0~30V簡易可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的設計說明

1、 . . . 網(wǎng)絡高等教育專 科 生 畢 業(yè) 大 作 業(yè)題目：030V簡易可調(diào)式直流穩(wěn)壓電源的設計學習中心：伊犁經(jīng)貿(mào)培訓中心 層 次： 高中起點?？?專 業(yè) 電氣工程與其自動化 年 級： 2009 年 秋 季 學 號： 5 學 生： 平 指導教師：白俊完成日期： 2011 年 8 月 17 日16 / 18摘 要本文詳細介紹了30V簡易直流穩(wěn)壓電源計的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)展中所面臨的問題。隨著時代的發(fā)展，數(shù)字電子技術已經(jīng)普與到我們生活，工作，科研，各個領域，本文將介紹一種直流穩(wěn)壓電源，同時分析了數(shù)字技術和模擬技術相互轉(zhuǎn)換的概念。同時也詳盡的介紹了此次設計中最重要的組成部件單片機的概念、工作原理與設備總

2、體結(jié)構(gòu)，其中包括MCS-51的發(fā)展歷程，選型依據(jù)。設計了一種基于單片機MCS-51的自動裝箱機，介紹了所選用的8031、8255等單片機。關鍵詞：D/A轉(zhuǎn)換；單片機；電源 目 錄第1章緒論11.1 設計要求21.2 總體方案確定21.3 單元電路設計3第2章系統(tǒng)硬件設計42.1 MCS51單片機主要應用特性42.2 系統(tǒng)面板設計與控制原理圖42.3 輸入/輸出接口系統(tǒng)設計52.4 調(diào)整輸出的設計82.5 電路調(diào)試82.6 改進措施92.7 電源9第3章系統(tǒng)軟件設計113.1 主程序113.2 顯示子程序流程圖123.3 輸入給定值中斷服務程序13第4章結(jié)論14參考文獻15致16第1章 緒論電源

3、技術尤其是數(shù)控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時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，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標準。只有滿足產(chǎn)品標準，才能夠進入市場。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的產(chǎn)品才能獲得進出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)

4、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)展提供了一個良好的基礎。在以后的一段時間里，數(shù)控電源技術有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術與電壓轉(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)字信號處理器件的研制應用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達到0.05V的數(shù)控電源，功率密度達到每立方英寸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

5、紐開關調(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)字化智能電源模塊是針對傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的，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，極提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點:1)易于采用先進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)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標準化，可以針對不同的系統(tǒng)(或不同型號的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調(diào)整即可。4)系統(tǒng)維護方便，一旦出

6、現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS232接口或RS485接口或USB接口進行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試;也可以通過MODEM遠程操作。5)系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產(chǎn)成本下降。6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運行逆變電源系統(tǒng)，每個并聯(lián)運行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易于在模塊之間更好地進行均流控制和通訊或者在模塊中實現(xiàn)復雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)

7、運行系統(tǒng)。隨著人們生活水平的不斷提高,數(shù)字化控制無疑是人們追求的目標之一,它所給人帶來的方便也是不可否定的,其中數(shù)控制直流穩(wěn)壓電源就是一個很好的典型例子,但人們對它的要求也越來越高,要為現(xiàn)代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的設施就需要從數(shù)字電子技術入手，一切向數(shù)字化，智能化方向發(fā)展.本文所介紹的簡易直流穩(wěn)壓電源計與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比，具有操作方便，電壓穩(wěn)定度高的特點，其輸出電壓大小采用數(shù)字顯示，主要用于要求電源精度比較高的設備，或科研實驗電源使用，并且此設計，沒有用到單片機，只用到了數(shù)字技術中的可逆計數(shù)器，D/A 轉(zhuǎn)換器，譯碼顯示等電路，具有控制精度高，制作比較容易等優(yōu)點。1.1 設計要

8、求輸出電壓圍0-30v，步進值為0.1V電壓調(diào)整率Sv0.05%V；電流調(diào)整率Si0.03%A；紋波電壓峰峰值=5mA；輸出電流 1A具有過流保護和短路保護功能；用數(shù)字顯示輸出電壓1.2 總體方案確定采用51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以經(jīng)過ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理與顯示。采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預置以與電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)本系統(tǒng)以直流電源為核心，利用51系列單片機為

9、主控制器，通過鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達0.1V，并可由數(shù)碼管顯示實際輸出電壓值和電壓設定值。利用單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（DA0832）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電電流的變化而輸出不同的電壓。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒壓源進行實時監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電壓源。1.3 單元電路設計此數(shù)控直流穩(wěn)壓電源共有六部分，輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過“+”，“-”兩鍵操作，步進電壓精確到0.1V 控制可逆

10、計數(shù)器分別作加，減計數(shù)，可逆計數(shù)器的二進制數(shù)字輸出分兩路運行：一路用于驅(qū)動數(shù)字顯示電路，精確顯示當前輸出電壓值；另一路進入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（D/A 轉(zhuǎn)換電路），數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字量按比例，轉(zhuǎn)換成模擬電壓，然后經(jīng)過射極跟隨器控制,調(diào)整輸出級，輸出穩(wěn)定直流電壓。為了實現(xiàn)上述幾部分的正常工作，需要另制15V，和5V 的直流穩(wěn)壓電源，與一組未經(jīng)穩(wěn)壓的12V17V 的直流電壓。此下所講的數(shù)控電源主要就是對此組電壓進行控制，使輸出05V 的穩(wěn)定的可調(diào)直流電壓。此原理方框圖如下圖1-1所示。圖1-1原理方框圖第2章 系統(tǒng)硬件設計2.1 MCS51單片機主要應用特性MCS-51單片機是美國Intel公司于1980

11、年推出的產(chǎn)品,與MCS-48單片機相比，它的結(jié)構(gòu)更先進，功能更強，在原來的基礎上增加了更多的電路單元和指令,指令數(shù)達111條，MCS-51單片機可以算是相當成功的產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在，MCS-51系列或其兼容的單片機仍是應用的主流產(chǎn)品，各高校與專業(yè)學校的培訓教材仍用MCS-51單片機作為代表進行理論基礎學習。我們也以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的設計。2.2 系統(tǒng)面板設計與控制原理圖2.2.1 面板設計控制系統(tǒng)面板如圖2-1所示。在圖2-1中控制面板中設置了一個“+”一個“”控制區(qū)兩個控制按鍵，兩個發(fā)光二極管（分別是警報指示、運行指示）、三位數(shù)碼顯示管。+-輸入顯示警報運行圖2-1 控制面板2.2.2

12、 系統(tǒng)控制原理圖圖2-2 系統(tǒng)控制原理圖2.3 輸入/輸出接口系統(tǒng)設計輸入/輸出接口系統(tǒng)就是指人與計算機之間建立聯(lián)系、交換信息的輸入/輸出設備接口，就是人機交互接口。這些輸入/輸出設備主要有鍵盤和顯示器等。它們是系統(tǒng)中必不可少的輸入、輸出設備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間交互的窗口。2.3.1“+”, “-”鍵控制的可逆計數(shù)器的設計此部分電路主要用兩按鈕開關作為電壓調(diào)整鍵，與可逆計數(shù)器的加計數(shù)CPU 時鐘輸入端和減計數(shù)CPD 時鐘輸入端相連，可逆計數(shù)器采用兩片四位十進制同步加/減計數(shù)集成塊74LS192 級聯(lián)而成。74LS192 是雙時鐘，可預置數(shù)，異步復位，十進制（BCD 碼）可逆計數(shù)器。與之功

13、能一樣的還有其它芯片，比較容易找到。由于輸出電壓從0V 到30V 可以調(diào)節(jié)，所以74LS192 兩計數(shù)器總計數(shù)圍從00000到11101（即030V）,而74LS192 本身為十進制可逆計數(shù)器，所以只需一塊這樣的芯片級聯(lián)就可以達到目的，此芯片封裝和工作模式表如下圖2-3所示。圖2-3 芯片封裝和工作模式表PL 是低電平有效的預置數(shù)允許端，PL=0 時，預置數(shù)輸入端P0P3 上的數(shù)據(jù)被置入計數(shù)器。MR是高電平有效的復位端，MR=1 時，計數(shù)器被復位，所有輸出端都為低電平。CPU 是加計數(shù)時鐘，CPD 是減計數(shù)時鐘，當CPU=CPD=1 時，計數(shù)器處于保持狀態(tài)，不計數(shù)。當CPD=1，CPU 由0變

14、為1時，計數(shù)器的計數(shù)值加1；當CPU=1，CPD 由0變1時，計數(shù)器的計數(shù)值減1。TCU 是進位輸出端，當加計數(shù)器達到最大計數(shù)值時，即達到5時，TCU 在后半個時鐘周期（CPU=0）變成低電平，其他情況均為高電平。TCU 是借位輸出端，當減計數(shù)器計到零時，TCD在時鐘的后半個周期（CPD=0）變成低電平，其他情況下均為高電平。為實現(xiàn)100 進制的計數(shù)可把第一塊芯片的TCU，TCD 分別接后一級的CPU，CPD 就可以級聯(lián)使用，這就達到了05的計數(shù)。2.3.2 顯示系統(tǒng)設計為了使操作人員與時掌握生產(chǎn)情況，在一般的微型計算機控制系統(tǒng)或者智能儀器當中，都配有顯示程序。本次設計采用LED數(shù)碼顯示。2.

15、3.2.1 LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)與顯示原理常用的顯示器件有：顯示和記錄儀表，CRT顯示終端，LED或者LCD顯示器，大屏幕顯示器。本次設計所采用的是LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低，響應速度快，易于匹配，壽命長，可靠性高等優(yōu)點。LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組成，由于材料的不同，可以發(fā)出各種單色光線。發(fā)光二極管可以有多種組成形式，其中7段數(shù)碼管應用最多，根據(jù)發(fā)光二極管部的連接方式不同，又有共陰極或共陽極兩種形式。如圖2-4所示圖2-4 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)2.3.2.2 74LS138結(jié)構(gòu)與功能74LS138為3線到8線譯碼器，當一個選通端（G1）為高電平，另外2個選通端2A和2B

16、為低電平時可以將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。利用G1、2A和2B可以級聯(lián)擴展成24線譯碼器引腳結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。圖2-5 74LS138引腳圖其引腳功能為：A、B、C為譯碼地址輸入端；G1為選通端；2A、2B為選通端（低電平有效）；Y0Y7為譯碼輸出端（低電平有效）。2.3.2.3 74LS377結(jié)構(gòu)與功能74LS377是一種8D觸發(fā)器，它的E端是控制端、CLK端是時鐘端，當它的E端為低電平時只要在CLK端產(chǎn)生一個正跳變，D1D7將被鎖存到Q0Q7端輸出，在其他情況下Q0Q7端的輸出保持不變。其引腳圖和功能表如圖2-6所示。圖2-6 74LS377引腳與功

17、能2.4 調(diào)整輸出的設計調(diào)整輸出級采用運放作射極跟隨器，使調(diào)整管的輸出電壓精確地與D/A 轉(zhuǎn)換器輸出電壓保持一致。調(diào)整管采用大功率達林頓管，確保電路的輸出電流值達到設計要求。數(shù)控電源各部分工作所需的15V 和5V 電源由固定集成穩(wěn)壓器7815、7915、和7805 提供，調(diào)整管所需輸入電壓，經(jīng)簡單整流，濾波即可得到，但要求能提供5A的電流。輸出電壓的調(diào)整，主要是運用射極輸出器發(fā)射極上所接的4.7K 電阻來完成的，此反饋電阻的主要作用是，把輸出電壓反饋到NE5534 的輸入級的反向輸入端，當同相輸入IN+和反向輸入端IN-有差別是，調(diào)整輸出電壓使之趨于穩(wěn)定，從而達到調(diào)整輸出電壓的目的。2.5 電

18、路調(diào)試調(diào)節(jié)步驟如下：輸入數(shù)字00000，短接Re1、Re、Rf 調(diào)運放調(diào)零電位器Rw，用數(shù)字萬用表檢測，使輸出電壓Vo=01mV。輸入數(shù)字11101，調(diào)整Re1、Re2、Rf 使輸出電壓Vo 達到預定的滿量程30V。主要技術指標本文所設計數(shù)控直流電源的電壓輸出圍為030V，步進電壓值為0.1V，輸出紋波電壓不大于10mv，輸出電流為1A。2.6 改進措施本電源輸出電壓大小尚受限制，在需要較高輸出電壓時，在不改變調(diào)節(jié)精度（即步進電壓值）前提下，只要增加計數(shù)器的級聯(lián)數(shù)和相應D/A 轉(zhuǎn)換器的個數(shù)，擴大數(shù)顯指示圍，配合選用高電壓輸出運放，就能輕易地滿足要求。當需要正負對稱輸出電壓時，只要另增一組電源，

19、對D/A 轉(zhuǎn)換器與調(diào)整輸出電路稍作改動即可達到目的。2.7 電源除了220V的電源，我們還選擇了LM7805三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生一個5V的電源。其電路如圖2-7所示。圖2-7 +5V電源電路三端固定輸出集成穩(wěn)壓器，它是一種串連調(diào)整式穩(wěn)壓器。它將全部電路集成在單塊硅片上，整個集成穩(wěn)壓電路只有輸入、輸出和公共三個引出端，使用非常方便。典型的有78正電壓輸出系列，79負電壓輸出系列。當輸入的電壓VI、輸出電流IO或溫度變化時，輸出電壓VO可保持不變；另外，當輸出短路?？墒馆敵鲭娏鱅O限制為一定值；若穩(wěn)壓器過熱，則它就停止工作，以免穩(wěn)壓器遭到損壞。三端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器，因部有過熱、過流保護電路，因此它

20、的性能優(yōu)良、可靠性高。有因這種穩(wěn)壓器具有體積小、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，所以我們選用了這種芯片。本設計主要電源供給電路如圖2-8所示。圖2-8 電源供給電路第3章 系統(tǒng)軟件設計主程序單元清零設8255A工作方式清顯示單元，指示燈設中斷方式開中斷啟動計數(shù)單元清零計數(shù)單元加1送顯示結(jié)束給定值參數(shù)輸入完嗎？設定了嗎？運行輸出完成？NNNNYYYY3.1 主程序3.2 顯示子程序流程圖顯示子程序顯示緩沖區(qū)首地址指向最左邊一位8255A口地址取出要顯示的數(shù)據(jù)求待顯示數(shù)據(jù)的顯示碼送顯示碼到82553位數(shù)顯示完了嗎？返回求下一個位選碼修改顯示緩沖地址NY中斷服務程序讀入鍵值存入給定單元送顯示計算下一個顯示

21、單元保護顯示地址求下一位給定值單元地址輸入計數(shù)器加1返回3.3 輸入給定值中斷服務程序第4章 結(jié)論為期一學期的畢業(yè)設計結(jié)束了，在這短短的幾個月當中，我們不僅鞏固了以前學到的專業(yè)知識，更重要的是我們學到了許多新知識，學會了設計一個系統(tǒng)的步驟、方法和設計思想，還學到了作為一個設計人員應該具備的素質(zhì)。在畢業(yè)設計之初，我們首先拿到了畢業(yè)設計的題目30V簡易直流穩(wěn)壓電源的設計，從中我們知道了這次設計的目的、要求以與要完成的工作。開題之后我們進入了資料檢索階段，通過在網(wǎng)上與圖書館查找資料，了解了系統(tǒng)的發(fā)展狀況以與現(xiàn)狀，從中得到了許多對我們設計有用的東西，并最終確定一套方案。我們的方案是利用單片機來實現(xiàn)的，

22、所以翻閱了大量的單片機書籍。我們以前的學習是圍繞MCS51系列的單片機，故在我們的系統(tǒng)中我們選擇了8031為CPU。我們在圖書館和和上查到了好多的單片機和傳感器方面的知識，這對我們的設計是很有必要的，它也會對我們以后的工作有很大的幫助。設計總是在不斷的改進和完善中完成的，每一個器件的選擇都要有很多的考慮。我們在設計中不斷的更換新的器件和設計方法，最后做成了本次設計?；緦崿F(xiàn)了畢業(yè)設計任務書中的要求在設計中我們盡量做到完善。但在這次畢業(yè)設計中還存在很多不能令人滿意的地方，這些地方也暴露了我們在以前學習過程中的疏漏之處。我一定會在以后的工作中逐步的改正。參考文獻1 德營，志霞，志偉.單片機原理與接

23、口技術.: 中國水利水電，2006.154,901212 新民，王燕芳.微型計算機控制技術.：電子工業(yè)，2003.7199，3603643 宋浩，田豐.單片機原理與應用。：清華大學，交通大學，2005.139，1341794 薛棟梁.MCS-51/151/251單片機原理與應用（一）.：中國水利水電，2001，111112，1251265 薛棟梁.MCS-51/151/251單片機原理與應用（二）.：中國水利水電，2001，15，2542616 繼文,何玉彬.傳感器與應用電路設計.：科學，2002，54637 方佩敏.新編傳感器原理應用電路詳解.：電子工業(yè)，1994，112117，1321368 何立民.單片機應用系統(tǒng)設計.：航空航天大學，2002，97104,1491569 德譚，茂軍等.新編電子電路大全