继电器发错啪啪的声音，1602显示电路上只亮，什么也不显示，原来由于自己的粗心，把导线接反了。在检测时，单片机无法下载程序，所以判定单片机已被烧坏，换了同学的单片机下载程序后安装在控制板上，1602上显示voltage，说明16

19、02没有坏，但是模数转换器ADC0804被烧坏了。在换了两个芯片以后，导线连接正确，电路正常工作。图4.3 protues7.4sp3仿真电路测量电压显示图图4.4 显示实时输出电压5.17V的实物图通过利用实验室的电子测量仪器来测量输出电压是否在误差范围内，并结合设计技术要求进行分析。测量数据记录如表格4.1所示，经过进一步地调试其系统直流稳压电源的输出值基本达到设计要求。表4.1 电压测试记录表数据记录测试项目电压（V）预设电压5.00V9.00V24.00V万用表4.80V8.80V23.80V精密电压表4.95V9.00V23.85V实时测试5.17V9.05V24.00V4.4 系统

20、软件调试4.4.1 模拟电路的独立调试根据系统电路的功能要求，在Multisim环境下进行调试功能的测试。在仿真环境中，根据设计要求，画好电路图，并且设定好电路参数，在电路输出端接入电压表，运行电路后，按照LM78系列三端稳压器提供的电路参数接入电路后，因为电路输出电压波动较大，所以不断调试电路的参数，最终确定电路各个部分元件参数的大小。图4.6为电路在Multisim环境下的电路仿真测试图。图4.6 模拟电路测试仿真图图4.7 模拟电路的调试波形图系统的模拟电路部分在软件环境下的仿真电路波形与硬件焊接好后用示波器测试出的电路输出波形图的对比，如图2.7模拟电路的调试波形图所示。4.4.2 系

21、统程序的调试本次设计用C语言在keil 41 V9.00软件环境下进行编程。如图4.8系统电路程序仿真调试图所示。图4.8 系统电路程序仿真调试图在按照仿真电路图编写好程序以后，要进行仿真，检测是否有误，生成.hex文件，再把文件加载到Proteus7.4sp3中，检测仿真结果是否和要求一致。4.4.3 系统集成仿真测试将调试好的程序下载到单片机里，再通过硬件观察现象功能是否实现，若有问题则要重复进行以上操作，直至成功。图4.9 系统电路仿真波形图主要系统源程序如附录二系统主要源程序所示。如图4.9所示为在proteus环境下的系统仿真波形图。运行仿真软件后，电路准备检测输出电压并显示，该时刻

22、电路没有输出电压，从仿真波形图可以看出，电路当前输出的电压值为0V，若电路输出5V的电压时，可以从波形图看到输出电压从0V跳变到5V，并保持输出5V的稳定直流电压。5设计的结果通过以上设计过程，形成了合符设计任务目标与要求的硬件系统，其作品基本达到了系统设计的功能和技术指标，主要体现在以下几个方面。1、能够将输入的交流市电转换成三个的稳定的直流电压，电压误差在±2%左右，纹波系数小，Up-p<5mV；2、能用LCD显示器实时显示稳压电源输出电压值；3、当系统模拟负载发生短路时，在单片机最小系统的控制下，电路系统能够自动进入保护状态；4、能在proteus电路软件环境中进行系统电

23、路的仿真设计和调试。5.1PCB板图绘制 在protel 99 se环境下设计的PCB图如图5.1所示。图5.1 系统电路设计制作PCB图5.2软件调试图5.2是系统电路控制仿真测试图，在运行仿真以后，显示电路显示该时刻输出电压为0V，并且电压表显示输出也为0V，当按下KEY2时，显示电路显示输出为4.94V，D1亮；按下KEY1时，电路输出8.94V，D2亮，电压表显示测量电压为9V；再次按下KEY1，电路输出24V，D3亮，用电压表测量为24V。仿真实现系统任务要求。图5.2 proteus环境下的电源仿真图5.3硬件检测为了检测硬件系统的纹波电压，在学校实验楼207用数字万用表接模拟电路

24、的输出，显示纹波电压为0.4mV，小于设计要求的纹波电压Up-p<5mV。稳压电路输出纹波系数的调整检测效果如图5.3所示。图5.3 稳压电路输出纹波系数的调整检测效果图在按下按键1以后，继电器工作，电路开始测量第一个输出电压，发光二极管D1亮，按下按键2后，继电器工作，电路开始测量第二个输出电压，发光二极管D2亮，再次按下按键2后继电器工作，电路开始测量第三个输出电压，发光二极管D3亮。在输出5V，9V,24V电压的情况下，分别用镊子短接三个输出端来模拟负载短路的情况时，单片机检测到电压低于设定值，电路自动断电，1602显示该时刻输出电压为0V，从而实现电路保护功能。图5.4为电路在模

25、拟当输出5V的电压是，用镊子短接输出（模拟负载短路），电路显示0V没有输出。图5.4 模拟负载短路输出0V现象实物图6总结思考从拿到本毕业设计题目到现在，根据任务书要求先后进行了资料查阅、方案论证、硬件系统原理设计、硬件电路的实物制作、系统调试、性能优化和改进等设计环节的工作，最终形成符合要求的硬件作品，突出电路可以实现保护功能的亮点，并完成了设计报告的撰写工作。从设计工作中发现自己在理论和实践上还存专业知识和技能掌握不牢的现象，通过几个月来在设计工作中的学习，包括查阅相关工程技术资料、进行工程实践的锻炼，同时不断查漏补缺，提高了自己的知识基础和设计动手能力。由于时间仓促和本人水平的限制，在设

26、计制作过程中还存在一定的技术缺陷，拟需要达到小型直流稳压电源系统更多功能的预期目标还有距离，例如实现电路显示当前测试的时间，电流的测量，电流与电压测量之间功能的转换等一系列的功能控制开发，尚有待于在此设计基础之上作进一步地探讨、研究和逐步完善其功能。参考文献 1韩广兴.电子工程师实用技术手册Z.北京：电子工业出版社,2013.12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,2013.123门宏.怎么识别和选用集成电路M.北京：人民邮电出版社,2007.24陈立万.数字式直流稳压电源J.电子测量技术，2004（1）：30-315陈宁.基于单片机的高品质直流电源J.电子

27、产品世界，2005(02)：65-666胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京:清华大学出版社,2010.57童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础（第四版）M.北京：高等教育出版社,2007.98陈振员.电子技术基础学习指导与同步训练M.北京：高等教育出版社,2009.129康华光.电子技术基础.第4版M.北京：高等教育出版社,2013.510石小法.电子技术.M.北京：高等教育出版社,2000.711夏路易,石宗义.电路原理图与电路板设计教程M.北京：北京希望电子出版社,2002.512王卫平等编.电子工艺技术M.北京:电子工业出版社,1997.313郭维芹.实用模拟电子技术M.北京：电子工

28、业出版社,2009.114狄长清.单片机应用技术M.北京：化学工业出版社,2008.815余永全.单片机在控制系统中的应用M.成都：电子工业出版社,2003.1016李朝青.单片机原理及接口技术M.北京：北京航空航天大学出版社,2013.717Boes B K.Power electronics-a technologyJ.Proceeding of IEEE,1992(8)：1303-133418Bimal K. Bose. Power electronics and motor deives-advances and trendsM.Elsevier Science,2006.7Desig

29、n of small DC regulated power supply Department of Physics and Electronic Information ScienceElectronic and Information EngineeringAbstract This design combines analog electronic circuit and single-chip microcomputer control technology, with simulation debugging by Proteus Software to output triple

30、DC regulated power supply. When the load changes or the input power fluctuates, the system can keep the output voltage constant and output 5V,9V,24V DC voltage. This system will cut off the power supply automatically when the load causes short-circuit, and it has LCD display.Key words DC power suppl

31、y, short-circuit protection, single-chip micro-computer control, LCD display, circuit simulation4附录：附录一：硬件电路部分元器件与调试设备清单表元件名称型号规格数量备注（功能说明）变压器30W,220V/24v1降压模数转换器ADC08041将模拟信号转换成二进制代码三端稳压器LM78009 LM7905 LM78243稳压电路继电器JQC-3F2电路控制单片机ST89C521单片机最小系统晶振12MHz1排阻A09-3021电解电容CD11-25V-10f2瓷介电容CC-63V-30pf2液晶显

32、示器16021显示输出电压按键独立按键(常开)3电路控制二极管1N40074桥式整流电路三极管S85503放大电流电解电容CD11-60v-100f6滤波电路发光二极管3mm(红色 黄色 绿色)3显示工作状态电位器WXD2-3296W-10k1辉度调整电阻RJX-0.25W-5103稳定工作RJX-0.25W-1K2分压RJX-0.25W-2k1RJX-0.25W-10k6分压，计算频率万能板7 cm×12cm2焊接电路检测调试微型计算机AcelitonE4301仿真测试与调试数字万用电表2位半1双踪示波器緑扬4340G,40MHz1附录二：直流稳压电源系统源程序代码#include

33、<reg41.h>#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#defineSamplingNumber 10 /1602控制接口定义sbit rs=P27; sbit rw=P26;sbit en=P24; /按键接口定义sbit led1=P20;sbit led2=P21;sbit led3=P22; /ADC0804控制接口定义sbit ADCS=P30;sbit ADRD=P31;sbit ADWR=P32;sbit ADINT=P33; /延时函数void delay(uint z)uint x,y;for(

34、x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-); /延时1ms /启动AD转换子程序void startAD()ADCS = 0;ADWR = 0;delay(1);ADWR = 1;while(ADINT);ADCS = 1;/读取AD数据子程序uchar readAD()uchar ad_data;P1 = 0xff;ADCS = 0;ADRD = 0;delay(1);ad_data = P1;ADRD = 1;ADCS = 1;return ad_data;/写命令到1602void write_com(uchar com)rs=0;rw=0;P0=com;del

35、ay(4);en=1;delay(4);en=0;/写数据到1602void write_date(uchar date)rs=1;rw=0;P0=date;delay(4);en=1;delay(4);en=0;/初始化1602液晶函数void init1602()en=0;write_com(0x38);delay(1);write_com(0x0c);delay(1);write_com(0x06);delay(1);write_com(0x01);delay(1);write_com(0x80);write_date('V');write_date('o'

36、;);write_date('l');write_date('t');write_date('a');write_date('g');write_date('e');write_date(':');unsigned int ADCSimplingValtage()unsigned int idataAD_BUFFSamplingNumber; unsigned char Conter;unsigned int idataDatBuff;unsigned int idataDatLocation;fo

37、r(Conter=0;Conter<SamplingNumber;Conter+)DatBuff = readAD();AD_BUFFConter = DatBuff; DatBuff = AD_BUFF0;DatLocation=0; for(Conter=SamplingNumber;Conter!=0;Conter-)if(AD_BUFFConter<DatBuff)DatBuff = AD_BUFFConter-1; /计算最小值DatLocation = Conter; AD_BUFFDatLocation = 0x00; /去掉最小值DatBuff=AD_BUFF0; /把采集到的第一个电压赋值给datbuffDatLocation=9;for(Conter=SamplingNumber;Conter!=0;Conter-)if (AD_BUFFConter>DatBuff)DatBuff=AD_BUFFConter-1; /计算最大值DatLocation=Conter;AD_BUFFDatLocation=0x00; /去掉最大