自动升降压可调直流电压源设计

自动升降压可调直流电压源设计摘要：我们的日常生活离不开电源，因为我们所使用的很多电器，例如现在我们的身边可能经常使用的空调，电风扇，还有一些厨房用品例如电饼铛，电磁炉等都要靠电源来供电。而我此次设计的自动升降压可调直流电压源不像普通的电源一样，他可以自动调节输出输入电压大小，可可根据需要升压或降压，而且这些数据都还能在LCD1602上显示出来。此次设计中我所使用的是直流稳压电源，直流稳压电源是由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。电源变压器的作用是将220V高压交流电转换成我们所需要的低压交流电压，整流电路的作用是把交流电转换成直流电，然后经过滤波电路获得直流电，目前呢，在小功率稳压电源中我们所使用的主要是电容滤波电路，即电容器与负载并联，利用大容量电解电容的充放电特性，平滑脉动直流电压。稳压电路的作用是稳定输出电压，当负载的大小发生变化时可以保证输出电压基本不变。整个自动升降压可调电压源主要选用了LM5175,LM109K三端集成芯片,AT89C51单片机，LCD1602等元件。该系统具有可靠性高，抗干扰能力强，以及可观性强等优点。关键词：AT89C51；LM5175；电压源

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ManagementSystemAbstract:Ourdailylifeisinseparablefromthepowersupply,becauseweusealotofelectricalappliances,suchastheairconditioner,electricfan,andsomekitchensuppliessuchaselectricscone,inductioncookerandsoon,allrelyonthepowersupply.TheautomaticliftingvoltageadjustableDCvoltagesourceIdesignedthistimeisnotlikeanormalpowersource,itcanautomaticallyadjusttheoutputinputvoltagesize,cocoaaccordingtotheneedtoboostorbuck,andthesedatacanalsobedisplayedontheLCD1602.ThisdesignIuseistheDCstabilizedvoltagepowersupply,DCstabilizedvoltagepowersupplyiscomposedofpowertransformer,rectifiercircuit,filtercircuit,stabilizedvoltagecircuit.Istheroleofpowertransformerhighvoltage220valternatingcurrent(ac)intothelowvoltageacvoltage,weneedthefunctionoftherectifiercircuitistoconvertalternatingcurrent(ac)todirectcurrent,thenthroughthefiltercircuitfordc,atpresent,weinthesmallpowerstabilizedvoltagesupplyismainlyusedbycapacitorfiltercircuit,theshuntcapacitorwithload,usetheelectrolyticcapacitorcharginganddischargingcharacteristicsoflargecapacity,smoothpulsedcvoltage.Theroleoftheregulatorcircuitistostabilizetheoutputvoltage,whenthesizeoftheloadchangescanensurethattheoutputvoltageisbasicallyunchanged.ThewholeautomaticvoltageadjustablevoltagesourcemainlyUSESLM5175,LM109Kthree-terminalintegratedchip,AT89C51MCU,LCD1602andothercomponents.Thesystemhastheadvantagesofhighreliability,stronganti-interferenceabilityandstrongobservability.Keywords:AT89C51;LM5175;Voltagesource目录43731.概述61.1课题研究背景及意义61.2课题设计内容61.3课题预测效果6219932.直流电压源控制系统总体设计7225982.1总体思路72.2系统模块构成与功能72.3设计方案比较77113.直流电压源硬件电路分析83.1单片机及最小系统103.2自动升降压部分113.3稳压电路123.4整流电路123.5滤波电路133.6显示电路133.7D/A转换143.8A/D转换143.9按键电路143.10RS485接口模块144.软件设计174.1显示模块程序20161274.2按键模块程序205.调试及分析205.1软件调试205.2数据分析206.结束语213381致谢22附录23附录1.1:原理图23附录1.2:PCB图24附录1.3:程序23附录1.4:仿真图23附录1.5:元器件目录表23自动升降压可调直流电压源设计1概述课题研究背景及意义现在我们所了解到的电源技术的发展是很好的，当今的电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业，它融合了电气，电子，系统集成，控制理论，材料等诸多学科领域，随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作中产生的误差，可能会影响整个系统的精确度，然后造成很多不良后果，因此世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并且制定了一系列的产品精度标准。只有满足标准的产品才可以进入市场。随着社会的发展，人们生活水平的提高，越来越多的人对于电子产品的需求也越来越大，从刚开始的手机，到现在的平板，笔记本之类，而这些产品都需要电源来供电，也许还不止我所说的这些，所以我们不得不承认电源是我们的生活中必不可少的东西，我们身边基本上所有的电子设备都需要它。就像我所说的这些电子产品，如果没有了电源的话，将得不到及时的供电，他们无疑就像是一些废弃的物品。而我们对所需电源的要求则是需要我们保持电源为稳压电源，稳压电源可以分为直流稳压电源和交流稳压电源，直流稳压电源又可以分为线性直流稳压电源和开关直流稳压电源。它们之间的区别就在于稳压控制方式和输出电路的不同。我所设计制作的自动升降压可调直流电压源成本低、稳压精度高，直观性强。在电气设备维修、调试，在家庭日常生活做为家用电子设备的电源。1.2课题设计内容设计的内容是以AT89C51单片机为核心制作的自动升降压可调的直流电压源设计，设计内容基本如下：(1)采集电流信号(2)通过单片机控制各个模块(3)通过lcd1602实时显示输出电压范围1.3课题预测效果当输入电压在低于、高于、等于输出电压时，

输出电压维持稳定不变。通过LCD1602液晶显示屏可查看预设电压、输入电压、输出电压，预设电流，而且可以设置过压/过流/过功率关断输出。2系统总体方案设计和理论基础2.1总体思路(1)研究思路：以AT89C51单片机为核心，然后构造所需模块，例如单片机最小系统，数模转换电路，自动升降压部分，以此设计出原理图，接着我们采用Keil软件进行编程，用Proteus软件进行仿真并调试，最后用AltiumDesigner软件画出电路原理图及PCB图，连接实物，调试实物功能。(2)设计框架：设计的自动升降压可调直流电压源系统设计技术路线如图2-1所示2.2系统模块构成与功能这部分我们根据上述设计框架来写出：此次设计主要模块有主控模块，自动升降压模块，D/A转换模块，按键模块，显示模块，稳压模块等部分。主控模块：此部分主要以AT89C51为核心，从而连接出复位电路以及振荡电路，以此来构成单片机最小系统。自动升降压模块：此部分主要采用LM5175这个元器件，从而使输出电压在一个预定的值而允许输入电压可以在较大范围内波动也不会影响输出电压。D/A转换模块：此部分主要采用DAC0832，从而将离散的数字量转换为连接变化的模拟量。按键模块：此部分采用16个按键来进行，主要用于对输入电压范围进行控制。显示模块：此部分的主要元器件为LCD1602液晶显示屏以及上拉电阻。稳压模块：此部分我采用的元器件为LM109K,MC79M15CT,变压器以及电源部分。2.3设计方案比较方案一：采用FPGA作为控制器。FPGA是由逻辑单元，RAM，乘法器等硬件组成的，它可以不停止的重复编程，效率高，就算加载新的设计方案也只需要几百毫秒，可以重复使用，减少硬件开销。采用C语言的设计算法，计算速度快，精度高。但是使用FPGA的入门门槛太高，一般需要丰富的经验才能保证方案的顺利进行，而且FPGA的所有功能都依靠硬件实现，虽然速度上非常快，但就设计灵活度上还是有所欠缺。相对于单片机来讲，而且它的价格也没有优势。方案二：采用单片机作为控制器。单片机拥有强大的处理功能，还具有定时，中断，输入输出口，存储等功能，应用非常广。单片机的片外扩展也十分方便，对于需要很多输入或者输出的设计十分方便。自动升降压可调直流电压源的输入控制等需要矩阵键盘，16个按键只需要一对输入输出口就可以完成，节省端口。最主要一点是其强大的处理能力的基础上价格优异，相对于其他控制芯片非常便宜。而且无论其仿真软件还是它的算法编程都很容易上手。基于以上分析，我最终选择了方案二，采用单片机作为控制器，选用其他原器件组合完成本次设计。直流电压源硬件电路分析3.1主控模块主控模块主要用AT89C51单片机进行控制，单片机又称单片微型计算机，该芯片上集成了微处理器，输入输出接口，定时器计数器，存储器以及中断系统等功能部件。通过程序的编写，以及外部电路的连接，可以对一些工程进行控制。要想单片机工作，还需要构建单片机最小应用系统，该系统是单片机控制系统中不可缺少的关键部分。管脚说明：3.1.1晶振电路晶振电路是由反相放大器的两端接入晶振，然后两个电容分别接入到晶振的两端，另一个电容则接地组成的。晶振能用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。具体电路如图3-2所示。3.1.2复位电路复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计算器有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，以便回到原始状态，重新进行计算，简单的复位电路大都是只有电阻和电容组合就可以办到，如图3-3。3.2自动升降压部分当出现系统中出现各个模块供电不统一或是电源电压变化时，而且当你又发现这时只有一个电源供电，我们就可以使用升降压电路部分，可以来很方便的调节输入电压大小，来改变这些特殊的情况。设计自动升降压电路这个部分的话我主要采用的是LM5175这个元器件，LM5175是一款同步四开关降压-升压DC/DC控制器，它可以将输出电压稳定于某一电压值上，达到我们所要求的结果。LM5175还具有提供出色的负载和线路调节性能的功能，还可进行编程等，并且提供诸如逐周期电流限制、输入欠压锁定(UVLO)、输出过压保护(OVP)和热关断等各类保护特性。另外，LM5175特有可选择的连续导通模式(CCM)或断续导通模式(DCM)、可选平均输入或输出电流限制、可降低峰值电磁干扰(EMI)的可选扩展频谱、以及应对持续过载情况的可选断续模式保护。自动升降压部分的作用在本次设计中就是系统采集了信号之后可以通过升降压来改变输入电压大小，这个电路其中还用到了其他的器件，比如OPA4377运算放大器，变压器，以及MOS管，这些都是我们模拟电子技术基础上学过的，就不做解释了。这些元器件以及极性电容无极性电容，电阻等组成自动升降压电路部分。3.3稳压电路稳压电路的作用是用来稳定电源电路的输出电压。由于各种情况,交流电的供电电压是不稳定的,因此会造成整流滤波电路输出的直流电压也不稳定。而另一方面,由于整流滤波电路必然存在内阻,当负载电流发生变化时,输出电压也会受到影响而发生变化。为了稳定直流电压,设计中必须在整流滤波电路之后采用稳压电路，如图3-5。3.4整流电路整流主电路要由整流\t"/item/%E6%95%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"二极管组成，整流电路的作用是将交流电转换直流电，当交流电压通过整流电路之后，就是我们所要的直流电压，所以这也是大部分电压源的设计中都需要加入整流电路的原因。整流电路是由压器、整流\t"/item/%E6%95%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"主电路和滤波器等组成的。整流电路在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等方面有着广泛应用。\t"/item/%E6%95%B4%E6%B5%81%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"滤波器一般接在主电路与负载之间，变压器设置看具体情况而定，变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离。在我所设计的电路中我采用的是四个二极管组成的整流桥，本来整流电路对变压器也是有较高要求的，但是现在使用桥式整流电路的话就克服了这个缺点，但多是比以前的整流多使用了两只二极管，不过现在社会发展很快，这个已经不算是缺点了。但我们在选择二极管的时候要知道，我们肯定是要根据电路中所要求的整流方式以及负载大小来决定的，不可随意的挑选二极管。3.5滤波电路滤波电路一般可以说是包含在整流电路之中，因为电路在实际生活中不可能运行于一种理想的情况下，可能这就会使整流电路的输出电压不只是直流电压，其中可能会含有其它的杂波，这时我们就需要使用滤波电路来滤去其中的纹波，从而得到我们所需的直流电压，滤波电路一般由\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电抗元件组成，可以在在\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"负载电阻两端\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"并联\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电容器C，或与负载\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"串联\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电感器L，以及由\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电容，\t"/item/%E6%BB%A4%E6%B3%A2%E7%94%B5%E8%B7%AF/_blank"电感组成的各种电路。在本次设计中，我所使用的即是电容并联的方法。3.6显示电路经过一系列的分析与比较，最终我使用的显示器件是LCD1602液晶显示屏，它能够清晰且直观的看出我们所要输出的电压值。a)LCD1602实物其实物如图3-2所示。b)LCD1602的基本参数以及引脚功能介绍LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，它有两种形式背光和不带背光，各引脚接口说明如表3-2所示。表3-2引脚接口说明表3.7D/A转换电路计算机技术的普及使很多以前我们不敢想象的事情都成为了现实，我们都知道就像51系列单片机一样，它们那些能够处理的只是数字信号，但我们要求的往往可能都是一些模拟量，比如电压、电流，温度，压力等，所以为了能够识别这些信号我们加入一些电路来使数字信号转换为模拟信号。这个模块中我所使用的主要元器件就是DAC0832，也是我们日常生活中用到比较多的元器件，接口简单，转换控制方便，它直接与单片机相连，当输入电压信号后将电压信号转换为单片机能处理的数字信号。DAC0832接口如表3-2所示，D/A转换电路图如图3-9。3.8A/D转换电路当经过数模转换电路之后我们也需要模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，继续进行接下来的电路运行，此次设计这个模数转换电路中我所用到的A/D转换器件是TLC549CP。TLC549CP是八位串行A/D转换芯片，抗干扰能力强，它也可以适用于较小信号的采样，而且可适用温度范围宽，与51单片机连接时连线简单，我们只需要让TLC549CP的I/0口，DATA，/CS与51系列单片机的P1口三个接口相连，其它接口按要求接地的接地，接电源的接电源就好，这样就完成了我们所需的A/D转换电路。A/D转换电路含有取样、保持、量化及编码这几个过程，但在这个过程中涉及到一个采样定理，所以我们应该密切注意这个采样值的问题，要保证采样值不失真才能使电路正常运行。3.9按键电路本次设计中使用16个按来对输入电压的范围进行调整，通过按下不同行不同列的按键来改变输入电压大小，以此来满足我们对于毕设中电压范围的要求。矩阵键盘的优点是节省输入输出接口，单片机不停地扫描矩阵键盘的按下情况。本次设计中我主要使用16个按键来对输入电压的范围进行调整，通过按下不同行不同列的按键来改变输入电压大小，以此来满足我们对于自动升降压可调直流电压源中电压范围的要求，如图3-11。3.10RS485接口模块此模块的作用主要就是进行光电隔离，即抑制电路正常工作过状态中产生干扰此电路正常工作状态的的一些因素，使电路能够正常稳定的运行。此模块中主要有以下三个部分组成。3.10.1MAX485模块MAX485算是RS-485的一种，更准确来说它是RS-485的一个低功耗收发器，MAX485的结构和引脚都非常简单，和51单片机连接的时候只需要分别与单片机的RXD和TXD相连就行了，然后其他引脚接电源接地，要注意所接电源的大小以及电阻的大小。操作起来也挺方便的，而且它是采用+5V电源工作的，使用方便，再加上传输效率也很快，接收器输入还具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出，具有较高的抗干扰性能。在此次设计中我主要是用它采用半双工通讯方式，将TTL电平转换为RS－485电平的功能。3.10.26N1376N137是一款用于单通道的高速光耦合器，它的结构也很简单，是由一个850nm波长AlGaAsLED和一个集成检测器构成的，检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成，因为检测器中含有光敏二极管，所以它可以很灵敏的感受到光对于它的影响，光耦合器具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流等特点。在信号采集系统中肯定不缺少由模拟信号到数字信号的转换过程，在这个过程中就会产生很多干扰，影响模数转换电路的正常工作，为了抑制这种影响，提高系统的稳定性，我采用了6N137光耦合器。3.10.3B0505S-1W电源模块在我这个设计中要严格控制输入输出电压范围，而正好B0505S-1W合于对与输入电源隔离且输出精度要求较高的电源电路，而且它是1W单输出dc/dc电源模块，产品体积又小，采用SIP技术封装，纹波极低（由交流电源经整流稳压等环节而形成）温度适应范围广，电磁兼容性好，可持续短路保护，温度特性好，使用起来方便，避免了要继续接入其它电路来改变因为温度的影响导致的输出电源模块的故障问题。4软件调试4.1protuse软件调试根据课题系统任务书设计要求，对自动升降压可调直流电压源设计进行Keil和Proteus系统仿真，Proteus总体设计图，如图5-1所示。4.2功能调试在该仿真实验中，我将让该系统对不同电压器件充电，然后在显示屏上看到对不同电压充电时电源所显示出来电压，如图5-2,5-3所示。5结束语单片机技术在我们的身边也发展的非常的迅速，无论是在平常的日常生活中其它各个领域中都能见到单片机的影子。而我们对于以单片机为核心生产出来的产品也变得越来越钟爱，因为它们让我们的生活和生产变得方便了许多。在比较紧迫的时间里，我终于完成了本次毕业设计，最终呈现出了预期的结果，但是由于本人的知识水平有限无法使系统变得更加灵活。在整个完成毕业设计的过程中，我也真的是受益良多。毕业设计不像一个课程设计一样，很多的课程设计只是单独做一个模块，做一个简单的程序实现的功能比较简单。而毕业设计则是一个比较复杂的东西，需要顾虑的东西有很多。它将会让你把在本科四年学习过的很多专业知识都灵活的一起运用起来，还特别考验我们的动手能力和实践操作能力。