数显直流稳压电源设计新

摘要本文介绍一种数字显示的直流稳压电源设计。

本电源输出电压可以调整，调压范围为0.0V-9.9V，而且具备输出电压可以显示的功能。

输出最大电流为500mA，可步进0.1V调整。

电源的主控电路采用AT89C51单片机，并能够通过液晶直观地显示出电压。

设计分析了各个模块电路和整机的工作原理，给出了整机工作的硬件实现和主要的软件流程设计。

直流稳压系统的总体的设计方案主要由变压器、整流滤波、稳压、电压液晶显示几部分组成。

本电源具有设计简单灵活，成本低，效率高，调整精度高等优点，在市场上有一定的应用前景。

文章介绍了系统的总体设计方案，详细阐述了基于数显直流稳压电源的系统结构，介绍了系统的硬件和软件设计。

文章最后进行了总结。

关键词：直流稳压电源；单片机；液晶显示目录前言 (4)第1章设计任务及设计要求 (5)1.1设计任务 (5)1.2设计要求 (5)1.3总体设计方案 (5)第2章系统硬件电路设计 (7)2.1系统电源模块 (7)2.1.1稳压直流电源的基本组成 (7)2.2 整流滤波电路 (8)2.2.1 整流电路 (8)2.2.2 滤波电路 (10)2.3最小控制模块 (12)2.4按键控制模块 (13)2.5显示器模块 (14)2.6 D/A数模转换模块 (17)2.7 控制稳压模块 (19)第3章软件程序设计 (21)3.1系统软件设计的原则 (21)3.2程序设计流程图 (22)3.3按键设置流程图 (23)3.4 DA转换流程图 (24)3.5 显示模块流程图 (25)第4章系统软硬件调试 (26)4.1 硬件调试 (26)4.1.1 上电前的调试 (26)4.2 软件调试 (27)4.2.1 仿真软件的介绍 (27)4.2.2 软件仿真 (28)4.4硬件调试 (29)4.4.1 调试出现的问题 (29)4.5 数据测量 (29)4.5.1数据测量值 (29)4.6误差分析 (31)第4章结论 (32)总结........................................................................................................................致谢............................................................................................................................参考文献. (33)附录一元器件明细表 (34)附录二仿真电路图............................................................ 错误！未定义书签。

附录三电源实物图............................................................ 错误！未定义书签。

附录四源程序代码............................................................ 错误！未定义书签。

附录五中英文文献............................................................ 错误！未定义书签。

前言随着电力电子技术的发展，当今电器化电子产品对电源的可靠性和精确性提出了更高的要求。

尤其是电子计算机和通讯技术的发展，对电源的要求更加苛刻。

一个高性能和高精度的供电电源是智能化系统正常工作必不可少的组成部分。

为了克服和解决以上传统电源难以实现的问题，数控电源应用而生[1]。

设计一个高精度、精确跟踪输出、高稳定性、良好的人机界面的简易数控电源，能减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节，有效地解决电源模块中诸如可靠性，智能化和产品一致性等问题，极大地提高了生产效率和产品的维护性。

基于数控电源具有以上传统模拟电源无法替代的优越性，为此设计一个简易的数控电源。

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。

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。

普通的直流稳压电源品种有很多，但均存在一下二个问题：输出电压是通过粗调（波段开关）及细调（电位器）来调节[2]。

这样，当输出电压需要精确输出，或需要在一个小范围内改变时，困难就较大。

另外，随着使用时间的增加，波段开关及电位器难免接触不良，对输出会有影响。

稳压方式均是采用串联型稳压电路，对过载进行限流和截流保护，电路构成复杂，稳压精度也不高。

电源采用数字控制，具有以下明显优点[3]: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。

第1章设计任务及设计要求1.1设计任务本设计就是一种数控直流稳压电源，添加单片机控制技术。

单片机（51系列）数字控制技术以及数字显示技术。

1.2设计要求根据设计任务，初步拟定设计的应能完成功能要求以及以下的设计要求。

1.输出电压0～9.9V可调；2.步进电压为0.1V，并且调整方便；3.最大输出电流达到500mA；4.输出电压输出精度小于5%；5.能够显示输出电压大小精确到小数点右边一位；1.3总体设计方案方案1：采用模拟的分立元件，利用纯硬件来实现功能，通过电源变压器、整流滤波电路以及稳压电路，实现稳压电源可调输出0-12 V电压，电路方框图见图 1-1所示[4]。

但由于模拟分立元件的分散性较大，各电阻电容之间的影响较大，因此所设计的指标不高、不符合设计要求、且使用的器件较多、连接复杂、灵活性差、功耗也大，同时焊点和线路较多，使成品的稳定性和精度受到影响。

图1-1 方案一电路方框图方案 2 : 此方案采用传统的调整管方案，主要特点在于使用一套双计数器完成系统的控制功能，其中二进制计数器的输出经过 D /A 变换后去控制误差放大的基准电压，以控制输出步进[3]。

十进制计数器通过译码后驱动数码管显示输出电压值，为了使系统工作正常，必须保证双计数器同步工作。

其电路框图如图1-2所示。

图1-2 方案二电路方框图方案3：采用单片机的数字稳压电源是将数字电路和单片机很好地结合在一起，不但能够达到数字电路的效果，而且能够大大地简化复杂的纯数字电路[6]。

采用单片机后，还可以用软件实现保护功能，要扩展其他的功能也非常容易。

其电路方框图见图1-3。

通过多方面考虑和实用性，精确度，单片机进行处理，具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等优点，故选择方案3。

图1-3 方案三电路框图第2章系统硬件电路设计2.1系统电源模块2.1.1稳压直流电源的基本组成稳压电源分为这几部分，由变压器降压电路，全桥整流电路，滤波电路，稳压电路组成。

图2-1 稳压电源电路原理图集成稳压电源的原理图如图2-1所示，只要接线正确，一般能良好地实现它的功能。

2.2 整流滤波电路因为课题需要0V-9.9V的稳压直流电，所以需要用到220V转26V的变压器把高压的交流电转成低压交流电。

因为课题不需要用到20V以上的电压，所以应该选用18V-24V的变压器，这样可以降低LM317集成芯片的功耗，达到低功耗，高效率的要求。

2.2.1 整流电路整流电路的任务是将交流电变换成直流电[4]。

完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。

在小功率整流电路中，常见的集中整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。

本设计采用单相桥式整流电路。

单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电路。

在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，当正半周时，二极管V1、V3导通（V2、V4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管V2、V4导通（V1、V3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。

在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。

桥式整流电路原理图如图2-2所示。

图2-2桥式整流电路原理选择二极管要依据二极管的反向耐压VRM 和正向电流IF 。

由于滤波电容的容量愈大，二极管导通角愈小，通过二极管脉冲电流的幅度愈大，因此，整流管的幅值电流必须加以考虑。

流过整流管的平均电流：2DIi I = 2o i R I I I =+210.01R R adj A I I I =+≈式中Ii 为稳压器的输入电流，IR1、IR2、Iadj 分别为流过R1、R2，以及调整端的电流，则：0.012o D I I =+ 考虑到电容充电电流的冲击，正向电流一般取平均电流的2～3 倍。

二极管最大反向电压：2max d i U ==式中U2为电源变压器次级电压有效值，Ui 为整流输出电压(即稳压器输入电压)。

为了保证稳压器LM317稳定运行，输入电压Ui 与输出电压U0之差一般在5～15V 范围，取Ui-U0=10V ，得：max 1.2 1.2(10)12 1.2o o i d U U U U ==+=+设计时可考虑一定的余量。

根据计算，1N4007的二极管符合设计要求，可以用作整流桥。

桥式整流电路电压和电流波形如图2-3所示。

图2-3 桥式整流电路电压和电流波形如图2-3所示，在交流电压u2的整个周期内，负载Rl都有同方向的电流通过，故Rl上得到单方向全波脉动的直流电压。

这样，四个二极管组成的整流桥就完成了整流的功能。

2.2.2 滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。

所以需要在整流电路之后加入滤波电路进行滤波，才能得到稳定的直流电压。

对于滤波电路的选择有两种方案[5]：方案一：采用电感滤波电路。

由于电感在电路中有储能的作用，所以在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它能够把能量储存起来，当电流减小时，它有可以把能量释放出来，是负载电流比较平滑，有平波的作用。

在电感滤波电路中，整流管的导电角度比较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁芯的存在，比较笨重，体积比较大，而且容易引起电磁干扰。

一般的情况下只适用于低电压，大电流的场合。

电感滤波电路图如图2-4所示：图2-4 电感滤波电路方案二：采用电容滤波电路。

由于电容在电路中也是起到储存能量的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能够把部分能量储存起来，而当电源电压减低的时候，就能把能量释放出来，是负载电压比较平滑稳定，也就是电容也有平波的作用。

电容滤波电路比较简单，而且负载直流电压比较高，纹波也比较少，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作[6]。