课程设计基于STC89C52单片机的数控直流电源设计Word文档格式.docx
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在家用电器和其他各类电子设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。
但在实际生活中,都是由220V的交流电网供电。
这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。
滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波,一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成,若由晶体管滤波器来替代,则可缩小直流电源的体积,减轻其重量,且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源,这既降低了家用电器的成本,又缩小了其体积,使家用电器小型化。
传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并有电压表指示电压值的大小。
因此,电压的调整精度不高,读数欠直
观,电位器也易磨损。
而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。
随着科学技术的不断发展,特别是计算机技术的突飞猛进,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源,而在一些高能物理领域,更是急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。
1.2课题设计的主要内容
本设计给出的数控直流稳压电源的输出电压范围为0~13V,额定工作电流为0.5A,并具有“+”、“-”步进电压调节功能,其最小步进为0.05V,纹波不大于10mV,此外,还可用LCD液晶显示器显示设定电压值和输出电压值。
该系统原理是以STC89C52单片机为控制单元,以数模转换芯片DAC0832输出参考电流控制电压调整模块NE5534输出电压大小,同时输出稳压采用模数转换芯片TLC1543将采样电压模拟信号转换为数字信号,再通过单片机实现闭环控制。
第2章系统总体设计
2.1方案设计与论证
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,功耗小,效率高。
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,导致电压的非线性变化更显著,特别是PWM占空比很小时(希望得到输出的电压很小),利用单片开关电源的PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的,以达到稳定输出的目的。
但用数字量控制的作用更加明显。
方案二:
用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。
设计方案,包括了微控制器模块、D/A转换模块、稳压控制模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成,形成开环控制。
采用常用的51芯片作为控制器,P0口和DAC0832的数据口直接相连,DA的电流输出端接放大器UA741的反向输入端,输出到电压调整模块NE5534,将电压的步进值调整为0.05V。
所以,当MCU输出数据增加1的时候,最终输出电压增加0.05V,当调节电压的时候,可以以每次依0.05V的梯度增加或者降低电压。
使用电压采样电路,通过A/D转换实现闭环控制。
能有效的缩短调节时间,进一步提高输出精度。
液晶屏显示电路,该系统使用LCD1602液晶显示屏,可以清晰地显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位,同时还能显示英文名称和电压/电流单位。
按照方案二的设计能够很好的满足课程设计的目标与要求,所以最后选用方案二。
2.2系统总框图
采用双220V/18V变压器,将220V市电经桥式整流,滤波后得+21V和-21V电压值,再经过三端稳压芯片得到需要的+15V,-15V和+5V,为系统提供电源支持。
以单片机STC89C52为核心,输出电流经D/A转换,比较放大后得到合适的电压值,经电压调整后输出UO,对UO采样,经A/D转换送回到单片机与设定值比较,自动调整以实现闭环控制。
系统总框图如图2-1所示。
+21V
+15V
-15V
+5V
UO
图2-1系统总框图
第3章硬件设计
3.1硬件选型
3.1.1系统供电部分
由于该电源总共需要+21V,+15V,-15V,+5V电压,所以采用双220V/18V变压器,经桥式整流滤波后得到21V电压;
由三端稳压器7815,7915和7805分别得到+15V,-15V和+5V电压。
3.1.2控制器部分
方案一应用mega16作为控制器。
AVR是51的升级版,具有速度快,且自带512字节的EEPROM,不需要另外接扩展的EEPROM的优点;
缺点是,对AVR的使用不太熟悉,价格比较贵。
方案二采用STC89C52作为控制器。
优点:
技术比较熟练,使用广泛,价格便宜,而且功能上也完全满足本系统的要求;
缺点:
需要连接扩展EEPROM。
因为本系统对单片机的速度要求不是很高,而且连接扩展EEPROM也不复杂,经过比较,选用方案二。
3.1.3显示部分
方案一使用LED显示。
可视角度宽,介格便宜;
显示的内容少,介面呆板,而且占用较多的IO口资源。
方案二应用1602液晶显示模块。
界面美观,可显示文字及数字;
价格较贵。
通过比较,我选节方案二。
3.1.4键盘部分
方案一利用I/O口直接连接的独立式键盘,每键都有相应的I/O口对应,编程容易控制,实现方便;
方案二利用P3口接成4*2键盘。
利用6个IO口得到8个按键,可使操作介界变得简单,操作也方便;
软件处理比独立按键复杂。
通过比较,结合本设计不需要太多IO口,方案一为最佳方案。
3.1.5数模/模数转换部分
方案一采用PCF8591芯片。
集AD,DA于一身;
价格昂贵,且操作不熟悉。
方案二数模转换部分采用DAC0832芯片;
模数转换部分采用TLC1543芯片。
两芯片均为常用芯片,操作简单,软件编程简单;
占用比较多的IO口,为PCB布线带来困难。
经过比较,方案二位最佳。
3.2硬件电路设计
本系统由电源模块,调压模块,DA转换模块,键盘模块,EEPROM拓展模块与显示模块组成。
3.2.1电源模块
220V市电经过双18V变压器转换后的到+-18V电压,再经过桥式整流滤波电路,得到18*1.2=21.6(V)电压。
其中+21V电压经过7815转换得到稳定+15V电压,再经7805转换得到稳定+5V电压;
-21V电压经过mc7915转换得到稳定的-15V电压。
其中,+21V为系统供电,+15V,-15V,+5V分别为各独立元件供电。
电源模块原理图如图3-1所示。
图3-1电源模块原理图
3.2.2DA转换模块
DA转换模块由DAC0832,两级运放UA741组成。
DAC0832具有8位分辨率,有3种工作方式(单缓冲,双缓冲,直通)。
本设计中DAC工作于直通工作方式。
D/A转换结果采用电流形式输出。
要是需要相应的模拟电压信号,可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。
该片逻辑输入满足TTL电压电平范围,可直接与TTL电路或微机电路相接,-芯片电路原理图如图3-2所示。
图3-2DAC0832引脚图和内部结构电路图
UA741为常用运放,由美国fairchild公司生产,具有低漂移,稳定等优点,可外置调零电路以抑制零点漂移。
DAC0832和运放UA1将单片机发出的八位二进制数转换成0—5V负电压,再经过反向比例放大器UA2将负电压转换成0—10V正电压。
经过两级运放放大后,DAC0832的转换分辨率为10/(2^8-1)=0.04V。
即单片机向DAC送出的数据变化1BIT,运放UA2输出的电压值改变0.04V。
滑动变阻器R22的作用为调零电路以抑制零点漂移。
DA转换模块原理图图3-3所示。
图3-3DA转换模块原理图
3.2.3电压调整模块
本设计的电压调整模块如图3-2-4所示。
Q1,Q2组成复合管,以实现大电流输出。
由于该设计预定额定电流为0.5A,最大输出电压为12.5V,所以要求Q1管射极最大功率Pmax=0.5*12.5=6.25W,所以选取TIP41c。
Q3管9013和电阻R1为限流保护部分。
当输出电流大于0.7A时,R1上的压降为0.7V使得T3管导通,Q3管集电极对Q2管基极分流,使得Q2管基极电流明显变小使得输出电流变小,从而达到过流保护的功能。
发光二极管起过流提醒作用。
电压调整模块的核心部分是NE5534。
NE5534生产于美国德州半导体公司,具有共模抑制比高,响应速度快和压摆率高等优点,常用于音响,耳机等设备。
由DA及运放转换后的电压U1输入到NE5534的正向输入端,R11R15组成NE5534的取样电路。
由于NE5534Q1Q2及取样电路构成负反馈,由运放的“虚短”特点,NE5534的反向输入端的电压U2为正向输入端的电压大小U1。
由于运放还有“虚断”的特
点,运放的输入端对流经取样电路的电流不起分流作用,所以输出电压U0/U2=(R11+R15)/R15=1.25。
即U2每改变0.04V,U0改变0.05V。
由于单片机输入到DAC0832的二进制数据每改变1BIT,U1改变0.04V即U2改变0.04V,所以U0改变0.05V。
因此,该设计最小步进电压为0.05V。
电容C8的作用为抑制输出纹波电压。
电压调整模块原理图如图3-4所示。
图3-4电压调整模块原理图
3.2.4键盘模块
系统共设置了5个独立按键,实现了常用电压设定,电压“+”“—”设定及正常关机辨别的功能。
KEY1~KEY5的功能分别是:
设置电压值5V,步进-0.5V,步进+0.5V,步进-0.05V,步进+0.05V。
按键模块原理图图如3-5所示。
图3-5按键模块原理图
3.2.5EEPROM拓展模块
为了实现设定电压数据的掉电保护,我在系统中连接了EEPROM24C02B,保证了在行驶过程中,如果数控电源意外掉电,已经设定的电压数据能够下来。
24C02B是ATMEL公司生产的一款256byte的串行EEPROM,能重复擦写1,000,000次,记录的信息能保存100年以上,而且与单片机的连接只要2根线。
24C02的接图如图3-6所示。
图3-6EEPROM拓展模块原理图
3.2.6显示模块
显示模块主要由TLC1543及LCD液晶显示屏组成。
由美国德州公司生产的TLC1543,是具有10位分辨率的AD转换器,,它具有11路模拟输入通道及3路内置自测试方式,具有显著
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- 课程设计 基于 STC89C52 单片机 数控 直流电源 设计