【正文】 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)數(shù)顯直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)摘 要:本文介紹一種數(shù)字顯示的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)。本電源輸出電壓可以調(diào)整，而且具備輸出電壓可以顯示的功能。輸出最大電流為500mA。電源的主控電路采用AT89C51單片機(jī)，并能夠通過液晶直觀地顯示出電壓。設(shè)計(jì)分析了各個(gè)模塊電路和整機(jī)的工作原理，給出了整機(jī)工作的硬件實(shí)現(xiàn)和主要的軟件流程設(shè)計(jì)。直流穩(wěn)壓系統(tǒng)的總體的設(shè)計(jì)方案主要由變壓器、整流濾波、穩(wěn)壓、電壓液晶顯示幾部分組成。本電源具有設(shè)計(jì)簡單靈活，成本低，效率高，調(diào)整精度高等優(yōu)點(diǎn)，在市場上有一定的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；單片機(jī)；液晶顯示Digital DC Power Supply Design Abstract: This article describes a digital display of the DC power supply design. The power supply output voltage can be adjusted regulator for , but also with the output voltage can be displayed. Maximum output current is 500mA, step the adjustment. The power supply control circuit using AT89C51 microcontroller, and the ability to visually display through the LCD voltage. The design and analysis of the circuit of each module and the whole works, given the hardware implementation of the whole work and the main software process design. The overall design of the DC transformer, rectifier filter, regulator, voltage digital display several parts. The power supply has a simple, flexible, low cost, high efficiency, to adjust the high precision, a certain application prospects in the market. Keyword: DC power supply。 Single chip microputer 。LCD目錄前 言 1第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)要求 2 2 2 2第2章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 4 4 4 整流濾波電路 4 整流電路 4 濾波電路 6 8 10 11 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 13 控制穩(wěn)壓模塊 15第3章 軟件程序設(shè)計(jì) 17 17 17 18 DA轉(zhuǎn)換流程圖 19 顯示模塊流程圖 20第4章 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 21 硬件調(diào)試 21 上電前的調(diào)試 21 軟件調(diào)試 21 仿真軟件的介紹 21 軟件仿真 22 23 調(diào)試出現(xiàn)的問題 23 數(shù)據(jù)測量 24 24 25第4章 結(jié) 論 26參考文獻(xiàn) 27附錄一 元器件明細(xì)表 28附錄二 仿真電路圖 29附錄三 電源實(shí)物圖 30附錄四 源程序代碼 33附錄五 中英文文獻(xiàn) 40 前 言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今電器化電子產(chǎn)品對電源的可靠性和精確性提出了更高的要求。尤其是電子計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展，對電源的要求更加苛刻。一個(gè)高性能和高精度的供電電源是智能化系統(tǒng)正常工作必不可少的組成部分。為了克服和解決以上傳統(tǒng)電源難以實(shí)現(xiàn)的問題，數(shù)控電源應(yīng)用而生[1]。設(shè)計(jì)一個(gè)高精度、精確跟蹤輸出、高穩(wěn)定性、良好的人機(jī)界面的簡易數(shù)控電源，能減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性，智能化和產(chǎn)品一致性等問題，極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的維護(hù)性?；跀?shù)控電源具有以上傳統(tǒng)模擬電源無法替代的優(yōu)越性，為此設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的數(shù)控電源。電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。普通的直流穩(wěn)壓電源品種有很多，但均存在一下二個(gè)問題：輸出電壓是通過粗調(diào)（波段開關(guān)）及細(xì)調(diào)（電位器）來調(diào)節(jié)[2]。這樣，當(dāng)輸出電壓需要精確輸出，或需要在一個(gè)小范圍內(nèi)改變時(shí)，困難就較大。另外，隨著使用時(shí)間的增加，波段開關(guān)及電位器難免接觸不良，對輸出會有影響。穩(wěn)壓方式均是采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，對過載進(jìn)行限流和截流保護(hù)，電路構(gòu)成復(fù)雜，穩(wěn)壓精度也不高。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)[3]:1)易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。2)控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對不同的系統(tǒng)(或不同型號的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調(diào)整即可。第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)及設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)就是一種數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，添加單片機(jī)控制技術(shù)。單片機(jī)（51系列）數(shù)字控制技術(shù)以及數(shù)字顯示技術(shù)。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，初步擬定設(shè)計(jì)的應(yīng)能完成功能要求以及以下的設(shè)計(jì)要求。 ～； ，并且調(diào)整方便； ； %； ；方案1：采用模擬的分立元件，利用純硬件來實(shí)現(xiàn)功能，通過電源變壓器、整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓電源可調(diào)輸出012 V電壓，電路方框圖見圖 11所示[4]。但由于模擬分立元件的分散性較大，各電阻電容之間的影響較大，因此所設(shè)計(jì)的指標(biāo)不高、不符合設(shè)計(jì)要求、且使用的器件較多、連接復(fù)雜、靈活性差、功耗也大，同時(shí)焊點(diǎn)和線路較多，使成品的穩(wěn)定性和精度受到影響。 圖11 方案一電路方框圖方案 2 : 此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點(diǎn)在于使用一套雙計(jì)數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，其中二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過 D /A 變換后去控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓，以控制輸出步進(jìn)[3]。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器通過譯碼后驅(qū)動數(shù)碼管顯示輸出電壓值，為了使系統(tǒng)工作正常，必須保證雙計(jì)數(shù)器同步工作。其電路框圖如圖12所示。圖12 方案二電路方框圖方案3：采用單片機(jī)的數(shù)字穩(wěn)壓電源是將數(shù)字電路和單片機(jī)很好地結(jié)合在一起，不但能夠達(dá)到數(shù)字電路的效果，而且能夠大大地簡化復(fù)雜的純數(shù)字電路[6]。采用單片機(jī)后，還可以用軟件實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，要擴(kuò)展其他的功能也非常容易。其電路方框圖見圖13。通過多方面考慮和實(shí)用性，精確度，單片機(jī)進(jìn)行處理，具有低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故選擇方案3。單片機(jī)顯示電路按鍵D/A轉(zhuǎn)換控制電路穩(wěn)壓電路輸出電路整流濾波變壓器~220v圖13 方案三電路框圖第2章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 穩(wěn)壓電源分為這幾部分，由變壓器降壓電路，全橋整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路組成。圖21 穩(wěn)壓電源電路原理圖集成穩(wěn)壓電源的原理圖如圖21所示，只要接線正確，一般能良好地實(shí)現(xiàn)它的功能。 整流濾波電路 ，所以需要用到220V轉(zhuǎn)26V的變壓器把高壓的交流電轉(zhuǎn)成低壓交流電。因?yàn)檎n題不需要用到20V以上的電壓，所以應(yīng)該選用18V24V的變壓器，這樣可以降低LM317集成芯片的功耗，達(dá)到低功耗，高效率的要求。 整流電路整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電[4]。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向?qū)щ娮饔茫虼硕O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率整流電路中，常見的集中整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路。單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流電路。在工作時(shí)，電路中的四只二極管都是作為開關(guān)運(yùn)用，當(dāng)正半周時(shí)，二極管VV3導(dǎo)通（VV4截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周；當(dāng)負(fù)半周時(shí)，二極管VV4導(dǎo)通（VV3截止），在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。在負(fù)載電阻上正、負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動電壓。橋式整流電路原理圖如圖22所示。 圖22橋式整流電路原理 選擇二極管要依據(jù)二極管的反向耐壓VRM和正向電流IF。由于濾波電容的容量愈大，二極管導(dǎo)通角愈小，通過二極管脈沖電流的幅度愈大，因此，整流管的幅值電流必須加以考慮。流過整流管的平均電流：式中Ii 為穩(wěn)壓器的輸入電流，IRIRIadj 分別為流過RR2，以及調(diào)整端的電流，則：考慮到電容充電電流的沖擊，正向電流一般取平均電流的2～3 倍。二極管最大反向電壓：式中U2為電源變壓器次級電壓有效值，Ui為整流輸出電壓(即穩(wěn)壓器輸入電壓)。為了保證穩(wěn)壓器LM317穩(wěn)定運(yùn)行，輸入電壓Ui與輸出電壓U0之差一般在5～15V范圍，取UiU0=10V，得：設(shè)計(jì)時(shí)可考慮一定的余量。根據(jù)計(jì)算，1N4007的二極管符合設(shè)計(jì)要求，可以用作整流橋。橋式整流電路電壓和電流波形如圖23所示。 圖23 橋式整流電路電壓和電流波形如圖23所示，在交流電壓u2的整個(gè)周期內(nèi)，負(fù)載Rl都有同方向的電流通過，故Rl上得到單方向全波脈動的直流電壓。這樣，四個(gè)二極管組成的整流橋就完成了整流的功能。 濾波電路整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電，但其中含有大量的交流成分（稱為紋波電壓）。所以需要在整流電路之后加入濾波電路進(jìn)行濾波，才能得到穩(wěn)定的直流電壓。對于濾波電路的選擇有兩種方案[5]：方案一：采用電感濾波電路。由于電感在電路中有儲能的作用，所以在電路中可以串聯(lián)電感，當(dāng)電源供給的電流增加時(shí)，它能夠把能量儲存起來，當(dāng)電流減小時(shí)，它有可以把能量釋放出來，是負(fù)載電流比較平滑，有平波的作用。在電感濾波電路中，整流管的導(dǎo)電角度比較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但是由于鐵芯的存在，比較笨重，體積比較大，而且容易引起電磁干擾。一般的情況下只適用于低電壓，大電流的場合。電感濾波電路圖如圖24所示：圖24 電感濾波電路方案二：采用電容濾波電路。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時(shí)，能夠把部分能量儲存起來，而當(dāng)電源電壓減低的時(shí)候，就能把能量釋放出來，是負(fù)載電壓比較平滑穩(wěn)定，也就是電容也有平波的作用。電容濾波電路比較簡單，而且負(fù)載直流電壓比較高，紋波也比較少，適用于負(fù)載電壓較高，負(fù)載變動不大的場合，也減輕了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作[6]。電容濾波電路原理圖如圖25所示。圖25 電容濾波電路經(jīng)過分析，最終決定采用方案二。電路經(jīng)過濾波，電路的電壓、電流波形如圖26所示。濾波電解電容C的選擇原則是：取其放電時(shí)間常數(shù)RLC大于充電周期的3～5 倍，其耐壓值必須大于脈動電壓峰值。對于橋式整流電路來說，脈動電壓峰值為2U2，C的充電周期等于交流電源周期T的一半，即C≥(3~5) T2RL，式中RL為整流后的等效負(fù)載電阻，經(jīng)過考慮，本設(shè)計(jì)取C為2200uF。圖26 橋式整流、電容濾波時(shí)的電壓、電流波形設(shè)電容兩端初始電壓為零，并假定t=0時(shí)接通電路，輸入電壓U2為正半周，當(dāng)U由零上升時(shí)，VV3導(dǎo) 通，C被充電，同時(shí)電流經(jīng)VV3向負(fù)載電阻供電。忽略二極管正向壓降和變壓器內(nèi)阻，電容充電時(shí)間常數(shù)近似為零，因此Uo=Uc≈U2，在u2達(dá)到最大值時(shí)，Uc也達(dá)到最大值，然后U2下降，此時(shí)，UcU2，VV3截止，電容 C向負(fù)載電阻RL放電，由于放電時(shí)間常數(shù)τ=RLC一般較大，電容電壓Uc按 指數(shù)規(guī)律緩慢下降，當(dāng)下降到|U2|Uc時(shí)，VV4導(dǎo)通，電容C再次被充電，輸出電壓增大，以后重復(fù)上述充放電過程。其輸出電壓波形近似為一鋸齒波直流電壓，使負(fù)載電壓的波動大為減小。 單片機(jī)最小控制模塊 單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，是典型的嵌入式為控制器[7]。常用英文字母的縮寫MCU表示單片機(jī)，單片機(jī)又稱單片為控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。由于單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，當(dāng)時(shí)的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)楹唵慰煽慷阅懿诲e(cuò)獲得了很大的好評。盡管2000年以后ARM已經(jīng)發(fā)展出了32位的主頻超過300M的高端單片機(jī)，直到目前基于8031的單片機(jī)還在廣泛的使用。在很多方面單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多處理器，隨著單片機(jī)家族的發(fā)展壯大，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有12部單片機(jī)。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機(jī)在同時(shí)工作！單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多[7]。 最小控制系統(tǒng)由單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路等組成。如圖27所示。圖27 最小控制系統(tǒng) AT89C51的管腳排列如上圖所示，9管腳接復(fù)