信息科學(xué)與工程本科畢業(yè)論文

信息科學(xué)與工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
信息科學(xué)與工程本科畢業(yè)論文

摘 要
本數(shù)控直流穩(wěn)壓電源是以AT89S52單片機(jī)為控制核心，通過鍵盤輸入，可對(duì)電源電壓進(jìn)行數(shù)值預(yù)置以及步進(jìn)設(shè)置，步進(jìn)階高位為0.1V。本機(jī)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(jī)界面友好。該電源電壓可調(diào)范圍為0到25V，采用LM1875功率放大器作為末級(jí)輸出，最大負(fù)載電流大于1A，功率可達(dá)30W。實(shí)際測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以實(shí)際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度恒壓源的領(lǐng)域。


關(guān)鍵詞： 穩(wěn)壓電源, 單片機(jī)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(shù)控穩(wěn)壓電源的發(fā)展………………………………………………2
第二章 方案設(shè)計(jì)與論證……………………………………….4
2.1題目要求……………………………………………………………4
2.2設(shè)計(jì)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(shí)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(wǎng)http://www.120pk.cn省略2319字，正式會(huì)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(chǎn)成本下降。
5)系統(tǒng)維護(hù)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(jìn)行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試;也可以通過MODEM遠(yuǎn)程操作。
6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運(yùn)行逆變電源系統(tǒng)，每個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易于在模塊之間更好地進(jìn)行均流控制和通訊或者在模塊中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。
隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展,對(duì)電源可靠性、輸出精度和穩(wěn)定性要求越來越高,利用數(shù)字化自動(dòng)檢測技術(shù)設(shè)計(jì)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(yù)設(shè)電壓值又具有較高精度和穩(wěn)定性，而且可以任意設(shè)定輸出電壓或電流，所有功能由面板上的鍵盤實(shí)現(xiàn)，給電路實(shí)驗(yàn)帶來極大的方便,提高了工作效率。











第二章 方案設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)題目要求采用數(shù)控/單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)按鍵步進(jìn)或預(yù)置電壓。電壓從1.5V到25V可調(diào)，最大負(fù)載電流至少1A，步進(jìn)階高不大于0.1V。

2.2 設(shè)計(jì)思路框圖

本系統(tǒng)采用自制的電源給電路供電，由單片機(jī)控制輸出給DAC0832，通過轉(zhuǎn)換后再由功率放大管放大輸出，并由單片機(jī)控制液晶顯示電壓值。由于開關(guān)電源的開關(guān)干擾和其本身大范圍調(diào)壓困難且穩(wěn)定度不高的特點(diǎn)，要做出25V可調(diào)的開關(guān)穩(wěn)壓電源，幾乎是不可能的，所以本設(shè)計(jì)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(jīng)預(yù)穩(wěn)壓電路進(jìn)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(jīng)過控制電路和單片微處理控制器的智能控制下對(duì)線性調(diào)整元件進(jìn)行精細(xì)調(diào)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(shù)字電路硬件來組成鍵盤控制系統(tǒng)，進(jìn)行信號(hào)處理和電壓控制。此方案由于采用純硬件設(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)可靠性高，響應(yīng)速度快，但電路的復(fù)雜程度是隨系統(tǒng)的邏輯復(fù)雜程度的增加而增加的，電路設(shè)計(jì)難度較高，靈活性低，不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展等。
方案二：采用單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過 D/A 輸出再經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后由功率放大管輸出。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較靈活，采用軟件方法可以很好地解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電壓的步進(jìn)控制問題，系統(tǒng)硬件更加簡潔，各種功能易于實(shí)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(diǎn)，方案二簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二來實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 顯示方案選擇
方案一：采用 LED數(shù)碼管顯示。該方案適用于數(shù)字化程度不高，要求顯示信息量不大的系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(qū)動(dòng)，對(duì)編程有一定要求。
綜合各方面考慮，由于控制器采用單片機(jī)，所以不擔(dān)心 LCD的軟件驅(qū)動(dòng)問題，結(jié)合LCD諸多優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)算放大器控制集成穩(wěn)壓管輸出。通過集成運(yùn)算放大器輸出電壓的改變實(shí)現(xiàn)集成穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓端（如LM317的調(diào)節(jié)端）的電壓調(diào)節(jié)，進(jìn)而得到題目要求的電壓范圍和輸出電壓設(shè)置。
利用集成運(yùn)算放大器與集成穩(wěn)壓器組合實(shí)現(xiàn)的直流穩(wěn)壓電源輸出電路的實(shí)際電路如下圖所示：


該電路通過D/A輸出，由集成運(yùn)放控制 LM317 調(diào)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(yīng)用廣泛的集成穩(wěn)壓塊。317 系列穩(wěn)壓塊的型號(hào)很多：例如 LM317HVH、W317L等。LM317穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）。因此最低輸出電壓為1.25V。其經(jīng)典電路如下圖所示：

由于三端穩(wěn)壓器（如LM317）本身特點(diǎn)，存在一個(gè)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(gè) -1.25V電壓到調(diào)整端，使電路變得復(fù)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(jī)輸出控制三極管的開關(guān)，從而調(diào)整 R2-R5上的的分壓，即控制LM317 調(diào)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(shè)計(jì)簡單無需D/A 轉(zhuǎn)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(dǎo)致電壓輸出穩(wěn)定性不夠，引入誤差較大，且存在一個(gè)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(gòu)成分立電壓放大電路。這種實(shí)現(xiàn)方式的理論依據(jù)是集成功率放大器實(shí)際上是大功率的集成運(yùn)算放大器，完全可將集成功率放大器作為集成運(yùn)算放大器使用。其輸出通過引入深度負(fù)反饋使電路輸出電壓穩(wěn)定。采用集成放大器構(gòu)成的直流穩(wěn)壓電源輸出電路如下圖所示：

方案論證結(jié)果：采用單片機(jī)作為整個(gè)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(jī)輸出數(shù)字信號(hào)進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換，再進(jìn)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(jī)
常見的單片機(jī)有：MCS-51系列單片機(jī)、PIC系列單片機(jī)、凌陽單片機(jī)等。
PIC單片機(jī)的主要產(chǎn)品是PIC 16C系列和17C系列8位單片機(jī),CPU采用RISC結(jié)構(gòu),分別僅有 33,35,58條指令,采用 Harvard雙總線結(jié)構(gòu),運(yùn)行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力,價(jià)格低,一次性編程,小體積. 適用于用量大,檔次低,價(jià)格敏感的產(chǎn)品.在辦公自動(dòng)化設(shè)備,消費(fèi)電子產(chǎn)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(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,PIC系列單片機(jī)在世界單片機(jī)市場份額排名中逐年提高.發(fā)展非常迅速.
凌陽單片機(jī)多為高性能的單片機(jī)，凌陽單片機(jī)擁有突出的抗干擾能力 ，并專門為其應(yīng)用領(lǐng)域作了具有針對(duì)性的增強(qiáng)設(shè)計(jì)；同時(shí)擁有豐富易用的資源以及優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制、儀器儀表、安防報(bào)警、計(jì)算機(jī)外圍等領(lǐng)域。
MCS-51單片機(jī)是美國 INTEL公司于 1980年推出的產(chǎn)品，典型產(chǎn)品有 8031、8051和 8751等通用產(chǎn)品，一直到現(xiàn)在， MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品（比如目前流行的89S51/52、89C51/52 等）。
由于本系統(tǒng)主要進(jìn)行鍵盤掃描、顯示和 D/A輸出，對(duì)單片機(jī)性能要求不高，所以沒有必要采用高性能的凌陽單片機(jī)作為控制器，我們?cè)谛５膯纹瑱C(jī)教程主要學(xué)習(xí)的是MCS-51 系列單片機(jī)，所以相比 PIC單片機(jī)，我對(duì) MCS-51單片機(jī)更加了解，因此選擇MCS-51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。
AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。89S51相對(duì)于 89C51增加了很多功能，性能有了較大提升，價(jià)格基本不變，甚至比89C51更低。并且由于52單片機(jī)比 51單片機(jī)資源（51：4KROM、128RAM；52：8KROM、256RAM）多一倍，但價(jià)格卻沒有什么差異，因此從性價(jià)比上考慮選擇AT89S52單片機(jī)作為控制器。
（2）D\A轉(zhuǎn)換器—DAC0832
設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)范圍為 1.5-25V,步進(jìn) 0.1V,所以要求D/A 的階數(shù)大于23.5/0.1=235。因此采用 8位（256階）的D/A 轉(zhuǎn)換器就可以達(dá)到要求。因此選擇最常見的DAC0832 即可。
DAC0832是美國國家半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品， 它由8 位輸入鎖存器、 8位DAC寄存器、8位D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0832芯片以其價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。
DAC0832的主要特性參數(shù)：
 分辨率為 8位；
 電流穩(wěn)定時(shí)間 1us；
 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；
 輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)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(shù)字量，使輸入數(shù)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(zhuǎn)換的數(shù)字量，由/LE2端控制；8位D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流。因此，DAC0832 通常需要外接運(yùn)算放大器，進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，才能得到模擬輸出電壓。其典型電路如下所示：

Iout1接運(yùn)放的反相輸入端，Iout2 接運(yùn)放的正相輸入端并接地。由于DAC0832是8位的 D/A轉(zhuǎn)換器，故可得輸出電壓 Vo與輸入數(shù)字量B 的關(guān)系為：
， 為一常量。所以Vo和輸入數(shù)字量B成正比。B為0時(shí)，Vo也為 0，輸入數(shù)字量為 255時(shí)，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(diǎn)陣型液晶，該LCD顯示分辨率為128*64 點(diǎn)，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(lǐng)域。1602為字符型液晶，可顯示 16*2個(gè)字符，即最多可顯示兩行，每行 16個(gè)字符。
由于本設(shè)計(jì)只需要顯示電壓等信息，所以采用 1602 型液晶即可，同時(shí)采用1602相對(duì) 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(dǎo)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(hù)功能。它為五針腳形狀， 一針腳為信號(hào)正極輸入， 二針腳為信號(hào)負(fù)極輸入，三針腳為電源負(fù)極輸入，四針腳為信號(hào)輸出，五針腳為電源正極輸入。

LM1875采用 TO-220封裝結(jié)構(gòu)，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(nèi)部設(shè)有過載過熱及感性負(fù)載反向電勢安全工作保護(hù)。考慮集成功放管沒有 1.25V的最低電壓限制，且有較大的輸出功率，電壓可調(diào)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(shù)：
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(dāng)f=1kHz，RL=8Ω，P0=20W時(shí)
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(dá)到輸出最大 25V的指標(biāo)，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(jù)方案論證及器件選擇結(jié)果畫出最終方案框圖如下圖所示：



第三章 硬件電路的實(shí)現(xiàn)與原理論述
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