数控直流电源设计.docx
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数控直流电源设计
数控直流电源设计报告
模拟电路部分
第一部分系统设计
1.1设计题目及要求
1）当输入交流电压为220v±10%时，输出电压在3-13v可调；
2）额定电流为0.5A，且纹波不大于10mV；
3）使用按键设定电压，同时具有常用电平快速切换功能（3v、5v、6v、9v、12v），设定后按键可锁定，防止误触；
4）显示设定电压和测量电压，显示精度为0.01v。
1.2总体设计方案
1.2.1设计思路
题目要求制作一个简易的可编程直流稳压电源，而我负责的是基础部分，即是电源。
而要使得家用交流220v电压变成v、5v、6v、9v、12v的直流电压必然要先经过变压器将电压变小，再经过整流电路、滤波电路和稳压电路才能得到稳定的之路电压。
于是基本功能部分全部电路由四部分组成：
整流电路、滤波电路、稳压电路、稳压值选择电路、芯片供电电源。
1.2.2设计方案及论证比较
一、整流电路
方案：
1.半波整流电路，用一支二极管就能构成，简单易行。
所用元件数量极少，但是它只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。
因此这种电路只适合用于整流电流较小，对纹波电压（脉动）要求不高的场合。
2.全波整流，采用单线桥式整流电路。
由四只二极管构成，具有输出电压高、纹波电压小、变压器利用率高等优点。
综上所述，虽然单线桥式整流电路所用到的元件较多，但由于元件成本并不高，加之性能大大优于半波整流电路，故选择后者。
二、滤波电路
方案：
1.电容滤波。
在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低）之后，电容器将把储存的电能再放出来。
充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到完全消失。
电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。
这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。
2.电感滤波。
利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点，可以用带铁芯的线圈做成滤波器。
电磁滤波输出电压较低，相输出电压波动小，随负载变化也很小，适用于负载电流较大的场合。
3复式滤波。
把电容按在负载并联支路，把电感或电阻接在串联支路，可以组成复式滤波器，又叫π型滤波器。
由电磁与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，几乎没有直流电压损失，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。
但是，这种滤波器由于电感体积和重量大（高频时可减小），比较笨重，成本也较高，一般情况下使用得不多。
由电阻与电容组成的RC滤波器结构简单，能兼起降压、限流作用，滤波效能也较高，是最后用的一种滤波器。
综合考虑，由于实验室没有提供电感元件，而且电容滤波完全可以得到较好的直流电压，且有电路简单，价格低廉的优势，
故应使用电容滤波的方法。
三、稳压电路
方案
1、使用LM78XX系列稳压芯片,即LM7809,LM7812,LM7815构成三路不同的稳压输出,电路简明
2、用一个LM317,与四个阻值不同的电阻输出不同的电压.
3、用运算放大器,与三个阻值不同的电阻输出不同的电压.
第一种方案的优点是各路电压相互独立,输出稳定,纹波较小,缺点是需要三个78XX芯片,成本太高,而第二种方案优点是成本较低,电路简单,缺点是输出受分压电阻的影响,温度变化时导致输出电压有所偏离.第三种方案纹波较大,输出相对不够稳定,输出电流受三极管放大倍数的影响,虽然可以通过达林顿连接增大输出电流,但是这样一来在负载较低时稳压控制难以实现.
综上所述,采用方案二为佳.
四、稳压值选择电路
方案：
利用CD4052双四选一模拟开关进行选择。
五、芯片供电电源
方案：
1、电阻分压，用两个电阻分压。
2、用7805做开关电源5v辅助电源。
方案二做出的稳压效果较好，电路简明，成本低廉，故应用方案二
第二部分单元电路设计
2.1整流电路
2.1.1整流电路工作原理及功能说明
单相桥式整流电路有四只二极管组成，利用二极管的单向导电性保证在变压器副边电压的整个周期内，负载上的电压和电流始终不变。
2.1.2整流电路元件选取与计算
使用全波整流电路
二极管选用
因为IN4001耐压50V,电流1A;
IN4004耐压400V,电流1A;
IN4007耐压1000V,电流1A;
应用在电压比较低的电路里可以混用。
而本电路中经过变压器后副变线圈电压约为十八伏特，故三者都可以使用，而考虑到成本问题应首先选用IN4001，应在实际制作中实验室只剩下IN4007，故选用IN4007代替。
3.1.2工作原理和功能说明
2.2滤波电路
2.2.1滤波电路工作原理及功能说明
交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。
这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电的。
要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。
换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。
2.2.2滤波电路元件的选取与计算
滤波电容的选择：
因为c1满足条件RLC1=T/2.
RL约为u/i即是12v/0.5A即24
C1=（3~5）*（2*0.003/2）*（1/24）=1250~2083uf
通过计算结合实际选取合适的参数，得C＝2200uF。
虽然2200uF得电容价格较高，但能够获得较好的滤波效果，加之实验室也能够提供，故选用之。
而对于5v供电电源因其对纹波电压要求不高，故选用更经济的1000uf电容。
2.3稳压电路
2.3.1稳压电路及其工作原理或功能说明
利用lm317产生稳定的电压，根据串联电阻分压原理，得Uo=（1+R1/R2）*U，可得到稳定的输出电压，为了减少电阻上的纹波电路要串联上一个电容c2。
但是，在输出开路时，电容c2将向稳压器调整端放电，并使调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D，提供一个放电回路。
C3容量较大时，一旦输入端断开，就将从稳压器的输出端向稳压管放电，易使稳压器损坏。
因此要跨接一个二极管，起保护作用。
2.3.2稳压电路元件的选取与计算
1.二极管的选择：
保护二极管D5、D6：
最大电压不会超过50v，故，用
In4001.
2.R0的选择：
由lm317组成的基准电压源电路，输出端和合调整端
之间的电压时是稳定的1.25v，而输出电流较大。
R0
为泄放电阻，由lm317的最小负载电流（取5mA）可
得：
Rmax=（1.25/0.005）欧=250欧，实际取值应略
小，故取240欧。
3.c2与c3的选择：
电容C2的作用是减小纹波C3的作用是当输出短路时立即放电,而同时C2通过二极管D2放电至0,防止ADJ端子残留正电压.
根据成本和效果考虑，c2和c3都应用10uf的电容。
4.根据LM317的器件特性,R0的电流可取5mv
根据Uo=
由以上公式,各输出电压对应的Rx阻值如下:
Uo=3V,R2=374
;
Uo=5V,R3=920
;
Uo=6V,R4=1260
;
Uo=9V,R4=2710
;
Uo=12V,R5=5510
;
2.3.3器件说明
LM117/LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。
它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
可调整输出电压低到1.2V。
保证1.5A输出电流。
典型线性调整率0.01%。
典型负载调整率0.1%。
80dB纹波抑制比。
输出短路保护。
过流、过热保护。
调整管安全工作区保护。
标准三端晶体管封装。
2.4程序控制稳压值选择电路
2.4.1稳压值选择电路的工作原理和功能说明
原理图
说明：
在调整端加控制电路就可以实现程序控制稳压电路，如图所示，图中晶体管伟电子开关，当基极加高电平是，晶体管饱和导通，相当于开关闭合；当基极加低电平是，晶体管截止，相当予开关断开。
2.5稳压5v直流电源
2.5.1工作原理
用7805做一个稳压5v直流电源，原理与上面个部分相同。
2.5.2模块电路及参数计算
Ci用于抵消输入线较长的时的电感效应，以防止电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于1uf，故可选用0.33uf。
而Co用于消除输出电压中的高频噪音，为使其输出较大的脉冲电流应取较小的电容故Co取1uf
3.5.3器件说明
7805为三端正稳压器电路,TO-220F封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时，输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路，但使
用外接元件，可获得不同的电压和电流。
主要特点
输出电流可达1A
VI——输入电压（VO=5~18V）……………………………35V
（VO=24V）………………………………40V
数字控制部分
整体构思：
由于我们有AVR的开发板，所以，我们选择了ATMEL公司的ATMEGA16L作为数字控制部分的核心部件。
根据题目要求，我们需要用AVR单片机实现按键设置的3V5V6V9V12V电压，而在模拟电路部分我们使用了三极管作为电阻导通的器件。
所以要用到单片机的I/O输出高电平，同时要实现按键选择功能，也要使用一个I/O口。
数显部分我们使用了1602液晶显示屏，A/D电压采集我也将使用ATMEGA16L的PA7口作为A/D输入口。
所以数字部分的整体构架就如上所述。
模块一：
按键控制电压选择与数字显示
1.扫描键盘
这次我们用到的单片机的键盘接法如下：
针对此接法编写的子程序如下：
//扫描键盘函数
charkey=0;//全局变量key，保存键值，无按键为0，方便不同函数进行访问
charlock=0;//全局变量lock，保存键值，无按键为0，方便不同函数进行访问
voidget_key（）
{
key_PORT=0x0f;//高四位输出低电平，低四位为带上拉输入
key_DDR=0xf0;//高四位为输出，低四位为输入，重要！
增强拉电流能力
if（!
key&&key_PIN!
=0x0f）//如果key=0，即按键已经响应，判断是否有键按下
{
delay_ms（10）;//延时后再次判断，消除按键抖动的影响
if（key_PIN!
=0x0f）//确实有键按下
{
switch（key_PIN）
{case0x0e:
key=2;break;
case0x0d:
key=3;break;
case0x0b:
key=5;break;
case0x07:
key=6;break;
}
key_PORT=0x30;//令低三位输出低电平4、5位为带上拉输入高三位仍保持输出低电平
key_DDR=0xcf;//令低三位为输出4、5位为输入高三位为输出
asm（"nop"）;//延时一个机器周期，重要！
这个时间为key_PIN的建立时间，如省略，程序出错！
switch（key_PIN）
{
case0x20:
key+=0;break;//第一位被拉低
case0x10:
key=1.5*key+4.5;break;//第二位被拉低
default:
key=0;//该情况属于偶然错误，返回0
}
while（key_PIN!
=0x30）;//等待松开按键时才退出，这里根据要求适当选择，也可以在此进行长按判断
}
}
}
这次的键盘控制一共用到了7个按键（图中的S6不用），其中S2、S3、S4、S7、S8、S9分别控制六种电压（第六种电压是用活动变阻器调节的3-13V连续可变电压），S1键是锁定键，当按下时，保持当前电压，按其它按键不改变电压值，再按一次则解锁，解锁之后电压会自动清零，这时就可以再设置电压了。
锁定按键的方法是设置全局变量lock，当lock=0时不锁定，当lock=~lock，即lock=255时进行锁定，具体的锁定程序是在主函数中体现出来的，具体如下：
（假设show函数为1602的显示函数）
voidmain（）
{
unsignedchari=0;
System_Init（）;//系统初始化函数
while
（1）
{
get_key（）;
if（key）
{
if（key==2）
{
lock=~lock;
while（lock==255）
{
show（j）;
//加电压控制于此
key=0;
get_key（）;
if（key==2）
lock=0;
}
key=0;
}
else{
if（lock==0）
{
i=key_PIN;
while（key_PIN==i）
{
show（key）;
//加电压控制于此
}
j=key;
key=0;
i=0;
}
}
key=0;
}
}
}
2.数字显示
1602的显示程序如下：
{
V=get_ad_data（7）;
V=V*4.59;//校正系数
data[0]=V/10000+0X30;//data用于储存测量获得的电压值
data[1]=V/1000%10+0X30;
data[2]=V/100%10+0X30;
data[3]=V/10%10+0X30;
key[0]=n/10+0x30;//key用于储存设定的电压值
key[1]=n/10%10+0x30;
delay（15）;
write_com（0X38）;
delay（5）;
write_com（0X38）;
delay（5）;
write_com（0X02）;
delay（5）;
write_com（0X0C）;
delay（5）;
write_com（0X06）;
delay（5）;
write_com（0X80+0X00）;
delay（5）;
for（j=0;j<10;j++）
{
write_dat（table1[j]）;
delay（5）;
}
write_com（0X80+0X40）;
delay（5）;
for（i=0;i<2;i++）
{
write_dat（data[i]）;
delay
（1）;
}
write_dat（table[10]）;
delay
（1）;
for（i=2;i<4;i++）
{
write_dat（data[i]）;
delay
（1）;
}
write_com（OX80+0x47）;
delay（5）;
for（i=0;i<2;i++）
{
write_dat（key[i]）;
delay
（1）;
}
}//显示设定、测量电压
模块二：
A/D电压采样与数字显示
A/D电压采样的程序如下：
voidADC_Init（）
{
ADMUX=0x40;//AVCC参考、右对齐、ADC0通道
ADCSRA=0xC6;//使能ADC、单次模式、启动第一次、12MHz内部时钟64分频
while（ADCSRA&（1<}
uintget_ad_data（unsignedcharAD_CH）
{
uchari;
uinttemp[32],value=0;
ADMUX=（0xC0|AD_CH）;//配置通道
for（i=0;i<32;i++）
{
ADCSRA|=1<while（ADCSRA&（1<temp[i]=（ADCH<<8）|ADCL;
value+=temp[i];
}
value=value/32;
return（（ADCH<<8）|ADCL）;//返回转换结果}
ADC_Init函数是对AD转换的初始化，其实就是配置两个寄存器的值，这2个寄存器为：
ADMUX：
ADC多工选择寄存器，负载配置参考电压和选择通道
ADCSRA：
ADC控制和状态寄存器，启动ADC、配置ADC参数等
ADMUX的配置比较简单，8个数据位定义如下：
首2位决定参考电压源：
ADLAR影响ADC转换结果在ADC数据寄存器中的存放形式。
ADLAR置位时转换结
果为左对齐，否则为右对齐，左右对齐不影响精度，自行选择。
最后5位为通道选择，MUX4和MUX3涉及差分通道和增益配置。
仔细观察，ADC0对应MUX4..0的值为0，ADC1对应MUX4..0的值为1，因此程序上利用该规律可以方便改变通道。
初始化的ADMUX=0x40;就是使用AVCC参考、右对齐、ADC0通道
然后ADMUX=（0xC0|AD_CH）;则是把ADMUX的后5位置成00111，也就是选择通道7，用PA7口作为A/D输入口。
ADCSRA各位的含义如下：
Bit7–ADEN:
ADC使能ADEN置位即启动ADC，否则ADC功能关闭。
在转换过程中关闭ADC将立即中止正在进行
的转换。
这里ADEN=1；
Bit6–ADSC:
ADC开始转换在单次转换模式下，ADSC置位将启动一次ADC转换。
在连续转换模式下，ADSC置位将启动首次转换。
第一次转换（在ADC启动之后置位ADSC，或者在使能ADC的同时置ADSC）需要25个ADC时钟周期，而不是正常情况下的13个。
第一次转换执行ADC初始化的工作。
在转换进行过程中读取ADSC的返回值为"1”，直到转换结束。
ADSC清零不产生任何动作。
这一位是转换标志位，通过置位来启动，并判断是否转换结束。
Bit5–ADATE:
ADC自动触发使能ADATE置位将启动ADC自动触发功能。
触发信号的上跳沿启动ADC转换。
触发信号源通过SFIOR寄存器的ADC触发信号源选择位ADTS设置。
这里单次转换，不需要自动触发，置0。
Bit4–ADIF:
ADC中断标志在ADC转换结束，且数据寄存器被更新后，ADIF置位。
如果ADIE及SREG中的全局中断使能位I也置位，ADC转换结束中断服务程序即得以执行，同时ADIF硬件清零。
此外，还可以通过向此标志写1来清ADIF。
要注意的是，如果对ADCSRA进行读－修改－写操作，那么待处理的中断会被禁止。
这也适用于SBI及CBI指令。
本实验不需中断，置0。
Bit3–ADIE:
ADC中断使能若ADIE及SREG的位I置位，ADC转换结束中断即被使能。
这里不需中断，置0。
Bits2:
0–ADPS2:
0:
ADC预分频器选择位由这几位来确定XTAL与ADC输入时钟之间的分频因子，决定ADC转换速度。
转换速度为ADC时钟/13，对于15ksps的转换速度，需要195kHz的时钟源，本实验晶振为12MHz，进行64分频恰好。
即ADPS2..0：
110。
程序中ADCSRA=0xC6;即是：
使能ADC、单次模式、启动第一次、12MHz内部时钟64分频
关于获得电压值后如何在1602上显示出来，方法同一中提到的显示设定值，这里不再赘述。
电路测试部分
理想电压
3V
5V
6V
9V
12V
实测电压
2.75V
4.78V
5.69V
7.78V
12.23V
显示电压
2.7V
4.7V
5.6V
7.7V
12.2V
纹波
4mV
负载电流
0.43A
误差原因：
三极管与电阻串联后有一定的电阻，使得并联后总电阻下降。
电阻有误差。
..
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