1、 毕业论文（设计） 题 目 ： 智能开关稳压电源的设计与研究 系部名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称 ： 年 月 日摘要 随着时代的发展，数字 电源 技术已经普及到我们生活 中的 各个领域，本文将介绍 一种数控直流稳压电源，本电源由 控制模块 、稳压输出模块、按键处理模块、显示模块和供电模块 五 部分组成 。 准确 的 说就是 供电模块 提供各个芯片电源、 LCD 所需电压 ； 显示电路用于显示电源输出电压的大小。数控直流电流源能够很好地降低因元器件老化等原因造成的输出误差，最大输出电流 500MA，最高输出电压 12V，电流 、 电压都具有步进为 0.1。 硬件电
2、路 单片机 为控制核心，利用 单片机 控制原理，加上反馈电路，使整个电路构成一个 控制电路 ，在软件方面主要利用 单片机 来实现对输出电流的精确控制。该系统可靠性高、体积小、操作简单方便、人机界面友 好。 关键词： 数控 ，数显， 直流电源 ， 步进控制Digital readout voltage-stabilized source Abstract: With the development of the times, digital power supply technology has been popular in all of our lives, work, research,
3、and all fields. This paper introduces a NC DC power supply, the power consists of analogue power supply, display circuit, control circuit, digital-to-analog converter and circuit amplifier. Accurately, analog power supplies voltage for chip power, LCD display circuit displays the output voltage. NC
4、DC current source can reduce output error that caused by components aging, with functions of the maximum output current is up to 500MA, the maximum output voltage is 12 V, current and voltage are stepping to 0.1 adjustment, output current signal can be shown directly. singlechip microcomputer hardwa
5、re circuit is the core of control, taking advantage of the closed-loop control principle and feedback circuit, so that the whole constitute a control circuit In terms of software it mainly uses the singlechip machineto achieve the precise control of output current. The system has good features of hi
6、gh reliability, small size, simple operation and friendly man-machine interface. Key word: Numerical Control Numeric display Direct Current Step-by-step control II 目 录 1 绪论 . 1 1.1 研究的背景以及现状 . 1 1.2目前存在的问题 . 1 1.3解决方法 . 2 2 总体设计方案的选择 . 3 2.1 方案设计 . 3 2.2方案选择 . 4 2.3引起稳定电源输出不稳定的原因 . 4 3 硬件电路设计 . 5 3.
7、1主电路模块 . 5 3.2供电模块 . 5 3.3 稳压输出模块 . 6 3.3.1稳压输出原理 . 6 3.3.2 DAC0832（ D/A转换） . 7 3.3.3 运放电路 . 9 3.3.4 过流保护电路 . 11 3.4显示模块与控制模块 . 12 3.4.1液晶显示模块 . 13 3.4.2 控制模块 . 14 3.4.3 TLC2543（ A/D转换） . 17 4 系统软件设计 . 20 4.1主程序电路设计 . 20 4.2 过流保护电路设计 . 21 5 实物演示 . 22 6 结论 . 24 致谢 . 25 参考文献 . 26 附录 A . 27 附录 B . 29 附
8、录 C . 30 1 1 绪论 1.1 研究的背景以及现状 在现代社会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
9、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
10、组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面， 几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减 少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，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工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。 1.2 目前存在的问题 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
11、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。 若 采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处 理，如选用 CPLD等可编程逻辑器件。可是这种 方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困2 难。 1.3 解决方法 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。目前在电
12、力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使 用麻烦。利用数控电源，可以达到每步 0.1V 的精度，输出电压范围 09.9V，电流可以达到 500mA。数控技术方面的发展是以 51系列单片机为主控单元电路的拓扑和软开关技术等电子技术的完善为主要标志。数字化则应属于控制方面的重要发展方向，随着信息技术的突飞猛进，将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用。数控电源目前的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态特性 ;更好的环保性能 ;智能化与高可靠性 ;更广泛的应用等方向发展。 因此，在设计中， 采用 AT89S51 单片机作为整机的控制单元，通过改变DAC083
13、2 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 课题 的要求。 3 2 总体设计 方案的选择 2.1 方案 设计 设计要求： 1要求设计的 稳压电源具有在一定范围内 电压 可调 ， 结构简单 ， 工作可靠的特点 ，是一种较为理想的实用电源。 （如输入电压 12 V，输出电压可调范围
14、24 36 V，或输入为交流电，输出为可调范围的直流电） 2完成硬件电路和软件设计。 根据任务要求，有以下几种方案 方案一：设计开关电源。在前期方案设计中采用 PWM 脉宽调制。它的功耗小，效率高，稳压范围宽，电路形式灵活多样。在制作过程中发现， PWM占空比的线性变化使相应的电流呈非线性变化，经分析发现滤波电容的存在对占空比很小的 PWM 波积分效果明显，导致电流的非线性变化更显著，特别是 PWM 占空比很小时 (希望得到输出的电流很小 )输出有几十毫 安 的 电流， PWM脉宽调制会产生高次谐波导致输出电流的纹波电流比较大，加大滤波电容后电流纹波相对减小，但积分作用更加明显。 方案二：用
15、D/A和运算放大器做电流源，即采用 D/A输出调节晶体管的偏值电流（电压）。采用此方案能有效的缩短调节时间，并能提高输出精度。但 8位 D/A芯片的精度达不到题目所需要的精度（步进 10mA）。经计算需要采用 12位的 D/A芯片，但是 12位 D/A芯片的价格过于昂贵，并且在短时间内很难到货。 因此，可以 采用双 D/A 芯片来解决此问题。采用两片 DAC0832，一路 DAC0832作为粗调，另一路 DAC0832 作为精调，并通过运算放大器对两路 D/A 转换电压做加法运算，再经过一级运算放大器后推动后级电流驱动电路，通过电流采样电阻两 端 的电压给单片机，单片机再控制 D/A 的输出，
16、形成闭环负反馈调节回路。粗调当中 DAC0832 的基准电压 ref=5V，则一个 LSB 对应的电压调节精度为 4.8mV。精调当中 DAC0832的 ref=1.25V，则一个 LSB对应的电压调节精度为 1.2mV。此方案原理上把两个八位的 DAC当成 16位的DAC 应用 (实际上由于运算放大器有失调电压存在只能实现 10 位的精度 )。这种方案调节电流是靠调 节晶体管的偏值电流实现的，理论上是线性调节，不会产生高次谐波。 方案三：采用 51 系列单片机作为整机的控制单元，通过改变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
17、备检测实际输出电压值的大小，可以经过 ADC0809 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。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4 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
18、 /电压转变后，通过 A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，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。 2.2 方案选择 在方案三中采用单片机完成整个数控部分的功能，同时， 8051 作 为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展 。 故选用方案三 2.3 引起稳定电源输出不稳定的原因 稳定电源的输出电量 (电压或电流 )，是相对稳定而非绝对不变的，它只是变化很小，小到可以在允许的范围之内。产生变化的原因是多方面的，主要有以下四个因素 :一是电网输入电压不稳定所致。电网供电有高峰期和低谷期，不可能始终稳定如初。二是由负载变化形成的。如果负载短路，负
19、载电流会很大，电源的输出电压会趋于接近于零，时间一长还会烧坏电源 ;如果负载开路，没有电流流过负载，输出电压就会升高。即使不是这两种极端情况，负载电阻有微小的 变化也会引起稳定电源输出电量的变化。三是由稳定电源本身条件促成的。构成稳定电源的元器件质量不好，参数有变化或完全失效时，就不可能有效地调节前两种原因引起的波动。四是元器件因受温度、湿度等环境影响而改变性能也会影响稳定电源的输出不稳。 一般地说，稳定电源电路的设计首先要考虑前两种因素，并针对这两种因素设计稳定电源中放大器的放大量等。在选择元器件时，要重点考虑第三个因素。但在设计高精度稳定电源时，必须要高度重视第四个因素。因为在高稳定电源中
20、，温度系数和漂移这两个关键的技术指标的好坏都是由这个因素所决定的。 5 3 硬件电路设计 3.1 主 电路 模块 系统硬件设计主要由 AT89C51、稳压输出模块、按键处理模块、显示模块和供电模块5部分组成。如图 3-1 所示 图 3-1直流稳压原理图 3.2 供电模块 供电部分输入 220 V、 50 Hz交流电，输出系统所需的 3种电压： +5 v， +12 V和 -12 V。其中 +5 V 供 AT89C51、 D A 和 A D 转换器使用； +12 V 作为运放的正电源，同时也是稳压输出 电路的主电源，最大电流约 500 mA；而 -12 V 作为运放的负电源，同时也为基准电压源 L
21、M339供电，该电流较小，不超过 50 mA。 通过变压器将 220V 交流电变为 12V直流电， 供电模块的电路如图 3-2所示。 键盘模块 供电模块 12V 5V -12V 单片机 采样电路 A/D 转换 显示模块 功率放大 D/A 转换 双极输出 6 图 3-2 供电模块 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压 U2变换成脉动电压 U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压 U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压 U4。如图 2所示 输入 220V交流电经过变压器得到 12V交流电，经过整流桥由交流电变为直流电，经过 7812的变为 12V电压，经过 7912变为 -12V
22、 电压，从 7812出来经过 7805变为 5V供单片机和 A/D转换使用。 整流桥： 整流桥就是将整流管封在一个壳内了 .分全桥和半桥 .全桥是将连接好的桥式整流 电路 的四个二极管封在一起 .半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起 ,用两个半桥可组成一个桥式整流电路 ,一个半桥也可以组成 变压器 带中心抽头的 全波整流 电路 LM7812CT： 是一款线性直流稳压器，输出电压是 12V，输出最大电流是 1.5A LM7912CT： 是提供 -12V电压的直流稳压集成电路，它的作用相当于是给电路提供 -12V电压的直流电源。 3.3 稳压输出模块 3.3.1 稳压输出原理 图 3-3为稳压输出模块原理图，该模块将控制部分的电压 数据转换稳压输出。它由D A 转换器 (DAC0832)、集成运放 OP07、 LF356、晶体管 TIP122、 TIP127、 9015、 9014基准电压源 LM336-5组成。 OP-07由 4管脚供入 -12V电压， 7管脚供入 12V电压 LF356由 4管脚供入 -12V电压， 7管脚供入 12V电压
