数控直流可变稳压电源的设计

目录
前言 (1)
1设计任务 (2)
1.1课题内容 (2)
1.2 任务和要求 (2)
2系统功能 (2)
3方案论证 (3)
3.1 稳压电源的分类 (3)
3.2 稳压电源设计方案 (3)
3.3 三端集成稳压芯片 (4)
3.4 数字显示部分 (4)
4系统硬件设计 (4)
4.1电路原理 (4)
4.2硬件模块分析 (5)
5系统的软件设计 (9)
5.1 电路图 (9)
5.2 工作原理 (10)
总结 (11)
参考文献： (12)
前言
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

电力电子技术电能的最佳应用技术之一。

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。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

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。

数控电源采用按键盘，可对输出电压进行设置, 输出由单片机通过D/A,控制驱动模块输出一个稳定电压。

同时稳压方法采用单片机控制, 单片机通过A/D 采样输出电压, 与设定值进行比较, 若有偏差则调整输出, 越限则输出报警信号并截流。

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, 由键盘控制进行动态逻辑切换。

以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计,电源采用数字调节、输出精度高, 特别适用于各种有较高精度要求的场合。

电源采用数字控制，具有以下明显优点：
1)易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

2)控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

3)控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

1设计任务
1.1课题内容
数控直流可变稳压电源的设计
1.2 任务和要求
系统电路的构成只能用分立元件、或中规模集成芯片。

用中小规模集成芯片设计一个数控直流可变稳压电源。

要求：
(1)用集成芯片制作一个2～10V的直流电源。

(2)最大功率要求10W以上。

(3)电压的调整步进为1V并有相应的指示。

(4)具有过压、过流保护。

2系统功能
该数控直流可变稳压电源主要由滤波电路，稳压电路和计数显示电路组成。

方案采用LM317组成数字可调直流稳压电压源，采用7805构成固定输出电压源。

LM317是可调式三端稳压器，能够连续输出可调的稳定的直流电压。

它只允许可调正电压，且该稳压器内部含有过流，过热保护电路；LM317通过一个电阻（R）和一个可变电位器（Rp）组成电压输出调节电路，它的输入电压Vi= 15V，输出电压为V o=1.25（1+Rp/R），在该方案中，通过8通道数字控制模拟开关4051芯片改变Rp的值，从而改变输出的电压值。

7805是固定式三端稳压器，当其输入输出的压差达到要求时，其固定输出+5V，一般要求7805的输入输出的压差在大于2V的情况下，才能保证正常输出。

8通道数字控制模拟开关4051的开关的选通，通过其使能端与其选通状态代码控制，而其选通状态代码则通过74LS193加/减计数器的计数输出状态控制。

该方案要求在稳定输出步进为1V的直流电压输出（2—9V）的同时，将输出电压在数码管上显示。

在这里，选用驱动共阴极数码显示器的BCD码四位—七段译码器—4511，将4511的译码输入端直接与74LS193计数器的计数状态输出端，将4511的译码输出端通过适当阻值的电阻，再与共阴极数码管相连接，这样就可以初步实现输出电压与显示同步。

3方案论证
3.1 稳压电源的分类
稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。

如此繁多的分类方式会让我们摸不着头脑，不知道从哪里入手。

我们必须弄清楚各个类别的特点，才能从中选出最佳方案。

3.2 稳压电源设计方案
方案：输出可调的开关电源
开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，只是电路在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度差。

综合考虑效率，输出功率，输入输出电压，负载调整率, 本设计选用方案三，要求较低，较易实现.对于效率和纹波的要求可以通过仔细调整磁性元件的参数(L，Q，M等)使其工作在最佳状态。

我们在选择方案的时候考虑到电路要简单，元件要容易找，所以我们选择了上述的方案中的第三个方案。

稳压电路部分可以采用三极管等分立元件来实现，也可以采用集成三端集成
稳压芯片。

从性价比来说，采用三端集成稳压芯片来实现要好很多，现在的稳压芯片功能强大，且价格低廉，很适合我们此次的设计。

3.3 三端集成稳压芯片
方案:采用LM317可调式三端稳压器电源
LM317可调式三端稳压器电源能够连续输出可调的直流电压.
不过它只能连续调正电压，稳压器内部含有过流，过热保护电路;由一个电阻(R)和一个可变电位器(RP)组成电压输出调节电路，输出电压为:V o=1.25(1+RP/R).
3.4 数字显示部分
方案：用Atmage16实现模数转换
利用单片机的软硬件资源实现高精度高速A/D转换，转换精度和转换速度还可以通过软件来改变，价格也低廉。

不过对软件部分要求较高。

4系统硬件设计
4.1电路原理
电路系统结构如图1所示，系统选用Atmage16单片机为控制核心，外部扩展1602驱动芯片用以实现电压输出功能，同时1602液晶显示相应的输出电压值。

单片机计算设定值与A／D转换采样反馈值的偏差以及偏差的变化率，得出相应的输出值，由D／A转换变换为模拟量去驱动电压输出控制电路，从而使电压稳定在设定值。

图1 电路系统结构图
4.2硬件模块分析
4．2.1 ATmage16单片机模块
1）ATmage16的简介
ATmega16是A VR系列单片机中比较典型的芯片，其主要特点有：
（1）采用先进RISC结构的A VR内核（2）片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器（3）片内含JTAG接口（4）宽电压、高速度、低功耗（5）片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD；片内含有1M/2M/4M/8M，经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用；
多达21个各种类型的内外部中断源；有6种休眠模式支持省电方式工作等等。

2）ATmage16的引脚分析
其外部引脚封装如图2所示
图2 ATmage16 外部引脚与封装示意图
其中，各个引脚的功能如下:
（1）电源、系统晶振、芯片复位引脚
Vcc: 芯片供电（片内数字电路电源）输入引脚，使用时连接到电源正极。

A Vcc：为端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚。

不使用ADC时，直
接连接到电源正极；使用ADC时，应通过一个低通电源滤波器与Vcc连接。

AREF：使用ADC时，可作为外部ADC参考源的输入引脚。

GND: 芯片接地引脚，使用时接地。

XTAL2：片内反相振荡放大器的输出端。

XTAL1：片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。

RESET：RESET为芯片复位输入引脚。

在该引脚上施加（拉低）一个最小脉冲宽度为1.5us的低电平,将引起芯片的硬件复位（外部复位）。

（2）32根I/O引脚，分成PA、PB、PC和PD四个8位端口，他们全部是可编程控制的双（多）功能复用的I/O引脚（口）。

四个端口的第一功能是通用的双向数字输入/输出（I/O）口，其中每一位都可以由指令设置为独立的输入口，或输出口。

当I/O设置为输入时，引脚内部还配置有上拉电阻，这个内部的上拉电阻可通过编程设置为上拉有效或上拉无效。

如果A VR的I/O口设置为输出方式工作，当其输出高电平时，能够输出20mA 的电流，而当其输出低电平时，可以吸收40mA的电流。

因此A VR的I/O口驱动能力非常强，能够直接驱动LED发光二极管、数码管等。

而早期单片机I/O 口的驱动能力只有5mA，驱动LED时，还需要增加外部的驱动电路和器件。

芯片Reset复位后，所有I/O口的缺省状态为输入方式，上拉电阻无效，即I/O为输入高阻的三态状态。

（3）ATmage16在电路中的主控作用
应用ATmage16 主要完成PWM 波的输出及控制功能。

它可以先产生一定脉宽的PWM 波，作为L1603 驱动电路输入信号，然后根据所需要的基准电压与检测到的输出电压的比较，调整脉宽，即改变占空比，最终实现高性能可调直流稳压。

图3内部晶体振荡器外接电路
4.2.2 L6203驱动模块
L6203驱动模块就是将5V的输入电压变成Vin的电压24V，一方面提高电压，一方面提高电流。

电源驱动芯片的选择，由于器材的限制以及使用CMOS 管需要的驱动需要注意比较多的前级推动，如果直接使用电机驱动芯片L6203，其价格实惠，电路简单而且效果非常好。

图4 L6203驱动模块
4.2.3 1602液晶显示模块
如果采用数码管显示，其价格便宜，但是占用端口较多，功耗大、显示不功能不全。

而用1602液晶显示，则占用端口少，显示功能较全面，驱动电流小。

所以选择选择1602液晶显示。

给出1602 字符液晶作为信号显示部分
图5 1602液晶显示模块4.2.4 输出电压采集反馈电路模块
图6 输出电压采集反馈电路
5系统的软件设计
5.1 电路图
根据设计画的完整电路图如下图所示：
图7 完整电路图
5.2工作原理
直流电压源输出的电压经耦合，滤波后作用到固定式三端稳压器7805和可调式三端稳压器LM317，7805稳定输出的+5V直接为74LS193，74 LS00，译码器4511提供电源电压。

根据公式：V o=1.25（1+Rp/R），改变连接LM317的1脚上的电阻阻值，就可在其输出端得到不同的电压值。

LM317的1脚上电阻阻值的改变是通过8通道数字控制模拟开关芯片4051实现的。

因为当INH为低电平时，4051的输入端 C B A的不同状态输入，可选通对应的开关，即可改变LM317的1脚上电阻阻值，从而控制LM317的输出电压值。

4051的输入端C B A的状态，则通过74LS193(四位二进制加/减计数器)的计数输出状态来控制，即将74LS193的四个计数输出端的低三位分别与4051的输入端 C B A相连接。

同时将74LS193的四个计数输出端与驱动共阴极数码显示器的BCD码四位—七段译码器—4511的四位输入端相连接，通过4511译码后驱动共阴极数码管显示相应的电压值，实现电压输出与显示值同步。

总结
虽然我深深感到这次设计有许多缺陷：
（1）因为自身的原因没有更多的时间准备设计的内容和整理资料使这次设计有些方面不完善。

（2）由于没有硬件的支持，只能在电脑上运行软件部分，所以没有太多的办法证明硬件的可靠性。

我也通过这两个多星期的收集资料、复习课程、着手准备、熟悉流程到最后得出结论，使我学到了很多书本上原先没有深究的东西，也通过查阅有关资料开拓了视野，也学到了很多书本上没有的东西。

总之，通过这段时间和同组人员的共同努力下，终于完成了课程设计。

在这期间有老师的耐心指导，自己的努力和同学的帮助，终于完成了课程设计。

这也算是自己校园生活的一份答卷，希望不会令人失望！
参考文献：
[1] 主编张克农.数字电子技术. 高教出版社出版.第一版.2006年
[2] 彭介华主编.电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年
[3] 曾建唐主编.《电工电子基础实践教程》.机械工业出版社.2002年
[4] 康华光主编.《电子技术基础》.高教出版社出版.第四版.1999年。