1、安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）安徽矿业职业技术学院毕业课题（设计）（2015 届）题 目 基于单片机程控精密直流电源的设计 指导教师 陈 振 伟 老师 院 系 自动化与信息工程系 班 级 电气自动化 1203 班 学 号 125802020023 姓 名 张强 二一五年五月十四日安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）摘 要随着电子信息产业的迅速发展，推动了电源行业朝着更高灵活性和智能化的方向发展。稳压直流电源在各种电子产品和电子实验中都扮演着越来越重要的角色。本文设计了一款稳定性好、精度高、输出可程控的线性直流电源。该电源功能实现设计包含硬件部分和软件部分两大块。其
2、中硬件部分由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路、程控电路、显示电路以及支持单片机运行的电路。交流电网的 220V 流入变压器变压后，经过整流、滤波电路成为近似的直流电压，再通过稳压电路获得稳定的直流输出。整个设计是一个模块化的设计方法，每个模块电路功能的基础上，综合考虑，选择最佳的组合来实现设计的目的。此方案的控制部分采用 8031 单片机，输出部分也不再采用传统的调整管方式，而是在 D/A 转换之后，经过稳定的功率放大而得到。因为使用了单片机，整个系统可编程，使得系统的灵活性大大增加。该直流稳压电源输出范围 0V10V 的直流电压，输出分辨率为 0.01V，采用键盘预置电压值
3、的控制方式，输出电压的实际值与计算编程得出的理论值之误差的绝对值不超过 0.05V。本设计具有线路简单、响应迅速、稳定性好等特点，由于采用直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。本文详细分析了电源的拓朴图及工作原理。关键词 : 直流稳压电源 ；8031 单片机；程控 ；精密；功率放大 安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）目 录第 1 章 绪 论11.1 研究背景11.2 研究目的和意义21.3 总体设计方案3第二章 系统硬件部分设计42.1 稳定电源模块42.2 整流电路2.3 滤波电路2.4 单片机最小
4、控制模块2.5 按键控制模块2.6 显示器模块2.7 D/A 数模转换模块2.8 稳压控制模块第三章 系统软件部分设计3.1 系统软件设计的原则3.2 程序设计流程图3.3 按键设置流程图3.4 D/A 转换流程图3.5 显示模块流程图第四章 结 论参看文献致 谢附 录安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）- 0 -绪 论1.1 研究背景伴随着改革开放的步伐，我国的电子信息产业从 90 年代开始有了非常迅猛的发展。随着各种高新技术的引进与飞速更新，电源产业也经历了从无到有，从有到高端的发展路程。从最原始的低端化学电源，到之后高端数控电源，电源行业跟随着科技发展的步伐，朝着越来越灵活，
5、越来越智能的方向发展。由于国家对科学技术的重视与资金支持，我们的电力电子技术的研究已经能紧紧跟随国外先进技术的步伐，可以生产出技术含量高，达到国际先进水平的产品。从国内外目前已掌握的技术来看，完全由硬件实现的电流源多采用固定值的控制，而数控电流源的电流可任意设定，且控制精度较高。然而同发达国家相比，仍然存在很大的差距和不足：在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为 1015 年，尤其在实现直流恒流的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程
6、系统器件来控制开关直流稳压电源或数字化电压达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还存在很大的差距和不足。总的来说，国内直流恒流源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。1.2 研究目的和意义电源作为电子设备的核心部分，其性能的好坏直接影响到电子设备的可靠性。所涉及到的电源技术应用十分广泛，服务于很多行业和产品之中。时下的电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多领域。随着社会的发展和科技的进步，对电源技术的发展提供了广阔的空间，同时也相应的提出了更高的要求。时下市场上许多数控电流源存在的问题主要表现在：输出精度不是很高，负载能力不是太强，
7、性价比不高，操作程序复杂，工作状态不太稳定等方面。此次研究就是想通过 AT89C51 单片机作为控制系统来提升输出精度，再加上采用模块组合优化稳压电路的方法来提升整个电源的负载能力，设计出所需要的符合标准的可以程控、输出电压数码显示的线性稳压直流电源，努力优化组合现有的先进技术，不断推动直流稳压电源行业的进步，为将来更先进的技术和目的的实现打下坚实的基础。安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）- 1 -1.3 总体设计方案单片机技术的运用，不仅可以达到纯数字电路的效果，还可以大大简化电路，利用软件对电路进行保护，使得整体上能够保证高精度、高性能、低功耗等优点。图 1.1 总体方案电路
8、框图安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）- 2 -2 系统的硬件部分设计2.1 稳压电源模块在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成可以用图 2-1 表示，它是由变压器，整流，滤波，和稳压电路等四个部分组成。图 2.1 直流稳压电源组成框图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电压变成脉动的直流电压。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，从而得到平滑的支流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有正负 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
9、压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。当负载要求功率较大，效率较高时，常采用开关稳压电源 1。方案一：半波整流电路。半波整流电路原理图如图 2.2 所示它由电源变压器 T 整流二极管 D 和负载电阻 组成,变压器的初级接交流电源,次级所LR感应的交流电压为 22sinsinmuUtt其中 为次级电压的峰值, 为有效值。2mU电路的工作过程是：在 的正半周（ ）,二极管因加正向偏压而导通,有电20t:流 流过负载电阻 。由于将二极管看作理想器件 ,故 上的电压 与 的正半周电压LiLRLRLU2安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）- 3 -基本相同。
10、在 的负半周（ ）,二极管 D 因加反向电压而截止, 上无电流流2U2t: LR过, 上的电压 = 0。LRL半波整流电路结构简单,元件少,但是输出电压直流成分较小（只有半个波）,脉动程度较大,整流效率低,所以仅适用于输出电流小、允许脉动程度大、要求较低的场合 2。二极管半波整流电路实际上利用了二极管的单向导电特性。 方案二：全波整流电路。原理图如图 2.3 所示。图 2.3 全波整流原理图它是由次级具有中心抽头的电源变压器 Tr、两个整流二极管 、 和负载电阻 组1D2LR成。变压器次级电压 和 大小相等，相位相反，即 21U212m2sinsintt式中， 是变压器次级半边绕组交流电压的有
11、效值。全波整流电路的工作过程是：在 的正半周（ ） 正偏导通， 反偏截止，20t:1D2上有自上而下的电流流过， 上的电压与 相同。在 的负半周（ ），LRLR21U2t:反偏截止， 正偏导通， 上也有自上而下的电流流过， 上的电压与 相同 3。1D2 LR2U全波整流输出电压的直流成分（较半波）增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。方案三：桥式整流电路。原理图如图 2.4 所示，是使用非常多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥“式结构，便具有全波整流电路的优点，同时还能在一定程度上克服了它的
12、不足。 图 2.4 桥式整流电路原理图安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）- 4 -桥式整流电路的工作原理如下： E2 为正半周时，对 、 和方向电压， ， 导1D31D3通；对 、 加反向电压， 、 截止。电路中构成 、 、 、 通电回路，在2D4D42EfR3，上形成上正下负的半波整洗电压， 为负半周时，对 、 加正向电压， 、fzR2 42导通；对 、 加反向电压， 、 截止。电路中构成 、 、 、 通电回路，413132f4同样在 上形成上正下负的另外半波的整流电压。 如此重复下去，结果在 上便得到全f波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的 4。 桥式整流电路的整流效
13、率和直流输出与全波整流电路一样，而且变压器的利用率最高。所以本设计就采用的是桥式整流电路。 2.2 滤波电路滤波电路常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，电感组成而成的各种复式滤波电路。对于滤波电路有两种方案。方案一：桥式整流电路。桥式整流电感滤波电路如图 2.5 所示。图 2.5 桥式整流电感滤波电路根据电感的特点，当输出电流发生变化时，电感 L 中将感应出一个反电势，使整流管的导电角增大，其方向将阻止电流发生变化。在桥式整流电路中，当 正半周时， 、2U1D导电，电感中的电流将滞后 不到 90。当 超过 90
14、后开始下降，电感上的反电势3D2U2有助于 、 继续导电。当 处于负半周时， 、 导电，变压器副边电压全部加到13 D4、 两端，致使 、 反偏而截止，此时，电感中的电流将经由 、 提供。由于1D3 24桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管 、 ； 、 的导电角 都是13180，这一点与电容滤波电路不同。已知桥式整流电路二极管的导通角是 180，整流输出电压是半个正弦波，其平均值约为。电感滤波电路，二极管的导通角也是 180，当忽略电感器 L 的电阻时，负载上输出的电压平均值也是。如果考虑滤波电感的直流电阻 R，则电感滤波电路输出的电压平均值为安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设
15、计（论文）- 5 -（1）要注意电感滤波电路的电流必须要足够大，即 不能太大，应满足 L ，此时 可LRLROAVI用下式计算由于电感的直流电阻小，交流阻抗很大，因此直流分量经过电感后的损失很小，但是对于交流分量，在 L 和上分压后，很大一部分交流分量降落在电感上，因而降低了输出电压中的脉动成分。电感 L 愈大，RL 愈小，则滤波效果愈好，所以电感滤波适用于负载电流比较大且变化比较大的场合。采用电感滤波以后，延长了整流管的导电角，从而避免了过大的冲击电流 5。方案二：电容滤波电路当电路采用电容滤波，输出端空载，如图 2.6 所示。图 2.6 桥式整流电容滤波电路设初始时电容电压 为零。接入电源
16、后，当 在正半周时，通过 、 向电容器 CCu2u1D3充电；当在 的负半周时，通过 、 向电容器 C 充电，充电时间常数为 。22D4 cintR式中包括变压器副边绕组的直流电阻和二极管的正向导通电阻。由于 一般很小，电容器很快就充到交流电压 的最大值。此后， 开始下降，由于电路输出端没接负载，电容2u2u器没有放电回路，所以电容电压值 不变，此时， ，二极管两端承受反向电压，处CC2u于截止状态，电路的输出电压 ，电路输出维持一个恒定值 6。实际上电路总要带一定的负载，有负载的情况如下。接通交流电源后，二极管导通，整流电源同时向电容充电和向负载提供电流,输出电压的波形是正弦形。在时刻，即达
17、到 90峰值时， 开始以正弦规律下降，此时二极管是2u2u否关断，取决于二极管承受的是正向电压还是反向电压。安徽矿业职业技术学院 2015届毕业设计（论文）- 6 -先设达到 90后，二极管关断，那么只有滤波电容以指数规律向负载放电，从而维持一定的负载电流。但是 90后指数规律下降的速率快，而正弦波下降的速率小，所以超过90以后有一段时间二极管仍然承受正向电压，二极管导通。随着 的下降，正弦波的下2u降速率越来越快， 的下降速率越来越慢。所以在超过 90后的某一点，例如图 5(b)中Cu的 时刻，二极管开始承受反向电压，二极管关断。此后只有电容器 C 向负载以指数规律2t放电的形式提供电流，直
18、至下一个半周的正弦波来到， 再次超过 ，如图 5(b)中的 时2u3t刻，二极管重又导电。以上过程电容器的放电时间常数为电容滤波一般负载电流较小，可以满足 较大的条件，所以输出电压波形的放电段比dt较平缓，纹波较小，输出脉动系数 S 小，输出平均电压 大，具有较好的滤波特性 7。OAVU2.3 单片机最小控制模块单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网
19、络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。英特尔的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳 8。早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。基于这一系
20、统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了 16 位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90 年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着 INTEL i960 系列特别是后来的 ARM 系列的广泛应用，32 位单片机迅速取代 16 位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的 8 位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起 80 年代提高了数百倍。目前，高端的 32 位单片机主频已经超过 300MHz，性能直追 90 年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至 1 美元，最高端的型号也只有 10 美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发
