Multisim仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）
Altium Designer畫的原理圖和PCB圖如下：(51hei附件中可下載工程文件)
直流穩壓電源的應用非常的廣泛，質量優良的直流穩壓電源，才能滿足各種電子線路的要求。所以,直流穩壓電源的設計頗為重要，特別是數控制穩壓電源。本文主要介紹數控直流穩壓電源的設計，對其中涉及的D/A轉換、單片機等也有詳細介紹。將單片機數字控制技術, 有機地融入直流穩壓電源的設計中, 就能設計出一款高性價比的多功能數字化通用直流穩壓電源。
幾乎所有的電子設備都需要穩定的直流電源，因此直流穩壓電源的應用非常的廣泛。 直流穩壓電源的電路形式有很多種,有串聯型、開關型、集成電路、穩壓管直流穩壓電源等等。在電子設備中，直流穩壓電源的故障率是最高的（長期工作在大電流和大電壓下,電子元器件很容易損壞）但在直流穩壓電源中，通過整流、濾波電路所獲得的直流電源的電壓往往是不穩定的。輸出電壓在電網電壓波動或負載電流變化時也會隨之有所改變。電子設備電源電壓的不穩定,將會引起很多問題，比如：測量儀器的準確度降低，交流放大器的噪聲增大，直流放大器的零點漂移等等。設計出質量優良的直流穩壓電源，才能滿足各種電子線路的要求。因此,直流穩壓電源的研究就頗為重要。目前產生直流穩壓電源的方法大致分為兩種:一種是模擬方法，另一種是數字方法。前者的電路均采用模擬電路控制，而后者則是通過數字電路進行自動控制。直流穩壓電源朝著數字化方向發展。因此對于數控恒壓源的研究是必要的。目前, 國外直流穩壓電源已朝著多功能和數字化的方向發展。M atthew等提出了采用多路D?A分別設定多路輸出電壓，以及以多路A ?D進行輸出檢測的微機數控電源。隨著科學技術飛速發展,對電源可靠性、輸出精度和穩定性要求越來越高,利用D/ A 轉換器的高分辨率和單片機的自動檢測技術設計程控電源就顯示出其優越性。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定性，而且還可程控實現對電源的可編程監控，如模擬電壓跌落、間斷或起伏等情況，即可編程電源也可以看作一種功率型的低頻信號發生器。程控電源可以任意設定輸出電壓或電流，所有功能由面板上的鍵盤或通過RS-232C串口連接的上位微機實現，給電路實驗帶來極大的方便,提高了工作效率。
第一章 直流穩壓電源的基本原理 在電子電路中，通常都需要電壓穩壓的直流電源供電。日常生活中也需要將交流電轉變成直流電，形成直流穩壓電源。一般直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路等四部分組成。 圖1 直流穩壓電源的工作原理 電源變壓器是將交流電網220V的電壓變為所需要的電壓值，然后通過整流電路將交流電壓變為脈動的直流電壓，由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網電壓波動（一般10%左右的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩壓電路。穩壓電路的作用是當電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩定。 1.1 整流電路 整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要靠二級管的單向導電作用。因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流。我主要研究了單項橋式整流電路。 1.1.1 單相橋式整流電路 圖2 單相橋式整流電路 圖2中Tr為電源變壓器，它的作用事將交流電網電壓變成整流電路要求的交流電壓。單相橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構成的。設電源變壓器二次側電壓U=Usinwt(v)，在U的正半周，極性為上正下負，此時二極管D1、D3承受正向電壓而導通，D2、D4反向截止，電流i的通路是a  D1  RL  D3  b。負載RL上又得到半波電壓。在U的負半周，極性為上正下負，此時二極管D2、D4導通，D1、D3反向截止，電流i的通路是b  D2  RL  D4  a。負載RL上又得到半波電壓。RL上得到的電壓U是單方向全波脈動(圖3)。 圖3 單相橋式整流濾波電路波形圖 要使之接近于理想的直流電壓，在整流之后需加濾波電路，將單向脈動電壓中的交流分量盡量多地濾掉。 1.2 濾波電路 濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯電容器C，或與負載串聯電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。濾波電路的形式有很多，分為電容輸入式和電感輸入式。 1.2.1電容濾波電路 采用一只容量較大的電解質電容器，所以要注意其極性，其正極要接電路高電位端，負端要接電路低電位端。若極性接反，過高的反向電壓可能擊穿電容器。 圖4 橋式整流、電容濾波電路 圖5 交流電壓U的波形 如圖4，由于電容C1并聯在負載電阻R1上，所以電容C1兩端的電壓  就是負載的電壓  ，交流電壓U的波形（如圖5）；假設，電路接通時，恰恰在電壓U由負到正過零的時刻，這時二極管開始導通，電壓U通過二極管向電容C1充電，由于二極管的正向電阻很小，所以充電時間常數很小，電壓 將隨著電壓U按正弦規律逐漸升高，當U增大到最大值時， 也隨之上升到最大值。然后U開始下降， 也開始下降，但他們按不同規律下降，U按正弦規律下降，而電容C1則通過負載R1放電，電容端電壓 按指數規律下降，由于放電時間常數較大， 下降緩慢。除了剛過最小值的一小段時間內，仍有 =U的關系外，之后就出現U< 的情況，二極管承受反向電壓，處于截止狀態。電壓 按指數規律緩慢下降到wt=2  以后，雖然電壓U又為正值，但由于U< ，二極管仍然不能導通。直到U> 以后，二極管才又導通，電容C1由放電狀態重新變為充電狀態， 又隨著U上升。如此繼續下去，電壓 也就是負載電壓  就變得平滑了，因而負載電壓的平均值也有所增大了。如果電容濾波電路接于橋式整流電路，則在交流電壓的一個周期內，電容C1有兩次充、放電，其放電時間比上述半波整流后所接電容濾波電路要短，故輸出電壓更為平滑。電容濾波使整流輸出電壓波形變得平直的原因，還可以從電容C1對脈動電流中的交流成分具有旁路作用來理解。由于電容C1與負載電阻R1并聯，C1的容量愈大，整流后所得的脈動電流交流分量的頻率愈高，則電容C1的榮康、、容抗愈小，而電阻R1 的阻值與頻率無關，因此，脈動電流中的交流成分主要通過電容C1而被旁路，R1上的電流和電壓便較為平直了。 1.2.2 電感濾波電路 圖6 電感濾波電路 如圖6是電感濾波電路，它是在整流電路的輸出端和負載電阻R之間串聯一個電感線圈。電感中流過的電流發生變化時，線圈中要產生自感電動勢阻礙電流的變化。當電流增加時，自感電動勢的方向與電流方向相反，自感電動勢阻礙電流的增加，同時將能量儲存起來，使電流增加緩慢。反之，當電流減小時，自感電動勢的方向與電流的方向相同，自感電動勢阻止電流的減小，同時將能量釋放出來，使電流減小緩慢，因而使負載電流和負載電壓脈動大為減小。 如果要求輸出電流較大，輸出電壓脈動很小時，可在電感濾波電路之后再接電容C。組成LC濾波電路。電感濾波之后，利用電容再一次濾掉交流分量，這樣，便可得到更為平直的直流輸出電壓。上面討論的整流濾波電路，輸出電壓已較平滑，但卻不穩定，當用一個不穩定的電壓對負載供電時，會引起負載工作不穩定，甚至不能正常工作。為了得到穩定的直流輸出電壓，在整流濾波電路之后，需要增加穩壓電路。
1.3 穩壓電路 穩壓電路用的比較多是用集成穩壓管穩壓電路。如圖7是集成穩壓管穩壓電路，由集成穩壓管7805構成穩壓電路。
圖7 硅穩壓管穩壓電路
第二章 數控恒壓源的實現方案 傳統的直流穩壓電源輸出是通過粗調波段開關及細調電位器來調節的，并由電位表指示電壓值的大小。這種直流穩壓電源存在讀數不直觀、穩壓精度不高、不易調準、電位構成復雜、體積大等缺點，而基于單片機控制的數控直流電源不但實現了直流穩壓的功能，而且沒有上述的缺點。 2.1 設計目標 - 電源輸出電壓范圍0.0V-10.0V，步長0.1V，輸出電壓值由5110液晶顯示器顯示。
- 用戶對數控恒壓源的控制，通過AD采集電位器的電壓進行控制。
- 整機由自制穩壓電源供電，輸入交流220V，輸出直流+5V。
2.2 實現框圖 整個電源（如圖10）分成三個主要部分：供電部分、穩壓輸出部分和數控部分。  圖8 穩壓直流電源總框圖
第三章 供電和穩壓輸出部分 3.2 供電和穩壓輸出部分電路圖 這部分將數控部分送來的電壓控制字轉換成穩定電壓輸出，電路主要由供電、整流濾波、穩壓輸出、過流保護和延時啟動等幾部分組成。（如圖10） D/A轉換部分的輸出電壓作為穩壓輸出電路的參考電壓。穩壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例。穩壓輸出電路采用的是串聯式反饋穩壓電路（如圖9），在電路中，Q1—C519為調整管，UA—LM358 為比較放大器，R9、R10，R1，組成反饋網絡。D/A轉換電路的輸出電壓DAOUT接到 UA 的同向端，穩壓電源的輸出經R19、R10，R1，組成的取樣電路分壓后送到運放UA的反向端，經運放比較放大后，驅動調整管Q1。當電路平衡時，D/A電路的輸出電壓  與取樣后的電壓  相等。 穩壓輸出部分的過流保護電路由R21和Q2組成。設  為保護動作電流，則當電源輸出電流I增加到  時，R21上的壓降  *R21使得Q2管導通，分掉了Q1上的基極電流，使輸出I不再增加，起到了過流保護作用。
電路供電部分
圖10穩壓輸出部分
第四章 數字控制部分 4.1 單片機部分 圖11 單片機控制部分 控制部分是系統整機協調工作和智能化管理的核心部分，采用STC12C5A60S2單片機實現控制功能是其關鍵，采用單片機不但方便監控，并且大大減少硬件設計。 4.2 D/A轉換部分 系統設置D/A轉換接口，采用美國TI 公司的高速串行10位模數轉換器TLC5615串行數模轉換器。
圖12 D/A轉換部分 D/A轉換部分的輸出電壓作為穩壓輸出電路的參考電壓。穩壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例。10位字長的D/A轉換器具有1024種狀態。當電壓控制字從0，1，2，……到1024時，電源輸出電壓為0.0，0.01，……10.0。 TLC5615是十位的串行輸入電壓輸出的數模轉換器。 其時序圖如圖13：
圖13 TLC5620 數模轉換時序圖 Clk為時鐘端，Data為輸入數據，LOAD為輸入控制信號。 每路電壓輸出值的計算： REF為參考電壓，data為輸入8位的比特數據； 我們這里用的REF=2.5v；
4.3 A/D轉換部分 A/D采集采用STC12C5A60S2 這款單片機內部自帶的8路A/D轉換電路。AD轉換器接口在P1口（P1.0-P1.7）。有8路，8位高速A/D轉換器，速度可達250KHZ/S。使用單片機自帶AD的好處，就是可以節約成本，使電路簡單化，抗干擾能力爭強。A/D轉換器使用的使的時鐘是外部時鐘，這樣的好處是可以提高A/D轉換速度。
自帶A/D的按鍵
4.4 繪制PCB 圖15 總電路的PCB
4.5 總電路軟件實現流程圖
本文先對直流穩壓電源原理進行了論述，主要是對整流電路、濾波電路和穩壓電路等幾部分功能進行了論述；，最終確定了數控恒壓源的方案。繪制PCB版，制作完成硬件部分，然后對硬件進行了測試；編寫單片機程序實現軟件部分；通過對整個數控衡壓源的調試完善，最終實現了數控恒壓源的制作，實現了數字控制穩定電壓輸出的功能。但在制作上還有進一步提高的可能，如開機預置電壓輸出，過流保護警報指示等等。
單片機源程序如下:
- #include<reg52.h>
- #include<intrins.h>
- #include<define.h>
- #include<lcd12864.h>
- #include<dac0832.h>
- #include<max187.h>
- #include<control.h>
- void init() //初始化
- {
- EA=1;
- EX0=1;
- IT0=1;
- init_lcd();
- start_da(dat); //初始使DA輸出0
- write_com(0x82);
- show("恒壓源");
- write_com(0x90);
- show("預置電壓： V");
- write_com(0x88);
- show("實際電壓： V");
- write_com(0x98);
- show("2011年03月10日");
- }
- void main() //主函數
- {
- init();
- while(1)
- {
- keyscan();
- for(i=0;i<10;i++) //采樣采十次
- tab[i]=ad_chang();
- display();
- }
- }
- void EX_INT0() interrupt 0 //過流保護
- {
- ge=0;shi=0;dat=0;
- start_da(dat);
- while(1)
- alarm();
- }
所有資料51hei提供下載:
基于51單片機的數控恒壓源.7z
(3.15 MB, 下載次數: 73)
2019-7-18 16:03 上傳
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