数控直流稳压电源设计本科论文.doc

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gLinesTSelectionParbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphFoLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointse11111111111111111111111111111111lectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraphFormatLineSpaci2222222222222222222222ngLinesToPoints2SelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLinesToPoctionParagraSelec
无线电爱好者协会电源研究小组
数控直流稳压电源

摘要:
本系统以实现直流稳压电源的模拟、数字双线控制为目的,用AT89S52单片机作为主控制芯片,以ICL7107作为数显转换核心，实现对电源输出电压的数字控制及数字显示。
关键词：直流稳压，数字电位器，数控

一、 作品介绍
本系统电路主要包括五大部分:
l 整流滤波保护电路
l +5V稳压电路
l 可调稳压电路
l 数控电位器
l 单片机系统
l 数字显示电路
本系统主要特点：
l 采用负反馈截流式过流保护方案，电源使用更安全。
l 输出电压范围大，可输出1.25-22V
l 采用分立元件搭建分压电阻网络，由单片机控制
l 基于ICL7107的独立数字显示电路，显示精度高达0.01V

二、系统方框图
整流
滤波
保护
+5稳压
317稳压
单片机控制
分压网络
电压显示

三、各模块的设计
1、整流滤波保护电路
整流电路采用最常用的全桥整流方案。保护电路的设计原理如下：

场强效应管RFP25n06的特性是g极高电平时导通，低电平是截止。要使电路能在过流有效地截断，就必须使Q2导通，使电平下拉，此时25n06截止。要使Q2导通，则要使其Vbe大于或等于0.7V（但此电路实际导通电压只要0.2V，原因未查出）。由于Vbe=Vr8+Vr4-Vr6,故要调节R8、R6，使得R8的电压略小于R6的电压，此时使Q2能有效的截止，25n6导通，电路正常工作；当电路过流时，R4压降增大，使得Vbe达到导通要求，故能使得Q2能导通，25n06截止，起到保护电路的作用。S4起到复位功能，在过流保护后，连通三极管的b、e两端，使其重新截止，使Q1重新导通，从而连通电路，

其余部分（C4、D1、R2、R3、R5、R7、DS1、R？、C3的作用）：
1.在电路正常工作时，可以点亮DS1，起指示作用；
2.D1起减压作用；
3.R2.R3.R5.R7起分压作用保护元件，R3还起到是Q1的G、S极电平差的作用；
4.C3的作用：由于之后的的滤波电路存在一个470uF的电容，会导致在电路接通瞬间产生大电流从而激发过流保护电路使电路断路，导致电路无法正常工作，而设置一个C3，可在电路接通瞬间起到一个分流作用——电路接通时，电容充电，在大电流流过电路稳定之后，通过R3放电，从而解决了瞬间大电流的问题。
调试：
不断地改变R6与R8的值，使其正常工作时能保证Q2截止，而且也能保证电流大于700mA时Q2导通，最终调试后的Vr6=5V，Vr8=4.5V,电路可起到保护作用
存在的问题：
虽然电路可能正常的保护，但在场强效应管截止时，其输出端输出的电压不为零，而是几伏，原因在于R6电阻的存在，使得输入与输出构成一个回路，但总的来说影响不大。

图中绿色方框部分为滤波电路，对于简单电路，可通过大中小三种电容基本上滤去大部分纹波，比如本图中之前的1000uF、10uF、104分别滤去高频中频低频三种纹波，但是由于之后的470uF会使电路在接通瞬间启动过流保护功能，须作调整，解决方法上面已给出，此处不再赘述。
2、+5V稳压电路
电路通过LM7805稳出一路+5V的恒压输出，同时为单片机系统和数字显示电路供电。

3、可调稳压电路
这部分采用最常用的三段集成稳压芯片LM317,调压部分有两种方法，可直接通过电位器调节，也可利用单片机进行数字控制。在输出可以发现，有两个电阻对输出电压进行分压，这是采样电压的1%提供给数字显示模块。

LM317输出端1脚和2脚的基准电压是1.25V，我们这里选用的基准电阻是120欧，调节电阻选的是2k欧的电位器，故在模拟控制情况下的电压输出范围是（2000+120）*1.25/120=2V
4、电压数控电路
数控电路的实质是一个以单片机为核心的数字电位器，通过按键可以快速准确地调节输出电压 ，步进是1V。单片机系统如下：

单片机接收到按键信号后，通过指令运算，控制对应一个I/O口输出高电平，其他一分压电阻网络相连的I/O口述出低电平，其输出高电平的I/O口使对应的三级管导通，相应的分压电阻接入调压电路，实现输出电压的调节。分压电阻网络的原理图如下：

5、数字显示电路
数字显示电路有两个方案，一是直接由单片机控制译码芯片4511驱动数码管显示相应电压数值，这样做的好处是使系统设计更简单，输出电压显示值稳定，缺点是无法精确的显示输出电压实际值。考虑到北系统的电压调节有模拟和数字调节两种方法，故放弃此方案，改用基于ICL7107集成芯片的数字电压表方案，其显示精度能够达到0.01V，最大输出值是19.99V。由于7107的信号输入最大是200mV，因此将输出电压通过分压电阻进行电压采样，取其1%接入显示电路。

四、软件设计
1、系统流程图
系统初始化
读入预置数据
res_in=4
去抖
KEY1是否被按下？
KEY2是否被按下？
res_in= res_in+1
去抖
res_in= res_in-1
I/O口输出相应高低点平

2、程序源代码
#include<reg51.h>
sbit KEY1=P1^0; //KEY1----步进按键 ，每次增加1V
sbit KEY2=P1^4; //KEY2----步进按键 ，每次减小1V
#define uchar unsigned char

void delay_ms(unsigned int time) //ms延时子程序
{
uchar tres;
for(;time>0;time--)
{
tres=150;
while(tres--);
}
}

void main()
{
bit off=1; //标记以防干扰
int res_in=4; //res-in---输入电阻
P1=0xff;
while(1)
{
if(!KEY1&&off)
{
delay_ms(10); //去抖
if(!KEY1)
{
res_in++;
off=0;
}
}
if(!KEY2&&off)
{
delay_ms(10);
if(!KEY2)
{
res_in--;
off=0;
}
}
switch (res_in)
{
case 1:P0=0x01;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 2:P0=0x02;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 3:P0=0x04;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 4:P0=0x08;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 5:P0=0x10;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 6:P0=0x20;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 7:P0=0x40;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 8:P0=0x80;P2=0x00;P3=0x00;break;
case 9:P0=0x00;P2=0x01;P3=0x00;break;
case 10:P0=0x00;P2=0x02;P3=0x00;break;
case 11:P0=0x00;P2=0x04;P3=0x00;break;
case 12:P0=0x00;P2=0x08;P3=0x00;break;
case 13:P0=0x00;P2=0x10;P3=0x00;break;
case 14:P0=0x00;P2=0x20;P3=0x00;break;
case 15:P0=0x00;P2=0x40;P3=0x00;break;
case 16:P0=0x00;P2=0x80;P3=0x00;break;
case 17:P0=0x00;P2=0x00;P3=0x01;break;
case 18:P0=0x00;P2=0x00;P3=0x02;break;
case 19:P0=0x00;P2=0x00;P3=0x04;break;
default: break;
}
if(res_in<1)
{
P0=0x01;P2=0x00;P3=0x00;
res_in=1;
}
if(res_in>19)
{
P0=0x00;P2=0x00;P3=0x04;
res_in=19;
}
if(KEY1&&KEY2)off=1;
}
}
五、系统调试
1、数控输出电压测试
P0.0 ： 1.32V
P0.1 ： 2.27
P0.2 ： 3.28
p0.3 ： 4.31
p0.4 ： 5.59
p0.5 ： 6.51
p0.6 ： 7.50
p0.7 ： 8.24
p2.0 ： 9.93
p2.1 ： 10.48
p2.2 ： 11.50
p2.3 ： 12.45
p2.4： 13.41
p2.5 ： 14.62
p2.6 ： 14.64
p2.7： 16.48
p3.0 ： 17.50
p3.1 ： 17.56
p3.2 ：19.86
六、设计心得体会
陈博欣
这次数控稳压电源是我加入电源小组以来和队友们的第一个作品，虽然自己的功底差，设计能力还不是很好，但这次电源制作教会了我很多东西，让我受益匪浅。
这次我负责的是电源中保护电路这一模块，也是电源中颇为重要的一部分，保护电路的灵敏与否，直接关系到下一级电路能否在不正常状况下及时的断电，也就是起到保险丝的功能。电源的保护分为好几种，而这一次的设计目标是要实现电源的过流保护。一开始时我提出了两种方案：第一种是利用可控硅的导通性来控制三极管的导通与截止，以达到能在过流时及时截断后级电路。虽然这办法是可行的，但正如组长曾泽所言，从经济的角度来讲，可控硅的成本贵了点，特别是当电源要做大时，那成本更是令人发指，因此第一个方案被推翻了。第二个方案是电压比较器和与非门的组合。通过采样与设定的电压值比较，输出高低电平来实现控制三极管的导通、截止。从理论上来讲可以实现，但理论归理论，用到实际上时却遇到诸多问题，芯片的电源处理，与非门驱动问题等等。结果第二方案也宣布夭折。于是，在大家的考虑之下，本着经济，实用，简单的角度，最终敲定由两个三极管组成的保护电路。
电路虽然简单，但调试起来也颇有难度，通过调电阻来控制三极管基极和发射极的电压，但有时出现出无论怎么调三极管始终处于导通或截止的状况，达不到预期的效果；之后经过几番摸索，效果是达到了，但却出现了另外的问题，主干路的管子截止了，但后级的输出仍有电压，达不到断电的效果，分析才知是前级与后级构成回路，无论怎调，后级一定有输出电压，因此，在允许的范围内，将输到后级的电压降到两伏多，此时，保护电路的模块能达到预定的目标。然而，在与后级模块的兼容情况中，却出现了新的情况：一通电源立刻出现过流保护！这次是新的问题，我们询问了大三的师兄后才得知，因为后级大电容的存在，导致刚开机时充电电流过大，使保护电路进入保护状态。而队长分析后的解决方案是在采样电阻那并上一电解电容，以达到延迟的作用。果然，一接上去，电路即可正常运行，至此，保护电路模块全部完毕！
这次的保护电路虽然简单，但我的收获却是相当大：
第一在于它教会了我考虑事情要多方面，要全面，这样面对什么问题都能游刃有余
第二更在于它让我懂得了坚持的重要，像在调试电路，没有这份坚持，问题都将无法解决，更会打退堂鼓，停滞不前
最后，也是最重要的体会，让我亲身经历了一次完整的电路设计，让我掌握了更多的电路知识，让我如获珍宝！

陈捷
本次电源制作是本人第一次参与电子制作，由于部分专业知识的缺乏，制作过程遇到了不少问题，但均在小组成员们的相互帮助和相互配合下一一解决。总的来说，这次电源制作比较成功，基本实现了2—21V可调的稳压电源及过流保护电路，并进一步通过单片机实现了数控和数显的功能。
本次制作耗时最多的是过流保护电路的制作，过程中我们尝试过用逻辑门高低电平转换控制电路通断，单向可控硅的过流时导通控制电路通断以及最后投入使用的通过简单电阻与三极管组成的过流保护电路。不同电路都经过了小组成员实验和理论分析，最后出于成本及电路稳定性分析，在多次调试修改后最终确定了如右图所示的过流保护方案。通过采样电阻R4控制MOS管及三极管的通断，并且限流值可调。
本次制作最大的亮点在于实现了数控和数显。但由于专业知识的不足，数控部分的功能实现不甚完美。主要由于原设计方案中所需的部分电阻值无法实现（不满足标称值）。所以只能取近似值，从而造成数控电压跳变时的误差。该不足处当在以后进一步学习实践后研究出更佳方案。
制作电源过程中，我深刻的认识到自己知识的不足以及电子制作的趣味与艰辛。制作过程是对我们所学专业知识的进一步检验：
对本专业课程了解不够深刻；
对本专业的可自行学习与拓展的知识未曾涉足（如单片机的原理与应用）；
对本专业有关知识（电源）为进行过有效总结和拓展。
4. 对电路调试缺乏足够的细心与耐心。
以上不足必定在以后的制作和学习过程中进一步改过！
本次制作对我来说，最大的收获是通过参与电子制作巩固和拓展了自己的知识面，通过接触投身电子制作的电设爱好者领会到电子设计的精神精髓：激情，创新，毅力，求精！

谭华
对于我来说这是第一次的电子制作，由于知识的缺乏，及电子制作的具体流程、资料的查找、电路的具体设计在脑海里都没有清晰的概况，所以在这次制作中各个方面都表现比较被动。虽然如此，在组长和各成员的帮组下还是学到了许多东西，譬如元件性能的分析、电路模块分析与调试等，为以后的电子制作中打下基础。
开始时我查找滤波这块的资料，通过各方面的查找，对各种滤波电路有一定的了解。而在这次电源的制作过程中学到东西做多，也是我们耗时最多的是保护电路模块的选取与调试。该模块牵涉到整个稳压电路，必须对整个电路的分析，各种工作状态电流电压的分析及元件的准确取值都要很高的要求。通过长时间的调试，最终选择如下保护电路。由R4电压的采样，通过Q2的截止导通来控制Q1的截止导通以控制整个电路的输出。在保护电路的调试过程中电路分析尤为重要，精确的分析将加快调试的速度，还可能导致电路模块的成功与否。由于对单片机知识的严重缺乏，我对电路中电压控制及数显模块功能的实现都还很模糊。
经过这次电源的制作让我丰富了各方面的知识，同时发现自己对电路知识的严重缺乏：
1. 对电路分析的能力还不够，所以让自己设计一个电路将难之又难。
2. 在以调试过程中手脚混乱，动手能力将急需提高。
3. 对元件的了解及理性认识明显不足，以至于需要实现某个功能不知道找哪个元件。
针对自己各方的不足，所以以后自己将要更深入地接触电子制作，更系统地学习各方面的知识。

肖琦敏
在本次电源制作中，我对更规范的电子设计制作的流程有了一定程度的认识，并且了解了电源制作项目的相关事宜。
电子产品的设计，重头戏在调式。在本次电源制作过程中，由于考虑上的不周和元器件的参数偏差问题，在第一次插接面包版线路的时候失败了一次（导致1000uF电容爆炸）。后来，经过小组成员的努力，基本设计出了一个更合理、模块化更优秀的电源电路。但是在调式过程中，大家也遇到许多困难：令人比较印象深刻的是由于输出端的滤波电路于过流保护功能冲突，导致电路无法正常工作，在多次调式无果之后请教师兄，找到了一个简单而有效地解决方法————只是在保护电路中多加一个电容（C3）。
很多问题，如果能多请教这些先我们一步的“牛人”，也许会找到更高效而实用的方法。

其次，我发现自己找资料的能力有待提高，在本次制作过程中，我分管滤波部分，但是由于经验上的不足及所学知识有限，并未为我们小组的电源制作找到其他具有创新和实用特点的滤波电路，而且对于少见元的参数的查找不不熟练，只能大略写出25N06的特性，而无法对其进行更详细的说明。
本次项目活动，我学到了很多东西，但也看到了与其他同学间的差距，在此写写以后想做的事：
1、多学一些基础书籍如：电工基础，电子基础，单片机基础，模拟电路，数字电路，等书籍。 特别是模拟电路部分的知识，由于上学期学的不牢靠，将来要同实践结合，进行深入的了解。
2、还要多买一些电子杂志如：电子制作，电子世界，无线电等。
3、然后，有浅入深的学习，背一些重要的知识点。
4、多多实践，多做一些小东西。

谭海军
可调直流稳压电源终于调试成功！
作为小组的一员，我是负责稳压和可调部分，经过小组成员一起多次的比较和分析，终于找到了合适的电路。
在设计过程中，我认为整体的思维非常重要，由于是不同的成员负责不同的模块，在兼容和合作上要认真考虑，在设计一些保护电路时，也要全局考虑，不但要保护自己的模块，还要保护其它的模块，滤波电容的大小也需认真计算，不同的结构不同的部位和不同的功能，选择的电容属性也不同，因此，在整个电路设计过程中，要有全局考虑的思维。
在制作过程中，我认为我认为细节可以决定一切！
制作的第一天，由于一部分元件和设计的不相符，只是用一些值相近的或满足某些条件的元件代替，结果当天就爆了一个电容，就是因为电容的耐压值不够。我觉得在每一步执行执行之前，我们都要认真检查，在焊接电路时，由于是自己制作的板，对焊接技术要求非常高，一不小心就会造成短路或烧坏元件，因此，整个电路的制作和调试的过程中对成员的细心和耐心要求都很高。
最后，我觉得要认真学习单片机，虽然数控不是我负责的，那是因为我不会，如果多学一些知识，我们的能力就会更强，因此，我们要虚心，认真学习一些我们还没有或以后不会学的知识！

七、元件清单
元件
型号
数量
备注
整流滤波保护部分
自锁开关

1

按键

1

保险管
管+座
1
熔断电流2A
发光二极管

1

二极管
1N4004
5

电解电容
1000u/50V
1

电解电容
10u/50V
1

电解电容
470u
1

瓷片电容
104
1

三极管
8050
1

场效应管
25N06
1

精密电位器
10K
2

金属膜电阻
100k
1

金属膜电阻
560
1

金属膜电阻
8.2k
1

金属膜电阻
10k
1

金属膜电阻
1欧/1W
1

5V稳压部分
芯片
LM7805
1

二极管
1N4004
3

发光二极管

1

瓷片电容
104
2

金属膜电阻
1k

可调稳压部分
芯片
LM317
1

自锁开关

1

滑动变阻器
2k
1

发光二极管

1

二极管
1N4004
2

电解电容
470u/50V
1

电解电容
10u/50V
2

瓷片电容
104
1

金属膜电阻
120
1

金属膜电阻
10k
1

金属膜电阻
100
1

金属膜电阻
4.7k
1

数字控制部分
单片机
AT89S52
1

晶振
11.0592M
1

瓷片电容
22
2

金属膜电阻
10k
1

金属膜电阻
1k
2

金属膜电阻
3.9k
19

金属膜电阻
100-1600
18
取整百接近参数各一个
金属膜电阻
51
1

三极管
9013
19

按键

3

发光二极管

1

数字显示部分
芯片
ICL7107
1

数码管
一位的
4
共阳
精密电位器
20k
1

金属膜电阻
1k
25

金属膜电阻
1M
1

金属膜电阻
47k
1

金属膜电阻
100k
1

金属膜电阻
22k
1

独石电容
104
1

涤纶电容
224
1

涤纶电容
474
1

独石电容
103
1

独石电容
100p
1

其它
变压器
220-24
1
20W
接线柱
40位
若干

IC座
40位
2

散热片

3
30mm*50mm
排线

若干

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