030V简易可调式直流稳压电源的设计说明.docx
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030V简易可调式直流稳压电源的设计说明
网络高等教育
专科生毕业大作业
题目:
0~30V简易可调式直流稳压电源的设计
学习中心:
伊犁经贸培训中心
层次:
高中起点专科
专业电气工程与其自动化
年级:
2009年秋季
学号:
5
学生:
平
指导教师:
白俊
完成日期:
2011年8月17日
摘要
本文详细介绍了30V简易直流稳压电源计的发展现状,发展中所面临的问题。
随着时代的发展,数字电子技术已经普与到我们生活,工作,科研,各个领域,本文将介绍一种直流稳压电源,同时分析了数字技术和模拟技术相互转换的概念。
同时也详尽的介绍了此次设计中最重要的组成部件单片机的概念、工作原理与设备总体结构,其中包括MCS-51的发展历程,选型依据。
设计了一种基于单片机MCS-51的自动装箱机,介绍了所选用的8031、8255等单片机。
关键词:
D/A转换;单片机;电源
第1章绪论
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。
单片机技术与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。
6)易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。
为了得到高性能的并联运行逆变电源系统,每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制,易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯),从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。
随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研,生活、提供更好的,更方便的设施就需要从数字电子技术入手,一切向数字化,智能化方向发展.
本文所介绍的简易直流稳压电源计与传统的稳压电源相比,具有操作方便,电压稳定度高的特点,其输出电压大小采用数字显示,主要用于要求电源精度比较高的设备,或科研实验电源使用,并且此设计,没有用到单片机,只用到了数字技术中的可逆计数器,D/A转换器,译码显示等电路,具有控制精度高,制作比较容易等优点。
1.1设计要求
输出电压围0-30v,步进值为0.1V
电压调整率Sv<0.05%V;
电流调整率Si<0.03%A;
纹波电压〈峰峰值<=5mA;
输出电流1A
具有过流保护和短路保护功能;用数字显示输出电压
1.2总体方案确定
采用51系列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。
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ADC0809进行模数转换,间接用单片机实时对电压进行采样,然后进行数据处理与显示。
采用软件方法来解决数据的预置以与电流的步进控制,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流,设置步进等级可达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(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。
1.3单元电路设计
此数控直流稳压电源共有六部分,输出电压的调节是通过“+”,“-”两键操作,步进电压精确到0.1V控制可逆计数器分别作加,减计数,可逆计数器的二进制数字输出分两路运行:
一路用于驱动数字显示电路,精确显示当前输出电压值;另一路进入数模转换电路(D/A转换电路),数模转换电路将数字量按比例,转换成模拟电压,然后经过射极跟随器控制,调整输出级,输出稳定直流电压。
为了实现上述几部分的正常工作,需要另制±15V,和±5V的直流稳压电源,与一组未经稳压的12V~17V的直流电压。
此下所讲的数控电源主要就是对此组电压进行控制,使输出0~±5V的稳定的可调直流电压。
此原理方框图如下图1-1所示。
图1-1原理方框图
第2章系统硬件设计
2.1MCS—51单片机主要应用特性
MCS-51单片机是美国Intel公司于1980年推出的产品,与MCS-48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校与专业学校的培训教材仍用MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。
我们也以这一代表性的机型进行系统的设计。
2.2系统面板设计与控制原理图
2.2.1面板设计
控制系统面板如图2-1所示。
在图2-1中控制面板中设置了一个“+”一个“—”控制区两个控制按键,两个发光二极管(分别是警报指示、运行指示)、三位数码显示管。
图2-1控制面板
2.2.2系统控制原理图
图2-2系统控制原理图
2.3输入/输出接口系统设计
输入/输出接口系统就是指人与计算机之间建立联系、交换信息的输入/输出设备接口,就是人机交互接口。
这些输入/输出设备主要有键盘和显示器等。
它们是系统中必不可少的输入、输出设备,是控制系统与操作人员之间交互的窗口。
2.3.1“+”,“-”键控制的可逆计数器的设计
此部分电路主要用两按钮开关作为电压调整键,与可逆计数器的加计数CPU时钟输入端和减计数CPD时钟输入端相连,可逆计数器采用两片四位十进制同步加/减计数集成块74LS192级联而成。
74LS192是双时钟,可预置数,异步复位,十进制(BCD码)可逆计数器。
与之功能一样的还有其它芯片,比较容易找到。
由于输出电压从0V到30V可以调节,所以74LS192两计数器总计数围从00000到11101(即0~30V),而74LS192本身为十进制可逆计数器,所以只需一块这样的芯片级联就可以达到目的,此芯片封装和工作模式表如下图2-3所示。
图2-3芯片封装和工作模式表
PL是低电平有效的预置数允许端,PL=0时,预置数输入端P0~P3上的数据被置入计数器。
MR是高电平有效的复位端,MR=1时,计数器被复位,所有输出端都为低电平。
CPU是加计数时钟,CPD是减计数时钟,当CPU=CPD=1时,计数器处于保持状态,不计数。
当CPD=1,CPU由0变为1时,计数器的计数值加1”;当CPU=1,CPD由0”变1”时,计数器的计数值减1”。
TCU是进位输出端,当加计数器达到最大计数值时,即达到5时,TCU在后半个时钟周期(CPU=0)变成低电平,其他情况均为高电平。
TCU是借位输出端,当减计数器计到零时,TCD在时钟的后半个周期(CPD=0)变成低电平,其他情况下均为高电平。
为实现100进制的计数可把第一块芯片的TCU,TCD分别接后一级的CPU,CPD就可以级联使用,这就达到了0~5的计数。
2.3.2显示系统设计
为了使操作人员与时掌握生产情况,在一般的微型计算机控制系统或者智能仪器当中,都配有显示程序。
本次设计采用LED数码显示。
2.3.2.1LED数码管的结构与显示原理
常用的显示器件有:
①显示和记录仪表,②CRT显示终端,③LED或者LCD显示器,④大屏幕显示器。
本次设计所采用的是LED数码管。
LED数码管具有结构简单,体积小,功耗低,响应速度快,易于匹配,寿命长,可靠性高等优点。
LED数码管是由发光二极管组成,由于材料的不同,可以发出各种单色光线。
发光二极管可以有多种组成形式,其中7段数码管应用最多,根据发光二极管部的连接方式不同,又有共阴极或共阳极两种形式。
如图2-4所示
图2-4LED数码管结构
2.3.2.274LS138结构与功能
74LS138为3线到8线译码器,当一个选通端(G1)为高电平,另外2个选通端
2A和
2B为低电平时可以将地址端(A、B、C)的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。
利用G1、
2A和
2B可以级联扩展成24线译码器引脚结构如图2-5所示。
图2-574LS138引脚图
其引脚功能为:
A、B、C为译码地址输入端;G1为选通端;
2A、
2B为选通端(低电平有效);Y0~Y7为译码输出端(低电平有效)。
2.3.2.374LS377结构与功能
74LS377是一种8D触发器,它的E端是控制端、CLK端是时钟端,当它的E端为低电平时只要在CLK端产生一个正跳变,D1—D7将被锁存到Q0—Q7端输出,在其他情况下Q0—Q7端的输出保持不变。
其引脚图和功能表如图2-6所示。
图2-674LS377引脚与功能
2.4调整输出的设计
调整输出级采用运放作射极跟随器,使调整管的输出电压精确地与D/A转换器输出电压保持一致。
调整管采用大功率达林顿管,确保电路的输出电流值达到设计要求。
数控电源各部分工作所需的±15V和±5V电源由固定集成稳压器7815、7915、和7805提供,调整管所需输入电压,经简单整流,滤波即可得到,但要求能提供5A的电流。
输出电压的调整,主要是运用射极输出器发射极上所接的4.7K电阻来完成的,此反馈电阻的主要作用是,把输出电压反馈到NE5534的输入级的反向输入端,当同相输入IN+和反向输入端IN-有差别是,调整输出电压使之趋于稳定,从而达到调整输出电压的目的。
2.5电路调试
调节步骤如下:
输入数字00000,短接Re1、Re、Rf调运放调零电位器Rw,用数字万用表检测,使输
出电压Vo=0±1mV。
输入数字11101,调整Re1、Re2、Rf使输出电压Vo达到预定的满量程30V。
主要技术指标
本文所设计数控直流电源的电压输出围为0~30V,步进电压值为0.1V,输出纹波电压不大于10mv,输出电流为1A。
2.6改进措施
本电源输出电压大小尚受限制,在需要较高输出电压时,在不改变调节精度(即步进电压值)前提下,只要增加计数器的级联数和相应D/A转换器的个数,扩大数显指示围,配合选用高电压输出运放,就能轻易地满足要求。
当需要正负对称输出电压时,只要另增一组电源,对D/A转换器与调整输出电路稍作改动即可达到目的。
2.7电源
除了220V的电源,我们还选择了LM7805三端稳压器产生一个±5V的电源。
其电路如图2-7所示。
图2-7+5V电源电路
三端固定输出集成稳压器,它是一种串连调整式稳压器。
它将全部电路集成在单块硅片上,整个集成稳压电路只有输入、输出和公共三个引出端,使用非常方便。
典型的有78××正电压输出系列,79××负电压输出系列。
当输入的电压VI、输出电流IO或温度变化时,输出电压VO可保持不变;另外,当输出短路。
可使输出电流IO限制为一定值;若稳压器过热,则它就停止工作,以免稳压器遭到损坏。
三端固定输出电压集成稳压器,因部有过热、过流保护电路,因此它的性能优良、可靠性高。
有因这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点,所以我们选用了这种芯片。
本设计主要电源供给电路如图2-8所示。
图2-8电源供给电路
第3章系统软件设计
3.1主程序
3.2显示子程序流程图
3.3输入给定值中断服务程序
第4章结论
为期一学期的毕业设计结束了,在这短短的几个月当中,我们不仅巩固了以前学到的专业知识,更重要的是我们学到了许多新知识,学会了设计一个系统的步骤、方法和设计思想,还学到了作为一个设计人员应该具备的素质。
在毕业设计之初,我们首先拿到了毕业设计的题目《±30V简易直流稳压电源的设计》,从中我们知道了这次设计的目的、要求以与要完成的工作。
开题之后我们进入了资料检索阶段,通过在网上与图书馆查找资料,了解了系统的发展状况以与现状,从中得到了许多对我们设计有用的东西,并最终确定一套方案。
我们的方案是利用单片机来实现的,所以翻阅了大量的单片机书籍。
我们以前的学习是围绕MCS—51系列的单片机,故在我们的系统中我们选择了8031为CPU。
我们在图书馆和和上查到了好多的单片机和传感器方面的知识,这对我们的设计是很有必要的,它也会对我们以后的工作有很大的帮助。
设计总是在不断的改进和完善中完成的,每一个器件的选择都要有很多的考虑。
我们在设计中不断的更换新的器件和设计方法,最后做成了本次设计。
基本实现了毕业设计任务书中的要求
在设计中我们尽量做到完善。
但在这次毕业设计中还存在很多不能令人满意的地方,这些地方也暴露了我们在以前学习过程中的疏漏之处。
我一定会在以后的工作中逐步的改正。
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致
在毕业设计完成之际,我在这里向一直关心帮助我的老师、同学和朋友表示我诚挚的意。
首先感的是我的导师白俊老师。
感他们给我的指导,在整个设计写作过程中,我始终得到白俊老师的悉心教导和认真指点,使得我的理论知识有了很大提高,为我的毕业设计的顺利完成提供了保证。
他们身上,体现着严谨的教学作风,勇于探索的工作态度和求同思变、不断创新的治学理念让我印象深刻。
他们不知疲倦的敬业精神和精益求精的治学要求,端正了我的学习态度,使我受益匪浅。
同时,感来此参加我毕业答辩的各位老师,感你们的指导教育,感你们在答辩时对我的论文给予的详尽细致的审阅,衷心的感各位老师,你们无私的帮助。
最后,感自动化系和同组的各位同学以与所有支持我关心我的人。
在你们的帮助和协助下共同完成了本次设计。
你们!
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- 030 简易 调式 直流 稳压电源 设计 说明