數(shù)控直流穩(wěn)壓電源完整論文.pdf

盛方單片機整理 作者：未知 1 緒緒 論論 電源技術尤其是數(shù)控電源技術是一門實踐性很強的工程技術， 服務于各行各 業(yè)。 電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。 當今電源技術融合了電氣、 電子、 系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的 現(xiàn)代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出 了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生 的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各 國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標準。 只有滿足產(chǎn) 品標準，才能夠進入市場。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，滿足國際標準的產(chǎn)品才能獲 得進出的通行證。數(shù)控電源是從 80 年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力 電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎。在以后的 一段時間里， 數(shù)控電源技術有了長足的發(fā)展。 但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達不到要求、 分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方 向， 是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術及電壓轉換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù) 控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術和控制理論的不斷發(fā)展，各種類 型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應用，到 90 年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精 度達到 0.05V 的數(shù)控電源， 功率密度達到每立方英寸 50W 的數(shù)控電源。 從組成上， 數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎 都為旋紐開關調節(jié)電壓，調節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩 數(shù)字化智能電源模塊是針對傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的， 數(shù)字化能夠減 少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)， 有效地解決電源模塊中諸如可 靠性、 智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題， 極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性。 電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點: 1)易于采用先進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，易于標準化，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整即可。 4)系統(tǒng)維護方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS232接口或RS485接口 或USB接口進行調試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復，甚至控 盛方單片機整理 作者：未知 2 制參數(shù)的在線修改、調試;也可以通過MODEM遠程操作。 5)系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那 樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減 小，生產(chǎn)成本下降。 6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。 為了得到高性能的并聯(lián) 運行逆變電源系統(tǒng)，每個并聯(lián)運行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易 于在模塊之間更好地進行均流控制和通訊或者在模塊中實現(xiàn)復雜的均流控制算 法(不需要通訊)，從而實現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。 第一章 系統(tǒng)設計 1.1 設計任務與要求 1.1.1 設計任務 設計一臺微機控制的數(shù)控直流電壓源，為電子設備供電。 在設計過程中，選擇 12 個單元電路使用仿真軟件（例如 Multisim2001 等）進 行仿真調試。 用計算機繪制所有的電路圖和印刷電路圖 1.1.2 設計要求 輸出電壓范圍 0-30v，步進值為 0.1V 電壓調整率 Sv0.05%V； 電流調整率 Si0.03%A； 紋波電壓峰峰值=5mA； 具有過流保護和短路保護功能；用數(shù)字顯示輸出電壓 1.2 方案的選擇與論證 1.2.1 總體設計方案 根據(jù)題目要求設計的框圖，如圖 1.1 所示： 方案一：此方案采用傳統(tǒng)的調整管方案，主要特點在于使用一套十進制計數(shù)器完 成系統(tǒng)的控制功能，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為 EPROM 的地址輸入，而由 EPROM 的輸出經(jīng) D/A 變換后去控制誤差放大的基準電壓， 以控制輸出步進。其框圖如圖 1.2 所示 盛方單片機整理 作者：未知 3 圖 2.1 原理框圖 如圖 1.2 調整管控制的穩(wěn)壓電源 方案二方案二：采用 51 系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改 變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的 大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以經(jīng)過 ADC0809 進 行模數(shù)轉換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及顯示。采 用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預置以及電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類 功能易于實現(xiàn)本系統(tǒng)以直流電源為核心，利用 51 系列單片機為主控制器，通過 鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達 0.1V，并可由數(shù)碼管顯示 實際輸出電壓值和電壓設定值。利用單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過 D/A 轉換 器（DA0832）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基 極， 隨著功率管基極電電流的變化而輸出不同的電壓。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒壓 源進行實時監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)過電流/電壓轉變后，通過 A/D 轉換芯片，實時把 模擬量轉化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓 更加穩(wěn)定，構成穩(wěn)定的壓控電壓源。 盛方單片機整理 作者：未知 4 圖 1.3 單片機控制的穩(wěn)壓電源 1.2.2 方案的比較與論證 數(shù)控部分 方案一采用中、小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成 控制電路內部接口信號繁瑣，中間相互關聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用 單片機完成整個數(shù)控部分的功能，同時，8031 作為一個智能化的可編程器件， 便于系統(tǒng)功能的擴展。 輸出部分 方案一采用線性調壓電源，以改變其基準電壓的方式使輸出不僅增加/減少， 這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出的影響， 而方案二中使用運算放大器作 前級的運算放大器，由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以大大減小 輸出端的紋波電壓。在方案一中。為抑制紋波而在線性調壓電源輸出端并聯(lián)的大 電容降低了系統(tǒng)的響應速度，這樣輸出的電壓難以跟蹤快變的輸入，方案二中的 輸出電壓波形與 D/A 變換輸出波形相同，不盡可以輸出直流電平，而且只要預 先生成波形的量化數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生多種波形輸出，使系統(tǒng)陳給有一定驅動能力 的信號源。 顯示部分 方案一中的顯示輸出是對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸出， 顯示值為 D/A 轉換的輸入量，由于 D/A 轉換與功率驅動電路引入的誤差，顯示值與電源實際 盛方單片機整理 作者：未知 5 輸出值之間可能出現(xiàn)較大偏差。 方案二中采用三位半的數(shù)字電壓表直接對輸出電 壓采樣并顯示輸出實際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預制值與輸出值偏差過 大，用戶可以根據(jù)該信息予以處理。方案二中還采用了鍵盤/顯示器接口控制器 8279。不僅簡化接口引線，而且減小了軟件對鍵盤/顯示器的查詢時間，提高了 CPU 的利用率。 綜上所述，選擇方案二，使用單片機實現(xiàn)。 1.2.3 系統(tǒng)的原理框圖和電路圖系統(tǒng)的原理框圖和電路圖 圖 1.4 總體原理框圖 第二章 系統(tǒng)的硬件電路設計 2.1 電源部分 2.1.1 穩(wěn)壓電路結構組成 穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖 2.1 所示 盛方單片機整理 作者：未知 6 2.1 電源方框及波形圖 a.整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓 U2變換成脈動電壓 U3。濾波電 路一般由電容組成，其作用是脈動電壓 U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較 平滑的直流電壓 U4。 b.穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓 U4受負載、輸入電 壓 和 溫度的影響 不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓 U0。 2.1.2 電源設計 電源部分包括：+5V、15V 兩大部分： +5V 電源只要供單片機部分使用，原理圖如圖 2.2 所示 對于濾波電容的選擇， 需要注意整流管的壓降； 7805 的最小允許壓降波動 10%，所以允許的最大紋波的峰峰值U=92（1-10%）-1.4-5=2.76V C= IT U = 1 1/100 2.76 =3600Uf 選取的濾波電容所以選取的濾波電容 C=4700Uf/16V 15V 電源，其電源電路如圖 2.3 所示 允許的紋波峰峰值 1 1/100 2.76 U=182(1-10%)-0.7-12-U=4.9V 按近似電流放電計算，則 C= IT U = 0.7 1/100 4.9 =1430Uf 選取濾波電容選取濾波電容 C=2200uF/30V 盛方單片機整理 作者：未知 7 圖 2.2 和圖 2.3 盛方單片機整理 作者：未知 8 2.22.2 數(shù)控部分數(shù)控部分 2.2.1AT89C512.2.1AT89C51 單片機單片機 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內 含 4K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和 128 bytes 的隨機數(shù)據(jù)存 儲器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容 標準 MCS-51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器(CPU)和 Flash 存儲單元， 功能強大 AT89C51 單片機可提供高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制 領域。因此，在這里我選用 AT89C51 單片機來完成。 主要性能參數(shù)：主要性能參數(shù)： 與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃存存儲器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0hz-24hz 三級加密程序存儲器 128x8 字節(jié)內部 RAM 32 個可編程 I/O 口線 2 個 16 位定時/計數(shù)器 6 個中斷源 可編程串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 AT89C51 內存空間內存空間 1、內部程序存儲器（FLASH）4K 字節(jié)。 2、外部程序存儲器（ROM）64K 字節(jié)。 3、內部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）256 字節(jié)。 4、外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）64K 字節(jié)。 2.32.3 信號處理電路信號處理電路 2.3.1D/A2.3.1D/A 轉換轉換 電源輸出電壓范圍是 0-30V，步長 0.1V,共有 300 個狀態(tài)，而 8 位的 D/A 轉 換只有 256 個狀態(tài)，不能滿足要求，因此我需要選用 10 字長的 D/A 轉換器來達 到設計要求。 MAX504 是由美信（Maxim）公司生產(chǎn)的一種低功耗、電壓輸出型 10 位串行 數(shù)/模轉換器。MAX504 既可用5V 單電源工作，也可用5V 雙電源工作。該電 路采用 14 引腳 DIP 型或 SO 型封裝，圖 2 示出它的引腳排列，表 1 介紹它的引腳 功能。 盛方單片機整理 作者：未知 9 圖 2.5 MAX504 封裝圖 表 1 MAX504 的引腳功能 引腳序號 引腳名稱 引腳功能 1 BIPOFF 雙極性偏置/增益電阻端 2 DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端 3 CLR/ 清除端，異步置位 DAC 寄存器所有位 4 SCLK 串行時鐘輸入端 5 CS/ 片選端，低電壓有效 6 DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端 7 DGND 數(shù)字地 8 AGND 模擬地 9 REFIN 參考電壓輸入端 10 REFOUT 參考電壓輸出端，若不用應接至 VDD 11 VSS 電源負端 12 VOUT DAC 模擬輸出地 13 VDD 電壓負端 14 RFB 反饋電阻端 盛方單片機整理 作者：未知 10 2.42.4 鍵盤與顯示部分鍵盤與顯示部分 .1 顯示部分顯示部分 顯示數(shù)據(jù)以串行方式從 89C51 的 P12 口輸出送往移位寄存器 74LS164 的 A、 B 端，然后將變成的并行數(shù)據(jù)從輸出端 Q0Q7 輸出，以控制開關管 WT1WT3 的 集電極， 然后再將輸出的LED段選碼同時送往數(shù)碼管LED1LED2。 位選碼由89C51 的 P14P16 口輸出并經(jīng)譯碼器 74LS138 送往開關管 Y1Y8 的基極， 以對數(shù)碼管 LED1LED8 進行位選控制，這樣，4 個數(shù)碼管便以 100ms 的時間間隔輪流顯示。 由于人眼的殘留效應，這 4 個數(shù)碼管看上去幾乎是同時顯示。 2.4.2 鍵盤部分 鍵盤是有無數(shù)個按鍵組成的開關矩陣，它是一種廉價的輸入設備。一個鍵盤 通常包括數(shù)據(jù)鍵，字母鍵以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算機輸入 數(shù)據(jù)、地址、指令或其他的控制命令，實現(xiàn)簡單的人機對話。 用于計算機系統(tǒng)的鍵盤通常有兩種：一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別 有專用硬件識別。另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上鍵入及閉合鍵的識別由軟件實 現(xiàn)。 鍵盤接口應具有的功能： 鍵掃描功能，即檢測是否有鍵按下 鍵識別功能，確定被按下建所在的行列的位置 產(chǎn)生相應的鍵的代碼 消除按鍵彈跳及對付多鍵串鍵 這里我要選用的是非編碼 3x3 鍵盤結構，能自動消除鍵抖動影響，具有對按鍵 同時按下的保護，能把鍵盤信息存入堆棧，也可向 CPU 發(fā)中斷請求，得到響應 后，使 CPU 獲取按鍵信息，還可接受 CPU 隊間信息的查詢。 對每個鍵我們都賦予了特定的功能： 0-每按鍵一次增加 10V 1-每按鍵一次減少 10V 盛方單片機整理 作者：未知 11 2-每按鍵一次增加 1V 0 1 2 3-每按鍵一次減少 1V 3 4 5 4-每按鍵一次增加 0.1V 6 7 8 5-每按鍵一次減少 0.1V 7-清除顯示 8-開始顯示 AT89C51AT89C51 和和 82798279 鍵盤、顯示器接口鍵盤、顯示器接口 下圖 2.11 是 AT89C51、8279 與鍵盤和顯示器的接口電路，當有鍵按下時， 8279 可用中斷方式通知 C51。編程實現(xiàn)的功能是：當有鍵 0-8 按下時，完成健值 獲取，并用 LED 輸出顯示鍵值。 2.52.5 輸出電路輸出電路 .1 穩(wěn)壓輸出部分穩(wěn)壓輸出部分 這部分將數(shù)控部分送來的電壓控制字轉換成穩(wěn)定電壓輸出，電路主要由 D/A 轉換、穩(wěn)壓輸出、過流保護指示和延時啟動等幾部分組成，電路圖如圖 所示 電壓輸出范圍為 0-29.9V，步長 0.1V，共有 300 種狀態(tài)，所以上面提到選用 10 位 D/A 轉換器 MAX504。設計中用兩個電壓控制字代表 0.1V，當電壓控制自從 0，2，4到 598 時，電源輸出電壓為 0.0，0.1，0.2到 29.9V。當 MAX504 基準電壓采用+15V 時，D/A 轉換電路滿幅，輸出為 15.0V（電壓控制字為 1023 時） 。由于世紀最大用到電壓控制字 598 ，因此 D/A 轉換部分最大輸出電壓 V1=(598/1023)*15=8.77 D/A 轉換部分輸出的電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸 出與參考電壓成比例，范圍是 0-29.9V，穩(wěn)壓輸出部分采用典型的串聯(lián)反饋穩(wěn)壓 電路， 也可以認為是以參考電壓作為輸入的直流功率放大器。這部分電路主要有 運放 U3A 和三極管 T1、T2 構成，T2 時大功率三極管。D/A 轉換電路輸出的電壓 V1 接到運放 U3A 的同相端，穩(wěn)壓電源的輸出經(jīng) R5、RW3 和 R6 組成的取樣電路分 壓后送到運放 U3A 的反相端，經(jīng)運放比較放大后，驅動由 T1 和 T2 組成的復合調 整管。當電路平衡時，D/A 輸出電壓 V1 與取樣電壓 V2 相等，R5=500 ,R6=340 ,51 電位器 RW3 調在中間位置，設穩(wěn)壓電源輸出電壓為 VOUT，則 V2=(R6+51/2)/(R5+R6+51)* VOUT =(340+25.5)/(500+340+51)* VOUT =0.294VOUT 因為 V1=V2 VOUT=V1/0.294=3.4V1 所以 VOUT=3.4V1=3.4*8.79V=29.9V 盛方單片機整理 作者：未知 12 .2 輸出電壓顯示電路輸出電壓顯示電路 為了實現(xiàn)輸出電壓的實時監(jiān)控， 使用 ICL7107 搭接的數(shù)字電壓表對其輸出電壓采 樣測量，并輸出顯示，用戶可以從顯示器上看見兩個電壓值：其一為單片機設置 的電壓值，即期望值，其二為輸出電壓的實測值。正常工作時兩者相差很小。一 旦出現(xiàn)異常情況，用戶可以看到期望值不符，從而采取相應的措施。 輸出電壓測量/顯示電路如圖 第三章第三章 系統(tǒng)的系統(tǒng)的軟件設計軟件設計 軟件要實現(xiàn)的功能是：鍵盤對單片機輸入數(shù)據(jù)，單片機對獲得的數(shù)據(jù)進行處 理，送到10位數(shù)模轉換器（MAX504）,再送到數(shù)字電壓表，實現(xiàn)數(shù)字量對電壓的 控制。 圖3.1單片機模塊方框圖 3.13.1 主控程序主控程序 主控程序首先進行系統(tǒng)初始化，然后讀入預置電壓值，輸出相應的電壓控制 字，等待鍵盤輸入。根據(jù)鍵盤的不同輸入，用散轉方式轉入相應的應用程序，執(zhí) 行后，若用戶又輸入“清除顯示” ，則輸出電壓控制字 0，返回初始狀態(tài)，等待 下一次按鍵?？驁D如圖 3.2 所示。 圖 3.2 主程序流程圖 圖 3.3 中斷服務程序流程圖 3.23.2 中斷程序中斷程序 過流保護由中斷實現(xiàn)，在中斷服務程序中進行各項報警和保護操作，中斷服 務程序框圖如圖 3.3 所示。 鍵盤中斷程序中將一標志置“1” ，表示有鍵鍵入，并將鍵盤碼讀入賦給一個 變量。 在主程序和哥哥應用程序中讀取此標志和變量值，作為進行各