1、电力工程 系 届毕业设计（论文）题目： 数控直流稳压电源 1数控直流稳压电源摘 要本论文所研究的数字稳压电源是以 AT89S51 单片机为主控制器，通过键盘设置由单片机程控输出数字信号，经过 D/A 转换器（AD0832）输出模拟量，再经过功率放大，实现输出电压步进 0.05V，输出范围为010V。实际测试结果表明，本系统实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。关键词： 直流稳压电源 单片机 数字控制ABSTRACTThis paper studies the digital manostat based on AT89S51 mainly through the keyboard cont
2、roller, digital signal output by microcontroller program, through D/A converter (AD0832) output analog, through the power amplifier, achieve output voltage stepping 0.05 V, output for 0 10V range. Test results show that this system application in need of high stability of small power constant-voltag
3、e source fields.2Keywords：regulated power supply of direct current；microcomputer， digital control3目 录1 引言 .12 系统方案论证与比较 .23 总体方案框图 .34 系统部分功能设计 .44.1 供电模块 .44.2 稳压输出模块 .64.2.1 稳压输出电路工作原理 .64.2.2 主要器件功能 .74.2.3 稳压输出电路参数计算 .94.3 单片机控制电路 .104.3.1 单片机 AT89C51.104.3.2 键盘设计 .134.3.3 显示电路 .134.3.4 A/D 转换电路
4、 .144.3.5 实现流程图 .175 主要单元电路的仿真 .175.1 电源电路电路仿真 .175.2 稳压输出电路仿真 .18结束语 .23参考文献 .24附 录 .2511 引言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
5、界各国纷纷对电源产品提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
6、件的研制应用，到90 年代，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，性能更完美。（2）控制灵活，
7、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。（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。2（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。2 系统方案论证与比较方案
8、一：此方案使用一套十进制计数器，一方面完成电压的译码显示，另一方面其输出作为 EPROM 的地址输入，而由 EPROM 的输出经 D/A 变换后控制误差放大的基准电压来实现输出步进。由于控制数据烧录在 EPROM 中，使系统设计灵活性降低。方案框图如图 1 所示。整流滤 波电路调整管 过流保护误差放大D / A 转换E P R O M十进制 计数器译码显示电压预置步进加步进减输出图 1 方案一原理框图方案二：采用 AT89S51 单片机作为整机的控制单元，通过改变 DAC0832 的输入数字量来改变输出电压值，间接地改变输出电压的大小。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进
9、控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。如图 2 所示。5 1 单 片机A / D 转换D / A 转换显示模 块采样电 路功率放 大双极输 出键盘模 块图 2 数控直流稳压电源系统框图在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能，同时，DA 8032 作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。方案比较3（1）数控部分 方案一中采用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差。在方案二中采用了 51 单片机完成整个数控部分的功能，同时，AT89S51 作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。
10、（2）输出部分 方案一中采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出步进增加/减小，这样不能不考虑整流滤波后的波纹对输出的影响，而方案二中使用运算放大器作前级的功率放大电路，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以大大减小输出端的纹波电压。在方案一中，为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出电压难以跟踪快变的输入，方案二中的输出电压波形与 D/A 变换输出波形相同，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，使系统成为有一定驱动能力的信号源。（3）补充说明在方案三中还采用了键盘、显示器，不仅简化接口引线，而且减小了软件对
11、键盘、显示器的查询时间，提高了 CPU 的利用率。比较以上方案的优缺点，方案一原理直观，但电路复杂，器件数量多。方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。3 总体方案框图本设计主要技术指标是：（1）输入电压：单相 AC220V10 50Hz5Hz，输出电压范围为 010V；（2）额定工作电流为 500m；（3）具有“+”、 “”步进电压调节功能，最小步进电压为 0.05V；（4）纹波不大于 10mV；（5）用数码显示器显示其输出电压值。本系统硬件设计主要由 AT89C51、稳压输出模块、按键处理模块、显示模块和供电模块 5 部分组成。其中，AT89C51 是系统
12、的核心，主要起控制作用；稳压输出模块包括 D/A 转换、双极输出、功率放大和采样电路，这部分电路将数控部分送来的电压控制字数据转换成稳定电压输出，输出的直流电压经 A/D 转换送入到 AT89C51 中去处理显示；按键处理模块完成对电压输出的步进调节控作用；显示模块对经 A/D 转换后的电压信号经过主控 AT89C51 显示；供电模块对本方案各个模块提供供电作用。系统总体方案框图如图 3 所示。4为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以将输出电压经过 ADC0832 进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示。采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进控制，使
13、系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51 系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，设置步进等级可达 0.05V，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。利用单片机程控输出数字信号，经过 D/A 转换器（DA0832）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过 A/D 转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理， 通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。此系统比较灵活，采用软件方法来解决
14、数据的预置以及电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。5 1 单片机A / D 转换D / A 转换显示模块采样电路功率放大双极输出键盘模块供电模块+ 1 5 V5 V - 1 5 V图 3 数控直流稳压电源系统框图4 系统部分功能设计4.1 供电模块根据系统设计方案要求，本系统需要提供 3 种电压：+15V、15V 和 5V。这里采用中小功率线性稳压电源，供电电源为 220V，50Hz 市电，直流稳压电源组成框图如图 4 所示。U 22 2 0 v0 . 9 U 21 . 2 U 2 U 1I o = 0 . 5 AR图 4 直流稳压电源组成框图5直流稳
15、压电源由变压器、直流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，各部分电路的具体设计如下：1、集成稳压器的选择国产三端固定输出集成稳压器的通用产品有 CW7800 系列（正电源） 、CW7900 系列（负电源） 。输出电压由具体型号中后两个数字代表有多档选择，在此次设计中选取CW1815、CW7915、CW7805 共 3 个。其具有体积小、性能稳定、价格便宜等优点。2、稳压电源参数的设计（1）集成稳压器输入电压的确定稳压器的输入电压即为整流滤波电路的输出电压 UI，其值要选择合适，U I 太低则稳压器性能将受到影响，U I 太高则功耗太大，电源效率低。因此，U I 必须保证输入、输出电压差至少大于2
16、3V。根据本设计电源输出要求 15 V，这里选择集成稳压器的输入电压 UI=18V（取差值 3V） 。（2）整流电路设计这里采用桥式整流电路。对于桥式整流电路，整流二极管承受的最大反向电压为 1.4U2，即选择二极管最高反向工作电压 Urm 为：Urm1.4U 2=1.418=25.2V （公式 1）通过二极管的平均电流为 Io/2。考虑到电容充电时的瞬时电流较大，一般选择二极管最大整流电流 If 为：If=(2-3) Io/2=20.5/2=0.5A （公式 2）即选择整流二极管型号：1N4007 ， （I f=1A，U rm=1000V） 。（3）滤波电路滤波电路主要采用大电容滤波。一般滤
17、波电容 C 容量取大些好，但考虑到太大会增加成本，使电源体积增加，故这里选取：RC(3-5)T/2 （公式 3）式中 T=(1/50)s=0.02s；R 为整流滤波电路负载，为 R= UI/IO。这样，我们可以确定电容的容量，即：RC(3-5)T/2=(3-5)0.02/2=0.05RUI/ Io=18/0.5=36故 C 0.05/R=0.05/36=0.00138F=1380F （公式 4）由于电容器承受的最大峰值电压为 1.4U2，考虑到交流电源的电压波动，滤波电容的耐压值通6常取（1.52）U 2，即耐压值为 2 U2=218=36 V。因此，这里选择铝电解电容，容量 1500F，耐压
18、值 50 V。（4）电源变压器的选择：二次侧电压的确定：通常根据变压器二次侧输出功率选择变压器。变压器二次侧电压有效值 U2 应根据 Ui 来确定：Uimin/1.2U 2U imax/1.2 （公式 5）在此范围内 U2 越大稳压的压差越大，功率越大，一般取二次侧电压 U2 为：U2U imin/1.2=18/1.2=15V所以其变比n=U1/U2=220/18=12.2 （公式 6）加滤波电容后变压器二次侧电流不是正玄波，而对电容充电时的瞬时电流较大，因此二次侧电流有效值一般按下式计算： I2=(1.1-3) IO=30.5=1.5A （公式 7）即 P=I2U2=1.518=27W直流稳压电源的电路图如 5 所示。C W 7 9 1 5C W 7 8 1 5C W 7 9 0 52 2 0 VC 1C 2C 3C 4C 5C 6C 7C 8- 1 5 V+ 1 5 V注 ： C 1 = 1 5 0 0 u F C 2 = C 3 = 0 . 3 3 u FC 4 = C 5 = 0 . 1 u FC 8 = C 7 = 0 . 1 u FC 6 = 0 . 3 u F+ 1 5 V图 5 直流稳压电源的电路图
