电子信息工程技术专业毕业论文直流稳压电源的设计与仿真.doc

摘摘 要要 基于网络的现代传动远程控制系统结合了在各种电子实验中，电源是最基本的需要。设计出一种 精度的可调输出的电源不但能满足不同电子实验的要求，而且能满足在同一实验中需要使用不同的电 压值来测试的要求。 本文设计了一种直流稳压电源的设计与仿真。该电源的功能由硬件和软件两方面来实现。硬件方 面包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路、反馈电路、保护电路、程控电路、显示电路以及支 持单片机运行的复位和时钟电路。市电 220V 电压通过变压器流入系统，经过整流、滤波后变成近似 的直流电压，再经过稳压部分稳压后获得稳定的直流输出。稳压部分由达林顿管作为调整管，由运放 作为反馈取样之后的放大电路，利用放大电路来提高调整管的反应灵敏度电压稳定性。 。 关键词关键词: : AT89S53/STC89C58 单片机；直流稳定电源；整流；滤波； A/D； 目目 录录 绪 论 .1 1 结构设计与方案选择 2 1.1 小功率整流电路 .2 1.2 单相半波整流电路2 1.3 单向全波整流电路3 1.4 桥式整流电路 .3 1.5 滤波电路 .5 1.6 稳压电路 .8 2 基础知识 15 2.2 AT89C53 简介.15 2.3 ADC083 简介16 3 电路原理和硬件实现 18 3.1 电路框图18 32 整体电路设计.18 3.3 ORCAD 辅助设计18 3.4 PADC 辅助设计 20 3. EILC51 辅助设计 5 K23 3.6 电路组成及分析23 3.7 键盘接口电路 .23 3.8 液晶显示电路 .24 3.9 A/D 转换电路25 3.10 主电源电路 .27 4 程序设计 .28 4.1 系统核心指令系统简介 .28 4.2 程序流程图 .29 4.3 系统初始化程序： .29 结束语31 结论 .32 致谢 .33 参考文献 .34 附录 1 源程序 .35 绪绪 论论 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。针对以上问题, 我们设计 了一套以单片机为核心的智能化直流电源。该电源采用薄膜轻触键盘, 可对输出电压以快慢两种方式 进行设置, 输出由单片机通过 D/A , 控制驱动模块输出一个稳定电压。工作过程中, 稳压电源的工 作状态(输出电压、电流等各种工作状态) 均由单片机输出驱动 LCD 显示,多种显示模式间, 由键盘 控制进行动态逻辑切换。 软件方面，使用单片机语言编程，控制程控部分，即：单片机，D/A、A/D 部分。该部分作用是 控制稳压电路部分的基准电压的输出与调整，同时实现高精度的输出，并且控制液晶显示输出电压。 整个电路的设计就是在综合考虑各个模块现有的电路的基础上，选择最佳电路来实现设计目标的 1 结构设计与方案选择结构设计与方案选择 1.1 小功率整流电路小功率整流电路 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成可以用图 1-1 表示， 它是由变压器，整流，滤波，和稳压电路等四个部分组成。 图 1-1 直流稳压电源组成框图 电源变压器是将交流电网 220V 的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将电压变成脉动 的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑 的支流电压。但这样的电压还随电网电压波动（一般有正负 10%左右的波动） ，负载和温度的变化而 变化。因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温 度变化时，维持输出直流电压的稳定。 当负载要求功率较大，效率较高时，常采用开关稳压电源。 1.2 单相半波整流电路单相半波整流电路 单相半波整流电路是最简单的整流电路，单相半波阻性负载的整电路如图 1-2 所示。 图 1-2 单相半波整流电路 电路中，T 为变压器，其作用是将市电 220V 的交流电压变成所需要的直流电压，VD 是整流二极 管，其作用是方向变化的交流电变为单相的脉动直流。现介绍电路的基本原理。 当交流电源为正半周，即上正下负时。二极管 VD 因加正向电压而导通，V2 通过二极管 VD 加至 负载电阻 RL 上，负载电压 V0=V2 为正弦半波电压。 当交流电元为负半周，即上负下正时。二极管 VD 上加反相电压，故 VD 不导通，若忽略二极管 VD 的反向漏电流，则负载电阻 RL 中无电流通过，负载电压为零。 由此可见，由于二极管的单向导电作用，只有一个方向的电流流过负载电阻 RL，因此在负载电 阻 RL 上的电压 V0 是单向的脉动直流电压，以后各周期情况和第一周期相同。 输出直流电压的平均值，即直流电压 V0 可按下式求出： 22 2 0 0 45. 0)(sin2 2 1 VttdV V 整流输出的是脉动电压，即包含有直流成分，同时又有交流成分，其中的脉动程度一般用纹波系 数来衡量，即纹波系数输出电压的交流成分有效值/输出电压直流成分。对于直流电源来说，纹波 越小越好。为了得到教平滑的直流电压就必须进行滤波，对于输出在几安一下的各种单相整流器来说， 常在整流电路输出端并联一个一定电容量的滤波电容 C，即为容性负载。 半波整流电路的优点是结构简单，使用的元器件少。但缺点是输出的波形脉动大，直流成分比较 低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。所以只能用在输出 功率较小、负载要求不高的场合。 1.3 单向全波整流电路单向全波整流电路 变压器 T 次级线圈具有中心抽头，即得到幅值相等而相位差 180 度的电压 V21 和 V22。在未接滤 波电容时，当变压器 T 的次级线圈的交流电压上(1)正而下(2)负时，VD1 受正向电压而导通，VD2 受 反向电压而截至。于是电流 iD1 通过 VD1 流过负载 RL。另半个周期，即上(1)负而下(2)正时，VD2 受 正向电压而导通，VD1 受反向电压而截至。于是电流 iD2 通过 VD2 流过负载 RL。在一个周期内负载电 流 i0=iD1+iD2 为单向脉动电流。负载电压为双半波，因此直流输出平均电压为单相半波整流电路的 2 倍，即 V00.9V2。单向全波整流电如图 1-3 所示。 图 1-3 单相全波整流电路 全波整流电路接入滤波电容 C，其充放电过程与半波整流相同，但由于 V21 和 V22 轮流通过 VD1和 VD2向电容 C 充电，所以输出电压的脉动比半波整流时小。 1.4 桥式整流电路桥式整流电路 桥式整流电路如图 1.4 所示。 工作原理简介如下：在 V2的正半周内，VD1，VD4导通，VD2,VD3截至，在 RL 上建立起上正下负的 脉动电压，如果忽略二极管的管压降及变压器的内阻，则 V0=V2。而在 V2的负办周，二极管 VD2,VD3 导通，VD1,VD4截至，在负载 RL 上仍建立起上正下负的脉动电压，如果忽略二极管的管压降及变压器 的内阻，则 V0=V2。由此可以看出，正负办周都有电流流过负载电阻 RL，而且流过负载电阻的电流方 向是一致的，因而输出电压的直流成分提高，脉动成分降低。 桥式整流电路的电压可作如下估算。整流元件仍认为是理想的，在纯电阻负载条件下，电压的顺 时值为： 20sin2 2 ttVVO 负载直流电压平均值为： 2 9 . 0 VVO 图 1-4 桥式整流电路 每个二极管截止时的反向电压相同，为 V2的幅值。即： 22VVd 导通二极管的电流平均值为负载电流平均值的一半，最大值与负载电流最大值相同。综合以上桥 式整流电路的特点是：与半波整流电路相比，在 V2,RL 相同的条件下，输出的直流电压提高了一倍； 电流脉动程度减小；变压器正负半周都有对称电流流过，既得到充分利用，又不存在单向磁化的问题。 所以它的应用较为广泛。但是需要 4 个整流二极管，线路稍复杂。 以上简单介绍了几种整流电路，根据其优缺点的判断，所以在我的设计中采用了桥式整流电路。 一方面，能使电能得到充分利用，另一方面，由于有现成的整流桥集成元件，设计起来也比较方便。 1.5 滤波电路滤波电路 交流电经整流电路后可变为脉动直流电流，其中含有较大的交流分量，为了使设备能用上纯净的 直流电，还必须用滤波电路滤除脉动电压中的交流成份。滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电 阻两端并联上电容器 C，或在负载中串联上电感器 L，或由电容，电感组合而成的各中复式滤波电路。 电容滤波就是在整流电路后面,用大量的电解电容与负载并联例如以桥式电路为例,电容滤波电路 如图 1-5 所示: 并联在负载两端的电容器 C 即起滤波作用。下面以有负载 RL 和无负载 RL 两种情况来分析滤波 电路的工作原理。 无负载，即 RL 开路时，电路接通瞬间设电容 C 上起始电压为零。电源接通后，通过整流管及变 压器次级给 C 充电，因导通的二极管及变压器次级电源内阻很小，所以充电时间常数很小，充电电流 很大。只要合理选择元件参数，便不会发生过热或烧坏晶体管的现象。当 V2达到最大值时，Vc 也基 本上达到最大值。此后，V2开始减小，导通的二极管由于 V2的绝对值小于 Vc，处于反偏截至状态。 此后，输出电压保持为 Vc 而不变，。当 V2 的负半周到来时，因 Vc 不变，晶体管也不再22VVc 导电。 图 1-5 电容滤波电路 当有负载 RL 时，设 RL 为定值，当电源接通且 C 上还有近似峰值电压时，电压波形如图所示。 在 t1t4间隔内，输入电压 V2Vc，VD1,VD2 导电，电容 C 充电，Vc 随充电过程而上升，到 t2以后， V2按正弦规律下降，当 VcV2时，整流管 VD1,VD2 处于反向偏置，停止导通；已充电的电容开始对负 载电阻 RL放电，即暂时代替电源向负载供电。电容 C 的放电电压按指数曲线下降。在 t3瞬间，V2上 升到 Vc；t3以后，V2Vc，电容由放电转换为充电，VD3,VD4导通，构成电源向负载及电容供电的通 路。t4以后，V265535)time_value=0;break; case DOWN:time_value-=1 if(time_value0)time_value+65535;break; default=break; 结束语结束语 通过本次系统的设计与制作使我将所学知识系统的串联起来作为一个完整体系，将知识转化为 具有实际意义的产品。这对我以后的学习与工作提供了宝贵的经验。因此我感觉收获很多。作为一个 多功能控制系统，本系统能够在显示万年历的基础上增加了遥控器控制、温度检测、光强度检测等模 块、从而设客户根据不同需求设置不同的控制变量。但本系统还有许多要改进的地方，例如在原有基 础上可以加上 PC 通信模块，湿度检测等；从而使系统能够实时将检测环境的情况记录在 PC 机上，还 可通过 PC 控制单片机做出相应动作，极大增加使用的 便利性。 结结 论论 本文给出了一个高精度程控稳压电源的解决方案，初步设计了能够人为控制输出，输出范围在 025V 之间的，稳定精度能达到要求的程控稳压电源。 该系统由硬件和软件部分组成，在查阅并学习现有的模块电路之后，选合适的电路进行组合。硬 件部分由 220V 输入，24V 输出变压器、桥式整流电路、 型 RC 滤波电路、带有运放的串联调整型晶 体管稳压电路组出核心模拟电路部分，由单片机、D/A 芯片，外围电路包括数码管显示部分、按键部 分部分。软件部分利用单片机语言编程，控制 D/A 数据输出和 A/D 转换数据的接收，通过接收反馈电 压，对输出进行调整并显示输出电压。 在本次设计的过程中，我发现很多的问题，给我的感觉就是很难，很不顺手，看似很简单的电路， 要动手把它给设计出来，是很难的一件事，主要原因是我们没有经常动手设计过电路，还有资料的查 找也是一大难题，这就要求我们在以后的学习中，应该注意到这一点，更重要的是我们要学会把从书 本中学到的知识和实际的电路联系起来，这不论是对我们以后的就业还是学习，都会起很大的促进和 帮助，我相信，通过这次的课程设计，在下一阶段的学习中我会更加努力，力争把这门课学好，学精。 同时，通过本次课程设计，巩固了我们学习过的专业知识，也使我们把理论与实践从真正意义上相结 合了起来；考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关文献资料，和组织材料的综合能力；从中可以自 我测验，认识到自己哪方面有欠缺、不足，以便于在日后的学习中得以改进、提高；通过使用电路软 件也让我们了解到计算机辅助设计的智能化,有利于提高工作效率。 致致 谢谢 感谢。 。 。 。 。 。 参考文献参考文献 1 清华大学自动化系编.电子技术. 人民教育出版社. 2 曲学基. 王增福稳定电源基本原理与工艺技术电子工业出版社 2004 年 1 月第一版. 3 何希才.新型稳压电源及应用实例 电子工业出版社 2004 年 1 月 4 林家瑞.电子工程指南 华中工学院出版 19393. 5 顾宝良.模拟集成电路原理与实用电路 人民邮电出版社，1989. 6 曾凡奎.新简电工手册 一版机械工业出版社 2005 年 1 月 第一版. 7 铃木雅臣. 著 周楠生 译晶体管电路设计日2003 年 9 月 第一版. 8 林渭勋.现代电力电子电路M杭州 浙江大学出版社，2002. 9 陈国成.新型电力电子变换技术 中国电力出版社，2004. 10刘凤君.逆变器用整流电源M北京 机械工业出版社，2003.10. 11谢自美.电子线路设计？实验？测试M 武汉华中电子科技大学出版社，2007.7. 附录附录 1 源程序源程序 ORG 0000H START: AJMP MAIN MAIN: MOV SCON,#0 ;设串行口模式 0 MOV 23H,#90 ;送输出 9V 的 Dn 值指针， MOV 20H,#0 ;小数点一位指针指向“0“字符 MOV 21H,#9 ;个位指针指向“9“字符 MOV 22H,#0 ;十位指针指向“0“字符 ACALL DSP ;调用显示、输出子程序 SETB P3.4 SETB P3.5 KEY1: JB P3.4,KEY2 ;增强键是否有键? ACALL DEL10 JB P3.4,KEY2 ACALL K1 KEY2: JB P3.5,KEY1 ;减少键是否有键? ACALL DEL10 JB P3.5,KEY1 ACALL K2 AJMP KEY1; DEL10: MOV R6,#0AH ;10ms 延时子程序 D1MS: MOV R7,64H DLL: NOP NOP NOP DJNZ R7,DLL DJNZ R6,D1MS RET; K1: CLR P3.2 MOV A,23H ;增