信息科學與工程本科畢業(yè)論文

信息科學與工程學院本科畢業(yè)設計（論文）
信息科學與工程本科畢業(yè)論文

摘 要
本數控直流穩(wěn)壓電源是以AT89S52單片機為控制核心，通過鍵盤輸入，可對電源電壓進行數值預置以及步進設置，步進階高位為0.1V。本機采用液晶屏顯示器顯示，能夠清楚的反映出系統(tǒng)的信息，人機界面友好。該電源電壓可調范圍為0到25V，采用LM1875功率放大器作為末級輸出，最大負載電流大于1A，功率可達30W。實際測試結果表明，本系統(tǒng)可以實際應用于需要高穩(wěn)定度恒壓源的領域。


關鍵詞： 穩(wěn)壓電源, 單片機控制, LM1875, 液晶顯示




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 錄

摘 要……………………………………………………………..I
Abstract…………………………………………………………...I
第一章 引言……………………………………………………1
1.1直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展………………………………………………1
1.2數控穩(wěn)壓電源的發(fā)展………………………………………………2
第二章 方案設計與論證……………………………………….4
2.1題目要求……………………………………………………………4
2.2設計思路框圖………………………………………………………4
2.3方案分析與比較……………………………………………………5
2.4 主要元器件的選擇………………………………………………...8
2.5最終方案框圖……………………………………………………...12
第三章 硬件電路的實現(xiàn)與原理論述…………………………13
3.1 系統(tǒng)電路圖……………………………………………………….13
3.2 穩(wěn)壓輸出電路…………………………………………………….13
3.3 電源電路………………
……（新文秘網http://m.120pk.cn省略2319字，正式會員可完整閱讀）……　
器件
那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產成本下降。
5)系統(tǒng)維護方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS232接口或RS485接口或USB接口進行調試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復，甚至控制參數的在線修改、調試;也可以通過MODEM遠程操作。
6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運行逆變電源系統(tǒng)，每個并聯(lián)運行的逆變電源單元模塊都采用全數字化控制，易于在模塊之間更好地進行均流控制和通訊或者在模塊中實現(xiàn)復雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。
隨著科學技術飛速發(fā)展,對電源可靠性、輸出精度和穩(wěn)定性要求越來越高,利用數字化自動檢測技術設計程控電源就顯示出其優(yōu)越性。程控電源既能方便輸入和選擇預設電壓值又具有較高精度和穩(wěn)定性，而且可以任意設定輸出電壓或電流，所有功能由面板上的鍵盤實現(xiàn)，給電路實驗帶來極大的方便,提高了工作效率。











第二章 方案設計與論證

2.1 題目要求
常見的直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓為電位器控制方式，而本設計題目要求采用數控/單片機控制電路實現(xiàn)按鍵步進或預置電壓。電壓從1.5V到25V可調，最大負載電流至少1A，步進階高不大于0.1V。

2.2 設計思路框圖

本系統(tǒng)采用自制的電源給電路供電，由單片機控制輸出給DAC0832，通過轉換后再由功率放大管放大輸出，并由單片機控制液晶顯示電壓值。由于開關電源的開關干擾和其本身大范圍調壓困難且穩(wěn)定度不高的特點，要做出25V可調的開關穩(wěn)壓電源，幾乎是不可能的，所以本設計采用的是線性電壓源。
線性電源主回路的工作過程是輸入電源先經預穩(wěn)壓電路進行初步交流穩(wěn)壓后,通過主工作變壓器隔離整流變換成直流電源,再經過控制電路和單片微處理控制器的智能控制下對線性調整元件進行精細調節(jié),使之輸出高精度的直流電壓源。
2.3方案分析與比較

2.3.1 控制方案分析
方案一：采用純數字電路硬件來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進行信號處理和電壓控制。此方案由于采用純硬件設計，所以系統(tǒng)可靠性高，響應速度快，但電路的復雜程度是隨系統(tǒng)的邏輯復雜程度的增加而增加的，電路設計難度較高，靈活性低，不利于系統(tǒng)的擴展等。
方案二：采用單片機作為整機的控制單元，通過 D/A 輸出再經電壓轉換后由功率放大管輸出。此系統(tǒng)設計比較靈活，采用軟件方法可以很好地解決數據的預置以及電壓的步進控制問題，系統(tǒng)硬件更加簡潔，各種功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。
比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現(xiàn)。

2.3.2 顯示方案選擇
方案一：采用 LED數碼管顯示。該方案適用于數字化程度不高，要求顯示信息量不大的系統(tǒng)，可實現(xiàn)對系統(tǒng)基本信息的顯示。
方案二：采用 LCD液晶顯示。采用液晶顯示器，顯示信息量較大，而且比較直觀，人機界面比較友好，方便操作，一定程度上比 LED 更節(jié)能。但LCD要程序驅動，對編程有一定要求。
綜合各方面考慮，由于控制器采用單片機，所以不擔心 LCD的軟件驅動問題，結合LCD諸多優(yōu)點，決定選擇 LCD 方 案。

2.3.3 輸出電路方案論證
方案一： 采用集成運算放大器控制集成穩(wěn)壓管輸出。通過集成運算放大器輸出電壓的改變實現(xiàn)集成穩(wěn)壓器的基準電壓端（如LM317的調節(jié)端）的電壓調節(jié)，進而得到題目要求的電壓范圍和輸出電壓設置。
利用集成運算放大器與集成穩(wěn)壓器組合實現(xiàn)的直流穩(wěn)壓電源輸出電路的實際電路如下圖所示：


該電路通過D/A輸出，由集成運放控制 LM317 調節(jié)端電壓，可得到可靠的電壓輸出。

LM317作為輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊，是一種使用方便、應用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317 系列穩(wěn)壓塊的型號很多：例如 LM317HVH、W317L等。LM317穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）。因此最低輸出電壓為1.25V。其經典電路如下圖所示：

由于三端穩(wěn)壓器（如LM317）本身特點，存在一個最低輸出電壓 1.25V的電壓限制，要克服這 1.25V的限制，需要加一個 -1.25V電壓到調整端，使電路變得復雜。

方案二：采用電阻分壓控制集成穩(wěn)壓管輸出。通過單片機輸出控制三極管的開關，從而調整 R2-R5上的的分壓，即控制LM317 調節(jié)端電壓，使電壓輸出發(fā)生變化，電路如圖下圖所示：

該電路設計簡單無需D/A 轉換，成本大大降低，但電阻的阻值選定難度較大，且存在誤差，所以導致電壓輸出穩(wěn)定性不夠，引入誤差較大，且存在一個最低1.25V 的電壓限制。
方案三：采用集成功放（如LM1875）輸出。如果不采用集成穩(wěn)壓器，也可以采用大功率管構成分立電壓放大電路。這種實現(xiàn)方式的理論依據是集成功率放大器實際上是大功率的集成運算放大器，完全可將集成功率放大器作為集成運算放大器使用。其輸出通過引入深度負反饋使電路輸出電壓穩(wěn)定。采用集成放大器構成的直流穩(wěn)壓電源輸出電路如下圖所示：

方案論證結果：采用單片機作為整個系統(tǒng)的控制器，通過 LCD液晶顯示器顯示系統(tǒng)信息，由單片機輸出數字信號進行 D/A轉換，再進行電壓放大后送到LM1875功率_制電壓輸出。
2.4 主要元器件的選擇
（1） 控制器—單片機
常見的單片機有：MCS-51系列單片機、PIC系列單片機、凌陽單片機等。
PIC單片機的主要產品是PIC 16C系列和17C系列8位單片機,CPU采用RISC結構,分別僅有 33,35,58條指令,采用 Harvard雙總線結構,運行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅動能力,價格低,一次性編程,小體積. 適用于用量大,檔次低,價格敏感的產品.在辦公自動化設備,消費電子產品,電訊通信,智能儀器儀表,汽車電子,金融電子,工業(yè)控制不同領域都有廣泛的應用,PIC系列單片機在世界單片機市場份額排名中逐年提高.發(fā)展非常迅速.
凌陽單片機多為高性能的單片機，凌陽單片機擁有突出的抗干擾能力 ，并專門為其應用領域作了具有針對性的增強設計；同時擁有豐富易用的資源以及優(yōu)良的結構，廣泛應用于家用電器、工業(yè)控制、儀器儀表、安防報警、計算機外圍等領域。
MCS-51單片機是美國 INTEL公司于 1980年推出的產品，典型產品有 8031、8051和 8751等通用產品，一直到現(xiàn)在， MCS-51內核系列兼容的單片機仍是應用的主流產品（比如目前流行的89S51/52、89C51/52 等）。
由于本系統(tǒng)主要進行鍵盤掃描、顯示和 D/A輸出，對單片機性能要求不高，所以沒有必要采用高性能的凌陽單片機作為控制器，我們在校的單片機教程主要學習的是MCS-51 系列單片機，所以相比 PIC單片機，我對 MCS-51單片機更加了解，因此選擇MCS-51單片機作為系統(tǒng)控制器。
AT89S51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8位單片機，片內含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫 1000次的Flash 只讀程序存儲器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準 MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。89S51相對于 89C51增加了很多功能，性能有了較大提升，價格基本不變，甚至比89C51更低。并且由于52單片機比 51單片機資源（51：4KROM、128RAM；52：8KROM、256RAM）多一倍，但價格卻沒有什么差異，因此從性價比上考慮選擇AT89S52單片機作為控制器。
（2）D\A轉換器—DAC0832
設計電壓調節(jié)范圍為 1.5-25V,步進 0.1V,所以要求D/A 的階數大于23.5/0.1=235。因此采用 8位（256階）的D/A 轉換器就可以達到要求。因此選擇最常見的DAC0832 即可。
DAC0832是美國國家半導體公司的產品， 它由8 位輸入鎖存器、 8位DAC寄存器、8位D/A 轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0832芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。
DAC0832的主要特性參數：
 分辨率為 8位；
 電流穩(wěn)定時間 1us；
 可單緩沖、雙緩沖或直接數字輸入；
 輸出電流線性度可在滿量程下調節(jié)；
 單一電源供電（+5V～+15V）；
 低功耗，20mW。
其邏輯圖如下圖所示：

8位輸入寄存器用于存放CPU 送來的的數字量，使輸入數字量得到緩沖和鎖存，由/LE1 端加以控制； 8位 DAC寄存器用于存放待轉換的數字量，由/LE2端控制；8位D/A轉換電路轉換輸出與數字量成正比的模擬電流。因此，DAC0832 通常需要外接運算放大器，進行電流/電壓轉換，才能得到模擬輸出電壓。其典型電路如下所示：

Iout1接運放的反相輸入端，Iout2 接運放的正相輸入端并接地。由于DAC0832是8位的 D/A轉換器，故可得輸出電壓 Vo與輸入數字量B 的關系為：
， 為一常量。所以Vo和輸入數字量B成正比。B為0時，Vo也為 0，輸入數字量為 255時，Vo為最大值，輸出電壓為單極性。
（3）LCD的選擇—LCD1602
常見的LCD 屏有12864和1602。其中12864為點陣型液晶，該LCD顯示分辨率為128*64 點，可顯示圖形、字符以及漢字等大量信息，它適用于大信息量和簡單圖形及漢字顯示領域。1602為字符型液晶，可顯示 16*2個字符，即最多可顯示兩行，每行 16個字符。
由于本設計只需要顯示電壓等信息，所以采用 1602 型液晶即可，同時采用1602相對 12864 而言可大大降低成本。

LCD1602引腳圖說明：

其最佳工作電壓為5V
（4）電壓輸出—LM1875
LM1875 是一款功率放大集成塊，是美國國家半導體公司研發(fā)的一款功放集成塊，它在使用中外圍電路少而且有完善的過載保護功能。它為五針腳形狀， 一針腳為信號正極輸入， 二針腳為信號負極輸入，三針腳為電源負極輸入，四針腳為信號輸出，五針腳為電源正極輸入。

LM1875采用 TO-220封裝結構，形如一只中功率管，體積小巧，外圍電路簡單，且輸出功率較大。該集成電路內部設有過載過熱及感性負載反向電勢安全工作保護�？紤]集成功放管沒有 1.25V的最低電壓限制，且有較大的輸出功率，電壓可調整到0V與供電電壓之間的任意值。所以輸出端的大功率器件采用 LM1875作為電壓輸出。其典型電路如下圖所示：

lm1875參數：
電壓范圍：單電壓15~60V ,或±30V
靜態(tài)電流：50mA
最大輸出電流：4A 輸出功率：30W
諧波失真：＜0.015%，當f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W時
工作電壓：±25V
LM1875功率放大芯片的典型工作電壓為±25V,最大工作電壓為±30V，最大輸出功率為30W，最大輸出電流為4A，可以滿足輸出功率大于 25W的要求。
為達到輸出最大 25V的指標，則要求LM1875的供電電壓大于 25V，這也就
是本穩(wěn)壓電源的主電源，擬定該主電源范圍：25V-30V。

2.5最終方案框圖
根據方案論證及器件選擇結果畫出最終方案框圖如下圖所示：



第三章 硬件電路的實現(xiàn)與原理論述
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