基于51单片机数控直流稳压电源毕业设计设计.doc

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1、 综合实训 摘要 数控直流稳压电源以其优良的输出特性，广泛应用于各种电子线路中。质量优良的数控电源，能满足电子线路各种要求。因此,数控电源的设计颇为重要。本文主要介绍了基于51单片机数控直流稳压电源的设计过程，分为以下4部分：（1）详细介绍数控直流稳压电源中包含的整流电路、滤波电路、稳压电路、运放电路及保护电路等。（2）设计出了各部分电路、键盘和显示电路的电路图，并完全硬件焊接。（3）给出了系统的软件设计思路及软件流程图。（4）通过硬件制作，实验和分析，设计出的电源能完全满足设计要求，可以对输出电压进行0V12V的任意调制，并且有过流保护功能。此外，本设计的直流稳压电源能够适应所带负载的启动性

2、能，电路稳定可靠，且能够输出较大的电流。关键词：直流稳压电源，单片机，过流保护 目录摘要.1目录.2前言.4第1章选题意义.6 1.1设计要求.6 1.2电源简介.6 1.3方案比较.7第2章基于单片机双路直流稳压可调电源的基本原理.10 2.1直流稳压电源总体结构.10 2.2电源变压器.11 2.3整流电路.11 2.4滤波电路.12 2.5稳压电路.13 2.6运放电路.14 2.6.1电压运放.14 2.6.2功率运放.14 2.7保护电路：.15第3章直流稳压可调电源硬件设计.16 3.1硬件设计原理和思路.16 3.1.1系统硬件的基本组成部分.16 3.1.2电源部分设计.16

3、3.1.3稳压电路的设计.17 3.1.4运放电路的设计.17 3.1.5过流保护电路的设计.18 3.2硬件设计.19 3.2.1单片机部分.19 3.2.2D/A转换部分.20 3.2.3按键部分.24 3.2.4数显部分.24 3.2.5功率放大部分：.25 3.2.6总硬件图：.25第4章直流稳压可调电源软件设计.27 4.1主程序流程图.27 4.2按键响应流程图：.27 4.3程序运行原理.28第5章结论与展望.29 5.1电源测试.29 5.1.1电压数值测试.29 5.1.2电压输出波形测试（DS-5022ME示波器）：.30 5.1.2.1直流12V输出波形.30 5.1.2

4、.2直流5V输出波形.30 5.1.2.3直流012V输出波形.31 5.1.3电流测试.31 5.1.4性能测试.325.2电路扩展.33 5.2.1抑制纹波.33 5.2.2开机电压预置.33 5.2.3过流保护报警.33结论.34致谢.35参考文献.36 附录.37 前言 几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源，因此直流稳压电源的应用非常的广泛。直流稳压电源的电路形式有很多种,有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流稳压电源等等。在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的（长期工作在大电流和大电压下,电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不

5、稳定的。输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题，比如：测量仪器的准确度降低，交流放大器的噪声增大，直流放大器的零点漂移等等。设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求。因此,直流稳压电源的研究就颇为重要。目前产生直流稳压电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法（线性稳压电源），另一种是数字方法（开关电源）。前者的电路均采用模拟电路控制，而后者则是通过数字电路进行自动控制。 所谓线性稳压电源,是指在稳压电源电路中的调整管是工作在线性放大区。将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后,经过整流、滤波和稳压,输出一个直

6、流电压。线性稳压源的优点是：电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电压小；瞬态响应速度快；线路结构简单,便于维修；没有开关干扰。缺点是：功耗大、效率低,体积大、质量重、不能微小型化；必须有较大容量的滤波电容 开关稳压电源的调整管工作在开关状态,主要优越性是交换效率可高达7095%。开关稳压电源的优越性还体现在：功耗小、效率高。晶体管在激励信号的激励下,交替的工作在导通-截止的开关状态,转换速度很快,频率一般为50kHz左右。开关晶体管的功耗很小,电源的效率可以大幅度的提高,达到80%以上。体积小、重量轻。开关稳压电源里没有采用笨重的工频变压器。调整管上的耗散功率大幅度降低以后,省去了较大的散热片

7、。稳压范围宽。开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的,输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来控制,在工频电网电压变化较大时,它仍能保证有效的稳定输出电压。 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

8、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，

9、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，

10、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

11、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。 第一章 选题意义1.1 设计要求 随着电力电子技术的迅速发展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。 本文介绍了采用硬件电路和单片机的编程控制，实现了一端5V和12V

12、稳定电压输出，一端012V间可调电压输出的双路直流稳压电源。最大输出电流为0.25A。在最大电流输出时，电压稳定度小于0.01V，控制步进为0.1V要有键盘显示功能和保护功能。 通过三个控制按钮实现两路输出电压，可以对输出电压进行设定，显示值与输出电压值的误差不超过10mv。并可通过按键实现电压设定。具体描述如下：按键：按键1：输出电压调整，步进为+1V；按键2：输出电压调整，步进为-1V；按键3：输出电压调整，步进为+0.1V。显示：四位LED显示可调端输出电压值。参数：电压设定步进：+1V，-1V，+0.1V，显示误差：0.01V工作区：输出1：5V输出2：12V输出3：012V1.2 电

13、源简介 电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源，因此作为电子设备的基础元件，电源受到越来越多的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整管是工作在线性放大区。将220V、50Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，经过整流、滤波和稳压，输出一个直流电压。 线性稳压源的优点是：电源稳定度及负载稳定度较高；输出纹波电压小；瞬态响应速度快；线路结构简单，便于维修；没有开关干扰。缺点是：功耗大、效率低，其效率一般只有3560%；体积大、质量重、不能微小型化；必须有较大容量的滤

14、波电容。其中，交换效率低下是线性稳压电源的重要缺点，造成了资源的严重浪费。在这种背景下，开关稳压电源应运而生。任何电子设备均需直流电源来供给电路工作。特别是采用电网供电的电子产品。为了适应电网电压波动和电路的工作状态变化，更需要具备适应这种变化的直流稳压电源。 随着电子技术的发展，人们对如何提高电源的转换效率，增强对电网的适应性，缩小体积，减轻重量进入了深入的研究。开关电源应运而生。七十年代，便应用于电视机的接收，现在已经广泛用于彩电，录像机，计算机，通讯设备，医疗器械，气象等行业。开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要优越性是交换效率可高达7095%。开关稳压电源的优越性还体现在：功耗小、

15、效率高。晶体管在激励信号的激励下，交替的工作在导通-截止的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右。开关晶体管的功耗很小，电源的效率可以大幅度的提高，达到80%以上。体积小、重量轻。开关稳压电源里没有采用笨重的工频变压器。调整管上的耗散功率大幅度降低以后，省去了较大的散热片。稳压范围宽。开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来控制，在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有效的稳定输出电压。开关稳压电源实现稳压的方法也较多，可以根据实际应用的要求，灵活的选用各种类型的开关稳压电源。电路形式灵活多样。开关稳压电源的主要问题是电路比较复杂。输出纹波

16、电压较高，瞬态响应差，并且存在较为严重的开关干扰。当今，开关稳压电源的进一步推广应用的困难是它的制作技术难度大，维修麻烦和成本较高。开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的。开关稳压电源中采用了开关变压器，使之由一组输入，得到极性，大小各不相同的多组输出。要进一步提高效率，必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路元器件的要求，有了进一步的提高。这是需要解决的第二个问题。工作在线性状态的稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且纹波电压输出较小。但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和输出电流会通过电路中的元器件产生较强的尖

17、峰干扰和谐振干扰。这些干扰会进入市电电网，影响邻近的电子设备的正常工作。克服这一缺点，进一步提高它的使用范围，是要解决的第三个问题。1.3 方案比较 稳压电源的设计可以通过几种方法实现，根据具体的设计要求，通过比较论证来确定我们到底要用哪个方案。方案一：采用模拟的分立元件，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源稳定输出正、负5V、12V并能可调输出012电压。如图1.1所示。但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响很大，因此所设计的指标不高，而且使用的器件较多，连接复杂，体积较大，供耗也大，给焊接带来了麻烦，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度也受到影响。 图1

18、.1模拟直流电源基本组成框图方案二：以一稳压电源为基础，以高性能单片机系统为控制核心，以稳压驱动放大电路、过流检测电路为外围的硬件系统，在检测与控制软件的支持下实现对电压输出的数字控制，通过对稳压电源输出的电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制稳压电源的工作状态及监测开关电路的。采用单片机作为控制器的简易数控直流电源设计方案如图1.2所示。设计方案采用单片机作为控制器完成数控部分、键盘、显示器接口控制。输出部分采用D/A0832与运算放大器UA714，输出电压波形由单片机的输出数据控制，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。利用软件和硬件结

19、合的方法来设计稳压电源，其精度和稳定性都有所提高； 图1.2数控直流电源设计方案 结论：以上两种方案均可以达到输出稳压电源的要求。方案一是利用纯硬件来实现其功能的，方案二是以单片机核心控制器件，采用软硬件结合来实现的。方案一电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。而方案二基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。本电源采用全集成电路设计制成，具有短路过载自动保护功能。精度高，连续可调，可用于多路实验用电。所以本设计采用方案二。第二章 基于单片机双路直流稳压可调电源的基本原理2.1 直流稳压电源总体结构 在电子电路中，通常都需要电压稳压的直流电源供

20、电。日常生活中也需要将交流电转变成直流电，形成直流稳压电源。一般直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、运放电路和保护电路等六部分组成。图2.1直流稳压电源的工作原理 总述：电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。2.2电源变压器图2.2 1

21、5V变压器 变压器是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的一种电器，是电能传递或作为信号传输的重要元件。变压器是一种静止电机，根据电磁感应的原理，能够将一种电压的电能转换为另一种电压的电能，以满足不同负荷的需要。变压器的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。其中，与电源相连的线圈，接收交流电能，称为一次绕组；与负载相连的线圈，送出交流电能，称为二次绕组。2.3整流电路 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要靠二级管的单向导电作用。因此二极管是构成整流电路的关键元件。常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流。单相桥式整流电路 图2.3中左端为电

22、源变压器，它的作用事将交流电网电压变成整流电路要求的交流电压。单相桥式整流电路是由四个二极管接成电桥的形式构成的。设电源变压器二次侧电压U=Usinwt(v)，在U的正半周，极性为上正下负，此时二极管D1、D3承受正向电压而导通，D2、D4反向截止，电流i的通路是aD1RLD3b。负载RL上又得到半波电压。在U的负半周，极性为上正下负，此时二极管D2、D4导通，D1、D3反向截止，电流i的通路是bD2RLD4a。负载RL上又得到半波电压。RL上得到的电压U是单方向全波脉动(图3)。图2.4单项桥式整流电路波形图 要使之接近于理想的直流电压，在整流之后需加滤波电路，将单向脉动电压中的交流分量尽量

23、多地滤掉。2.4滤波电路 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。滤波电路的形式有很多，分为电容输入式和电感输入式。采用一只容量较大的电解质电容器，所以要注意其极性，其正极要接电路高电位端，负端要接电路低电位端。若极性接反，过高的反向电压可能击穿电容器。图2.5桥式整流、 电容滤波电路图2.6直流电压U的波形 如图2.5，由于电容C1并联在负载电阻R1上，所以电容C1两端的电压CU就是负载的电压OU，交流电压U的波形（如图5）；假设，电路接通时，恰恰在电压U由负到正过零的时刻，这时

24、二极管开始导通，电压U通过二极管向电容C1充电，由于二极管的正向电阻很小，所以充电时间常数很小，电压CU将随着电压U按正弦规律逐渐升高，当U增大到最大值时，CU也随之上升到最大值。然后U开始下降，CU也开始下降，但他们按不同规律下降，U按正弦规律下降，而电容C1则通过负载R1放电，电容端电压CU按指数规律下降，由于放电时间常数较大，CU下降缓慢。除了刚过最小值的一小段时间内，仍有CU=U的关系外，之后就出现UCU的情况，二极管承受反向电压，处于截止状态。电压CU按指数规律缓慢下降到wt=2p以后，虽然电压U又为正值，但由于UCU以后，二极管才又导通，电容C1由放电状态重新变为充电状态，CU又随

25、着U上升。如此继续下去，电压CU也就是负载电压LU就变得平滑了，因而负载电压的平均值也有所增大了。如果电容滤波电路接于桥式整流电路，则在交流电压的一个周期内，电容C1有两次充、放电，其放电时间比上述半波整流后所接电容滤波电路要短，故输出电压更为平滑。电容滤波使整流输出电压波形变得平直的原因，还可以从电容C1对脉动电流中的交流成分具有旁路作用来理解。由于电容C1与负载电阻R1并联，C1的容量愈大，整流后所得的脉动电流交流分量的频率愈高，则电容C1的容抗愈小，而电阻R1的阻值与频率无关，因此，脉动电流中的交流成分主要通过电容C1而被旁路，R1上的电流和电压便较为平直了。2.5稳压电路图2.7 稳压

26、电路 稳压电路采用三端稳压集成器7805和7812。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7805表示输出电压为正5V，7812表示输出电压为正12V。 在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。2.6运放电路2.6.1电压运放图2.8电压放大2.6.2功率运放图2.9 功率放大2.7保护电路 2.10保护电路第三章 直流稳压可调电源硬