固定式直流稳压电源的设计Word下载.docx

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宋海声

文档版本:

V1.0

摘要

本文介绍了一种基于单片机的智能稳压电源的设计方案，其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后的稳压模块的输出。

该系统由整流滤波初步稳压部分、单片机控制部分、DAC和显示部分组成，该稳压电源能连续步进可调，并且可实时显示，弥补了传统稳压电源的不足。

关键词：

单片机；

稳压电源；

连续步进可调；

DAC；

一、概述

1.1直流稳压电源的发展方向

（1）智能化

目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑采用微处理器的。

以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪表”。

智能仪器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。

直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，因此，它有可能而且应当智能化。

具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当具有以下功能特点:

①操作自动化。

系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。

②具有自检测功能，包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。

系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。

③具有友好的人机对话能力。

智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。

与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。

④网络管理能力。

随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，直流稳压电源通过RS232接口实现与上位PC机通信，从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数;

网络技术人员可通过网络定时开关电源，实现远程开关机等功能。

（2）数字化

在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。

在六、七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。

但是，现在数字式信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越来越多的优点:

便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰（提高抗干扰能力）、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、容错等技术的植入。

（3）模块化

电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化;

其二是指电源单元的模块化。

模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。

大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分担负载电流。

极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响系统的正常工作。

（4）绿色化

电源系统的绿色化有两层含义:

首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染;

其次这些电源不能（或少）对电网产生污染，国际电工委员会（IEC对此制定了一系列标准，如工EC555,IEC917,IECI000等。

20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础[7]。

1.2国内发展现状

在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，到了90年代以来，电源产业进入快速发展时期。

一方面，电源产业规模的发展在加快;

另一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品;

目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。

但是我国电源产业与发达国家相比，存在着很大的差距和不足:

在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年，尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。

目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。

国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置。

总体说来，国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。

1.3系统研究方向

本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。

智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。

数字化主要是指系统输出电压通过7段数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步进数字化调节。

模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠。

二、设计原理

2.1设计功能

本系统主要是通过调整前端可调稳压模块的可调电阻，然后进行数模转换，最后将转换后的数据通过调整显示，这样就避免了用万用表等测量工具去实际测量，可以直观的观察电压的变化，实现从模拟到数字的转化。

2.2设计目的及要求

（1）设计目的

①掌握测试多级放大器的电路参数及性能指标的方法；

②能够较全面地巩固和应用“模拟电子技术”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握电路设计的全过程（设计-仿真-PCB板制作-调试安装）。

③培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的模拟电子系统的能力。

（2）设计任务与要求

①输出电压：

范围0～＋9.9V，步进0.1V，纹波不大于10mV；

②输出电流：

500mA；

③输出电压值由数码管显示；

④由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；

⑤为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出±

10V，＋5V；

2.3.1稳压电源基本原理

直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成，其原理框图如图2.1所示。

电网供给的交流电压u1（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压uI。

但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

图2.1直流稳压电源框图

2.3.2稳压电路设计方案

方案一：

采用LM78XX系列三端稳压器稳压，电路如图2.2

图2.2三端稳压器稳压电路

方案二：

采用LM317系列可调三端稳压器稳压，电路如图2.3

图2.3可调三端稳压器稳压

方案三：

由运放组成的串联型稳压电源，电路如图2.4

图2.4串联型稳压电路

方案一与方案二都可实现稳定的电压输出，而且电路结构简单，但方案一电压输出固定，方案二虽然电压可调但很难实现步进调节。

方案三既可实现稳定的电压输出，而且输出电压连续步进可调，满足设计要求。

在方案三中用到了运放、单片机、数模转换DAC0832，这些器件都需要稳定的工作电压，因此系统最终的选择方案一与方案三相结合，采用方案一实现系统的工作电压，采用方案三实现系统稳压电源的连续步进可调[8]。

2.3.3系统方案选择

目前固定式电压源已广泛使用，要实现目标其方案比较多，主要有以下几种方案：

采用单片机的固定式电压源的设计

采用常用的AT89C51单片机作为控制器，P0口和DAC1232的数据口直接相连，DA的各个端口连接后接P3.4，和接单片机的端，让DA工作在单缓冲方式下。

DA的8脚接参考电压，DA的基准电压接-10V电源，所以在DAC的8脚输出电压的分辨率为约等于0.1V，也就是说DA输入数据端每增加1，电压增加0.1V。

通过运放OP07将DA的输出电流转化为电压，再通过运放OP07将电压反相并放大输出电压并稳压，最后通过示波器观察其波纹，其硬件框图如图2.1所示：

显示

方案一硬件框图

采用调整管的双计数器的固定式电压源的设计

此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。

十进制计数器通过译码后数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双十计数器同步工作。

其硬件框图如图2.2所示：

输出

方案二硬件框图

采用调整管的十进制计数器的固定式电压源的设计

此方案不同于方案之二处在于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，只使用了一套计数器，回避了方案二中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低。

其硬件框图如图2.3所示

方案三硬件框图

方案比较

①固定式部分的比较

方案二、三中采用中、小规模器件实现系统的固定式部分，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。

在方案一中采用了AT89C51单片机完成整个固定式部分的功能，同时，AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。

②输出部分的比较

方案二、三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或减少，这不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响，而方案一中使用运算放大器放大电压，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减少输出端的纹波电压。

③显示部分的比较

方案二、三中的显示输出是对电压的量化值直接进行译码显示输出，显示值为D/A变化输入量，由于D/A变换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差，而方案一中采用三位一体的数码管直接对电压值进行显示。

总之，方案一的优点是具有精度高，使用方便，硬件电路简单等特点，它使用了单片机，使得进一步扩展功能较为方便；

方案二、三的优点是电路结构简单，其缺点是使用比较复杂，精度没有那么高。

考虑到各种因素，本设计采用方案一。

自制稳压电源的设计

在自制稳压电源设计中，我们采用TPAN-2P3S变压器将220V交流电压降压处理，再通过2W005G桥式整流电路得到正向电压，然后通过7805、7815三段稳压器电路，得到+5V、+15V的直流电源，再在+15V的基础上加一方向器即可得到需要的-15V直流电压。

其硬件框图如图2.4所示

220V

+5V

+15V

-15V

自制稳压电源硬件框图

三、主要器件介绍

3.1AT89C51简介

本课题设计的直流稳压电源的核心控制器件选用AT89C51[1]。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableand