数控直流稳压电源最新.docx
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数控直流稳压电源最新
基于MCU的数控直流稳压电源设计
摘要：
本项目设计制作一个输出电压范围（6~12V）可调节和输出电流范围（0~500mA）可调节的数控直流稳压电源。
直流稳压电源通常是由四部分组成：
电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。
其中难点在第四部分，本项目设计制作的是一个串联型线性稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路四个单元模块。
本项目将基准电压设计成一个数控基准电压，则稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。
此基准电压通过单片机的A/D转换实现，通过差动放大电路与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码管显示出来。
本项目制作的数控直流稳压电源具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点。
关键字：
数控直流稳压电源；基准电压；取样电路；单片机
一、设计任务与要求
1、设计任务
设计并制作有一定输出电压调节范围和功能的数控直流稳压电源，其原理框图如
图1所示。
图1数控电源原理框图
2、基本要求
（1）输出直流电压调节范围+6V～+12V。
（2）最大输出电流为500mA。
（3）按键设定输出电压值，分辨率为0.1V。
（4）显示稳压电源实际输出电压值，要求精度为±（0.5％读数＋2个字）。
（5）实时采样并显示输出电流，显示分辨率为1mA，要求精度为±（2%读数+2个字）。
（6）电压调整率≤0.2%（输入电压变化范围－10%～＋10%下，空载到满载）。
（7）电流调整率≤1%（最低输入电压下，满载）。
（8）纹波电压（峰-峰值）≤10mV（最低输入电压下，满载）。
（9）具有过流保护功能；动作电流不大于600mA。
（动作电流为输出电压下降5%时，对应的输出电流值）
（10）要求一路单电源供电。
二、基本工作原理
一个直流稳压电源通常是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分构成，前三部分电路的作用及工作原理较为简单。
稳压电路较常用的串联型线性稳压电路具有结构简单、调节方便、输出电压稳定性强、纹波电压小等优点，其原理图如图2所示。
输入电压为整流滤波电路的输出电压。
稳压电路的输出电压为：
Uz
图3采用差动放大电路的稳压电路
由上式可知输出电压与基准电压为线性关系，当改变Uz的大小，则输出电压也将发生变化。
如果此基准电压是一个数控基准电压，则此稳压电路就可以构成一个数控的稳压电源。
数控基准电压源的原理框图如图3所示。
图4数控基准电压源原
三、单元电路设计参考
（1）稳压电路
串联型稳压电路参见图2，其中调整管是核心元件，它的安全工作是电路正常工作的保证，它的选用主要考虑其极限参数ICM，U（BR）CEO和PCM。
调整管极限参数的确定，必须考虑到输入电压UI由于电网电压波动而产生的变化，以及输出电压的调节和负载电流的变化所产生的影响。
由图可知，调整管的发射极电流IE等于采样电阻R1中电流和负载电流IL之和，即IE=IR1+IL，调整管的管压降UCE等于输入电压UI与输出电压UO之差，即UCE=UI-UO。
显然，当负载电流最大时，流过调整管发射极的电流最大，即IEmax=IR1+Ilmax。
通常，R1电阻上电流可以忽略，且IEmax≈ICmax，所以调整管集电极最大电流为：
ICmax≈IEmax
（2）当电网电压最高，即输入电压最高同时输出电压最低时，调整管承受的管压降最大，即UCEmax=UImax-UOmin
（3）当晶体管的集电极电流最大，且调整管承受的管压降最大时，调整管的功率最大，即Pcmax=ICmaxUCEmax
（4）由以上几式即可确定调整管的极限参数。
实际选用时，还要考虑留一定的余量。
（5）电路设计的参数计算：
图中输出电压关系为：
=12+1.5+1=14.5V
取
取1.2
取43
取560
放大倍数为6倍，取
采样电阻取值：
要满足最大采样电压不超过2.4V避免烧坏单片机ADC0口
所以取值：
额定电流下（500mA）负载是R=
C=133
取100
具体电阻视实验室提供的大小进行调整！
四、稳压电源主要性能指标
直流电源的技术指标分为两种：
一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压及温度系数等。
稳压电源主要性能指标测试。
1、输出电压范围
在额定负载情况下，稳压电源输出电压可调范围。
2、输出最大电流
最大输出电流是指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用Iomax表示。
一般情况下的工作电流Io＜Iomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止Io＞Iomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。
图5稳压电源性能指标测试电路
3、纹波电压
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差，一般直流电源的纹波电压VP-P≤10mV。
4、电压调整率
当输出电流和环境温度保持不变时，只考虑由于输入电压改变Ui所引起输出电压的变化量Uo与输出电压Uo的百分比，即
（5）
5、电流调整率
当输入电压和环境温度保持不变时，改变输出电流所引起输出电压的变化量Uo与输出电压Uo的百分比，即
（6）
该参数用于考核器件对应于负载变化而维持输出电压不变的能力。
6、输出最大电流
最大输出电流是指稳压电源正常工作的情况下能输出的最大电流，用Iomax表示。
一般情况下的工作电流Io＜Iomax，稳压电路内部应有保护电路，以防止Io＞Iomax或者输出端与地短路时损坏稳压器。
图15稳压电源性能指标测试电路
测试数据：
输入9V下降5%，即8.55V时，最大输出电流为594mA；
输入12V下降5%，即11.4V时，最大输出电流为598mA；
所以有上述数据得到：
最大输出电流小于600mA。
7、纹波电压
叠加在输出电压上的交流电压分量。
用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。
也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差，一般直流电源的纹波电压。
测试数据：
输入6.0V，输出电流501mA时，示波器的波动电压为Vp-p=8mV
小于实验要求（10mV），所以达到实验要求。
五过流保护电路（硬件保护）
为了使电路安全工作，一般需要加入过流保护电路。
当调整管输出电压不变时，负载电阻RL变小输出电流就变大，极限情形负载电阻短路。
输出电流变大，图6中的电阻R上压降增大，使得Q2的ICE电流增大，从而流向调整管基极电流变少，从而限制了输出电流的增大。
极限情形当UR超过VBE时，三极管Q2饱和导通，调整管无电流输出。
图6过流保护电路图
相关计算如下：
（14）
根据实验室已有电阻，取R=1.2Ω
六、实验数据测量与记录
相对误差=|设定电压-实测电压|/实测电压
当输入电压为17V时的测量数据：
最大输出电流（mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
504
6.00
6.07
5.91
1.52%
502
6.10
6.15
6.06
0.66%
507
6.20
6.22
6.15
0.81%
497
6.30
6.28
6.26
0.64%
503
6.40
6.45
6.41
0.16%
506
6.50
6.53
6.49
0.15%
502
7.00
6.97
6.98
0.28%
499
8.50
8.44
8.59
1.05%
501
9.00
8.98
9.09
0.99%
504
10.50
10.56
10.68
1.69%
503
11.00
11.05
11.08
0.72%
501
12.00
12.02
11.88
1.01%
小结：
由表中数据可知在误差允许范围内系统基本达到设计要求。
而且单片机测量值与使用高精度电压表的实测值很逼近。
系统设计达标。
当输入电压为15.3V时的测量数据
最大输出电流（mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
495
6.00
6.14
6.01
0.17%
505
9.00
8.96
9.27
2.91%
500
12.00
11.90
12.80
6.25%
当输入电压为18.7V时的测量数据
最大输出电流（mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
504
6.00
6.27
6.13
2.12%
503
9.00
9.06
9.45
4.76%
497
12.00
12.36
13.20
9.09%
空载时测量数据：
负载断开时（即输出电流0mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
0mA
6.00
5.29
6.41
6.39%
0mA
9.00
7.87
9.37
3.95%
0mA
12.00
11.60
13.70
12.4%
满载时测量数据：
输出电流为额定电流时（500mA）
设定电压（V）
数码管显示电压（V）
高精度万用表测量电压（V）
相对误差（设定电压与实测电压的误差）
504
6.00
6.07
5.91
1.52%
499
9.00
8.98
9.09
0.99%
503
12.00
12.02
11.88
1.01%
过流保护时测量数据：
设定电压（V）
额定电流（mA）
额定电流500mA下测得的电压（V）
过流时电压（V）
过流电流（mA）
6.00
503
6.06
6.06（1-5%）=5.75
590
9.00
497
8.87
8.87（1-5%）=8.43
594
12.00
502
11.97
11.97（1-5%）=11.37
598
小结：
由以上几个表格的数据可看出，本实验设计基本合理能够达到设计要求。
七、元器件（设计过程用分立元件实现）
三极管：
90133个，BD6811个，导线、电阻若干。
八、实验总结：
由上述原理分析知本项目设计制作一个输出电压范围（6~12V）可调节和输出电流范围（0~500mA）可调节的数控直流稳压电源。
由信号源提供一个直流电源设计制作一个串联型线性数控稳压电路，主要包括基准电压电路，调整管，比较放大，取样电路四个单元模块组成。
基准电压由单片机键盘数控输入提供，此基准电压通过单片机的A/D转换实现。
调整管采用9013三级管进行过流保护，比较放大器采用了由两个9013三极管构成的差动放大电路，与取样电压进行比较放大，输出电压通过调整管得到稳定，并通过单片机的D/A转换将采样电压，采样电流转换成输出电压电流并用数码管显示出来。
本项目制作的数控直流稳压电源达到了本实验的要求，具有结构简单、调节方便（采用单片机键盘数字输入控制）、输出电压稳定性强（电压调整率与电流调整率<1%）、纹波电压小（Vp-p=8mV）、有过流保护（IOmax<600mA）等优点。
附录：
单片机代码
#include
bitmodel=0;//定义model，0为输入数据，1为显示电压电流
bitflag1=0;//定义标志位作为INT7中断标志
chardata_10=0,data_1=0,data_01=0,date=0;//定义data表示输入三个数据的十位，个位和十分位
unsignedintDA_code=0,mun=0;//DA转化的数字量
intvoltage=0,current=0;//定义voltage、current表示测定的电压、电流值
intms=0;//定义ms为T0计时单位，每过10ms，ms加1
//时钟初始化,外部时钟12M
voidSYSCLK_Init（void）
{
inti;
OSCXCN=0x77;//外部时钟选择12M
for（i=0;i<256;i++）;
while（!
（OSCXCN&0x80））//等待晶体震荡稳定
{;}
OSCICN=0x08;//切换到外部时钟
}
//IO端口初始化
voidPORT_Init（void）
{
XBR2=0x40;//使能交叉开关
P3MDOUT=0xff;//将P3设置为推挽输出
}
//DAC初始化
voidDAC1_Init（）
{
REF0CN=0x03;//内部偏压发生器工作
DAC1CN=0x80;//使能DAC1,更新发生在在写DAC1H时。
}
//ADC0初始化
voidADC0_Init（）
{
ADC0CN=0x80;//使能ADC0，向AD0BUSY写1启动ADC0转换，转化结果右对齐
REF0CN=0x03;//设置基准电压为内部偏压
AMX0SL=0x00;//通道选择,通道0，初始化为电压传感器
ADC0CF=0x28;//ADC0SC=5,ADC0的转化时钟为2M，PGA增益为1
}
//外部中断7初始化
voidINT7_Init（）
{
EIE2=0x20;//使能外部中断7
EIP2=0x20;//设置外部中断7为高优先级
}
//定时器T0初始化
voidT0_Init（）
{
CKCON=0x00;//定时器时钟选择，用系统时钟12分频
TMOD=0x01;//定时器方式设置为方式0
TH0=（65536-10000）/256;//为T0装初值
TL0=（65536-10000）%256;//
TR0=1;//开启T0
ET0=1;//允许T0中断
}
//数码管显示
voidDisplay（）
{
inti;
if（model==0）//model=0显示设定电压值
{
ZLG7289_Download（1,0,0,data_10）;
ZLG7289_Download（1,1,1,data_1）;
ZLG7289_Download（1,2,0,data_01）;
//ZLG7289_Hide（0x07）;
}
else//model=1，显示电流电压值，0～3管显示电流，4～7管显示电压
{
ZLG7289_Download（1,0,0,current/1000）;
ZLG7289_Download（1,1,0,（current%1000）/100）;
ZLG7289_Download（1,2,0,（current%1000%100）/10）;
ZLG7289_Download（1,3,0,current%1000%100%10）;
ZLG7289_Download（1,4,0,voltage/1000）;
ZLG7289_Download（1,5,0,（voltage%1000）/100）;
ZLG7289_Download（1,6,1,（voltage%1000%100）/10）;
ZLG7289_Download（1,7,0,voltage%1000%100%10）;
}
}
//处理读按键值并更新DAC输出
voidRead（）
{
charkey_data;
key_data=ZLG7289_Key（）;//读键值
switch（key_data）
{
case0:
model=!
model;break;
case1:
if（data_10==1）data_10=0;elsedata_10++;break;
case2:
if（data_10==0）{if（data_1==9）data_1=0;elsedata_1++;}else{if（data_1==2）data_1=0;elsedata_1++;}break;
case3:
if（data_01==9）data_01=0;elsedata_01++;break;
//case5:
data_10=（data_10-1）%10;break;
//case6:
data_1=（data_1-1）%10;break;
//case11:
data_01=（data_01-1）%10;break;
default:
break;
}
if（data_10>1）
{
data_10=1;
data_1=2;
}
if（data_10==1&&data_1>2）
{
data_10=1;
data_1=2;
}
/*if（data_10==0&&data_1<6）
{
data_10=0;
data_1=6;
}*/
date=data_10*100+data_1*10+data_01;
Display（）;
DA_code=（4096*（data_10*10+data_1+data_01*0.1））/14.526;
DAC1L=DA_code%256;
DAC1H=DA_code/256;//向DAC1H写数据，DA更新输出
}
//调整输出
voidAdjust（）
{
if（voltage>date）//当输出电压大于设定值时，减小输出DA数字量值
{
if（DA_code>0）
{
DA_code--;
DAC1L=DA_code%256;
DAC1H=DA_code/256;//向DAC1H写数据，DA更新输出
}
}
elseif（voltage{
if（DA_code<4095）
{
DA_code++;
DAC1L=DA_code%256;
DAC1H=DA_code/256;//向DAC1H写数据，DA更新输出
}
}
}
voidmain（）
{
WDTCN=0XDE;
WDTCN=0XAD;//关闭看门狗
EA=1;//开启中断开关
SYSCLK_Init（）;//系统时钟初始化
ZLG7289_Init（60）;//ZLG芯片初始化
PORT_Init（）;//端口初始化
ADC0_Init（）;//ADC0初始化
T0_Init（）;//定时器T0初始化
INT7_Init（）;//外部中断7初始化
DAC1_Init（）;//DAC1初始化
while
（1）
{
if（model==0）//medel=0时，设定电压值，更新输出
{
if（flag1==1）
{
Read（）;
flag1=0;
}
}
else//model=1时，输出电压电流值，并调整DA_code的值
{
if（flag1==1）
{
model=!
model;
flag1=0;
Display（）;
}
AMX0SL=0x00;//采集输出电流值，输入选择AIN0
ADC0CF=0x2b;//采集输出电流值，增益为8
AD0INT=0;//清除转换结束标志
AD0BUSY=1;//开始转换
while（AD0INT==0）;//等待转换结束
current=（2*2421.0*（ADC0H*256+ADC0L））/32768;//计算电流值，单位为mA
AMX0SL=0x01;//采集输出电压值，输入选择AIN1
ADC0CF=0x28;//采集输出电压值，增益为1
AD0INT=0;//清除转换结束标志
AD0BUSY=1;//开始转换
while（AD0INT==0）;//等待转换结束
voltage=51*（2.421*（ADC0H*256+ADC0L））/4096-current/200.0;//计算电压值，单位为1V扩大10倍
if（ms>=50）
{
ms=0;
Display（）;
}
//Adjust（）;//调整，使输出电压值等于设定电压
}
}
}
//INT7中断服务程序
voidser19（）interrupt19using1
{
flag1=1;
P3IF=0x00;//标志位清零
}
//定时器T0中断控制函数
voidser1（）interrupt1using2
{
ms++;//计时周期为10ms，当有中断时，计时增加
TH0=（65536-10000）/256;//定时器初值重载
TL0=（65536-10000）%256;//
}
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