【正文】 ????????????????? 13 圖 AT89C51 主控電路???????????????????????? 14 圖 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路?????????????????????????? 14 圖 穩(wěn) 壓電路???????????????????????????? 14 圖 數(shù)碼 管顯示電路???????????????????????? 15 圖 利用 51 單片機(jī)輸出 PWM 波 ???????????????????? 15 圖 可變脈沖 PWM 輸出 ??????????????????????? 15 圖 采用晶閘管和限流電阻組成的軟啟動(dòng)電路????????????? 16 圖 采用繼電器 K1 和限流電阻構(gòu)成的軟啟動(dòng)電路???????????? 17 圖 替代 RC 的延遲電路?? ????????????????????? 17 圖 過壓、欠壓、過熱保護(hù)電路???????????????????? 18 圖 三相三線制的缺相保護(hù)電路???????????????????? 19 圖 采用 IGBT 過流時(shí) Vce 增大的原理進(jìn)行保護(hù)????????????? 20 圖 系統(tǒng)軟件流程圖????????????????????????? 21 武漢理工 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） IX IX 表格清單 表 數(shù)碼管字形編碼 ???????????????????????? 9 武漢理工 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 引言 隨著電力電子技術(shù)的告訴發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進(jìn)入 80 年代計(jì)算機(jī)電源全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代，進(jìn)入 90 年代開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機(jī)、通訊、電子檢測(cè)設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進(jìn)了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源， 開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（ PWM）控制 IC 和 MOSFET 構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長(zhǎng)，但二者增長(zhǎng)速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新， 這 一 電力端移動(dòng)，這為開關(guān)電源提供 了廣泛 成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)日益向低 輸出 的發(fā)展空間 。 開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高穩(wěn)定性能好保護(hù)措施完善等優(yōu)點(diǎn)，但由于控制信號(hào)一般通過精密穩(wěn)壓器 TL43光耦等獲得，使得輸出電壓很難做到寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。將單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)有于開關(guān)穩(wěn) 壓電源中，實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的數(shù)字化，使其保護(hù)功能更完善、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度高，可用于取代傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓電源。 本文介紹了一種基于單片機(jī)的智能穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方案，其核心技術(shù)是通過單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變其后的穩(wěn)壓模塊的輸出。該系統(tǒng)由整流濾波初步穩(wěn)壓部分、單片機(jī)控制部分、 DAC 和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進(jìn)可調(diào)，并且可實(shí)時(shí)顯示，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。 XXX： 基于單片 機(jī)的開 關(guān)穩(wěn) 壓電源的設(shè)計(jì) 2 第一章 概述 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向 智能化 目前在研制高精度、高性能、多功能的測(cè)量控制 儀表時(shí)，幾乎沒有不考慮采用微處理器的。以微處理器為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測(cè)量控制儀表”。智能儀器解決了許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時(shí)還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動(dòng)力源”，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應(yīng)當(dāng)智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應(yīng)當(dāng)具有以下功能特點(diǎn) : ① 操作自動(dòng)化。系統(tǒng)的整個(gè)測(cè)量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟 動(dòng)閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用微控制器來控制操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程的全部自動(dòng)化。 ②具有自檢測(cè)功能，包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障檢測(cè)與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等。系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)出故障的部位甚至故障的原因。 ③具有友好的人機(jī)對(duì)話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí)，智能直流穩(wěn)壓電源還通過顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。 ④網(wǎng)絡(luò)管理 能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源通過 RS232 接口實(shí)現(xiàn)與上位 PC 機(jī)通信，從而使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可以隨時(shí)監(jiān)視電源設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù) 。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可通過網(wǎng)絡(luò)定時(shí)開關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開關(guān)機(jī)等功能。 數(shù)字化 在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn) :便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小 雜散信號(hào)的干擾 (提高抗干擾能力 )、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。 模塊化 電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化 。其二是指電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把 寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個(gè)武漢理工 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 3 獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個(gè)模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān) 負(fù)載電流。極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作量。 綠色化 電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義 :首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染 。其次這些電源不能 (或少 )對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(huì) (IEC 對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如工EC555, IEC917,IECI000 等。 20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，為 21 世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 在我國，以電 力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀(jì) 60 年代中期開始形成，到了 90 年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快 。另一方面，在國家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識(shí)指導(dǎo)下，我國電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國際先進(jìn)水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品 。目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比，存在著很大的差距和不足 :在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、 開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為 1015 年，尤其在實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機(jī)和可編程系統(tǒng)器件 (PSD)來控制開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)制化電壓?jiǎn)卧_(dá)到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。國內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對(duì)輸出顯示實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w說來，國內(nèi)直流穩(wěn)壓電源技術(shù)在實(shí) 現(xiàn)智能化等方面相對(duì)落后，面對(duì)激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)，是個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。 系統(tǒng)研究方向 本系統(tǒng)研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數(shù)字化以及模塊化的特點(diǎn)。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。數(shù)字化主要是指系統(tǒng)輸出電壓通過 7 段數(shù)碼管顯示，并且可以通過按鍵對(duì)輸出電壓進(jìn)行連續(xù)步進(jìn)數(shù)字化調(diào)節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個(gè)相關(guān)模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。 XXX： 基于單片 機(jī)的開 關(guān)穩(wěn) 壓電源的設(shè)計(jì) 4 第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理 設(shè)計(jì)原理 穩(wěn)壓電源基本原理 直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器 T、整流、濾波 和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖 所示。電網(wǎng)供給的交流電壓 U1(220V,50Hz) 經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓 U2，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時(shí)間變化的脈動(dòng)電壓 U3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓 Ui。但這樣的直流輸出電壓，還會(huì)隨交流電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變動(dòng)而變化。在對(duì)直流供電要求較高的場(chǎng)合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。 圖 直流穩(wěn)壓電源框圖 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 圖 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 由運(yùn)放組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，電路如圖 。既可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且輸出電壓連續(xù)步進(jìn)可調(diào)，滿足設(shè)計(jì)要求。 武漢理工 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 5 系統(tǒng)框圖 本課題設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓 電源的核心控制器件選用 AT89C51，直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片 DAC0832，輸出電壓采用 7段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 系統(tǒng)由各個(gè)模塊組成，由各個(gè)模塊組成的系統(tǒng)框圖如圖所示： 圖 系統(tǒng)框圖 XXX： 基于單片 機(jī)的開 關(guān)穩(wěn) 壓電源的設(shè)計(jì) 6 第 三 章 主要器件介紹 AT89C51 簡(jiǎn)介 本課題設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源的核心控制器件選用 AT89C51[1]。 AT89C51 是一種帶4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高效微控制器， AT8920C51 是他的精簡(jiǎn)版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且 價(jià)廉的方案， 引腳圖如圖 。 圖 AT89C51引腳圖 DAC0832工作原理 直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片 DAC0832。 DAC0832 的原理框圖如圖 所示。 DAC0832 主要由 8 位輸入寄存器、 8位 DAC 寄存器、 8位 D/A 轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。 8 位輸入寄存器用于存放主機(jī)送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制； 8位 DAC 寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制； 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制 2 個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。 武漢理工 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 7 圖 DAC0832 原理框圖 當(dāng) WR2 和 XFER 同時(shí)有效時(shí)， 8位 DAC 寄存器端為高電平“ 1”，此時(shí) DAC 寄存器的輸出端 Q 跟隨輸入端 D 也就是輸入寄存器 Q 端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平“ 0”時(shí)，第一級(jí) 8位輸入寄存器 Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級(jí) 8 位 DAC 寄存器中，以便第三級(jí) 8 位 DAC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。 一般情況下為了簡(jiǎn)化接口電路，使第二級(jí) 8位 DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級(jí) 8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個(gè)寄存器都分別接成受控方式。 DAC 單極性輸出方式如圖 所示。 圖 DAC 單極性輸出電路 數(shù)碼管顯示原理 數(shù)碼管結(jié)構(gòu) 輸出電壓采用 7 段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。數(shù)碼管由 8 個(gè)發(fā)光二極管（以下簡(jiǎn)稱字段）XXX： 基于單片 機(jī)的開 關(guān)穩(wěn) 壓電源的設(shè)計(jì) 8 構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字 0 ?字符 A ? F、 H、 L、 P、 R、 U、 Y、符號(hào)“ ?”及小數(shù)點(diǎn)“ ?”。數(shù)碼 管的外型結(jié)構(gòu)如圖 （ a）所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖 （ b）和圖 （ c）所示。 圖 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 數(shù)碼管工作原理 共陽極數(shù)碼管的 8個(gè)發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動(dòng)電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動(dòng)電路的輸出端為低電平時(shí)， 則該端所