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信息科学与工程本科毕业论文

发表时间:2013/8/27 19:58:47


信息科学与工程学院本科毕业设计(论文)
信息科学与工程本科毕业论文

摘 要
本数控直流稳压电源是以AT89S52单片机为控制_,通过键盘输入,可对电源电压进行数值预置以及步进设置,步进阶高位为0.1V。本机采用液晶屏显示器显示,能够清楚的反映出系统的信息,人机界面友好。该电源电压可调范围为0到25V,采用LM1875功率放大器作为末级输出,最大负载电流大于1A,功率可达30W。实际测试结果表明,本系统可以实际应用于需要高稳定度恒压源的领域。


关键词: 稳压电源, 单片机控制, LM1875, 液晶显示




Abstract
The digital control DC power supply has used AT89S52 MCU as the core of the control. Through keyboard input, you can set the power supply voltage value or step settings. The step height of the order is 0.1V. With the liquid crystal display, Human-Computer interface will become more friendly. The adjustable voltage ranges from 0 to 25.5V. Using LM1875 power amplifier as the final output, the ma*imum load current is greater than 1A, power up to 30W. Test results show that the system would be practical for applications requiring high stability voltage source areas.


KEY words: Power Supply, MCU control, LM1875, LCD1602




目 录

摘 要……………………………………………………………..I
Abstract…………………………………………………………...I
第一章 引言……………………………………………………1
1.1直流稳压电源的发展………………………………………………1
1.2数控稳压电源的发展………………………………………………2
第二章 方案设计与论证……………………………………….4
2.1题目要求……………………………………………………………4
2.2设计思路框图………………………………………………………4
2.3方案分析与比较……………………………………………………5
2.4 主要元器件的选择………………………………………………...8
2.5最终方案框图……………………………………………………...12
第三章 硬件电路的实现与原理论述…………………………13
3.1 系统电路图……………………………………………………….13
3.2 稳压输出电路…………………………………………………….13
3.3 电源电路………………
……(新文秘网https://www.wm114.cn省略2319字,正式会员可完整阅读)…… 
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,生产成本下降。
5)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接口进行调试,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。
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行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。
随着科学技术飞速发展,对电源可靠性、输出精度和稳定性要求越来越高,利用数字化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,而且可以任意设定输出电压或电流,所有功能由面板上的键盘实现,给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。











第二章 方案设计与论证

2.1 题目要求
常见的直流稳压电源的输出电压为电位器控制方式,而本设计题目要求采用数控/单片机控制电路实现按键步进或预置电压。电压从1.5V到25V可调,最大负载电流至少1A,步进阶高不大于0.1V。

2.2 设计思路框图

本系统采用自制的电源给电路供电,由单片机控制输出给DAC0832,通过转换后再由功率放大管放大输出,并由单片机控制液晶显示电压值。由于开关电源的开关干扰和其本身大范围调压困难且稳定度不高的特点,要做出25V可调的开关稳压电源,几乎是不可能的,所以本设计采用的是线性电压源。
线性电源主回路的工作过程是输入电源先经预稳压电路进行初步交流稳压后,通过主工作变压器隔离整流变换成直流电源,再经过控制电路和单片微处理控制器的智能控制下对线性调整元件进行精细调节,使之输出高精度的直流电压源。
2.3方案分析与比较

2.3.1 控制方案分析
方案一:采用纯数字电路硬件来组成键盘控制系统,进行信号处理和电压控制。此方案由于采用纯硬件设计,所以系统可靠性高,响应速度快,但电路的复杂程度是随系统的逻辑复杂程度的增加而增加的,电路设计难度较高,灵活性低,不利于系统的扩展等。
方案二:采用单片机作为整机的控制单元,通过 D/A 输出再经电压转换后由功率放大管输出。此系统设计比较灵活,采用软件方法可以很好地解决数据的预置以及电压的步进控制问题,系统硬件更加简洁,各种功能易于实现,能很好地满足题目的要求。
比较以上两种方案的优缺点,方案二简洁、灵活、可扩展性好,能达到题目的设计要求,因此采用方案二来实现。

2.3.2 显示方案选择
方案一:采用 LED数码管显示。该方案适用于数字化程度不高,要求显示信息量不大的系统,可实现对系统基本信息的显示。
方案二:采用 LCD液晶显示。采用液晶显示器,显示信息量较大,而且比较直观,人机界面比较友好,方便操作,一定程度上比 LED 更节能。但LCD要程序驱动,对编程有一定要求。
综合各方面考虑,由于控制器采用单片机,所以不担心 LCD的软件驱动问题,结合LCD诸多优点,决定选择 LCD 方 案。

2.3.3 输出电路方案论证
方案一: 采用集成运算放大器控制集成稳压管输出。通过集成运算放大器输出电压的改变实现集成稳压器的基准电压端(如LM317的调节端)的电压调节,进而得到题目要求的电压范围和输出电压设置。
利用集成运算放大器与集成稳压器组合实现的直流稳压电源输出电路的实际电路如下图所示:


该电路通过D/A输出,由集成运放控制 LM317 调节端电压,可得到可靠的电压输出。

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块,是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317 系列稳压块的型号很多:例如 LM317HVH、W317L等。LM317稳压电源的输出电压可用下式计算,Vo=1.25(1+R2/R1)。因此最低输出电压为1.25V。其经典电路如下图所示:

由于三端稳压器(如LM317)本身特点,存在一个最低输出电压 1.25V的电压限制,要克服这 1.25V的限制,需要加一个 -1.25V电压到调整端,使电路变得复杂。

方案二:采用电阻分压控制集成稳压管输出。通过单片机输出控制三极管的开关,从而调整 R2-R5上的的分压,即控制LM317 调节端电压,使电压输出发生变化,电路如图下图所示:

该电路设计简单无需D/A 转换,成本大大降低,但电阻的阻值选定难度较大,且存在误差,所以导致电压输出稳定性不够,引入误差较大,且存在一个最低1.25V 的电压限制。
方案三:采用集成功放(如LM1875)输出。如果不采用集成稳压器,也可以采用大功率管构成分立电压放大电路。这种实现方式的理论依据是集成功率放大器实际上是大功率的集成运算放大器,完全可将集成功率放大器作为集成运算放大器使用。其输出通过引入深度负反馈使电路输出电压稳定。采用集成放大器构成的直流稳压电源输出电路如下图所示:

方案论证结果:采用单片机作为整个系统的控制器,通过 LCD液晶显示器显示系统信息,由单片机输出数字信号进行 D/A转换,再进行电压放大后送到LM1875功率_制电压输出。
2.4 主要元器件的选择
(1) 控制器—单片机
常见的单片机有:MCS-51系列单片机、PIC系列单片机、凌阳单片机等。
PIC单片机的主要产品是PIC 16C系列和17C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,分别仅有 33,35,58条指令,采用 Harvard双总线结构,运行速度快,低工作电压,低功耗,较大的输入输出直接驱动能力,价格低,一次性编程,小体积. 适用于用量大,档次低,价格敏感的产品.在办公自动化设备,消费电子产品,电讯通信,智能仪器仪表,汽车电子,金融电子,工业控制不同领域都有广泛的应用,PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高.发展非常迅速.
凌阳单片机多为高性能的单片机,凌阳单片机拥有突出的抗干扰能力 ,并专门为其应用领域作了具有针对性的增强设计;同时拥有丰富易用的资源以及优良的结构,广泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、计算机外围等领域。
MCS-51单片机是美国 INTEL公司于 1980年推出的产品,典型产品有 8031、8051和 8751等通用产品,一直到现在, MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品(比如目前流行的89S51/52、89C51/52 等)。
由于本系统主要进行键盘扫描、显示和 D/A输出,对单片机性能要求不高,所以没有必要采用高性能的凌阳单片机作为控制器,我们在校的单片机教程主要学习的是MCS-51 系列单片机,所以相比 PIC单片机,我对 MCS-51单片机更加了解,因此选择MCS-51单片机作为系统控制器。
AT89S51 是一个低功耗,高性能 CMOS 8位单片机,片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000次的Flash 只读程序存储器,器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用 8位_处理器和 ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。89S51相对于 89C51增加了很多功能,性能有了较大提升,价格基本不变,甚至比89C51更低。并且由于52单片机比 51单片机资源(51:4KROM、128RAM;52:8KROM、256RAM)多一倍,但价格却没有什么差异,因此从性价比上考虑选择AT89S52单片机作为控制器。
(2)D\A转换器—DAC0832
设计电压调节范围为 1.5-25V,步进 0.1V,所以要求D/A 的阶数大于23.5/0.1=235。因此采用 8位(256阶)的D/A 转换器就可以达到要求。因此选择最常见的DAC0832 即可。
DAC0832是美国国家半导体公司的产品, 它由8 位输入锁存器、 8位DAC寄存器、8位D/A 转换电路及转换控制电路构成。DAC0832芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到广泛的应用。
DAC0832的主要特性参数:
 分辨率为 8位;
 电流稳定时间 1us;
 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入;
 输出电流线性度可在满量程下调节;
 单一电源供电(+5V~+15V);
 低功耗,20mW。
其逻辑图如下图所示:

8位输入寄存器用于存放CPU 送来的的数字量,使输入数字量得到缓冲和锁存,由/LE1 端加以控制; 8位 DAC寄存器用于存放待转换的数字量,由/LE2端控制;8位D/A转换电路转换输出与数字量成正比的模拟电流。因此,DAC0832 通常需要外接运算放大器,进行电流/电压转换,才能得到模拟输出电压。其典型电路如下所示:

Iout1接运放的反相输入端,Iout2 接运放的正相输入端并接地。由于DAC0832是8位的 D/A转换器,故可得输出电压 Vo与输入数字量B 的关系为:
, 为一常量。所以Vo和输入数字量B成正比。B为0时,Vo也为 0,输入数字量为 255时,Vo为最大值,输出电压为单极性。
(3)LCD的选择—LCD1602
常见的LCD 屏有12864和1602。其中12864为点阵型液晶,该LCD显示分辨率为128*64 点,可显示图形、字符以及汉字等大量信息,它适用于大信息量和简单图形及汉字显示领域。1602为字符型液晶,可显示 16*2个字符,即最多可显示两行,每行 16个字符。
由于本设计只需要显示电压等信息,所以采用 1602 型液晶即可,同时采用1602相对 12864 而言可大大降低成本。

LCD1602引脚图说明:

其最佳工作电压为5V
(4)电压输出—LM1875
LM1875 是一款功率放大集成块,是美国国家半导体公司研发的一款功放集成块,它在使用中外围电路少而且有完善的过载保护功能。它为五针脚形状, 一针脚为信号正极输入, 二针脚为信号负极输入,三针脚为电源负极输入,四针脚为信号输出,五针脚为电源正极输入。

LM1875采用 TO-220封装结构,形如一只中功率管,体积小巧,外围电路简单,且输出功率较大。该集成电路内部设有过载过热及感性负载反向电势安全工作保护。考虑集成功放管没有 1.25V的最低电压限制,且有较大的输出功率,电压可调整到0V与供电电压之间的任意值。所以输出端的大功率器件采用 LM1875作为电压输出。其典型电路如下图所示:

lm1875参数:
电压范围:单电压15~60V ,或±30V
静态电流:50mA
最大输出电流:4A 输出功率:30W
谐波失真:<0.015%,当f=1kHz,RL=8Ω,P0=20W时
工作电压:±25V
LM1875功率放大芯片的典型工作电压为±25V,最大工作电压为±30V,最大输出功率为30W,最大输出电流为4A,可以满足输出功率大于 25W的要求。
为达到输出最大 25V的指标,则要求LM1875的供电电压大于 25V,这也就
是本稳压电源的主电源,拟定该主电源范围:25V-30V。

2.5最终方案框图
根据方案论证及器件选择结果画出最终方案框图如下图所示:



第三章 硬件电路的实现与原理论述
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