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標(biāo)題: 51單片機(jī)數(shù)控恒壓源Multisim仿真電路+程序+PCB文件等資料 [打印本頁(yè)]

作者: 馿馿馿 時(shí)間: 2019-7-18 09:17
標(biāo)題: 51單片機(jī)數(shù)控恒壓源Multisim仿真電路+程序+PCB文件等資料
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(huà)的原理圖和PCB圖如下：(51hei附件中可下載工程文件)

直流穩(wěn)壓電源的應(yīng)用非常的廣泛，質(zhì)量?jī)?yōu)良的直流穩(wěn)壓電源，才能滿足各種電子線路的要求。所以,直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)頗為重要，特別是數(shù)控制穩(wěn)壓電源。本文主要介紹數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，對(duì)其中涉及的D/A轉(zhuǎn)換、單片機(jī)等也有詳細(xì)介紹。將單片機(jī)數(shù)字控制技術(shù), 有機(jī)地融入直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)中, 就能設(shè)計(jì)出一款高性價(jià)比的多功能數(shù)字化通用直流穩(wěn)壓電源。

幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源，因此直流穩(wěn)壓電源的應(yīng)用非常的廣泛。直流穩(wěn)壓電源的電路形式有很多種,有串聯(lián)型、開(kāi)關(guān)型、集成電路、穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電源等等。在電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源的故障率是最高的（長(zhǎng)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(wěn)壓電源中，通過(guò)整流、濾波電路所獲得的直流電源的電壓往往是不穩(wěn)定的。輸出電壓在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載電流變化時(shí)也會(huì)隨之有所改變。電子設(shè)備電源電壓的不穩(wěn)定,將會(huì)引起很多問(wèn)題，比如：測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確度降低，交流放大器的噪聲增大，直流放大器的零點(diǎn)漂移等等。設(shè)計(jì)出質(zhì)量?jī)?yōu)良的直流穩(wěn)壓電源，才能滿足各種電子線路的要求。因此,直流穩(wěn)壓電源的研究就頗為重要。目前產(chǎn)生直流穩(wěn)壓電源的方法大致分為兩種:一種是模擬方法，另一種是數(shù)字方法。前者的電路均采用模擬電路控制，而后者則是通過(guò)數(shù)字電路進(jìn)行自動(dòng)控制。直流穩(wěn)壓電源朝著數(shù)字化方向發(fā)展。因此對(duì)于數(shù)控恒壓源的研究是必要的。目前, 國(guó)外直流穩(wěn)壓電源已朝著多功能和數(shù)字化的方向發(fā)展。M atthew等提出了采用多路D?A分別設(shè)定多路輸出電壓，以及以多路A ?D進(jìn)行輸出檢測(cè)的微機(jī)數(shù)控電源。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(lái)越高,利用D/ A 轉(zhuǎn)換器的高分辨率和單片機(jī)的自動(dòng)檢測(cè)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，而且還可程控實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的可編程監(jiān)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(hào)發(fā)生器。程控電源可以任意設(shè)定輸出電壓或電流，所有功能由面板上的鍵盤(pán)或通過(guò)RS-232C串口連接的上位微機(jī)實(shí)現(xiàn)，給電路實(shí)驗(yàn)帶來(lái)極大的方便,提高了工作效率。

第一章直流穩(wěn)壓電源的基本原理

在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)壓的直流電源供電。日常生活中也需要將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，形成直流穩(wěn)壓電源。一般直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。

圖1 直流穩(wěn)壓電源的工作原理

電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐担缓笸ㄟ^(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)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(wǎng)電壓波動(dòng)（一般10%左右的波動(dòng)）、負(fù)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(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。

1.1 整流電路

整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要靠二級(jí)管的單向?qū)щ娮饔谩Ｒ虼硕䴓O管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。常見(jiàn)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(xiàng)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(wǎng)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(gè)二極管接成電橋的形式構(gòu)成的。設(shè)電源變壓器二次側(cè)電壓U=Usinwt(v)，在U的正半周，極性為上正下負(fù)，此時(shí)二極管D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，D2、D4反向截止，電流i的通路是a

b。負(fù)載RL上又得到半波電壓。在U的負(fù)半周，極性為上正下負(fù)，此時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，D1、D3反向截止，電流i的通路是b

a。負(fù)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(dòng)(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(dòng)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(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)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(zhì)電容器，所以要注意其極性，其正極要接電路高電位端，負(fù)端要接電路低電位端。若極性接反，過(guò)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(lián)在負(fù)載電阻R1上，所以電容C1兩端的電壓

就是負(fù)載的電壓

，交流電壓U的波形（如圖5）；假設(shè)，電路接通時(shí)，恰恰在電壓U由負(fù)到正過(guò)零的時(shí)刻，這時(shí)二極管開(kāi)始導(dǎo)通，電壓U通過(guò)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(shí)間常數(shù)很小，電壓

將隨著電壓U按正弦規(guī)律逐漸升高，當(dāng)U增大到最大值時(shí)，

也隨之上升到最大值。然后U開(kāi)始下降，

也開(kāi)始下降，但他們按不同規(guī)律下降，U按正弦規(guī)律下降，而電容C1則通過(guò)負(fù)載R1放電，電容端電壓

按指數(shù)規(guī)律下降，由于放電時(shí)間常數(shù)較大，

下降緩慢。除了剛過(guò)最小值的一小段時(shí)間內(nèi)，仍有

=U的關(guān)系外，之后就出現(xiàn)U<

的情況，二極管承受反向電壓，處于截止?fàn)顟B(tài)。電壓

按指數(shù)規(guī)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(dǎo)通。直到U>

以后，二極管才又導(dǎo)通，電容C1由放電狀態(tài)重新變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，

又隨著U上升。如此繼續(xù)下去，電壓

也就是負(fù)載電壓

就變得平滑了，因而負(fù)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(gè)周期內(nèi)，電容C1有兩次充、放電，其放電時(shí)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(duì)脈動(dòng)電流中的交流成分具有旁路作用來(lái)理解。由于電容C1與負(fù)載電阻R1并聯(lián)，C1的容量愈大，整流后所得的脈動(dòng)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(wú)關(guān)，因此，脈動(dòng)電流中的交流成分主要通過(guò)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(fù)載電阻R之間串聯(lián)一個(gè)電感線圈。電感中流過(guò)的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的變化。當(dāng)電流增加時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與電流方向相反，自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流的增加，同時(shí)將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，使電流增加緩慢。反之，當(dāng)電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相同，自感電動(dòng)勢(shì)阻止電流的減小，同時(shí)將能量釋放出來(lái)，使電流減小緩慢，因而使負(fù)載電流和負(fù)載電壓脈動(dòng)大為減小。

如果要求輸出電流較大，輸出電壓脈動(dòng)很小時(shí)，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(wěn)定，當(dāng)用一個(gè)不穩(wěn)定的電壓對(duì)負(fù)載供電時(shí)，會(huì)引起負(fù)載工作不穩(wěn)定，甚至不能正常工作。為了得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，在整流濾波電路之后，需要增加穩(wěn)壓電路。

1.3 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路用的比較多是用集成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。如圖7是集成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，由集成穩(wěn)壓管7805構(gòu)成穩(wěn)壓電路。

圖7 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

第二章數(shù)控恒壓源的實(shí)現(xiàn)方案

傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源輸出是通過(guò)粗調(diào)波段開(kāi)關(guān)及細(xì)調(diào)電位器來(lái)調(diào)節(jié)的，并由電位表指示電壓值的大小。這種直流穩(wěn)壓電源存在讀數(shù)不直觀、穩(wěn)壓精度不高、不易調(diào)準(zhǔn)、電位構(gòu)成復(fù)雜、體積大等缺點(diǎn)，而基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電源不但實(shí)現(xiàn)了直流穩(wěn)壓的功能，而且沒(méi)有上述的缺點(diǎn)。

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

電源輸出電壓范圍0.0V-10.0V，步長(zhǎng)0.1V，輸出電壓值由5110液晶顯示器顯示。
用戶對(duì)數(shù)控恒壓源的控制，通過(guò)AD采集電位器的電壓進(jìn)行控制。
整機(jī)由自制穩(wěn)壓電源供電，輸入交流220V，輸出直流+5V。

2.2 實(shí)現(xiàn)框圖

整個(gè)電源（如圖10）分成三個(gè)主要部分：供電部分、穩(wěn)壓輸出部分和數(shù)控部分。

圖8 穩(wěn)壓直流電源總框圖

第三章供電和穩(wěn)壓輸出部分

3.2 供電和穩(wěn)壓輸出部分電路圖

這部分將數(shù)控部分送來(lái)的電壓控制字轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定電壓輸出，電路主要由供電、整流濾波、穩(wěn)壓輸出、過(guò)流保護(hù)和延時(shí)啟動(dòng)等幾部分組成。（如圖10）

D/A轉(zhuǎn)換部分的輸出電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例。穩(wěn)壓輸出電路采用的是串聯(lián)式反饋穩(wěn)壓電路（如圖9），在電路中，Q1—C519為調(diào)整管，UA—LM358 為比較放大器，R9、R10，R1，組成反饋網(wǎng)絡(luò)。D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓DAOUT接到 UA 的同向端，穩(wěn)壓電源的輸出經(jīng)R19、R10，R1，組成的取樣電路分壓后送到運(yùn)放UA的反向端，經(jīng)運(yùn)放比較放大后，驅(qū)動(dòng)調(diào)整管Q1。當(dāng)電路平衡時(shí)，D/A電路的輸出電壓

與取樣后的電壓

相等。

穩(wěn)壓輸出部分的過(guò)流保護(hù)電路由R21和Q2組成。設(shè)

為保護(hù)動(dòng)作電流，則當(dāng)電源輸出電流I增加到

時(shí)，R21上的壓降

*R21使得Q2管導(dǎo)通，分掉了Q1上的基極電流，使輸出I不再增加，起到了過(guò)流保護(hù)作用。

電路供電部分

圖10穩(wěn)壓輸出部分

第四章數(shù)字控制部分

4.1 單片機(jī)部分

圖11 單片機(jī)控制部分

控制部分是系統(tǒng)整機(jī)協(xié)調(diào)工作和智能化管理的核心部分，采用STC12C5A60S2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能是其關(guān)鍵，采用單片機(jī)不但方便監(jiān)控，并且大大減少硬件設(shè)計(jì)。

4.2 D/A轉(zhuǎn)換部分

系統(tǒng)設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換接口，采用美國(guó)TI 公司的高速串行10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5615串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

圖12 D/A轉(zhuǎn)換部分

D/A轉(zhuǎn)換部分的輸出電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例。10位字長(zhǎng)的D/A轉(zhuǎn)換器具有1024種狀態(tài)。當(dāng)電壓控制字從0，1，2，……到1024時(shí)，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(shù)模轉(zhuǎn)換器。

其時(shí)序圖如圖13：

　　　　　　　　　圖13　TLC5620 數(shù)模轉(zhuǎn)換時(shí)序圖

Clk為時(shí)鐘端，Data為輸入數(shù)據(jù)，LOAD為輸入控制信號(hào)。

每路電壓輸出值的計(jì)算：

REF為參考電壓，data為輸入8位的比特?cái)?shù)據(jù)；

我們這里用的REF=2.5v；

4.3 A/D轉(zhuǎn)換部分

A/D采集采用STC12C5A60S2 這款單片機(jī)內(nèi)部自帶的8路A/D轉(zhuǎn)換電路。AD轉(zhuǎn)換器接口在P1口（P1.0-P1.7）。有8路，8位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)250KHZ/S。使用單片機(jī)自帶AD的好處，就是可以節(jié)約成本，使電路簡(jiǎn)單化，抗干擾能力爭(zhēng)強(qiáng)。A/D轉(zhuǎn)換器使用的使的時(shí)鐘是外部時(shí)鐘，這樣的好處是可以提高A/D轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)流程圖

本文先對(duì)直流穩(wěn)壓電源原理進(jìn)行了論述，主要是對(duì)整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等幾部分功能進(jìn)行了論述；，最終確定了數(shù)控恒壓源的方案。繪制PCB版，制作完成硬件部分，然后對(duì)硬件進(jìn)行了測(cè)試；編寫(xiě)單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)軟件部分；通過(guò)對(duì)整個(gè)數(shù)控衡壓源的調(diào)試完善，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)控恒壓源的制作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制穩(wěn)定電壓輸出的功能。但在制作上還有進(jìn)一步提高的可能，如開(kāi)機(jī)預(yù)置電壓輸出，過(guò)流保護(hù)警報(bào)指示等等。

單片機(jī)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(yù)置電壓： V");
write_com(0x88);
show("實(shí)際電壓： V");
write_com(0x98);
show("2011年03月10日");
}
void main() //主函數(shù)
{
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(guò)流保護(hù)
{
ge=0;shi=0;dat=0;
start_da(dat);
while(1)
alarm();
}

復(fù)制代碼

所有資料51hei提供下載:

基于51單片機(jī)的數(shù)控恒壓源.7z (3.15 MB, 下載次數(shù): 73)

作者: holmespeter 時(shí)間: 2019-12-8 10:52
非常實(shí)用，萬(wàn)分感謝，謝謝大佬的分享，給予了我們很多幫助

作者: chris_shin 時(shí)間: 2019-12-9 11:36
先mark學(xué)習(xí)下

歡迎光臨 (http://www.zg4o1577.cn/bbs/)