基于单片机数控稳压电源设计毕业设计论文.docx
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基于单片机数控稳压电源设计毕业设计论文
毕业论文
基于单片机数控稳压电源设计
摘要
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。
电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。
当今电源技术融合了电气、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，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也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，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。
电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。
只有满足产品标准，才能够进入市场。
随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。
数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。
这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。
在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。
但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。
因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。
单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。
新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。
从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。
数控直流稳压源就是能用数字来控制电源输出电压的大小，而且能使输出的直流电压能保持稳定、精确的直流电压源；本文介绍了利用数/模转换电路、辅助电源电路、去抖电路等组成的数控直流稳压电源电路，详述了电源的基本电路结构和控制策略；它与传统的稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点，其结构简单、制作方便、成本低，输出电压在0～12V之间连续可调，其输出电压大小以0.1V步进，输出电压的大小调节是通过“＋”“－”两键操作的，而且可根据实际要求组成具有不同输出电压值的稳压源电路。
该电源控制电路选用STC89C52单片机控制主电路采用串联调整稳压技术具有线路简单、响应迅速、稳定性好、效率高等特点。
电源采用数字控制，具有以下明显优点:
1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。
2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。
3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。
4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。
5）系统的一致性好，成本低，生产制造方便。
由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。
由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。
6）易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。
为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。
目前实用的直流稳压电源大部分是线性电源。
利用分离器件组成，其体积大，功率小，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。
随着电子科技的飞速发展，各种电子，电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断差朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化发展。
以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且单片机具有计算和控制功能，利用它对采样技术进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路因起的误差，大大提高稳压电源输出电压和输出电流精度，降低了对模拟电路的要求。
智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护检测系统，确保电源运行可靠。
输出电压和限制电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。
详细分析了电源的拓朴图及工作原理。
关键词：
稳压电源、单片机、稳压、D/A转换
第一章绪论
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。
电源是电子设备的心脏部分,其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自源，因此，电源越来越受到人们的重视。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐步取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。
20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。
20世纪90年代，开关电源在电子、电器设备、家用领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展期。
到21世纪小型电子设备的发展更加迅速和更加普及，但是现在很多的小型电子设备都是依靠电池来供电的，所以开发一种新型的开关电源应用于小型电子设备中就显得非常重要了！
直流稳压电源（以下简称直流电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制—PWM开关电源效率可达65～70％，而线性电源的效率只有30～40％。
在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。
线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHZ的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHZ革命。
随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。
因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。
此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
第二章．设计方案与思路
2.1、设计基本思路
根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。
主要包括三大部分：
数字控制部分、数字/模拟转换部分（D/A变换器）及稳压电路。
数字控制部分用+、-按键控制一可逆二进制计数器，二进制计数器的输出输入到D/A变换器，经D/A器转换成相应的电压，此电压经过放大到合适的电压值后，去控制稳压电源的输出，使稳压电源的输出电压以0.1V的步进值增或减。
2.1.1、稳压源的技术指标与要求
1）、电压设定范围为0—12V，额定电流0.5A，输出电压精度＜±1.0％。
2）、负载调整率＜1.0％,电源调整率＜1.0％。
3）、用液晶显示设定电压和实际电压。
下:
4）、有过压和过流保护。
2.1.2、总体设计框图
1）、设计出有一定输出电压范围和功能的数控电源。
其原理示意图如下：
+15V
-15V
+5V
U0
第三章单元电路设计
3.1、电源设计部分
3.1.1、直流稳压电源设计思路
（1）电网供电电压交流220V（有效值）50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。
（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。
（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。
（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。
3.1.2、直流稳压电源原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图3.1。
其中：
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3.2所示。
在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。
正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。
电路的输出波形如图3.3所示。
图3.2整流电路
图3.3输出波形
在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，电路中的每只二极管承受的最大反向电压为
（U2是变压器副边电压有效值）。
所以通过220V的交流电压由变电器转化所直流电压，然后通过5408进行整波，通过50v的2200UF的电容进行滤波，然后通过78H15和7815转化成+15V和-15V，+15V又通过整波，滤波后通过78H05转化成+5V。
这是电源部分如下：
3.2、数控部分
3.2.1、单片机的基本概括
（1）AT89C52是51单片机的一型号，它是ATMEL公司生产的。
它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的Flash只读存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），有4个8位并行I/O口，3个16位的定时器/计数器，，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系系统控制应用场合。
在数控稳压电源中我们主要采用AT89C52单片机为主体控制部分。
（2）时钟电路
时钟电路是计算机的心脏，它是控制着计算机的工作节奏。
MCS-51内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别是反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。
如下图所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。
片内振荡器的震荡频率fOSC非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～12MHz之间选取，这次用的时钟频率是11.0592MHz。
图3.8中C7、C8是反馈电容，其值在5pF～30pF之间选择,其典型值是30Pf。
作用有两个：
其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用
（3）复位电路
系统在启动运行时都要复位，使中央处理器和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这状态开始工作。
采用按键复位方式。
在按键的瞬间，电容通过电阻充电，就在端出现一定时间的高电平。
只要保持RST引脚为高电平时间足够长，就可使CPU复位。
所需高电平时间的长短与Vcc上升时间和振荡器起振时间有关。
10MHz时，约1ms；1MHz时，约10ms。
若Vcc上升时间小于20ms，那么从上电时间算起，只要保持RST引脚在高电平停留时间不小于20ms即可。
EA端接VCC,让单片机读取内部存储器的数据。
3.2.2、单片机对数码管的控制
对于单片机系统我们采用AT89C52对数码管显示的电压进控制，主要将3位数码管并联在一起，采用74LS573的LE引脚对编码的值进行锁存，其中采用二个74LS573，一个锁存所有的LED的段选另一个用来锁存所有的LED的位选，同时在选通时虽然这些字符是在不同时刻显示的，而在同一时刻，只有一个显示，其他各位熄灭，但是由于LED的余辉和人眼的视觉暂留作用，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时点亮的假象，达到同时显示的效果。
数码管有共阳和共阴二种。
我们在这里采用共阴数码管。
如下图测试：
3.2.3、74LS573对数码管的锁存
本电路通过按键进行0.1加减同时通过对按键进行自动扫描，在按键闭合和断开时防止抖动。
键具有识别功能，即检测是否有键按下，确定按下建所在的行列的位置产生相应的键的代码。
还可以进行快速加减同时还可以通过拔码对电压进行预设。
这样一来就减少了调节电压的范围。
用起来比较方便。
如果你确定了那个电压值就可以进行预设，其中的电压测试范围就是0.0v---12.0v.精确度为0.1V.单片机的P0口经过74LS573锁存器后输出数据控制数码管的段选端,74LS573在这里起到锁存数据和增强驱动能力.采用74LS573的LE引脚对编码的值进行锁存，只有当另一个信号过来时74LS573才会再次选通.下面是74LS573锁存数码管的示意图:
3.3、单片机对模数转换部分
3.3.1、单片机控制DAC0832总体概括
采用AT89C52单片机作为整机的控制单元，通过改变DAC0832的输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。
为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以将输出电压经过ADC0832进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，
然后进行数据处理及显示。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。
采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达0.1V，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。
利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电流的变化而输出不同的电压。
单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过D/A转换芯片，实时把数据量转化为模拟量经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源.我们可以通过电压表测量实际的模拟电压,然后通过模拟电压与数码管的预设电压进行比较,进行误差的分析最后达到最小误差.
3.3.2、对DAC0832功能的介绍
DAC0832是8位D/A芯片，与DAC0830、DAC0831同属于DAC0830系列D/A芯片，是美国国家半导体公司的产品，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入0~5V之间，芯片转换时间仅为32us，使多器件挂接和处理器制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
下面是DAC0832
在
其中引脚功能：
1.DI0~DI7：
8位数据输入端；
2.ILE：
输入数据允许锁存信号，高电平有效；
3./CS：
片选端，低电平有效；
4./WR1：
输入寄存器写选通信号，低电平有效；
/WR2：
DAC寄存器写选通信号，低电平有效；
5./XFER：
数据传送信号，低电平有效；
6.IOUT1、IOUT2：
电流输出端。
当输入数据全为0时，IOUT1=0；当输入信号全为1时，IOUT1为最大值，IOUT1+IOUT2=常数；
7.RFB：
反馈电流输入端；
8.UREF：
基准电压输入端；
9.VCC：
正电源端；AGND：
模拟地；DGND：
数字地。
3.3.3、使用ICL7107作表头
本作品通过对ADC0832由数字量转换成模拟量，它需外接基准电压，此基准电压的性能决定了输出电压的性能，要求基准电压具有高稳定度和低纹波，为了实现输出电压的实时测试，对模拟信号的采样一般是使用专用的A/D转换成合适的数字信号，但这样使系统的设计较复杂，用到的集成芯片较多，给设计不便。
为了克服以上设计中的缺点，在本系统的设计中采用了高集成度芯片ICL7107作为对模拟信号的采样模块。
使得电路设计更加简单，可先靠性大大提高。
使用ICL7107搭接的数字电压表对其输出电压采样测量，并输出显示，用户可以从显示器上看见两个电压值，其一为单片机设置的电压值；其二为输出电压的实测值，正常工作时两者相差很小，一旦出现不正常状况，用户可以看出与预置值不符，从而采取相应的措施。
V＋和V-分别为电源的正极和负极，
au-gu,aT-gT,aH-gH：
分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号，依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。
Bck：
千位笔画驱动信号。
接千位LEO显示器的相应的笔画电极。
PM：
液晶显示器背面公共电极的驱动端，简称背电极。
Oscl-OSc3：
时钟振荡器的引出端，外接阻容或石英晶体组成的振荡器。
第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定：
Fosl=0.45/RCCOM：
模拟信号公共端，简称“模拟地”，使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST：
测试端，该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF＋VREF-：
基准电压正负端。
CREF：
外接基准电容端。
INT：
27是积分电容器，必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件
IN＋和IN-：
模拟量输入端，分别接输入信号的正端和负端。
AZ：
积分器和比较器的反向输入端，接自动调零电容CAz。
如果应用在200mV满刻度的场合是使用0.47μF，而2V满刻度是0.047μF。
BUF：
缓冲放大器输出端，接积分电阻Rint。
其输出级的无功电流（idlingcurrent）是100μA，而缓冲器与积分器能够供给20μA的驱动电流，从此脚接一个Rint至积分电容器，其值在满刻度200mV时选用47K，而2V满刻度则使用470K。
ICL7107主要参数：
电源电压
ICL7107V+toGND
6V
温度范围
0℃to70℃
ICL7107V-toGND
-9V
热电阻
PDIP封装
qJA（℃/W）
50
MQFP封装
80
模拟输入电压
V+toV-
最大结温
150℃
参考输入电压
V+toV-
最高储存温度范围
-65℃to150℃
时钟输入
GNDtoV+
3.4、稳压部分
这部分将部分送来的电压控制字数据转换成稳定电压输出。
通过DAC0832进行数模转换时会出现电压不稳定，对电压的测量有很大影响，为了使精确度更高，必须采用一个稳压模块，让模拟量通过稳压部分进行稳压，让电压值与数码管的数值相当。
它由数/模转换器（DAC0832），集成运放OP-07，LF256，晶体三极管，VT1（TIP122），VT2（TIP127）VT7（9015，）VT8（9014），基准电压源LM336-5组成。
电压调整模块的核心部分是NE5534。
NE5534生产于美国德州半导体公司，具有共模抑制比高，响应速度快和压摆率高等优点，常用于音响，耳机等设备。
由DA及运放转换后的电压U1输入到NE5534的正向输入端，R10R22R11组成NE5534的取样电路。
由于NE5534T1T2及取样电路构成负反馈，由运放的“虚短”特点，NE5534的反向输入端的电压U2为正向输入端的电压大小U1。
由于运放还有“虚断”的特点，运放的输入端对流经取样电路的电流不起分流作用，
3.5单片机编程部分
#include
sbitdu=P3^0;//段选
sbitwe=P3^1;//位选
sbitwr=P3^2;//DA转换端
sbitguoliu=P3^3;//过流保护
sbitda=P3^4;//DA控制端
sbitw2=P0^1;
sbitw3=P0^2;
sbitw4=P0^3;
sbitk1=P2^0;//开关
sbitk2=P2^1;
sbitk3=P2^2;
sbitk4=P2^3;
sbitk5=P2^4;
sbitled1=P2^5;//LED灯
sbitled2=P2^6;
sbitled3=P2^7;
unsignedcharbai,shi,ge,aa,i,j,temp,num,a,m,n;
voiddelay（unsignedintz）//延时子程序
{
unsignedintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
unsignedcharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,//共阴数码管0-9（为段选所用）
0x66,0x6d,0x7d,0x07,
0x7f,0x6f,0x77,0x7c,
0x39,0x5e,0x79,0x71};
unsignedcharcodetable1[]={0x00,0x02,0x04,0x06,0x08,0x0a,0x0c,0x0e,//DA转换数据
0x10,0x12,0x14,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,
0x20,0x22,0x24,0x26,0x28,0x2a,0x2c,0x2e,
0x30,0x32,0x34,0x36,0x38,0x3a,0x3c,0x3e,
0x40,0x42,0x44,0x46,0x48,0x4a,0x4c,0x4e,
0x50,0x52,0x54,0x56,0x58,0x5a,0x5c,0x5e,
0x60,0x62,0x64,0x66,0x68,0x6a,0x6c,0x6e,
0x70,0x72,0x74,0x76,0x78,0x7a,0x7c,0x7e,
0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8a,0x8c,0x8e,
0x90,0x92,0x94,0x96,0x98,0x9a,0x9c,0x9e,
0xa0,0xa2,0xa4,0xa6,0xa8,0xaa,0xac,0xae,
0xb0,0xb2,0xb4,0xb6,0xb8,0xba,0xbc,0xbe,
0xc0,0xc2,0xc4,0xc6,0xc8,0xca,0xcc,0xce,
0xd0,0xd2,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdc,0xde,
0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xee,
0xf0,0xf2,0xf4,0xf6,0xf8,0xfa,0xec,0xfe,};
unsignedcharcodetable2[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,//用于显示电压值的数组
14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,
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