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1、电子设计大赛论文简易数控直流稳压电源设计题目名称简易数控直流稳压电源设计学院专业指导教师设计要求：（1）输出电压：范围 0，步进，纹波不大于 10mV；（2）输出电流：500mA；（3）输出电压值由数码管显示；（4）由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减；（5）为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出10V，5V。提高要求：（1）输出电压可预置在 09.9V 之间的任意一个值；（2）用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化（步进 0.1V 不变）；（3）扩展输出电压种类（比如三角波等）。比赛工作计划： （1）查阅资料，设计硬件电路；（4.17-4.20） （2）硬件电路焊接； （4.2
2、1-4.23） （3）整机调试，编写设计报告（4.24-4.29）参考书籍：1单片微机原理及应用，第二版，机械工业出版社，2004年2月。2C8051F系列单片机原理与应用，张培仁，孙力，清华大学出版社，2013年1月第一版。3C程序设计，谭浩强，第三版，清华大学出版社，2005年7月第二版。参考文献：1何希才，张明莉。新趔稳压电源及应用实例M。北京：电子工业出版社20042王小明，卢志强。基于STC89C52数控直流电源设计。微计算机信息，2009，12。3何香玲，邓刚。数控式步进可调稳压源J。现代电子技术，2007。4刘兰波。数控直流电源的研究J。河北北方学院学报：自然科学版，2009。项
3、目组成员姓 名学 号专业/班级所在学院项目中的分工摘 要数控直流稳压电源是电子技术常用的设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域。本课题以单片机为控制核心，进行算法控制和集成运放线性负反馈，并通过7219驱动四位显示器进行精确显示，设计并实现了一台高精度、低噪声的数控直流电流源。 该稳压电源由供电电源、数控系统、模拟输出三个部分组成。供电电源采用MC7815和MC7915稳压器，通过桥式整流电路，为整机提供了稳定的直流供电；控制系统以单片机C8051F020为核心，其内部的12位DAC转换器产生控制输出，实现了输出电流的实时数控和精确检测。模拟部分利用集成运放继电器等模块实现不同波形的输出；系统
4、还设置了串口通讯、遥控功能。经测试，输出电压范围达0，输出纹波及噪声小于10mV，均达到题目指标。论文阐明了软硬件设计依据，给出了系统功能和性能测试结果，并附录了详细的设计资料。关键词: 恒压源 集成运放 7219驱动器单片机 实时数控 目 录第 1 章 方案论证与原理设计1模拟输出方案1供电电源方案1控制系统方案2整机方案框图2第 2 章电路设计与参数论证3供电电源(15V)35V供电电源5数控电路5模拟输出电路及A/D校准7驱动数码管显示电路10第 3 章系统功能与软件设计11系统功能分析11软件设计结构12第 4 章功能及性能测试16测试条件16整机调试16系统性能测试16性能参数测试1
5、7第 5 章设计总结及技术展望21参考资料23附录23附录一 测试仪器清单23附录二 原理电路图23附录三 元器件清单24附录四 单片机程序25数控直流稳压电源是输出为稳定直流电压、并可用数控方式调节和稳定输出电压的电源设备，在对工作电压稳定度、纹波电压大小等有较高要求的领域具有广泛的应用，如：电镀、精密加工、激光器等。为此我们选择了简易数控直流稳压电源设计作为此次竞赛的课题。第 1 章 方案论证与原理设计1.1 模拟输出方案模拟输出部分是数控直流稳压电源的重要组成部分，是决定各项设计指标的关键性因素。1.1.1 方案选择模拟部分，通过给功放供电，功放构成反相器、反相相加器、反相发大器，积分器
6、分别实现反相、反相相加、放大、积分等功能，结合继电器的控制，分别输出方波、三角波和直流，并反馈给单片机，用A/D采样并校准。同时，利用OP547输出稳定的500mA直流电流。1.1.2 参数优化设计由于本题要求的输出电压精度高，纹波小。因此我们必须考虑保证这些质量参数的优化方案。 纹波与噪声控制最大纹波电压是在设定的直流电压的情况下，使电压的纹波(包过噪声)的绝对值大小，通常以峰峰值或有效值表示。所以在设计时充分考虑这些因素，在电路中必要部分加入多种降噪滤波措施。安全保护功能安全保护主要用于输出电流较大而负载阻值较小时。因此在设计电路时考虑了系统的过热、过流、过压和反压保护。1.2 供电电源方
7、案供电电源一般有开关电源、线性电源两种方案。开关电源这种电源主要提供可靠稳定的电压类似开关式恒流源，功率损耗小，效率高，比较经济，但电压波纹大，难以滤除，会对后续电路造成影响。线性电源这种电源也提供可靠稳定的电压，结构简单，纹波电压小（10mV以下），易滤除，抗电磁干扰性能和电源纯净性好。1.3 控制系统方案控制系统功能接收取样信号，进行运算处理，并发出控制信号控制负载电流，而且有相应显示和写入控制字等功能。常用的实现方案有硬件逻辑电路、单片机软件编程和CPLD硬件逻辑编程。硬件逻辑电路结构简单，实现方便，但功能扩展性不强；单片机系统通过自身时钟编程产生逻辑信号序列，可键盘预置信号序列状态及数
8、码显示，使用灵活方便，可通过软件升级达到系统升级，开发容易，性价比高；CPLD电路也可实现以上功能，且处理速度更快，但价格偏贵，开发难度大，多用于高速实时系统。所以选用单片机作为控制系统的的核心接收取样信号对其处理并发出控制信号控制负载电流。其他外围电路还有LED显示、输入键盘、时钟信号。 1.4 整机方案框图 由以上分析可得出整机电路的基本结构方案框图如图11所示。图 11 数控直流稳压电源框图第 2 章 电路设计与参数论证通过前一章的分析，欲获得一个高性能的数控直流电流源 ，主要是设计好调整器电路，放大电路，反馈控制电路，电源电路。 本章详细的介绍了各部分功能电路的设计思想和原理。2.1
9、供电电源(15V)整机供电电源原理电路如图22所示。线性稳压电源电路主要由桥式整流电路、滤波电路、线性稳压器、保护电路和工作指示电路（LED灯）组成。经降压变压器变换后的15V交流电压由P2端口输入，经过整流、滤波和稳压后，由P1端口出端15V直流电压，为信号处理电路供电。图2-1 线性15V稳压电源电路原理图稳压器选择根据所选运算放大器OP07的特性（运算放大器的选择依据将在信号处理电路元件选择中给出），需要提供直流电电压。根据信号处理电路原理图和系统方案框图，计算得信号处理电路所需的电流约为1A（后面将给出详细计算过程）。所以稳压器选择MC7815和MC7915。表2-1列出了MC7815
10、和MC7915的部分参数。表2-1 稳压器部分参数型号输出/V(典型值)输出电流/A输入范围/V最小压差/V测试条件Ui(v)Io（mA）MC7815AC1517.9302231000MC7915AC-15-17.9-302-23500变压器选择因为运放供电需15V电压，而稳压器输入输出电压差要求不小于3V，所以此处整流电路电压输入处取18V。若设桥式整流电路输入电压为U1，输出电压为U2，则在一般情况下（负载，滤波电容）， U2估算值为： （2-1）故当 U1=15V时，整流电路输入为。所以选取220V输入15V电压输出的变压器。整流二极管选择桥式整流电路输入15电压，即输入电压U=30V。
11、二极管击穿电压。对于桥式整流电路，流过每个二极管的平均电流是负载电流的一半，即 （2-2）式中（18V）为整流电路输入电压，为其负载。线性稳压电源的负载主要由信号处理系统中的运放构成，运放OP07工作电流小于10mA，系统中共5个运放，故整流电路输出电流I0=26mA（考虑其他负载估算输出最大电流）。稳压电路输出电压U0=30V（15V），故负载估算值为RL=。故流过二极管电流为18mA。所以选择1N4001二极管，其反相击穿电压为50V，额定工作电流为1A。保护二极管的选择（D1、D9）当输入端意外短路时，保护二极管能给输出电容、提供一个放电通路，防止稳压器调节管击穿。此处选取1N4001型
12、二极管,其最高反相电压Urm=50V，远大于稳压器输入、输出端电压差3V；且其额定电流I=1A，满足放电要求。滤波电容选择（C1、C2）选择滤波电容的选取应满足Td=RLC1=(35)T/2 （2-3）Td为放电时常数,T为交流电周期。由前面计算得RL= =。故C1=C21.67nF，此处取C1=C2=330uF。性能改善电容选择C3,C4用于改善高频波纹，当稳压器距离C1,C2越远时，C3,C4越大。一般取0.11uF，此处选取C3=C4=0.1uF。C5，C6用于减小由负载电流瞬时变化引起的高频干扰，一般取C5=C6uF。当稳压器输出离负载较远时，器输出端接电容用以改善输出波纹特性并减小低
13、频干扰。一般取C7=C8=100uF。发光二极管（D2、D8）及限流电阻（R1、R2）选择电路中发光二极管D2、D8用来显示电源是否正常工作，其工作电流小于10mA。故此处选取限流电阻R1=R2。2.2 5V供电电源供电电源原理电路如图22所示。提供+5V直流电电压，供给单片机及键盘、显示器等其它器件正常工作。其器件参数等同于15V供电电源，在此不加累述。图2-2 线性5V稳压电源电路原理图2.3 数控电路 数控直流电流源的控制电路采用单片机最小系统对电路各部分进行控制。最小系统由MCU、采样输入、控制输出、键盘、显示电路组成。2.3.1 单片机最小系统单片机最小系统电路如图2-3所示。图 2
14、3 单片机最小系统电路MCU选型MCU选用Silicon Laboratories公司的C8051F020单片机，该系列单片机片内含CIP-51的CPU内核,它的指令系统与MCS-51完全兼容。其中C80511020单片机具有控制系统所需的模拟和数字外设，包括看门狗、ADC、DAC、电压比较器，VDD监视器和温度传感器等，并具有多种总线接口。与以前的5l系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，其可靠性和速度也有了很大提高。时钟设计数控直流稳压电源要求微处理器采样周期设置为0.5s，并且实测值和设定值间隔显示变换周期为2s左右，采用12MHZ晶振，可满足系统要求。键盘与显示数控直流稳压电源具有键盘输入与显示功能。用自治键盘对电压进行设定，采用四位数码管显示实测值和设定值。采用7219芯片电路作为显示控制和驱动端，其优点是显示位数多，节约I/O端口，使用方便，价格合理。D/A转换电路为了满足取样精度需要，选择电压为2.5V的基准电压，通过其内部的12位D/A变换器12 *410.1V，通过软件编程，从DAC0、DAC1端口输出相应
