电子设计竞赛直流稳定电源设计报告.docx
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1、直流稳定电源A题设计报告摘 要: 本设计采纳单片机AT89C52作为系统的限制核心,制作了一个可稳定输出电流或电压的直流稳定电源。设计可分为七个模块:电源模块, 稳压源模块, 稳流源模块, DC-DC变换器模块, 键盘模块, 显示模块和系统限制模块。稳压电源采纳串联反应式稳压电路,主要由三端式集成稳压器LM317和运算放大器LM324构成。稳压电源和负载构成恒流源,并通过程序限制稳压源与稳流源电路之间的转换。DC-DC变换器采纳双管自激谐振式振荡电路,稳压电源输出的小电压经DC-DC变换器输出较大的直流电压。本设计可实现电压预置,数码显示输出电压和电流,输出可步进加, 减调整,恒压和恒流电路切
2、换等功能。此外,A/D可将数据反应一次对误差进展校正,稳压电路具有过热和过流爱护功能,当电路出现故障时可自动复原。关键字:键盘限制,单片机,稳压源,稳流源,DC-DC变换器A Constant Direct Current Electrical SourceAbstract: A DC source, which uses a micro-control unit (MCU) AT89C52 as its kernel unit, is designed for supplying constant voltage or constant current. The system is cons
3、ist of a center control unit, a power supply, a constant voltage source, a constant current source, a keyboard input unit, a digital display unit, and a DC-DC unit. A constant voltage unit is composed of feedback constant voltage circuit in series by integrated chip LM317 and a integrated operator L
4、M324.A constant current source is implemented by a constant voltage source and a sampling resistor, and the output of current or voltage is chosen by a relevant program. The DC-DC converter is realized by a double-tube self-excitation oscillating circuit. The output can be predefined by MCU keyboard
5、, changed in step and displayed in digital by LED. Moreover, it can be protected from damage of over-heat and over-burden, and can be resumed automatically from ill-work. Key words:keyboard control, micro chip controller, constant voltage source, constant current source, DCDC converter目 录 引言- 31 系统设
6、计-31.1 设计任务及要求-31.2 总体设计方案-41.2.1 设计思路-41.2.2 方案论证与比拟-41.2.3 系统组成-892.1 单元电路设计-92.1.1 显示限制模块电路设计- -92.1.2 电源电路设计- 102.1.3 稳压电源电路设计- 122.1.4 稳流电源电路设计- 122.1.5 DC-DC变换器电路设计- 132.2软件设计-142.2.1 键盘显示局部程序的设计- 142.2.2 单片机限制A/D, D/A转换程序的设计-163系统测试-173.1 测试仪器- 173.2 指标测试及测量结果- 183.2.1 稳压电源各项指标测试- 183.2.2 稳流电
7、源各项指标测试- 183.2.3 DC-DC变换器各项指标测试- 19 4结 论- 19参考文献 - 20附录1 元器件明细表- 20附录2 程序清单- 21引言直流稳定电源按习惯可分为化学电源,线性稳定电源和开关型稳定电源。本设计要求完成直流稳定电源的设计和制作。该直流稳定电源要求具有稳压源, 稳流源和DCDC转换的功能。其中稳压源要求在输入为220V, 50HZ,电压变更范围15%20%条件下,输出电压在+9V+12V范围内可调,并对电压调整率, 负载调整率, 纹波电压, 效率等指标有肯定要求,综合考虑指标与详细实现等多种因素,我们选定运用线性稳定电源来完本钱设计任务。本设计采纳单片机AT
8、89C52作为系统的限制核心,共分为七个模块:电源模块, 稳压源模块, 稳流源模块, DC-DC变换器模块, 键盘模块, 显示模块和系统限制模块。电源模块为稳压, 稳流电路供应工作电压,稳压和稳流输出具有在指定范围内可调,可预置,可步进调整,可数字显示等功能,并且稳压与稳流输出可依据需求自动转换。DC-DC变换器可输出100V,100mA的直流电压。此外该电路还具有过热爱护和自动解除故障,自动复原等功能1 系统设计1.1 设计任务及要求1任务设计并制作沟通变换为直流的稳定电源。2要求1根本要求1稳压电源在输入电压220V, 50Hz, 电压变更范围15%20%条件下: a输出电压可调范围为+9
9、V+12V b最大输出电流为1.5A c电压调整率0.2%输入电压220V变更范围15%20%下,空载到满载 d负载调整率1%最低输入电压下,满载 e纹波电压峰-峰值5mV最低输入电压下,满载 f效率40%输出电压9V, 输入电压220V下,满载 g具有过流及短路爱护功能2稳流电源 在输入电压固定为12V的条件下:a输出电流:420mA可调 b负载调整率1%输入电压12V, 负载电阻由200300变更时,输出电流为20mA时的相对变更率 3DC-DC变换器 在输入电压为+9V+12V条件下: a输出电压为+100V,输出电流为10mA b电压调整率1%输入电压变更范围+9V+12V c负载调整
10、率1%输入电压+12V下,空载到满载 d纹波电压峰-峰值100mV 输入电压+9V下,满载2发挥局部1扩大功能a解除短路故障后,自动复原为正常状态b过热爱护c防止开, 关机时产生的“过冲2提高稳压电源的技术指标a提高电压调整率和负载调整率b扩大输出电压调整范围和提高最大输出电流值3改善DC-DC变换器a提高效率在100V, 100mA下b提高输出电压4用数字显示输出电压和输出电流 5特色与创新1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路本设计要求设计并制作沟通变换为直流的稳定电源。在输入为220V, 50HZ条件下,通过交直流转换电路输出稳定可调电压作为稳压源, 稳流源的电源。通过键盘预设一个电压
11、值,经D/A转换为模拟信号送入稳压电路。A/D读取输出的模拟电压, 电流信号送给单片机处理,再将数字显示在数码管中。稳压, 稳流电路采纳串联式稳压电路,选用运算放大器LM324和具有过热爱护和自动解除短路故障的集成稳压器LM317作为主要元件。该设计的特点是可对电压和电流采纳步进限制,可用数字显示输出电压和电流,各项调整率的指标都很高。1.2.2 方案论证与比拟1整流滤波电路的设计方案论证与比拟方案一:采纳单向桥式整流, 电感滤波电路,如图1.2.1所示。该电路利用电感的储能作用可以减小输出电压的纹波,忽视电感的阻值可以认为纹波电压为零。电感滤波的特点是,整流管的导电角较大,峰值电流很小,输出
12、特性比拟平坦,它的缺点是由于铁心的存在,笨重, 体积大,易引起电池干扰,一般适合低电压, 大电流的场合。方案二:采纳单向桥式整流, 电容滤波电路。如图1.2.2所示.该电路简洁,输出电压较高,纹波较小,缺点是输出特性较差,当整流滤波电路输出端接一负载时,负载直流电压虽负载电流增加而减小,电容C值肯定,设降压后电压为V,当R为无穷大时,输出电压VL01,当C=0时,VL01。常运用于负载电压较高,负载变动不大的场合。因为稳压电路局部的电压调整率S0.2%,对输出纹波要求不高,应选方案二。图1.2.1桥式整流, 电流滤波电路图1.2.2桥式整流, 电感滤波电路 2稳压电源的设计方案论证与选择方案一
13、:采纳开关稳压电源。该方案的优点是电源效率高,范围通常在75%-90%。开关稳压电源效率高的缘由是功率调整器件由线性工作状态改为开关工作状态,电路构造通常由开关变换电路和限制回路两局部组成。现以并联开关稳压电源为例,图1.2.3所示为并联开关稳压电源的组成框图。图中T2为功率开关晶体三极管,Ds为功率续流二极管,L2为储能电感,C2为储能电容,同时还起滤波作用,R1, R2为取样电路,RL为输出负载。图1.2.3 并联开关稳压电源的组成框图假设功率开关管T2的饱和压降为VCESAT=1V,续流二极管DS的导通压降VDON也近似为1V。那么输入电流I1在ton期间流过T2管,toff期间流过Ds
14、管,这样总的管耗为I11。考虑功率开关管在开关转换期间,会产生电压电流均不为零的开关转换损耗。这种损耗根本上也为I11。那么开关稳压电源的效率可用下式估算: 本设计题中的最高输出电压为+12V,即Vo=12V。假设输入电压Vs比输出电压低0.5V,带入公式中得=85.2%,可以满意题目要求40%。但是此方案产生的直流纹波和干扰较大,难以满意纹波电压5mV的指标,而且开关电源构造困难,在后续电路中很难加以限制,很可能造成设计的失败和技术参数的超标,且输出电压调整范围小,下限电压不能为零,鉴于时间和电路牢靠性的考虑没有选择这套方案.方案二:采纳并联型线性稳压电路方案,并联型稳压是将调整管和输入输出
15、并联实现稳压,该电路具有动态输出电阻,负载调整率好,电路构造简洁,具有自动爱护功能,在负载短路是调整管自动截止。但是当输入电压变更较大或负载电流变更范围小时,调整管管耗很大,故效率很低,此外负载电流变更范围小,输出电压固定。因此此方案很难到达题目中电压调整率, 效率和输出电压可调的指标要求。方案三:采纳串联式稳压电源方式。采纳三端式集成稳压器LM317供应可调电压和电流。其优点是:为稳流源电路供应具有稳压特性且很小纹波的高质量的工作电源,以有效降低输出电流纹波系数,并且LM317内设有完善的爱护电路,因此具有过流和过压爱护功能。它的缺点是效率只能到达40%。比拟以上几种方案和题目要求以及竞赛时
16、间与我们实际实力的限制,确定采纳方案三。3稳流电源的设计方案论证与选择方案一: 运用分立元件,电路如图1.2.2所示。该电路属于串联调整型稳流管,T1为调整管,T2为比拟放大器,采样电阻RS上的电压与参考电压的差值经放大后通过调整管T1的基极电流来保持RL上的电流恒定。但电路接通后受输入电压与温度变更的影响,该电路达不到。方案二:运用三端集成稳压芯片。用可调稳压集成电路和电阻构成的恒流源。取样电路与负载串联,负载电流的变更量由取样电路转换成电压变更量去限制比拟放大器使其输出电流稳定.此外,由于在反应电路中参与了调电阻,使得取样电阻上的电流可以微调,实现输出电流与理论值一样,大大提高了输出电流的
17、精度。符合题目要求的指标。 方案一方框图方案一:采纳LCD显示,其优点是可以显示英文及数字,采纳数字式接口,体积小, 重量轻,功率消耗小,但造价昂贵。方案二:采纳LED显示,具有数字接口,体积小, 重量轻, 功耗低,价格低廉, 发光较强, 机械性能好,因本设计只须要显示数字,应选LED实惠。5A/D, D/A转换芯片的选择方案一:选用12位的中辨别率TLC2543A/D转换器,与单片机连接时可节约其I/O资源,但造价较高。选用12位的AD7521D/A转换芯片,其片内不含输入存放器,在实际限制中,要求转换后的模拟量保持一段时间,因此在D/A转换器之前要参与一个数据锁存器,这种D/A是数据不兼容
18、的。方案二:采纳8位8通道逐次靠近式ADC0809A/D转换器,采样速率较ATC2543高,价格, 功耗均低。采纳8位的DAC0832D/A转换器,具有两级锁存器,在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字量,从而提高其转换速度,另外利用第二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。所以A/D采纳ADC0809,D/A采纳DAC0832。6限制模块的设计方案论证与选择方案一:通过编码开关来限制存储器的地址,依据地址输出对应的数字量送数模D/A进展转换,通过四个编码开关的BCD码送给4511及数码管显示。此方案的优点是电路简洁,缺点是数据量大且存储器存储容量有限,在试验过程中发觉编码开关不稳定,所以不宜采
19、纳。其电路方框图如图1.2.3所示: 显示编码开关存储器D/AA/D图1.2.3 方案一方框图方案二:采纳以AT89S52为核心的单片机系统来限制8位DAC0832数据的输入和ADC0809数据的输出,在将其转换成的模拟量或数字量输出的同时单片机把输入输出的值送数码管显示,此方案的优点是输入预设值稳定且防止大量的数据储存,其原理方框图如图1.2.4所示。 单片机89C52键盘输入显示D/AA/D图1.2.4 方案二方框图 方案一:采纳逆变反应式DC-DC变换电路。先将输入的直流电压转换为频率较高的高频沟通电压,再通过高频变压器变换为所需沟通电压,最终再整流出所需求的直流电压。DC-DC变换电路
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