電工電子課程設(shè)計固定式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1、固定式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計摘要 本文介紹了一種基于單片機的智能穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案，其核心技術(shù)是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變其后的穩(wěn)壓模塊的輸出。該系統(tǒng)由整流濾波初步穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、dac和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進可調(diào)，并且可實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。關(guān)鍵詞：單片機；穩(wěn)壓電源；連續(xù)步進可調(diào)；dac； 目錄第一章 概述1 1.1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向.1 1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀.11.3 系統(tǒng)研究方向.2第二章 設(shè)計原理.3 2.1 設(shè)計原理.3 2.2 系統(tǒng)框圖.4第三章 主要器件介紹5 3.1 at89c51簡介.5 3.2 dac0832工作原理.6 3.3 數(shù)碼

2、管顯示原理.7第四章 硬件電路與數(shù)據(jù)測試.9 4.1 整流濾波、初步穩(wěn)壓.9 4.2 at89c51主控部分.10 4.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換dac0832.10 4.4 穩(wěn)壓部分.11 4.5 顯示電路.114.6 數(shù)據(jù)測試與分析 .12第五章 軟件設(shè)計.13 5.1 軟件流程圖.13結(jié)束語14參考文獻15附錄一16附錄二18第一章 概述1. 1直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向1.1.1智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的測量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用微處理器的。以微處理器為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表”。智能儀器解決了許

3、多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時還能簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動力源”，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應(yīng)當智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應(yīng)當具有以下功能特點: 操作自動化。系統(tǒng)的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。具有自檢測功能，包括自動調(diào)零、自動故障檢測與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。系統(tǒng)能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人機對話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用

4、鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能直流穩(wěn)壓電源還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。網(wǎng)絡(luò)管理能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源通過rs232接口實現(xiàn)與上位pc機通信，從而使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可以隨時監(jiān)視電源設(shè)備運行狀態(tài)、各項技術(shù)參數(shù);網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可通過網(wǎng)絡(luò)定時開關(guān)電源，實現(xiàn)遠程開關(guān)機等功能。1.1.2數(shù)字化在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是，現(xiàn)在

5、數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。1.1.3模塊化電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化;其二是指電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔負載

6、電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作。 1.1.4 綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(iec對此制定了一系列標準，如工ec555, iec917,ieci000等。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，為21世紀批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)7。1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在我國，以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀60年代

7、中期開始形成，到了90年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快;另一方面，在國家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識指導(dǎo)下，我國電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國際先進水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品;目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足:在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10-15年，尤其在實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)

8、化方面的研究不是很多。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(psd)來控制開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)制化電壓單元達到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。國內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w說來，國內(nèi)直流穩(wěn)壓電源技術(shù)在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。1.3 系統(tǒng)研究方向本系統(tǒng)研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數(shù)字化以及模塊化的特點。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對系統(tǒng)進行智能控制。數(shù)字化主要是指系統(tǒng)輸出電

9、壓通過7段數(shù)碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進數(shù)字化調(diào)節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關(guān)模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。第二章 設(shè)計原理2. 1設(shè)計原理2.1.1穩(wěn)壓電源基本原理直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器t、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖2.1所示。電網(wǎng)供給的交流電壓u1(220v,50hz) 經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓u3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓ui。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，

10、以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。圖2.1 直流穩(wěn)壓電源框圖2.1.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計方案 方案一：采用lm78xx系列三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖2.2 圖2.2 三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路方案二：采用lm317系列可調(diào)三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓，電路如圖2.3 圖2.3 可調(diào)三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路方案三：由運放組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，電路如圖2.4圖2.4 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方案一與方案二都可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，但方案一電壓輸出固定，方案二雖然電壓可調(diào)但很難實現(xiàn)步進調(diào)節(jié)。方案三既可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且輸出電壓連續(xù)步進可調(diào)，滿足設(shè)計要求。在方案三中用到了運放、單片機、數(shù)模轉(zhuǎn)換dac0832，這些器件都需要穩(wěn)定的

11、工作電壓，因此系統(tǒng)最終的選擇方案一與方案三相結(jié)合，采用方案一實現(xiàn)系統(tǒng)的工作電壓，采用方案三實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的連續(xù)步進可調(diào)8。3. 2系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)由各個模塊組成，由各個模塊組成的系統(tǒng)框圖如圖2.5所示。顯示電路調(diào)整電路電源電路按鍵控制取樣電路比較電路dacat89c51單片機 圖2.5系統(tǒng)框圖第三章 主要器件介紹3.1 at89c51簡介 本課題設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源的核心控制器件選用at89c511。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微

12、處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at8920c51是他的精簡版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案，引腳圖如圖3.1。 圖3.1 at89c51引腳圖at89c51主要特性與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部ram32可編程i/o線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通

13、道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 3.2 dac0832工作原理直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片dac0832。dac0832的原理框圖如圖3.2所示。dac0832主要由8位輸入寄存器、8位dac寄存器、8位d/a轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位dac寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制；8位d/a轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。圖3.2 dac0832原理框圖當wr2和xfer同時有效時，8位dac寄存器端為高電平“

14、1”，此時dac寄存器的輸出端q跟隨輸入端d也就是輸入寄存器q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位dac寄存器中，以便第三級8位dac轉(zhuǎn)換器進行d/a轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級8位dac寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。dac單極性輸出方式如圖 3.3 所示。圖3.3 dac單極性輸出電路3.3數(shù)碼管顯示原理 3.3.1數(shù)碼管結(jié)構(gòu)輸出電壓采用7段數(shù)碼管進行顯示。數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構(gòu)成，

15、通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0 9、字符a f、h、l、p、r、u、y、符號“-”及小數(shù)點“.”。數(shù)碼管的外型結(jié)構(gòu)如圖3.4（a）所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖3.4（b）和圖3.4（c）所示。（a） 外型結(jié)構(gòu) （b） 共陰極 （c）共陽極圖3.4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.3.2數(shù)碼管工作原理 共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接

16、電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起，通常，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端，當某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻3.3.3數(shù)碼管字形編碼要使數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的數(shù)字或字符必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應(yīng)的字形編碼。對照圖7.10（a），字型碼各位定義如下：數(shù)據(jù)線d0與a字段對應(yīng)，d1字段與b字段對應(yīng)，依此類推。如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段

17、亮，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段亮。如要顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：11000000b（即c0h）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：00111111b（即3fh）。依此類推可求得數(shù)碼管字形編碼如表3.1所示。表3.1 數(shù)碼管字型編碼表顯示字符字形共 陽 極共 陰 極dpgfedcba字型碼dpgfedcba字形碼0011000000c0h001111113fh1111111001f9h0000011006h2210100100a4h010110115bh3310110000b0h010011114fh441001100199h

18、0110011066h551001001092h011011016dh661000001082h011111017dh7711111000f8h0000011107h881000000080h011111117fh991001000090h011011116fhaa1000100088h0111011177hbb1000001183h011111007chcc11000110c6h0011100139hdd10100001a1h010111105ehee1000011086h0111100179hff100011108eh0111000171hhh1000100189h0111011076hl

19、l11000111c7h0011100038hpp100011008ch0111001173hrr11001110ceh0011000131huu11000001c1h001111103ehyy1001000191h011011106eh-10111111bfh0100000040h.011111117fh1000000080h熄滅滅11111111ffh0000000000h第四章 硬件電路與數(shù)據(jù)測試4. 1整流濾波、初步穩(wěn)壓 整流就是把交流電變成脈動的直流電的過程，整流的基本器件是二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦约纯砂呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動的直流電，橋式整流電路如圖4.1所示2。 圖4.1 整流濾

20、波電路濾波是為了降低輸出電壓的脈動成分，得到較為平滑的直流電源，常有的濾波電路有電容濾波、rc（lc）型的濾波形式。電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓uc=q/c。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量，經(jīng)過濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高；固定三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路如圖4.2所示，在輸入與公共端之間、輸出端與公共端之間分別接了0.33uf、0.1uf的電容,可以防止自激振蕩。 圖4.2 三端穩(wěn)壓電路4.2 at89c51主控部

21、分單片機at89c51是系統(tǒng)的控制核心，主要是通過控制數(shù)摸轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)對穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)，并且控制顯示電路，電路如圖4.3所示9。 圖4.3 at89c51主控電路主控電路中包括at89c51工作的基本電路：復(fù)位電路和晶振電路，還有兩個按鍵：+sw鍵和-sw鍵，這兩個按鍵用于控制輸出電壓的增加與減小。4.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換dac08323 dac模塊是整個系統(tǒng)的紐帶，連接著控制部分與穩(wěn)壓部分，電路如圖4.4所示圖4.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 該數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用的是dac0832單極性輸出方式，輸出vo=-b*vref/256，其中b的值為d0d7組成的8位二進制，取值范圍為0255，vref是參考電壓，該電壓有

22、電阻r2和可變電阻r3分壓所得，通過調(diào)節(jié)可變電阻可以改變參考電壓vref。5. 4穩(wěn)壓部分穩(wěn)壓部分是系統(tǒng)的實現(xiàn)核心，dac模塊輸出的模擬信號決定最終的輸出電壓，電路如圖4.5所示10 。 圖4.5 穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路中電阻r7和r8組成取樣電路，對輸出電壓進行取樣，運放tl082構(gòu)成比較電路，對采樣電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的電壓進行比較以控制調(diào)整電路，三極管q1和q2構(gòu)成調(diào)整電路，調(diào)整電路通過改變?nèi)龢O管的管壓降來調(diào)整輸出電壓。6. 5顯示電路顯示電路是對系統(tǒng)輸出電壓進行顯示，使得整個系統(tǒng)更加合理話，由于只顯示輸出的電壓，所以顯示器件采用數(shù)碼管，電路如圖4.6所示； 圖4.6 數(shù)碼管顯示電路4.6數(shù)據(jù)

23、測試與分析數(shù)據(jù)測試主要是測試輸出電壓與設(shè)定值之間的誤差。測試數(shù)據(jù)如表4.1表4.1 測試數(shù)據(jù)設(shè)定值(v)輸出電壓(v)誤差(v)12.92.840.0623.02.970.0333.53.480.0245.04.980.0257.06.980.0269.18.080.02710.210.180.02811.010.960.04911.111.010.09從表4.1中的數(shù)據(jù)可以看出第1組和第9組輸出電壓與設(shè)定值偏差比較大，設(shè)定值在3v11v時輸出電壓偏差不大。為了減小誤差，所以將電壓的設(shè)定值限定在3v11v之間。系統(tǒng)輸出電壓在3v11v之間步進可調(diào)，步進值為0.1v。第五章 軟件設(shè)計 5.1 軟

24、件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖直觀的描述了如何實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的調(diào)節(jié)。首先對系統(tǒng)的輸出電壓進行初始化，設(shè)定為5v（常用電壓值），然后通過判斷按鍵是+鍵或是-鍵對系統(tǒng)的輸出電壓進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，并保證輸出電壓不超出設(shè)定范圍，具體的調(diào)節(jié)過程如圖5.1所示4-6 。 圖5.1 系統(tǒng)軟件流程圖結(jié)束語為期一周的課程設(shè)計，讓我對電工技術(shù)等方面的專業(yè)知識做初步的理解；培養(yǎng)和鍛煉我們的實際動手能力，使我們的理論知識與實踐充分地結(jié)合，做到不僅具有專業(yè)知識，而且還具有較強的實際操作能力，能分析問題和解決問題的高素質(zhì)人才。以前我們學(xué)的都是一些理論知識,比較注重理論性，而較少注重我們的動手鍛煉，而這一次的實習(xí)有不少的東西要我們?nèi)ハ?，同時有更多的是要我們?nèi)プ觯枚鄸|西看起來十分簡單，但沒有親自去做，就不會懂得理論與實踐是有很大區(qū)別的，很多簡單的東西在實際操作中就是有許