數(shù)控直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計

目錄一、前言4二、系統(tǒng)功能5三、方案論證631 穩(wěn)壓電源的分類632 穩(wěn)壓電源部分方案63.3 三端集成穩(wěn)壓芯片83.4 數(shù)字顯示部分9四、系統(tǒng)硬件設(shè)計91、電路原理92、硬件模塊分析102.1 ATmage16單片機(jī)模塊92.2 L6203驅(qū)動模塊122.3 5V系統(tǒng)電源模塊142.4 1602液晶顯示模塊142.5輸出電壓采集反饋電路模塊15五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計151 程序設(shè)計152.程序流程圖16六結(jié)束語16七參考文獻(xiàn)17附錄1(電路原理圖)18附錄2（電子萬年歷程序）19摘要將單片機(jī)數(shù)字控制技術(shù)，有機(jī)地融入直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計中，設(shè)計出一款數(shù)字化通用直流穩(wěn)壓電源。該電源具有液晶顯示、數(shù)字輸入調(diào)壓、電壓調(diào)節(jié)精度高的特點。通過軟件編程，易于實現(xiàn)功能的擴(kuò)展。AVR 系列的單片機(jī)不僅具有良好的集成性能, 而且都具備在線編程接口, 其中的Mega 系列還具備JTAG 仿真和下載功能; 含有片內(nèi)看門狗電路、片內(nèi)程序Flash、同步串行接口SPI; 多數(shù)AVR 單片機(jī)還內(nèi)嵌了A/D 轉(zhuǎn)換器、EEPROM、模擬比較器、PWM 定時計數(shù)器等多種功能; AVR 單片機(jī)的I/O 接口具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力, 灌入電流可直接驅(qū)動繼電器、LCD 等元件, 從而省去驅(qū)動電路, 節(jié)約系統(tǒng)成本。關(guān)鍵詞：直流穩(wěn)壓電源；AVR單片機(jī)；液晶顯示一、前言電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05V的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50W的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩。數(shù)字化智能電源是針對傳統(tǒng)電源的不足設(shè)計的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。在家用電器和其他各類電子設(shè)備中，通常都需要電壓穩(wěn)定的直流電源供電。但在實際生活中，都是由220V 的交流電網(wǎng)供電。這就需要通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓電路將交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電。濾波器用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般傳統(tǒng)電路由濾波扼流圈和電容器組成，若由晶體管濾波器來替代，則可縮小直流電源的體積，減輕其重量，且晶體管濾波直流電源不需直流穩(wěn)壓器就能用作家用電器的電源，這既降低了家用電器的成本，又縮小了其體積，使家用電器小型化。傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通常采用電位器和波段開關(guān)來實現(xiàn)電壓的調(diào)節(jié),并由電壓表指示電壓值的大小. 因此,電壓的調(diào)整精度不高,讀數(shù)欠直觀,電位器也易磨損.而基于單片機(jī)控制的直流穩(wěn)壓電源能較好地解決以上傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。從上世紀(jì)九十年代末起，隨著對系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制, 從而使直流電源智能化, 基本實現(xiàn)了直流電源的無人值守。直流穩(wěn)壓電源是最常用的儀器設(shè)備, 在科研及實驗中都是必不可少的。數(shù)控電源采用按鍵盤，可對輸出電壓進(jìn)行設(shè)置, 輸出由單片機(jī)通過D/A,控制驅(qū)動模塊輸出一個穩(wěn)定電壓。同時穩(wěn)壓方法采用單片機(jī)控制, 單片機(jī)通過A/D 采樣輸出電壓, 與設(shè)定值進(jìn)行比較, 若有偏差則調(diào)整輸出, 越限則輸出報警信號并截流。工作過程中, 穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)(輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài)) 均由單片機(jī)輸出驅(qū)動LCD顯示, 由鍵盤控制進(jìn)行動態(tài)邏輯切換。以單片機(jī)為核心的智能化高精度簡易直流電源的設(shè)計,電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)、輸出精度高, 特別適用于各種有較高精度要求的場合。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點:1)易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。2)控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對不同的系統(tǒng)(或不同型號的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調(diào)整即可。二、系統(tǒng)功能系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)范圍為012V，最大輸出電流1A，具有過載和短路保護(hù)功能。輸出電壓可用1602LCD液晶顯示。鍵盤設(shè)有6個鍵，復(fù)位鍵，步進(jìn)增減1V兩個鍵，步進(jìn)增減0.1V兩個鍵以及確認(rèn)鍵。復(fù)位鍵用于啟動參數(shù)設(shè)定狀態(tài)（5V），步進(jìn)增減鍵用于設(shè)定參數(shù)數(shù)值，確認(rèn)鍵用于確認(rèn)輸出設(shè)定值.電源開機(jī)設(shè)定電壓輸出默認(rèn)值為5V。通過步進(jìn)增減按鍵功能選擇可在不同的設(shè)定參數(shù)之間切換，再按確認(rèn)鍵進(jìn)入設(shè)定電壓輸出狀態(tài)。若按復(fù)位鍵，則電壓輸出恢復(fù)5V。系統(tǒng)設(shè)有自動識別功能，將不接受超出使用范圍（012V）的設(shè)定值。三、方案論證31 穩(wěn)壓電源的分類 穩(wěn)壓電源的分類方法繁多，按輸出電源的類型分有直流穩(wěn)壓電源和交流穩(wěn)壓電源；按穩(wěn)壓電路與負(fù)載的連接方式分有串聯(lián)穩(wěn)壓電源和并聯(lián)穩(wěn)壓電源；按調(diào)整管的工作狀態(tài)分有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源；按電路類型分有簡單穩(wěn)壓電源和反饋型穩(wěn)壓電源，等等。如此繁多的分類方式會讓我們摸不著頭腦，不知道從哪里入手。我們必須弄清楚各個類別的特點，才能從中選出最佳方案。32 穩(wěn)壓電源設(shè)計方案 方案：輸出可調(diào)的開關(guān)電源 開關(guān)電源的功能元件工作在開關(guān)狀態(tài)，因而效率高，輸出功率大；且容易實現(xiàn)短路保護(hù)與過流保護(hù)，只是電路在低輸出電壓時開關(guān)頻率低，紋波大，穩(wěn)定度差。綜合考慮效率，輸出功率，輸入輸出電壓，負(fù)載調(diào)整率, 本設(shè)計選用方案三，要求較低，較易實現(xiàn).對于效率和紋波的要求可以通過仔細(xì)調(diào)整磁性元件的參數(shù)(L，Q，M等)使其工作在最佳狀態(tài)。我們在選擇方案的時候考慮到電路要簡單，元件要容易找，所以我們選擇了上述的方案中的第三個方案。穩(wěn)壓電路部分可以采用三極管等分立元件來實現(xiàn)，也可以采用集成三端集成穩(wěn)壓芯片。從性價比來說，采用三端集成穩(wěn)壓芯片來實現(xiàn)要好很多，現(xiàn)在的穩(wěn)壓芯片功能強(qiáng)大，且價格低廉，很適合我們此次的設(shè)計。3.3 三端集成穩(wěn)壓芯片方案:采用LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源 LM317可調(diào)式三端穩(wěn)壓器電源能夠連續(xù)輸出可調(diào)的直流電壓. 不過它只能連續(xù)調(diào)正電壓，穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流，過熱保護(hù)電路;由一個電阻(R)和一個可變電位器(RP)組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路，輸出電壓為:Vo=1.25(1+RP/R). 3.4 數(shù)字顯示部分方案：用Atmage16實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換利用單片機(jī)的軟硬件資源實現(xiàn)高精度高速A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度還可以通過軟件來改變，價格也低廉。不過對軟件部分要求較高。四、系統(tǒng)硬件設(shè)計1、電路原理電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)選用Atmage16單片機(jī)為控制核心，外部擴(kuò)展1602驅(qū)動芯片用以實現(xiàn)電壓輸出功能，同時1602液晶顯示相應(yīng)的輸出電壓值。單片機(jī)計算設(shè)定值與AD轉(zhuǎn)換采樣反饋值的偏差以及偏差的變化率，得出相應(yīng)的輸出值，由DA轉(zhuǎn)換變換為模擬量去驅(qū)動電壓輸出控制電路，從而使電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。鍵盤單片機(jī)驅(qū)動芯片負(fù)載顯示器電 源圖1 電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2、硬件模塊分析2.1 ATmage16單片機(jī)模塊1）ATmage16的簡介ATmega16是AVR系列單片機(jī)中比較典型的芯片，其主要特點有：（1）采用先進(jìn)RISC結(jié)構(gòu)的AVR內(nèi)核（2）片內(nèi)含有較大容量的非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器（3）片內(nèi)含JTAG接口（4）寬電壓、高速度、低功耗（5）片內(nèi)含上電復(fù)位電路以及可編程的掉電檢測復(fù)位電路BOD；片內(nèi)含有1M/2M/4M/8M，經(jīng)過標(biāo)定的、可校正的RC振蕩器，可作為系統(tǒng)時鐘使用；多達(dá)21個各種類型的內(nèi)外部中斷源；有6種休眠模式支持省電方式工作等等。2）ATmage16的引腳分析其外部引腳封裝如圖2所示2019整理的各行業(yè)企管，經(jīng)濟(jì)，房產(chǎn)，策劃，方案等工作范文，希望你用得上，不足之處請指正圖2 ATmage16 外部引腳與封裝示意圖其中，各個引腳的功能如下:（1） 電源、系統(tǒng)晶振、芯片復(fù)位引腳Vcc: 芯片供電（片內(nèi)數(shù)字電路電源）輸入引腳，使用時連接到電源正極。AVcc：為端口A和片內(nèi)ADC模擬電路電源輸入引腳。不使用ADC時，直接連接到電源正極；使用ADC時，應(yīng)通過一個低通電源濾波器與Vcc連接。AREF：使用ADC時，可作為外部ADC參考源的輸入引腳。GND: 芯片接地引腳，使用時接地。XTAL2：片內(nèi)反相振蕩放大器的輸出端。XTAL1：片內(nèi)反相振蕩放大器和內(nèi)部時鐘操作電路的輸入端。RESET：RESET為芯片復(fù)位輸入引腳。在該引腳上施加（拉低）一個最小脈沖寬度為1.5us的低電平,將引起芯片的硬件復(fù)位（外部復(fù)位）。（2） 32根I/O引腳，分成PA、PB、PC和PD四個8位端口，他們?nèi)渴强删幊炭刂频碾p（多）功能復(fù)用的I/O引腳（口）。四個端口的第一功能是通用的雙向數(shù)字輸入/輸出（I/O）口，其中每一位都可以由指令設(shè)置為獨立的輸入口，或輸出口。當(dāng)I/O設(shè)置為輸入時，引腳內(nèi)部還配置有上拉電阻，這個內(nèi)部的上拉電阻可通過編程設(shè)置為上拉有效或上拉無效。如果AVR的I/O口設(shè)置為輸出方式工作，當(dāng)其輸出高電平時，能夠輸出20mA的電流，而當(dāng)其輸出低電平時，可以吸收40mA的電流。因此AVR的I/O口驅(qū)動能力非常強(qiáng)，能夠直接驅(qū)動LED發(fā)光二極管、數(shù)碼管等。而早期單片機(jī)I/O口的驅(qū)動能力只有5mA，驅(qū)動LED時，還需要增加外部的驅(qū)動電路和器件。芯片Reset復(fù)位后，所有I/O口的缺省狀態(tài)為輸入方式，上拉電阻無效，即I/O為輸入高阻的三態(tài)狀態(tài)。3）ATmage16在電路中的主控作用應(yīng)用ATmage16 主要完成PWM 波的輸出及控制功能。它可以先產(chǎn)生一定脈寬的PWM 波，作為L1603 驅(qū)動電路輸入信號，然后根據(jù)所需要的基準(zhǔn)電壓與檢測到的輸出電壓的比較，調(diào)整脈寬，即改變占空比，最終實現(xiàn)高性能可調(diào)直流穩(wěn)壓。圖3內(nèi)部晶體振蕩器外接電路2.2 L6203驅(qū)動模塊L6203驅(qū)動模塊就是將5V的輸入電壓變成Vin的電壓24V，一方面提高電壓，一方面提高電流。電源驅(qū)動芯片的選擇，由于器材的限制以及使用CMOS管需要的驅(qū)動需要注意比較多的前級推動，如果直接使用電機(jī)驅(qū)動芯片L6203，其價格實惠，電路簡單而且效果非常好。圖4 L6203驅(qū)動模塊圖5 L6203的外觀圖2.3 5V系統(tǒng)電源模塊單片機(jī)要工作需要有5V電源輸入，本設(shè)計采用7805穩(wěn)壓電源電路圖6 5V系統(tǒng)電源模塊2.4 1602液晶顯示模塊如果采用數(shù)碼管顯示，其價格便宜，但是占用端口較多，功耗大、顯示不功能不全。而用1602液晶顯示，則占用端口少，顯示功能較全面，驅(qū)動電流小。所以選擇選擇1602液晶顯示。圖7 給出1602 字符液晶作為信號顯示部分圖7 1602液晶顯示模塊2.5 輸出電壓采集反饋電路模塊圖8 輸出電壓采集反饋電路五、系統(tǒng)的軟件設(shè)計1 程序設(shè)計數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的程序主要包括3個方面的內(nèi)容：一是單片機(jī)從按鍵中讀取數(shù)據(jù)，而后和原有的輸出電壓進(jìn)行比較；二是利用按鍵進(jìn)行輸出的調(diào)整；三是從單片機(jī)中讀取數(shù)據(jù)傳輸?shù)?602液晶顯示器，進(jìn)而顯示輸出電壓值。2.程序流程圖如圖9所示圖9程序流程圖六結(jié)束語利用單片機(jī)對直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行控制，改善了電源的性能，使用方便靈活，且成本較低。另一方面，根據(jù)對電源的新要求，控制系統(tǒng)在軟件上還可進(jìn)一步改進(jìn)，以擴(kuò)展其功能，而并不需要增加硬件開銷，從而提高了電源的性能價格比。七參考文獻(xiàn)1王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20052李文元.高精度工業(yè)用可調(diào)直流電源的設(shè)計和制造R.蘭州理工大學(xué),2000.3張毅剛單片機(jī)原理及應(yīng)用I-M北京：高等教育出版社，20044E33范立南單片微型計算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計M北京；人民郵電出版社，20045王水平,史俊杰,田慶安.開關(guān)穩(wěn)壓電源原理、設(shè)計及實用電路(修訂版)M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,20056潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003附錄1(電路原理圖)附錄2（數(shù)控直流穩(wěn)壓電源程序）/*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 onlyCompany : Comments: Chip type : ATmega16Program type : ApplicationClock frequency : 8. 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