直流稳压可调电源设计.docx
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直流稳压可调电源设计
机电综合应用
题目：
直流稳压可调电源设计
系部名称：
信息工程系专业班级：
电气081
学生姓名：
学号：
200880884108
指导教师：
教师职称：
助教
2011年12月26日
摘要
随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，对电源的研究和开发已经成为新技术、新设备开发的重要环节，在推动科技发展中起着重要作用。
本设计分别用LM317三端稳压芯片稳压电路，LM317三端稳压芯片稳流电路设计直流稳压电源，由TLC1543对输出电压进行模数转换之后反馈给单片机，再由单片机控制数码管显示出来。
通过相关知识计算出各电路中各个器件的参数，使电路性能达到设计要求中的电压调节范围，纹波电压，最大输出电流等指标。
关键词：
电源，LM317三端稳压芯片稳压电路，单片机，数码管显示，TLC1543模数转换电路。
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,thepowersupplyreliability,capacity/volumeratioincreasinglyhighdemandforthepowerofresearchanddevelopmenthasbecomethenewtechnology,newequipment,developmentofanimportantpartinpromotingscientificandtechnologicaldevelopmentplayanimportanteffect.ThisdesignwereusedtoLM317three-terminalregulatorchipvoltageregulatorcircuit,LM317three-terminalregulatorchipsteadyflowcircuitandthefeedbackinvertercircuitdesignpowersupply,stabilizedpowersupplyandconverter.Throughtherelevantknowledgetocalculatethecircuitparametersofeachdevice,sothatthecircuitperformancetomeetthedesignrequirementsforvoltageregulation,currentregulation,loadregulation.
Keywords:
powersupply;LM317three-terminalregulatorchipvoltageregulatorcircuit;TLC1543three-terminalregulatorchipsteadyflowcircuit;feedbackinvertercircuit
目录
摘要I
AbstractII
1原理电路的设计1
1.1直流稳压电源电路设计1
1.1.1晶体管串联式直流稳压电路1
1.1.2采用三端集成稳压器电路1
1.1.3用单片机制作的可调直流稳压电源1
1.2最终决定的直流稳压电源电路设计方案2
1.3直流稳流电源电路设计2
1.3.1高精度恒压恒流直流稳压电源电路2
1.3.2LM317构成的可调稳流源电路3
1.4最终决定的直流稳流电源电路设计方案3
1.5电路图与主要工作原理3
1.5.1稳压模块工作原理3
1.5.2整流滤波模块的工作原理3
1.6控制电路设计4
1.7反馈电路设计5
1.8四位数码显示电路设计7
2软件设计8
2.1总体编程思想8
2.2数码显示子程序8
2.3采样子程序9
2.4中断处理程序设计9
3电路仿真11
3.1整体电路的的仿真11
4实物安装与调试12
5数据整理及最终分析13
5.1稳压模块的数据结果13
5.3整体分析13
总结14
致谢15
7参考文献16
附录1-程序17
附录2-总体电路原理图20
附录3-电路PCB图21
1原理电路的设计
1.1直流稳压电源电路设计
1.1.1晶体管串联式直流稳压电路
该电路中，输出电压UO经取样电路取样后得到取样电压，取样电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整管的工作状态进行调整，从而使输出电压发生变化，该变化与由于供电电压UI发生变化引起的输出电压的变化正好相反，从而保证输出电压UO为恒定值（稳压值）。
因输出电压要求从0V起实现连续可调，因此要在基准电压处设计辅助电源，用于控制输出电压能够从0V开始调节。
单纯的串联式直流稳压电源电路很简单，但增加辅助电源后，电路比较复杂，由于都采用分立元件，电路的可靠性难以保证。
1.1.2采用三端集成稳压器电路
该电路采用输出电压可调且内部有过载保护的三端集成稳压器，输出电压调整范围较宽，设计一电压补偿电路可实现输出电压从0V起连续可调，因要求电路具有很强的带负载能力，需设计一软启动电路以适应所带负载的启动性能。
该电路所用器件较少，成本低且组装方便、可靠性高。
1.1.3用单片机制作的可调直流稳压电源
该电路采用可控硅作为第一级调压元件，用稳压电源芯片LM317，LM337作为第二级调压元件，通过AT89C52单片机控制滑动变阻器改变电阻的阻值，从而改变调压元件的外围参数，并加上软启动电路，获得0～13V，0.1V步长，驱动能力可达1A，同时可以显示电源电压值和输出电流值的大小。
其硬件电路主要包括变压器、整流滤波电路、压差控制电路、稳压及输出电压控制电路、电压电流采样电路、掉电前重要数据存储电路、单片机、键盘显示等几部分，硬件部分。
正、负端压差控制电路的作用是减少LM317和LM337输入端和输出端的压差以降低LM317和LM337的功耗。
稳压电路由三端稳压芯片LM317（负压用LM337）及外围器件组成，输出电压控制电路采用继电器控制的电阻网络。
电阻网络的每个电阻都需要精密匹配，电阻的精密程度直接影响输出电压的精度。
电压电流采样电路由单片机控制实时对当前电压电流进行采样，以修正输出电压值。
掉电前重要数据存储电路用以保存当前设置的电压值，可以方便用户在重新上电后不用设置，而且也不会因为电压值过高损坏用户设备。
该电源稳定性好、精度高，并且能够输出±24V范围内的可调直流电压，且其性能优于传统的可调直流稳压电源，但是电路比较复杂，成本较高，使用于要求较高的场合。
在实际中，如果对电路的要求不太高（这种情况较多），多采用第二种设计方案。
1.2最终决定的直流稳压电源电路设计方案
最终，我决定采用第二种LM317三端集成稳压芯片设计直流稳压源，主要因为它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。
此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。
LM117/LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。
通常LM117/LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM117/LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。
使用输出电容能改变瞬态响应。
调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。
电路图如下：
图1LM317集成稳压电路
317系列稳压器输出连续可调的正电压，可调范围为1.2~37V，最大输出电流为1.5A。
满足设计需要。
图中R1，R2，电位器组成电压输出调节电路，电容C1为滤波电容，电容C2与电位器并联组成输出滤波电容，减小输出的纹波电压。
二极管D6的作用是防止输出端与地短路时，电容C2上的电压损坏稳压器。
1.3直流稳流电源电路设计
1.3.1高精度恒压恒流直流稳压电源电路
该电路可以实现稳流输出，但毫无疑问的是过于复杂，精度极高，超出题目要求及制作条件，故不予考虑。
1.3.2LM317构成的可调稳流源电路
用15V供电，依靠317的2、3两端带隙电压恒定的特点，用R3与RS2的阻值控制输出电流的大小，达到输出稳定可调电流的目的。
1.4最终决定的直流稳流电源电路设计方案
最终我决定采用第三种设计方案，用LM317制作这一电路简单易行，在性能上又能达到设计要求指标，是最合理和最理想的方案之一。
图2LM317集成稳流电路
1.5电路图与主要工作原理
1.5.1稳压模块工作原理
本电路的稳压电源模块采用了LM317集成稳压电源构成的可调式稳压电路，将220V-18V变压器变出的18V交流电压，经过全波桥式整流后得到直流脉动电压，在经过滤波电容减小电压脉动，最终经过LM317稳压后得到稳定的1.25V带隙电压。
再依靠R1电阻固定电流，经R2与RS1调整输出端的电压。
达到输出稳定可调电压的要求。
1.5.2整流滤波模块的工作原理
市电经过变压器降压后，变为12v，对该电压整流后一部分电压直接作为开关变换电路的输入电压，另外将其通过7805得到5v的电压，给开关电源控制电路部分的单片机提供工作电源。
电路中采用发光二极管作为电源指示灯，交流220v降压后经过整流桥整流输出直流电压作为开关变换电路的输入电压，7805稳压输出5v给单片机提供电源。
图3整流滤波电路
1.6控制电路设计
控制电路采用89c51，该芯片有32个可编程的I/O口，在此介绍需要用到的单片机管脚功能。
RST：
复位输入，当振荡工作时，RST引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不用访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或定时目的。
需要注意的是：
每当访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。
EA/VPP：
外部访问允许。
当访问外部存储器时，EA必须保持低电平。
访问内部存储器时，EA端接高电平。
振荡电路
本次设计采用的是石英振荡电路，外接电容C1、C2的容量的大小的取值会影响振荡频率的高低、振荡器的工作稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用陶瓷振荡器，应选择容量为30—50PF，对于石英晶体，选择20—40PF，这里我们选择电容为22PF，晶振为24M赫兹。
复位电路
单片机复位电路有上电复位，按扭脉冲复位，按扭电平复位。
上电复位是利用器充电实现。
电阻取1k，电容取22uf。
本次设计在调试过程中使用的是89C52，该单片机与MCS51系列完全兼容，工作频率0到33M赫兹，支持系统编程，只需要从电脑引出几根线即可。
该烧写器电路及用户界面，均可以从网上获取。
图4整流滤波电路
1.7反馈电路设计
反馈电路使用TLC1543采样输出电压，该器件只能转换0到5伏的电压，超过了会烧毁芯片，当要采集大的电压时，可以通过电阻分压再采样，在程序中再乘以一个分压系数，以代表输出电压值。
在工业控制和智能化仪表中，常用单片机进行实时控制及实时数据处理。
单片机所加工的信息都是数字量，而被控制或测量对象的有关参量往往是连续变化的模拟量，如温度、压力、流量等，通过传感器将这些信号转换成模拟电信号。
单片机要处理这种信号，首先必须将模拟量转换成数字量，这一转换过程就是模—数转换，实现模/数转换的设备称为A/D转换器或ADC。
A/D转换电路种类很多，在选择模/数转换器时，主要考虑以下的一些技术指标：
转换时间和转换频率、量化误差与分辨率、转换精度、接口形式等。
目前，较为流行的AD转换器件有很多都采用了串行接口，这使得这类芯片与单片机的硬件连接非常简单，而软件编程相对要复杂一些，下面，我们以TI公司的TLC1543为例，制作一个多路输入的电压表，了解一下这类芯片的使用特点。
TLC1543特性简介：
TLC1543是由TI公司开发的开关电容式AD转换器，该芯片具有如下的一些特点：
10位精度、11通道、三种内建的自测模式、提供EOC（转换完成）信号等。
该芯片与单片机的接口采用串行接口方式，引线很少，与单片机连接简单。
图1是TLC1543的引脚示意图，其中A0~A10是11路输入，Vcc和GND分别是电源引脚，REF+和REF-分别是参考电源的正负引脚，使用时一般将REF-接到系统的地，达到一点接地的要求，以减少干扰。
其余的引脚是TLC1543与CPU的接口，其中CS为片选端，如不需选片，可直接接地。
I/OClock是芯片的时钟端，Adress是地址选择端，DataOut是数据输出端，这三根引脚分别接到CPU的三个I/O端即可。
EOC用于指示一次AD转换已完成，CPU可以读取数据，该引脚是低电平有效，根据需要，该引脚可接入CPU的中断引脚，一旦数据转换完成，向CPU提出中断请求；此外，也可将该引脚接入一个普通的I/O引脚，CPU通过查询该引脚的状态来了解当前的状态，甚至该引脚也可以不接，在CPU向TLC1543发出转换命令后，过一段固定的时间去读取数据即可。
图6TLC1543的引脚示意图
单片机与TLC1543芯片的接口如图3，从图中可以看出，这里使用了TLC1543作为基准电压源，将REF-直接接地，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3和P1.4分别与EOC、时钟、地址、数据、片选端分别相连。
在六位数码管的后四位数码管上轮流显示TLC1543各通道的测量值，同时用十六进制表示的通道号显示在第1位数码管上。
1.8四位数码显示电路设计
本系统中采用4位数码管显示，动态扫描，软件译码实现预置电压、输出电压以及PID参数的实时显示。
LED数码管有共阴极和共阳极两类。
共阴极LED数码管的发光二极管的阴极共地，某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光：
而此阳极LED数码管是发光二极管的阳极共接，当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。
图7四位数码显示电路
图7是一个4位动态LED显示电路：
4位动态LED显示电路的段选由单片机的P0口来完成，位选则由单片机的P2口的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4来完成。
由于所有位的段选码用同一个I／o口控制，因此，要显示不同的字符，必须采用扫描显示方式。
即每—时刻，只选通一个显示位，同时段选控制I／o口输出显示字符对应的段选码，使该位显示相应字符，显示一定时间后，再选通下一显示位。
如此循环，且每个显示器件显示该位应显示的字符。
通过程序控制，不断循环输出相应地段选码和位选码，由于人的视觉暂留效应，就可以获得视觉稳定的显示状态。
本次设计使用的是共阳型数码管，测试管脚资料时，为避免电压过大测试时，烧毁数码管，使用稳压电源提供3v电压，进行测试，。
经测试得该数码管的管脚资料为：
1-E、2-D、3-DP（小数点）、4-C、5-G、6-第4个数码管的COM、7-B、8-第3位数码管的COM、9-第2位数码管的COM、10-F、11-A、12-第1位数码管的COM。
2软件设计
2.1总体编程思想
单片机控制系统软件设计思路：
系统扫描键盘输入，当键盘有输入，系统立即会做出响应，根据采样电压与键盘输入之间的差值，更新脉宽，输出用户期望的电压，随后系统仍扫描键盘，当没有再次输入时，系统调用PID控制算法，控制输出电压稳定。
电源额定电压为12v，初始化把设定值设为12.00v，系统扫描键盘时，若与该电压相等，系统调用PID算法，在系统每次调用PID控制算法前，若有键盘输入，系统优先响应键盘输入，更新脉宽。
软件子程序包括：
（1）数码管扫描子程序，
（2）TLC1543转换子程序，（3）定时器0中断产生方波子程序。
2.2数码显示子程序
为了使得控制精度达到0.01，采用4位数码管，可以显示到小数点后两位，通过键盘，每次增加步长0.01，实现较为精确的控制效果。
软件设定4个显示缓冲区，存储个位，十位，小数点后1位，小数点后2位。
2.3采样子程序
由于ADC0832只能采样0-5V的电压，超过会损坏芯片，在输出端，通过电阻分压，使得采样的电压总是小于5V，为了显示输出电压值，在程序中采样的电压乘以一个分压系数后在进行显示，这样显示值代表输出电压，同时也保护了芯片。
图9AD转化流程图
2.4中断处理程序设计
89C52系列单片机内部有两个16位的可编程定时器
和
，分别由
和
两个8位计数器构成。
T0和T1的定时功能是通过对单片机内部计数脉冲的计数实现的。
因为每个机器周期产生一个计数脉冲，因此根据单片机的晶振频率就可以计算出定时器的计数频率。
这样如果确定了计数值，就能计算出定时时间，而知道了定时时间也可计算出计数器的预置值。
定时器控制寄存器（TCON）和工作方式控制寄存器（TMOD）分别控制定时控制定时器的运行和工作方式。
计算预置计数值在工作方式1的定时时间计算公式为:
定时时间＝（65536—计数初值）×机器周期
为获取高的处理速度，采用24MHz晶振，一个机器周期为0.5us。
设计数初值为x，则有：
TS=（65536—x）×0.5us
现代开关电源的工作频率很高，可以达到300千赫兹，本次设计开关电源的工作频率为25千赫兹，那么控制脉冲的频率就是25千赫兹，周期为40us，定时时间为周期的一半，即20us，则计数初值为65536-20x2。
3电路仿真
3.1整体电路的的仿真
改变滑动变阻器的值，可以得到9~12V的直流电压，且电压的值随负载的改变量很小，满足要求。
图10稳压模块仿真图
4实物安装与调试
此次的电路虽然原理简单，但使用的元件还是比较多的，在制作时，有的元件不能工作，只能用相近的元件替代。
其二，电路的焊接比较花费时间。
第三，在调试时，由于输入电压有220V,故有一定得危险性，需要十分小心。
在这里，我就不得不提自己在调试时的一个小插曲：
当把电路板完全焊好后去调试时，却怎么样都无法往单片机中输入程序，然后就对电路板进行了仔细认真地检查，但却无论如何都找不出问题之所在，那可真是急得心急火燎，最后不得不考虑是不是单片机有什么问题呢，于是就用别人的单片机试了一下，果不其然，是我自己的那个单片机本身就有问题。
哎!
只有通过这种做实物的练习，才能真正体会到设计过程中所遇到的形形色色的问题，进而也才能去解决这些问题！
5数据整理及最终分析
5.1稳压模块的数据结果
稳压电源在输入电压220V、50Hz、电压变化范围＋15%～－20%条件下：
a．输出电压可调范围为+1.25V～+14.00V
b．最大输出电流为1.537A
c．电压调整率为0.172%（输入电压220V变化范围＋15%～－20%下，空载到满载）
d．负载调整率0.79%（最低输入电压下，满载）
e．纹波电压（峰-峰值）2.37mV（最低输入电压下，满载）
f．效率43.36%（输出电压9V、输入电压220V下，满载）
5.3整体分析
由以上数据可知，本次设计基本成功，但在细节处与要求有一定得偏差，分析原因主要在于，一些元件的参数与计算值有一定得偏差，且温度等外部因素也对结果产生一定影响。
总结
本文先对直流稳压电源原理进行了论述，主要是对整流电路、滤波电路、稳压电路、运放电路和保护电路等几部分功能进行了论述；然后通过仿真进行稳压输出电路可行性研究，最终确定了数控恒压源的方案。
进而绘制电路图，通过焊接电路,制作完成硬件部分，然后对硬件进行了测试；编写单片机程序实现软件部分；通过对整个数控衡压源的调试完善，最终实现了数控恒压源的制作，实现了数字控制稳定电压输出的功能。
经测试，本直流电源完全达到设计要求，能从0V~12V步进0.1V任意电压输出，输入电压稳定可靠波动范围0.1V以内，特别是可调输出端,电压输出波动范围<0.03V,所以本设计达到了预期要求，但在制作上还有进一步提高的可能，如开机预置电压输出，过流保护警报指示等等。
致谢
在本次的课程设计过程中，我得到了老师和很多同学们的无私帮助，在这里我向他们表示深深的感谢。
回想这次课程设计过程中从开始选择方案到最后实物完全完成过程中的点点滴滴，期间有迷茫，有失望，更有挫败，但还是在老师的一次次的耐心的指导下解决了问题，在同学们的帮助下克服了一个个的难关，最终终于完成了这个直流开关电源的设计。
正所谓“没有调查就没有发言权”，不亲自去做这么一个实物，就体会不到中间会遇到的各种各样的问题，更不会去想解决这些问题的方法。
现在实物完成了，收获的不仅仅是一个结果，更重要的是中间的过程。
在此，我再次向指导此次课程设计的郭亚楠老师和韩晓燕老师以及中间给我提供过帮助的同学们致以深深的谢意！
7参考文献
[1]杨旭.裴元庆.王兆安.开关电源技术[M].北京：
机械工业出版社，2004.1
[2]徐德鸿.沈旭.杨成林.译.开关电源设计指南[M].北京：
机械工业出版社，2004.1
[3]郑国川.李洪英.实用开关电源技术[M].福州：
福建科学技术出版社，2004.1
[4]童诗白.华成英.模拟电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社，2001.5
[5]阎石.数字电子技术基础[M].北京：
高等教育出版社,2001.5
[6]薛永毅.王淑英.何希才.新型电源电路应用实例[M].北京：
电子工业出版社，2001.10
[7]叶慧贞.杨兴洲.新颖开关稳压电源[M].北京：
国防工业出版社，1999.1
[8]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：
电子工业出版社，2001.9
[9]赵效敏.开关电源的设计与应用[M].上海：
上海科学普及出版社，1995.9
[10]王水平.付敏江.开关稳压电源--原理.设计与实验电路[M].西安：
西安电子科技大学出版社，1997.1
[11]赵学泉.张国华.新型电子电路应用指南[M].北京：
电子工业出版社，1995.3
[12]BrownLaszlo,PracticalConsiderationsforMOSFETGateDriveTechniquesinhighSpeed,Switch-modeApplication,SeminarAPEC99.March1999.
附录1-程序
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
uintnum,n;
ucharport,m;
ucharge,shi,bai,qian;
sbitAD_eoc=P2^1;
sbitAD_clk=P2^2;
sbitAD_add=P2^3;
sbitAD_dat=P2^4;
sbitAD_cs=P2^5;
sbitDP=P0^7;//单片机引脚配置
ucharcodeled7[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,
0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff};
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