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可控电压源设计
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摘要
可控电压源主要是用来控制电压的,为各种电器设备提供其稳定的额定电压。
在家用电器和其他各类电子设备中,通常都需要输出电压稳定的直流电源供电。
但在实际生活中,都是有220v的交流电网供电。
需要改变交流为直流。
本设计以单片机AT89S52为控制核心并协调整个系统的工作,用户通过按键输入所需要电压值,该设计就能将220V的交流电压转换为用户所需要的电压值。
具体流程为用户输入电压值,此信号经过单片机后输出为数字信号,DAC0832接受到单片机的数字信号后将其转换为模拟给定电压。
为了达到稳定、精确的输出电压,设计采用了闭环控制,比较器将稳压电路输出的电压值与给定电压进行比较,若有偏差则调整输出,越限则输出报警信号并截流,直至输出用户所期望的稳定电压值。
工作过程中,稳压电源的工作状态均由单片机输出驱动LED显示,实时显示当前输出电压值。
本设计基于PROTEL99SE仿真,采用C语言编写硬件驱动程序。
仿真实验表明此设计模块基本能够达到设计的要求。
关键词:
控制;放大器;单片机;电压
Abstract
Controllablevoltagesourceismainlyusedtocontrolthevoltage,providingastablenominalvoltageforavarietyofelectricalequipment.Inthehomeappliancesandothertypesofelectronicequipment,usuallyrequireastableoutputvoltageDCpowersupply.Butinreallife,thereisonly220vACpowersupply.SoitneedstobechangedintoDCpower.ThisdesignwithmicrocontrollerAT89S52beingthecorecoordinatestheworkofthewholesystem.Theuserinputvoltagevaluesrequiredthroughthekey,thedesignwillbeabletoconvert220VACvoltageintoavoltagevalueasrequired.Thewholeprocessisthatusersinputvoltage,andthemicrocontrolleroutputadigitalsignal,TheDAC0832microcontrollerconverttheinputvoltageintoanalogreferencevoltageafterreceivedthedigitalsignal.Inordertoachievestableandaccurateoutputvoltage,thedesignusesaclose-loopcontrol.Thecomparatorcircuitscomparetheoutputvoltageregulatorwiththegivenvoltage,andthenadjustthedeviationifthereisoroutputalarmsignalandshutwhenbeyondthelimit,untiltheusergetanexpectedstablevoltage.WorkingstatusofthepowersupplywasdisplaybyLEDdrivenbythemicrocontrollerdisplayingthecurrentoutputvoltagevalue.
ThedesignisbasedonPROTEL99SEsimulation,usingClanguagewritesthehardwaredrivers.Simulationresultsshowthatthisdesignmodulecanbasicallymeetthedesignrequirements.
Keywords:
control;amplifier;single-chipmicrocomputer;voltage
第一章绪论
1.1研究背景及意义
电压源技术尤其是可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。
随着可控电压源在电子装置中的普遍使用,普通电压源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。
电压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。
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。
传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通直流稳压电源品种很多,但均存在以下二个问题:
①输出电压是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。
这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时(如1.05~1.07V),困难就较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。
②稳压方式均是采用串联型稳压电路,对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。
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。
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,特别是在一些高能物理领域,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。
1.2国内外研究现状
可控电压源是从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,可控电压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。
因此可控电压源主要的发展方向,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,己出现了控制精度达到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,可控电压源可分成器件、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。
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。
在80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构,直流/直流电源行业正面临着新的挑战,即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。
早在90年代中,半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术,而在当时,这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势,因而无法被广泛采用。
由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注,电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。
现今随着直流电源技术的飞跃发展,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
1.3课题研究方法
恒流电源用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。
针对以上问题,笔者设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。
该电源采用薄膜轻触键盘,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闭环控制,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,多种显示模式间,由键盘控制进行动态逻辑切换。
课题研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计,该电源采用数字调节、闭环实时监控、输出精度高,且兼备双重过载保护及报警功能,特别适用于各种有较高精度要求的场合。
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。
单片机系统选用AT89S52型号单片机,内含8K的ROM.采用8255作为电压输出的扩展接口,8279作为键盘和显示器的扩展接口。
第二章可控电压源系统设计方案
2.1技术指标及设计要求
2.1.1技术指标
设计制作一个直流电压源,供电220VAC,直流电压输出范围:
20-230V,最小输出电流300mA,最大输出功率70W(相当于230V时输出0.3A电流)。
外接一可调旋钮,用于控制输出直流电压大小。
有输出电压数字显示和电流数字显示。
2.1.2设计要求
1.画出总体设计框图,以说明电路由哪些相对独立的功能模块组成,标出各个模块之间互相联系,并以文字对原理作辅助说明。
2.设计各个功能模块的电路图,加上原理说明。
3.在验证各个功能模块基础上,对整个电路的元器件和布线,进行合理布局,进行整个电路的接线调试。
2.2设计思路与方案论证
2.2.1设计思路
方案一采用实时芯片ICL7107
ICL7107的工作原理
双积分型A/D转换器ICL7107是一种间接A/D转换器。
它通过对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分,将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔,然后利用脉冲时间间隔,进而得出相应的数字性输出。
838电子它的原理性框图如图2所示,它包括积分器、比较器、计数器,控制逻辑和时钟信号源。
积分器是A/D转换器的心脏,在一个测量周期内,积分器先后对输入信号电压和基准电压进行两次积分。
比较器将积分器的输出信号与零电平进行比较,比较的结果作为数字电路的控制信一号。
时钟信号源的标准周期Tc作为测量时间间隔的标准时间。
它是由内部的两个反向器以及外部的RC组成的。
其振荡周期Tc=2RCIn1.5=2.2RC。
图2.2.1.1ICL7106A/D转换器原理
方案二采用单片机编程技术
经软件设计指定的I/O口(P1.0-P1.3)送出逻辑电平,控制数码管显示,根据数字电压表的设计要求与原理以及特性,本系统采用单片机AT89S52串口输出的形式来设计电路,使功能及效果更完美。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
方案三采用EDA技术
采用EDA作为主控制器控制外围电路进行电压,时钟控制、键盘和LED控制。
此方案逻辑电路复杂,且灵活性较低,不利于各种功能的扩展,在对电路进行检测比较困难;
2.2.2方案论证
1笔者从分析电路可以知道三个方案在理论上都是可行的。
2在测量精确程度方面:
方案二电路设计较好,通过编程控制电压测量的比较精确,而且在后期的调试和维护方面也就相对容易一些。
但是在制作方面比较困难些了。
3在电路可靠性方面:
因为方案二比方案一三电路简单,根据电路的原则方案二应该是比较可靠的,所以方案二比较好。
比较以上三种方案的优缺点,方案二简洁、灵活、可扩展性好、精确度高,能完全达到设计要求。
为了便于本次设计需要,此次电压源设计选用方案二。
采用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。
采用软件方法来解决数据的预置以及电流的控制,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心,利用单片机为主控制器,通过键盘来设置直流电源的输出电流,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(DAC0832)输出模拟量,再经过运算放大器放大,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/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,构成稳定的可控电压源。
2.3原理框图分析
可控电压源从键盘电路获得按键信息,经过软件协调驱动硬件电路工作,由单片机生成相应操作代码并输出到数模转换器再通过单片机传送给显示电路,从而显示出从键盘处获得的信息。
在整个过程中,由时钟电路提供单片机保持稳定工作的工作时钟;数模转换器则将单片机输出的数字量转换成模拟量,满足模拟控制的需要;而复位电路包括上电复位和按键复位两种功能,其中按键是从键盘电路得到的,而此数控电压源的核心部分是AT89S52和DAC0832。
数控电压源的核心的AT89S52单片机,其内部有8KB的ROM,无须外扩程序储存器。
系统配备3位LED显示,AT89S52的P0口通过DAC0832来将单片机输入的数字量转换成模拟量,再通过单片机将所转换的模拟量输出给3位LED显示。
P3口的P3.0—P3.3作为独立式键盘的扫描口。
由于采用共阴极数码管,因此P2口输出底电平时选中相应的位,而P1口输出高电平时点亮相应的段。
图2.3可控电压源原路框图
2.4本章小节
本章主要提出了本次毕业设计的题目与要求,介绍了系统的方案论证与选择,考虑到设计的精度要求和作品最终的实用性,该电压源的设计方案采用控制方法设计。
基于单片机原理设计该电压源主要有设计方案简洁,精度高,便于电压调整和系统功能扩展,节省资源等优点。
根据设计要求确定了系统方框图和整机电路图,该电压源的电路主要包括键盘部分,单片机部分,显示部分,数字/模拟转换部分,电压放大部分,电压调整部分构成。
本章主要对各部分主要内容做了大概的介绍,以便于读者对后面章节内容的了解。
第三章系统硬件电路设计
本章主要运用PROTEL进行总电路设计(总电路图见附录1)
3.1PROTLE简介
PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,它较早就在国内开始使用,在国内的普及率也最高,有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它,几乎所有的电子公司都要用到它,许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用,运行在DOS环境,对硬件的要求很低,在无硬盘286机的1M内存下就能运行,但它的功能也较少,只有电路原理图绘制与印制板设计功能,其印制板自动布线的布通率也低,而现今的PROTEL已发展到DXP2004,是个庞大的EDA软件,完全安装有200多M,它工作在WINDOWS95环境下,是个完整的板级全方位电子设计系统,它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计(包含印制电路板自动布线)、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能,并具有Client/Server(客户/服务器)体系结构,同时还兼容一些其它设计软件的文件格式,如ORCAD,PSPICE,EXCEL等,其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内PROTEL软件较易买到,有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多,这为它的普及提供了基础。
想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版,可以在INTERNET上。
2005年年底,Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本AltiumDesigner6.0。
AltiumDesigner6.0,它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本,也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。
AltiumDesigner是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件(如FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品,一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案,具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。
这款最新高端版本AltiumDesigner6.除了全面继承包括99SE,Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外,还增加了许多改进和很多高端功能。
AltiumDesigner6.0拓宽了板级设计的传统界限,全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能,从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。
3.2主控部分
3.2.1AT89S52简述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下,P0不具有内部上拉电阻。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
此外,P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和定时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)。
在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。
端口引脚第二功能:
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2INTO(外中断0)
P3.3INT1(外中断1)
P3.4TO(定时/计数器0)
P3.5T1(定时/计数器1)
P3.6WR(外部数据存储器写选通)
P3.7RD(外部数据存储器读选通)
此外,P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
PSEN:
程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89S52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲,在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
引脚号第二功能:
P1.0T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出
P1.1T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
P1.5MOSI(在系统编程用)
P1.6MISO(在系统编程用)
P1.7SCK(在系统编程用)
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX@DPTR)时,P2口送出高八位地址。
在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址(如MOVX@RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。
在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。
图3.2.1AT89S52引脚图
3.3信号控制设计
信号处理部分是该系统电路的重要组成部分,起主要作用是处理单片机送来的数字信号,将其以模拟稳压的形式输出,电路的组成主要包括数模转换电路,放大电路。
3.3.1数模转换设计
此电路由一片DAC0832、两块运算放大器LM350和OP07组成。
DAC0832是
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