数显直流稳压电源设计说明书学士学位论文.docx
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数显直流稳压电源设计说明书学士学位论文
数显直流稳压电源设计
摘要:
本文介绍一种数字显示的直流稳压电源设计。
本电源输出电压可以调整，调压范围为0.0V-9.9V，而且具备输出电压可以显示的功能。
输出最大电流为500mA，可步进0.1V调整。
电源的主控电路采用AT89C51单片机，并能够通过液晶直观地显示出电压。
设计分析了各个模块电路和整机的工作原理，给出了整机工作的硬件实现和主要的软件流程设计。
直流稳压系统的总体的设计方案主要由变压器、整流滤波、稳压、电压液晶显示几部分组成。
本电源具有设计简单灵活，成本低，效率高，调整精度高等优点，在市场上有一定的应用前景。
关键词：
直流稳压电源；单片机；液晶显示
DigitalDCPowerSupplyDesign
Abstract:
ThisarticledescribesadigitaldisplayoftheDCpowersupplydesign.Thepowersupplyoutputvoltagecanbeadjustedregulatorfor0.0V-9.9V,butalsowiththeoutputvoltagecanbedisplayed.Maximumoutputcurrentis500mA,stepthe0.1Vadjustment.ThepowersupplycontrolcircuitusingAT89C51microcontroller,andtheabilitytovisuallydisplaythroughtheLCDvoltage.Thedesignandanalysisofthecircuitofeachmoduleandthewholeworks,giventhehardwareimplementationofthewholeworkandthemainsoftwareprocessdesign.TheoveralldesignoftheDCtransformer,rectifierfilter,regulator,voltagedigitaldisplayseveralparts.Thepowersupplyhasasimple,flexible,lowcost,highefficiency,toadjustthehighprecision,acertainapplicationprospectsinthemarket.
Keyword:
DCpowersupply;Singlechipmicrocomputer;LCD
前言
随着电力电子技术的发展，当今电器化电子产品对电源的可靠性和精确性提出了更高的要求。
尤其是电子计算机和通讯技术的发展，对电源的要求更加苛刻。
一个高性能和高精度的供电电源是智能化系统正常工作必不可少的组成部分。
为了克服和解决以上传统电源难以实现的问题，数控电源应用而生[1]。
设计一个高精度、精确跟踪输出、高稳定性、良好的人机界面的简易数控电源，能减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节，有效地解决电源模块中诸如可靠性，智能化和产品一致性等问题，极大地提高了生产效率和产品的维护性。
基于数控电源具有以上传统模拟电源无法替代的优越性，为此设计一个简易的数控电源。
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。
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。
普通的直流稳压电源品种有很多，但均存在一下二个问题：
输出电压是通过粗调（波段开关）及细调（电位器）来调节[2]。
这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时，困难就较大。
另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。
稳压方式均是采用串联型稳压电路，对过载进行限流和截流保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。
电源采用数字控制，具有以下明显优点[3]:
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。
第1章设计任务及设计要求
1.1设计任务
本设计就是一种数控直流稳压电源，添加单片机控制技术。
单片机（51系列）数字控制技术以及数字显示技术。
1.2设计要求
根据设计任务，初步拟定设计的应能完成功能要求以及以下的设计要求。
1.输出电压0～9.9V可调；
2.步进电压为0.1V，并且调整方便；
3.最大输出电流达到500mA；
4.输出电压输出精度小于5%；
5.能够显示输出电压大小精确到小数点右边一位；
1.3总体设计方案
方案1：
采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源可调输出0-12V电压，电路方框图见图1-1所示[4]。
但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。
图1-1方案一电路方框图
方案2:
此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进[3]。
十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。
其电路框图如图1-2所示。
图1-2方案二电路方框图
方案3：
采用单片机的数字稳压电源是将数字电路和单片机很好地结合在一起，不但能够达到数字电路的效果，而且能够大大地简化复杂的纯数字电路[6]。
采用单片机后，还可以用软件实现保护功能，要扩展其他的功能也非常容易。
其电路方框图见图1-3。
通过多方面考虑和实用性，精确度，单片机进行处理，具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，故选择方案3。
图1-3方案三电路框图
第2章系统硬件电路设计
2.1系统电源模块
2.1.1稳压直流电源的基本组成
稳压电源分为这几部分，由变压器降压电路，全桥整流电路，滤波电路，稳压电路组成。
图2-1稳压电源电路原理图
集成稳压电源的原理图如图2-1所示，只要接线正确，一般能良好地实现它的功能。
2.2整流滤波电路
因为课题需要0V-9.9V的稳压直流电，所以需要用到220V转26V的变压器把高压的交流电转成低压交流电。
因为课题不需要用到20V以上的电压，所以应该选用18V-24V的变压器，这样可以降低LM317集成芯片的功耗，达到低功耗，高效率的要求。
2.2.1整流电路
整流电路的任务是将交流电变换成直流电[4]。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。
在小功率整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。
本设计采用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路。
在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，当正半周时，二极管V1、V3导通（V2、V4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（V1、V3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
桥式整流电路原理图如图2-2所示。
图2-2桥式整流电路原理
选择二极管要依据二极管的反向耐压VRM和正向电流IF。
由于滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加以考虑。
流过整流管的平均电流：
式中Ii为稳压器的输入电流，IR1、IR2、Iadj分别为流过R1、R2，以及调整端的电流，则：
考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流的2～3倍。
二极管最大反向电压：
式中U2为电源变压器次级电压有效值，Ui为整流输出电压（即稳压器输入电压）。
为了保证稳压器LM317稳定运行，输入电压Ui与输出电压U0之差一般在5～15V范围，取Ui-U0=10V，得：
设计时可考虑一定的余量。
根据计算，1N4007的二极管符合设计要求，可以用作整流桥。
桥式整流电路电压和电流波形如图2-3所示。
图2-3桥式整流电路电压和电流波形
如图2-3所示，在交流电压u2的整个周期内，负载Rl都有同方向的电流通过，故Rl上得到单方向全波脉动的直流电压。
这样，四个二极管组成的整流桥就完成了整流的功能。
2.2.2滤波电路
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。
所以需要在整流电路之后加入滤波电路进行滤波，才能得到稳定的直流电压。
对于滤波电路的选择有两种方案[5]：
方案一：
采用电感滤波电路。
由于电感在电路中有储能的作用，所以在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它能够把能量储存起来，当电流减小时，它有可以把能量释放出来，是负载电流比较平滑，有平波的作用。
在电感滤波电路中，整流管的导电角度比较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁芯的存在，比较笨重，体积比较大，而且容易引起电磁干扰。
一般的情况下只适用于低电压，大电流的场合。
电感滤波电路图如图2-4所示：
图2-4电感滤波电路
方案二：
采用电容滤波电路。
由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。
电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作[6]。
电容滤波电路原理图如图2-5所示。
图2-5电容滤波电路
经过分析，最终决定采用方案二。
电路经过滤波，电路的电压、电流波形如图2-6所示。
滤波电解电容C的选择原则是：
取其放电时间常数RLC大于充电周期的3～5倍，其耐压值必须大于脉动电压峰值。
对于桥式整流电路来说，脉动电压峰值为2U2，C的充电周期等于交流电源周期T的一半，即C≥（3~5）T2RL，式中RL为整流后的等效负载电阻，经过考虑，本设计取C为2200uF。
图2-6桥式整流、电容滤波时的电压、电流波形
设电容两端初始电压为零，并假定t=0时接通电路，输入电压U2为正半周，当U由零上升时，V1、V3导通，C被充电，同时电流经V1、V3向负载电阻供电。
忽略二极管正向压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此Uo=Uc≈U2，在u2达到最大值时，Uc也达到最大值，然后U2下降，此时，Uc>U2，V1、V3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压Uc按指数规律缓慢下降，当下降到|U2|>Uc时，V2、V4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。
其输出电压波形近似为一锯齿波直流电压，使负载电压的波动大为减小。
2.3单片机最小控制模块
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式为控制器[7]。
常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片为控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
尽管2000年以后ARM已经发展出了32位的主频超过300M的高端单片机，直到目前基于8031的单片机还在广泛的使用。
在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。
事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多[7]。
最小控制系统由单片机、晶振、复位电路等组成。
如图2-7所示。
图2-7最小控制系统
AT89C51的管脚排列如上图所示，9管脚接复位电路，18、19管脚为晶振的两个输入端，20管脚接地，40管脚接+5V。
晶振Y1和两个电容C2、C3构成自激震荡，连接到单片机的X1和X2端，电解电容C4、电阻R5和按键S5构成复位电路，连接到单片机的复位端。
当按键S5按下后，复位端通过R5与+5V电源接通，电容迅速放电，使RST管脚为高电平；当复位按键S5弹起后，+5V电源通过R6对电容C4重新充电，RST管脚出现复位正脉冲。
2.4按键控制模块
方案一：
采用矩阵键盘，由于按键多可实现电压值的直接键入。
方案二：
采用一般的电平判键按钮，实现方法很简单，但一个端口最多只实现8个按键。
由于本数控电源需要用的按键不多，要实现步进为1V的设计要求，只需用一个“+”和一个“-”按键，另外再加两个按键用于实现固定电压输出，按键时可直接输出相应电压。
4个按键就可实现本题的设计要求，固采用方案二。
该部分主要由四个键组成，分别实现的是“+”、“-”、“开始”、“切换”功能，与单片机的P3.0、P3.1、P3.2、P3.3口连接，控制AT89C51单片机，达到对数字的控制，可以通过按键对电压进行调整，按照实际需要可以通过按键得到所需的电压，调节范围是0～9.9V，步进0.1V。
4个独立按键S1~S4分别与C51的p1.0～p1.3相连接，独立按键S1为电压调整按钮，S2为电压加一按钮，S3为电压减一按钮，S4为D/A转换确认键。
S1~S3按键的作用是通过程序控制对输入的电压随时可调，且步进值能够为0.1V增加或者减少。
S4键的作用是按下启动D/A转化，将单片机的预设值转化为模拟量输出。
按键与单片机的连接图见图2-8。
图2-8键盘电路
2.5显示器模块
此在系统中要显示数值或文字，就必需有显示器件，目前市场上显示元器件很多,有LED数码管、点阵显示等。
方案一：
选用数码管显示，用普通的数码管显示简单的数字、符号、字母。
采用数码管作为显示器件，数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。
方案二，采用LCD液晶显示。
字符型液晶显示模块是专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。
方案二与方案一相比，有更高的精度和显示多数据，比较符合本设计所需要，综上所述采用方案二。
虽然LED数码管在价格方面占有一定的优势，但考虑到显示文字以及美观自然的效果，选择LCD1602液晶显示器。
LCD1602是工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。
1602采用标准的16脚接口，其中:
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平选数据寄存器、低电平选指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光电源正极。
第16脚：
背光电源负极。
液晶显示器接口信号说明如表2-1。
表2-1液晶接口说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据输入D2端
2
VDD
电源正极
10
D3
数据输入D3端
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
数据输入D4端
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
数据输入D5端
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D6
数据输入D6端
6
E
使能信号
14
D7
数据输入D7端
7
D0
数据输入D0端
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据输入D1端
16
BLK
背光源负极
液晶LCD1602与STC单片机的连接电路图如图2-9。
LC1602D的8位数据接口与单片机的P0口相连，由于STC单片机P0口没有内接电阻，为此外接了10K上拉排阻。
这是因为单片机P口的输出电流非常微弱，不足以驱动液晶显示数据而连接的。
1602的控制端RS、R/W、E端分别与STC的P20、P21、P22连接[9]。
VCOM为液晶显示亮度调整端，外接10K的电位器。
BLA-和BLA+分别为液晶背光源正极和负极，BLA-接地，BLA+接+5V。
液晶的显示由单片机的程序去控制。
图2-9LCD1602与单片机连接电路图
2.6D/A数模转换模块
根据平时的使用习惯和相关资料，使用的D/A转换一般有下列两种方案：
方案一：
采用MX7541是高速高精度12位数字/模拟转换器芯片，功耗低，而且其线性失真可低达0.012%，特别适合于精密模拟数据的获得和控制。
方案二：
采用DAC0832，DAC0832是一种常用的8位的数字/模拟转换芯片。
本系统是基于单片机的数控电源的设计，而MX7541是12位数字输入的，因此须用锁存器。
而此数控电源要求单步1V，2～15.0V只需区分14个点，DAC0832完全可以达到，故选择常用的DAC0832。
当其与单片机进行相连时，电路也简单，只需把单片机的数据线与DAC0832的输入端直接相连即可，程序也很简单，只需向其送数据即可。
DAC0832的管脚图如图2-10所示：
图2-10DAC0832管脚图
管脚的具体名称和用法
D0～D7：
数字量输入端；
：
片选信号，低电平有效；
ILE：
数据锁存允许信号，高电平有效；
：
第1写信号，低电平有效；
：
第2写信号，低电平有效；
：
数据传送控制信号，低电平有效；
：
电流输出端1；
：
电流输出端2；
：
反馈电阻端；
：
基准电压，基电压范围为-10V～+10V；
GND：
数字地；
AGND：
模拟地；
单片机与DAC0832的接口可按二级缓冲器方式、单缓冲器方式和直通方式联接。
如上图4的联接方式是直通方式联接方式。
由OUT1脚输出的为一个模拟电流值，经过运算放大器后为一个电压值，这电压值输入到后面的运算放大部分，作为后面部分的输入。
D/A转换器（DAC）输入的是数字量，经转换输出的是模拟量。
DAC的技术指标很多，如：
分辨率、满刻度误差、线性度、绝对精度、相对精度、建立时间、输入/输出特性等[10]。
分辨率：
DAC的分辨率反映了它的输出模拟电压的最小变化量。
其定义为输出满刻度电压与
的比值，其中n为DAC的位数。
如：
8位DAC的满刻度输出电压为5V，则其分辨率为
；10位DAC的分辨率为
。
可见，DAC的位数越高，分辨率越小。
建立时间：
是描述DAC转换速度快慢的参数。
其定义为从输入数字量变化到输出达到终值误差
LSB（最低有效位）所需的时间。
高速DAC的建立时间可达1us。
接口形式：
在DAC输入/输出特性之一。
包括输入数字量的形式，十六进制式BCD，输入是否带有锁存器等。
DAC0832为8位D/A转换器。
单电源供电，范围为+5V～+15V，基准电压范围为
。
电流的建立时间为1us。
CMOS工艺功耗20mw。
输入设有两级缓冲锁存器。
图2-11为D/A与单片机的连接图。
图2-11DA0832与单片机的连接
2.7控制稳压模块
由于DA0832芯片为电流输出型，为了得到输出电压，必须经过运放转化为电压。
设计采用运放LM324放大器放大。
LM324芯片的主要特性有：
可单双电源工作，单电源工作范围为3V~32V，双极性电源工作范围为
16V，设计采用双极性电源，且电源电压为
12V；每个集成LM324芯片内装4个运放器[5]。
采用反向输入，放大和稳压电路。
如图2-12。
图2-12放大电路
第一级只是转化0832输出的电流为电压，没有进行放大。
LM324第一级的输出端14经过1K的电阻接第二级放大的输入端2（IN-）,也是反向输入，两次反向后最终输出的电压为正向。
图2-13电流放大及稳压电路
图2-13为电流放大电路。
三端稳压LM317的工作电压范围为1.26~37V，达不到输出为0V的设计要求，为此在第二级放大采用求和反向放大，-12V的电压经过10K的电位器分压后输出反向电压为-1.25V，在液晶显示为0的情况下使其LM317调整稳压后的电压达到0V。
LM317主要特性有基准电压标准值为1.25V，ADJ调整端电流标准值为50uA，最大为100uA。
第3章软件程序设计
软件是整个控制系统设计的另一个重要环节，灵活性很强，可以根据系统的要求和功能而变化。
在硬件结构一定的情况下，只要改变相应的软件就能实现一些不同的功能，单片机的智能性都是由软件实现。
在本系统中，软件结构采用模块化设计，各功能程序分别编写和调试。
各模块调试成功后，再将所有模块连接起来，构成系统的软件。
这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试和维护。
3.1系统软件设计的原则
应用系统中的应用软件是根据系统功能要求设计的，应可靠实现系统的各种功能在本系统中，软件设计要求做到以下几点[11]：
（1）软件结构清晰、简捷、流程合理。
（2）并功能程序实现模块化，子程序化。
这样，既便于调试，连接，又便于移植，修改。
（3）程序存储区，数据存储区要合理规划，既能节约内存容量，又使操作方便。
（4）运行状态实现标志化管理。
这个功能程序运行状态，运行结果以及运行要求都要设置状态标志以便查询，程序的转移、运行、控制都可通过状态标志条件来控制。
（5）经过调试修改后程序应进行规范化，出去修改的痕迹，以便于交流和借鉴，也为以后的软件模块化、标准化打下基础。
（6）实现全面软件抗干扰设计。
软件抗干扰是单片机应用系统提高可靠性的有利措施。
3.2程序设计流程图
程序设计流程图如图3-1所示。
程序开始以后，首先液晶初始化，显示液晶初试的预设电压值。
然后进行按键检测，如果没有
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