单片机直流稳压电源 毕业论文.doc
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1、摘 要摘 要本系统以直流数控电压源为设计对象,AT89C51单片机为主控制器,用DAC0832实现数字信号向模拟信号的转换。在控制上采用44的矩阵式的键盘作为人机沟通器件,通过键盘可以设定输出的电压值,也可以实现输出电压的步进(增加或减小),设置步进等级可达0.1V。在显示端用用两个数码管显示输出,数码管既可以显示输出电压的数值和也可以显示电压值的步进调整过程。在数码管和单片机之间采用两个74LS164实现单片机和数码管之间的数据传输,74LS164在这里完成了串/并转换和显示驱动的双重任务。此设计经键盘向单片机的P1口写入数据,经过D/A转换器(DAC0832)把数字信号变成模拟量输出,再经
2、过运算放大器隔离放大,控制输出功率管的基极,随着功率管基极电压的变化而输出不同的电压。同时在电压输出端接有限流保护电路,防止末端负载电阻过小或短路而造成器件的损坏。单片机系统还兼顾对电压源进行实时监控,如果输出电压超过允许值,则比较器发生翻转,向单片机输送一个中断信号,会实现中断,实现电压的自动复位。关键字:单片机;数模转换器;电压源 AbstractAbstractThis system take the direct current numerical control Current Voltage Source as the design object, the AT89C51 mono
3、lithic integrated circuit primarily controller, by d/a converter AC0832 realization digital signal to simulated signal transformation. Uses 44 the matrix -like keyboard in the control to take the man-machine communication component, may establish the output through the keyboard the voltage value, al
4、so may realize the output voltage step to enter (increase or to reduce), the establishment step enters the rank to be possible to reach 0.1V. In the demonstration end with two digital tubes demonstration output, the digital tube already may demonstrate the output voltage the value and also may demon
5、strate the voltage value step enters the alignment procedure. Used between two 74LS164 realization monolithic grated circuit and the digital tube serial communication between the digital tube and the monolithic integrated circuit, 74LS164 has completed the string in here/and the transformation and t
6、he demonstration actuation twofold task. This design reads in the data after the keyboard to the monolithic integrated circuit P1 mouth,(DAC0832) turns after the D/A switch the digital signal the simulation quantity output, again enlarges after the operational amplifier isolation, the control output
7、s the power tube the base extremely, outputs the different voltage along with the power tube base voltage change. Meanwhile in the voltage output termination limited class protection circuit, prevented the end load excessively is small or short-circuits creates the component the damage. The monolith
8、ic integrated circuit system also gives dual attention to the constant pressure source carries on the real-time monitoring, if the output voltage surpasses the permissible value, then the comparator has the turn over, transports a look-at-me to the monolithic integrated circuit, can realize the seve
9、rance, the realization voltage automatic reset.Keywords:Monolithic integrated circuit,;D/A converter;Voltage source目 录目 录摘 要iAbstractii第一章 绪 论11.1直流稳压电源的发展方向11.2国内发展现状31.3设计的目的和意义5第二章 方案设计与论证6第三章 系统硬件设计93.1主控模块93.2 稳压电源模块123.3显示模块133.4数/模转换模块173.5 键盘模块183.6 放大电路和限流保护模块223.7 过压保护电路模块23第四章 软件设计244.1中断
10、系统设计244.2过压保护程序设计244.3键盘服务程序的设计25结束语27致 谢28参考文献29附录 A30附录 B31附录 C46 - 1 -第一章 绪 论随着人们生活水平的不断提高,数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研,生活、提供更好的,更方便的设施就需要从数字电子技术入手,一切向数字化,智能化方向发展。人类的经济活动己经到了工业经济时代,并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期。起源是位于市电(单相或三相)与负载之间,向负载提供优质电能的供电设备,是用电工业的基础
11、。目前电源技术已逐步发展成为一门综合性技术学科,它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。众所周知,许多科学实验都离不开电源,并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求,然而目前实验所用的直流稳压电源大多输出精度和稳定性不高;在测量上,传统的电源一般采用指针式或数码管显示电压或电流,搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值;使用上若要调整精确的电压输出,须搭配精确的显示仪表监测,又因电位器的阻值特性非线性,在调整时,需要花费一定的时间,况且还要当心漂移,使用起来非常不方便。因此,如果
12、直流稳压电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化,以精确的微机控制取代不精确的人为操作,生实验开始之前就对一些参数进行预设,这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。因此,直流稳压电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、在噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境,还要在功能上力求实现数控化、智能化、网络化。(慕丕勋,2001 )1.1直流稳压电源的发展方向1.智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的测量控制仪表时,几乎没有不考虑采用微处理搭的。以微处理器为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路,将计算机技术与测量控制技术结合在一起,组成新一代的所谓“智能化测
13、量控制仪表”。智能仪器,解决了许多传统仪表不能或不易解决的难题,同时还能简化系统电路,提高系统的可靠性,加快产品的开发速度。直流稳压电源一方面为仪器仪表提供电能量,是仪器仪表的“动力源”,另一面,本身就是仪器仪表,因此,它有可能而且应当智能化。具体地说,智能化的直流稳压电源应当具有以下功能特点: 功能智能化。系统的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用微控制器来控制操作,实现测量过程的全部自动化。具有自检测功能,包括自动调零、自动故障检测与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在系统
14、启动时运行,同时也可在系统工作中运行,极大地方便了系统的维护。具有友好的人机对话能力。智能化的直流稳压电源使用键盘代替传统直流稳压电源中的切换开关,操作人员只需通过键盘输入命令,就能实现某种测量功能。与此同时,智能直流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员,使系统的操作更加方便直观。 网络管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展,直流稳压电源通过RS232接口实现与上位PC机通信,从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数;网络技术人员可通过网络定时开关电源,实现远程开关机等功能。2.数字化在传统直流稳压电源中
15、,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的直流稳压电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。3.模块
16、化电源的模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化;其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块,不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使
17、元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样
18、,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。4.绿色化电源系统的绿色化有两层含义:首先是节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555, IEC917,IEC1000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使电网电压或有许多毛
19、刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,为21世纪批量生产各种绿色直流稳压电源产品奠定了基础。1.2国内发展现状在我国,以电力电子学为核心技术的电源产业,从二十世纪60年代中期开始形成,到了90年代以来,电源产业进入快速发展时期。一方面,电源产业规模的发展在加快;另一方面,在国家自然科学基金的资助下和创新意识指导下,我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新,电源产业界涌现了一些技术难度较大,具有国际先进水平的产品,而且还产生了一大批具有代表性的研究成果和产品:目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。但是我国电
20、源产业与发达国家相比,存在着很大的差距和不足:在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、智能化、网络化、持续创新能力等方面的差距为10-15年,尤其在实现直流稳压电源的智能化、网络化方面的研究不是很多。目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学,主要是利用单片机和可编程系统器件(PSD)来控制开关直流稳压电源或数字化电压单元达到数控的目的,但和国外的比较起来,效果不是很理想,还有很大的差距。目前,全国的电源及其配件的生产销售企业有4000家以上,产值有300-400亿元,但国内企业(著名的如北京大华、江苏绿扬等)销售的数控直流稳压电源大多是代
21、理日本和台湾的产品,国内厂家生产的直流稳压电源虽然也在向数字化方向发展,但多限于对输出显示实现数码显示,或实现多组数值预置。总体说来,国内直流稳压电源技术在实现智能化等方面相对落后,面对激烈的国际竞争,是个严重的挑战。信号的处理过程是对信号的过滤和重构,以得到我们需要的特征,为实现这一目的,实际上就要构造信号到信号之间的传递函数,其实现方法分两种:模拟方式和数字方式。模拟方式使用电阻、电容、运算放大器的模拟器来实现滤波、和、乘和控制的功能,而数字的方式是先将模拟量数字化,再进行数字处理,然后还原成模拟信号。传统的电路控制采用的是模拟控制系统,经过多年的研究,模拟控制技术已经非常成熟。然而,模拟
22、控制系统有着固有的缺点:如需要大量的分立元件和电路板,器件数量多,制造成本高等。模拟元器件的老化问题、难以补偿的温漂问题,以及易受环境(如电磁噪声、工作环境温度等)干扰等因素都会影响控制系统的长期稳定性。专用模拟控制集成芯片的使用大大简化了控制系统,能方便的实现一些电路的控制,但其控制环路中的反馈控制网络仍需外接大量的电阻电容等模拟器件。这些元器件的误差会直接影响控制环路的性能,而且元器件老化等模拟控制的缺点依然存在。此外,由于模拟控制系统的功耗比较大,大规模集成困难,专用模拟控制芯片的集成度一般很难做高。由于采用的是模拟控制方法,因此专用芯片的控制仍不够灵活,要实现复杂、先进的控制算法很困难
23、。对于每一个采用模拟控制的电路装置,其控制系统都需要专门的设计。每一次产品的更新换代,都需要重新设计、制造它们的控制系统。而且目前的模拟控制手段已经大大落后于控制理论的发展。目前大多数的模拟控制回路,仍采用传统的PID调节,而很少采用现代控制理论提供的方案和算法。对于模拟控制来说,监控性能也非常差,只通过模拟的测量以及光、声信号来显示、报警。因此,随着电力电子技术及其控制技术的不断发展,模拟控制的局限性己经越来越明显。为了改善电路系统的控制性能,微处理器在电力电子中开始进行应用。通过A/D转换器将微处理器与系统相连,在微处理器中实现数字控制算法,然后通过I/O口或PWM口发出开关控制信号。微处
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