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原稿!!基于单片机的程控精密直流稳压电源的设计【任务书+机械毕业论文+万方查重】

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原稿 基于 单片机 程控 精密 直流 稳压电源 设计 任务书 机械 毕业论文 万方
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内容简介:
摘 要我们可以利用数字来决定程控直流稳压电源的输出电压,并可使输出直流电压能够保持稳定,准确的直流电压源。此次设计的数控稳压电源电路由去抖电路、辅助电源电路、D / A 转换电路等构成,详细介绍了电路的大致的电路结构和控制方法。和以前的传统电源不同的是,数控直流电源具有操作方便、稳定可靠等优势。数控直流电源组成简单、易于生产、价格实惠,输出电压可在1-10V 内可以实现连续调节,输出电压的步进值为 0.5V,输出电压值得增大减小分别利用“+ ”, “ - ”按键进行控制,可以按照适时需求组合稳压源电路的各种输出电压值。电源控制电路采用 AT89C51 单片机,主控电路采用串联调节稳压技术,电路结构简单,响应速度快,稳定性好,效率高。关键词:数控电源;AT89C51;DAC0832;OPA552AbstractWe can use the number to determine the program-controlled DC power supply output voltage, and can make the output DC voltage to maintain a stable and accurate DC voltage source. The design of the NC power supply circuit by the debounce circuit, auxiliary power supply circuit, D / A conversion circuit and so on, in detail the circuit of the circuit structure and control methods. And the previous traditional power supply is different, CNC DC power supply with easy operation, stable and reliable and other advantages. The output voltage can be continuously adjusted in 1-10V, the step value of the output voltage is 0.5V, the output voltage should be increased and the +, -, the output voltage should be increased, Button to control, in accordance with the timely needs of the combination of a variety of voltage regulator circuit output voltage. Power control circuit using AT89C51 microcontroller, the main control circuit using series regulator regulator technology, circuit structure is simple, fast response, good stability and high efficiency.Key words: numerical control power supply; AT89S51; DAC0832; OPA552目 录摘 要 .1Abstract.2第一章 绪论 .31.1 数控直流稳压电源的产生背景 .31.2 直流稳压电源发展现状 .41.2.1 智能化 .41.2.2 数字化 .41.2.3 模块化 .51.2.4 绿色化 .51.3 国内外发展现状 .51.4 系统开发的意义 .61.5 系统主要功能 .71.6 系统研究方向及研究方法 .7第二章 系统总体方案设计 .82.1 系统概述 .82.2 系统整体概述 .92.2.1 控制部分 .92.2.2 显示部分 .102.2.3 键盘接口部分 .112.2.4 电源部分 .112.2.5 其他电路部分 .12第三章 系统硬件电路设计 .133.1 单片机主控电路设计 .133.2 显示电路 .133.3 电源电路 .143.4 系统总电路 .14第四章 系统软件设计 .154.1 主程序 .15第五章 组装与调试 .165.1 硬件电路的布线与焊接 .165.2 电路组装和调试 .17结束语 .18参考文献 .19致 谢 .20附 录 .20第一章 绪论1.1 数控直流稳压电源的产生背景数字电源技术是电力技术中的一种特别实用的工程技术,广泛应用于各个行业之中。电力电子技术是电能优秀的应用技术之一。当下的电源研究是结合了电气、电子、材料、控制理论、系统集成等许多科学方面。计算机技术伴随时代发展越来越快,通信技术也同样如此,现代信息技术革命也极大地促进了电力电子技术向前发展,这就对要求电源技术向更高层次迈进。数控稳压电源在人们使用的电子设备中日益被大量采用,普通电源运行时发生的错误可能会影响整个系统的精度。电力供应将造成许多不利后果,世界对电力产品提出了不同的要求,也确立了相关产品准确度准则条例。流向市场的产品必须满足产品的准确度准则。数控电源从 80 年代真正发展起来,在这之后,电力电子理论系统初步建立。这些理论为后续发展提供了良好的基础。在后期,数控电力技术发展了跨越式发展。然而很多产品依然有很多劣势,比如:可靠性不高、控制水平不达标、分辨率较低、功率密度不大等。所以,数字电源发展的重要目标是瞄准这些劣势不断提高改进。单片机技术、电压转换模块的产生和发展给精密数字程控式稳压电源的开发研究带来了很多方便之处。1990 年以后,新型转换技术和各种程序控制理论逐渐不断地研究进步,专用集成电路和数字信号处理装置的开发使用已经开发出 0.05V 的数字程序控制电源,功率密度可以提高至 50W/英寸 3。数控电源的构成能够分为三部分:器件部分、主电路部分和控制部分。当下的电力电子设备中,以前普遍使用的直流电源基本选择电位器和频带开关调整电压,而电压表的显示值则表示电压值的大小。所以,电压值调节精度较低,也无法做到直观读数,并且磨损可能导致电位器损坏,读数容易产生跳变,实际使用不便。不过单片机程控数字直流电源可以更好地改善这些不足之处。数控技术的发展是 51 系列 MCU 作为主要控制单元电路开发和软开关技术等电子技术改进的主要标志。数字化应属于重要发展方向的控制,数字电源技术也会信息技术的飞速发展而得到很好地推动。当下数控电源的研究方向,大方向是针对更准确的数控精度和分辨率以及更优良的动态性能、优质的环保表现、更高的智能化程度、更高的可靠性等展开研究的。1.2 直流稳压电源发展现状1.2.1 智能化当下在开发高精度、高性能、多功能的测控仪器时,大多数技术人员都会考虑选择单片机。用单片机作为主要组成部分的测控仪器逐步取代传统电子电路的传统仪器,计算机技术和测量控制技术充分融合,成为了所谓的“智能测控仪器” 。智能仪表既优化了大部分传统仪器不能处理、难以处理的疑难问题,又使整个仪器的电路简单化了,系统的可靠性得到提高,产品的开发速度飞速提升。直流电源一方面为仪器提供电力,是仪器“电源” ,另一方本身就是仪器,所以有可能而且应该是智能的。详细来讲,智能直流电源能够拥有如下几种特点: 操作自动化。系统完整的测量过程包含键盘扫描、范围选取、开关闭合、数据采集、传输和处理以及显示打印等都经过单片机的控制,可以做到测量的完全自动化实现。 有自检功能,包括自动归零、自动故障检测、自动状态验证、自动校准诊断、自动转变量程。系统可以自动检测站点的故障甚至故障原因。 能够进行人机对话。原来传统的直流电源中的转换开关在智能直流稳压电源中采用键盘来取代,技术工人从键盘输入相关的命令即可完成对应的测量功能。并且,智能直流电源可以从显示屏幕上观察仪表使用状态、工作条件等,将测量数据处理结果及时报备给相应的技术人员,使系统运行更加方便直观。 网络管理能力。互联网技术不断地普及和信息处理技术不断研究进步,直流电源通过 RS232 接口实现与主机 PC 的通信,使网络技术人员可以随时监控电力设备的运行,技术参数;网络技术人员可以通过网络定时切换电源,远程开关等功能。1.2.2 数字化普通直流电源的控制部分利用模拟信号完成设计工作。上世纪六七十年代,模拟电路基本上讲是电力电子技术的基础。然而,数字信号,数字电路的重要性变得愈发明显,数字信号处理技术也逐步成熟,由此便显现出极大的优势:计算机处理控制更为方便、减小模拟信号失真程度,降低无关信号干扰(即提升抗干扰能力) ,易于封装调试和遥感遥测遥控,而且容易进行自我诊断以及容错等其他技术植入。1.2.3 模块化模块化电源包括功率器件的模块化和电源单元模块化两种含义。模块化的目的既可以使智能电源应用便利,又减少了整机的尺寸,更主要的地方在于取消传统方式里面的导线连接,把寄生参数减到最小,使设备承受最低程度的电压力,从而提高了系统可靠性。对于大功率电源,因为器件容量固定,可以增多冗余以提升可靠性,通常选择好几个独立模块单元相并联,然后使用电流共享技术,所有模块一起承担负载上的电流,一旦模块出现故障,其他模块然后共享负载电流。大大增加系统的可靠程度,如果存在单个模块故障,那也无法影响整个系统的正常有序工作。1.2.4 绿色化电力供应系统的绿色包括两种含义:一是节电功能显著,这意味着节能的发电能力,因为发电是环境污染的重要原因,节能减排可以减少环境污染;二是这些电源不对或者对环境产生的污染很小,国际电工委员会(IEC)已经制定了一套的相关条例,比如说:EC555,IEC917,IECI000 等。1990 年以后,许多种有源滤波器和有源滤波器补偿方案开始制定,这给 21 世纪大量生产的各种各样的绿色节能的直流电源产品奠定了厚实的基础。1.3 国内外发展现状电力电子技术逐步变成一个完善而独立的高科技技术,电源技术也包含于电力电子技术类。信息产业是电源技术的重要服务对象,因此,信息技术的发展也给了电源技术的发展更多的难题,因此也帮助电源技术加快发展,这两者互补互助,使今天信息产业和电源行业得以蓬勃发展。到目前为止,电力已成为一个非常重要的基础技术和产业,广泛应用于各行业,从日常生活到最前沿的科学与电力技术的参与和支持是密不可分的,具有高密度、低电压、高电流、高频率、高效率等多样化的发展趋势。同时,包装结构、规模也越来越接近国际标准化,满足全球市场一体化的要求。在中国,把电力电子技术当成核心技术的电源行业,在六十年代中期出现其雏形,到了上世纪九十年代,电源行业进入了飞速发展的阶段。在国家自然科学基金的引导下,或在创新意识的引导下,中国电力电子技术研究开发工作从最初的吸收消化别国先进经验,逐渐进步到开发前沿跟踪和有能力进行基本创新,电源行业出现了许多产品,它们在技术层面上来讲相当复杂,并且具有国际先进水平,也开发出大量非常有代表性的研究成果和产品,当下国内也进行了跟踪国际前沿研究和一些基础研究。然而,中国电源行业根发达国家比起来,差距与劣势还是显而易见的,特别是在实现直流电源智能化以及网络这两个方向,开发人员的研究投入并不多。目前,成都电子科技大学和广州华南理工大学在这两个方面有较多的研究,主要使用单片机和可编程系统设备(PSD)来操作直流电源或数字化电压单元这两种方式进行数字控制,然而和国外一比较就会发现,达不到预想的效果并且存在很大的差距。国内厂商生产的直流电源,尽管说是朝着数字化发展的方向,然而多局限在使输出的数字能够数码显示,或者是实现多组数字预设这些浅显的层面。总而言之,国内直流电源技术实现智能化还需要很大程度的努力,在激烈的国际竞争中才能占有一席之地。目前在国内外电源行业,主要产品是不同种类的线性电源,比如:交直流开关电源、直直流开关电源、交流变频电源、电解电镀电源、高频变频器整流焊接电源、中频感应加热电源、动力电源、正弦波逆变电源、UPS、可靠高效低污染光伏逆变电源、风光互补型电源等。而普通使用者最在意的莫过于产品的性价比、品牌、使用寿命等方面。这相应的促进了国内外电源厂商往应用技术数字化,硬件结构模块化、产品绿色智能化等方面发展。1.4 系统开发的意义伴随时代的进步,我们的生活、工作一直都受到数字电子技术的影响。数字电子技术给我们的生活工作提供了极大的便利,深受欢迎。此次毕业设计将设计出一个数控直流电源,由直流电源、控制电路、显示电路、数模转换电路、电压放大和发射极输出等组成。具体来说,51 系列 MCU 用作整机的控制单元,由变化输入的数字来变化输出的电压。输出电压由集成放大器放大器和发射极输出器件的输出变化。与传统电源相比具有稳定,功率稳定和高输出电压以及数字显示特性的使用。1.5 系统主要功能系统电压调节范围为 1.2V+ 10V,最大输出电流为 500mA,具有过载和短路保护。数字显示有 4 位,其中 1 个功能显示,其他 3 个显示输出电压和电路参数设置。键盘具有四个键,功能选择键,步骤改变键和确认键。功能选择键用于启动参数设置状态。步更改键用于设置参数值。确认键用于输入设定值。功率设置值是以前的使用值。这时候电压显示值开始闪烁,说明已经进入了参数设定状态。按 Enter 键进入设置状态,按 Enter 键更改设置值,按 Enter 键进入设置值。按 Enter 键更改设置值。系统配有自动识别功能,不接受使用范围的设置。1.6 系统研究方向及研究方法此次毕业设计研究的直流电源系统要求满足智能、数字和模块化的条件。智能化的意思是系统模块可编程,能够智能地操控系统。数字主要是指通过LED 数字显示的系统输出电压,并能够按下按钮来连续步进地调节输出电压,实现数字化。模块化是指系统通过各种模块,提高系统的可靠性。毕业设计从课题开始就明确,毕业设计题目确定,通过使用四年大学专业知识和获取参考资料来进行一系列工作的完成。对于主题的要求,我进行了如下思考,例如:要使用哪些模块,应该如何分配模块,如何协调这些模块。然后对程序的可行性进行重复参考比较,最后完成设计,程序完成后,访问与硬件电路相关的参考信息各模块的设计,同时软件模块同步,通过连续测试,正确的代码烧录到微控制器存储单元中,通过一次次调试系统,不断地修改完善来改进系统。第二章 系统总体方案设计2.1 系统概述数控电源是电子设备的重要组成部分,数控电源的质量与电子设备的可靠程度直接相关,电子设备故障原因有 60可能性是来自电源。因此用户更加提高了对电源的重视程度。电子电路和电子设备上电源最基本的要求是电源输出电压或输出电流稳定。查阅了不少相关资料之后,我发现显示、控制电路是组成程控直流稳压电源电路的核心,有以下几种选择:方法 1:使用模拟电路模拟电压调节器电路用于通过多端口开关来控制输出电压,而所谓的显示系统只在多文件开关旁边,每个文件指示电压值。随着电子工业的发展,其不切实际的缺点使其逐渐走上历史舞台。方法 2:使用纯数字电路纯数字电路电源可以消除硬件之间的摩擦,极大地提高了直流稳压电源的使用寿命,它的输出电压不会由于时间的延长而出现误差。但是它的电路更复杂,制作困难,因为电路的复杂性会带来很多问题。方法 3:采用单片机方法单片机数字电源的使用是数字电路和单片机的良好组合,既可以实现数字电路的各项功能,又可以最大程度上简化复杂的纯数字电路。选用单片机之后,还能够编写软件对其进行保护,通过编写软件也可以方便地扩展其他功能。通过多方面的考虑和实用性、准确性、单片机处理能力等,使用基于单片机控制的直流稳压电源的优势在于:低功耗、高性能、抗干扰能力强,因此我们选择了第三个方法。系统整体框图如下图 1 系统整体框图2.2 系统整体概述系统整体框图如图 1 所示。图中的各个模块均通过单片机来进行协调工作。2.2.1 控制部分(一)单片机介绍:AT89C51 的主要特点:兼容 MCS-514K 字节的可编程闪存使用寿命:1000 次写入/擦除周期数据保留时间:10 年全静态操作:0Hz-24Hz三级程序存储锁128 * 8 位内部 RAM32 个可编程 I / O 线两个 16 位定时器/计数器5 个中断源可编程串行通道低功耗空闲和掉电模式片上振荡器和时钟电路如图 2 为单片机的原理图:图 2 单片机原理图(二)控制电路介绍电路系统结构如图 1 所示,选择 AT89C5l 单片机当做控制核心,在外围一片电擦除 2864 内存,用于进行掉电参数存储。单片机的设定值与 A/D 转换采样的反馈值之间的偏差以及偏差的变化率,得到相应的输出值,由 D/A 转换电路转换为模拟量去驱动电压输出控制电路,使电压稳定在先前的设置值。2.2.2 显示部分本文使用公共阳极数字管作为显示部分,因为要显示的数量较少,因此数字显示可以满足要求。图 3 显示了数字管的示意图:图 3 数码管原理图2.2.3 键盘接口部分键盘是单片机应用系统中应用的最多的数据输入设备。键盘分为独立键盘和矩阵键盘。选项 1,使用独立键盘独立键盘,一个键占用一个 I / O 线,当键数多时,I / O 口,使用率不高,不过需要的软件编写较少,程序简单,多用于需要按键不多的场合。选项 2,使用矩阵键盘电路连接和软件编程较为复杂,不过提高了 I / O 端口利用率,多用于按键需求较多的场所。因为设计要求的简单按钮,所以选举方案一。2.2.4 电源部分本文采用三端电源,输出 15V,电流 1A。如图 4 所示,其引脚图如下:图 4 LM7915 外形引脚图2.2.5 其他电路部分(一)D/A 转换器DAC0808 是一个 8 位 DAC 转换器,DAC0808 是一个具有 16 个引脚的双列直插 8 位 D / A 转换器。引脚功能是:1 脚为空, GND 为 2 脚,VEE 为 3 脚,DAC 输出引脚为 4 脚,数据输入引脚为 5 脚,VCC 为 13 脚,为 12 脚参考电压(VREF +) ,15 脚为参考电压(VREF-) ,16 脚为补偿。数据输入全为 0 时,4 脚输出电压最低,接近零;当数据输入全为 1 时,4 脚输出电压最高,电压值由参考电压 VREF 决定。因此,参考电压的精度决定了 D / A 转换的精度。(二)运放 NE5532NE5532 是一种双运放运算放大器,具有高性能、低噪声的特点。与其他标准运算放大器(如 1458)相比,它表现出出色的抗噪声性能、输出驱动能力和相当高的信号和功率带宽。这些优点使得该装置特别适用于高水准和专业的音频设备、仪器仪表、控制电路以及电话通道放大器。引脚图如图 5 所示:图 5 NE5532 引脚图第三章 系统硬件电路设计3.1 单片机主控电路设计此次设计选择用 AT89C51 单片机进行整个系统的控制,协调工作;单片机是包括 CPU、RAM 、ROM、定时、计数和各种接口的微控制器。体积小、成本低、功能强大,在智能产品和工业自动化当中的使用十分广泛。而其中,51系列单片机是最典型,最具代表性的单片机。单片机控制电路3.2 显示电路在图 8 中,显示部分比较简单,主要由两个数字管和多个电阻组成,两个数字管显示位和电压的十分位,部分由微控制器完成,数字管到端口其次是AT89C51 微控制器 P01, P02,P03,P04 端口,完成电压显示部分。图 8 显示部分3.3 电源电路这部分主要由三端稳压器 LM7815,LM7915,LM7805 和多个电容器、二极管组件、220V 电源经 220V / 36V 变压器变压后变为双 15V 交流电压,三端稳压器 LM7815 和 LM7915 获得+15 V,然后通过 LM7805 获得+5 V 电压。图 7 稳压电源图3.4 系统总电路该系统采用 AT89C51,具有 D/A 转换器 DAC0808 和三端稳压器模块,完成电压可以连续调节的功能(精度:0.1V) 。可以从 LED 数码管读得电压值,直观、可靠、实用,电路结构简单。数字控制部分带“+” 、 “-”键控制可逆二进制计数器,二进制计数器输入输出到 D/A 转换器,D/A 转换器变为相应的电压,放大后的电压达到适当的电压值,来决定稳压电源的输出。系统的总体设计部分如图 6 所示:图 6 系统硬件总设计第四章 系统软件设计4.1 主程序该电路选择 51 系列单片机用作整体控制单元,由变化输入数字从而变化输出电压值,然后让输出功率管的基极电压产生改变,这样可以不直接改变输出电压值。要让系统可以检测到真是的输出电压值,可以利用 ADC0809 完成模数转换,间接利用单片机进行实时电压采样,之后再进行数据处理和显示。使用软件来解决数据预设和当前步进控制,系统硬件更简洁,易于实现系统的各种功能。以直流电源为核心,选择 AT89C51 单片机作为主控制器,由键盘设定直流电源的输出电压,将步进电平设置为 0.1V,并通过数字显示实际的输出电压和电压设置。使用微控制器控制的输出数字信号,由 D/A 转换器(DA0832)输出模拟量,然后通过运放隔离放大,控制基极的输出功率,伴随功率管基极电流的改变,输出不同电压,单片机系统还考虑到恒压源的实时监控,通过电流/电压转换的输出电压,通过 A / D 转换芯片,将实时模拟量变成数据量,由单片机完成分析处理,利用数据形式反馈环节来让电压更稳定,从而完成稳压电压源的设计。第五章 组装与调试5.1 硬件电路的布线与焊接电路图我们在 PROTEL 中有 PCB 原理图,我们在热敏纸上打印原理图,然后用高温覆盖铜板,以产生清晰的电路布局。由于打印或人为原因可能会打破结果,所以我们必须认真检查,如出现虚线我们可以画,使骨折再次联系在一起。为了使这些油墨能够被覆盖在 CCL 中,我们最好将 CCL 放在压花机上两次。部件焊接: 接部件必须具有良好的可焊性。并非所有金属都具有良好的可焊性。焊接,高温容易让焊件的表层生成氧化膜,影响焊料的焊接性。要使焊件的可焊性得到提高,一般使用表层镀锡、银等方法来阻止焊件表层氧化。 要让焊件与焊料良好接触,必须保证焊件的表面清洁,焊接前,务必将焊件表层的氧化膜清除,不然则不能确保焊接质量。 用适当的助焊剂。不同的焊接过程应使用不同的焊剂。在电子电路板等精密电子产品的焊接中,要让护板焊接可靠稳定,一般使用松香作为助焊剂。通常利用酒精把松香溶解成松香水使用。 将焊机加热到合适的温度。重要的是要强调,不仅焊料被加热熔化,而且焊件应加热到焊料熔化的温度。5.2 电路组装和调试实际电路图进行电路的组装时,遇到了不少的问题,其中最主要的是设计时没有考虑全面,由于芯片分布的不合理,导致了很多“特长线” 。既影响了排线布线速度,又对后续调试也带来了许多本不必要的麻烦。当时已经有很多接线了,不能再重新开始,一次又一次的,终于动了一个芯片,问题得到了很大的改善。二是布线,因为要求不允许横穿,横横垂直,所以在保证连接通畅的情况下,布线也要花个不小的心思。进行电路调试时,第一轮用万用表欧姆档测试,遇到实验板有一个千斤顶不合理的情况,导致芯片无法正常工作。与其他方法相比,我选择了明确连接的线,因为它更清晰,更容易实现。对于高电阻丝只能更换。第二轮电源后,使用万用表电压文件来测试单元电路的状态。如:每级三相稳压器输出的电压是不是稳定电压,而且要和需要的电压相接近,按照测试得出的结果对电路进行一些改善与优化,最终达成设计的目的。电路调试过程遇到的问题和解决方案:1、更多的电路线路,容易出现短路现象,数字显示由于短路显示不正常,线路完成后正常显示。2、在放大器输入 10K 串联电阻时,在输入和输出端加上 100K 反馈电位器,调节电位器使输出电压和显示值相同。3、生产和测试-24V 电源,因为没有严重参考整流器连接和 7924 芯片数据,有整流电容器突发。4、数字显示问题,检查电路发现焊接后,重新焊接后正常显示。5、反复调整电路,使其符合设计要求。结束语课程设计过程集成了数字电路,模拟电路,单片机,C 语言编程的微控制器,大学学习知识在整合中发挥了非常好的作用,而且还应用于 Keil 软件和ISIS Profressional 软件仿真,仿真结果也更准确,但物理却没有完全实现功能。这个认识自己的知识过程太小了,也许自己生产的产品太少了,对某些芯片的理解很少,在未来的实践中必须加上这个理论知识和实践能力。而且也认识到理论和实践的区别,通过实际生产可以更好地了解一些模块电路和芯片功能,特别是在检查电路时,使其对电路有更好的了解。在写论文的同时,也让自己意识到一切都要认真对待,规范化,严谨化。参考文献(二)参考文献1曹建树,代峰燕,俞建荣,李明利. 应用型工科院校单片机课程教学改革与实践J. 实验室研究与探索,2012,(03):129-132.2王海燕,杨艳华. 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