简易数控直流稳压电源设计方案.docx
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简易数控直流稳压电源设计方案
毕业实习与设计
设计题目简易数控直流稳压电源
指导老师_________易X智老师_________
学生姓名_________X____________
学生学号____________________________
专业年级层次电子信息工程技术
实习点X电子科技有限公司
X学院信息工程系制
简易数控直流稳压电源(摘要)……………………………………………3
第一章研究背景及意义……………………………………………………4
第二章芯片的原理及应用…………………………………………………6
第三章多位LED显示的串口实现原理…………………………………10
第四章电路原理和硬件实现………………………………………………11
第五章程序设计……………………………………………………………14
第六章电路测试……………………………………………………………16
结束语…………………………………………………………………17
参考文献…………………………………………………………………18
附录…………………………………………………………………………19
材料清单……………………………………………………………………24
简易数控直流稳压电源设计
【摘要】随着对系统更高效率和更低功耗的需求,电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。
整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守 “设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A转换电路、直流稳压电路等几部分组成, 直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。
【关键字】电源,稳压,数控,程序,电路图.
第一章研究背景及意义
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。
数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的,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。
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,并由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。
从上世纪九十年代末起,随着对系统更高效率和更低功耗的需求,电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。
整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制,从而使直流电源智能化,具有遥测、遥信、遥控的三遥功能,基本实现了直流电源的无人值守 “设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A转换电路、直流稳压电路等几部分组成,直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。
数控电源采用按键盘,可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置,输出由单片机通过D/A,控制驱动模块输出一个稳定电压。
同时稳压方法采用单片机控制,单片机通过A/D采样输出电压,与设定值进行比较,若有偏差则调整输出,越限则输出报警信号并截流。
工作过程中,稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态)均由单片机输出驱动LED显示,由键盘控制进行动态逻辑切换。
以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计,电源采用数字调节、输出精度高,特别适用于各种有较高精度要求的场合。
电源采用数字控制,具有以下明显优点:
1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。
2)控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法,而不必改动硬件线路。
3)控制系统的可靠性提高,易于标准化,可以针对不同的系统(或不同型号的产品),采用统一的控制板,而只是对控制软件做一些调整即可。
第二章芯片的原理及应用
AT89C51简介
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器.具有4K字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器(PEROM),89C51是一种高效微控制器.89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案.程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。
89C51管脚图
89C51P3口定义
管脚号
功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD(串行通信输入)
TXD(串行通信输出)
/INT0(外部中断0输入,低电平有效)
/INT1(外部中断1输入,低电平有效)
T0(定时器0)
T1(定时器1)
/WR(写控制脚)
/RD(读控制脚)
TL082
内含两个差分放大器,能够自动调零。
74LS164图及引脚功能:
74LS164有14条引脚.74LS164为TTL单向8位移位寄存器,可实现串行输入,异步清零,输入端低逻辑时阻止数据输入,在下一个时钟脉冲重起触发器低电平,这样阻止多余的数据。
并行输出其中A、B(第1、2脚)为串行数据输入端,2个引脚按逻辑与运算规律输入信号,共一个输入信号时可并接CLK为时钟输入端,可连接到串行口的TXD端。
每一个时钟信号台的上升沿加到CLK端时,移拉寄存器移一位,D0位首先送出,最后是D7位,8位二进制数全部移入74LS164中。
MR(第9脚)为复位端,当MR=0时,移位寄存器各位复0,只有当R=1时,时钟脉冲才起作用。
Q0…Q7(第3-6和10-13引脚)并行输出端分别接LED显示器的各段对应的引脚上。
DAC0832:
DAC0832是8位分辨率D/A转换集成芯片,与处理器完全兼容,其价格低廉,接口简单,转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到了广泛的应用。
管脚定义:
DI0~DI7:
数据输入线,TLL电平。
ILE:
数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效。
CS:
片选信号输入线,低电平有效。
WR1:
为输入寄存器的写选通信号。
XFER:
数据传送控制信号输入线,低电平有效。
WR2:
为DAC寄存器写选通输入线。
Iout1:
电流输出线。
当输入全为1时Iout1最大。
Iout2:
电流输出线。
其值与Iout1之和为一常数。
Rfb:
反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.
Vcc:
电源输入线(+5v~+15v)
7805、7812:
7805和7812分别是稳压输出5V和12V的功能。
第三章多位LED显示的串口实现原理
该实现方式是通过89C51串行输入,再串行输出到74LS164,再经过74LS164并行输出到数码显示管。
单片机89C51的串行口设定工作在方式0状态.在方式0时,89C51的串行口起到一个一位寄存器的作用.RXD引脚输出端,TXD引脚输出移位时钟.一个字节输出完毕AT89C51自动发送中断标志TI置位.这种显示方式的优点是可以显示位数多,显示亮度大,显示程序简单,主程序不必扫描显示接口,因此有更多的时间用于完成其它任务。
LED的8个段选端通过电阻和74LS164的并行输出口即8根选线相连接。
电路中设计了2位LED显示器,其功能为:
左一位为个位数,小数点后的小数位。
第四章电路原理和硬件实现
电路框图:
整体电路图
内部电路及原理分析:
电路组成
本电源由模拟电源、显示电路、控制电路、数模转换电路、放大电路四部分组成.准确说就是电源提供各个芯片电源、数码管、放大器所需电压;显示电路用于显示电源输出电压的大小。
1.数码显示电路
显示电路由二个数码管和2个74LS164组成。
二个数码管分别组成显示电路的个位、小数点位,这2个数码管为带小数点的七段LED数码管。
为节约资源,采用CPU的串行口RXD和TXD通过74LS164进行输出口线扩展。
单片机的两个并行口分别作为信号输出口和时钟控制信号。
采用单片机的P3.4、P3.5作为控制加减的控制口。
12M晶振为单片机提供时钟信号。
电容C3和电阻R1组成复位电路。
74LS164是串入并出的8位移位寄存器,在⑧脚所加脉冲的上升沿作用下,把①、②脚(一般并联使用)输入的串行数据锁存在并行输出端,通过这些并行口线驱动数码管的各字段。
数码管选用共阳的KPS-5101(BHBD15),当74LS164的输出端口某线为低电位时,对应的字段被点亮。
2.电源电路
线性电源由18V变压器经过全波整流,电容整流滤波,通过三端稳压管7815、7812、7805稳压为芯片AT89C51、DAC0832、TL082、74LS164、3DD15D、数码管提供电压。
3.(-15V电源)
-15V电源电路由18V经过全波整流,电容整流滤波,通过三端稳压管7915稳压输出
4.D/A转换电路
D/A转换电路主要由AT89C51(单片机)、数/码转换器DAC0832及TL082差分放大器等芯片组成。
AT89C51的P0口作为数据端口与DAC0832的8位数据线相连。
AT89C51内含4K字节的ROM,无需外部存储器,因此选用它可使电路得到简化。
本系统中,因为CPU的工作任务是单一的,而且数据传送的目的地址也是单一的,因此,DAC0832采用直通的工作方式,芯片的CS/(低电平有效)、WR1/、XFER/、WR2/四个使能端均与地相接处有效状态,这个工作方式不需要给DAC0832分配地址空间,CPU的P1口的数据变化直接反映到DAC0832的输出端。
DAC0832是一种典型的8位转换器,内部为双缓冲寄存器即输入寄存器和DAC寄存器,WR1/、WR2/、分别为该两寄存器的写信号输出端,ILE为输入锁存使能端,高电平有效,CS/为片选端,XFER/为传输控制端,它和WR2/共同控制DAC寄存器的工作状态。
DAC0832有两个接地端AGND(模拟电路接地端)和DGND(数字信号)接地端,一般情况下,这两个地端均并联接地。
DAC0832的D/A转换电路为倒T型R-2R电阻网络,故有IOUT1和IOUT2两个电流输出端,根据不同的电路组成,该芯片可以有两种输出模式,一种为电流输出模式,这种模式基准电压加在VREF端,由IOUT1,IOUT2输出的电流经运算放大器相加后输出;另一种为电压输出模式,这种模式基准电压加在IOUT1和IOUT2之间,模拟电压加从VREF端输出。
本电路采用后一种模式,其基准电压通过电阻和2.5V稳压管组成的稳压电路提供,其基准电压为2.5V,最后经过放大器TL082放大到12.5V,作为电路设计的程序设计编码基准电压。
5.输入输出电路
从电路图可知,放大器输出信号是数控电源的控制信号,根据需要选择不同的DAC0832输入的数字量的值即可获得不同的控制电压(放大器输出电压),进而可获得所需的输出电压值。
数控电源即电压输出电路实际上是由7812三端稳压器和大功率管组成。
由于7812的带负载能力较差,因此,需要通过大功率管进行扩展。
本电路中7812的接地端(第②脚)不是直接接地,而是与运放的输出端相接。
根据7812三端稳压器的工作原理可知,在其接地端②脚与V1(放大器输出端)相联之后,其输出端第③脚的输出电压V3应该为本身的围压值V1之和。
即:
V3=12+V1。
由于电压输出电路通过3DD15D大功率管进行带负载能力的扩展,电源实际输出的电压是从该功率管个发射极输出的,因此,电源输出的电压其实际值要比V3减少一个发射结的电压降即0.7V,电源输出VOUT=V3-0.7V=12+V1-0.7V,调节两个精密电位器,使得实际输出电压与显示电压相等。
也就是不同的DAC0832输入的数字量的值经过放大器TL082放大后与电源输出电压VOUT的关系。
就这样确定了电源输出电压CPU输出数字Dn的关系,这就是编程的依据。
按照0.1V的步进量,在0-9.9V的输出电压范围内,应该有100个Dn值。
编程时,根据Dn的表达式可以算出全部的100个Dn值,并将这些值从小到大顺序存在一张名为TAB1的表格中。
要输出某一电压值,只要从该表格中查表取出相对应的Dn的值,并通过D/A转换电路即可得到所需的电压。
本电路中,K1,K2为输出电压选择键,其中K1为“增加键”,该键每按一次输出电压将在上一输出值的基础上增加0.1V,K2为“减小键”,其功能与K1正好相反。
6.模拟输出和放大电路
采用DAC0832的Vref模式,11脚和12脚接2.5V稳压管为参考电压,8脚输出电压TL082按比例放大5倍,得到所需要电压,由于TL082带负载能力差,用3DD15D进行功率放大。
第五章程序设计
流程图:
程序运行原理:
在本电路中由于CPU的工作任务是单一的,因此,源程序的工作过程为:
系统上电复位后,默认输出9伏电压,然后扫描K1,K2键,当K1或K2键有按下时,程序跳转至相应的按键处理子程序,经按键子程序处理后,再嵌套调用显示子程序,完成显示与输出操作后返回主程序,继续扫描此两键。
程序设计需要考虑的主要问题有两个方面。
一方面要找出数字量Dn与输出电压的关系,这是程序设计的依据;另一方面要建立显示值与输出电压值的对应关系,这是程序设计是否成功的标志。
因为在本系统中,显示的输出电压值不是之间从输出电路中通过检测得到的,因此显示与输出并不存在直接联系。
但为了使显示值与实际输出值相一致,在程序编写时,必须人为地为两者建立某种关系。
采用的方法是:
在程序存储器中建立TAB1和TAB2两张表格,TAB1放100个Dn值,其值分别对应输出电压0-9.9V,TAB2存放数码显示器0-9字符所对应的数据。
TAB1表格的数据指针存放在内存RAM中23H单元,内存20H,21H二个单元分别存放数码显示器小数点一位,个位的字符数据指针。
在主程序中初始化后之后首先给23H赋予40的偏移量,这个偏移量指向TAB表中的Dn为145,此值对应的输出电压为9V,由于这个原因,必然要求显示器显示的字符为“9.0”,为此,须分别给20H,21H赋予9和0的偏移量,这二个偏移量分别指向TAB2中0,9和输出两者之间就建立了初步的对应关系。
为了使两者保持这种对应的关系,在K1和K2按键处理子程序中,必须使23H,20H,21H和22H四个数据指针保持“同步”地变化,即为当K有键时,23H单元增加1指向下一Dn时,20H单元也相应增加1指向下一字符,并且20H单元(小数点一位指针)、21H单元(个位指针)应遵循十进制加法的原则,有进位时相应各位应作出相应地变化;当K2有键时,23H单元减1指向前一Dn时,20H单元也相应减1指向前一字符,并且20H,21H,22H三个单元的数据指针应遵循十进制减法原则,有借位时相应的各位须作出相应地变化。
按照这一算法只要控制TAB1表格数据指针不超出表格的长度就能使显示值与输出值保持一一对应的关系,即显示器能准确地显示出电源输出电压值的大小,达到电路设计的目的。
由于理论计算与实际情况还存在着一定的差异,为了使显示值更加接近实际输出值,本电路在装配需要对输出电压进行校正。
方法是:
在电压输出电路带一轻负载的情况,将输出电压调至8.3V(显示器显示值)选用精确度较高的数字万用表对实际输出电压值进行校正,通过调整W1使实际输出电压达到8.3V;然后再将输出电压调至5V和9V(均为显示器显示值),同样用数字表进行校正,通过调整W2使输出电压值分别达到5V和9V。
如此反复校正几次,就能使显示器的显示值和实际输的一致出值达到较好的一致性。
0符所对应的数值。
这样显示与实际输出电压达到较好性。
第六章电路测试
电路调试过程中遇到的问题和解决办法:
1.电路线路比较多,容易出现短路现象,数码显示由于短路出现显示不正常显示,整理线路后能够正常显示。
2.在差分放大器的输入端串联10K的电位器,在输入端和输出端加100K反馈电位器,调节两个电位器使得输出电压数值和显示值相等。
3.数码显示出现问题,检查电路发现出现虚焊,补焊后能正常显示。
4.稳压管7812的输出端输出电压,检查电路,发现输出端需要增加一个电容,增加后问题得到解决。
结束语
在本次设计的过程中,我发现很多的问题,给我的感觉就是很难,很不顺手,看似很简单的电路,要动手把它给设计出来,是很难的一件事,主要原因是我们没有经常动手设计过电路,还有资料的查找也是一大难题,这就要求我们在以后的学习中,应该注意到这一点,更重要的是我们要学会把从书本中学到的知识和实际的电路联系起来,这不论是对我们以后的就业还是学习,都会起到很大的促进和帮助,我相信,通过这次的课程设计,在下一阶段的学习中我会更加努力,力争把这门课学好,学精。
同时,通过本次课程设计,巩固了我们学习过的专业知识,也使我们把理论与实践从真正意义上相结合了起来;考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料,和组织材料的综合能力;从中可以自我测验,认识到自己哪方面有欠缺、不足,以便于在日后的学习中得以改进、提高;通过使用电路CAD软件Protel99se,也让我们了解到计算机辅助设计(CAD)的智能化,有利于提高工作效率。
本次关于简易数控直流稳压电源的设计与制作是在易礼智老师的精心指导下,和同组内其他成员的共同交流下才得以顺利完成。
经过本次毕业设计把我大学三年来所学的理论知识转化为实际应用,既锻炼了我们的实际操作能力,又使理论知识得以加强和升华,激发了创新意识。
参考文献:
[1]李锋刘小魁模拟电子技术湖南大学出版社出版日期:
2004年1月
[2]陆秀令陈罗湘黄建科数字电路湖南大学出版社出版日期:
2004年
[3]胡汉才单片机原理及其接口技术清华大学出版社出版日期:
2002年
[4]XX网站
附录
源程序:
ORG0000H
START:
AJMPMAIN
TAB1:
DB10,9.9,9.8,9.7,9.6,9.5,9.4,9.3
DB9.2,9.1,9.0,8.9,8.8,8.7,8.6,8.5,8.4,8.3
DB8.2,8.1,8.0,7.9,7.8,7.7,7.6,7.5,7.4,7.3
DB7.2,7.1,7.0,6.9,6.8,6.7,6.6,6.5,6.4,6.3
DB6.2,6.1,6.0,5.9,5.8,5.7,5.6,5.5,5.4,5.3
DB5.2,5.1,5.0,4.9,4.8,4.7,4.6,4.5,4.4,4.3
DB4.2,4.1,4.0,3.9,3.8,3.7,3.6,3.5,3.4,3.3
DB3.2,3.1,3.0,2.9,2.8,2.7,2.6,2.5,2.4,2.3
DB2.2,2.1,2.0,1.9,1.8,1.7,1.6,1.5,1.4,1.3
DB1.2,1.1,1.0,0.9,0.8,0.7,0.6,0.5,0.4,0.3
DB0.2,0.1,0
TAB2:
DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H;共阳数字0-9字段代码表
MAIN:
MOVSCON,#0;设串行口模式0
MOV23H,#90;送输出9V的Dn值指针,
MOV20H,#0;小数点一位指针指向"0"字符
MOV21H,#9;个位指针指向"9"字符
ACALLDSP;调用显示、输出子程序
SETBP3.4
SETBP3.5
KEY1:
JBP3.4,KEY2;增强键是否有键?
ACALLDEL10
JBP3.4,KEY2
ACALLK1
KEY2:
JBP3.5,KEY1;减少键是否有键?
ACALLDEL10
JBP3.5,KEY1
ACALLK2
AJMPKEY1;
DEL10:
MOVR6,#0AH;10ms延时子程序
D1MS:
MOVR7,64H
DLL:
NOP
NOP
NOP
DJNZR7,DLL
DJNZR6,D1MS
RET;
K1:
CLRP3.2
MOVA,23H;增强键处理子程序
CJNEA,#121,REL1
AJMPRETUN
REL1:
INC23H
MOVA,20H
CJNEA,#9,REL3
MOV20H,#0
MOVA,21H
CJNEA,#9,REL2
MOV21H,#0
INC22H
AJMPRETUN0
REL2:
INC21H
AJMPRETUN0
REL3:
INC20H
RETUN0:
ACALLDSP
NOP
RETUN:
JNBP3.4,$
RET;
K2:
CLRP3.3
MOVA,23H;减少键处理子程序
CJNEA,#0,RELS1
AJMPRETUN2
RELS1:
DEC23H
MOVA,20H
CJNEA,#0,RELS3
MOV20H,#9
MOVA,21H
CJNEA,#0,RELS2
MOV21H,#9
DEC22H
AJMPRETUN1
RELS2:
DEC21H
AJMPRETUN1
RELS3:
DEC20H
RETUN1:
ACALLDSP
RETUN2:
JNBP3.5,$
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