毕业设计(论文)-基于单片机的可调直流稳压电源设计

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介绍了一种基于单片机的直流稳压电源设计方案，该系统由初步整流稳压部分、单
8 |" D( t( X. L  k' x片机控制部分、DAC、稳压部分和显示部分组成。该稳压电源可步进调节、实时显示，弥补
: k2 Q8 w: ^  O$ W  l) @* v了传统稳压电源的不足，其核心技术是通过单片机控制数模转换来改变其后稳压模块的输
出。利用单片机控制数模转换芯片DAC00832输出电压作为稳压电路的参考电压；稳压电路
采用的是串联型稳压电路，单片机控制的DAC0832的输出电压具有高稳定性，参考电压稳
$ N0 [, |: X# I1 I5 e3 F/ H# l; |& I定进而能够很好地保证输出端电压的稳定性；单片机通过键控改变DAC0832的输出电压，
  I1 k7 A" V) N$ Q3 `( p* [作为参考电压发生改变，稳压电路调整管的压降也会相应地发生变化，从而改变输出电压；
& ?9 ^  r3 T, y7 L, q另外，电路还设计了数码管显示电路，以增加稳压电源使用的直观性，配合键控电路使电
源使用起来非常方便直观。
8 b  @1 U- V1 q: x
9 r5 z- V+ U$ C: Y7 q8 _1 前言
本章将简要介绍系统设计的目的及意义，直流稳压电源的发展方向，国内
% o: Z9 ?) V" `6 Z2 c外电源技术的发展状况，系统设计的研究方向及研究方法，论文构成及系统的
研究内容等。
+ z- ^) B6 U+ H# I1.1 研究目的及意义
随着科技与经济高速发展，起到了关键性的作用是电源。电源技术包括数
1 \5 K) J) y$ [, z控电源技术是一门亲自实践性很强的技术，电能最好用的应用技术是电力电子
技术。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发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技
: @0 y2 d" Q$ v: F( b) Z; g6 {术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。普通电源在工作
时所产生的误差，很明显地影响整个系统的精确度，在使用时可能造成很多不
良后果，随着数控电源在电子装置中的普遍使用，由电源引起的故障大大降低，
* ^8 p( V) ?6 C; J3 f因此电源的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
0 A6 p+ B; d* |7 m) m不可否定的。其中，数控直流稳压电源就是一个典型例子，人们对它的要求也
越来越高，要想为现代人的工作、科研、生活提供更好的、更方便的设施就需
2 f& v8 @1 U9 [9 S, N' ?* G  X4 y( K" q要从数字电子技术入手，一切向数字化、智能化方向发展。
* q) M1 d* l5 K: J1 e, M另外，对我们学生而言，在实验过程中有一个稳定可调的直流电源也是很
9 c8 O: m! z# v: n! w: C有必要的，在很大程度上方便了我们的实验操作，提高实验的精确度。因传统
8 D+ I1 x( K1 N( w# U* g' h& W的直流稳压电源输出电压是通过粗调波段开关及细调电位器来调节的，并由电
压表指示电压值的大小，这种直流稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、
) C, I/ B  {& |! G稳压精度不高、不易调准、电路构成复杂、体积大等缺点，而基于单片机控制
8 z" u+ }. S! i$ W- z的数字式可调稳压电源能较好地解决了以上问题。
本题采用单片机和其它元器件及外围电路，开发一个数字式可调稳压电源。
/ e( i( W$ c( u$ a0 O, S' O6 V6 u$ V+ ]# [能够步进调节输出电压值，具有电压值输出显示等功能。通过此系统的设计，
1 I( e% X# L2 \; s; |3 }# x8 D让开发者更深刻的掌握单片机基本原理，并熟悉一些外围电路的扩展，以及进
一步提高C语言的硬件编程能力。
1.2 直流稳压电源的发展方向
7 P( W0 J2 ]! u4 g2 @. i% Q1.2.1 智能化
. U: q' b) p3 q2 t, r* I目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时，几乎没有不考虑
$ |* \! n  i8 Y6 ?! @采用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，将计
4 {- }" N6 D  I3 i算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化测量控制仪
表”。智能仪器解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化系
' ^5 p* ^: ]  }# o1 Z5 ]. A; f统电路，提高系统的可靠性，加快产品的开发速度。直流稳压电源一方面为仪
器仪表提供电能量，是仪器仪表的“动力源”，另一面它本身就是仪器仪表，
因此，它有可能而且应当智能化。具体地说，智能化的直流稳压电源电源应当
: w" e7 K  z. S8 o1 x# [具有以下功能特点:
①操作自动化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、
数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作，实现测量
2 F9 i4 y/ a: {4 d' a2 k过程的全部自动化。
% S1 `& d9 }4 w# o②具有自检测功能。包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自
9 _$ |$ @/ R' H: ~$ r$ a! x" k$ M诊断及量程自动转换，系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。
' ^2 v: b: G% M* |: R' Y③具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳
压电源中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功
" E* s- V* I0 T* y2 f0 M能。与此同时，智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态
. R  s, i% v0 Y* o' `以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使系统的操作更加方便直观。
$ C7 v2 j; [) i8 Q④网络管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展，
% j0 \: I( D. B3 v直流稳压电源通过RS232接口实现与上位PC机通信，从而使网络技术人员可以
* k( J$ u" b% d0 M% G7 U1 u随时监视电源设备运行状态、各项技术参数；网络技术人员可通过网络定时开
关电源，实现远程开关机等功能。
1.2.2 数字化
( ]" ~4 D; @5 L6 ?3 u: R$ d! ~在传统直流稳压电源中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、
七十年代，电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是，现在数字式

  Y7 @+ a; v3 g' z3 V信号、数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术日趋完善成熟，显示出越
来越多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信
号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调，也便于自诊断、
: z0 v. P+ ]4 @6 _  e; p容错等技术的植入。
% a( v8 C- b- {" F2 M- ^1.2.3 模块化
4 P9 Y9 J8 w6 X6 S8 E* o电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化；其二是指电
/ K3 B2 E. L; P1 Z0 o9 z源单元的模块化。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的
是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，
提高系统的可靠性。大功率的电源，由于器件容量的限制和增加冗余，需要提
高对可靠性方面的考虑，一般采用多个独立的模块单元并联工作，采用均流技
, U8 p3 T$ O) `7 A- v& O术，所有模块共同分担负载电流，一旦其中某个模块失效，其它模块再平均分
  g7 T# ]) A) b7 d! b担负载电流。极大的提高系统可靠性，即使万一出现单模块故障，也不会影响
6 U9 Y3 Z$ {9 w0 S系统的正常工作。
1.2.4 绿色化
# H' o6 N  ]; h4 o, P5 q( Q电源系统的绿色化有两层含义: 首先是显著节电，这意味着发电容量的节
# b+ a9 H( W# L% w约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；
其次，这些电源不能( 或少) 对电网产生污染，国际电工委员会(IEC 对此制定了
8 }8 o; [: f0 S: S一系列标准，如IEC555、 IEC917 等。20 世纪末，各种有源滤波器和有源补偿
器的方案诞生，为21 世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础[7]。
0 k6 \3 _3 P9 W1 ]' y& j1.3 国内外发展状况
电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电源技术
属于电力电子技术的范畴。电源技术主要是为信息产业服务的，信息技术的发
展又对电源技术提出了更高的要求，从而促进了电源技术的发展，两者相辅相
, Q2 D1 z9 f, j- s+ q6 U成才有了现今蓬勃发展的信息产业和电源产业。迄今为止，电源已成为非常重
! t# O5 A6 J( \/ L要的基础科技和产业，并广泛应用于各行业，从日常生活到最尖端的科学都离
' v: S  M6 q, b不开电源技术的参与和支持，其发展趋势为高频、高效、高密度化，低压、大

3 o9 x6 D' A7 t& F2 U3 k  ]电流化和多元化。同时，封装结构、外形尺寸日趋接近国际标准化，以适应全
球一体化市场的要求。
4 C1 A" T3 _) ~) U$ l, ~在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60 年代中期开
4 ~- L$ Y. I$ A始形成，到了90 年代以来，电源产业进入快速发展时期。一方面， 电源产业
+ @# T* T2 q6 p. J. E  R规模的发展在加快；一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，
' F- Y& l8 b7 Q/ n) l* h  Y8 I我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，
% ]2 N6 {0 H' q0 L- v电源产业界涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品，而且还产生
7 F! u/ k8 [' R了一大批具有代表性的研究成果和产品，目前国内还开展了跟踪国际多方面前
& H( P& F- u7 c4 g沿性课题的研究和基础创新研究。但是我国电源产业与发达国家相比，存在着
很大的差距和不足：在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺
. W7 W' R' c7 }) ~3 A- u5 K/ X& Y水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15 年，
( g$ B# D: ~# Q/ ?- q' @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。目前国内在
这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用
单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数制化电压单元达
$ O! _: m& C1 ]4 g$ H% }到数控的目的，但和国外的比较起来，效果不是很理想，还有很大的差距。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，但多限于对输出显示
7 t) F6 X7 X6 T实现数码显示，或实现多组数值预置。总体说来，国内直流稳压电源技术在实
, {! _: B( l; B% v5 R8 {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。
1.4 系统研究方向及研究方法
本系统研究的直流稳压电源主要是符合智能化、数字化以及模块化的特点。
智能化主要是指系统有可编程模块可以对系统进行智能控制。数字化主要是指
) J# z- @$ k" d, E系统输出电压通过LED 数码管显示，并且可以通过按键对输出电压进行连续步
进数字化调节。模块化是指系统由各个相关模块组成，提高了系统的可靠性。
+ b: N* K! x1 U1 E) `: `此次毕业设计从一开始选题就目的明确，毕业设计课题确定下来后，通过
运用大学四年所学的专业知识和查阅参考了一系列的资料加以完成。针对题目
的要求，首先对整个设计思路进行规划，例如：要用到什么模块，模块应该怎
. C- C; F3 o" u- z0 ~样分布，怎么协调好这些模块。然后针对方案的可行性进行反复的参照对比，
  f# I4 b# O7 ~! r; Z. K$ t敲定最终设计方案，在敲定方案之后，查阅参考相关资料进行硬件电路的各个
' L( c& H- Q, C5 ?; J1 P% |0 d0 {模块的设计，同时软件模块也同步进行，经过不断的检测、编译，将正确的代
: w5 Y6 C; {7 e: |. W1 `
码烧写入单片机存储单元中，最后一次次的调试系统，通过不断的修改来完善
! J. O& v0 J" D5 M系统。
4 o6 b8 h4 V8 H1.5 构成及研究内容
" s& I% \, J0 {( R总体概括了单片机实现数字式可调稳压电源的原理、着重介绍了单片机实
现数字式可调稳压电源的硬件电路设计和软件设计。在各章节中，突出讲述了
各功能模块的设计思路，具体设计情况，以及模块之间的联系。
本系统主要研究数字式可调稳压电源如何实现数控、稳压和电压输出显示
; V; A2 P; p, ?等，其中包含一些必要的硬件设计和软件设计。
2 系统设计方案
9 `& _" z. Z! \; A; B% h2.1 常用稳压电源设计
2.1.1 基本原理
; S$ C8 H, ]% b1 d3 I直流稳压电源由四部分组成分别是电源变压器、整流、滤波和稳压电路，
$ C# U8 ]0 S: c& Q& l原理框图请见如图2.1 。电网供给的交流电压u1(220V,50Hz) 经电源变压器降
+ d6 o2 E0 a, k( c4 }压后，得到符合电路需要的交流电压u2，然后由整流电路变换成方向不变、大
7 z5 Z# I7 K+ |, T$ E小随时间变化的脉动电压u3，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直
的直流电压uI 。但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的
变动而变化。在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输
出直流电压更加稳定。
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