数控直流稳压电源设计说明Word文件下载.docx
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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。
数控电源是从80年代才真正的发展起来的，系统的一些电力电子理论基础在那期间刚刚建立。
这些理论的研究为其后来电源的发展提供了一个较好的基础。
在以后的电力电子发展中，数控电源技术的发展得到了长足的进步。
不过其产品存在数控程度要求达不到、分辨率不够高、功率密度低、可靠性比较差等缺点。
因此稳压电源以后主要的主要发展方向，是针对上述缺点不断的进行改善。
单片机技术与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[2]。
1.2本论文的主要设计思想
目前，市场上各种直流电源的基本环节大致一样，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等[3]。
本设计将单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节。
从组成上，本设计硬件电路主要由单片机、变压器、整流电路、滤波电路、稳压输出电路、D/A转换电路、显示电路等组成。
利用D/A转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计数控电源更显示出其优越性。
数控电源既能方便输入，具有较高精度和稳定性，而且在0.0V到9.9V可以任意设定输出电压，所有功能由面板上的键盘控制单片机实现，给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。
1.3数控直流稳压电源设计研究的意义
基于单片机的数控直流稳压电源，与传统直流稳压电源相比，具有新颖性、独创性和先进性。
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[4]。
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，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），采用一样的控制板，而只需对软件控制部分做一些调整便可。
4.系统电压输出的一致性比较好，成本低廉，方便量产。
2.各模块方案的论证
2.1控制方案比较
方案一:
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等可编程逻辑器件。
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。
方案二：
采用STC89C52单片机作为这个系统的控制单元，可以通过DAC0832的数据采样和LM324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DAC0832进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理与送LCD1602显示。
显示的电压值便是输出的电压大小。
此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以与电压的大小控制，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。
比较以上两种方案的优缺点，方案一采用中、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。
在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能，也便于系统功能的扩展[5]。
2.2稳压输出方案比较
采用线性调压电源
以改变其基准电压的方式使输出不仅增加/减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响。
方案二:
使用运算放大器对电压的比较放大
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。
在方案一中输出的电压很难跟踪电压的快速变化，而方案二中的输出电压波形与DAC0832的输出波形一样，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成产生波形的量化数据，便可以输出多种波形，使系统产生的信号源有一定的驱动能力。
2.3显示部分比较
使用数码管显示
使用多位数码管显示，显示不灵活。
使用LCD1602液晶显示
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示容丰富、超薄轻巧等优点。
本方案采用LCD1602，它具有两行显示，每行显示16个字符，采用单+5V供电，外围电路简单，价格便宜，具有很高的性价比。
而数码管虽然便宜，但显示单调。
占用过多的I/O。
2.4总体方案框图
系统总体方案框图如图2-1所示。
图2-1系统总体方案框图
3.系统的硬件电路设计
3.1主控制器模块
本设计采用PDIP封装的STC89C52RC芯片为主控制器，如图3-1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,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0.5uA,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，工作电压围为3.4–6V。
（3）高抗静电（高ESD保护），轻松过2000V。
（4）快速冲干扰。
图3-1STC89C52RC芯片引脚图
控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，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。
电路图如图3-2。
图3-2
单片机控制部分
3.2D/A转换模块
3.2.1D/A转换芯片DAC0832介绍[7]
DAC0832引脚图如图3-3所示。
图3-3D/A转换DAC0832引脚
CS:
片选信号,低电平有效。
ILE:
输入锁存允许信号,高电平有效。
WR1:
写信号1（低电平有效）。
WR2:
写信号2（低电平有效）,输入锁存器将8位数据传输到DAC寄存器
IOUT1：
模拟电流输出端1。
当输入数字为：
全”1”时,输出电流最大，约为255VREF/256REB全”0”时,输出电流为0。
IOUT2：
模拟电流输出端2，IOUT1+IOUT2=常数
RFB：
反馈电阻引出端,此端可接运算放大器输出端
VREF：
参考电压,-10V～+10V
Vcc：
芯片电源电压,+5V～+15V
AGND：
模拟信号地
DGND：
数字信号地
DI7~DI0：
数字量输入信号，其中:
DI0为最低位，DI7为最高位[7]
3.2.2D/A转换控制部分
系统设置D/A转换接口，采用8位模数转换器DAC0832。
其电路如图3-4所示。
D/A转换部分的输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压输出电路的输出与参考电压成比例。
8位的D/A数据口分别与单片机的P0口相连，DAC0832的片选信号和写信号分别由单片机的P32脚和P36脚控制，8位字长的D/A转换器具有256种状态。
其时序图如图3-5所示。
图3-4
D/A转换控制部分原理图
图3-5DAC0832数模转换时序图
Clk为时钟端，Data为输入数据，LOAD为输入控制信号。
每路电压输出值的计算：
REF为参考电压，data为输入8位的比特数据；
本设计用的REF为-5v。
3.3稳压输出模块
3.3.1稳压控制芯片LM324
LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。
它的部包含四组形式完全一样的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立[8]。
每一组运算放大器可用图3-6所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；
Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位一样。
LM324的引脚排列见图3-7所示。
图3-6LM324同向输入与反向输入
图3-7LM324引脚图
由于LM324四运放电路具有电源电压围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
3.3.2稳压输出原理与电路
此部分将经过D/A转换后的初始电压转换成设备所需要的特定电压。
从DAC0832的IOUT2引脚输出电压作为稳压输出电路的参考电压。
稳压电路输出的电压大小与DAC0832的IOUT2输出参考电压成比例。
稳压输出电路采用的是串联式反馈稳压电路（如图3-8），在电路中，U5A—LM324为比较放大器，U5B—LM324为运算放大器，D/A转换电路的输出电压OUT2接到U5A—LM324的同向端（LM324的第2脚），U5A—LM324运放的输出端（LM324的第5脚）输出的电压一边送到运放U6A—LM324的同向端（LM324的第1脚），一边反馈回DAC0832的RFE1基准电压。
变位器R5作为U6A—LM324反馈电路中的反馈电阻。
经运放比较放大后，在经过U6A-LM324的电压放大与调整，使得输出的电压与LCD1602显示的电压保持一致[9]。
图3-8串联式反馈稳压电路
3.3.3稳压输出模块仿真图
通常，直流稳压电源是用可变电阻来实现输出电压的调节，那么要在直流稳压电源的基础上实现数字控制的话，实际上我们只要用数字控制部分来代替可变电阻，就能实现数控直流稳压电源这一课题。
所以，首先要做的，就是选择合适的稳压输出电路并对其可行性进行了仿真。
如图3-9所示，用LM324的比较放大作用很容易就验证了此稳压输出电路的可靠性[10]。
图3-9
稳压电路仿真图
3.4按键控制模块
按键控制模块如图3-10所示。
本设计中，采用独立按键K1-K9对单片机核心芯片STC89C52RC进行输入控制。
各按键分别一端接地，一端接单片机引脚。
实现功能：
按键K1-K9为对应的数字0-9，K00表示位选择键（十位或各位）,K11是确定键。
选择电压后，按确定键，便可输出所需的电压。
图3-10键盘控制电路图
按键的具体意义如表3-1：
表3-1按键的定义
1
2
3
位选择
4
5
6
确认
7
8
9
3.5液晶显示模块
3.5.1LCD1602主要管脚介绍[11]
显示模块为本设计的重点模块，用于实时显示输出电压值。
这里采用1602液晶显
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