基于单片机的可控直流稳压电源设计硬件毕业设计论文.docx
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基于单片机的可控直流稳压电源设计硬件毕业设计论文
本科生毕业设计（论文）
论文题目
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基于单片机的可控直流稳压电源（硬件）
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作者声明
本人以信誉郑重声明：
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特此声明。
毕业设计（论文）作者（签字）：
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本人声明：
该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。
学位论文指导教师签名：
年月日
基于单片机的可控直流稳压电源设计（硬件设计）
杜玉成
Designofadigitalcontrollingpowersuppl
basedonMCU（hardwaredesign）
DuYuCheng
2015年6月1日
摘要
本设计是研究单片机的可控电源的研究和设计对未来发展的意义，从本次研究来说介绍的是可控电源领域的发展和前景，再就是关于可控电源存在的一些问题和技术上的弊端，现在就对于这些问题做出相应的设计方案，本篇论文分以下几个模块，主电源电源模块，稳压电路模块、电压/电流采集的设计和过流保护。
在键盘上设置一个进步等级为0.1的固定电压，输出电压值范围在5-15V,流过电路的最大电流为1A,本系统有一个保护电路（过流保护电路）这是为了怕电路电流过大的是烧毁电路，当电流值很大的时候，开关就会自动断开，同时同过报警器发出报警声。
系统采集的电压通过A/D转换器输入至单片机，输出显示到四位数码管上。
再通过单片机PID运算，从而控制PWM波占空比调节控制开关管的通断时间来输出不同的电压。
方案的可靠性是由对系统中数据的分析和对电压输出的稳定来判定的。
从现在来看世界上对电力电子技术的发展和研发，有着重要的开发意义，在航空航天、计算机、通讯、医疗仪器等领域有着重大的用处。
开关电源能把电网提供的强电和弱电,变成各式各样的电气设备和仪器提供所需要稳定的强电和弱电,稳压电流在设备中至关重要。
是一个设备的运输系统。
就从目前的电源来看，存在输出电压和电流不稳定、精度不稳定等的问题,就这些问题，设计出一款新的高性能的开关电源非常的重要。
关键字：
电源；数字控制；单片机；PWM
ABSTRACT
ThisdesignisthesignificanceoftheresearchanddesignstudiesSCMcontrollablepowersupplyforthefuturedevelopmentofthepresentationfromthisstudyiscontrollablepowerinthefieldofdevelopmentandprospects,thentherearesomequestionsabouttheexistenceofcontrollablepowerandtechnologyThedrawbacksoftheseissuesnowtomaketheappropriatedesign,thispaperpointstodesignandovercurrentprotectionfollowingmodules,themainpowermodules,voltageregulatorcircuitmodule,voltage/currentcollection.Setonthekeyboardofaprogressiveclass0.1fixedvoltage,theoutputvoltagerangeof5-15V,themaximumcurrentflowingthroughthecircuitis1A,thesystemhasaprotectioncircuit（protectioncircuit）ThisisforfearcircuitovercurrentTheburningofthecircuitislarge,whenthecurrentvalueislargewhentheswitchwillautomaticallydisconnect,andsoundanalarmoverthesamealarm.SystemvoltagecollectedbyA/Dconverterinputtothemicrocontroller,theoutputdisplayedonfourdigital.PIDoperationthroughthemicrocontrollertocontrolthePWMdutycycleofadjustmentcontrolswitch-offtimetooutputdifferentvoltages.Reliabilityprogramismadeinthesystemofdataanalysisandthestabilityoftheoutputvoltagetojudgment.
Fromnowon,theworldofpowerelectronicstechnologydevelopmentandresearch,developmenthasanimportantsignificanceintheaerospace,computer,communications,medicalequipmentandotherareasofgreatusefulness.Electricandelectronicswitchingpowersupplygridcanoffer,intoawidevarietyofelectricalequipmentandinstrumentsprovidestableelectricandelectronic,regulatedcurrentneedsiscrucialinthedevice.Itisadeviceofthetransportsystem.Onpowerfromthecurrentpointofview,thepresenceofoutputvoltageandcurrentinstability,precisioninstabilityproblems,ontheseissues,todesignanewhigh-performanceswitchingpowersupplyisveryimportant.
Keywords:
power;digitalcontrol;SCM;PWM
绪论
1.1稳压电源概述
1.1.1稳压电源的背景及研究意义
随着电源技术在各个科技领域的应用，电源技术现在已经是种专业的。
电源技术其实就是一些功率半导体器件。
经过时间的推移电力技术的变化和变换、现代的电子技术、自动控制技术这些技术的交融使得稳压电源得到了更多的应用。
经现代化的科学技术的突飞猛进，电源技术在各个领域有着重要的作用。
就现在的情况来看电源技术是包含了许多的学科知识，这就是为什么说电源技术是一门复杂的学科。
通过电源技术可以知道。
电源技术对科技的重要性。
可控直流电源的研究和设计对人类有着重要的意义，就研究可控直流电源和设计可控直流电源是有着重大的意义。
从社会和家庭来看可控电源对社会和家庭越来越重要。
随着科技个社会的进步，电子设备越做越精。
所以小型化电源在以后会更加的普及，传统开关电源在以后必将淘汰。
在未来的制作小型电源是有这个的必要，要是用单片机来控制就可以制造出更加简单的电源结构。
这样就能研发出更加小的电源。
这样就很有必要开发出一个小型的电源，输出电压稳定，精度较高，调节元件的范围大、智能化、数字化的稳压电源，使其电子技术应用成为科学领域一颗璀璨的新星。
对稳压电源的设计研究具有一定的理论价值和较强的实际应用价值。
1.1.2可控直流稳压电源的国内外现状
电源在科学技术有着不可替代的位置，从电源来看自动化技术也是不能缺少的部分，直流稳压电源在各个领域是必不可少的电源。
稳压电源现在已经被重视，电源技术的应用对我们的生活和经济的发展都起到了重大的变化。
自从60年代开始，世界上的第一台开关电源的出现，开关电源就在全球快速的发展起来，直流稳压电源也因此诞生，我们根容易发现，电源的价格问题是电源么有普及的一个重要的原因。
到了80年代的时候，随着电子元器件的发展，直流稳压电源受到市场的冲击电源的价格也随着降低。
使得电源在人们生活中得到更加的广泛的使用。
在现代直流电源已经在各领域得到了广泛的用处，所以现在要对高频进行研究。
在稳压电源方面我们国家属于落后的，1973年才开始对稳压电源的研究，随着稳压电源的研究我们国家也在小功率单端变换器发展比较成功。
主要是体现在功率半导体器件和控制集成化这个两个方面上，与国际上的稳压电源的差别还是很大。
所以，在直流稳压电源的研究和应用跟国际上的差别还是很大。
就DC/DC模块电源来说，DC/DC的巨大的市场还是国外品牌占主要的部分，它们在大功率模块电源占据了75%和中小功率模块电源50%的市场。
但是，随着科学技术的发展和生产的正规性，中小功率电源已经被我们本土的电源所代替。
只是在开关频率和单元单机功率两个方面对于我们来说远远不够的。
而且输入电压的方式也只有两种方式。
工频交流电和直流电。
1.1.3稳压电源的分类
可控电源是一种为负载提供稳压电源的装置，现在在现代科技上用的还是比较多。
稳压电源一般有这几种类型。
按照输出的种类来分可以分为两种直流、交流稳压电源两种。
按照稳压电路和负载的连接可以分为两种方法分别串联稳压电源和并联稳压电源如果负载并联在调整元件的两端，这就是并联可控稳压直流电源，输出电压在输入端电源电压和负载电流有变动的时候，如果要稳定电压电流值，并联稳压电源就需要改变通过调整管元件电流的大小值。
但是这种稳压电源效率不是很好，所以只能用在一些专用的场合。
反而言之，当元器件与负载在电源中串联时，就被称串联稳压电源输出电压的值太依靠串联电路中的输入、输出端之间的调节元件，调整元件可以通过自身的等效电阻来得到不同的电压。
按照调整管在运行的时候可以分为以下两种情况，第一种是线性稳压电源、第二种是开关稳压电源。
线性稳压电源是借助调整管运行的时候的在线性放大区来实现稳压。
线性稳压电源的调整的跨度是比较大的、就稳定性来讲要比稳压电源要稳定的多，但是没有并联稳压效率好，串联形式的稳压电源和并联形式的稳压电源做一个对比，它们调整关运行的状况，开关稳压电源的工作效率就可以提高到72%-87%，线性稳压电源和开关电源电压相比，开关稳压电源的优势就更大了[1]。
按照电路类型可以分为以下两种情况。
a参数稳压电源、b反馈稳压电源。
参数稳压电源和反馈稳压电源相比较就要简单的多，电路图要相对简单，一个元件的非线性的实现是通过电源的稳压来判定的，也就是说，电阻和稳压管组成稳压型电源，稳压电源分为两种，分别是参数型和反馈型，两种稳压电源相比，反馈型比参数型显的更为复杂。
但是输出的电压比较高，反馈稳压电源的稳压是为了得到输出电压的变化量，通过多次的实验与监测环节，稳压电源是由电路中的反馈电路将反馈的信号进行放大，这样就可以知道功率的放大。
后面就有反馈稳压电源由控制调整器件，通过不停的控制调整器件使得输出电压与原值相差非常的小。
反馈电路通过闭环控制系统的负反馈来调整该系统稳定性。
1.2本文主要研究内容
本设计利用单片机技术,设计制作了一种的数控直流稳压电源。
设计以AT89S51单片机为核心,采A/D采样反馈的工作方式,对输出电压进行校正,利用稳压芯片得到的电压实现对单片机和电压比较器的供电,四位数码管显示由键盘控制。
基本要求如下：
（1）、输出直流电压调节范围5～15V，直流电流0～1A。
（2）、具有电压预置与电压步进功能，电压0.1V步进微调，1V步进粗调。
（3）、输出具有短路保护功能。
（4）、具有人机界面，能实时显示电压电流值。
第二章方案设计与选择
2.1直流稳压电源的结构
电子设备都是在整流器进行供电在交流电源进行供电是如果电压和负载电流突然发生变化时，这就会导致整流器中的电压有变动。
在电子设备，一些高端的电子测试仪器、自动化控制装置、电子计算机等，要想在检测是的数据保证一定的准确，电源电压必须保持稳定不变，如果直流电源电压改变了就可能导致设备无法工作和损坏。
所以在给高端的电子仪器电流电压是一定要用直流稳压电源。
一般构成直流稳压电源两个重要的组成部分是整流器和滤波器。
如下所示三种方案对比。
方案一：
采用LM7805电路做电源
由LM7805芯片在电路中需要的元件也少，电路中有过流、过热和调整管使得电路更加的安全，这样就使得电路在运行时候不容易被损坏，而且价格便宜，LM7805工作时发热比较严重，当LM7805稳压管温度过高时，稳压管就会被损坏这样就会使得稳压性会差。
所以使用时需要加散热片，但这个电源输出是恒定的5V电源，适用范围比较小。
方案二：
采用LM317电路做电源
LM317是一种可以调集成稳压器，输出的电压是可以调节的，LM317是属于
可以调节的稳压器，电压的调节范围，噪音，仰制比都可以调节，2.2A是它输出电流的最大值，1.25~37v是电压的输出范围，1.25v基准在管脚1和管脚3之间。
使得稳压器的性能在电路中达到最好，R1的值由图可知设置为200Ω，通过调节R3的电阻值来确定稳压器的电压值。
输出电压：
Uo=（1+R3/R1）*1.25，又因为电阻值是可以调节的，所以输出电压不一定是整数，从而导致电源输出电源误差较大。
方案三：
采用单片机电路做电源
单片机的可调稳压电源就是将数字电路与单片机的融合组成的电路，能成高精度数字电路，而且复杂的纯数字电路也能被单片机简单化。
采用单片机后，可以节省很多芯片，得到的输出电压更稳定，准确度更高，达到要求的速度会更快；使得调整电源用单片机进行编写就更加的简单，只需将程序修改，不用改变硬件电路，使得单片机电源的功能更多。
单片机经过数模转换由数模的转换给出一个稳定的电压值，作为基准电压，电源还能用键盘设定输出电压值，单片机不用加反馈控制，电源用的还是PWM控制芯片，工作的时候过程：
当通过键盘设定的电压值的时候，单片机通过A/D转换器，就能测出输出端的电压的值，再通过键盘设定的值和电源输出电压对比之间的差值，要有PWM脉冲输出，直接控制电源的工作。
如图2-1
图2-1
由以上三种方案比较，使得单片机电路的设计更好和合理，有要符合技术的指标，个人认为第三种方案更加的适合。
本论文的设计中是以单片机为主体的，反馈系统是单片机的持有的系统。
而且为电路省去了D/A芯片，这样一来就可以减少成本。
这样电路完全是有单片机来控制。
而且结构简洁、灵活、可扩展性也好。
就更加的适合本次的毕业设计。
而且能达到设计的要求。
单片机用的型号是AT89S51，A/D芯片则用的是ADC0890.用液晶显示来显示电压和电流的值，键盘设定电压。
因为在设计的要求里说明了输出是可以调节的，所以我们先要给键盘输入一个值。
通过这样输入不同的电压，输出的时候就可以得到不同的电压值。
第三章可控直流电源的组成及硬件设计
3.1总系统整体电路设计
数控稳压电源电路设计包括输入整流滤波电路、开关变换电路、输出整流滤波电路、采样电路，保护电路，显示、按键处理及越限报警部分。
其设计电路框图如图3-2所示：
图3-2系统整体电路框图
3.2系统的元器件选择
AT89S51简介
单片机AT89S51功耗低，拥有的CMOS性能相当高，单片机内部拥有4000字节可循环读写的，只读程序存储器，采用了ATMEL公司密度高，记性强的制造特点，与MCS-51单片机和80C51系列单片机结构相似，拥有8位CPU和存储单元，在嵌入式系统中的应用相当广泛。
AT89S51主要性能特点
1、4kBytesFlash片内程序存储器；
2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4、2个中断优先级、2层中断嵌套中断；
5、5个中断源；
6、2个16位可编程定时器/计数器；
7、2个全双工串行通信口；
8、看门狗（WDT）电路；
9、片内振荡器和时钟电路；
10、与MCS-51兼容；
11、全静态工作：
0Hz-33MHz；
12、三级程序存储器保密锁定；
13、可编程串行通道；
14、低功耗的闲置和掉电模式。
AT89S51管脚说明
AT89S51管脚如图3-1所示：
图3-1单片机最小系统
VCC：
电源电压输入端。
GND：
电源地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
P1口：
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4TTL门电流。
P2口：
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门电流。
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门电流。
P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能：
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（T0定时器的外部计数输入）
P3.5T1（T1定时器的外部计数输入）
P3.6/WR（外部数据存储器的写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器的读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。
读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。
只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。
89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。
除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。
RST：
复位输入端，高电平有效。
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/PROG：
地址锁存允许/编程脉冲信号端。
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低位字节。
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指令时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。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号，低电平有效。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
外部程序存储器访问允许。
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。
XTAL2：
片内振荡器反相放大器的输出端。
3.3系统硬件电路设计
3.3.1主电路设计
图3-3主电路的设计
如图3-3位主电路的设计，220v的交流电压经过变压器为24v，然后全桥整流后变为直流,电容滤波后，进入降压斩波电路，通过控制开关管IGBT的通段时间实现5到15v的调压。
主电路中需确定整流二极管的电压滤波、电容的值、IGBT的导通脚、电阻的阻值等。
参数的确定。
1）对于整流二极管，由于：
，
。
IN4001的反向击穿电压
，额定工作电流
，故整流二极管选用IN4001。
2）对于滤波电容，根据负载的情况选择电容值，使
T为交流电源的周期20ms，经计算选择2200uf。
3）由公式
当输出电压为15V时，输出电流为0.1A-1A时，负载的电阻阻值15-150
.
4）对于二极管的选择，当
=1时，其承受最大反压30V；而当
趋近于1时，其承受最大电流趋近于1A，故需选择额定电压大于30V，额定电流大于1A的二极管。
5）主电路不仅要确定电感的参数，而且要适当选择IGBT和二极管。
但电感参数的计算是非常复杂的，根据工程经验法，认定电感值L很大为1mH.
3.3.2按键电路
就目前就两种方式按键电路，一种是独立式键盘电路，另一种是行列式矩阵键盘电路。
独立式键盘电路是各个按键互相独立，每个按键单独连接一条输入线，另一端接地，通过检测输入线的电平就可以判断该键是否被按下。
直接用I/O口线构成的单个按键电路，每根I/O口线上按键的工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态。
这种方式无论在硬件连接还是软件编译处理上都比较简单，直接选取输入键值，简单快捷并且节省电路板面积，但按键的数目较少。
比较两种方式后，设一个预置的电压，所以使用4*4行列式矩阵键盘共16个按键，I/O口使用P2口，10个数字键0至9、粗调步进“+1V”、粗调减“-1V”、微调步进“+0.1V”、微调减“-0.1V”、一个电压电流显示切换键、预制电压时位选键（即十位、个位、十分位），具体读键形式如下：
先判断键盘中有无键按下，将全部行线P2.0-P2.3置低电平，然后检测列线的状态。
只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
当找到按键后根据所对应的的行线值和列线值，按特定的方式即可组合成为按键的特征值，加入第7个键按下了，按键位于第2行、第3列的交叉处，，当扫描到第2行时，置行线值为1101，列线值为1011，列线不全为1，表明找到了按键。
这时只要把行线值和列线值合并成为11011011就是该按键的特征码。
按键电路如图3-4.
图3-4按键电路
3.3.3斩波电路
降压斩波电路是整个主电路的核心，其原理图如图3-5所示，
图3-5降压斩波电路图
在如图3-5中降压斩波电路中，使用了一个全控型器件的IGBT,当V导通的时候正经过V向电感线圈充电，电流如图中的
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