一种数控多路输出直流稳压电源的毕业设计.doc
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1、 一种数控多路输出直流稳压电源的毕业设计目录1.绪论31.1选题背景和意义31.2电源的发展现状和应用31.3直流稳压电源的简述31.4本文研究的主要容42.硬件设计42.1设计的任务42.2设计思路42.3设计方案42.4模块电路选择52.2.1.整流电路52.2.2.滤波电路72.2.3.稳压电路102.2.4.控制核心102.2.5.显示部分11第三章硬件设计113.1稳压输出模块113.2主控制模块123.3Buck电路(降压斩波模块)分析163.3.1.Buck变换器的基本工作原理163.3.2.Buck变换器电感的选择183.3.3.Buck变换器输出电容的选择和纹波电压183.3
2、.4.Buck电路主要器件IR3205203.3.5.驱动Buck电路的主要器件IR2117213.45110液晶显示模块分析22第四章软件设计244.1系统程序设计流程图244.2软件编译与调试26第五章调试结果与分析295.1测试仪器295.2测试方法295.3数据测试结果与分析测试结果29第六章毕业设计总结和展望306.1毕业设计总结306.2展望30致谢31参考文献31附件1 程序代码3235 / 37摘 要直流稳压电源在电子技术开发中是非常重要的,但是直流电源一般会有控制精度低、可靠性差的缺点。这主要是由于直流电源很多是利用波段开关和电位器进行控制,这样就产生了两个问题:一个是无法进
3、行很精确的小围调节输出电压,另一个是波段开关和电位器会随着工作时间的增加受到磨损,影响输出。不过一种基于单片机控制的直流稳压电源依靠其对电路的强大控制能力不仅可以实现精确控制,而且还可以长久的稳定可靠。经实测说明,以BUCK电路和单片机PWM编程为基本框架设计直流稳压电源,可以很好地实现精确控制、可靠性好这个目标。关键词:直流稳压电源,单片机,BUCK电路AbstractAs we all know,theDC power supply in electronic technology development is very important, but generally have cont
4、rol of the DC power supply low accuracy, poor reliability shortcomings. This is mainly due to the use of DC power many of the band switch and potentiometer control, thus creating two problems: one is unable to carry a small range of very precise output voltage regulation, and the other is the band s
5、witch and potentiometer will work with by increasing the time the wear of the output. However, a microcontroller-based control of a DC power supply to rely on its strong ability to control the circuit can not only achieve precise control, but also long-term stable and reliable. After measurement sho
6、wed that BUCK PWM circuit and microcontroller programming as the basic framework for the design of DC power supply, can realize precise control and reliability of this goal.KeyWords:DC power supply,SCM,Buck Circuit1. 绪论1.1 选题背景和意义随着社会经济的迅速发展,愈来愈多的电子设备被广泛应用于社会生产的各个行业、各个方面,但电子设备绝大多数都需要直流电源来供电。这给电力电子技术
7、的发展提供了广阔的空间,与此同时也给电源技术提出了更高品质、更严格的要求。研究直流稳压电源,大多数都是为了提高电源的功率性能(诸如调节精确度、电压特性和输出电流的纹波等)和电特性能(比如负载效应、可靠性和环境适应性等),以使直流电源更好地服务于社会生产和人们的生活。1.2 电源的发展现状和应用电源开发技术是一种非常实用的电子工程技术,广泛应用于社会生产和人们日常生活的各个方面。电源开发技术结合了电子、电气工程、控制理论和材料科学等诸多专业领域的知识。随着现代信息技术革命的到来,电力电子技术迎来了蓬勃发展的春天,但同时也对电源技术提出了更严格的要求。一般电源在使用时产生的误差很容易影响到整个系统
8、的性能,有的甚至于会造成很多不良后果,给社会生产或技术研发带来不便。为了规电源的产品标准和促进电力电子技术的发展,世界各地的各种电气组织或机构都对电源产品制定了严格的产品标准。随着计算机信息化的飞速发展,电子装置对电源性能的要求越来越严格。由于大多数电子装置都使用数控电源作为能量动力,数控毫无疑问地越来越受到人们的青睐。现如今直流稳压电源已经一反以往的利用波段开关或滑动变阻器进行控制的设计方法,更多的是采用单片机、晶体管等组成精度高,稳定性好,功能拓展方便灵活的数字化电源。这么多年来芯片技术的飞速发展为电源技术朝智能化、数字化、高效化方向发展提供了充足的保障,而国外在利用晶体管、半导体器件设计
9、开关电源这一块有了很大的突破。相信在不久的未来,我们可就以享受到先进的、高效的电源产品带来的生活便利了。1.3 直流稳压电源的简述直流稳压电源能够提供电气性能良好的稳定直流输出,被广泛应用于各种电子设备中。一般而言,直流稳压电源就是将电网出来的220V交流经过变压、整流、滤波和稳压这几个步骤将交流电转换成直流电压,然后再将性能稳定的直流持续输出以作为电子设备的能量核心。一般的直流稳压电源分为四个模块:电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。电源变压器主要是利用变压器将电网提供的220V交流电转换成各种电路设备需的交流电压,整流电路一般是利用单向导电器件将变压器输出的交流电源整成脉动直流电压。
10、由于经过整流电路整流输出的脉动直流电压有很多的交流成分参杂在直流电压上面,因此此时需要利用滤波电路来过滤掉脉动直流电压中的交流成分以得到较平滑的直流电压。在日常生活中,电路电压很容易受到各种环境因素或电网本身的波动而引起电路输出电压的不稳定。为了避免、降低外界因素的变动给电路电压带来的不稳定,需要使用稳压电路将滤波之后的直流电压进行稳压处理以得到稳定的输出电压。1.4 本文研究的主要容(1)复习模拟电路、电路分析的相关知识,温习直流稳压电源构成和工作原理。查阅浏览相关的期刊文献。(2)按选题要求设计直流稳压电源,并对设计的工作原理、器件的电气特性进行分析总结(3)调试测试设计成果,记录测试数据
11、并进行结果分析和总结(4)对整个设计过程进行分析、总结。2. 硬件系统设计2.1 设计任务设计一个直流稳压电源,能够到达选题的性能指标要求,并进行电路设计的工作原理分析。掌握相关器件的电气特性,计算出其参数围,并合理选用元器件以满足设计的要求。最后还需要对设计方案进行仿真和对实物进行结果测试。选题的性能指标要求:(1) 直流稳压电源输出电压 030V可调;(2) 最大输出电流 1A;(3) 电压调节精度 0.1V;(4) 显示电压、电流数值;(5) 过载和短路保护;2.2 设计原理2.3 系统的硬件设计2.3.1. 辅助电源模块设计2.3.2. 控制系统设计2.3.3. Buck电路设计直流稳
12、压电源主要是通过变压、整流、滤波和稳压这四个环节将交流电网的220V转换成稳定直流输出。但是由于此次设计的不同于以往的线性可调直流稳压电源,需要用单片机进行精确控制,因此需要加入单片机作为核心控制。故设计的整体设计思路如下:(1) 电网提供的是220V,50HZ的交流电压。若要获得我们所需的030V可调输出,首先需要利用变压器将220V交流电降压;(2) 经过变压器降压得到的交流电然后还需要经过整流来得到脉动直流2.4 设计方案目前,市场上各种直流电源的基本环节大致相同,都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等。本设计将单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理,实现了稳压电源的
13、数控调节。从组成上,本设计硬件电路主要由单片机、变压器、整流电路、滤波电路、稳压输出电路、D/A转换电路、显示电路等组成。利用D/ A 转换器的高分辨率和单片机的自动检测技术设计数控电源更显示出其优越性。数控电源既能方便输入,具有较高精度和稳定性,而且在0.0V到30V可以任意设定输出电压,所有功能由面板上的键盘控制单片机实现,给电路实验带来极大的方便,提高了工作效率。方案一:采用各类数字电路来组成键盘控制系统,进行信号处理,如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于系统的扩展,对信号处理比较困难。方案二:采用STM32为控制核心,利用其A/D输出稳定的电压数值
14、,然后利用功率放大电路进行放大,再通过采样输出电压进行相应的STM输出调节以重新调整输出得到稳定的输出。此方案电路相对简单,灵活性较高,但由于此次设计任务需要达到030V可调,最大电流2A,所以对功率放大电路芯片要求很高,且不太稳定。方案三:采用STM32为控制核心,输出PWM波控制Buck电路以得到稳定的输出。该方案不仅具有电路简单,功能拓展灵活方便,输出稳定,故此次设计采用该方案。系统框图如下:图1-1 系统总体框图2.5 模块电路选择2.2.1. 整流电路方案一:采用半波整流电路半波整流电路如图2-1所示,半波整流电路只利用电源输出电压的正半周,电源的利用效率非常低,会带来很大的资源浪费
15、,它仅在高电压、小电流等少数情况下使用,一般半波整流电路电源电路中很少使用。图2-1 半波整流电路图 方案二:采用全波整流电路全波整流电路图见如图2-3所示,全波整流电路中的每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半,比半波整流小一倍,它所使用的整流器件较半波整流时多一倍。全波整流电路的整流电压脉动较小,变压器的利用率比半波整流时高很多,整流器件所能承受的反向电压较高。但是全波整流电路需要特制的变压器才能正常工作,变压器二次绕组需要一个中心抽头,制作起来会比较麻烦。图2-2 全波整流电路图方案三:采用桥式整流电路桥式整流电路如图2-4所示,这种整流电路使用普通的变压器,比一般的全波整流电路多
16、用到了两个整流二极管。因为整流二极管以四个连接成电桥形式,所以称这种整流电路为桥式整流电路。桥式整流电路使用的整流器件较一般的全波整流电路多一倍,但是其每个器件所承受的反向电压较小,在直流稳压电源的设计当中得到广泛使用。图2-3桥式整流电路图综合考虑以上3种方案的优缺点,决定采用方案三:桥式整流电路。2.2.2. 滤波电路方案一:采用电感滤波电路电感滤波电路如图2-5所示,电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用,电感量越大,其滤波效果越好。电感滤波电路带负载能力比较好,多用于负载电流很较大的场合。如果忽略电感线圈的直流电阻,负载上的直流电压与不加滤波时负载上的直流电压基本
17、相同。电感滤波电路输出电压没有电容滤波高。在电感滤波电路中,峰值电流很小,整流管的导电角较大,输出特性比较平坦,但是由于铁心的存在,笨重、体积大,容易引起电磁干扰,电感滤波电路用只用在低电压、大电流场合。图2-4 电感滤波电路 方案二:采用RC滤波电路 RC滤波电路如图2-6所示,它是由两个电容和一个电阻组成,又称型RC滤波电路。这种滤波电路由于增加了一个电阻R1,使交流纹波都分担在R1上。R1和C2越大其滤波效果越好,但R1过大又会造成压降过大,减小了输出电压。在RC滤波电路中,一般R1应远小于R2。图2-5 RC滤波电路图 方案三:采用LC滤波电路LC滤波电路如图2-7所示,LC滤波电路是
18、一种与RC滤波电路相对的滤波电路,此滤波电路的优点是综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的特性。图2-6 LC滤波电路图方案四:采用电容滤波电路电容滤波电路如图2-8所示,电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。电容滤波电路简单,纹波较小,负载直流电压比较高,它适用于负载电压较高,负载变动不大的场合,使用电容滤波电路也减轻了电路设计工作。由于电感的体积和制作成本等原因,滤波电路多采用电容滤波。图2-7电容滤波电路基于以上的电路对比分析,选用电容滤波电路。2.2.3. 稳压电路稳压电路的作用是为电路提供更加稳定的直流电。整流滤波电路的输出电压和理想直流电源还有一定的差距,
19、主要因为两方面的原因:第一,当负载电流发生变化时,由于整流滤波电路存在阻,输出的直流电压将会随之发生变化;第二,当电网电压有波动时,整流电路的输出电压与变压器副边电压有直接的关系,因此输出直流电压也会发生变化。根据设计任务的要求,可以采用LM7805,LM7812和LM7912,LM317共同组成所需的稳压电路。利用固定式三端稳压器LM7812和LM7912组装的电路可对称输出12v的直流电压;LM7805固定式三端稳压器可输出+5V电压;采用LM317可调式三端稳压器能够组装输出连续可调的(+3+9)V直流电压。图2-8 稳压电路2.2.4. 控制核心方案一:采用各类数字电路来组成键盘控制系
20、统,进行信号处理,如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案电路复杂,灵活性不高,效率低,不利于系统的扩展,对信号处理比较困难。方案二:采用STM32单片机作为这个系统的控制单元,可以通过DAC0832的数据采样和输出的PWM电压调整可以改变系统输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小,可以将输出电压经过DAC0832进行模数转换,间接用STM32实时对电压进行采样,然后进行数据处理与送LCD12864显示。显示的电压值便是输出的电压大小。此系统比较灵活,采用软件方法来解决数据的预置以与电压的大小控制,使系统硬件更加简洁,各类功能易于实现,能很好地满足题目的要求。比较以上两种方案
21、的优缺点,方案一采用中、小规模器件实现系统的数控部分,使用的芯片很多,造成控制电路部接口信号繁琐,中间相互关联多,抗干扰能力差。在方案二中采用单片机完成整个数控部分的功能,也便于系统功能的扩展。2.2.5. 显示部分方案一:使用数码管显示使用多位数码管显示,占用过多I/O口,显示不灵活。方案二:使用LCD1602液晶显示液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示容丰富、超薄轻巧等优点。本方案采用LCD1602,它具有两行显示,每行显示16个字符,采用单+5V供电,外围电路简单,价格便宜,具有很高的性价比。而数码管虽然便宜,但显示单调。占用过多的I/O。第一章第二章第一章第二章第三章 硬件设计3.1
22、稳压输出模块用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路部还有过流、过热与调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压,如lm7805表示输出电压为正5V,lm7905表示输出电压为负5V.Lm7805实物图如下:图3-1 lm7805实物在实际应用中,应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功率的条件下不用)。当稳压管温度过高时,稳压性能将变差,甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源,通常采用几块三端稳压电路并联起来,使其最大输出电流为N个1
23、.5A,但应用时需注意:并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品,以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量,以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。图3-2 LM7805电气特性图3.2 主控制模块本设计采用STM32为控制核心,如图3所示。STM32系列单片机是一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用的单片机,它的核是ARMCortex-M3。ST公司对STM32进行了产品划分,按性能分成两个不同的系列:STM32F103属于增强型系列和STM32F101是基本型系列。增强型STM32F103系列的系统时钟频率可达到72MHz,是同类中低端产品中性能是属于最高的
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