程控电源的设计附件.docx

一、选题的依据1、课题设计的目的让学生综合运用本科阶段所学的单片机原理与应用、模拟电子技术、电气测量技术、智能仪器等课程的知识设计制作一个程控电源系统。锻炼学生的数据采集系统设计能力、实际动手能力和解决技术问题的能力，到达本科毕业设计的根本要求。 随着科技的开展，电子产品的体积越做越小，从而使得人们能够方便地携带和使用。这类产品都有一个共同的特点，那就是使用电池供电，因而对电能的消耗比拟敏感。目前使用较多的电池大致可分成三种：干电池、镍氢电池和锂离子电池。这三种电池受其化学性质的影响在满电和空电的情况下其输出电压是不同的，例如锂离子电池在充满电时输出电压为4.2V，而在电能耗尽的情况下输出电压就会下降到3.6V。通常使用高压电源模块时,用户需要通过调整电位器来获取所需的电压值,不仅操作不便,且输出精度和稳定性都不高。本文给出了一种利用单片机设计的程序控制电源。该程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性,同时还实现了对电源输出的可编程控制。 在各种电子电路实验中，电源是一种必不可少的仪器，目前实验所用的电源大多是只有固定电压输出(例如常用的有：±5V、±12V或±15V)，其缺点是输出电压不可人为的改变，输出精度和稳定性都不高。随着科学技术飞速开展，对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高，利用D/A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计程控电源就显示出其优越性。 程控电源既能方便输入和选择预设电压值又具有较高精度和稳定性，而且还可程控实现对电源的可编程监控。 随着时代的开展，数字电子技术已经普与到我们生活，工作，科研，各个领域，本文将介绍一种数控稳压电源，本电源由模拟电源、显示电路、控制电路、数模转换电路、放大电路四局部组成.模拟电源提供各个芯片电源、数码管、放大器所需电压;显示电路用于显示电源输出电压的大小。与传统的稳压电源相比具有操作方便，电源稳定性高以与其输出电压大小采用数码显示的特点。通过按键，调节电压的上升下降幅度。2、课题研究的意义电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，效劳于各行各业。电力电子技术是电能的最正确应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术开展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的开展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的准确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。 近年来，随着电力电子技术的不断开展，数控电源在以往使用线性电源的场合中也获得日益广泛的应用。在一些工业场合例如，在设备仪表检测中需要提供电压源和电流源，而且要求调节围广，纹波低。如果采用多台功能单一电源设备，体积和重量都会增加很多，不经济，也不能满足工作的要求。因此研究开发多功能、宽围、可调节的数控电源很有意义。 在现实生活中，人们经常要用到电子器件，而电子电路要正常工作,电源的作用是不可无视的,电源性能的好坏,对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大,尤其在带有感性负载的电路和设备(如电机) 中,对电源的性能要求更高。电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，效劳于各行各业。电力电子技术是电能的最正确应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。随着计算机和通讯技术开展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的开展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的准确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的开展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的开展起来的，期间系统的电力电子理论开场建立。这些理论为其后来的开展提供了一个良好的根底。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的开展。但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比拟低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的开展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术与电压转换模块的出现为准确数控电源的开展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断开展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度到达0.05V的数控电源，功率密度到达每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三局部。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。 数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的缺乏提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极提高生产效率和产品的可维护性。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。4)系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进展调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。 5)系统的一致性好，本钱低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产本钱下降。 6)易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进展均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯)，从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。3、课题设计的要求 1采用单片机作为控制核心。在PC的IDE开发环境中用C语言进展编程，通过开发板将程序下载到单片机中，进展联调。联调结果根本符合输出电压、电流值0100V,01A， 2供电电源设计，由交流220V变压、整流、滤波DC-DC直流电压12V给恒压控制回路和限流控制回路供电外DC-DC5V直流给单片机模块供电。3） 控制电路设计，通过键盘设定开关电源输出的电压值与最大输出电流值，单片机系统对电源输出电压和电流进展数据采样，并与用户给定数据进展比拟，然后根据设置的调整算法控制开关调整电路，使电源输出电压符合给定值，开关控制电路在调整电源输出电压的同时还要检测电路的输出电流。二、设计相关技术的国外现状1、本课题研究的背景在当今这个电子时代，我们时刻享受着电子设备给我们带来的便利。而电源是任何电子设备都需要的重要部件。传统电源功能单一，一般只能提供定值电压或者电流，这样不便于系统的升级和修改，不能满足电子设备对电源的更高要求。程控电源是新型电源的一种，以单片机为核心控制器件，因其所用器件少，体积小，功能较强，使用灵活，越来越受到广阔用户的喜爱。如今的电子仪器设备都向着体积小，多功能，智能化开展，当然对电源就有了更高的要求。基于单片机的程控电源到达了全程控、全按键操作、高精度、体积小、重量轻、携带方便，价格廉价等要求。程控电源不仅克制了传统电源的缺点而且在设计技术指标上也在不断提高，如精度高、误差小、实用性强等，以满足不同层次用户的要求。因此，设计一种采用单片机为核心控制器件的易操控，误差小，体积小，性价比高的程控电源，以克制传统电源的缺点，就具有很高的市场前景。2、国外研究现状、水平普通电压源通常采用电位器细调和波段开关粗调来调节输出电压，并由电压表指示电压值的大小。因此，电压的调节精度不高，读数欠直观，电位器也易磨损。并且限流或截流保护常常是采用硬件电路，所以电路构成比拟复杂，稳压精度也不高。而采用单片机为核心控制器件的程控电源能很好的弥补普通电源的以上缺乏。我们现在在市面上能找到的大多是普通电源，性价比一般都不高， 程控电源研究和生产的较少。因此，开展适用、经济、性能可靠的程控电源，有较为广阔的市场前景和应用价值。在这方面美日等电子技术兴旺的国家，开展较快，应用水平较高，我国虽然起步较晚，历史不长，但开展很快，特别是近 2年来，在国得到前所未有的重视和开展。3、本课题的开展趋势二十世纪八十年代由于电力电子理论开场建立，为程控电源的开展打下了良好的根底。程控电源技术在之后的一段时间里有了长足的开展。提高控制精度，功率密度和可靠性成为程控电源的主要开展方向。单片机技术和电压转换模块的出现使得程控电源的准确度有了很大提高。随着控制理论的不断开展，集成电路和数字信号处理器件的研制应用，程控电源的控制精度和功率密度不断提高，在九十年代控制精度能到达 0.05V，功率密度到达每立方米 50W。近年来，随着电子产品开展需求的提高，可调稳压电源的应用已越来越广泛。而以单片机为控制核心的程控电源的应用也越来越多，随着其功能的完善和性能的改良，我相信程控电源的应用将逐渐渗透到人们工作生活的各个方面。三、设计方案1、总体设计方案 根据程控电源的要求，提出以下三种设计方案：方案一：此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过D/A变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进。十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。如图2.1所示。 调整管整流滤波电路过流保护输出十进制计数器二进制计数器误差放大时钟，控制D/A转换译码显示步进减步进加电压预置 图2.1 方案一方案二：此方案不同于方案一之处在于使用一套十进制计数器完成系统的控制功能，一方面完成电压的译码显示，另一方面使其输出作为EPROM的地址输入，而由EPROM的输出经D/A变换后去控制误差放大的基准电压来实现输出步进。由于只使用了一套计数器，回避了方案一中必须保证双计数器同步的问题，但由于控制数据烧录在EPROM中，使系统设计灵活性降低。如图2.2所示。调整管整流滤波电路过流保护 输出误差放大十进制计数器译码显示电压预置D/A转换EPROM步进加步进减 图2.2 方案二方案三：此方案是以单片机作为整个电路的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接的改变输出电压的大小。采用软件方法来解决数据的预置以与电流的步进控制，从而使得系统的硬件更加的简洁。利用单片机为主控制器，通过按键来设置数输出电流，来设置步进的等级。而实际电路中所需要的电压是模拟信号，所以要加上数模转换器来实现数模转换器，这样单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器DAC0832后就可以实现输出模拟量，而此时DAC0832的模拟输出端输出的模拟电流我们要将它转化成电压，因此我们必须加一个器件来完成电流转换到电压，我选用了741运算放大器来实现电流转换成电压这一过程，通过741运算放大器转换的电压信号很小，因此要再加个运算发大器来实现对信号的放大功能，通过数据形式的反应环节，使得电压更加稳定，构成数控稳压源。原理电路示意图如下列图2.3所示：单片机AT89C51数码管显示按键电路741运算放大器实现电流转换电压741 运算放大器实现放大功能数模转换器DAC0832 图2.3 原理电路示意图上述三种方案的结构可以用图2.4框图概括。输出电路数控局部键盘数字显示图2.4 总体方案结构2、方案的比拟与论证数控局部：方案一、二中采用中、小规模器件实现系统的数控局部，使用的芯片很多，造成控制电路部接口信号繁琐，中间相互关联多，抗干扰能力差例如方案一中的双计数器一旦出现计数不同步时，会导致显示电压与输出电压不一致。在方案三中采用AT89C51单片机完成整个数控局部的功能，同时，AT89C51作为一个智能化的可编程器件，便于系统功能的扩展。输出局部：方案一、二中采用线性调压电源，以改变其基准电压的方式使输出不仅增加/减少，这样不能不考虑整流滤波后的纹波对输出的影响，而方案三中使用运算放大器作前级的运算放大器，由于运算放大器具有很大的电源电压抑制比，可以大大减小输出端的纹波电压。在方案一、二中，为抑制纹波而在线性调压电源输出端并联的大电容降低了系统的响应速度，这样输出的电压难以跟踪快变的输入如频率较高的三角波等，方案三中的输出电压波形与D/A变换输出波形一样，不仅可以输出直流电平，而且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出，使系统成为有一定驱动能力的信号源。显示局部：方案一、二中的显示输出是对电压的量化值直接进展译码显示输出，显示值为D/A转换的输入量，由于D/A转换与功率驱动电路引入的误差，显示值与电源实际输出值之间可能出现较大偏差。方案三中采用三位半的数字电压表直接对输出电压采样并显示输出实际电压值，一旦系统工作异常，出现预制值与输出值偏差过大，用户可以根据该信息予以处理。方案二中还采用了键盘/显示器接口控制器8279。不仅简化接口引线，而且减小了软件对键盘/显示器的查询时间，提高了CPU的利用率。通过以上三种方案的比拟，虽然方案三比前两者有许多优点，但方案一、二对于完成设计要求并非不可行，而其在某些反面如电路结果简单等还有自己的优势。之所以选取第三种方案，一个很重要的考虑是系统使用了单片机，使得进一步扩展功能较为方便。3、设计思路系统硬件的设计思想是力求结构简单、工作可靠、适应教学要求、性能价格比高。本次设计是以单片机来控制运行状态的数字电压源控制系统。根据要求采用C语言编制程序，通过单片机控制数字电压源的运行。本系统硬件设计由单片机AT89C51模块、DAC0832、LM741、四联七段共阴数码管模块等4个模块所组成。本次设计采用单片机AT89C51作为整机的控制单元，通过改变输入数字量来改变输出电压值，从而使输出功率管的基极电压发生变化，间接地改变输出电压的大小。如果要使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以经过ADC0809进展模数转换，间接用单片机实时对电压进展采样，然后进展数据处理与显示。采用软件方法来解决数据的预置以与电流的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现本系统以直流电源为核心，利用51系列单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电流，设置步进等级可达1V，并可由数码管显示出实际输出电压值和电压设定值。利用单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器DA0832输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电流的变化而输出不同的电压。四、现有根底和具备的条件1、课题研究已具备的条件包括实验室、主要仪器设备、参考资料 本课题已经根本具备了人力、物力和实验条件，此次设计的一些相关技术也已比拟成熟。指导教师唐杰在这方面有着较强的理论根底和工程设计经历，为课题的顺利开展提供了指导方向上的保障。本人在大学期间系统地学习了单片机原理与其应用、电力电子技术、模拟电子技术根底等专业课程。并根本学会了Protues等制图工具。也在校图书馆和校外图书城广泛地查阅了大量的资料文献，根本上掌握了课题的设计思路和设计流程，为课题的实施提供了前期准备。有网络资源和图书馆相关书籍资料供查询，有专业实验室和计算机机房供学生使用，具备比拟好的相应条件2、主要参考资料1丹. 基于单片机的程控电源硬件设计D.电子科技大学,2013.2艳菊. 高精度程控电源的研制D.工业大学,2008.3雁钊. 可程控开关电源的研制D.工业大学,2008.4鞠. 智能交流程控电源研究D.交通大学,2010.5黄珍贵,玘,国福. 基于D/A转换器的程控电源设计J. 工业学院学报,2004,03:42-45.6雨萌,汪建华,王淼,刚. 基于单片机的程控电源硬件设计J. 软件导刊,2014,09:114-116.7蔚. DSP TMS320LF2407原理与其在程控电源设计中的应用J. 电子工程师,2003,05:50-51.8亚迪,宏宇,余梦泽,王洪新. 一种低压程控电源的设计J. 电源技术应用,2005,03:38-41.9志树,周云龙. 基于单片机和SG3525的程控开关电源设计J. 技术师学院学报,2010,09:29-33.10曲子君. 基于单片机的程控电源硬件设计J. 科技展望,2016,03:150.11石顺桥,乔治军,游培寒. 一种简易程控电源的设计制作J. 电脑,2014,10:159-160+176.12王旭. 基于ARINC429总线的程控电源的设计与实现D.西京学院,2015.13武杰,董娟. 用AVR MCU实现的程控电源的设计J. 电测与仪表,2005,07:12-15.15王一鸣,苗睿锋,全喜. GPIB芯片TNT4882在多路程控电源中的应用J. 单片机与嵌入式系统应用,2003,06:64-67.16宁. 基于ARM9的LXI程控电源的研究与实现D.电子科技大学,2011.17应朝龙,王诚成,周亮,蔡翔. 分布式程控电源控制器设计J. 电子测量技术,2010,09:77-80+84.18樊兆欣. 虚拟实验教学系统程控电源的研制D.大学,2008.19鹏. 基于GPIB的多路程控电源设计J. 电子元器件应用,2008,09:56-58+61.20何辉,樊小龙. 基于VISA的程控电源仿真测控系统设计J. 无线电工程,2016,01:72-75.五、进度计划