数控直流稳压电源毕业设计.docx
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数控直流稳压电源毕业设计
XXXXXX大学
电力工程系届
毕业设计(论文)
题目:
数控直流稳压电源
学号:
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指导教师:
专业:
班级:
完成时间:
年月日
数控直流稳压电源
摘要
本论文所研究的数字稳压电源是以AT89S51单片机为主控制器,通过键盘设置由单片机程控输出数字信号,经过D/A转换器(AD0832)输出模拟量,再经过功率放大,实现输出电压步进0.05V,输出范围为0~10V。
实际测试结果表明,本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。
关键词:
直流稳压电源 单片机 数字控制
ABSTRACT
ThispaperstudiesthedigitalmanostatbasedonAT89S51mainlythroughthekeyboardcontroller,digitalsignaloutputbymicrocontrollerprogram,throughD/Aconverter(AD0832)outputanalog,throughthepoweramplifier,achieveoutputvoltagestepping0.05V,outputfor0~10Vrange.Testresultsshowthatthissystemapplicationinneedofhighstabilityofsmallpowerconstant-voltagesourcefields.
Keywords:
regulatedpowersupplyofdirectcurrent;microcomputer,digitalcontrol
目录
1引言1
2系统方案论证与比较2
3总体方案框图3
4系统部分功能设计4
4.1供电模块4
4.2稳压输出模块6
4.2.1稳压输出电路工作原理6
4.2.2主要器件功能7
4.2.3稳压输出电路参数计算9
4.3单片机控制电路10
4.3.1单片机AT89C5110
4.3.2键盘设计13
4.3.3显示电路13
4.3.4A/D转换电路14
4.3.5实现流程图17
5主要单元电路的仿真17
5.1电源电路电路仿真17
5.2稳压输出电路仿真18
结束语23
参考文献24
附录25
1引言
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。
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。
(4)系统维护方便,一旦出现故障,可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试,故障查询,历史记录查询,故障诊断,软件修复,甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。
(5)系统的一致性好,成本低,生产制造方便。
由于控制软件不像模拟器件那样存在差异,所以,其一致性很好。
由于采用软件控制,控制板的体积将大大减小,生产成本下降。
2系统方案论证与比较
方案一:
此方案使用一套十进制计数器,一方面完成电压的译码显示,另一方面其输出作为EPROM的地址输入,而由EPROM的输出经D/A变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。
由于控制数据烧录在EPROM中,使系统设计灵活性降低。
方案框图如图1所示。
图1方案一原理框图
方案二:
采用AT89S51单片机作为整机的控制单元,通过改变DAC0832的输入数字量来改变输出电压值,间接地改变输出电压的大小。
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,能很好地满足题目的要求。
如图2所示。
图2数控直流稳压电源系统框图
在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能,同时,DA8032作为一个智能化的可编程器件,便于系统功能的扩展。
方案比较
(1)数控部分方案一中采用中、小规模器件实现系统的数控部分,使用的芯片很多,造成控制电路内部接口信号繁琐,中间相互关联多,抗干扰能力差。
在方案二中采用了51单片机完成整个数控部分的功能,同时,AT89S51作为一个智能化的可编程器件,便于系统功能的扩展。
(2)输出部分方案一中采用线性调压电源,以改变其基准电压的方式使输出步进增加/减小,这样不能不考虑整流滤波后的波纹对输出的影响,而方案二中使用运算放大器作前级的功率放大电路,由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比,可以大大减小输出端的纹波电压。
在方案一中,为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度,这样输出电压难以跟踪快变的输入,方案二中的输出电压波形与D/A变换输出波形相同,不仅可以输出直流电平,而且只要预先生成波形的量化数据,就可以产生多种波形输出,使系统成为有一定驱动能力的信号源。
(3)补充说明
在方案三中还采用了键盘、显示器,不仅简化接口引线,而且减小了软件对键盘、显示器的查询时间,提高了CPU的利用率。
比较以上方案的优缺点,方案一原理直观,但电路复杂,器件数量多。
方案二简洁、灵活、可扩展性好,能达到题目的设计要求,因此采用方案二来实现。
3总体方案框图
本设计主要技术指标是:
(1)输入电压:
单相AC220V±10%50Hz±5Hz,输出电压范围为0~10V;
(2)额定工作电流为500mA;
(3)具有“+”、“”步进电压调节功能,最小步进电压为0.05V;
(4)纹波不大于10mV;
(5)用数码显示器显示其输出电压值。
本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。
其中,AT89C51是系统的核心,主要起控制作用;稳压输出模块包括D/A转换、双极输出、功率放大和采样电路,这部分电路将数控部分送来的电压控制字数据转换成稳定电压输出,输出的直流电压经A/D转换送入到AT89C51中去处理显示;按键处理模块完成对电压输出的步进调节控作用;显示模块对经A/D转换后的电压信号经过主控AT89C51显示;供电模块对本方案各个模块提供供电作用。
系统总体方案框图如图3所示。
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。
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,通过键盘来设置直流电源的输出电压,设置步进等级可达0.05V,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/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。
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,能很好地满足题目的要求。
图3数控直流稳压电源系统框图
4系统部分功能设计
4.1供电模块
根据系统设计方案要求,本系统需要提供3种电压:
+15V、15V和5V。
这里采用中小功率线性稳压电源,供电电源为220V,50Hz市电,直流稳压电源组成框图如图4所示。
图4直流稳压电源组成框图
直流稳压电源由变压器、直流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成,各部分电路的具体设计如下:
1、集成稳压器的选择
国产三端固定输出集成稳压器的通用产品有CW7800系列(正电源)、CW7900系列(负电源)。
输出电压由具体型号中后两个数字代表有多档选择,在此次设计中选取CW1815、CW7915、CW7805共3个。
其具有体积小、性能稳定、价格便宜等优点。
2、稳压电源参数的设计
(1)集成稳压器输入电压的确定
稳压器的输入电压即为整流滤波电路的输出电压UI,其值要选择合适,UI太低则稳压器性能将受到影响,UI太高则功耗太大,电源效率低。
因此,UI必须保证输入、输出电压差至少大于2~3V。
根据本设计电源输出要求15V,这里选择集成稳压器的输入电压UI=18V(取差值3V)。
(2)整流电路设计
这里采用桥式整流电路。
对于桥式整流电路,整流二极管承受的最大反向电压为1.4U2,即选择二极管最高反向工作电压Urm为:
Urm≧1.4U2=1.4×18=25.2V(公式1)
通过二极管的平均电流为Io/2。
考虑到电容充电时的瞬时电流较大,一般选择二极管最大整流电流If为:
If=(2-3)Io/2=2×0.5/2=0.5A(公式2)
即选择整流二极管型号:
1N4007,(If=1A,Urm=1000V)。
(3)滤波电路
滤波电路主要采用大电容滤波。
一般滤波电容C容量取大些好,但考虑到太大会增加成本,使电源体积增加,故这里选取:
RC≧(3-5)T/2(公式3)
式中T=(1/50)s=0.02s;R为整流滤波电路负载,为R=UI/IO。
这样,我们可以确定电容的容量,即:
RC(3-5)T/2=(3-5)0.02/2=0.05
R≈UI/Io=18/0.5=36Ω
故C≧0.05/R=0.05/36=0.00138F=1380μF(公式4)
由于电容器承受的最大峰值电压为1.4U2,考虑到交流电源的电压波动,滤波电容的耐压值通常取(1.5~2)U2,即耐压值为2U2=2×18=36V。
因此,这里选择铝电解电容,容量1500μF,耐压值50V。
(4)电源变压器的选择:
二次侧电压的确定:
通常根据变压器二次侧输出功率选择变压器。
变压器二次侧电压有效值U2应根据U
来确定:
Uimin/1.2≦U2≦Uimax/1.2(公式5)
在此范围内U2越大稳压的压差越大,功率越大,一般取二次侧电压U2为:
U2≧Uimin/1.2=18/1.2=15V
所以其变比
n=U1/U2=220/18=12.2(公式6)
加滤波电容后变压器二次侧电流不是正玄波,而对电容充电时的瞬时电流较大,因此二次侧电流有效值一般按下式计算:
I2=(1.1-3)IO=3×0.5=1.5A(公式7)
即P=I2U2=1.5×18=27W
直流稳压电源的电路图如5所示。
图5直流稳压电源的电路图
4.2稳压输出模块
4.2.1稳压输出电路工作原理
稳压输出模块将数控部分送来的电压控制字数据转换成稳定电压输出。
它由数/模转换器(DAC0832)、集成运放OP07、晶体三极管VT1(TIP122)/VT2(TIP127)、基准电压源组成,其组成框图如图6所示。
图6稳压输出电路框图
D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压输出电路的输出与参考电压成比例。
D/A将主控器AT89S51送来的信号转换成电压量,通过双极输出经功率放大后到反馈电路,输出5V的电压,经A/D把信号出入将主控器AT89S51。
D/A转换输出电压UI作为电源功放级的输入电压。
功放级由U1和VT1、VT2构成闭环推挽输出电路。
该电路属于典型的电压串联负反馈电路。
电路选用的D/A转换芯片是DAC0832,该芯片价廉且精度较高。
DAC0832属于电流输出型D/A,输出的电流随输入的电压控制字线性变化。
若要得到电压,还需外接一片运放来实现电流到电压的转换。
该运放输入端的输入电流对转换精度影响很大,DAC0832输出的电流有几十微安的变化,若运放输入端的输入电流为0.1µA,如µA741的输入电流约为此值,且有一定变化,则会引入相当于1~2个电压控制字的误差,因此应选用高输入阻抗的运放,如JFET输入的运放LF356(或0P07),它的输入电流可以忽略。
原理电路图如图7所示。
图7稳压输出电路原理图
4.2.2主要器件功能
1、8位D/A转换器芯片DA0832
DAC0832是一个8位D/A转换器芯片,单电源供电,从+5V~+15V均可正常工作,基准电压的范围为±10V,电流建立时间为1µs,CMOS工艺,低功耗20mW。
它由1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成和引脚排列如图8所示。
图8DAC0832引脚图
该D/A转换器为20引脚双列直插式封装,各引脚含义如下:
(1)D7~D0--转换数据输入;
(2)/CS—片选信号(输入),低电平有效;
(3)ILE—数据锁存允许信号(输入),高电平有效;
(3)/WR1—第一信号(输入),低电平有效。
该信号与ILE信号共同控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式;当ILE=1和/XFER=0时,为输入寄存器直通方式;当ILE=1和/WR1=1时,为输入寄存器锁存方式;
(4)/WR2—第二信号(输入),低电平有效,该信号与信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式:
当/WR2=0和/XFER=0时,为DAC寄存器直通方式;当/WR2=1和/XFER=0时,为DAC寄存器锁存方式;
(5)/XFER—数据传送控制信号(输入),低电平有效;
(6)Iout2—电流输出“1”。
当数据位全“1”时,输出电流最大;为全“0”时输出电流最小;
(6)Iout2—电流输出“2”。
DAC转换器的特点之一是:
Iout1+Iout2=常数;
(6)Rfb—反馈电阻端。
即运算放大器的反馈电阻,电阻(15kΩ)已固化在芯片中。
(7)Vref—基准电压,是外加高精度电压源,与芯片内的电阻网络相连接,该电压可正可负,范围为-10V~+10V。
(8)DGND—数字地
(9)AGND—模拟地
2、高精度运算放大器OP07
OP07具有极低的输入失调电压,极低的失调电压温漂,非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。
可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大,尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器表中。
其引脚图如图9所示。
图9OP07引脚图
DAC0832与OP07的接线图如图7原理图所示。
4.2.3稳压输出电路参数计算
根据题目要求,电压输出范围0~10V,步长0.05V,共200种状态,8位字长的D/A转换器具有256种状态,能满足要求。
设计中用两个电压控制字代表0.05V,当电压控制字从0,2,4,···,200时,电源输出电压为0.0V,0.1V,0.2V,···,10V。
DAC0832属于电流输出型D/A,输出的电流随输入的电压控制字线性变化,需外接一片OP07电流到电压的转换。
DAC0832需外接基准电压,此基准电压的性能决定了输出电压的性能,要求基准电压具有高稳定和低纹波,故选取LM336作为基准源。
当DAC0832采用5V基准电压时,D/A转换电路的满幅输出为5.0V(电压控制字为255时)。
由于实际用到的最大电压控制字为200,因此D/A转换部分最大输出电压为
Uimax=
×5.0=3.922V(公式8)
Uimax=
×200=3.922V(公式9)
将它写成通式,即
Uimax=
(公式10)
D/A转换输出电压Ui作为电源功放级的输入电压。
功放级由U1和VT1、VT2构成闭环推挽输出电路。
该电路属于典型的电压串联负反馈电路。
于是输出电压Uo与输入电压
Ui的关系式为:
U0=(1+
)Ui(公式11)
将Ui代入得:
U0=(1+
)
(公式12)
当Ui=3.922V,R2=10kΩ,R3=9.1kΩ,Uo=10V,由上式可求得Rp1=10kΩ。
实取Rp1为47kΩ的精密多圈电位器。
当AT51输入电压控制字(11001000)2=(200)10时,Uimax=3.922V,调节Rp1使Uo=10V。
互补对称功放电路中的功率管选择如下:
根据题目要求,输出电流至少为500mA,故要求功率管的集电极最大允许损耗功率РCM为
РCM>РC1m=15×0.5=7.5W(公式13)
为保证功率管不致被反向电压所击穿,一般要求三极管的UCEO为
UCEO>(1.5~2)2Vcc=2×15=30V(公式14)
要求功率管最大允许集电极电流ΙCM应满足:
ΙCM>Ιcmm=
=1A(公式15)
根据所得参数,查找器件手册,选取三极管型号及主要参数为:
VT1管型TIP122,类型NPN,UCEO为100V,ΙCM为5A,РCM为65W;
VT2管型TIP127,类型PNP,UCEO为100V,ΙCM为5A,РCM为65W。
4.3单片机控制电路
单片机控制电路主要由键盘部分、AT51单片机部分、显示部分和AD转换部分组成,键盘部分主要设置控制字的输入,由单片机作为整机的控制单元,通过改变键盘的输入数字量来改变输出电压值(由AD转换后的电压值),再由LED显示部分显示,如图10所示。
图10单片机控制电路原理图
4.3.1单片机AT89C51
本设计采用AT89C51单片机,AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(EPROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大AT89C51单片机可提供高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
因此,这里选用AT89C51单片机来完成,AT89C51单片机管脚图如图11所示。
图11AT89C51单片机管脚图
AT89C51主要性能参数为:
(1)与MCS-51产品指令系统完全兼容
(2)4K字节可重擦写Flash闪存存储器
(3)1000次擦写周期
(4)全静态操作:
0hz-24hz
(5)三级加密程序存储器
(6)128x8字节内部RAM
(7)32个可编程I/O口线
(8)2个16位定时/计数器
(9)6个中断源
(10)可编程串行UART通道
(11)低功耗空闲和掉电模式
其各个管教及相应功能为:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口味一个8为漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部成语数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时,P0口作为原码输入口,当FLASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口试一个内部提供上拉电阻的8为双向I/O口,P1口缓冲器能接受输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口北外部下拉为低电平是,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接受。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,片口缓冲器可接受,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16为地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,他们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。
P3.0RXD(串行输入口)
P3.1TXD(串行输出口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(记时器0外部输入)
P3.5T1(记时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可以用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令时ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置为无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PESN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PESN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RE
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