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直流稳压电源
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目直流稳压电源
物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业2007级
学生姓名黄宁柠学号070303026
指导教师吴志伟职称讲师
完成日期2011年4月
教务处制
直流稳压电源
物理与信息科学学院电子信息科学与技术070303026黄宁柠
指导老师吴志伟讲师
【摘要】随着电子技术的不断提高，对电源的要求不断提高。
一个可调电压的直流稳压电源，并能显示输出电压数值，能方便人们的生活需要。
将电网输出的220V电压经变压器，整流桥，滤波电容，稳压器输出稳定的直流电压。
单片机连接TLC549芯片对输出电压进行采集，通过LCD液晶显示屏显示输出电压的数值。
【关键词】电源；变压器；稳压器；单片机
引言4
第1章稳压电源的设计4
1.1设计要求4
1.2设计思路4
1.3变压电路5
1.4整流电路及滤波电路5
1.5稳压电路5
1.6发光二极管电路7
第2章测量电路的设计8
2.1设计要求8
2.2设计思路8
2.3.主要元件介绍8
2.4A/D转换原理11
2.5电路设计11
2.6性能分析12
第3章系统测试12
3.1稳压电源部分的测试12
3.2测量部分的测试14
3.3系统实现的功能14
第4章总结14
4.1作品总结14
4.2自我总结14
参考文献15
Abstract15
附录1主要元器件清单16
附录2作品原理电路图17
附录3作品PCB电路图18
附录4作品的实物图18
附录5完成的源程序19
引言
随着人们生活水平的不断提高，各种随身听，MP4，手机充电器成了我们居家旅行的必备物品。
随着电子技术的不断提高，对这些电子设备的电源要求也越来越高。
除了少数低电压低功耗的电子设备使用干电池外，大多数电子设备都需要一个稳定的直流电源。
稳压电路部分将电网供给的220V交流电通过变压器进行降压，再通过整流桥输出带纹波的直流电，通过电容滤波器滤除纹波，变成纹波小的电压，最后通过稳压芯片7805，7812，LM317输出+5V，+12V和0-20V正可调的直流电压。
测量电路部分通过单片机连接TLC549芯片进行电压采集，采集到的电压数值通过LCD1602液晶显示屏显示出来。
第1章稳压电源的设计
1.1设计要求
可将220V/50Hz交流电转换为多路直流稳压电源输出：
12V/1A，5V/1A，一组可调正电压0-20V/1A。
具有过流，过压保护功能。
可调电压分辨率小于0.1V。
1.2设计思路
稳压电源部分由变压电路，整流电路，滤波电路，稳压电路组成。
变压电路是将电网220V的交流电压变成所需要的电压值。
整流电路是将交流电压变成脉动的直流电压。
滤波电路：
由于经过整流的脉动直流电压还含有较大的纹波，因此需要设计滤波电路加以滤除。
稳压电路：
在电网电压波动、负载和温度变化时，依然维持输出直流电压稳定。
1.3变压电路
电网输入的是220V的交流电压，最后输出的是低压直流电。
所以先要一个电源变压器将220V的交流电变为低压交流电。
选用一个双18V/25W的电源变压器，中间带抽头，可接地。
将输入的220V交流电压U1转变为整流电路所需要的交流电压U2。
1.4整流电路及滤波电路
整流电路将交流电压U2通过单向桥式全波整流桥，经整流后变为单方向的直流电。
单向桥式整流桥可选用集成整流芯片。
由于U2max=1.414×18=25.38V，额定工作电流I=1A，所以集成整流桥芯片选择KBP307。
[1]
。
图1单相桥式整流电路
经过整流桥后输出的电压含有较大的纹波，需要通过滤波电路滤去电路中的纹波电压。
滤波电路采用电容滤波器，电容在电路中有储能的作用，当电源供给的电压增大时，电容能把能量存储起来；当电源供给电压减少时，电容能把能量释放出来。
使得输出电压比较平滑，也就是电容具有平波的作用【10】。
电路中滤波电容承受的最高电压1.414×18=25.38V,所以选择电容的耐压值应该大于50V，所以选择2200uF/50V的电解电容。
2200uF电解电容为大容量电解电容。
大容量电解电容有一定的绕制电感分布，易引起自激振荡，形成高频干扰。
可以在2200uF电容后面并入瓷质小容量电容来抵消电解电容的电感效应和线路的杂波，抑制高频干扰，这里选用334瓷质电容，另外在其后也需并联一个104瓷质电容。
为了更好的消除纹波，在输出端前再并入一个470uF电解电容。
【2】
保险丝是用来防止电流过大而设计的，保险丝起到过流保护作用，允许通过的最大电流为2A。
1.5稳压电路
由于输出地直流电压会随着负载和温度的变化而变化，所以，为了维持输出直流电压稳定不变，还要加上稳压电路，以提供更加稳定的直流电源。
由于电源要求的输出功率较小，为了简化电路并提高电路的稳定性，因此选择集成稳压器。
【3】
集成稳压器在使用中普遍使用的是三端稳压器，可以分为固定式和可调式。
其中可调电源端选用LM317芯片。
LM317芯片可以输出可调正电压，它的可调范围为1.2~37V，最大输出电流为1.5A。
图2LM317实物图
图1.2三端集成稳压器的组成
可调电源端电路如图所示。
输出电压U0可通过精密电位器RP2来调节，在忽略调整端电流Ia（一般为0.005-0.1mA）时，U0与RP2的关系为：
式中1.25是LM317输出端与调整端之间的固定参考电压UREF。
【4】此电压作用于电阻R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压来调节电位器RP2，电阻R1取值220欧姆，与RP2并联电容C2可进一步减小输出电压的纹波。
为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。
RP2的值，可通过输出电压最大值Uomax和最小值Uomin，根据式Uo=1.25（1+RP2/R1）分别求出RPmax和RPmin而确定，一般选用精密电位器。
【5】
图3LM317应用电路
固定式的集成稳压器选用78XX系列芯片，78XX系列芯片组成稳压电压所需的外围器件比较少，电路内部还有过流，过热和调整管的保护电路，使用起来可靠方便，而且78XX系列芯片价格便宜，芯片耐久可用不易烧坏。
图478XX系统芯片实物图
78XX系列芯片在使用过程中，要求输入电压U1比输出电压U0大2-3V，芯片前面并入电容来消除输入端接线较长时的电感效应，以防止自激振荡，还可减小输入端的高频脉冲干扰。
5V电源端采用7805芯片，12V电源端采用7812芯片，通过的最大电流都为1A。
由于集成稳压芯片在温度上升时稳压性能变差，甚至烧坏，所以芯片上面要接足够大的散热器，如果是小功率工作可以不用。
1.6发光二极管电路
发光二极管可以起到电源指示的作用，将发光二极管串联进电路中。
发光二极管正常工作电流为5mA-10mA，压降为1-2V。
可在可调电压部分发光二极管后串联2K电阻，5V电源部分发光二极管后串联0.5K电阻，12V电源部分发光二极管后串联1K电阻。
图5直流稳压电源部分电路原理图
第2章测量电路的设计
2.1设计要求
1可以显示0-20V的电压值
2显示器可以是LCD也可以是LED
3测量精度达0.1V
4测量系统具备复位功能
2.2设计思路
测量电路部分由单片机，A/D转换电路，LCD显示电路组成。
单片机控制TLC549芯片采集电压在LCD显示屏显示电压数值。
2.3.主要元件介绍
2.3.1STC89C52功能介绍
STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，它具有较大的程序存储空间，并且其数据存储空间也能够满足用户的需要，它还易于实现功能拓展，AT89S52支持串口直接下载程序，这就省去了专用的程序焼写器，从而提高了它的性价比。
STC89C52系列单片机与AT89C52相比，增加了一些新的功能，且价格更便宜，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成专用复位电路，内部有EEPROM，可以在程序中修改，断电不丢失，还增加了两级中断优先级。
【6】
图6STC89C52引脚图
图7STC89C52实物图
2.3.2TLC549引脚及功能介绍
TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC549允许的最高转换速率为40000次/s。
总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样。
TLC549是8位开关电容逐次逼近模数转换器，有8根引脚，引脚的功能简要说明如下：
（1）电源引脚
Vcc,8脚:
正电源端,一般接+5V。
GND,4脚:
地，REF+,1脚:
正基准电压端,一般接+5V
REF-,3脚:
负基准电压端,一般接地。
（2）控制引脚
Cs,5脚:
片选端,由高到低有效,由外部输入。
I/OCLOCK,7脚:
控制输入输出的时钟,由外部输入。
（3）模拟输入引脚
AIN,2脚:
输入电压范围：
0.3V-5V+0.3V
（4）转换数据输出引脚
DATEOUT,6脚：
A/D转换结果输出的3态串行输出端。
图8TLC549的引脚图
2.3.3LCD1602引脚及功能介绍
（1）1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
（2）引脚功能说明：
LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下所示:
第1脚：
VSS为电源地。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
图9lcd1602实物图
2.4A/D转换原理
A/D转换电路由集成电路TLC549及一些外围电路组成，TLC549有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。
当片选CS为高时，数据输出（DATAOUT）端口处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。
这种片选CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路（片）A/D并用时的I/O控制端口。
一组通常的控制时序为：
（1）将片选CS置低。
内部电路在测得片选CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位（D7）位输出到DATAOUT端上。
【11】
（2）前四I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2,3,4位和第5个位（D6、D5、D4、D3），片上采样保持电路在第4个I/OCLOCK下降沿到来时开始采样模拟输入。
（3）接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8个转换位。
（4）最后，片上采样保持电路在第8个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8个转换位。
保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。
第8个I/OCLOCK后，片选CS必须为高，或I/OCLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。
如果片选CS为低时I/OCLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若片选CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。
【7】
2.5电路设计
测量电路选用STC89C52单片机进行控制，LCD1602显示数码输出口接单片机P0口，LCD1602液晶接口接P2.5，P2.6，P2.7。
TLC549时钟接P2.4，数据输出接P2.3，片选接P2.2。
单片机采用前面稳压输出5V电源进行供电。
图10电路原理图
2.6性能分析
由于单片机为8位处理器，输入电压为+5V时，输出数据为255FFH，可以计算出单片机的最小分辨率为0.02V，又因为本测量电路需测量0-20V电压，所以显示最小分辨率为
0.08V。
TLC549是8位A/D转换器，满足需求，所以采用TLC549芯片。
【8】
测量值一般都会与实际值有偏差，这可以通过校正TLC549的基准电压来解决，稳压输出5V电源端不一定是准的5V电压，存在一定偏差。
另外还可以通过修改程序来校正电压值。
【9】
第3章系统测试
3.1稳压电源部分的测试
3.1.1测试仪器
（1）双跟踪示波器
（2）数字万用表
3.1.2测试指标
（1）特性指标
稳压电源的特性指标指允许的输入电压，输出电压，输出电流和输出电压调整范围。
（2）质量指标
稳压电源的质量指标指用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括电流调整率，纹波电压等。
纹波电压指的是叠加在输出电压U0上的交流分量，可以用双跟踪示波器观测其峰-峰值，其值一般为毫伏量级。
电流调整率指的是输出电流从零变到最大值时产生的输出电压相对变化值。
表1稳压输出端空载情况下测试表
输出端
空载电压值（V）
5V
5.1
12V
12.0
可调端
0-20V
表25V输出端带负载情况下稳压系数测试表
带负载值
输出电压值（V）
纹波电压（mV）
电流调整率
50欧姆
5.0
28.4
1.96%
1000欧姆
5.1
25.6
0%
表312V输出端带负载情况下稳压系数测试表
带负载值
输出电压值（V）
纹波电压（mV）
电流调整率
50欧姆
11.8
25.6
1.67%
1000欧姆
11.8
6.6
1.67%
表4可调输出端带50欧姆负载情况下稳压系数测试表
输出电压值（V）
纹波电压（mV）
5.02
39.3
10.08
40.5
15.22
41.2
19.86
41.3
表5可调输出端带1000欧姆负载情况下稳压系数测试表
输出电压值（V）
纹波电压（mV）
5.02
26.8
10.08
28.1
15.22
28.6
19.86
30.1
3.2测量部分的测试
3.2.1测试仪器：
数字万用表
表6LCD显示电压与实测电压的偏差
LCD显示电压（V）
实测电压/V
误差/V
00.00
00.00
0
4.99
5.02
0.03
10.06
10.04
0.02
14.97
14.92
0.05
20.08
19.99
0.09
3.3.2误差分析：
电压采集小的时候误差比较大，是由于采样电压的分辨率不高。
这时可以通过修改程序软件编辑，提高采样电压的次数求平均值，提高分辨率，从而减小相对误差。
另外如果电源提供的电压不稳定，也会导致采集到的电压存在一定的误差。
3.3系统实现的功能
系统实现的功能有：
（1）固定输出电压5V，12V；
（2）输出可调稳定电压，电压调节范围为0V-20V，并可显示输出电压数值；
（3）具有过流及短路保护功能。
第4章总结
4.1作品总结
本系统以三端集成稳压器为核心，结合单片机采集电压显示电路。
以电源变压器、整流桥、滤波电路和稳压电路等技术，实现可稳定输出固定电压和可调电压功能的电源；以
TCL549采集电压，LCD1602显示数值，实现了显示输出电压数值，最终完成了毕业设计。
4.2自我总结
经过自己的努力和导师的点拨终于完成了直流稳压电源的设计。
在刚选这个题目时我敢到很自信，以为很容易，很快就能做好，因为原理和程序都学过。
但真正自己去做的时候，才发现很多细节的地方根本没考虑到，一时觉的很茫然。
细心的想想，都是以前学的理论知识拿去扩展下，用于实践就行。
在写程序时候，以为就以前学的5V电压表程序就能用，结果不可以，慢慢熟悉了采集电压的原理，知道每个程序设计流程都相当复杂。
在做电源时候，老是在考虑电容上发愁，后来才知道太大或太小的电容对纹波影响都比较大。
在这次毕业设计中，我结合了理论实际，锻炼了我的动手能力和分析，解决问题的能力，积累了经验。
同时也发现自己的很多不足，看问题时眼高脚低，做事缺乏耐心，没能把学习到的知识灵活运用。
这样的实践机会在学习生涯中是很难得的，为以后步入社会工作打下一定的基础。
参考文献
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辽宁科学技术出版社，2002年,第一版
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DCPowerSupply
CollegeofPhysicsandInformationScienceElectronicInformationScienceandTechnology070303026Huangningning
InstructorWuzhiweiLecturer
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[Abstract]Aselectronictechnologycontinuestoimprove,increasingdemandsforpower.AnadjustablevoltageDCpowersupply,andcandisplaytheoutputvoltagevalue,tofacilitatethepeople'slivingneeds.220Voutputvoltageofthepowergridthroughthetransformer,rectifierbridge,filtercapacitor,theregulatoroutputstableDCvoltage.TLC549chipmicrocontrollerconnectedtotheoutputvoltageforthecollection,throughtheliquidcrystaldisplayLCDdisplayoftheoutputvoltagevalues.
[Keywords]Power;transformer;regulator;onechipcomputer
附录1主要元器件清单
序号
名称
型号、规格
数量
1
电容
瓷片-0.1
1个
2
瓷片-0.33
3个
3
瓷片-100
4个
4
50V-2200
1个
5
50V-470
1个
6
电阻
220Ω
1个
7
1KΩ
5个
8
4.7KΩ
2个
9
稳压器
LM7805
1个
10
LM7812
1个
11
-LM317
1个
12
发光二极管
4个
13
二极管
IN4001
1个
16
整流桥
Kbp307
1个
17
变压器
220V/40V50W
1个
18
保险丝
2A
3个
19
单片机
STC89C52
1个
20
A/D转换芯片
TLC549
1个
21
显示器
LCD1602
1个
附录2作品原理电路图
附录3作品PCB电路图
附录4作品的实物图
附录5完整的源程序
#include//引用标准库的头文件
#include
#definedelayNOP（）;{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;};//延时
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definedisdataP0//显示数据码输出口
ucharcodedis[]={"dianya"};//显示数组
unsignedinttemp;//存放转换后数据
sbitIOCLK=P2^4;//输入输出时钟I/OCLK
sbitDATAOUT=P2^3;//数据输出DATAOUT
sbitCS=P2^2;//片选信号
sbitLCD_RS=P2^5;//定义液晶接口
sbitLCD_RW=P2^6;
sbitLCD_EN=P2^7;
voidlcd_wdat（uchardat）;//定义写数据子函数
voidlcd_wcmd（ucharcmd）;//定义写命令子函数
voidAD_ZH（）;//定义AD转换子函数
bitlcd_busy（）;//检测LCD状态
voiddisp_line（ucharaddress,uchar*bmp）;
/*---------------------延时函数--------------------------*/
voiddelay（inta）
{uchari;
while（a--）
{
for（i=0;i<250;
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