简易线性数控直流稳压电源的设计与实现毕业设计.docx
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简易线性数控直流稳压电源的设计与实现毕业设计
简易数控线性直流稳压电源的
设计与实现
简易数控线性直流稳压电源的设计与实现
摘要
本设计完成了一款数字化线性直流稳压电源的制作,该电源可以将220V、50HZ的交流转换成5V~15V可调节的直流。
系统由变压器、整流器、滤波器、稳压器组成。
其中稳压器是基于具有放大环节的串联型稳压原理进行设计。
为实现电源的数字化调节性能,设计中引入了单片机数字控制技术,利用STC89C52单片机对直流稳压电源进行数字调节控制。
同时利用D/A、A/D芯片实现数字电路与模拟电路的连接。
采用按键对电压进行预置和调节,使用方便,且成本较低。
最后输出电压由数码管进行显示。
除此之外,系统还设计了短路和过流保护电路及报警电路,使得该电源适用于各种有较高精度要求的场合。
同时基于单片机的控制系统支持在软件设计上进行功能扩展,而并不需要增加额外的硬件开销,从而提高电源的性价比。
经测试,该电源具有较好的带负载能力,具有较好的实用性。
关键词:
单片机;数字控制;稳压电源;D/A转换器;D/A转换器
TheDesignandImplementofSimpleNumericallinearDCPowerSupply
Abstract
ThedesignisadigitalproductionoflinearDCpower.ThelinearDCpowercanconvert220V,50HZACinto5V~15VDCwhichisadjustable.Thesystemconsistsoftransformer,rectifier,filterandregulator.Theregulatorisdesignedbasedontheenlargedpartofaseriesregulator.Inordertoachievethepower’sdigitalregulation,theSCMdigitalcontroltechnology,whichusedSTC89C52microcontrollerfordigitalDCpowersupplyregulationandcontrol,isappliedhere.MeanwhileittakesadvantagesofD/A,A/Dchiptoconnectdigitalcircuitandanalogcircuit.ThevoltagecanbepresetandadjustedthroughbuttonsUnit,whichiseasytouseandlowcost.Finally,theoutputvoltageisdisplayedbytheLED.Inaddition,thesystemalsodesignedshort-circuits,overcurrentprotectioncircuitandalarmcircuit,makingthepowercanbeappliedinvariousoccasionswherehigheraccuracyrequirementsaredemanded.Atthesametime,thecontrolsystemwhichisbasedonSCMsupportsextensionsofsoftwaredevelopment,anddoesnotrequireadditionalhardware,therebyenhancingthegeneralperformanceofthelinearDCpower.Itisproventhatthepowersupply’sloadcapacityisgoodaftertesting,soitwillhaveagoodusability.
Keywords:
MCU;NumericalControl;;SupplyPower;D/Aconverter;A/Dconverter
论文总页数:
40页
1引言
1.1课题背景及意义
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[1]。
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[2]。
1.2课题要求
本设计是线性数控直流电源,设计要求如下:
1、在输入电压220V、50Hz、电压变化范围+15%~-20%条件;
2、输出电压可调范围为+5~+15V;
3、最大输出电流为1A;
4、负载调整率≦1%(最低输入电压下,从空载到满载);
5、纹波电压(峰峰值)≦5mV(最低输入电压下,满载);
6、具有过流及短路保护功能;
1.3本课题研究方法和目标
数控电源的主要研究思路:
1、硬件部分
(1)单片机采用STC89C52最小系统方案,采用数码管和按键做人机界面,采用DA、AD芯片作为主要的单片机系统。
(2)电压调整部分采用2片大功率三极管组成复合调整管,采用性能较好的运放作为反馈控制端。
2、软件部分
(1)键盘输入程序用键盘扫描程序,将按键设置的电压交给D/A芯片产生基准电压。
(2)单片机通过A/D芯片读取当前输出电压值,通过显示程序,显示在数码管上。
(3)单片机通过I/O口查询方式判断当前电源是否处在过流或短路,并加以声光提醒。
本设计将实现电源输出电压的的数控加减,还能提供过流短路短路作用。
2.1线性直流稳压电源概述
直流稳压电源都是将交流电源经过变压、整流、滤波和稳压等变换为需要的直流电压。
现代电器中常用的稳压电源有两类:
线性稳压电源和开关型稳压电源。
线性稳压电源也成为串联调整试稳压电源[3]。
它的成本比较低,稳压性能好,输出波形小,缺点是工作效率低,适合在小功率场合应用。
直流电源基本组成如图2-1所示。
图2-1直流稳压电源组成框图
电网电压经过变压器将大电压变成小电压;经过桥式整流将交流电转换成直流脉动电压;经过滤波器使脉动电压变得平滑;经过稳压器使输出电压稳定在希望的值上。
2.2线性直流稳压电源的基本原理及特点
线性稳压电源电路主要由调整管、基准电压、取样电路和比较放大电路等几部分组成组成[4],基本原理框图如图2-2所示。
根据原理框图2-2所示的基本原理设计的具体线性电路如图2-3(a)、(b)所示。
图2-2线性稳压电路基本原理框图
(a)(b)
图2-3线性稳压电路
图2-3(b)所示稳压电路的稳压过程是:
当直流输入电压和负债电阻发生变化,就会引起输出电压发生变化,经过取样电阻采样,将变化量与基准电压进行比较在经过放大后,送到调整管的基极,使调整管的UCE产生变化,从而调整输出电压U0,维持输出电压U0恒定。
该过程可以简明描述如下:
如果负载电压上升时:
由此可以看出,线性稳压电路是电压串联反馈电路,由于电压负反馈本身具有稳定性,所以稳压过程实际上是利用负反馈使输出电压维持恒定的过程。
线性直流稳压电源有以下一些特点:
1、线性电源精度好(优于开关电源1~3个数量级),纹波小,调整率好,对外干扰小,适用多种场合。
2、线性电源功率器件工作在线性状态,因此损耗相对开关电源较高一点,效率上开关电源好一些。
3、由于线性电源器件少电路简单,所以在成本上相对低一些,维修上线性电源相对便于维修。
3方案研究与主要芯片选择
3.1系统方案的设计
本设计采用51系列单片机作为整机的控制单元,利用晶体管的电流放大作用,增加负载电流,在电路中引入深度电压负反馈使输出电压稳定,通过按键改变输入的数字量改变D/A输出的基准电压值,基准电压与负载电压变化趋势经过运算放大器比较放大反馈到功率管的基极,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,可以经过ADC0804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电压的步进控制,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心,利用51系列单片机为主控制器,通过按键来设置直流电源的输出电压,设置步进为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(DAC0832)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输出电压进行实时监控,输出电压通过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,构成稳定的电压源。
由于A/D、D/A芯片占用I/O口比较多,而我们制作的是单层电路板,所以我们选用两片单片机工作,这样在制作的时候比较方便。
系统原理图如图3-1所示。
图3-1系统原理图
本次设计需要产生5V~15V最大电流1A的电源,所以需要将市电220V降压至20V左右,变压器的功率为30W左右。
系统需要基本的+15V、5V、-15V电源,所以需要三端输出的变压器,输出电压15V即可。
整流过后用LM78XX系列即可稳压。
系统设计要求步进为0.1V,在5~15V中有101个步进点,DAC0832最小步进电压为0.01953V,经过5.12倍的放大,即可实现0.1V的步进。
3.2主要芯片介绍
3.2.1STC89C52简介
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[5]。
图3-2单片机引脚分布图
表3-1STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
3.2.2DAC0832简介
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数/模转换器。
旨在直接与8080,8048,8085,Z80及其他通用的微型处理器进行相接[6]。
存储的硅铬R-2R电阻梯形网络将参考电流分开,并为电路提供合适的温度处理特性(全范围最大线性温度误差的0.05%)。
电路利用CMOS电流开关和控制逻辑来取得最少的电能损耗和最小的输出泄露电流误差。
特殊的电路也能提供TTL逻辑输入电压的水平兼容。
双缓冲可以使这些D/A转换器在获取下一个数位字时输出相应一个数位字的电压。
这就使得任何一个D/A转换器均可进行同步更新。
如图3-3所示DAC0832引脚分布图。
1、DAC0832具有以下几个特点:
(1)电流设置时间:
1μs
(2)分辨率:
8位
(3)线性度:
8,9或者10位(保证温度)
(4)低功耗:
20mW
(5)单电源提供:
直流5~15V
图3-3DAC0832引脚分布图
2、封装引脚的定义:
CS:
芯片选择(低电平工作)。
ILE:
数据输入允许锁存信号引脚(高电平有效),与CS一起选通输入寄存器WR1。
WR1:
输入寄存器写选通信号,当WR1为高电平时,输入锁存器的数据开始锁存,当ILE为高电平,同时CS和WR1为低电平,输入锁存器数据更新。
WR2:
写选通信号2(低电平有效)。
这个信号和XFER逻辑组合,使输入寄存器的8位数据打入DAC寄存器并开始D/A转换。
XFER:
传送控制输入线,低电平有效,使WR2工作。
DI0至DI7:
数据输入端,DI0是最低信号输入位(LSB),DI7是最高信号位(MSB)。
IOUT1:
DAC电流输出1端。
当数模转换锁存器全1或全0时,IOUT1为最大值。
IOUT2:
DAC电流输出2端。
IOUT2是一个持续的负IOUT1,或IOUT1+IOUT2=常数(固定参考电压的满幅值)。
RFB:
反馈电阻。
反馈电阻为IC芯片提供并联反馈电阻,外部运算放大器是用来数模转换器提供输出电压。
这个片内电阻应始终使用(而不是外部电阻器),因为它与所用的芯片的R-2R介变电阻匹配并跟踪这些电阻温度。
VREF:
输入参考电压。
这种输入将外部精密电压源与内部R-2R阶梯电阻连接起来。
VREF的选择范围可以是+10V到-10V。
这也是四象限乘法数模转换器所适合的模拟输入电压。
VCC:
数字电源电压。
是整个部分的电源供应引脚。
VCC可接5V到15V的直流电压。
运行时的最佳电压是15V。
GND:
10号引脚必须与地相连,使IOUT1和IOUT2作为电流输出开关。
3.2.3ADC0804简介
ADC0804是常用的8位A/D转换芯片,容易与单片机接口,输入方式为单通道,ADC0804转换速度适中,价格低,应用广泛[7]。
1、它具有以下特点:
(1)8位COMS依次逼近型的A/D转换器.
(2)三态锁定输出
(3)存取时间:
135μS
(4)分辨率:
8位
(5)转换时间:
100μS
(6)总误差:
正负1LSB
(7)工作温度:
ADC0804LCN---0~70度
图3-4ADC0804引脚分布图
2、封装引脚的定义
/CS:
芯片选择信号。
/RD:
外部读取转换结果的控制输出信号。
/RD为HI时,DB0~DB7处理高阻抗:
/RD为LO时,数字数据才会输出。
/WR:
用来启动转换的控制输入,相当于ADC的转换开始(/CS=0时),当/WR由HI变为LO时,转换器被清除:
当/WR回到HI时,转换正式开始。
CLKIN,CLKR:
时钟输入或接振荡无件(R,C)频率约限制在100KHZ~1460KHZ,如果使用RC电路则其振荡频率为1/(1.1RC)。
/INTR:
中断请求信号输出,低地平动作。
VIN(+)VIN(-):
差动模拟电压输入,输入单端正电压时,VIN(-)接地:
而差动输入时,直接加入VIN(+)VIN(-)。
AGND,DGND:
模拟信号以及数字信号的接地。
VREF:
辅助参考电压。
DB0至DB7:
8位的数字输出。
VCC:
电源供应以及作为电路的参考电压。
3.2.4OP07简介
OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面[8]。
如图3-5所示OP07引脚分布图。
图3-5OP07引脚分布图
1和8为偏置平衡(调零端),2为反向输入端,3为正向输入端,4接负电源,5空脚6为输出,7接电源正。
4硬件电路详细设计
4.1单片机系统外围电路设计
在本次设计中,使用STC89C52单片机,其外围电路有复位电路、晶振电路、按键电路、数码管显示、A/D芯片和D/A芯片接口电路。
以下是电路的详细设计。
4.1.1复位电路设计
单片机在启动的时候都需要复位,使单片机系统处于初始状态,然后开始工作。
89系列的单片机的RET引脚是复位信号的输入端,当系统处于正常工作状态,振荡器稳定,RET引脚上出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就进入数位状态,但是如果引脚RET出现持续的高电平,单片机就处于循环复位状态[9]。
复位通常有两种基本形式:
上电复位和手动复位。
本次设计采用上电复位。
电路图如图4-1所示。
图4-1复位电路
4.1.2时钟振荡电路设计
单片机的CPU实质上是一个复杂的同步时序电路,它的工作都是必须在时钟控制下进行的。
CPU工作发出的控制信号在时间上的相互关系就是CPU的时序问题[9]。
CPU的时序需要外部硬件电路来实现,既振荡器和时钟电路。
51单片机内部都有一个高增益反向放大器,用于构成振荡器,但是构成时钟,外部还需要加一些附加电路。
本次设计采用单片机外部加晶振构成振荡电路,如图4-2所示。
图4-2单片机振荡电路
该振荡电路时采用的单片机内部时钟方式,是直接在引脚XTAL1和XTAL2两端接晶振,就构成了稳定的自激振荡器,振荡器产生的脉冲信号直接送入内部时钟电路。
4.1.3键盘电路设计
本次设计为数控电源,所以需要键盘设置输出电压,按键电路设计简单,如图4-3所示。
图4-3按键电路
四个按键依次为电压+1V、+0.1V、-1V、-0.1V,与单片机的P2口连接。
4.1.4显示电路设计
89系列单片显示通常采用的是LED数码管显示或LCD显示,两个显示它们的接口方法是不同的。
一般LCD配置了专门的驱动电器,在进行信息显示时,只需要把信息写入驱动电器的存储器中即可。
而数码管显示一般需要的电流较大,数码管显示有两种方式:
静态显示和动态扫描显示,在一般应用中主要是采用动态扫描方式。
本次设计采用LED数码管动态扫描显示,电路图如下图4-4所示。
图4-4数码管显示电路
本设计采用共阴数码管显示,数码管接在单片机的P1和P2口,所以单片机P1口需要加上拉电阻。
4.1.5单片机与DA接口电路设计
由于本次设计需要一个能调压的基准电源,所所以在设计的时候采用了DAC0832单片控制输出基准电压。
DAC0832与单片机接口电路如图4-5所示。
图4-5DAC0832与单片机接口电路
4.1.6单片机与AD接口电路设计
本设计为数控电源,需要采集电源输出电压加以显示,所以本设计选用了ADC0804采集直流电源电压,输入到单片机进行显示。
详细电路图如图4-6所示。
图4-6ADC0804与单片机接口电路
4.2整流电路的设计
把交流电变成直流电的过程,称为整流。
常用的整流电路有单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流、倍压整流及多相整流等几种[10]。
本次设计采用单相桥式整流电路,电路图如下4-7所示。
图4-7单相桥式整流电路图
单相桥式整流电路时全波整流电路二极管数量的两倍,但是电路中两只二极管同时分担反向电压,多以每只管子至承受二分之一的电压,而且通过的电流也小。
4.3电压调整电路设计
基于设计要求本次设计需要,电压调整电路采用串联型稳压电路[11],采用复合管作为调整管,运放OP07作为反馈运放。
详细电路图如图4-8所示。
图4-8电压调整电路
单相桥式整流电路出来的电源,经过两个电容滤波后送给复合调整管,复合调整管接受运放反馈信号经过放大调整输出稳定的电压。
运放正向输入端是D/A给的基准电压,基准电压与采样电压进行比较放大后送给复合调整管,这样就构成了一个稳定的直流电源。
其详细工作原理在2.2章节已讲过。
4.4过流保护电路设计
本次系统设计要求要使电源能有短路保护和过流保护作用,于是本系统设计了三极管组成的过流电路保护电路[12],详细电路图如图4-9所示。
图4-9短路和过流保护电路
此电路中9013三极管与R2-2电阻组成了过短路和流保护电路,当负载电流小于1A时,R2-2电阻上的电压小于0.7V,小于发射结导通电压,9013三极管截止,负载电流工作在安全范围内:
当负载电流大于1A时,R2-2电阻上的电压大于0.7V,大于发射结导通电压,9013三极管导通,其集电极电流为调整管的基极电流分流,使调整管基极电流、集电极电流及输出电流相应减小,从而起到限制作用。
图4-9中JC端为单片机检测端口,使其系统具有过流短路保护声光报警作用。
由于JC端口输出电压为3V至17V,不符合单片机接口电压范围,所以必须进行电平转换电路,运放输出电压转换到单片机能直接检测的电压范围内,电平转换电路如图4-10所示,如图4-11所示声光提醒电路。
图4-10电平转换电路
图4-11声光提示电路
由于调整电路中运放输出的正常电压范围为5-16V,短路和过流时输出电压为3V左右,所以我们就可以通过这个电压判断负载是否短路或者过流。
当检测端口电压为5V至17V时,经比较器比较,输出2-INT1端口为低电平,这时单片机检测并使2-T0端口为低电平,三极管截止,LED灯不亮和蜂鸣器不响;当检测端口电压为3V左右(既负载已经短路或者过流),经比较器比较,输出2-INT1端口为高电平。
这时单片机检测并使2-T0端口为高电平电平,LED灯亮和蜂鸣器响。
这样就构成了过流短路保护的声光报警。
4.5基本稳压电源电路设计
基本为压电源是为电路中单片机,A/D、D/A,运放等芯片提供电能,这里系统所需要的电压由三种:
+15V、+5V、-15V。
+15V主要是为DA转换芯片外围电路中运放供电,电流较小。
+5V主要是给单片机、A/D转换芯片、D/A转换芯片供电,电流大概在100mA左右。
-15V主要是给运放做负电源,该电流较小,不超过50mA。
基本稳压电路如图4-5所示,由于需要的电流不是非常的大,所以稳压电路中使用的都是LM7800系列和LM7900系列的线性稳压芯片。
由于+5V需要的电流较大,所以在前段滤波电路中的电容应该尽量的大。
基本电源电路图如图4-12所示。
图4-12基本稳压电源电路图
4.6总电路图的设计
如图4-13总电路图。
图4-13总电路图
该中电路图是在Protel99se软件里完成的,在绘图
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