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可调线性稳压电源

四川师范大学成都学院专科毕业设计

可调线性稳压电源设计

学生姓名

×××

学号

××××××××××

所在学院

电子工程学院

专业名称

应用电子技术/汽车电子技术

班级

2012级

指导教师

×××

四川师范大学成都学院

二○一五年五月

可调线性稳压电源设计

学生：

余鸣凤指导老师：

王北川

内容摘要：

随着时代的发展，数字电子技术已经普及到我们生活、工作、科研及各个领域。

本文将设计一种数控直流稳压电源，本电源由单片机电路、显示电路、数模/转换电路、放大电路四部分组成。

其中单片机电路用于控制电压信号的输入，数字/模拟转换电路用于将数字信号转换为模拟信号，显示电路用于显示电源输出电压的大小。

同时本文分析了数字技术和模拟技术相互转换的概念。

该稳压电源与传统的稳压电源相比，本设计具有操作方便，电源稳定性高及输出电压大小采用数码显示的特点。

数字化正负可调双路直流稳压电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

关键词：

单片机AT89S52DAC0832LM393LM7915数码管

Designofadjustable linearregulatedpowersupply

Abstract:

Withthedevelopmentofthetimes,digitalelectronictechnologyhasspreadtoourlives,work,researchandinvariousfields.Inthispaper,thedesignofaNCDCregulatedpowersupply,thepowersupplyiscomposedofMCUcircuit,displaycircuit,analog/conversioncircuit,amplifyingcircuitcomposedoffourparts.Thesinglechipcircuitisusedforcontrollingthevoltageoftheinputsignal,digital/analogconversioncircuitforconvertingadigitalsignaltoanalogsignals,adisplaycircuitfordisplayingtheoutputvoltage.Atthesametime,thispaperanalyzestheconceptofdigitaltechnologyandsimulationtechnologyofmutualconversion.Comparedwiththetraditionalregulatedpowersupplyregulatedpowersupply,thedesignhastheadvantagesofconvenientoperation,usingthehighstabilityofpowerandtheoutputvoltagedigitaldisplaycharacteristics.DigitalpositivenegativeadjustabledualDCregulatedpowersupplymoduleisputforwardaimingattheshortageoftraditionalintelligentpowermodule,digitalwillreducetheuncertainfactorsandhumanparticipationnumberintheproductionprocess,effectivelysolvetheproblemssuchasreliability,intelligentandproductconsistencyandotherengineeringpowermodule,whichgreatlyimprovetheproductionefficiencyandtheproductmaintainability.

Keywords：

AT89S52 DAC0832 LM393 LM7915digitaltube

可调线性稳压电源

前言

电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。

随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。

这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。

在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。

但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。

因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。

单片机技术及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。

从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。

目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。

电源采用数字控制，具有以下明显优点:

1.易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

2．控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

3.系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试等操作也很方便。

4.系统的一致性好，成本低，生产制造方便。

由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。

由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

5.易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。

为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

1系统设计

1.1设计目的与要求

1.1.1设计目的

1.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。

2．学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。

3．培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

2.1.2设计要求

1.正负可调双路直流稳压电源的技术指标；

2.电压源的正负可调范围：

+2V～+12V；-2V～-12V；

3.双路跟踪可调；

4.6位数码管显示。

1.2设计步骤

1.2.1总体设计思路

方案一：

采用模拟电路与数字电路相结合的方法，搭建电路进行调试，最终实现设计指标。

方案二：

采用数控方法来控制电压的输入输出，整体电路包括键盘电路，数码管显示电路，单片机电路，数字模拟转换电路，模拟信号放大电路，最终经负载电路输出。

1.2.2设计方案

方案一：

采用根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如图2-1所示。

主要包括四大部分：

数字控制部分、键盘电路，单片机电路，显示电路，信号处理电路组成。

其中信号处理电路包括数字/模拟转换电路，模拟信号放大电路，输出信号调整电路，这些电路都可以使用单片机控制比较方便。

它是采用单片机完成整个数控部分的功能，同时，8051作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。

方案二中，使用模拟器件很多，造成系统电路内部工作复杂，中间相互关联多，抗干扰能力差。

1.3方案的选择

为了便于本次设计需要，此次电压源设计选用方案一。

采用51系列单片机作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。

采用软件方法来解决数据的预置以及电流的控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，并可由数码管显示实际输出电压值和电压设定值。

利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（DA0832）输出模拟量，再经过运算放大器放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电电流的变化而输出不同的电压。

单片机系统还兼顾对恒压源进行实时监控，输出电压经过电流/电压转变后，通过A/D转换芯片，实时把模拟量转化为数据量，经单片机分析处理，通过数据形式的反馈环节，使电压更加稳定，构成稳定的压控电压源。

1.3.1数字控制部分

正负可调双路直流稳压电源的数控部分采用51单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压值，并由数码管进行显示实际输出的电压值和电压设定值。

1.3.2显示及输出部分

该数控电压源的显示部分采用六位数码管显示。

通过键盘电路给定所要输出的电压值，在使用键盘完成输出电压调整后，输出电压对应的数据被送入单片机，电压值被经过处理后送入数码管显示。

该显示电路既可以用来显示所要输出的电压值，也可以用来显示键盘电路的调整过程，使输出的电压值可以被直观的观察到。

该双路直流稳压电源的输出部分由数字/模拟转换电路，放大电路，稳压电路组成。

由单片机控制输入电源信号的产生，然后将输出的数字电压信号经数字/模拟转换器产生相应的模拟电压信号，再经放大电路及相应的稳压调整电路，最后输出所需电压值。

1.4系统框图

该稳压电源的整体系统电路由键盘电路，单片机电路，显示电路，信号处理电路组成。

其中信号处理电路包括数字/模拟转换电路，模拟信号放大电路，输出信号调整电路，最后经过稳压的电压值经负载输出。

系统框图如下：

图1.4-1正负可调双路直流稳压电源系统框图

1.5本章小结

本章主要提出了本次毕业设计的题目与要求，介绍了系统的方案论证与选择，考虑到设计的精度要求和作品最终的实用性，该电压源的设计方案采用数控方法设计。

基于单片机原理设计该电压源主要有设计方案简洁，精度高，便于电压调整和系统功能扩展，节省资源等优点。

根据设计要求确定了系统方框图和整机电路图，该电压源的电路主要包括键盘部分，单片机部分，显示部分，数字/模拟转换部分，电压放大部分，电压调整部分构成。

本章主要对各部分主要内容做了大概的介绍，以便于读者对后面章节内容的了解。

2统硬件电路设计

2.1主控制部分

2.1.1AT89S52简述

AT89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。

具有8K字节可编程闪烁存储器,可擦除的的只读存储器（PEROM）,ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器。

AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案三级程序存储器锁定、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。

AT89S51引脚图如图下图所示：

图2.1.1-1AT89S51引脚图

电源引脚：

电源引脚接入单片机的工作电源。

VCC（40脚）：

接+5V电源；

VSS（20脚）：

接地。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/

：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

时钟引脚：

两个时钟引脚XTAL1和XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了一个振荡器，它为单片机提供了时钟控制信号。

XTAL1（19脚）：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输

XTAL2（18脚）：

来自反向振荡器的输出。

P0，P1,P2口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个LS型TTL负载。

当I/O口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个LS型TTL负载。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL负载，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL负载。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

2.2信号控制部分

信号处理部分是该系统电路的重要组成部分，其主要作用是处理由单片机送来的数字信号，将其以模拟稳压的形式输出。

电路的组成主要包括D/A转换电路，放大电路。

2.2.1A/D转换电路

DAC0832芯片介绍，DAC0832引脚图如图3-2所示：

DAC0832是一种典型的8位转换器，它能直接与MCS-51单片机相连接，其主要特性如下：

（1）电流输出，稳定时间为1us；

（2）可双缓冲输入，单缓冲输入或直接数字输入；

（3）单一电源供电（+5-+15V）；

图2.2.1-2DAC0832引脚图

DAC0832的各引脚及功能如下：

DI0-DI7：

8位数字信号输入端，与单片机的数据总线相连，用于接受单片机送来的待转换的数字量，DI7为最高位。

：

为片选端，当

为高电平时，本芯片被选中。

ILE：

数据锁存允许控制端，高电平有效。

：

第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。

当

=0，ILE=1，

=0时，数据信号被锁存到第一级8位输入寄存器中。

：

数据传送控制，低电平有效。

：

DAC寄存器写选通控制端，低电平有效。

当

=0，

=0时，输入寄存器状态传入8位DAC寄存器中。

Iout1:

D/A转换器电流输出1端，输入数字量全“1”时，Iout最大，输入数字量全“0”时，Iout最小。

Iout2：

D/A转换器电流输出2端，Iout1+Iout2=常数。

VCC:

电源输入端，可在+5V-+15V范围内。

DGND：

数字信号地。

AGND：

模拟信号地，最好与基准电压共地。

一般情况下，这两个地端均并联接地。

2.2.2信号放大电路

该电压放大电路主要由放大器构成,由电路图可知运算放大器的反馈来自数控电源的输出端，下面是有关运算放大器LM393的介绍:

1.单电源供电在0—30V；

2.双电源供电；+15V—-15V。

3.所有运算放大器都没有“地”引脚，所有正负电源对运放来说都是相对于脚VCC的单电源供电。

2.3LED数码管显示电路

本双路直流稳压电源的数据显示采用数码管电路来实现。

单片机应用系统中常使用LED作为显示器,在需多位LED显示时,为了简化电路,降低成本,常将所有门的选线并联在一起,由一个8位I/O口控制,而共阳I/O线受控制,实现各部分时选通。

如图3-3所示为6位LED动态显示接口电路。

显示部分电路图如下图所示：

图2.3-3正负双路直流稳压电源的显示电路电路图

由键盘电路将所要输出电压的数值送给单片机，经单片机处理后将该数值一方面送给信号处理电路，同时该数据被送给显示电路去显示。

该显示电路由数码管和锁存器组成。

数码管的外型结构如图3-4a）所示。

数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其结构分别如图3-4b）和图3-4c）所示。

a）外型结构b）共阴极c）共阳极

图2.3-1数码管内部电路图

本系统电路采用动态显示，其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多时间，但采用动态显示方式比较节省I/O口，而且硬件电路也较静态显示简单。

2.3.1显示驱动电路

MCS—51单片机受引脚数的控制，P0口兼用数据线和低8位地址线，为了将它们分离出来，需要在单片机外部增加显示驱动电路。

本设计选用驱动芯片74HC573。

74HC573是一种带有三态门的8D锁存器，其引脚图如图3-5所示。

对其引脚说明如下：

D7—D0：

8位数据输入线。

Q0—Q7：

8位数据输出线。

G：

数据输入锁存选通信号，高电平有效。

当该信号为高电平时外部数据选通到内部锁存器，跳变时，数据锁存到锁存器中。

图2.3.1-1锁存器74HC573的引脚图

：

数据输出允许信号，低电平有效。

当该信号为低电平时，三态门打开，锁存器中数据输出到数据输出线。

74HC573功能表如表3-6所示：

表2.3.1-14HC573功能表

2.4按键部分

按键接口具有的功能：

1.键扫描功能，即检测是否有键按下；

2.键识别功能，确定被按下的键所在的行列的位置；

3.产生相应的键的代码；

按键采用中断方式与单片机相连，其中行和列占用了51单片机的P1口，四列除了分别使用5.1K的电阻上拉至VCC外，还和74HC573的输入相连接，与门对应输出接单片机的外部中断输入引脚，用于在有键按下时申请中断。

2.5输出部分

输出电路主要由三端稳压器7815和7915构成。

这里介绍用一块7815和一块7915三端稳压器对称连接，即可获得一组正负对称的稳压电源，经过稳压处理的电压值最后经负载输出

2.5.1三端稳压芯片7815概述

如图3-7所示，引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。

引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。

从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。

对于7815正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚。

在7815系列中，散热片和地相连接。

图2.5.1-1LM7815芯片内部电路图

2.5.2三端稳压芯片7915概述

对于7915负压系列，输入为最低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，即①脚，如图3-8所示。

此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第③脚相连。

在7915系列中，散热片和输入端相连接。

图2.5.2-1LM7915内部芯片电路图

2.6整机原理图

图2.6-1正负可调双路直流稳压电源电路原理图

2.7本章小结

本章是该系统设计的重点章节，在本章中对该数控电压源的各部分内容作了详细的介绍，将该系统设计重点分为数控部分，显示部分，信号处理部分，电压放大部分及输出电压调整部分。

在本章中对各部分内容都做了详细的介绍，其中对数控部分介绍主要包括MCS-51芯片各引脚功能和对输入信号的处理。

对信号处理部分介绍包括DAC0832芯片的引脚功能介绍。

对显示电路部分介绍主要详细介绍了数码管显示方式和8位锁存器74HC573的引脚图，本设计考虑到实际情况采用动态显示方式。

放大电路主要采用两片放大器构成。

电压调整部分采用LM7815和LM7915构成，其中7815作为+12V输出，7915作为-12V输出。

3系统软件设计

3.1软件程序框图

正负可调双路直流稳压电源的软件程序框图如图4-1所示：

图4.1-1正负可调双路直流稳压电源程序组成框图

3.2数码管显示电路设计

该数控电压源的数据显示采用数码管来实现。

在该部分电路设计中，单片机与显示电路之间的数据传输采用串行通信方式，单片机工作在串行口工作方式0，即同步移位寄存器方式。