數控直流電源設計.docx
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數控直流電源設計報告 模擬電路部分 第一部分 系統(tǒng)設計 1.1 設計題目及要求 1) 當輸入交流電壓為220v10%時，輸出電壓在3-13v可調； 2) 額定電流為0.5A，且紋波不大于10mV； 3) 使用按鍵設定電壓，同時具有常用電平快速切換功能（3v、5v、6v、9v、12v），設定后按鍵可鎖定，防止誤觸； 4) 顯示設定電壓和測量電壓，顯示精度為0.01v。 1.2 總體設計方案 1.2.1設計思路 題目要求制作一個簡易的可編程直流穩(wěn)壓電源，而我負責的是基礎部分，即是電源。而要使得家用交流220v電壓變成v、5v、6v、9v、12v的直流電壓必然要先經過變壓器將電壓變小，再經過整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路才能得到穩(wěn)定的之路電壓。于是基本功能部分全部電路由四部分組成：整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、穩(wěn)壓值選擇電路、芯片供電電源。 1.2.2設計方案及論證比較 一、整流電路 方案： 1. 半波整流電路，用一支二極管就能構成，簡單易行。所用元件數量極少，但是它只利用了交流電壓的半個周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率低。因此這種電路只適合用于整流電流較小，對紋波電壓（脈動）要求不高的場合。 2.全波整流，采用單線橋式整流電路。由四只二極管構成，具有輸出電壓高、紋波電壓小、變壓器利用率高等優(yōu)點。 綜上所述，雖然單線橋式整流電路所用到的元件較多，但由于元件成本并不高，加之性能大大優(yōu)于半波整流電路，故選擇后者。 二、濾波電路 方案： 1. 電容濾波。在電路中，當有電壓加到電容器兩端的時候，便對電容器充電，把電能儲存在電容器中；當外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲存的電能再放出來。充電的時候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越大，負載電阻值越大，充電和放電所需要的時間越長。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來承擔濾波的任務。 2.電感濾波。利用電感對交流阻抗大而對直流用抗小的特點，可以用帶鐵芯的線圈做成濾波器。電磁濾波輸出電壓較低，相輸出電壓波動小，隨負載變化也很小，適用于負載電流較大的場合。 3復式濾波。把電容按在負載并聯(lián)支路，把電感或電阻接在串聯(lián)支路，可以組成復式濾波器，又叫π型濾波器。由電磁與電容組成的LC濾波器，其濾波效能很高，幾乎沒有直流電壓損失，適用于負載電流較大、要求紋波很小的場合。但是，這種濾波器由于電感體積和重量大（高頻時可減?。容^笨重，成本也較高，一般情況下使用得不多。由電阻與電容組成的RC濾波器結構簡單，能兼起降壓、限流作用，濾波效能也較高，是最后用的一種濾波器。 綜合考慮，由于實驗室沒有提供電感元件，而且電容濾波完全可以得到較好的直流電壓，且有電路簡單，價格低廉的優(yōu)勢，故應使用電容濾波的方法。 三、穩(wěn)壓電路 方案 1、使用LM78XX系列穩(wěn)壓芯片,即LM7809, LM7812, LM7815構成三路不同的穩(wěn)壓輸出,電路簡明 2、用一個LM317,與四個阻值不同的電阻輸出不同的電壓. 3、用運算放大器,與三個阻值不同的電阻輸出不同的電壓. 第一種方案的優(yōu)點是各路電壓相互獨立,輸出穩(wěn)定,紋波較小,缺點是需要三個78XX芯片,成本太高,而第二種方案優(yōu)點是成本較低,電路簡單,缺點是輸出受分壓電阻的影響,溫度變化時導致輸出電壓有所偏離.第三種方案紋波較大,輸出相對不夠穩(wěn)定,輸出電流受三極管放大倍數的影響,雖然可以通過達林頓連接增大輸出電流,但是這樣一來在負載較低時穩(wěn)壓控制難以實現. 綜上所述,采用方案二為佳. 四、穩(wěn)壓值選擇電路 方案：利用CD4052雙四選一模擬開關進行選擇。 五、芯片供電電源 方案： 1、電阻分壓，用兩個電阻分壓。 2、用7805做開關電源5v輔助電源。 方案二做出的穩(wěn)壓效果較好，電路簡明，成本低廉，故應用方案二 第二部分 單元電路設計 2.1 整流電路 2.1.1整流電路工作原理及功能說明 單相橋式整流電路有四只二極管組成，利用二極管的單向導電性保證在變壓器副邊電壓的整個周期內，負載上的電壓和電流始終不變。 2.1.2整流電路元件選取與計算 使用全波整流電路 二極管選用 因為 IN4001耐壓50V,電流1A; IN4004耐壓400V,電流1A; IN4007耐壓1000V,電流1A; 應用在電壓比較低的電路里可以混用 。而本電路中經過變壓器后副變線圈電壓約為十八伏特，故三者都可以使用，而考慮到成本問題應首先選用IN4001，應在實際制作中實驗室只剩下IN4007，故選用IN4007代替。 3.1.2 工作原理和功能說明 2.2 濾波電路 2.2.1濾波電路工作原理及功能說明 交流電經過二極管整流之后，方向單一了，但是大小（電流強度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動直流一般是不能直接用來給無線電裝供電的。要把脈動直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說，濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。 2.2.2濾波電路元件的選取與計算 濾波電容的選擇： 因為c1滿足條件RLC1=T/2. RL約為u/i即是12v/0.5A即24 C1=(3~5)*（2*0.003/2）*（1/24）=1250~2083uf 通過計算結合實際選取合適的參數，得C＝2200uF。 雖然2200uF得電容價格較高，但能夠獲得較好的濾波效果，加之實驗室也能夠提供，故選用之。而對于5v供電電源因其對紋波電壓要求不高，故選用更經濟的1000uf電容。 2.3 穩(wěn)壓電路 2.3.1穩(wěn)壓電路及其工作原理或功能說明 利用lm317產生穩(wěn)定的電壓，根據串聯(lián)電阻分壓原理，得Uo=（1+R1/R2）*U，可得到穩(wěn)定的輸出電壓，為了減少電阻上的紋波電路要串聯(lián)上一個電容c2。但是，在輸出開路時，電容c2將向穩(wěn)壓器調整端放電，并使調整管發(fā)射結反偏，為了保護穩(wěn)壓器，可加二極管D，提供一個放電回路。C3容量較大時，一旦輸入端斷開，就將從穩(wěn)壓器的輸出端向穩(wěn)壓管放電，易使穩(wěn)壓器損壞。因此要跨接一個二極管，起保護作用。 2.3.2 穩(wěn)壓電路元件的選取與計算 1.二極管的選擇： 保護二極管D5、D6：最大電壓不會超過50v，故，用 In4001. 2.R0的選擇： 由lm317組成的基準電壓源電路，輸出端和合調整端 之間的電壓時是穩(wěn)定的1.25v，而輸出電流較大。R0 為泄放電阻，由lm317的最小負載電流（取5mA）可 得：Rmax=（1.25/0.005）歐=250歐，實際取值應略 小，故取240歐。 3.c2與c3的選擇： 電容C2的作用是減小紋波C3的作用是當輸出短路時立即放電,而同時C2通過二極管D2放電至0,防止ADJ端子殘留正電壓. 根據成本和效果考慮，c2和c3都應用10uf的電容。 4. 根據LM317的器件特性,R0的電流可取5mv 根據Uo= 由以上公式,各輸出電壓對應的Rx阻值如下: Uo=3V, R2=374; Uo=5V, R3=920; Uo=6V, R4=1260; Uo=9V, R4=2710; Uo=12V, R5=5510; 2.3.3 器件說明 LM117/LM317 的輸出電壓范圍是1.2V至37V，負載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM117/LM317 內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高的多的紋波抑制比?？烧{整輸出電壓低到1.2V。保證1.5A 輸出電流。典型線性調整率0.01%。典型負載調整率0.1%。80dB 紋波抑制比。輸出短路保護。過流、過熱保護。調整管安全工作區(qū)保護。標準三端晶體管封裝。 2.4 程序控制穩(wěn)壓值選擇電路 2.4.1 穩(wěn)壓值選擇電路的工作原理和功能說明 原理圖 說明：在調整端加控制電路就可以實現程序控制穩(wěn)壓電路，如圖所示，圖中晶體管偉電子開關，當基極加高電平是，晶體管飽和導通，相當于開關閉合；當基極加低電平是，晶體管截止，相當予開關斷開。 2.5 穩(wěn)壓5v直流電源 2.5.1工作原理 用7805做一個穩(wěn)壓5v直流電源，原理與上面?zhèn)€部分相同。 2.5.2模塊電路及參數計算 Ci用于抵消輸入線較長的時的電感效應，以防止電路產生自激振蕩，其容量較小，一般小于1uf，故可選用0.33uf。而Co用于消除輸出電壓中的高頻噪音，為使其輸出較大的脈沖電流應取較小的電容故Co取1uf 3.5.3器件說明 7805為三端正穩(wěn)壓器電路,TO-220F封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣。內含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使 用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 主要特點 輸出電流可達1A VI——輸入電壓(VO=5~18V)…………………………… 35V (VO=24V)……………………………… 40V 數字控制部分 整體構思： 由于我們有AVR的開發(fā)板，所以，我們選擇了ATMEL公司的ATMEGA 16L作為數字控制部分的核心部件。 根據題目要求，我們需要用AVR單片機實現按鍵設置的 3V 5V 6V 9V 12V電壓，而在模擬電路部分我們使用了三極管作為電阻導通的器件。所以要用到單片機的I/O輸出高電平，同時要實現按鍵選擇功能，也要使用一個I/O口。數顯部分我們使用了1602液晶顯示屏，A/D電壓采集我也將使用ATMEGA 16L的PA7口作為A/D輸入口。所以數字部分的整體構架就如上所述。 模塊一： 按鍵控制電壓選擇與數字顯示 1.掃描鍵盤 這次我們用到的單片機的鍵盤接法如下： 針對此接法編寫的子程序如下： // 掃描鍵盤函數 char key=0; // 全局變量key，保存鍵值，無按鍵為0，方便不同函數進行訪問 char lock=0; // 全局變量lock，保存鍵值，無按鍵為0，方便不同函數進行訪問 void get_key() { key_PORT=0x0f; // 高四位輸出低電平，低四位為帶上拉輸入 key_DDR=0xf0; // 高四位為輸出，低四位為輸入，重要！增強拉電流能力 if( !key && key_PIN!=0x0f )// 如果 key=0，即按鍵已經響應，判斷是否有鍵按下 { delay_ms(10); // 延時后再次判斷，消除按鍵抖動的影響 if(key_PIN!=0x0f) // 確實有鍵按下 { switch (key_PIN) { case 0x0e: key=2;break; case 0x0d: key=3;break; case 0x0b: key=5;break; case 0x07: key=6;break; } key_PORT=0x30; // 令低三位輸出低電平 4、5位為帶上拉輸入 高三位仍保持輸出低電平 key_DDR=0xcf; // 令低三位為輸出 4、5位為輸入 高三位為輸出 asm("nop"); // 延時一個機器周期，重要！這個時間為key_PIN 的建立時間，如省略，程序出錯！ switch (key_PIN) { case 0x20: key+=0;break; //第一位被拉低 case 0x10: key=1.5*key+4.5;break; //第二位被拉低 default: key=0; // 該情況屬于偶然錯誤，返回0 } while(key_PIN!=0x30); // 等待松開按鍵時才退出，這里根據要求適當選擇，也可以在此進行長按判斷 } } } 這次的鍵盤控制一共用到了7個按鍵（圖中的S6不用），其中S2、S3、S4、S7、S8、S9分別控制六種電壓（第六種電壓是用活動變阻器調節(jié)的3-13V連續(xù)可變電壓），S1鍵是鎖定鍵，當按下時，保持當前電壓，按其它按鍵不改變電壓值，再按一次則解鎖，解鎖之后電壓會自動清零，這時就可以再設置電壓了。 鎖定按鍵的方法是設置全局變量lock，當lock=0時不鎖定，當lock=~lock，即lock=255時進行鎖定，具體的鎖定程序是在主函數中體現出來的，具體如下：（假設show函數為1602的顯示函數） void main() { unsigned char i=0; System_Init(); // 系統(tǒng)初始化函數 while(1) { get_key(); if(key) { if(key==2) { lock=~lock; while(lock==255) { show(j); //加電壓控制于此 key=0; get_key(); if(key==2) lock=0; } key=0; } else{ if(lock==0) { i=key_PIN; while(key_PIN==i) { show(key); //加電壓控制于此 } j=key; key=0; i=0; } } key=0; } } } 2.數字顯示 1602的顯示程序如下： { V=get_ad_data(7); V=V*4.59; // 校正系數 data[0]=V/10000+0X30; //data用于儲存測量獲得的電壓值 data[1]=V/1000%10+0X30; data[2]=V/100%10+0X30; data[3]=V/10%10+0X30; key[0]=n/10+0x30;//key用于儲存設定的電壓值 key[1]=n/10%10+0x30; delay(15); write_com(0X38); delay(5); write_com(0X38); delay(5); write_com(0X02); delay(5); write_com(0X0C); delay(5); write_com(0X06); delay(5); write_com(0X80+0X00); delay(5); for(j=0;j<10;j++) { write_dat(table1[j]); delay(5); } write_com(0X80+0X40); delay(5); for(i=0;i<2;i++) { write_dat(data[i]); delay(1); } write_dat(table[10]); delay(1); for(i=2;i<4;i++) { write_dat(data[i]); delay(1); } write_com(OX80+0x47); delay(5); for(i=0;i<2;i++) { write_dat(key[i]); delay(1); } } // 顯示設定、測量電壓 模塊二： A/D電壓采樣與數字顯示 A/D電壓采樣的程序如下： void ADC_Init() { ADMUX =0x40; // AVCC參考、右對齊、ADC0通道 ADCSRA=0xC6; // 使能ADC、單次模式、啟動第一次、12MHz內部時鐘64分頻 while(ADCSRA & (1<
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