1、 目录1引言11.1 选题背景11.2国内外发展现状及发展趋势22设计要求与系统方案32.1设计任务与要求32.2方案选择与论证42.2.1主控芯片方案42.2.2 电压输出方案42.2.3 驱动电源方案52.2.4 显示电路方案53系统硬件电路设计63.1 ATmage16单片机模块63.1.1 ATmage16简介63.1.2 ATmage16主控电路73.2 L6203电压输出模块83.2.1 L6203芯片简介83.2.2 L6203外围电路参数93.3驱动电源模块93.3.1 LM7805三端稳压器简介103.3.2 驱动电源参数设计103.4 LCD1602液晶显示模块113.4.
2、1 LCD1602简介113.4.2 LCD1602与单片机连接123.5 输出电压采集反馈电路134系统软件设计134.1程序流程图144.2系统源程序145结束语14参考文献15附录1 系统总体电路图16附录2 系统源程序17全数字化直流电源设计摘要:将单片机数字控制技术,有机地融入直流稳压电源的设计中,设计出一款数字通用直流稳压电源。该电源具有电路原理系统功能通过软件编程,易于实现功能的扩展。AVR 系列的单片机不仅具有良好的集成性能, 而且都具备在线编程界面, 其中的Mega 系列还具备JTAG 仿真和下载功能; 含有片内看门狗电路、片内程序Flash、同步串行界面SPI; 多数AVR
3、 单片机还内嵌了A/D 转换器、EEPROM、模拟比较器、PWM 定时计数器等多种功能; AVR 单片机的I/O 界面具有很强的驱动能力, 灌入电流可直接驱动继电器、LCD 等元件, 从而省去驱动电路, 节约系统成本。关键词:直流稳压电源;AVR单片机;液晶显示1引言1.1 选题背景 稳压电源技术在工程技术方面使用性很强,在各个行业里都具有广泛的应用。当今电源技术有着很广阔的发展前景。随着数字化电源在工厂和家庭中的普遍使用,电源的设计要求也越来越高。普通电源在工作时产生的误差,会影响整个系统的精确度。电源在使用时也会造成很多不良后果。数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是显
4、而易见的,其中数字化直流稳压电源就是一个很好的典型例子,它可以让人们享受和体验更便捷和智能化的生活方式。 本文所介绍的数字化直流稳压电源与传统的稳压电源相比,具有操作方便,电压稳定度高的特点。其输出电压大小采用数字显示,主要用于要求电源精度比较高的设备,或科研实验电源使用。并且此设计,除了用到单片机,还用到了数字电路中的可逆计数器,D/A转换器,译码显示等电路,具有控制精度高,制作比较容易等优点。 在各类电子设备中,由电压稳定的直流电源供电是很常见的。但在实际生活中,都是由220V 的交流电网供电。这部分交流电一般不可以直接使用,这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电
5、。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小。这通常会使得电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损。因此数字化直流电源主要的发展方向,是不断加以改善上述缺点。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产生和不断发展,也促进了各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的广泛应用。到90年代,已出现了数控精度达到0.04V,功率密度达到每立方英寸60W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
6、字化稳压电源是针对传统电源的不足设计的,数字化设计能够减少生产过程中的不确定因素和人为因素的干扰,有效地解决电源模块中诸如智能化可靠性、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。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。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。1.2国内外
7、发展现状及发展趋势 从上世纪九十年代末起,电力电子技术的发展开始带动电源技术的发展,迄今为止电源制造业已成为非常重要的基础产业,并广泛应用于各个部门。随着对系统更高效率和更低功耗的需求,国内外电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流电源转换器向更高灵智能化和灵活性方向发展。整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为单片机控制,从而使直流电源智能化,并且继续朝高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化发展。直流稳压电源是最常用的仪器设备, 在科研及实验中都是必不可少的。 如今国内已经出现了一款全新电路DPS-305C全数字化直流电源,如深圳圳宏盛电源运用巧妙的电路结构,在实现同样的功能
8、前提下大大降低了数字电源的生产成本,而且价格比通常的编程直流电源低了很多,是替代普通旋钮直流电源的理想直流电源。应该承认,我国直流稳压电源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足,在电源产品的可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、持续创新能力等方面有很大差距,尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多局限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。总体说来,国内直流稳压电源制造技术在实现智能化等方面相对落后,面对激烈的国际竞争,是个严重的挑战。但是这并不能阻挡未来我国直流稳压电源市场蓬勃发展的趋势
9、。 尤其是在我国进入WTO后,电源设备开始大跨步融入国际市场。近10年来我国直流稳压电源市场需求量呈现逐年显著上升的趋势。相关应用技术的发展都对稳压电源应用领域的进一步拓宽起到了积极作用,极大地带动了稳压电源市场需求量的增加。我国经济的快速发展为稳压电源行业带来了良好的发展基机遇,巨大的潜在市场也为我国稳压电源行业发展提供了良好的环境。我国直流稳压电源行业具有广阔的发展前景,它是一个拥有较高利润空间的产业,它的发展也将带动更多相关产业的发展。随着我国稳压电源市场政策的进一步规范,与产业政策相关联的上下游行业将有着良好的投资机遇。2设计要求与系统方案2.1设计任务与要求从实用出发,采用单片机或数
10、字信号处理(DSP)芯片,结合其他外围硬件电路设计一个数字控制和显示的直流电源。在设计过程中,选择12个单元电路使用仿真软件(例如Multisim、Proteus等)进行仿真调试。系统的基本要求如下:系统电压调节范围为012V,最大输出电流1A,具有过载和短路保护功能。输出电压可用1602LCD液晶显示。键盘设有6个键,复位键,步进增减1V两个键,步进增减0.1V两个键以及确认键。复位键用于启动参数设定状态(5V),步进增减键用于设定参数数值,确认键用于确认输出设定值。电源开机设定电压输出默认值为5V。通过步进增减按键功能选择可在不同的设定参数之间切换,再按确认键进入设定电压输出状态。若按复位
11、键,则电压输出恢复5V。系统设有自动识别功能,将不接受超出使用范围(012V)的设定值。2.2方案选择与论证稳压电源的分类方法繁多,按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源;按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源;按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源;按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源,等等。如此繁多的分类方式会让我们摸不着头脑,不知道从哪里入手。我们必须弄清楚各个类别的特点,才能从中选出最佳方案。2.2.1主控芯片方案方案一:采用STC89C51作主控芯片STC89C51为8位单片机,程序存储器位8K,外部可扩展至64KB,内部RAM位512B,可
12、扩展至64KB,4组可位寻址的8位输入/输出口,即图中P0,P1.P2,P3。有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,STC89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储结合在一起,特别是可反复擦写Flash存储器可有效地降低开发成本。在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。方案二:采用Atmage16单片机为控制核心(1)采用先进RISC结构的AVR内核(2)片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器(3)片内含J
13、TAG界面(4)宽电压、高速度、低功耗(5)片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD;片内含有1M/2M/4M/8M,经过标定的、可校正的RC振荡器,可作为系统时钟使用;多达21个各种类型的内外部中断源;有6种休眠模式支持省电方式工作等等。综合考虑,采用方案二更容易实现本课题的设计。2.2.2 电压输出方案方案一:简单的并联型稳压电源并联型稳压输出的调整元件与负载并联,因而具有极低的输出电阻,动态特性好,电路简单,并具有自动保护功能;负载短路时调整管截止,可靠性高,但效率低,尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流,损耗过大。方案二:串联型稳压电源并联稳压输出有效率低、输出电压调节范
14、围小和稳定度不高这三个缺点。而串联稳压电源可以避免这些缺点。而简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压无法调节,必须对简易稳压电源进行改进,增加一级放大电路,专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程,所以这样的稳压电源叫串联负反馈稳压电源。而这部分电路的设计会比较麻烦。方案三:输出可调的开关电源 开关电源的功能元件工作在开关状态,因而效率高,输出功率大;且容易实现短路保护与过流保护,只是电路在低输出电压时开关频率低,纹波大,稳定度差。综合考虑效率,输出功率,输入输出电压,负载调整率, 本设计选用方案三,要求较低,较易实现.对于效率和纹波的要求可以通过仔细调
15、整磁性元件的参数(L,Q,M等)使其工作在最佳状态。我们在选择方案的时候考虑到电路要简单,元件要容易找,所以我们选择了上述的方案中的第三个方案。2.2.3 驱动电源方案驱动电源是整个系统的总电源,通常可以有两种方案:方案一:可以采用三极管等分立元件来实现。但电路复杂,调试困难,干扰强,稳定性差,不适合做高精度数字电源。方案二:采用集成三端集成稳压芯片。从性价比来说,采用三端集成稳压芯片来实现要好很多,现在的稳压芯片功能强大,且价格低廉,很适合我们此次的设计。2.2.4 显示电路方案方案一、采用高亮LED数码显示电路 方案二、采用液晶显示电路直接利用单片机的软硬件资源实现高精度高速A/D转换,转
16、换精度和转换速度还可以通过软件来改变,价格也低廉。不过对软件部分要求较高。3系统硬件电路设计系统的总体结构如图21所示,电路系统结构如图1所示,系统选用Atmage16单片机为控制核心,外部扩展L6203驱动芯片用以实现电压输出功能,同时1602液晶显示相应的输出电压值。单片机计算设定值与AD转换采样反馈值的偏差以及偏差的变化率,得出相应的输出值,由DA转换变换为模拟量去驱动电压输出控制电路,从而使电压稳定在设定值。图31 系统总体结构图3.1 ATmage16单片机模块3.1.1 ATmage16简介ATmega16是AVR系列单片机中比较典型的芯片,其外部引脚封装如图2所示。 其中,各个引
17、脚的功能如下: (1)电源、系统晶振、芯片复位引脚Vcc: 芯片供电(片内数字电路电源)输入引脚,使用时连接到电源正极。AVcc:为端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚。不使用ADC时,直接连接到电源正极;使用ADC时,应通过一个低通电源滤波器与Vcc连接。AREF:使用ADC时,可作为外部ADC参考源的输入引脚。GND: 芯片接地引脚,使用时接地。XTAL2:片内反相振荡放大器的输出端。XTAL1:片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。RESET:RESET为芯片复位输入引脚。在该引脚上施加(拉低)一个最小脉冲宽度为1.5us的低电平,将引起芯片的硬件复位(外部复位)。(2)32根
18、I/O引脚,分成PA、PB、PC和PD四个8位端口,他们全部编程式控制制的双(多)功能复用的I/O引脚(口)。四个端口的第一功能是通用的双向数字输入/输出(I/O)口,其中每一位都可以由指令设置为独立的输入口,或输出口。当I/O设置为输入时,引脚内部还配置有上拉电阻,这个内部的上拉电阻可通过编程设置为上拉有效或上拉无效。如果AVR的I/O口设置为输出方式工作,当其输出高电平时,能够输出20mA的电流,而当其输出低电平时,可以吸收40mA的电流。因此AVR的I/O口驱动能力非常强,能够直接驱动LED发光二极管、数码管等。而早期单片机I/O口的驱动能力只有5mA,驱动LED时,还需要增加外部的驱动
19、电路和器件。芯片Reset复位后,所有I/O口的缺省状态为输入方式,上拉电阻无效,即I/O为输入高阻的三态状态。图32 ATmage16 外部引脚与封装示意图3.1.2 ATmage16主控电路应用ATmage16 主要完成PWM 波的输出及控制功能。它可以先产生一定脉宽的PWM 波,作为L1603 驱动电路输入信号,然后根据所需要的基准电压与检测到的输出电压的比较,调整脉宽,即改变占空比,最终实现高性能可调直流稳压。 图33内部晶体振荡器外接电路3.2 L6203电压输出模块3.2.1 L6203芯片简介 L6203是DMOS全桥直流驱动器,OUT1和OUT2之间接直流电机。它的工作原理是当
20、ENABLE=1时,将PWM信号给IN1,PWM信号反向后给IN2,这样调整PWM即可改变直流电机的转速。L6203通过驱动电机转动来改变输出电压大小。L6203的各管脚功能说明详见下表。表3-1 L6203的管脚功能说明图L6203芯片名称管脚功能1OUT2外接电阻,提供电机反馈控制电流2Vs电源端3OUT1不接线4 BOOT1 引脚外接自举电容来确保第一级DMOS场效应管有效5IN1电机的数字信号输入6GND公共接地端7IN2电机的数字信号输入8BOOT2引脚外接电容来确保第一级DMOS场效应管有效9Vref内置参考电压,通过电容充电。含有内置电阻,最大电源输出2mA10SENSE外接电阻
21、,提供电机反馈控制电流11 ENABLE高电平有效,选择IN1或者IN2接口L6203的外观结构如图所示 图34 L6203的外观图3.2.2 L6203外围电路参数L6203驱动模块就是将5V的输入电压变成Vin的电压24V,一方面提高电压,一方面提高电流。电源驱动芯片的选择,由于器材的限制以及使用CMOS管需要的驱动需要注意比较多的前级推动,如果直接使用电机驱动芯片L6203,其价格实惠,电路简单而且效果非常好。图35 L6203驱动模块3.3驱动电源模块单片机系统要工作需要有5V电源输入,L6203驱动模块输入电压也是5V,所以本设计采用7805集成稳压电器。3.3.1 LM7805三端
22、稳压器简介三端固定式稳压电源(LM7805)是由输出脚Vo,输入脚Vi和接地脚GND组成,其稳压值为+5V。三端稳压IC 7805用来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。它的性能很稳定,能够实现1A以上的输出电流。该器件具有良好的温度系数。还具有多种电压输出值5V至24V,因此它的应用范围很广泛。可以运用本地调节来消除噪声影响,解决了与单点调节相关的分散问题 ,输出电压误差精度分为3%和5% 。 图36 LM7805三段稳压器模块3.3.2 驱动电源参数设计 该设计对包括变压器参数、输入电容、输出电容、保险丝的选取如下。
23、(1) 变压器大浪费资源;二来考虑集成块耐压多大,太高压会击穿稳压管。所以一般采用6V或9V的变压器。 (2)C11 为整流滤波电容,它把整流后的脉动波形滤波为脉动纹波很小的直流电压,它的容量与负载有关,一般说,负载越重,C1的值要求越大。此方案设计的该电容参数为2200uF/25V。 (3)C12 为LM7805稳压集成电路所要求的,尤其当LM7805与整流电路的滤波电容不是紧紧连接的情况更是必不可少的,它用于稳定LM7805内部放大器的工作状态,它的连接必须尽可能紧连LM7805的1脚和2脚。此方案设计的该电容参数为33pF/25V。 (4) C13也为LM7805稳压集成电路所要求的,它
24、用于稳定LM7805内部放大器的工作状态,同时改善电压调整的过渡响应。它的连接必须尽可能紧连LM7805的2脚和3脚。此方案设计的该电容参数为100uF/25V。 (5) C14为负载电路退耦电容,它对负载提供一个端距离的本地回路,其数值与负载工作方式有关。此方案设计的该电容参数为33pF/25V。 (6)该方案中选取0.5A熔断电流的保险丝。图37 5V系统驱动电源模块3.4 LCD1602液晶显示模块3.4.1 LCD1602简介 LCD1602液晶也叫1602字符型液晶,LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行,每行16个字符液晶模块它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的
25、点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形。 LCD1602采用标准的16脚接口,各管脚功能如下,其中:第1脚:GND为电源地。第2脚:VCC接5V电源正极。第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚:RW为读写信号线,高电平(1)时进行
26、读操作,电平(0)时进行写操作。第6脚:E(或EN)端为使能(enable)端,高电平(1)时读取信息,负跳变时执行指令。第714脚:D0D7为8位双向数据端。第1516脚:空脚或背灯电源。15脚背光正极,16脚背光负极。 图38 LCD1602引脚图和液晶显示模块3.4.2 LCD1602与单片机连接如果采用数码管显示,其价格便宜,但是占用端口较多,功耗大、显示不功能不全。而用1602液晶显示,则占用端口少,显示功能较全面,驱动电流小。所以选择选择1602液晶显示。图7 给出与单片机连接的LCD1602字符液晶作为信号显示部分。 图39 与单片机连接的LCD1602字符液晶显示模块3.5 输
27、出电压采集反馈电路 图310 输出电压采集反馈电路4系统软件设计数控直流稳压电源的程序主要包括3个方面的内容:一是单片机从按键中读取数据,而后和原有的输出电压进行比较;二是利用按键进行输出的调整;三是从单片机中读取数据传输到1602液晶显示器,进而显示输出电压值。4.1程序流程图 系统程序流程如图11所示 图41程序流程图4.2系统源程序系统源程序见附录2所示。5结束语利用单片机对直流稳压电源进行控制,改善了电源的性能,使用方便灵活,且成本较低。另一方面,根据对电源的新要求,控制系统在软件上还可进一步改进,以扩展其功能,而并不需要增加硬件开销,从而提高了电源的性能价格比。 经过两个多月的努力,
28、从课题选择、方案论证到具体设计和调试,这篇论文终于完成。通过本次毕业设计,使我了解了各个元器件在电路中的主要功能并深刻理解了数字化直流稳压电源的设计原理。在整个设计过程中,尽管出现过很多的不足和漏洞,也遇到很多的难题,但都在老师和同学的帮助下顺利解决了,在这里特别感谢曾旺辉老师给我的悉心指导和帮助,才能让我顺利完成这次毕业设计。 参考文献 1王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2005.2李文元.高精度工业用可调直流电源的设计和制造R.兰州理工大学,2000.3张毅刚单片机原理及应用I-M北京:高等教育出版社,2004.4E33范立南单片微型计算机控制系统设计M北京;人民邮电出
29、版社,2004.5王水平,史俊杰,田庆安.开关稳压电源原理、设计及实用电路(修订版)M.西安:西安电子科技大学出版社,2005.6潘永雄.新编单片机原理与应用M.西安:西安电子科技大学出版社,2003.7 刘楚湘,杜勇,尤双枫 基于单片机的数控直流稳压电源设计J 新疆师范大学学报(自然科学版),2007,26(1):50 528 吕晓坤 应急电源在煤气化装置的应用J 石油化工自动化,2012,48(3):82 849 王春梅 实验室简易数控直流稳压电源的设计J化工自动化及仪表,2011,37(1):102 10410 贺洪江,李宪红,阎舒静 一种高精度数控直流稳压电源的设计J 河北建筑科技学院
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31、, organic integration into the DC power supply design, digital design a universal DC power supply. The power supply has a liquid crystal display, digital input voltage, voltage regulation and high accuracy. Through software programming, easy to expand their role.AVR micro controller series, the inte
32、gration is not only good performance, and all have online programming interface, which also has the Mega series of JTAG emulation and download capabilities; with on-chip watchdog circuitry, on-chip program Flash, synchronous serial interface SPI; most AVR micro controller is also equipped with a A /
33、 D converter, EEPROM, Analog comparators, PWM timer counter and other functions; AVR micro controller I / O interface has a strong drive capability, poured into the current can directly drive relays, LED and other components, thereby eliminating the need for circuit, system cost savings.Keywords: DC
34、 Power Supply; AVR micro controller LCD附录1 系统总体电路图 附录2 系统源程序/*This program was produced by theCodeWizardAVR V1.25.7a EvaluationAutomatic Program Generator?Copyright 1998-2007 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.Project : Version : Date : 2010-5-20Author : Freeware, for evaluation and non-commercial use
35、onlyCompany : Comments: Chip type : ATmega16Program type : ApplicationClock frequency : 8.000000 MHzMemory model : SmallExternal SRAM size : 0Data Stack size : 256*/#include #include 1602.c#include adc.c /*-全局定义-*/#define choice 0x7e#define up PIND.6#define down PIND.0#define right PIND.2#define lef
36、t PIND.1#define ok PIND.3 #define Enable PORTD.7 /*定义界面内容*/flash uchar set1=Plese set Volt: ;/flash uchar shu=0123456789.;flash uchar putvolt= Volt: ;flash uchar putamp= Amp: ;flash uchar start=Starting;/flash uchar error=error;uint volt=50;/*-功能:进入系统的初始化函数-*/void intosys()uchar i; lcd_init(); write
37、_com(lcd_clr); write_com(0x80); delay_ms(5); for(i=0;i8;i+) write_data(starti); /启动开机界面 delay_ms(2); /延时写入,可以防止液晶处于忙状态 write_com(0x80+0x40); delay_ms(5); for(i=0;i16;i+) write_data(-); delay_ms(100); /*-用户界面一,设置界面-*/void user_1()uchar i;write_com(lcd_clr); write_com(0x80); delay_ms(5); for(i=0;i16;i
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39、; for(i=0;i16;i+) write_data(set1i); delay_ms(3); /*-显示数据函数,将数据分开-*/void show_data(uint data) char ch1,ch2,ch3; ch1=data/100; ch2=data/10%10; ch3=data%10; if(ch1=0) write_data(0x30+ch2); delay_ms(4); write_data(.); delay_ms(4); write_data(0x30+ch3); delay_ms(4); write_data(0x20); else write_data(0x30+ch1); delay_ms(4); write_data(0x30+ch2); delay_ms(4); write_data(.); delay_ms(4); write_data(0x30+ch3); delay_ms(4); /*-显示电压值-*/void show_volt(uint data) write_com(0x80+6); show_data( data); /*-显示电流值-