全国电子设计大赛优秀报告.docx
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全国电子设计大赛优秀报告
全国电子设计大赛训练项目
设计报告
题目数控通用直流电源
姓名
学院物理与电子信息学院
专业电子信息科学类
2013年7月20日星期六
题目一数控通用直流电源
设计要求…………………………………………………………………………3
摘要………………………………………………………………………………3
一、方案论证与比较………………………………………………………4
1．1稳压电源部分方案比较…………………………………………………4
1.2稳压电源方案选择………………………………………………………5
1.3控制方案比较…………………………………………………………6
1.4控制方案选择……………………………………………………………6
二、系统的具体设计及实现………………………………………………7
2．1系统总框图………………………………………………………………7
2．2硬件设计…………………………………………………………………7
2．2．1开关稳压电源模块………………………………………………7
2．2．2单片机控制模块…………………………………………………8
2．2．3正、负输出可调稳压电源模块…………………………………9
2．2．4按键模块……………………………………………………10
2．3软件设计………………………………………………………………10
2．3．1主程序流程……………………………………………………11
2．3．2过流保护程序流程…………………………………………11
三、测试、结果及分析………………………………………………………12
3．1基本功能………………………………………………………………12
3．2发挥功能部分…………………………………………………………15
四、总结………………………………………………………………………15
五、参考文献…………………………………………………………………15
附录一、完整的系统原理图…………………………………………………16
附录二、完整的系统PCB图…………………………………………………17
附录三、实物图…………………………………………………………………17
附录四、完整的程序代码……………………………………………………18
数控直流可调电源
摘要
直流稳压电源是常用的电子设备,它能保证在电网电压波动或负载发生变化时,输出稳定的电压。
一个低纹波、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要的实际应用价值。
本设计用变压器输出的两组交流绕组，设计三组稳压电源，其中两组3V-15V可调，另一组固定输出＋５Ｖ;额定工作电流为,并具有“+”、“-”步进电压调节功能,其最小步进为,纹波系数不大于4%。
并具有数字电位器X9318调整单元基准电压的变化来组成高可靠、小纹波和高精度电压控制的直流可调稳压电源的硬件电路和单片机控制的
完整软件设计流程。
关键词:
直流数控；稳压电源；单片机STC89C52；
Digest:
TheDCregulatedpowersupply?
isafamiliarelectricequipment?
thatcanofferstablevoltagewheninputvoltagefluctuatesoritsloadchanges.ThedesignofDCregulatedpowersupplycanoffervoltagesfrom3Vto15V,ratedworkingcurrent,withthefunctionof“+”“-”stepvoltagesregulator.Itsminimumsteppedvoltageis12mV,ripplefactorlessthan4%.Thisisareliable,lowripplewaveandhighly-stableelectricequipment.
Keyword:
DCregulatedpowersupply,STC89C52?
设计任务与要求
一、设计任务
设计并制作一个直流可调稳压电源。
二、设计要求
1．基本要求
①用变压器输出的两组交流绕组，设计三组稳压电源，其中两组3V-15V可调，另一组固定输出＋５Ｖ;
②各组输出电流最大：
750mA；
③各组效率大于75%，在500mA输出条件下测量，应在ＤＣ／ＤＣ输入端预留电流测量端；
④为实现程序控制，预留MCU控制接口。
2．发挥部分
①设置过流保护，保护定值为；
②用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化；
③扩展输出电压种类（比如三角波、梯形波等）；
④可实现双电源同步调节或分别调节。
一、方案论证与比较
通过对题目的任务、要求进行分析，我们将整个设计划分成两个部分：
稳压电源部分和数控部分。
1.1稳压电源部分方案比较
方案一：
三端稳压电源
根据设计要求，可以采用三端稳压器来实现输出系统所需的三种直流电压：
固定+5V和两组可调输出。
其中，用7805实现固定5V的输出，LM317实现可调输出（控制输出电压为~37V）。
电路原理图如下：
图1固定5V输出
7805是我们最常用到的稳压芯片了，它的使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,它的输出电压为5v。
图2LM317可调电源模块
在综合考虑LM317的输出电压范围～37V和其最小稳定工作电流不大于5mA的条件下保证R1≤Ω，R2≤KΩ,就能保证LM317稳压块在空载时能够稳定工作。
输出电压：
VO=（1+R2/R1）,在LM317输出范围为～37V的条件下，R2/R1范围为：
0～。
优点：
线性电源工作稳定，输出纹波小，且不需做过多调整，使用较为方便，工作安全可靠，适合制作通用型、标称输出的稳压电源。
缺点：
线性稳压电路的内部功耗大，效率低，散热问题较难解决。
方案二：
晶体管串联式直流稳压电路
晶体管串联式直流稳压电路。
电路框图如图3所示，该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值（稳压值）。
图3晶体管串联式直流稳压电路方框图
方案三：
开关电源
根据设计要求，可选用开关电源来完成设计。
LM2596为电路设计核心。
图4开关电源原理图
当反馈线（即4脚）上不接电阻时，电路固定输出5V，当R1和R2比值一定时则可控制输出电压值。
优点：
功耗小，效率高；由于调整管上的耗散功率大幅度降低后，省去了较大体积的散热片，使得设计的开关稳压电源体积小，使用较为方便，且稳压范围大，实现稳压的方法也比较多。
滤波效率比较高，电路形式多样化，能满足不同的应用场合。
1.2稳压电源方案选择
电源技术特别是稳压电源技术在工程技术方面使用性很强，在各个行业里得到了广泛的应用。
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。
目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立元件组成，体积大，效率低，可靠性差，操作使用不便，自我保护功能不完善，故障率高（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稳定的[1]。
当在外在电压波动或负载电流变化的时侯也会使输出电压有所改变。
供给电子设备的电压源的不稳定,会使设备产生很多问题。
所以，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。
开关电源具有功耗小、效率高、稳压范围大等优点，克服了传统电源功耗大、可靠性差等缺点，并且,关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开关电源效率可达80%~90%，比普通线性稳压电源提高近一倍，目前已成为稳压电源的主流产品。
所以决定选择方案三，设计开关型稳压电路,既能实现设计要求,高效率又比较高。
1.3控制方案比较
方案一：
采用单片机的简易数控直流电源设计方案
采用STC89C52单片机作为该系统的控制单元，可以通过数据采样和LM2596的电压调整可以改变系统输出电压的大小。
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ADC0809进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理得到输出的电压大小，但是电路过于繁琐较难控制。
也可用数字电位器Ｘ9318的分档来计算输出电压。
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大小控制，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。
优点：
技术比较熟练，使用广泛，价格便宜，而且功能上也完全满足本系统的要求，用数字电位器还使电路设计较简便；缺点：
纹波系数较大。
方案二：
采用FPGA的简易数控直流电源设计方案
采用FPGA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FPGA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。
显示数据由FPGA提供。
采用FPGA作为控制器。
具有速度快，且自带512字节的EEPROM，不需要另外接扩展的EEPROM的优点；缺点是，我们对FPGA的使用不太熟悉，价格比较贵。
方案三：
采用各类数字电路来组成的数控直流电源设计方案
采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用CPLD等可编程器件。
本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。
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。
1.4控制方案选择
比较以上三种方案的优缺点，采用STC89C52作为控制器。
完成整个数控部分的功能，也便于系统功能的扩展。
且技术比较熟练，使用广泛，价格便宜，而且功能上也完全满足本系统的要求。
但因为本系统对单片机的速度要求不是很高。
经过比较，我们选用方案一并且用数字电位器Ｘ9318的分档来计算输出电压.。
电源采用数字控制，具有以下明显优点：
1.采用先进的智能控制策略和控制方法，与传统直流稳压电源相比，具有新颖性、独创性和先进性,体现出电源模块的高程度智能化，更加完美性能。
2.系统升级方便，控制比较灵活，只需修改控制算法，而不必改动硬件线路。
3.提高控制系统的可靠性，更容易实现标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用相同的控制板，而只需对软件控制部分做一些调整便可。
4.基于单片机的数控直流稳压电源，它不仅能作为常规的电子产品和科研实验电源用，而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比,系统电压输出的一致性比较好，成本低廉，方便量产。
二、系统的具体设计及实现
2．1系统总框图
图5系统总框图
2.2硬件设计
本系统由电源模块，数字控制模块，单片机控制模块，按键模块组成。
开关稳压电源模块
1）LM2596电源降压调整器原理图
图6LM2596降压调整原理图
LM2596系列开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内；可以用仅80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路
2）开关稳压电源原理分析
开关稳压电源原理：
电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成
图7电源方框图及波形图
a整流和滤波电路：
整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。
滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。
b稳压电路：
由于得到的输出电压U4受负载、输入电?
压?
和?
温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。
3）开关稳压电源原理图
图8开关稳压电源原理图
220V市电（实际供电电压为238V）经过变压器转换后得到双电压，再经过桥式整流滤波电路，得到*=（V）电压。
其中+电压根据公式Uout=Vref*（1+R2/R1）接入恰当比值的电阻经过LM2596稳压得到稳定+5v电压。
2.2．2单片机控制模块
1）STC89C52芯片资料
如图9所示。
该芯片正常工作电压为5V，支持的最高时钟频率为80MHz，Flash程序存储器为8KB,RAM数据存储器为512B,内置看门狗电路，支持ISP/IAP[6]。
本单片机具有以下优点：
1.超低功耗
（1）掉电模式：
典型功耗为,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
（2）空闲模式：
典型功耗为2mA。
（3）正常工作模式：
典型功耗为4mA-7mA。
2.超强抗干扰
（1）I/O口、电源、时钟、看门狗、复位电路都是经过特殊处理。
（2）宽电压，不怕电源抖动，工作电压范围为–6V。
（3）高抗静电（高ESD保护），轻松过2000V。
快速冲干扰。
图9STC89C52片引脚图
控制部分是系统整机协调工作和智能化的核心部分，采用STC89C52RC单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。
2）单片机控制模块原理图:
图10STC89C52最小系统原理图
2.2.3正、负输出可调稳压电源模块
1）数字电位器X9318功能说明
如图11所示X9318数字电位器包含一个电阻阵列滑动开关一个控制区和非易失性存储器滑动端位置由一个三线接口控制电位器由包含99个电阻单元的电阻阵列和一个滑动开关网络组成在每个电阻单元的两端之间有抽头点可访问滑动终端滑动端的位置由CS、U/D和INC输入端控制滑动端的位置可存储在非易失性存储器中在上电的操作中可重新被调用该器件可用作一个三终端电位器以控制电压或用作一个两终端可变电阻以控制电流,子数控电位器具备三个有力应用优势:
固态电位器的可变性和可靠性;基于计算机数控的灵活性;用于存储多个电位器设置或数据的非易失性存储器的保持性能良好.其应用范围非常广泛。
图11X9318引脚配置图
2）正负输出可调电源原理分析：
正、负输出电压可调的直流电源。
它主要由两片LM2596电源降压调整器（150KHz，3A）构成，电路十分简单能输出±15V的电压，通过滑动变阻器可调节电压。
由于该设计预定额定电流为,最大输出电压为15V，所以选用S9012。
Q1管和电阻R7、R8、R9、Q2管和电阻R11、R22、R18为过流保护部分。
当输出电流大于时，R8和R11上的压降为使得Q1、Q2管导通，达到过流保护的功能。
电阻R7、R18对Q1、Q2管基极分流，使三极管基极电流明显变小，降低三极管的功耗，保护三极管。
光耦U6、U7、U9起隔离作用；光耦U3、U8起电平转换作用，保证单片机接收到电平信号便于实现逻辑控制。
3）正负输出可调电源原理图
图12正负输出可调电源原理图
按键模块
图13按键模块原理图
系统共设置了8个独立按键，16个矩阵按键,实现对单片机的控制。
软件设计
主程序流程
过流保护序流程
三、测试、结果及分析
观察系统运行状况，并辅助示波器、万用表得到以下结果。
3．1基本功能
1）基本功能实现情况:
正电压可调电源的输出电压在可调,负电压在可调，稳压模块固定输出+5v。
+15v可调电源模块Io=，Uo=，Ii=，Ui=，η=%；-15v可调电源模块Io=，Uo=，Ii=，Ui=，η=77%效率为，DC/DC输入端已预留电流测量端CU控制接口已预留。
2）以下是固定5V输出测试数据（10组）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
预置电压v
输入电流mA
264
364
464
564
664
764
864
964
1385
2452
实测电压v
相对误差
0
0
3）电压输出特性图
4）以下是可调电源测试数据
1、当输出最大时
+15V可调输出电压最大时（Uo=）：
Uin
Iin
Uout
Iout
Pin
Pout
?
-15V可调输出电压最大时（Uo=）
Uin
Iin
Uout
Iout
Pin
Pout
?
2、当输出最小时
+15V可调输出电压最小时（Uo=）
Uin
Iin
Uout
Iout
Pin
Pout
?
-15V可调输出电压最小时（Uo=）
Uin
Iin
Uout
Iout
Pin
Pout
?
3．2发挥功能部分
过流保护基本实现，保护值为。
实现人工按键控制输出电压变化可实现双电源同步调节或分别调节，+15v可调电源纹波系数为%；-15v可调电源纹波系数为%，可调电源可以实现低频率的三角波、梯形波输出。
四、总结
本设计基本完成数控直流稳压电源的基本功能和发挥功能，采用LM2596作为电源模块的核心，使得输出电压极为稳定。
还扩展了精调、粗调功能。
并实现了单片机的控制功能，系统运行稳定，其他各项功能都比较完美的实现了。
经过本次设计，我对89C52单片机及数字电位器的使用、过流保护的设计等有了更深层次的了解！
五、参考文献
[1]数控直流稳压电源[EB/OL].盛方单片机整理
[2]冯泽虎,朱相磊,滕春梅.基于单片机的可编程直流稳压电源设计[J].中国高新技术企业,2009（21）:
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[5]DaveGarza.The8051Microcontroller[M].America:
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[6]LM2596卢月琼,李昌禧.用单片机制作的直流稳压可调电源[J].电子世界,2005（12）:
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[8]刘桂英,刘高潮,黄国华.串联型直流稳压电源的仿真分析[J].广西师范学院学报,2004,21
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[9]高伟.AT89C51单片机原理及应用（第一版）[M].北京:
国防工业出版社,2008,71-75
[10]汤竞南,沈国琴.51单片机C语言开发与实例[M].北京：
人民邮电出版社,2008,1-4,89-95
附录一本设计的电路原理图
附录二完整的系统PCB图
附录三实物图
附录四完整的程序代码
#include<>//包含头文件，一般情况不需要改动，头文件包含特殊功能寄存器的定义
sbitUD1=P1^0;//电源可调正端升/降控制脚
sbitINC1=P1^1;//电源可调正端“增加”控制脚
sbitSW1=P1^2;//电源可调正端LM2596开关控制脚
sbitXX1=P1^3;//电源可调正端过流检测信号
sbitUD2=P1^4;//电源可调负端升/降控制脚
sbitINC2=P1^5;//电源可调负端“增加”控制脚
sbitSW2=P1^6;//电源可调负端LM2596开关控制脚
sbitXX2=P1^7;//电源可调负端过流检测信号
sbitk1=P2^0;//电源可调正端升/降控制按键
sbitk2=P2^1;//电源可调正端增加控制按键
sbitk3=P2^2;//电源可调负端升/降控制按键
sbitk4=P2^3;//电源可调负端增加控制按键
sbitk5=P2^4;//电源同步升，降控制端
sbitk6=P2^5;//电源同步增加控制端
sbitled1=P2^6;//正电源指示灯
sbitled2=P2^7;//负电源指示灯
/*------------------------------------------------
定时器0初始化子程序
------------------------------------------------*/
voidInit_Timer0（void）
{
TMOD|=0x01;//使用模式1，16位定时器，使用"|"符号可以在使用多个定时器时不受影响
//TH0=0x00;//给定初值，这里使用定时器最大值从0开始计数一直到65535溢出
//TL0=0x00;
EA=1;//总中断打开
ET0=1;//定时器中断打开
}
/*------------------------------------------------
定时器0中断子程序
------------------------------------------------*/
voidTimer0_isr（void）interrupt1using1
{
inti;
TH0=（65536-10000）/256;//重新赋值12M晶振计算，指令周期1uS，
//最大值65536即所以
TL0=（65536-10000）%256;//直接定时器不够用，需要用循环处理,
//定时10ms，然后循环500次后输出10x1000=10s
i++;
if（i==1001）
{
i=0;
SW1=0;//打开LM2596
led1=0;//打开电源指示灯
TR0=0;//定时器开关打关闭
}
}
/*------------------------------------------------
定时器1初始化子程序
--------------
升级会员 