畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）數(shù)控直流穩(wěn)壓電源

1、目錄一、前言4二、系統(tǒng)功能5三、方案論證631 穩(wěn)壓電源的分類632 穩(wěn)壓電源部分方案63.3 三端集成穩(wěn)壓芯片83.4 數(shù)字顯示部分9四、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)91、電路原理92、硬件模塊分析102.1 atmage16單片機(jī)模塊92.2 l6203驅(qū)動(dòng)模塊122.3 5v系統(tǒng)電源模塊142.4 1602液晶顯示模塊142.5輸出電壓采集反饋電路模塊15五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)151 程序設(shè)計(jì)152.程序流程圖16六結(jié)束語16七參考文獻(xiàn)17附錄1(電路原理圖)18附錄2（電子萬年歷程序）19摘要將單片機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，有機(jī)地融入直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)出一款數(shù)字化通用直流穩(wěn)壓電源。該電源具有液晶顯示、數(shù)字輸

2、入調(diào)壓、電壓調(diào)節(jié)精度高的特點(diǎn)。通過軟件編程，易于實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。avr 系列的單片機(jī)不僅具有良好的集成性能, 而且都具備在線編程接口, 其中的mega 系列還具備jtag 仿真和下載功能; 含有片內(nèi)看門狗電路、片內(nèi)程序flash、同步串行接口spi; 多數(shù)avr 單片機(jī)還內(nèi)嵌了a/d 轉(zhuǎn)換器、eeprom、模擬比較器、pwm 定時(shí)計(jì)數(shù)器等多種功能; avr 單片機(jī)的i/o 接口具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力, 灌入電流可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、lcd 等元件, 從而省去驅(qū)動(dòng)電路, 節(jié)約系統(tǒng)成本。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；avr單片機(jī)；液晶顯示一、前言電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)

3、。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。電源在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國(guó)紛紛對(duì)電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展

4、提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05v的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50w的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。數(shù)字化智能

5、電源是針對(duì)傳統(tǒng)電源的不足設(shè)計(jì)的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。在家用電器和其他各類電子設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在實(shí)際生活中，都是由220v 的交流電網(wǎng)供電。這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電。濾波器用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，

6、使家用電器小型化。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關(guān)來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié),并由電壓表指示電壓值的大小. 因此,電壓的調(diào)整精度不高,讀數(shù)欠直觀,電位器也易磨損.而基于單片機(jī)控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。從上世紀(jì)九十年代末起，隨著對(duì)系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制, 從而使直流電源智能化, 基本實(shí)現(xiàn)了直流電源的無人值守。直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設(shè)備, 在科研及實(shí)驗(yàn)中都是必不可少的。數(shù)控電源采用按鍵盤，可對(duì)輸出電壓進(jìn)行設(shè)置, 輸出

7、由單片機(jī)通過d/a,控制驅(qū)動(dòng)模塊輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓。同時(shí)穩(wěn)壓方法采用單片機(jī)控制, 單片機(jī)通過a/d 采樣輸出電壓, 與設(shè)定值進(jìn)行比較, 若有偏差則調(diào)整輸出, 越限則輸出報(bào)警信號(hào)并截流。工作過程中, 穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)(輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài)) 均由單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)lcd顯示, 由鍵盤控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)邏輯切換。以單片機(jī)為核心的智能化高精度簡(jiǎn)易直流電源的設(shè)計(jì),電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)、輸出精度高, 特別適用于各種有較高精度要求的場(chǎng)合。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn):1)易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。2)控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不

8、必改動(dòng)硬件線路。3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)(或不同型號(hào)的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對(duì)控制軟件做一些調(diào)整即可。二、系統(tǒng)功能系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)范圍為012v，最大輸出電流1a，具有過載和短路保護(hù)功能。輸出電壓可用1602lcd液晶顯示。鍵盤設(shè)有6個(gè)鍵，復(fù)位鍵，步進(jìn)增減1v兩個(gè)鍵，步進(jìn)增減0.1v兩個(gè)鍵以及確認(rèn)鍵。復(fù)位鍵用于啟動(dòng)參數(shù)設(shè)定狀態(tài)（5v），步進(jìn)增減鍵用于設(shè)定參數(shù)數(shù)值，確認(rèn)鍵用于確認(rèn)輸出設(shè)定值.電源開機(jī)設(shè)定電壓輸出默認(rèn)值為5v。通過步進(jìn)增減按鍵功能選擇可在不同的設(shè)定參數(shù)之間切換，再按確認(rèn)鍵進(jìn)入設(shè)定電壓輸出狀態(tài)。若按復(fù)位鍵，則電壓輸出恢復(fù)5v。系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)識(shí)別功能

9、，將不接受超出使用范圍（012v）的設(shè)定值。三、方案論證31 穩(wěn)壓電源的分類 穩(wěn)壓電源的分類方法繁多，按輸出電源的類型分有直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源；按穩(wěn)壓電路與負(fù)載的連接方式分有串聯(lián)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)穩(wěn)壓電源；按調(diào)整管的工作狀態(tài)分有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源；按電路類型分有簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電源和反饋型穩(wěn)壓電源，等等。如此繁多的分類方式會(huì)讓我們摸不著頭腦，不知道從哪里入手。我們必須弄清楚各個(gè)類別的特點(diǎn)，才能從中選出最佳方案。32 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案 方案：輸出可調(diào)的開關(guān)電源 開關(guān)電源的功能元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)與過流保護(hù)，只是電路在低輸出電壓時(shí)開關(guān)頻率低，紋波大，穩(wěn)定

10、度差。綜合考慮效率，輸出功率，輸入輸出電壓，負(fù)載調(diào)整率, 本設(shè)計(jì)選用方案三，要求較低，較易實(shí)現(xiàn).對(duì)于效率和紋波的要求可以通過仔細(xì)調(diào)整磁性元件的參數(shù)(l，q，m等)使其工作在最佳狀態(tài)。我們?cè)谶x擇方案的時(shí)候考慮到電路要簡(jiǎn)單，元件要容易找，所以我們選擇了上述的方案中的第三個(gè)方案。穩(wěn)壓電路部分可以采用三極管等分立元件來實(shí)現(xiàn)，也可以采用集成三端集成穩(wěn)壓芯片。從性價(jià)比來說，采用三端集成穩(wěn)壓芯片來實(shí)現(xiàn)要好很多，現(xiàn)在的穩(wěn)壓芯片功能強(qiáng)大，且價(jià)格低廉，很適合我們此次的設(shè)計(jì)。3.3 三端集成穩(wěn)壓芯片方案:采用lm317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源 lm317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源能夠連續(xù)輸出可調(diào)的直流電壓. 不過它只能連續(xù)調(diào)

11、正電壓，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流，過熱保護(hù)電路;由一個(gè)電阻(r)和一個(gè)可變電位器(rp)組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓為:vo=1.25(1+rp/r). 3.4 數(shù)字顯示部分方案：用atmage16實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換利用單片機(jī)的軟硬件資源實(shí)現(xiàn)高精度高速a/d轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度還可以通過軟件來改變，價(jià)格也低廉。不過對(duì)軟件部分要求較高。四、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、電路原理電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)選用atmage16單片機(jī)為控制核心，外部擴(kuò)展1602驅(qū)動(dòng)芯片用以實(shí)現(xiàn)電壓輸出功能，同時(shí)1602液晶顯示相應(yīng)的輸出電壓值。單片機(jī)計(jì)算設(shè)定值與ad轉(zhuǎn)換采樣反饋值的偏差以及偏差的變化率，得出相應(yīng)的輸出值，由da轉(zhuǎn)換變換

12、為模擬量去驅(qū)動(dòng)電壓輸出控制電路，從而使電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。鍵盤單片機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片負(fù)載顯示器電 源圖1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2、硬件模塊分析2.1 atmage16單片機(jī)模塊1）atmage16的簡(jiǎn)介atmega16是avr系列單片機(jī)中比較典型的芯片，其主要特點(diǎn)有：（1）采用先進(jìn)risc結(jié)構(gòu)的avr內(nèi)核（2）片內(nèi)含有較大容量的非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（3）片內(nèi)含jtag接口（4）寬電壓、高速度、低功耗（5）片內(nèi)含上電復(fù)位電路以及可編程的掉電檢測(cè)復(fù)位電路bod；片內(nèi)含有1m/2m/4m/8m，經(jīng)過標(biāo)定的、可校正的rc振蕩器，可作為系統(tǒng)時(shí)鐘使用；多達(dá)21個(gè)各種類型的內(nèi)外部中斷源；有6種休眠模式支持省電方式工作

13、等等。2）atmage16的引腳分析其外部引腳封裝如圖2所示圖2 atmage16 外部引腳與封裝示意圖其中，各個(gè)引腳的功能如下:（1） 電源、系統(tǒng)晶振、芯片復(fù)位引腳vcc: 芯片供電（片內(nèi)數(shù)字電路電源）輸入引腳，使用時(shí)連接到電源正極。avcc：為端口a和片內(nèi)adc模擬電路電源輸入引腳。不使用adc時(shí)，直接連接到電源正極；使用adc時(shí)，應(yīng)通過一個(gè)低通電源濾波器與vcc連接。aref：使用adc時(shí)，可作為外部adc參考源的輸入引腳。gnd: 芯片接地引腳，使用時(shí)接地。xtal2：片內(nèi)反相振蕩放大器的輸出端。xtal1：片內(nèi)反相振蕩放大器和內(nèi)部時(shí)鐘操作電路的輸入端。reset：reset為芯片復(fù)位

14、輸入引腳。在該引腳上施加（拉低）一個(gè)最小脈沖寬度為1.5us的低電平,將引起芯片的硬件復(fù)位（外部復(fù)位）。（2） 32根i/o引腳，分成pa、pb、pc和pd四個(gè)8位端口，他們?nèi)渴强删幊炭刂频碾p（多）功能復(fù)用的i/o引腳（口）。四個(gè)端口的第一功能是通用的雙向數(shù)字輸入/輸出（i/o）口，其中每一位都可以由指令設(shè)置為獨(dú)立的輸入口，或輸出口。當(dāng)i/o設(shè)置為輸入時(shí)，引腳內(nèi)部還配置有上拉電阻，這個(gè)內(nèi)部的上拉電阻可通過編程設(shè)置為上拉有效或上拉無效。如果avr的i/o口設(shè)置為輸出方式工作，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，能夠輸出20ma的電流，而當(dāng)其輸出低電平時(shí)，可以吸收40ma的電流。因此avr的i/o口驅(qū)動(dòng)能力非常強(qiáng)

15、，能夠直接驅(qū)動(dòng)led發(fā)光二極管、數(shù)碼管等。而早期單片機(jī)i/o口的驅(qū)動(dòng)能力只有5ma，驅(qū)動(dòng)led時(shí)，還需要增加外部的驅(qū)動(dòng)電路和器件。芯片reset復(fù)位后，所有i/o口的缺省狀態(tài)為輸入方式，上拉電阻無效，即i/o為輸入高阻的三態(tài)狀態(tài)。3）atmage16在電路中的主控作用應(yīng)用atmage16 主要完成pwm 波的輸出及控制功能。它可以先產(chǎn)生一定脈寬的pwm 波，作為l1603 驅(qū)動(dòng)電路輸入信號(hào)，然后根據(jù)所需要的基準(zhǔn)電壓與檢測(cè)到的輸出電壓的比較，調(diào)整脈寬，即改變占空比，最終實(shí)現(xiàn)高性能可調(diào)直流穩(wěn)壓。圖3內(nèi)部晶體振蕩器外接電路2.2 l6203驅(qū)動(dòng)模塊l6203驅(qū)動(dòng)模塊就是將5v的輸入電壓變成vin的電

16、壓24v，一方面提高電壓，一方面提高電流。電源驅(qū)動(dòng)芯片的選擇，由于器材的限制以及使用cmos管需要的驅(qū)動(dòng)需要注意比較多的前級(jí)推動(dòng)，如果直接使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片l6203，其價(jià)格實(shí)惠，電路簡(jiǎn)單而且效果非常好。圖4 l6203驅(qū)動(dòng)模塊圖5 l6203的外觀圖2.3 5v系統(tǒng)電源模塊單片機(jī)要工作需要有5v電源輸入，本設(shè)計(jì)采用7805穩(wěn)壓電源電路圖6 5v系統(tǒng)電源模塊2.4 1602液晶顯示模塊如果采用數(shù)碼管顯示，其價(jià)格便宜，但是占用端口較多，功耗大、顯示不功能不全。而用1602液晶顯示，則占用端口少，顯示功能較全面，驅(qū)動(dòng)電流小。所以選擇選擇1602液晶顯示。圖7 給出1602 字符液晶作為信號(hào)顯示部分圖

17、7 1602液晶顯示模塊2.5 輸出電壓采集反饋電路模塊圖8 輸出電壓采集反饋電路五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)1 程序設(shè)計(jì)數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的程序主要包括3個(gè)方面的內(nèi)容：一是單片機(jī)從按鍵中讀取數(shù)據(jù)，而后和原有的輸出電壓進(jìn)行比較；二是利用按鍵進(jìn)行輸出的調(diào)整；三是從單片機(jī)中讀取數(shù)據(jù)傳輸?shù)?602液晶顯示器，進(jìn)而顯示輸出電壓值。2.程序流程圖如圖9所示圖9程序流程圖六結(jié)束語利用單片機(jī)對(duì)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行控制，改善了電源的性能，使用方便靈活，且成本較低。另一方面，根據(jù)對(duì)電源的新要求，控制系統(tǒng)在軟件上還可進(jìn)一步改進(jìn)，以擴(kuò)展其功能，而并不需要增加硬件開銷，從而提高了電源的性能價(jià)格比。七參考文獻(xiàn)1王兆安,黃俊.電力電子技

18、術(shù)m.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20052李文元.高精度工業(yè)用可調(diào)直流電源的設(shè)計(jì)和制造r.蘭州理工大學(xué),2000.3張毅剛單片機(jī)原理及應(yīng)用i-m北京：高等教育出版社，20044e33范立南單片微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)m北京；人民郵電出版社，20045王水平,史俊杰,田慶安.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)用電路(修訂版)m.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,20056潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用m.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003附錄1(電路原理圖)附錄2（數(shù)控直流穩(wěn)壓電源程序）/*this program was produced by thecodewizardavr v1.25.7a evalua

19、tionautomatic program generator?copyright 1998-2007 pavel haiduc, hp infotech s.r.l.project : version : date : 2010-5-20author : freeware, for evaluation and non-commercial use onlycompany : comments: chip type : atmega16program type : applicationclock frequency : 8.000000 mhzmemory model : smallext

20、ernal sram size : 0data stack size : 256*/#include #include 1602.c#include adc.c /*-全局定義-*/#define choice 0x7e#define up pind.6#define down pind.0#define right pind.2#define left pind.1#define ok pind.3 #define enable portd.7 /*定義界面內(nèi)容*/flash uchar set1=plese set volt: ;/flash uchar shu=0123456789.;f

21、lash uchar putvolt= volt: ;flash uchar putamp= amp: ;flash uchar start=starting;/flash uchar error=error;uint volt=50;/*-功能：進(jìn)入系統(tǒng)的初始化函數(shù)-*/void intosys()uchar i; lcd_init(); write_com(lcd_clr); write_com(0x80); delay_ms(5); for(i=0;i8;i+) write_data(starti); /啟動(dòng)開機(jī)界面 delay_ms(2); /延時(shí)寫入，可以防止液晶處于忙狀態(tài) writ

22、e_com(0x80+0x40); delay_ms(5); for(i=0;i16;i+) write_data(-); delay_ms(100); /*-用戶界面一，設(shè)置界面-*/void user_1()uchar i;write_com(lcd_clr); write_com(0x80); delay_ms(5); for(i=0;i16;i+) write_data(putvolti); delay_ms(5); write_com(0x80+0x40); delay_ms(5); for(i=0;i16;i+) write_data(putampi); delay_ms(5);

23、;/*-用戶界面2，輸出狀態(tài)下-*/void user_2() uchar i; write_com(lcd_clr); write_com(0x80+1); delay_ms(5); for(i=0;i16;i+) write_data(putvolti); delay_ms(3); write_com(0x80+0x40); delay_ms(5); for(i=0;i16;i+) write_data(set1i); delay_ms(3); /*-顯示數(shù)據(jù)函數(shù)，將數(shù)據(jù)分開-*/void show_data(uint data) char ch1,ch2,ch3; ch1=data/10

24、0; ch2=data/10%10; ch3=data%10; if(ch1=0) write_data(0x30+ch2); delay_ms(4); write_data(.); delay_ms(4); write_data(0x30+ch3); delay_ms(4); write_data(0x20); else write_data(0x30+ch1); delay_ms(4); write_data(0x30+ch2); delay_ms(4); write_data(.); delay_ms(4); write_data(0x30+ch3); delay_ms(4); /*-顯

25、示電壓值-*/void show_volt(uint data) write_com(0x80+6); show_data( data); /*-顯示電流值-*/void show_amp(uint data)char ch1,ch2,ch3,ch4; write_com(0x80+0x45); ch1=data/1000; ch2=data/100%10; ch3=data/10%10; ch4=data%10; write_data(0x30+ch1); delay_ms(4); write_data(.); delay_ms(4); write_data(0x30+ch2); delay

26、_ms(4); write_data(0x30+ch3); delay_ms(4); write_data(0x30+ch4); delay_ms(4); /*-讀取電流值-*/uint read_amp() unsigned int freeback_amp,ampdata,temp;uchar chi,i,j; for(chi=0;chi50;chi+) ampdatachi=mega16_ad(0)*2.6/10; /delay_ms(2); for(i=0;i50;i+) for(j=0;j50;j+) if(ampdataiampdataj) temp=ampdatai; ampdatai=ampdataj; ampdataj=temp; freeback_amp=(ampdata24+ampdata25+ampdata26)/3; return freeback_amp; /*-讀取輸出電壓-*/uint read_output