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简易数控直流电源

河南工程学院毕业设计（论文）

简易数控直流电源

学生姓名_________罗玖玉___________

系（部）_______机械工程系________

专业_______机电一体化_________

指导教师_________瓮嘉民__________

2008年05月25日

摘要

该简易直流稳压源操作简单，性能稳定，实用性强的目的，采用智能芯片设计的数控直流电源系统，可预置和显示输出电压，并具有输出电压稳定、控制精度高、使用范围广等特点。

选用高质量的可控稳压集成芯片，完成恒压功能，并且设计输出恒流范围0V～9.9V,具有步进调整功能，最小步进0.1V不变。

由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减，输出电流为500mA。

数控部分核心采用8031单片微机与EPROM,RAM地址锁存器74LS373组成单片机的基本系统。

键盘/显示器接口电路使用8279键盘/显示器控制器，实现了对键盘的自动扫描、防抖功能，并对显示器进行自动刷。

关键词：

直流电源数字控制数码管显示自动扫描自动刷新

Abstract

Thissimpledirect-currentconstantvoltagesourcesimplicityofoperator,thestableproperty,theusablestronggoal,usestheintelligentchipdesignthenumericalcontroldirect-currentpowersupplysystem,mayinitializeanddemonstratetheoutputvoltage,andhastheoutputvoltagetobestable,thecontrolprecisionishigh,usescopebroadandsooncharacteristics.Selectsthehighgradecontrollableconstantvoltageintegrationchip,completestheconstantpressurefunction,anddesignoutputconstantflowscope0V~9.9V,hasstep-by-stepstheadjustmentfunction,themosthalfstepenters0.1Vtobeinvariable.By“+”,“-”tworespectivelycontrolstheoutputvoltagetostep-by-stepthefluctuation,theoutputcurrentis500mA.Thenumericalcontrolpartialcoresuse8031monolithicmicrocomputersandEPROM,RAMaddresslatch74LS373composemonolithicintegratedcircuit'sbasicsystem.Thekeyboard/monitorinterfacecircuituses8279keyboard/monitorcontroller,realizedtokeyboard'sautomaticscan,againsthasshakenthefunction,andcarriedontothemonitorbrushesautomatically.

Keywords:

Direct-currentpowersupplyNumericalcontrolNixietubedemonstrationAutomaticscan

Automaticrefurbishing

目录

前言·····················································································································1

一、方案设计与论证······················································································3

（一）、方案一·····························································································3

（二）、方案二··························································································3

（三）、方案三··························································································4

（四）、三种方案的比较································································4

二、系统原理框图···········································································6

三、主要电路设计与计算···················································································6

（一）、数控部分·································································································6

（二）、键盘/显示器接口电路···············································································9

（三）、功率放大电路··························································································9

（四）、输出电压显示电路··················································································10

（五）、电源设计································································································11

四、系统软件工作流程图······················································································12

（一）、主程序流程图··························································································12

（二）、过流保护程序流程图················································································12

（三）、波形输出子程序流程图············································································13

五、系统测试及整机指标······················································································14

（一）、系统功能测试··························································································14

（二）、系统误差分析··························································································14

参考文献··············································································································16

致谢······················································································································17

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。

数字化智能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。

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。

3）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。

4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB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;也可以通过MODEM远程操作。

5）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。

6）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。

一、方案设计与论证

根据数控直流电源题目的要求，提出以下三种设计方案：

（一）、方案一（如图一）

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驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。

图一

（二）、方案二（如图二）

此方案不同于方案一之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，另一方面其输出作为EPROM的输入，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。

由于只是用了一套计数器，回避了方案一中必须保证计数器同步的问题，但由于控制数据烧录在EPROM中，是系统设计灵活性降低。

图二

（三）、方案三（如图三）

此方案的控制部分采用8031单片机，输出部分也不在采用传统的调整管方式，而是在D/A转换之后，经过稳定的功率放大而得到，因为使用了单片机，整个系统可编程，似的系统灵活性大大增加。

图三

上述三种方案的结构可以用（图四）框图概括。

图四

（四）、三种方案的比较

1．数控部分

方案一，二中采用中，小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差（例如方案一中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致）。

在方案三种采用了8031单片机完成整个数控部分的功能，同时，8031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

方案一、二中采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式是输出步进增加/减小，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响，而方案三中使用运算放大器作前级的功率放大电路，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制化，可以大大减小输出端的纹波电压。

在方案一、二中，为抑制纹波电压而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出电压难以跟踪快变的输入（如频率较高的三角波等），方案三中的输出电压波形与D/A转换输出波形形同，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波行输出，是系统成为有一定驱动能力的信号端。

3.显示部分

方案一、二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变换的输入量，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的偏差。

方案三中采用三位半的数字电压表（DVM）直接对输出电压进行采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预置值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。

在方案三中还采用了键盘/显示器接口控制器8279，不仅简化接口引线，而且减小了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。

4.补充说明

如前所述，虽然方案三比前两者有许多优点，但方案一、二对于完成设计设计要求并非不行，而且在某些方面（如电路结构简单等）还具有其自己的优势。

之所以采用方案三，一个很重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步扩展功能较为方便。

二、系统原理框图

系统原理框图如图五所示。

图五

三、主要电路设计与计算

（一）、数控部分

1．8031单片机基本系统

数控部分核心采用8031单片微机与EPROM,RAM地址锁存器74LS373组成单片机的基本系统，并对P211的P2.5,P2.6,P2.7经74LS138地址译码后作为6264，8279和0832的选通信号，电路图如图六。

2.8031与D/A转换器0832接口电路

8031与0832的接口电路如图七。

0832的基准电压由LM336给出，为-5.0V。

输出部分采用差动输出，这样由CPU送入的数据经D/A装换后的输出为0-5.5V。

图六

3.如何扩展输出负稳压源

回想一下设计要求中-15V电源，发现它除了给运算放大器供电以外并没有其他太多的用途，这启发了我们扩展一负电源的想法，对图7略作改动，便巧妙的扩充了负电源。

如图八。

图七

图八

从图中可以看出，只要在D/A转换的输出端再接入一级反向加法器，其输出电压U0与输入电压U1的关系为

这样输出电压的变化范围为-5～+5V，从而扩展了负电源。

4.开机电压预置

在开机通电前，通过BCD拨码开关设置开机电压预置值。

这样，再加电后，预置值为四一二选一送入单片机内，经码制变换后送入D/A器，从而实现了上述电压预置。

电路图如图九中相应部分。

图九

（二）、键盘/显示器接口电路

在设计键盘/显示器接口电路时，我们使用8279键盘/显示器控制器，他能实现对键盘的自动扫描、防抖，并对显示器进行自动刷新。

这样做不仅减少了硬件工作量，也使软件编程大大简化。

器接口电路如图九。

（三）、功率放大电路

功率放大电路采用运放驱动的闭环推挽输出电路，电压增益Avf=2，如图七。

1.电阻精度

为了保证放大倍数Avf=2，要求R2及反馈电阻有足够高的精度，电路中取r1=5.1kΩ±5％，R3=9.1kΩ±5％，VR1=5kΩ。

考虑最坏的情况，R3为正偏差，R2为负偏差，引入的最大偏差为10％，所以引入微调器VR1，使得放大倍数能在2±10％内可调即可，虽然对电阻R3、R1的精度要求仅是±5％，但两个电阻的温度系数应一致。

2.推挽输出级

采用达林顿管TIP122与TIP127其参数为

它们完全能够满足输出500mA的设计要求。

3.保护电路工作原理

正常工作时，T7截止，T7集电极电平为-15V，时T8截止，A点输出一高电平，不触发中断，当输出电流过大时，T7导通，时T7集电极电平升高，时T8也导通。

A点变为低电平，触发8031中断，执行中断保护程序。

4.波形输入的实现

由于系统设计中没有使用调整管，避免了由于并联在调整管输出端的大电容对系统响应速度的影响，推挽功率放大器又保证了输出电压可以较好的跟踪D/A变换的输出。

这样，只要有CPU送出量化后的波形数据，即可在输出端得到相应的波形。

（四）、输出电压显示电路

为了实现输出电压的实时监控，使用ICL7107搭接的数字电压表对其输出电压采样测量，并输出显示，用户可以从显示器上看见两个电压值：

其一为单片机设置的电压值，即期望值；其二为输出电压的实测值。

正常工作时两者相差很小。

一旦出现异常状况，用户可以看出期望值不符，从而采取相应的措施。

输出电压测量/显示电路如图十。

图十

（五）、电源设计

1.±15V电源（0.7A）±15V电源电路如图十一。

对于滤波电容的选择，要考虑：

①整流管的压降；②7851/7951最小允许压降Ud；③电网波动10％，从而

允许纹波的峰值

按近似电流放电计算，并设θ=0°（通角），则

2.+5V电源（1A）+5V电源电路如图十一。

允许的最大纹波峰值

图十一

四、系统软件工作流程图

（一）、主程序流程图（图十二）

（二）、过流保护程序流程图（图十三）

图十二图十三

（三）、波形输出子程序流程图（图十四）

图十四

五、系统测试及整机指标

（一）.系统功能测试

1.符合设计提出的基本功能及提出的发挥功能。

2.扩展了可预置及步增/步减的负稳压输出功能。

3.扩展了过流保护功能。

（二）.系统误差分析

从电路的原理框图可以看出，系统的主要误差来源于三方面：

1.0832的量化误差0832为8位D/A转换器，满量程为10V的量化误差为

。

按满度归一化的相对误差为

=±0.2％。

2.基准电压温漂引入的误差LM336在0~40℃范围内漂移不大于4mV，故相对误差=±2mV/5V=±0.04％。

3.由功率放大器引入的误差（主要考虑LM336的温漂）共有三项：

（1）基准电压温漂产生的满度相对误差为±0.04％；

（2）8位D/A变换附加的量化误差±20mV；

（3）功放前级LM336温漂引入的附加误差为±100μV。

三种误差视为彼此独立时，系统最大误差（未考虑线性误差）为

参考文献

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计；

[2]徐爱钧，彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计，2000；

[3]全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（1994-1999），北京理工大学出版社，2003年出版；

[4]陆坤，奚大顺等.电子设计技术，电子科技大学出版社，1997年5月版；

[5]李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术（第2版）；

[6]张毅刚.单片机原理及应用；

[7]曹巧媛.单片机原理及应用，电子工业出版社，1997年6月版；

[8]阮忠、林金宝、陈强.综合电子电路应用指南，机械工业出版社，2004年8月版；

[9]薛永毅王淑英何希才.新型电源电路应用实例，电子工业出版社，2001年10月版；

[10]彭介华.电子技术课程设计指导，高等教育出版社，1997年10月版；

[11]读书吧.

[12]单片机爱好者.

[13]垫片机教程网.

[14]控制工程师论坛.

[15]直流稳压电源电路.

[16]盛放单片机.

[17]启蒙电子.；

[18]新浪爱问共享资料.

致谢

本次设计从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。

在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！

本次设计的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。

本次设计是在我的指导老师瓮嘉民的悉心指导和帮助下完成的。

在论文的写作过程中，遇到了一些问题比较困难，由于老师的关怀和帮助，才使我顺利解决。

老师治学严谨，平易近人，对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的态度，给我留下了深刻的印象，使我受益非浅，是我今后工作和学习的榜样。

感谢XX，爱问，雅虎和Google等公司。

他们的搜索功能庞大、快捷又免费，让我很方便地搜索到了我们所需要的“设计材料”。

有了这些“设计材料”，我们才得以顺利完成我们的毕业设计。

更感谢Google和雅虎公司的翻译功能，它的翻译不仅正确率高而且功能强大，让我的英文摘要很顺利的写了出来，全赖于此。

在今后的日子里,我不会辜负各位老师的期望,把理论应用到实际工作当中,让在校所学到的知识得到充分的应用,同时我还会不断运用强大的网络功能，去学习更多的知识,不断创新,努力工作,在平凡的工作岗位上为社会做出最大的贡献。

最后，向在我学习和毕业设计期间给予我鼓励、关心、帮助的各位老师及同学再次表示我诚挚的