可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1、可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計摘 要隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，各種各樣的電氣、電子設(shè)備已經(jīng)廣泛的應用于日常工作、科研、學習等各個方面。電源作為電氣、電子設(shè)備必不可少的能源供應部件，需求日益增加，而且對電源的功能、穩(wěn)定性等各項指標也提出了更高的要求。對電源的研究和開發(fā)已經(jīng)成為新技術(shù)、新設(shè)備開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，在推動科技發(fā)展中起著重要作用。21世紀，科學技術(shù)的發(fā)展日新月異，科技的進步帶動了電源技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制設(shè)備的性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化。我們已經(jīng)進入了高速發(fā)展的信息時代。本設(shè)計采用LM317三端穩(wěn)壓芯片做穩(wěn)壓器件設(shè)計直流穩(wěn)壓電源，通過相關(guān)知識計算出各電路中各個器件的參數(shù)，使電路性能達到設(shè)計要求中等

2、各項指標。并且可以通過用單片機控制調(diào)節(jié)輸出電壓，使其在功能上具有一定智能化。本設(shè)計采用新型STC12C5628AD單片機,集成A/D轉(zhuǎn)換器，直接采集輸出電壓和流入交流網(wǎng)側(cè)電流信號，然后通過單片機對送來的電壓、電流進行計算，并將此結(jié)果送入數(shù)碼管,并顯示出來。單片機控制電路,具有設(shè)計電路簡單, 制作容易, 操作方便, 顯示直觀, 性能可靠, 功能完善等特點。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；LM317三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓電路；單片機；智能化The design of AdjustableDC power supplyAbstractWith the development of modern science al

3、l kinds of electrical and electronic equipment has been widely used in daily work, scientific research, learning and other aspects. Electrical power is, as electric, electronic equipment, essential parts of the energy supply, demand has increased, and the function, stability and all kinds of indicat

4、ors of electrical power also are put forward higher request. The research and development of electrical power has become the important link of a new technology, new equipment development and plays an important role in promoting the development of science and technology. The 21st century, the rapid d

5、evelopment of science and technology, advances in technology led to the development of measurement technology, modern control equipment performance and structure of earth-shaking changes have taken place. We have entered a rapid development of the information age. This design designs DC Power Supply

6、 with the LM317 three-terminal regulator chip regulator circuit, through the related knowledge calculated parameters of each device in the circuit, making the circuit performance meet all kinds of indicators of the design requirements. And by using single chip microcomputer control to adjust output

7、voltage, makes its intelligent on the function. This design uses the new STC12C5628AD single chip microcomputer, integrating A/D converter, directly collects output voltage and flow into exchange network side current signal, and then through the single chip microcomputer calculated the voltage, curr

8、ent, and the results into digital tube, and shows it. Single-chip microcomputer control circuit, which has simple circuit design, easy-making, convenient operation, showing intuitionally, reliable performance, and the perfect function etc.Key words：DC Power Supply; the LM317 three-terminal regulator

9、 chip regulator circuit; Single chip microcomputer; intelligent目 錄第1章 緒論11.1 電源技術(shù)的分類與應用11.2 電源技術(shù)21.2.1 電源技術(shù)的現(xiàn)狀31.2.2 電源技術(shù)的創(chuàng)新41.3 主要內(nèi)容和預期目標51.3.1 主要內(nèi)容61.3.2 預期目標6第2章 方案設(shè)計72.1 設(shè)計思路72.2 穩(wěn)壓方案的選擇7第3章 主電路設(shè)計93.1 整流、濾波電路設(shè)計93.1.1 單相橋式整流電路93.1.2 濾波電路113.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計133.2.1 LM317芯片簡介133.2.2 LM317應用電路圖143.3 控制電路設(shè)計1

10、53.3.1 STC12C5620AD系列單片機簡介163.3.2 TLC5616數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片簡介183.3.3 OP07芯片簡介203.3.4 控制電路分析203.4 顯示電路設(shè)計233.4.1 四位共陽極數(shù)碼管243.4.2 s8050三極管作用243.5 輔助電源電路263.5.1 24V基準電壓源263.5.2 5V基準電壓源273.5.3 -5V基準電壓源273.6 本章小結(jié)29第4章 軟件設(shè)計304.1 主要程序304.2 調(diào)試34第5章 結(jié)論365.1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展趨勢365.2總結(jié)與展望37參考文獻39謝辭41附錄一 元器件清單42附錄二 單片機的管腳分配4344第1章

11、 緒論人類的經(jīng)濟活動已經(jīng)進入工業(yè)經(jīng)濟時代，并正在轉(zhuǎn)入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時期。電源是位于市電（單相或三相）與負載之間，向負載提供優(yōu)質(zhì)電能的供電設(shè)備，是工業(yè)的基礎(chǔ)。電源技術(shù)是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)的多學科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電動機工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術(shù)學科；它為現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵的作用5。當代許多高新技術(shù)均與市電的電壓、電流、頻率、相位和

12、波形等基本參數(shù)的變換與控制相關(guān)。電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。因此，電源技術(shù)不但本身是一項高新技術(shù)，而且還是其他多項高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和生活帶來深遠的影響9。電源如今已是非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到最尖端的科技，都離不開電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中一步步發(fā)展起來的。1.1 電源技術(shù)的分類與應用一般將提供電能的設(shè)備稱為電源，可分為三類：（1）把其他能量轉(zhuǎn)換成電能，

13、例如水力、火力、風力及核能發(fā)電等，一般稱這種電源為一次電源（即供電電源，俗稱電網(wǎng)或市電）。（2）在電能傳輸過程中，在供電電源與負載之間對電能進行轉(zhuǎn)換或穩(wěn)定處理，一般稱這種電源為二次電源（即對已有的電源進行控制）。（3）平時把能量以某種形式儲存起來，使用時再變成電能供給負載，典型的器件就是人們常見的各種蓄電池。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對電源技術(shù)的要求越來越高，規(guī)格品種越來越多，技術(shù)難度越來越大，涉及的學術(shù)領(lǐng)域也越來越廣。就其技術(shù)本身而言，可分為三類10：（1）直流穩(wěn)定電源，輸入量可以是交流電或直流電，交流電可以是單相交流電或三相交流電，輸出量是直流電（含穩(wěn)壓或穩(wěn)流），包括線性控制和開關(guān)控制兩種。（2

14、）交流穩(wěn)定電源，輸入量多為單相或三相交流電，輸出量仍為交流電（單相或三相，當輸入量為直流電時成為逆變器），含穩(wěn)壓、穩(wěn)流、穩(wěn)頻、不間斷供電等類型。（3）特種電源（工業(yè)電源），例如電鍍、電解、電焊、激光、高壓等類型電源，輸入量多為交流市電，輸出量有直流、交流或脈沖形式。電源設(shè)備廣泛應用于科學研究、經(jīng)濟建設(shè)、國防設(shè)施及人民生活等方面，是電子設(shè)備和機電設(shè)備的基礎(chǔ)，它與國民經(jīng)濟各個部門相關(guān)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應用得最為廣泛?？梢哉f，凡是涉及電子和電工技術(shù)的一切領(lǐng)域都要用到電源設(shè)備（或器件），它不僅提供優(yōu)質(zhì)電能，還對科學技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，例如超小型、高效率的高頻開關(guān)電源的出現(xiàn)，促進了航天和艦船技術(shù)的發(fā)

15、展；不間斷供電電源（UPS）的研制成功，大大提高了計算機、通信、導航、醫(yī)療等設(shè)備的可靠性；脈沖電源廣泛用于電焊、電鍍等行業(yè)，節(jié)省了大量電能和原材料。從而可以看出電源技術(shù)的研究對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重大意義。1.2 電源技術(shù)一般情況下，電源技術(shù)的主要內(nèi)容包括以下幾部分：電力電子器件、功率變換電路、電源整機及系統(tǒng)等。1.2.1 電源技術(shù)的現(xiàn)狀電源技術(shù)對科學技術(shù)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有明顯的促進作用，世界各國都很重視這一技術(shù)的發(fā)展。我國的電源技術(shù)緊跟國際先進水平，近十年來已有長足的進步，這里僅就直流穩(wěn)定電源和交流穩(wěn)定電源兩大類的現(xiàn)狀做以介紹9。（1）直流穩(wěn)定電源，包括線性控制型和開關(guān)控制型兩種方式。線性電源的

16、主要特點是功率器件工作在放大狀態(tài)，具有穩(wěn)定度高、可靠性好、成本較低等優(yōu)點，但有效率低、笨重、體積較大等缺點，適用于中、小功率和對電性能指標要求比較高的場合。例如，在科研和教學實驗室、計量室作為可調(diào)電源或基準電源使用。近十多年來，多制成集成穩(wěn)壓模塊，其品種規(guī)格較多，便于使用，價格便宜，從而受到歡迎。開關(guān)電源的主要特點是功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，由于開關(guān)頻率較高（幾十至幾百千赫），甩掉了工頻變壓器及低頻濾波電感器，從而達到減小整機體積、重量，提高工作效率的目的。近十年來由于功率半導體器件的迅速發(fā)展，使開關(guān)電源的應用越來越廣泛。我國在20世紀60年代開始研制，至今在開關(guān)頻率和單機功率等方面都獲得了較快

17、的發(fā)展。輸入電源主要為直流和工頻交流，輸出多為直流，高頻變換器為中間環(huán)節(jié)，有多種電路形式?？刂品绞接忻}寬調(diào)制式（PWM）、脈頻調(diào)制式（PFM）和諧振式等。這種電源多用于計算機、程控電話交換機、通信設(shè)備及電子儀器等。（2）交流穩(wěn)定電源，是交流穩(wěn)壓電源、穩(wěn)頻電源和不間斷電源等具有交流穩(wěn)定性能電源的總稱。目前主要指交流穩(wěn)壓電源和不間斷電源兩個方面，是電源技術(shù)領(lǐng)域中的重要分支。由于我國交流市電電源的電壓波動較大、干擾較多、有停電等情況發(fā)生，交流穩(wěn)壓電源和不間斷電源已成為許多電子設(shè)備不可缺少的供電裝置。交流穩(wěn)壓電源的種類較多，主要有參數(shù)調(diào)整型、自動調(diào)壓型（含補償型）及開關(guān)型等類型，從結(jié)構(gòu)上看有單一型和組

18、合型，有工程應用型和基準源型，有的兼有穩(wěn)頻和穩(wěn)壓功能，有的還有變頻調(diào)壓功能。不間斷電源（UPS）有動態(tài)式（利用機械慣性）和靜止式（利用電子控制）兩種，一般多采用后者。根據(jù)輸出電壓性質(zhì)不同有直流UPS和交流UPS，后者用得較多，交流UPS又分為后備式和在線式兩大類。根據(jù)交流輸入輸出的相數(shù)不同，分為單相輸入單相輸出、三相輸入單相輸出和三相輸入三相輸出等方式。根據(jù)輸出功率的大小分為小功率、中功率和大功率三種。UPS廣泛應用于計算機、程控交換機、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、醫(yī)療診斷儀及精密電子儀器等不能中斷供電的場合。20世紀90年代 UPS在世界范圍內(nèi)的銷售額逐年增加，1995年達到50億美元左右，每年以14的速

19、率增長。1.2.2 電源技術(shù)的創(chuàng)新1947年底晶體管問世，隨后不到十年，可控硅整流器（SCR，現(xiàn)稱晶閘管）在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世，從而揭開了電源技術(shù)長足發(fā)展的序幕。半個世紀以來，電源技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。（1）高頻變換是電源技術(shù)發(fā)展的主流電源技術(shù)的精髓是電能變換，即利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適用于各種用電對象的二次電源。開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從20kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達到兆赫級的高頻開關(guān)電源，為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進了現(xiàn)代電源技術(shù)的繁榮和發(fā)展。高頻化帶來的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，加快系統(tǒng)的動態(tài)反應，進一步

20、提高電源裝置的效率，有效抑制環(huán)境噪聲污染，并使電源進入更廣闊的領(lǐng)域特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進一步擴展了它的應用范圍。（2）新理論、新技術(shù)的指導諧振變換、移相諧振、零開關(guān)PWM、零過渡PWM等電路拓撲理論，功率因數(shù)校正、有源箝位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、遙感遙控、微機監(jiān)控等新技術(shù)，指導了現(xiàn)代電源技術(shù)的發(fā)展。（3）新器件、新材料的支撐絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、功率場效應晶體管（MOSFET）、智能IGBT功率模塊（IPM）、MOS柵控晶閘管（MCT）、靜電感應晶體管（SIT）、超快恢復二極管、無感電容器、無感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備

21、了現(xiàn)代電源技術(shù)，促進產(chǎn)品升級換代。（4）控制的智能化控制電路、驅(qū)動電路、保護電路采用集成組件?？刂齐娐凡捎萌珨?shù)字化，控制手段用微處理器和單片機組成的軟件控制方式，達到了較高的智能化程度，并且進一步提高了電源設(shè)備的可靠性。（5）電源電路的模塊化、集成化電源技術(shù)發(fā)展的特點是電源電路的模塊化、集成化。單片電源和模塊電源取代整機電源，功率集成技術(shù)簡化了電源的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛應用，并且派生出新的供電體制-分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。（6）電源設(shè)備的標準規(guī)范今天的市場已是超越區(qū)域融貫全球的一體化市場，電源設(shè)備要進入市場，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準則，電源設(shè)備

22、生產(chǎn)廠家必須接受安全、EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等各種標準規(guī)范的認證。1.3 主要內(nèi)容和預期目標本設(shè)計電路主要采用三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM317,構(gòu)成正負輸出可調(diào)的穩(wěn)壓電源電路,并用數(shù)碼管直觀顯示電壓數(shù)值。使用時,只需調(diào)節(jié)電源電壓調(diào)節(jié)器,即可得到所需的電壓,并在數(shù)碼管上顯示電壓數(shù)值,使用方便,顯示直觀,適應范圍較廣。本電源電路其主要由變壓器、整流、濾波、穩(wěn)壓、輔助電源、采樣電路、數(shù)碼顯示等部分所組成。1.3.1 主要內(nèi)容（1）設(shè)計變壓電路：選用合適的電源變壓器將電網(wǎng)電壓降到所需要的交流電壓值。（2）設(shè)計整流濾波電路：降壓后的交流電壓，通過整流電路整流變成單向脈動直流電壓。直流脈動電壓經(jīng)過濾波電路變

23、成平滑的、脈動小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分。濾波電路一般由電阻電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。（3）設(shè)計穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用是在外界因素（電網(wǎng)電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能夠輸出不受影響而維持穩(wěn)定的直流電壓。(4)電路的仿真及搭建：安裝仿真軟件，元器件采購整理器件排版安裝焊接。1.3.2 預期目標使用目前應用較為靈活的LM317三端集成穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)輸出電壓，但是采用這種輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護的三端集成模塊，其輸出電壓調(diào)整范圍寬度一般為穩(wěn)壓器的基準電壓為1.25V37V，得不到0V1.25V之間的電壓，如要求電壓從0V起

24、連續(xù)可調(diào)，則需要設(shè)計電壓補償電路才可實現(xiàn)030V連續(xù)可調(diào)。并且采用兩種方式進行調(diào)節(jié)，一種利用電位器調(diào)節(jié)，另一種利用單片機控制調(diào)節(jié)，兩種調(diào)節(jié)方式可以互相切換滿足不同的需要。并且含有數(shù)字顯示部分，分別可以顯示輸出的直流電壓和流入電網(wǎng)的交流電流。第2章 方案設(shè)計2.1 設(shè)計思路直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、顯示電路、控制電路組成7。圖2.1 直流穩(wěn)壓電源方框圖故本設(shè)計直流穩(wěn)壓電源要完成以下工作：（1）設(shè)計變壓電路：選用合適的電源變壓器將電網(wǎng)電壓降到所需要的交流電壓值。（2）設(shè)計整流濾波電路：降壓后的交流電壓，通過整流電路整流變成單向脈動直流電壓。直流脈動電壓經(jīng)過濾波電路

25、變成平滑的、脈動小的直流電壓，即濾除交流成分，保留直流成分。濾波電路一般由電阻電容組成，其作用是把脈動直流電壓中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓。（3）設(shè)計穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的作用是在外界因素（電網(wǎng)電壓、負載、環(huán)境溫度）發(fā)生變化時，能夠輸出不受影響而維持穩(wěn)定的直流電壓。（4）設(shè)計顯示電路：顯示電路的作用是顯示輸出側(cè)輸出的直流、電壓的數(shù)值，主要通過單片機采樣，經(jīng)過計算輸送到數(shù)碼管顯示輸出值。（5）設(shè)計控制電路：控制電路的作用是通過單片機控制穩(wěn)壓部分輸出更精確穩(wěn)定的直流電壓。2.2 穩(wěn)壓方案的選擇穩(wěn)壓方案設(shè)計的主要難點在可調(diào)電壓部分，其要求是輸出電壓從0V 開始一直到30V 應連續(xù)可調(diào)

26、。因此，以下對當前流行的二種調(diào)壓方案進行比較與選擇。(1)穩(wěn)壓方案：使用晶體管串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路。交流電壓經(jīng)整流濾波后，得到平滑的直流電壓，并作為穩(wěn)壓電路的輸入電源。同時采用了比較放大電路，它的核心是取樣調(diào)整，輸出電壓的穩(wěn)定是晶體管的壓降相應改變，使輸出電壓保持穩(wěn)定。(2)穩(wěn)壓方案：采用穩(wěn)壓專用集成電路。一般采用輸出電壓可調(diào)且內(nèi)部有過載保護的三端集成模塊，其輸出電壓調(diào)整范圍寬，一般穩(wěn)壓器的基準電壓為1.2537V，如要求電壓從0V 起連續(xù)可調(diào)，則需要設(shè)計電壓補償電路才可實現(xiàn)。分析：方案一，簡易可用，但調(diào)壓范圍大時，穩(wěn)壓精度要差一些。方案二，利用穩(wěn)壓專用集成電路模塊，具有精度高，操作方便，性能可

27、靠，適用于要求較高的場合。故采用第二種設(shè)計方案。第3章 主電路設(shè)計3.1 整流、濾波電路設(shè)計在電子電路及設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。本設(shè)計的電源為小功率直流穩(wěn)壓電源，輸入為50Hz，220V交流電壓，輸出為直流030V電壓，電流最大值1.25A。變壓器副邊電壓通過整流電路由交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動電壓。半波整流電路和全波整流電路的輸出波形均含有較大的交流分量，會影響負載電路的正常工作。為了減少電壓的脈動，需要通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。理想情況下，應該將交流分量全部去除，使濾波電路的輸出電壓僅有直流電壓。然而，由于濾波電路為無源電路，所以接

28、入負載后勢必會影響其濾波效果。對于穩(wěn)定性要求不高的電路，整流、濾波后的直流電壓可以作為供電電源。交流電壓通過整流、濾波后雖然變?yōu)榻涣鞣至枯^小的直流電壓，但是當電網(wǎng)電壓波動或負載變化時，其平均值也將隨之變化。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓的波動和負載大小的變化，從而可以獲得足夠高的穩(wěn)定性。3.1.1 單相橋式整流電路單項橋式整流電路的變壓器中只有交流電流流過，而單相半波和全波整流電路中均有直流分量流過，所以單相橋式整流電路的變壓效率比較高，在同樣的功率容量條件下體積可以小一些。單相橋式整流電路的總體性能優(yōu)于單相半波和全波整流電路，故本設(shè)計采用單相橋式整流電路。（1）工作原理單相橋

29、式整流電路是將交流轉(zhuǎn)換為直流的最基本的電路，其電路圖和波形圖如圖3.1所示。圖3.1單相橋式整流電路在分析整流電路工作原理時，整流電路中的二極管是作為開關(guān)使用的，具有單向?qū)щ娦?。根?jù)圖3.1的電路圖可知：當正半周時，二極管D1、D3導通，在負載電阻上得到正弦波的正半周。當負半周時，二極管D2、D4導通，在負載電阻上得到正弦波的負半周。在負載電阻上，正負半周經(jīng)過合成，得到的是同一個方向的單相脈動電壓。（2）參數(shù)計算輸出電壓是單相脈動電壓。通常用它的平均值與直流電壓等效。輸出平均電壓為：流過負載的平均電流為：二極管所承受的最大的反向電壓為：（3）單相橋式整流電路的負載特性曲線單相橋式整流電路的負載

30、特性曲線是指輸出電壓與負載電流之間的關(guān)系曲線，該曲線如圖3.2所示。曲線的斜率代表了整流電路的內(nèi)阻。圖3.2 負載特性曲線3.1.2 濾波電路經(jīng)過整流后的直流電幅值變化很大,會影響電路的工作性能。可利用電容的“通交流,隔直流”的特性,在電路中并入兩個并聯(lián)電容作為電容濾波器,濾去其中的交流成分。濾波電路利用電抗性元件對交、直流阻抗的不同，實現(xiàn)濾波。電容器對直流開路，對交流阻抗小，所以應該并聯(lián)在負載兩端。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量，又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動系數(shù)，改善了直流電壓的質(zhì)量。電容濾波電路是最常見也是最簡單的濾波電路,在整流電路的輸出端(即負載電

31、阻兩端)并聯(lián)一個電容即構(gòu)成電容濾波電路。濾波電容容量較大,因此一般均采用電解電容,在接線時要注意電解電容的正負極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用,使輸出電壓趨于平滑。如果將兩個濾波電容相連接,且連接點接地,就可同時得到輸出電壓平滑的正負電源1。電容濾波整流電路如圖3.3所示，在負載電阻上并聯(lián)了一個濾波電容。若電路處于正半周，二極管D1、D3導通，變壓器次端電壓給電容器充電。此時C相當于并聯(lián)在上，所以輸出波形同，是正弦波形。當?shù)竭_時，開始下降。先假設(shè)二極管關(guān)斷，電容就要以指數(shù)規(guī)律向負載RL放電，指數(shù)放電起始點的放電速率很大。在剛過時，正弦曲線下降的速率很慢，所以剛過時二極管仍然導通。在超過后

32、的某個點，正弦曲線下降的速率越來越快，當剛超過指數(shù)曲線起始放電速率時，二極管關(guān)斷。圖3.3 單相橋式整流電容濾波電路所以，在t1到2時刻，二極管導電，充電，C0按正弦規(guī)律變化；2到3時刻二極管關(guān)斷，C0按指數(shù)曲線下降，放電時間常數(shù)為L。電容濾波過程見圖3.4。圖3.4 橋式整流、電容濾波時的電壓、電流波形需要指出的是，當放電時間常數(shù)L增加時，1點要右移，2點要左移，二極管關(guān)斷時間加長，導通角減小，見圖3.4濾波曲線；反之，當L減少時，導通角增加。顯然，當L很小，即L很大時，電容濾波的效果不好，見濾波曲線中的2；反之，當L很大，即IL 很小時，盡管較小，L仍很大，電容濾波的效果也很好，見濾波曲線

33、中的3。所以電容濾波適合輸出電流較小的場合。故本設(shè)計濾波電路采用電容濾波電路,將整流電路輸出的脈動成分大部分濾除,得到比較平滑的直流電。本電路采用2200/50V 的大電容和0.1 使輸出電壓更加平滑。電容濾波的計算比較麻煩，因為決定輸出電壓的因素較多。工程上有詳細的濾波曲線可供查閱。一般常采用以下近似估算法：一種是用鋸齒波近似表示，即另一種是在的條件下近似認為。3.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計LM317 是固定集成穩(wěn)壓器芯片，經(jīng)過對外圍電路的改進設(shè)計，可以達到大范圍的輸出電壓調(diào)整，不僅能滿足一般小功率設(shè)備對直流電源的要求，已能滿足教學上各種綜合實驗的需要，是各類高校理工類電子技術(shù)及相關(guān)專業(yè)開展綜合整機線

34、路設(shè)計的理想器件之一，本文將對可調(diào)式電源設(shè)計作比較詳細的分析2。3.2.1 LM317芯片簡介LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。LM317 是美國國家半導體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。LM317的電壓輸出范圍是1.25V37V，負載電流最大為1.5A,僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓，連續(xù)可調(diào)。此外,它的線性調(diào)整率為0.01和負載調(diào)整率0.1%也比標準的固定穩(wěn)壓器好。此外該器件內(nèi)置過載保護電路、安全保護等多重保護功能。內(nèi)阻小、電壓穩(wěn)定、噪音極低、輸出紋波小8。圖3.5為LM317管腳圖，如圖所示為 LM317 穩(wěn)壓器管腳功能1、ADJ調(diào)整端，2

35、、Vo輸出端，3、Vi輸入端。圖3.5 LM317管腳圖3.2.2 LM317應用電路圖圖3.6 LM317的標準應用電路圖因為經(jīng)?？刂圃谛∮?00這一項誤差在多數(shù)應用中被忽略所以輸出電壓可近似計算為僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。 首先LM317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是所以R2/R1的比值范圍只能是028.6。要保證LM317 在空載時能夠穩(wěn)定地工作,只要保證就可以了。1.5mA 為LM317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流。我選擇R1、R3 分別為10k和270的固定電阻。改變R2的值可以調(diào)節(jié)輸出電源值,輸出

36、電壓計算公式如下:有以上公式可以看出輸出電壓的最小值是1.25V為了保證輸出電壓030V連續(xù)可調(diào)，故引入輔助電源電路產(chǎn)生-5V直流電壓使電路產(chǎn)生分壓比，實現(xiàn)電源一直保持能從0V起調(diào)。3.3 控制電路設(shè)計本設(shè)計采用滑動變阻器和單片機控制兩種方式控制穩(wěn)壓器輸出可調(diào)電壓，單片機控制與滑動變阻器控制相比較，其優(yōu)點在于操作簡單、精度高、易于調(diào)節(jié)、輸出電壓穩(wěn)定、抗干擾能力強。本設(shè)計采用的是新型STC12C5620AD系列單片機，起集成A/D轉(zhuǎn)換器，為下一步顯示電路的設(shè)計更加簡便，容易實現(xiàn)。控制電路中包括單片機，數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615，運算放大器OP07。其核心思想是將單片機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，

37、在經(jīng)過OP07放大后直接接到LM317的控制端，控制輸出電壓。下面我們介紹一下主要的元器件。3.3.1 STC12C5620AD系列單片機簡介STC12C5620AD系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,4路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,針對電機控制，強干擾場合3。1）增強型 8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。2）工作電壓： 5.5V - 3.5V。3）工作頻率范圍：035MHz。4）片上集成768

38、字節(jié) RAM。5）通用I/O口，復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/上強拉，僅為輸入/高阻，每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA。6）ISP（在系統(tǒng)可編程）/ IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。7）有EEPROM功能。8）看門狗。9）內(nèi)部集成MAX810專用復位電路（外部晶體20M以下時，可省外部復位電路）。10）時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外

39、部晶體/ 時鐘常溫下，內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.2MHz 6.8MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準。11）PWM(4路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列,4路）。12） A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路。13)通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，也可再用定時器軟件實現(xiàn)多串口。圖3.7 STC12C5620AD系列（集成A/D轉(zhuǎn)換）管腳圖3.3.2 TLC5616數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片簡介TLC5615 為美國德州儀器公司 1999 年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍

40、。帶有上電復位功能，即把 DAC 寄存器復位至全零。性能比早期電流型輸出的 DAC 要好。只需要通過 3 根串行總線就可以完成 10 位數(shù)據(jù)的串行輸入， 易于和工業(yè)標準的微處理器或微控制器(單片機) 接口, 適用于電池供電的測試儀表、移動電話,也適用于數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場合。圖3.8 TLC5615引腳圖管腳功能簡介DIN（1腳）： 串行數(shù)據(jù)輸入端；SCLK（2腳）： 串行時鐘輸入端；（3腳）： 芯片選用通端，低電平有效；DOUT（4腳）： 用于級聯(lián)時的串行數(shù)據(jù)輸出端；AGND（5腳）： 模擬地；REFIN（6腳）：基準電壓輸入端, 2.5V；OUT（7腳）： DAC 模擬電壓輸出

41、端；VDD（8腳）： 正電源端，4.55.5V,通常取 5V。TLC5615 工作時序圖3.9 TLC5615 工作時序TLC5615工作時序如上圖所示, 可以看出,只有當片選 CS 為低電平時, 串行輸入數(shù)據(jù)才能被移入 16位 移位寄存器。當CS 為低電平時,在每一個SCLK時鐘的上升沿將DIN的一位數(shù)據(jù)移入16位移寄存器。注意, 二進制最高有效位被導前移入。接著,CS的上升沿將16位移位寄存器的10位有效數(shù)據(jù)鎖存于10位DAC寄存器, 供DAC電路進行轉(zhuǎn)換; 當片選CS為高電平時,串行輸入數(shù)據(jù)不能被移入16位移位寄存器。注意,CS的上升和下降都必須發(fā)生在SCLK為低電平期間。3.3.3 O

42、P07芯片簡介OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面24。圖3.10 OP07管腳圖OP07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，2為反向輸入端，3為正向輸入端，4接地，5空腳，6為輸出，7接電源。3.3.4 控制電路分析圖3.11為控制電路的電路圖

43、，單片機的P1.2、P1.3分別接在TLC5615的SCLK、連接為TLC5615提供脈沖時間和芯片選通（低電平有效）。P3.3、P3.4、P3.5為鍵盤端口，分別接鍵盤S3、S2、S1，S3控制切換顯示電壓電流，S2控制電壓加，S1控制電壓減。圖3.11 單片機控制電路單片機的P3.2與TLC5615的串行輸入端口DIN端相連接，輸出數(shù)字控制信號。單片機輸出的數(shù)字信號不能夠直接控制穩(wěn)壓器輸出穩(wěn)定的電壓，必須經(jīng)過TLC5615轉(zhuǎn)換為模擬信號。但是得到的模擬信號電壓范圍為05V不足以控制LM317故有經(jīng)過OP07放大。本設(shè)計將OP07接成反相比例放大電路如下圖所示6，圖3.12 反相比例放大器1

44、反相比例放大電路的特點由運算放大器組成的反相比例放大電根據(jù)集成運算放大器的基本原理4，反相比例放大電路的閉環(huán)特性為：閉環(huán)電壓增益：輸入電阻： 輸出電阻：其中： Auo為運放的開環(huán)電壓增益，環(huán)路帶寬：其中：為運放的開環(huán)帶寬。最佳反饋電阻：上式中：Rid為運放的差模輸入電阻，Ro為運放的輸出電阻。平衡電阻： 由以上公式可取，取，所以，故選取，。從以上公式可以看出，由運算放大器組成的反相輸入比例放大電路具有以下特性：（1）在深度負反饋的情況下工作時，電路的放大倍數(shù)僅由外接電阻R1和 Rf 的值決定。（2）由于同相端接地，故反相端的電位為“虛地”，因此，對前級信號源來說，其負載不是運放本身的輸入電阻，

45、而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。由于，因此反相比例放大電路只適用于信號源對負載電阻要求不高的場合（小于500k）（3）在深度負反饋的情況下，運放的輸出電阻很小。3.4 顯示電路設(shè)計在本設(shè)計中此部分電路主要用來顯示輸出的電壓值和流過總電路的電流值，其主要器件有單片機、數(shù)碼管、s8050三極管。此電路的設(shè)計因為采用了新型的STC12C5620AD系列單片機它集成了共8路10位精度ADC，因此簡化了數(shù)碼顯示電路的設(shè)計。STC12C5620AD系列單片機在本部分電路的設(shè)計中不再做過多的介紹。3.4.1 四位共陽極數(shù)碼管首先數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分，區(qū)別他們的方法是若公共端接地，其他端接電源，若各段測試能

46、亮，說明是共陰極的數(shù)碼管，反之為共陽極的數(shù)碼管；若公共端接電源，其他端分別接地，測得各端亮，則說明是共陽的，反之為共陰的。世面上的四位一體的數(shù)碼管一般都沒有數(shù)據(jù)表，所以掌握他們管腳的分布是很重要的一個環(huán)節(jié)。下面是一張四位一體數(shù)碼管引腳分布圖圖3.13 四位一體數(shù)碼管引腳分布圖4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，引腳如圖所示（正面朝自己，小數(shù)點在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dp為段引腳，1、2、3、4分別表示四個數(shù)碼管的位。3.4.2 s8050三極管作用在本設(shè)計中s8050三極管主要利用其開關(guān)作用，控制數(shù)碼管的四位共陽極的通斷。1腳：射極2腳：基極3腳：集電極 圖3.14 s8050管腳

47、圖圖3.15 數(shù)碼顯示電路3.5 輔助電源電路3.5.1 24V基準電壓源1）LM7824芯片簡介LM7824是三端穩(wěn)壓集成電路IC芯片元器件，適用于各種電源穩(wěn)壓電路，輸出穩(wěn)定性好、使用方便、輸出過流、過熱自動保護12。圖3.16 LM7824管腳圖圖3.16為LM7824管腳圖，1腳：Input輸入；2腳：GND接地；3腳：Output輸出。2）LM7824典型應用電路圖3.17 24V電源電路此電路同樣是采用單相橋式整流電路，整流后的直流電壓經(jīng)過電容C1、C2濾波后用集成三端穩(wěn)壓模塊LM7824穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)定的24V直流電壓。此電路所得24V直流電壓主要為OP07提供工作電壓和為LM780

48、5提供輸入電壓。3.5.2 5V基準電壓源1）LM7805芯片簡介用LM7805三端穩(wěn)壓器來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜11。圖3.18 LM7805管腳圖圖3.18為LM7824管腳圖，1腳：Input輸入；2腳：GND接地；3腳：Output輸出。2）LM7805典型應用電路圖3.19 5V電源電路此電路直接使用LM7824穩(wěn)壓出來的直流電壓進行穩(wěn)壓，得到5V電壓，為單片機，數(shù)碼管等芯片提供工作電源。3.5.3 -5V基準電壓源1）LM7905芯片簡介LM7905是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片了，它的使用方便，用很簡單

49、的電路即可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源,它的輸出電壓為-5V。它有很多的系列如ka7905，ads7905，cw7905等，性能有微小的差別,最常用是LM7905,下圖為其結(jié)構(gòu)見圖：圖3.20 lm7905管腳圖圖3.20為LM7824管腳圖，1腳：GND接地；2腳：Input輸入；3腳：Output輸出。2）LM7905典型應用電路圖3.31 -5V電源電路此電路同樣是采用單相橋式整流電路，整流后的直流電壓經(jīng)過電容C1、C2濾波后用集成三端穩(wěn)壓模塊7905穩(wěn)壓，輸出穩(wěn)定的-5V直流電壓。3.6 本章小結(jié)本章主要介紹了整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、控制電路、顯示電路、輔助電源電路的設(shè)計方法、元器件的選擇以

50、及各部分電路圖，本章節(jié)也是本次設(shè)計的主要部分。第4章 軟件設(shè)計本設(shè)計中主程序是單片機控制輸出程序和數(shù)碼顯示程序兩部分,在程序運行的過程中必須先經(jīng)過初始化，包括鍵盤程序，中斷程序，以及各個控制端口的初始化工作。4.1 主要程序本設(shè)計中單片機中存儲的程序如下:#include reg51.h#include sbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbit P1_3=P13;sbit P1_4=P14;sbit P1_5=P15;sbit P1_6=P16;sbit P1_7=P17;sbit P2_0=P20;sbit P2_1=P21;sbit P2

51、_2=P22;sbit P2_3=P23;sbit P2_4=P24;sbit P2_5=P25;sbit P2_6=P26;sbit P2_7=P27;sbit P3_0=P30;sbit P3_1=P31;sbit P3_2=P32;sbit P3_3=P33;sbit P3_4=P34;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;sbit P3_7=P37;sfr AUXR = 0X8E; sfr ADC_CONTR = 0xC5; /ADC control registersfr ADC_DATA = 0xC6; /ADC high 8-bit result registe

52、rsfr ADC_LOW2 = 0xBE; /ADC low 2-bit result registersfr P1M0 = 0x91; /P1 mode control register0sfr P1M1 = 0x92; /P1 mode control register1sfr P0M0 = 0x93; /P1 mode control register0sfr P0M1 = 0x94; /P1 mode control register1sfr P2M0 = 0x95; /P1 mode control register0sfr P2M1 = 0x96; /P1 mode control

53、 register1/*Define ADC operation const for ADC_CONTR*/#define ADC_POWER 0x80 /ADC power control bit#define ADC_FLAG 0x10 /ADC complete flag#define ADC_START 0x08 /ADC start control bit#define ADC_SPEEDLL 0x00 /420 clocks#define ADC_SPEEDL 0x20 /280 clocks#define ADC_SPEEDH 0x40 /140 clocks#define AD

54、C_SPEEDHH 0x60 /70 clocks#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define _Nop() _nop_()/定義全局變量unsigned char ss=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;unsigned char sss=0X40,0X79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;bit g=0;unsigned char n=0,m=0,q,w,e,r,k=200;uint ad=0,ssss=0;/* 名稱：delay 功能：延時模塊 輸入?yún)?shù)：n要延時的周期數(shù) 輸出參數(shù)：無*/void delay