全数字化直流电源设计.doc
《全数字化直流电源设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《全数字化直流电源设计.doc(27页珍藏版)》请在沃文网上搜索。
1、 目录1引言11.1 选题背景11.2国内外发展现状及发展趋势22设计要求与系统方案32.1设计任务与要求32.2方案选择与论证42.2.1主控芯片方案42.2.2 电压输出方案42.2.3 驱动电源方案52.2.4 显示电路方案53系统硬件电路设计63.1 ATmage16单片机模块63.1.1 ATmage16简介63.1.2 ATmage16主控电路73.2 L6203电压输出模块83.2.1 L6203芯片简介83.2.2 L6203外围电路参数93.3驱动电源模块93.3.1 LM7805三端稳压器简介103.3.2 驱动电源参数设计103.4 LCD1602液晶显示模块113.4.
2、1 LCD1602简介113.4.2 LCD1602与单片机连接123.5 输出电压采集反馈电路134系统软件设计134.1程序流程图144.2系统源程序145结束语14参考文献15附录1 系统总体电路图16附录2 系统源程序17全数字化直流电源设计摘要:将单片机数字控制技术,有机地融入直流稳压电源的设计中,设计出一款数字通用直流稳压电源。该电源具有电路原理系统功能通过软件编程,易于实现功能的扩展。AVR 系列的单片机不仅具有良好的集成性能, 而且都具备在线编程界面, 其中的Mega 系列还具备JTAG 仿真和下载功能; 含有片内看门狗电路、片内程序Flash、同步串行界面SPI; 多数AVR
3、 单片机还内嵌了A/D 转换器、EEPROM、模拟比较器、PWM 定时计数器等多种功能; AVR 单片机的I/O 界面具有很强的驱动能力, 灌入电流可直接驱动继电器、LCD 等元件, 从而省去驱动电路, 节约系统成本。关键词:直流稳压电源;AVR单片机;液晶显示1引言1.1 选题背景 稳压电源技术在工程技术方面使用性很强,在各个行业里都具有广泛的应用。当今电源技术有着很广阔的发展前景。随着数字化电源在工厂和家庭中的普遍使用,电源的设计要求也越来越高。普通电源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。电源在使用时也会造成很多不良后果。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显
4、而易见的,其中数字化直流稳压电源就是一个很好的典型例子,它可以让人们享受和体验更便捷和智能化的生活方式。 本文所介绍的数字化直流稳压电源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,除了用到单片机,还用到了数字电路中的可逆计数器,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。 在各类电子设备中,由电压稳定的直流电源供电是很常见的。但在实际生活中,都是由220V 的交流电网供电。这部分交流电一般不可以直接使用,这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电
5、。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小。这通常会使得电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损。因此数字化直流电源主要的发展方向,是不断加以改善上述缺点。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产生和不断发展,也促进了各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的广泛应用。到90年代,已出现了数控精度达到0.04V,功率密度达到每立方英寸60W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
6、字化稳压电源是针对传统电源的不足设计的,数字化设计能够减少生产过程中的不确定因素和人为因素的干扰,有效地解决电源模块中诸如智能化可靠性、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。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。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。1.2国内外
7、发展现状及发展趋势 从上世纪九十年代末起,电力电子技术的发展开始带动电源技术的发展,迄今为止电源制造业已成为非常重要的基础产业,并广泛应用于各个部门。随着对系统更高效率和更低功耗的需求,国内外电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流电源转换器向更高灵智能化和灵活性方向发展。整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为单片机控制,从而使直流电源智能化,并且继续朝高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化发展。直流稳压电源是最常用的仪器设备, 在科研及实验中都是必不可少的。 如今国内已经出现了一款全新电路DPS-305C全数字化直流电源,如深圳圳宏盛电源运用巧妙的电路结构,在实现同样的功能
8、前提下大大降低了数字电源的生产成本,而且价格比通常的编程直流电源低了很多,是替代普通旋钮直流电源的理想直流电源。应该承认,我国直流稳压电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足,在电源产品的可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、持续创新能力等方面有很大差距,尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多局限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。总体说来,国内直流稳压电源制造技术在实现智能化等方面相对落后,面对激烈的国际竞争,是个严重的挑战。但是这并不能阻挡未来我国直流稳压电源市场蓬勃发展的趋势
9、。 尤其是在我国进入WTO后,电源设备开始大跨步融入国际市场。近10年来我国直流稳压电源市场需求量呈现逐年显著上升的趋势。相关应用技术的发展都对稳压电源应用领域的进一步拓宽起到了积极作用,极大地带动了稳压电源市场需求量的增加。我国经济的快速发展为稳压电源行业带来了良好的发展基机遇,巨大的潜在市场也为我国稳压电源行业发展提供了良好的环境。我国直流稳压电源行业具有广阔的发展前景,它是一个拥有较高利润空间的产业,它的发展也将带动更多相关产业的发展。随着我国稳压电源市场政策的进一步规范,与产业政策相关联的上下游行业将有着良好的投资机遇。2设计要求与系统方案2.1设计任务与要求从实用出发,采用单片机或数
10、字信号处理(DSP)芯片,结合其他外围硬件电路设计一个数字控制和显示的直流电源。在设计过程中,选择12个单元电路使用仿真软件(例如Multisim、Proteus等)进行仿真调试。系统的基本要求如下:系统电压调节范围为012V,最大输出电流1A,具有过载和短路保护功能。输出电压可用1602LCD液晶显示。键盘设有6个键,复位键,步进增减1V两个键,步进增减0.1V两个键以及确认键。复位键用于启动参数设定状态(5V),步进增减键用于设定参数数值,确认键用于确认输出设定值。电源开机设定电压输出默认值为5V。通过步进增减按键功能选择可在不同的设定参数之间切换,再按确认键进入设定电压输出状态。若按复位
11、键,则电压输出恢复5V。系统设有自动识别功能,将不接受超出使用范围(012V)的设定值。2.2方案选择与论证稳压电源的分类方法繁多,按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源;按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源;按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源;按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源,等等。如此繁多的分类方式会让我们摸不着头脑,不知道从哪里入手。我们必须弄清楚各个类别的特点,才能从中选出最佳方案。2.2.1主控芯片方案方案一:采用STC89C51作主控芯片STC89C51为8位单片机,程序存储器位8K,外部可扩展至64KB,内部RAM位512B,可
12、扩展至64KB,4组可位寻址的8位输入/输出口,即图中P0,P1.P2,P3。有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,STC89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储结合在一起,特别是可反复擦写Flash存储器可有效地降低开发成本。在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。方案二:采用Atmage16单片机为控制核心(1)采用先进RISC结构的AVR内核(2)片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器(3)片内含J
13、TAG界面(4)宽电压、高速度、低功耗(5)片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD;片内含有1M/2M/4M/8M,经过标定的、可校正的RC振荡器,可作为系统时钟使用;多达21个各种类型的内外部中断源;有6种休眠模式支持省电方式工作等等。综合考虑,采用方案二更容易实现本课题的设计。2.2.2 电压输出方案方案一:简单的并联型稳压电源并联型稳压输出的调整元件与负载并联,因而具有极低的输出电阻,动态特性好,电路简单,并具有自动保护功能;负载短路时调整管截止,可靠性高,但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流,损耗过大。方案二:串联型稳压电源并联稳压输出有效率低、输出电压调节范
14、围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源可以避免这些缺点。而简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压无法调节,必须对简易稳压电源进行改进,增加一级放大电路,专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程,所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。而这部分电路的设计会比较麻烦。方案三:输出可调的开关电源 开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;且容易实现短路保护与过流保护,只是电路在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度差。综合考虑效率,输出功率,输入输出电压,负载调整率, 本设计选用方案三,要求较低,较易实现.对于效率和纹波的要求可以通过仔细调
15、整磁性元件的参数(L,Q,M等)使其工作在最佳状态。我们在选择方案的时候考虑到电路要简单,元件要容易找,所以我们选择了上述的方案中的第三个方案。2.2.3 驱动电源方案驱动电源是整个系统的总电源,通常可以有两种方案:方案一:可以采用三极管等分立元件来实现。但电路复杂,调试困难,干扰强,稳定性差,不适合做高精度数字电源。方案二:采用集成三端集成稳压芯片。从性价比来说,采用三端集成稳压芯片来实现要好很多,现在的稳压芯片功能强大,且价格低廉,很适合我们此次的设计。2.2.4 显示电路方案方案一、采用高亮LED数码显示电路 方案二、采用液晶显示电路直接利用单片机的软硬件资源实现高精度高速A/D转换,转
16、换精度和转换速度还可以通过软件来改变,价格也低廉。不过对软件部分要求较高。3系统硬件电路设计系统的总体结构如图21所示,电路系统结构如图1所示,系统选用Atmage16单片机为控制核心,外部扩展L6203驱动芯片用以实现电压输出功能,同时1602液晶显示相应的输出电压值。单片机计算设定值与AD转换采样反馈值的偏差以及偏差的变化率,得出相应的输出值,由DA转换变换为模拟量去驱动电压输出控制电路,从而使电压稳定在设定值。图31 系统总体结构图3.1 ATmage16单片机模块3.1.1 ATmage16简介ATmega16是AVR系列单片机中比较典型的芯片,其外部引脚封装如图2所示。 其中,各个引
17、脚的功能如下: (1)电源、系统晶振、芯片复位引脚Vcc: 芯片供电(片内数字电路电源)输入引脚,使用时连接到电源正极。AVcc:为端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚。不使用ADC时,直接连接到电源正极;使用ADC时,应通过一个低通电源滤波器与Vcc连接。AREF:使用ADC时,可作为外部ADC参考源的输入引脚。GND: 芯片接地引脚,使用时接地。XTAL2:片内反相振荡放大器的输出端。XTAL1:片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。RESET:RESET为芯片复位输入引脚。在该引脚上施加(拉低)一个最小脉冲宽度为1.5us的低电平,将引起芯片的硬件复位(外部复位)。(2)32根
18、I/O引脚,分成PA、PB、PC和PD四个8位端口,他们全部编程式控制制的双(多)功能复用的I/O引脚(口)。四个端口的第一功能是通用的双向数字输入/输出(I/O)口,其中每一位都可以由指令设置为独立的输入口,或输出口。当I/O设置为输入时,引脚内部还配置有上拉电阻,这个内部的上拉电阻可通过编程设置为上拉有效或上拉无效。如果AVR的I/O口设置为输出方式工作,当其输出高电平时,能够输出20mA的电流,而当其输出低电平时,可以吸收40mA的电流。因此AVR的I/O口驱动能力非常强,能够直接驱动LED发光二极管、数码管等。而早期单片机I/O口的驱动能力只有5mA,驱动LED时,还需要增加外部的驱动
19、电路和器件。芯片Reset复位后,所有I/O口的缺省状态为输入方式,上拉电阻无效,即I/O为输入高阻的三态状态。图32 ATmage16 外部引脚与封装示意图3.1.2 ATmage16主控电路应用ATmage16 主要完成PWM 波的输出及控制功能。它可以先产生一定脉宽的PWM 波,作为L1603 驱动电路输入信号,然后根据所需要的基准电压与检测到的输出电压的比较,调整脉宽,即改变占空比,最终实现高性能可调直流稳压。 图33内部晶体振荡器外接电路3.2 L6203电压输出模块3.2.1 L6203芯片简介 L6203是DMOS全桥直流驱动器,OUT1和OUT2之间接直流电机。它的工作原理是当
- 1.请仔细阅读文档,确保文档完整性,对于不预览、不比对内容而直接下载带来的问题本站不予受理。
- 2.下载的文档,不会出现我们的网址水印。
- 3、该文档所得收入(下载+内容+预览)归上传者、原创作者;如果您是本文档原作者,请点此认领!既往收益都归您。
下载文档到电脑,查找使用更方便
20 积分
下载 | 加入VIP,下载更划算! |
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 数字化 直流电源 设计