电子设计竞赛论文简易数控直流稳压电源设计 精品文档格式.docx
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数控直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。
本课题以单片机为控制核心，进行算法控制和集成运放线性负反馈，并通过7219驱动四位显示器进行精确显示，设计并实现了一台高精度、低噪声的数控直流电流源。
该稳压电源由供电电源、数控系统、模拟输出三个部分组成。
供电电源采用MC7815和MC7915稳压器，通过桥式整流电路，为整机提供了稳定的直流供电；
控制系统以单片机C8051F020为核心，其内部的12位DAC转换器产生控制输出，实现了输出电流的实时数控和精确检测。
模拟部分利用集成运放继电器等模块实现不同波形的输出；
系统还设置了串口通讯、遥控功能。
经测试，输出电压范围达0—9.9V，输出纹波及噪声小于10mV，均达到题目指标。
论文阐明了软硬件设计依据，给出了系统功能和性能测试结果，并附录了详细的设计资料。
关键词:
恒压源集成运放7219驱动器
单片机实时数控
数控直流稳压电源是输出为稳定直流电压、并可用数控方式调节和稳定输出电压的电源设备，在对工作电压稳定度、纹波电压大小等有较高要求的领域具有广泛的应用，如：
电镀、精密加工、激光器等。
为此我们选择了简易数控直流稳压电源设计作为此次竞赛的课题。
第1章方案论证与原理设计
1.1模拟输出方案
模拟输出部分是数控直流稳压电源的重要组成部分，是决定各项设计指标的关键性因素。
1.1.1方案选择
模拟部分，通过
给功放供电，功放构成反相器、反相相加器、反相发大器，积分器分别实现反相、反相相加、放大、积分等功能，结合继电器的控制，分别输出方波、三角波和直流，并反馈给单片机，用A/D采样并校准。
同时，利用OP547输出稳定的500mA直流电流。
1.1.2参数优化设计
由于本题要求的输出电压精度高，纹波小。
因此我们必须考虑保证这些质量参数的优化方案。
纹波与噪声控制
最大纹波电压是在设定的直流电压的情况下，使电压的纹波（包过噪声）的绝对值大小，通常以峰－峰值或有效值表示。
所以在设计时充分考虑这些因素，在电路中必要部分加入多种降噪滤波措施。
安全保护功能
安全保护主要用于输出电流较大而负载阻值较小时。
因此在设计电路时考虑了系统的过热、过流、过压和反压保护。
1.2供电电源方案
供电电源一般有开关电源、线性电源两种方案。
开关电源
这种电源主要提供可靠稳定的电压类似开关式恒流源，功率损耗小，效率高，比较经济，但电压波纹大，难以滤除，会对后续电路造成影响。
线性电源
这种电源也提供可靠稳定的电压，结构简单，纹波电压小（10mV以下），易滤除，抗电磁干扰性能和电源纯净性好。
1.3控制系统方案
控制系统功能接收取样信号，进行运算处理，并发出控制信号控制负载电流，而且有相应显示和写入控制字等功能。
常用的实现方案有硬件逻辑电路、单片机软件编程和CPLD硬件逻辑编程。
硬件逻辑电路结构简单，实现方便，但功能扩展性不强；
单片机系统通过自身时钟编程产生逻辑信号序列，可键盘预置信号序列状态及数码显示，使用灵活方便，可通过软件升级达到系统升级，开发容易，性价比高；
CPLD电路也可实现以上功能，且处理速度更快，但价格偏贵，开发难度大，多用于高速实时系统。
所以选用单片机作为控制系统的的核心接收取样信号对其处理并发出控制信号控制负载电流。
其他外围电路还有LED显示、输入键盘、时钟信号。
1.4整机方案框图
由以上分析可得出整机电路的基本结构方案框图如图1－1所示。
图11数控直流稳压电源框图
第2章电路设计与参数论证
通过前一章的分析，欲获得一个高性能的数控直流电流源，主要是设计好调整器电路，放大电路，反馈控制电路，电源电路。
本章详细的介绍了各部分功能电路的设计思想和原理。
2.1供电电源（15V）
整机供电电源原理电路如图2－2所示。
线性稳压电源电路主要由桥式整流电路、滤波电路、线性稳压器、保护电路和工作指示电路（LED灯）组成。
经降压变压器变换后的±
15V交流电压由P2端口输入，经过整流、滤波和稳压后，由P1端口出端±
15V直流电压，为信号处理电路供电。
图2-1线性±
15V稳压电源电路原理图
稳压器选择
根据所选运算放大器OP07的特性（运算放大器的选择依据将在信号处理电路元件选择中给出），需要提供
直流电电压。
根据信号处理电路原理图和系统方案框图，计算得信号处理电路所需的电流约为1A（后面将给出详细计算过程）。
所以稳压器选择MC7815和MC7915。
表2-1列出了MC7815和MC7915的部分参数。
表2-1稳压器部分参数
型号
输出/V
（典型值）
输出电流/A
输入范围/V
最小压差/V
测试条件
Ui（v）
Io（mA）
MC7815AC
15
1.0~1.2
17.9~30
2
23
1000
MC7915AC
-15
-17.9~-30
-23
500
变压器选择
因为运放供电需±
15V电压，而稳压器输入输出电压差要求不小于3V，所以此处整流电路电压输入处取18V。
若设桥式整流电路输入电压为U1
，输出电压为U2，则在一般情况下（负载
，滤波电容
），
U2估算值为：
（2-1）
故当
U1=15V时，整流电路输入为
。
所以选取220V输入±
15V电压输出的变压器。
整流二极管选择
桥式整流电路输入±
15电压，即输入电压U=30V。
二极管击穿电压
对于桥式整流电路，流过每个二极管的平均电流是负载电流的一半，即
（2-2）
式中
（±
18V）为整流电路输入电压，
为其负载。
线性稳压电源的负载主要由信号处理系统中的运放构成，运放OP07工作电流小于10mA，系统中共5个运放，故整流电路输出电流I0=26mA（考虑其他负载估算输出最大电流）。
稳压电路输出电压U0=30V（±
15V），故负载估算值为RL=
=1.2kΩ。
故流过二极管电流为18mA。
所以选择1N4001二极管，其反相击穿电压为50V，额定工作电流为1A。
保护二极管的选择（D1、D9）
当输入端意外短路时，保护二极管能给输出电容
、
提供一个放电通路，防止稳压器调节管击穿。
此处选取1N4001型二极管,其最高反相电压Urm=50V，远大于稳压器输入、输出端电压差3V；
且其额定电流I=1A，满足放电要求。
滤波电容选择（C1、C2）选择
滤波电容的选取应满足
Td=RLC1>
=（3~5）T/2（2-3）
Td为放电时常数,T为交流电周期。
由前面计算得RL=
=1.2kΩ。
故C1=C2>
1.67nF，此处取C1=C2=330uF。
性能改善电容选择
C3,C4用于改善高频波纹，当稳压器距离C1,C2越远时，C3,C4越大。
一般取0.1~1uF，此处选取C3=C4=0.1uF。
C5，C6用于减小由负载电流瞬时变化引起的高频干扰，一般取C5=C6=0.1uF。
当稳压器输出离负载较远时，器输出端接电容用以改善输出波纹特性并减小低频干扰。
一般取C7=C8=100uF。
发光二极管（D2、D8）及限流电阻（R1、R2）选择
电路中发光二极管D2、D8用来显示电源是否正常工作，其工作电流小于10mA。
故此处选取限流电阻R1=R2=5.1KΩ。
2.25V供电电源
供电电源原理电路如图2－2所示。
提供+5V直流电电压，供给单片机及键盘、显示器等其它器件正常工作。
其器件参数等同于15V供电电源，在此不加累述。
图2-2线性5V稳压电源电路原理图
2.3数控电路
数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。
最小系统由MCU、采样输入、控制输出、键盘、显示电路组成。
2.3.1单片机最小系统
单片机最小系统电路如图2-3所示。
图23单片机最小系统电路
MCU选型
MCU选用SiliconLaboratories公司的C8051F020单片机，该系列单片机片内含CIP-51的CPU内核,它的指令系统与MCS-51完全兼容。
其中C80511020单片机具有控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器，VDD监视器和温度传感器等，并具有多种总线接口。
与以前的5l系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，其可靠性和速度也有了很大提高。
时钟设计
数控直流稳压电源要求微处理器采样周期设置为0.5s，并且实测值和设定值间隔显示变换周期为2s左右，采用12MHZ晶振，可满足系统要求。
键盘与显示
数控直流稳压电源具有键盘输入与显示功能。
用自治键盘对电压进行设定，采用四位数码管显示实测值和设定值。
采用7219芯片电路作为显示控制和驱动端，其优点是显示位数多，节约I/O端口，使用方便，价格合理。
D/A转换电路
为了满足取样精度需要，选择电压为2.5V的基准电压，通过其内部的12位D/A变换器，使其步长精度达到2.5V/212*41≈0.1V，通过软件编程，从DAC0、DAC1端口输出相应信号波，传到模拟部分完成波形的转换；
D/A是先写入高8位，再写入低4位。
2.4模拟输出电路及A/D校准
方波实现原理
控制单片机内的D/A转换，使其DAC0口输出方波（此时的方波为单极性，电压幅值为2.5V），同时，DAC1输出直流（控制其电压为1.25V），直流电压经过反相器，变成-1.25V，然后，与方波进行反相相加，得到±
1.25V方波。
原理图如图2－5所示。
图24-1叠加方波实现图
反相放大调节实现原理
根据要求需0—9.9V电压，则经过功放OP07AJ的反相放大器，与前一个反相器想抵，输出正向电压，通过调动滑动变阻器R32确定放大倍数，倍数为得到
10V的方波。
若仅直流，DAC1无输入，直流电压直接由DAC0进入，直接反相即可，原理图如图2－5所示。
图24-2OP07AJ功放的反相放大器
三角波实现原理
需要三角波输出时，控制继电器K1，使其开关合下，三角波经过积分电路，变成三角波，输出。
如不需三角波，K1上拨，将积分器短路，直接流过。
（图6）
图2-4-3继电器与积分器
通过OP547功率放大器，在电压不变的情况下，增大电流，达到要求的500mA，S23为拨键开关，按下将会产生输出。
下方的R43，R45电阻起到3:
1的分压作用
图2-4-4OP547电流调整图
A/D校准原理
在任何输出情况下，需要输出电压对单片机进行反馈，通过反馈控制D/A转换的精度。
当直流输出时，控制继电器K2，将二极管短路，而在方波、三角波输出时，使继电器开关合上，双极性的信号（方波或三角波）经过二极管变成单极性（0V-2.5V）反馈给单片机AIN0.0端口，经过单片机内部12位的A/D采样，再与D/A输入的数字量比较，进行校正，保证其准确性。
图2-4-5反馈电路图
2.5驱动数码管显示电路
该部分由7219显示驱动和四位LED显示器组成，MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接单片机驱动4位LED显示器的BCD码——7段数字显示，电路图如下：
图2-5MAX7219引脚连接图
与单片机相连部分，将DIN,LOAD,CLK端分别于I/O端P1.4,P1.6,P1.7相连，串行数据在DIN输入16位数据包，通过时钟的上升沿数据均移入到内部16位移位寄存器，LOAD的上升沿被载入数据寄存器或控制寄存器。
16位串行数据D0-D15，其中，D8-D11为寄存器地址位。
D0-D7为数据位。
D12-D15为无效位。
在传输过程中，首先接收到的是D15位与数码管相接部分。
与数码管相连部分，DIG0、DIG1、DIG2、DIG3端分别接四个数码管相连进行位选，SEGA、SEGB、SEGC、SEGD、SEGE、SEGF、SEGG、SEGDP分别与数码管相应字母的片选端相连进行数字显示。
外部电阻的最小值为9.53KΩ，它设定段电流为40mA。
第3章系统功能与软件设计
3.1系统功能分析
1）显示功能
四位数码管分别各两位显示电压的大小值（0—9.9V）和频率值；
2）键盘示意图
1
3
4
5
6
7
8
9
.
确定
预置
自扫
直流
三角波
方波
速度
自动+
自动-
手动+
手动-
图31键盘示意图
复位按键22个，0-9和“.”作为数字输入键，并有“预置”“自扫”“直流”“三角波”“方波”“速度”“自动+”“自动-”“手动+”“手动-”“确定”作为功能控制键具体介绍如下;
预置：
在工作状态前预先设置一个电压。
自扫：
按下该键，输入数值，再按“确定”键，可直接由预设值自动扫描到该数值。
直流：
按下，示波器显示直流电压输出。
三角波：
按下，示波器显示三角波形电压输出。
方波：
按下，示波器显示方波形电压输出。
速度：
控制电压自动变化的速度，分快慢两档。
自动+/-：
在自扫状态下，使电压自动以0.1V步进增加或减小。
手动+/-：
手动调节时，每按一次使电压以0.1V步进增加或减小。
确定：
输入数字后，按此键确认。
拨键开关1个，为输出“output”，当键拨上时输出信号，拨回时停止输出。
3）控制：
a）接收采样电压并与设定值比较产生控制信号输出
b）可由键盘设置设定值
3.2软件设计结构
3.2.1控制及显示程序设计思想
程序由主程序、定时器中断程序、键盘扫描程序四部分组成。
各部分功能及流程图如下。
主程序
主程序的主要工作是进行初始化，扫描键盘，并响应键盘，设定电流值。
图3-1主程序流程图
键盘扫描子程序
该系统需要22个按键即可实现所有功能。
当单片机响应键盘后，则得到一个返回值。
软件设计采用了状态转换的编程方法，有工作状态和编辑状态两种状态。
在工作状态只响应确认键，并转入编辑状态，不响应其它任何键；
在编辑状态设定输出电流值，确认和取消键退出编辑状态，转入工作状态。
这样不仅降低了编程的难度，也提高了程序的稳定性。
其流程图如下：
图32键盘扫描子程序流程图
定时器中断程序
电路中A/D采样周期为130ms，当定时器T0中断后进行一次采样，单片机处理后，输出D/A进行调节，并且显示。
定时器中断程序流程如图3-3所示。
图33定时器中断程序流程
ADC反馈调节
需要得到精确的电压值，模拟功放电路部分终端会输入一个反馈，单片机的ADC会进行采样，读采样数据，并与DAC设定值进行对比，若误差err<
=0.05,则返回重新采样；
若err>
=0.05,进行PID线性校正,控制调整电压和传送显示。
设电压变化为
，当前电压为Vn，利用err*coff进行修正。
图34ADC反馈调节子程序流程图
自动扫描中断服务程序
此功能是计算机实现自动加/减功能的程序，根据扫描方向修改当前电压值，并判断其是否超过极性范围（0—9.9V），到达端点值时停止扫描，来完成自动扫描的全部过程。
图35自动扫描中断服务子程序流程图
方波/三角波中断
进入该功能模块时，定时器1启动，当其溢出时，触发中断服务程序，使DA交替输出高电平、低电平，实现方波输出；
输出三角波时，控制继电器，将积分器接入电路，对方波进行积分，得到三角波。
图36方波/三角波中断子程序流程图
第4章功能及性能测试
4.1测试条件
测试环境
航海学院222大型电子实验室，常温常湿常压。
测试仪器
表41主要测试仪器清单
序号
名称
型号、规格
生产厂家
1
数字示波器
DPO7354
TEK
2
数字万用表
VC9806
VICTOR
4.2整机调试
在电路板装配好后，进行整机调试。
1）测试供电电源：
＝14.266V,
=－14.898V，
＝5.000V,系统供电正常。
2）把电路各部分连为一体。
对控制部分进行检测，观察显示部分能正常工作和键盘按键功能能实现，且显示与测量值基本一致,所以电路能正常工作。
4.3系统性能测试
显示部分功能测试
用键盘随意编辑一个设定值，观察能否交替显示设置值和测量值，同时用电压表测量负载电压值，比较这3个值大小，相差很小，达到了设计指标，负载输出正常。
重复上述操作后结果一致，显示功能实现。
键盘按键功能测试
1）开机默认直流输出状态，数码管显示直流电压；
2）按下“+/-”键，电压值以步进0.1增加/减小；
3）按“预置”键，预置一个电压值，断电重启后，显示该预置电压值；
4）按“自动扫描”键，进入自动扫描状态，此时，在键盘上输入一个电压值，按“确定”键，开始以0.1的步进自动扫描到该数值；
5）按“自扫+/-”电压自动以0.1的步进增加/减小，直到增加至9.9V/减小至0.0V在扫描时，按“确认”键停止；
6）在“自扫+/-”状态下，按“速度”键，可以控制扫描的速度（快/慢）；
7）按“方波”键，实现输出方波（用示波器观测），数码管显示方波峰值；
8）按“三角波”键，实现输出三角波（用示波器观测），数码管显示三角波峰值；
9）在“方波”、“三角波”输出状态下，按“直流”键，转入直流输出状态；
10）按“确认”键，实现数字的有效输入及正确显示。
4.4性能参数测试
4.4.1输出电压精度定标
改变输出电流的设定值，用高精度电压表测量负载上电压，填入下表。
分别在开路、200mA、500mA三种状态下，进行数据段测量和误差的计算，从而判断出输出电压的精确读。
表42开路输出电压精度定标数据（单位：
V）
预设值
开路
200mA
500mA
显示值
测量值
0.0V
0.0
0.009
0.1V
0.1
0.102
0.101
0.100
0.2V
0,2
0.203
0.202
0.200
0.3V
0,3
0.305
0.303
0.301
0.4V
0,4
0.406
0.403
0.401
0.5V
0,5
0.508
0.505
0.502
0.6V
0.6
0.608
0.604
0.601
0.7V
0.7
0.710
0.705
0.701
0.8V
0.8
0.810
0.805
0.800
0.9V
0.9
0.912
0.906
0.900
1.0V
1.0
1.012
1.005
0.999
1.1V
1.1
1.112
0.105
1.099
1.2V
1.2
1.215
1.207
1.200
1.3V
1.3
1.315
1.307
1.299
1.4V
1.4
1.417
1.408
1.400
1.5V
1.5
1.517
1.507
1.498
1.6V
1.6
1.618
1.608
1.599
1.7V
1.7
1.720
1.709
1.699
1.8V
1.8
1.820
1.808
1.798
1.9V
1.9
1.922
1.910
1.899
2.0V
2.0
2.024
2.011
2.000
2.1V
2.1
2.125
2.111
2.099
2.2V
2.2
2.225
2.210
2.198
2.3V
2.3
2.327
2.312
2.299
2.4V
2.4
2.426
2.411
2.397
2.5V
2.5
2.529
2.513
2.499
2.6V
2.6
2.631
2.615
2.600
2.7V
2.7
2.730
2.713
2.697
2.8V
2.8
2.833
2.815
2.799
2.9V
2.9
2.935
2.917
2.900
3.0V
3.0
3.036
3.016
2.999
3.1V
3.1
3.136
3.116
3.099
3.2V
3.2
3.238
3.216
3.199
3.3V
3.3
3.337
3.316
3.297
3.4V
3.4
3.440
3.417
3.398
3.5V
3.5
3.540
3.517
3.498
3.6V
3.6
3.643
3.
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