基于单片机的数控电源设计-本科毕业设计

基于单片机的数控电源设计I基于单片机的数控电源设计摘要本系统主要论述了一种基于AT89S51的直流数控电源的设计原理及实现方法。该稳压电源以开关型稳压芯片LM2596为基础，用I2C总线的数字电位器MAX5478实现输出电压的微步进调节，通过LM2596的反馈作用实现输出电压的稳定。设计的开关电源具有输出电流过流保护及报警功能，LCD1602实时显示电压和电流值。输出电压范围为1.23V～24V，电流范围0～1.8A，电压微步进值为0.1V，具有体积小，功率高，可靠性高的特点。关键词开关电源过流保护AT89S51基于单片机的数控电源设计IITHEDESIGNOFDCPOWERSUPPLYBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERABSTRACTThearticlemainlydiscussesdesignprincipleandmethodofdigitalcontrolledDCpowersupplybasedonAT89S51.ThepowersupplyisbasedontheswitchingregulatorchipLM2596,digitalpotentiometerMAX5478thatbasedonI2Cbusisusedtoachievetheadjustmentofmicro-steppingvoltagevalue.ThroughthefeedbackofLM2586,thesystemcanachievethestabilityofoutputvoltge.Theswitchpowersupplysystemhasthefollowingfunctionwhichcanachievetheoutputovercurrentprotection,alarmandLCD1602real-timedisplaythevoltageandcurrent.Thevoltagerangeofoutputis1.23V～24V,thecurrentrangeofoutputis0～1.8A,andthemicro-steppingvoltagevalueis0.1V.Thepowersupplyhasadvantagesofsmallsize,highpowerandhighreliability.KEYWORDSswitchpowersupplyprotectionofovercurrentAT89S51基于单片机的数控电源设计1目录基于单片机的数控电源设计21绪论1.1研究的目的和意义自从人类有了电之后，各行各业都因为有了电而飞速发展，并出现了无数新型产业，直至今日，电已经在我们的日常生活中不可或缺。在当代科技与经济高速发展的过程中，电源起到关键性的作用[1]。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。电力电子技术是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，造成很多不良后果，因此电源的数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控直流稳压电源就是一个很好的典型例子,人们对它的要求也越来越高,要想为现代人工作、科研，生活、提供更好的、更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化、智能化方向发展。如何设计一个电压稳定，输出电压精度高，并且调节范围大的电压源，成了电子技术应用的热点。在市面上，各种电源产品各式各样，有可调节的和固定的。但是普遍存在一些问题，如转换效率低，功耗大，输出不够稳定，纹波电流过大，普遍采用可调电阻器调节，操作难度大，易磨损老化等。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足，并且数控直流电源与传统稳压电源相比，具有作方便、电压稳定度高的特点。它的纹波电压低，电压调节精确，输出电压大小采用数字显示，直观易读。电路大部分使用集成电路，从而使调试简单、性能优良、故障率低、使用寿命长。本题采用单片机和其它元器件及外围电路，开发一个数字式开关型可调稳压电源。能够设定输出电压值，电压值、电流值输出显示及过流保护等功能。通过此系统的设计，让开发者更深刻的掌握单片机基本原理，并熟悉一些外围电路的扩展，以及进一步提高C语言的硬件编程能力。1.2我国电源的发展现状目前我国电子电源主要产品划分为开关电源、线性电源和不间断电源。基于单片机的数控电源设计3开关电源（Switchingpowersupply）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。线性直流电源（Linearpowersupply）是调整元件工作在放大区域的电源，通过改变调整元件的控制信号强弱来调节其等效电阻大小，从而稳定输出的电压或者电流。不间断电源（Uninterruptiblepowersystem）是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。表1-12010-2011年我国电源产品销售情况销售情况分类20102011销售额（亿人民币）销售比例销售额（亿人民币）销售比例开关电源174.178.4%189.678.5%线性电源15.36.9%16.36.7%不间断电源32.614.7%35.6514.8%总计222.0100%241.6100%数据来源：电源在线网,2011年《中国线性与开关电源的现状及发展趋势分析》线性电源供应器价格便宜但交换效率低，美国等地区将禁止线性电源供应器在当地的销售，此外，未来更将进一步要求待机的电源消耗往下调整，因此，未来的主流为开关电源。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动高技术产品的小型化、轻便化。另外电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。1.3系统设计的基本要求（1）将220V，50Hz交流电进行转换为稳定输出直流电压1.23V～24V可调；（2）输出的稳定直流电压的步进值为0.1V，电压纹波尽量小；（3）利用单片机作为控制芯片；（4）数字显示输出电压和电流值。当电流值1.8A时切断供电电路，蜂鸣器报警。（5）稳定度高，转换效率高，抗干扰性强。基于单片机的数控电源设计42系统方案的选择及器件的选型2.1方案的选择2.1.1开关稳压电源开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对嵌入式控制系统工作环境的有害影响。开关电源以其高效率、轻重量、小体积等优点，逐步取代传统的线性电源。近十年来年由于功率半导体器件的迅速发展，使开关电源的应用越来越广泛。但由于晶体管工作在开关状态，模块输出有噪声存在。2.1.2线性稳压电源目前线性直流电源朝着多功能、高效率、高性能、集成化发展，采用CAD、新颖元器件及新颖电路形式。线性稳压电源有笨重，体积较大等缺点，其致命弱点是效率低，尤其是宽范围可调输出电源，在输出低电压时，效率仅达10%。但线性稳压电源具有稳定度高，可靠性好，成本低等优点，适用于中、小功率和对电性能指标要求比较高的场合。例如在科研和教学实验室，计量室作为可调电源或基准电源使用。近十多年来多制成集成稳压模块，品种规格较多，便于使用，价格便宜，从而受到欢迎。尤其三端稳压电源78系列正电源、79系列负电源己成各大半导体厂基本产品。2.1.3最终方案开关电源由于具有体积小、效率高、功率密度高等优点，在很多方面取代了线性电源和相控电源，克服了传统电源功率密度比较低，可靠性较差的缺点。新的变化技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、高频磁性元件、高频电容的研制应用，使得单片机开关电源迅速发展。所以决定设计开关型稳压电路[2]。本设计采用AT89S51单片机作为整机的控制单元，利用切换键来实现+5V和+12V的切换，“+”、“—”键改变输入值的步进调节，通过单片机系统控制输出数字信号来改变数字电位器的分压，从而通过反馈信号来改变直流斩波稳压电路的输出。并采样电压和电流值，经AD转换电路输出返回值，通过单片机系统来实现输出电压、电流的实时显示。同时，设计的开关电源具有输出电流过流保护和报警功能[3]。基于单片机的数控电源设计5AC—DC电路DC—DC斩波稳压电路过流保护电路1.23V~24V输出AT89S51电压、电流显示电路按键输入A/D转换电路报警采样图2-1系统总体方案设计框图2.2器件的选择2.2.1电位器的选择数字电位器是采用CMOS工艺制成的数模混合信号处理集成电路，采用数控方式调节电阻值大小，具有使用灵活、调节精度高、无触点、低噪声等特点。数字电位器的主要参数有：电源电压范围、端电压、分辨率、抽头数、接口等。MAX5477/MAX5478/MAX5479这些电位器内置EEPROM、采用3mmx3mmTQFN封装，在多数应用中减小了电路板尺寸，并简化了布线，同时这些新器件待机电流小，采用2.7V至5.5V的单电源供电，具有省电特性。标称端对端电阻温度系数为70ppm/˚C，比例系数为10ppm/˚C，低温度系数使这些器件尤其适合于需要低温度漂移可变电阻的应用，如低失调、可编程增益放大器电路，并有10K、50K和100K三种端到端阻值可供选择[4]。所以本系统采用MAX5478（50KΩ）非易失、双路、线性变化的数字电位器，实现机械电位器的功能。基于单片机的数控电源设计62.2.2过流检测方案的选择在开关电源设计中，电流检测技术起着至关重要的作用，是开关电源设计成功与否的关键因素。传统的电流检测方法有3种：(1)利用功率管的RDS进行检测。这种检测技术受工艺、温度的影响很大，其误差在-50％～+100％。该电流检测电路简单，且没有任何额外的功耗，可以用在对电流检测精度不高的情况下，如DC-DC稳压器的过流保护。(2)使用检测场效应晶体管检测。这种电流检测技术在实际的工程应用中较为普遍。(3)场效应晶体管与检测电阻结合。在高效的、低压输出、大负载应用环境中，就可以采用这种检测技术。本文采用由美信公司生产的微功耗、低价电流检测放大器MAX4373，极大简化了外围电路，可靠且可以根据设定的参数要求方便设计电路，提高了电流检测精度且将电流信号经放大后转化为电压信号，实现过流保护，在过流同时能有相应的信号输出，便于系统及时作出反应。2.2.3A/D转换器的选择将模拟量转换为数字量的器件称为模/数转换器（ADC）。A/D转换器的主要技术指标如下：分辨率、量化误差、偏移误差、满刻度误差、线性度及转换速率等。根据本次设计中A/D转换的目的和在满足设计要求下，最终决定采用ADC0832芯片。ADC0832是串行通行、8位分辨率、双通道A/D转换芯片，可以适应模拟量转换要求，使用的I/O口线少，且体积小，兼容性强，性价比高[5]。2.2.4显示方案的选择液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带等。而数码管实际上就是做成了具体显示形式的发光二极管，可以显示某些预先设置的图像，显示成本低于发光二极管点阵，但是显示内容基本不可变，且需要相应的驱动电路，基于该系统设计要求，既显示电压又显示电流，更增加了器件、成本，增大了外围电路的复杂性。综上采用选用字符型液晶显示模块LCD1602（16字2行）显示电压和电流。基于单片机的数控电源设计73系统硬件设计3.1系统主要涉及内容主电路设计：采用220V/34V变压器，通过整