全国电子设计大赛优秀报告

2021年1月22日发(作者：师霞裳)

全国电子设计大赛训练项目


设计报告

题

目

数控通用直流电源


姓

名


学

院

物理与电子信息学院


专

业

电子信息科学类


2013
年
7
月
20
日星期六


题目一

数控通用直流电源

目录

设计要求
…………………………………………………………………………
3

摘要

………………………………………………………………………………
3

一、

方案论证与比较

………………………………………………………
4

1
．
1
稳压电源部分方案比较…………………………………………………
4

1. 2
稳压电源方案选择………………………………………………………
5

1. 3
控制方案比较…………………………………………………………
6

1. 4
控制方案选择……………………………………………………………
6

二、

系统的具体设计及实现
………………………………………………
7

2
．
1

系统总框图………………………………………………………………
7

2
．
2

硬件设计…………………………………………………………………
7

2
．
2
．
1

开关稳压电源模块………………………………………………
7

2
．
2
．
2

单片机控制模块…………………………………………………
8

2
．
2
．
3

正、负输出可调稳压电源模块…………………………………
9

2
．
2
．
4

按键模块……………………………………………………
10

2
．
3

软件设计………………………………………………………………
10

2
．
3
．
1

主程序流程……………………………………………………
11

2
．
3
．
2

过流保护程序流程…………………………………………
11

三、

测试、结果及分析
………………………………………………………
12

3
．
1

基本功能………………………………………………………………
12

3
．
2

发挥功能部分…………………………………………………………
15

四、

总结
………………………………………………………………………
15

五、

参考文献
…………………………………………………………………
15

附录一、完整的系统原理图
…………………………………………………
16

附录二、完整的系统
PCB
图
…………………………………………………17

附录三、实物图
…………………………………………………………………
17

附录四、完整的程序代码
……………………………………………………
18

数控直流可调电源

摘要

直流稳压电源是常用的电子设备
,
它能保证在电网电压波动或负载发生变化时
,
输出
稳定的电压。一个低纹波 、高精度的稳压源在仪器仪表、工业控制及测量领域中有着重要
的实际应用价值。本设计用变压器输出的 两组交流绕组，设计三组稳压电源，其中两组
3V-15V
可调，另一组固定输出＋５Ｖ
;
额定工作电流为
,
并具有“
+
”、“
-
”步进电压调
节功能
,
其最小步进为
,
纹波系数不大于< br>4%
。并具有数字电位器
X9318
调整单元基准电压
的变化来组成高 可靠、小纹波和高精度电压控制的直流可调稳压电源的硬件电路和单片机
控制的

完整软件设计流程。

关键词
:
直流数控；

稳压电源；

单片机
STC89C52
；

Digest:
The

DC
regulated power
supply?is
a familiar electric equipment?, that can
offer
stable
voltage
when
input
voltage
fluctuates
or
its
load
changes.
The
design
of DC regulated power supply can offer voltages from 3V to 15V,rated working
current ,with the function of
“
+
”

“
-
”
step voltages regulator. Its minimum
stepped
voltage
is
12mV,
ripple
factor
less
than
4%.
This
is
a
reliable
,
low
ripple
wave and highly-stable electric equipment.


Keyword: DC regulated power supply, STC 89C52
?

设计任务与要求

一、

设计任务

设计并制作一个直流可调稳压电源。

二、

设计要求

1
．基本要求



①

用变压器输出的两组交流绕组，设计三组稳压电源，其中两组3V-15V
可调，另一组
固定输出＋５Ｖ
;
②

各组输出电流最大：
750 mA
；


③

各组效率大于
75%
，在
500mA
输出条件下测量，应在ＤＣ／Ｄ Ｃ输入端预留电流测
量端；


④

为实现程序控制，预留
MCU
控制接口。

2
．发挥部分


①

设置过流保护，保护定值为；


②

用自动扫描代替人工按键，实现输出电压变化；


③

扩展输出电压种类（比如三角波、梯形波等）；


④

可实现双电源同步调节或分别调节。

一、

方案论证与比较

通过对题目的任务、要求进行分析，我们将整个设计划分成两个部分 ：稳压电源部分
和数控部分。

1. 1
稳压电源部分方案比较

方案一：三端稳压电源

根据设计要求，可以采用三端稳压器来实现输出系统所需的三 种直流电压：固定
+5V
和两组可调输出。其中，用
7805
实现固定
5V
的输出，
LM317
实现可调输出（控制输出电
压为
~37V
）。电路原理图如下：


图
1
固定
5V
输出

7805
是我们最常用到的稳压芯片了，< br>它的使用方便，
用很简单的电路即可以输入
一个直流稳压电源
,
它的输 出电压为
5v
。


图
2 LM317
可调电源模块

在综合考虑
LM317
的输出电压范围～
37V
和其最小稳定工作电流不大于
5mA
的条件下
保证
R 1
≤Ω，
R2
≤
K
Ω
,
就能保证
LM3 17
稳压块在空载时能够稳定工作。输出电压：
V
O
=(1+R2/R1),
在
LM317
输出范围为～
37V
的条件下，
R2/R1< br>范围为：
0
～。

优点：线性电源工作稳定，输出纹波小，且不需做过 多调整，使用较为方便，工作安
全可靠，适合制作通用型、标称输出的稳压电源。缺点：线性稳压电路的 内部功耗大，效
率低，散热问题较难解决。

方案二：晶体管串联式直流稳压电路

晶体管串联式直流稳压电路。电路框图如图3
所示，该电路中，输出电压
UO
经取样电
路取样后得到取样电压，取样 电压与基准电压进行比较得到误差电压，该误差电压对调整
管的工作状态进行调整，
从而使输出 电压发生变化，
该变化与由于供电电压
UI
发生变化引
起的输出电压的变化正 好相反，从而保证输出电压
UO
为恒定值（稳压值）。

UI

调整管

UO

误差放大

取样

辅助电源

基准电压



图
3
晶体管串联式直流稳压电路方框图

方案三：开关电源

根
据
设
计
要
求
，
可
选
用
开
关
电
源
来
完
成
设
计
。
LM2596
为
电
路
设
计
核
心
。


图
4
开关电源原理图


当反馈线（即
4
脚）上不接电阻时，电路固定输出
5V
，当
R1
和
R2< br>比值一定时则
可控制输出电压值。

优点：功耗小，效率高；由于调整管上的耗 散功率大幅度降低后，省去了较大体
积的散热片，使得设计的开关稳压电源体积小，使用较为方便，且稳 压范围大，实现
稳压的方法也比较多。滤波效率比较高，电路形式多样化，能满足不同的应用场合。

1. 2
稳压电源方案选择



电源技术特别是稳压电源技术在工程技术方面使用性很强
，
在各个行业里得到了广泛< br>的应用。直流稳压电源的电路形式有很多种
,
有串联型、开关型、集成电路、稳压管直流 稳
压电源等等。
目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立元件组成，体积大，效率低，可靠性差，操作使用不便，自我保护功能不完善，故障率高（长期工作在大电流
和大电压下
,
电子元器件很容易损坏）但在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的
直流电 源的电压往往是不稳定的
[1]
。当在外在电压波动或负载电流变化的时侯也会使输出
电压有所改变。供给电子设备的电压源的不稳定
,
会使设备产生很多问题。所以，设计出质量优良的直流稳压电源，才能满足各种电子线路的要求
。

开关电源具有功耗小、 效率高、稳压范围大等优点，克服了传统电源功耗大、可靠性
差等缺点，并且
,
关电 源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，开
关电源效率可达
80%~90 %
，比普通线性稳压电源提高近一倍，目前已成为稳压电源的主流
产品。所以决定选择方案三， 设计开关型稳压电路
,
既能实现设计要求
,
高效率又比较高。

1. 3
控制方案比较

方案一

：采用单片机的简易数控直流电源设计方案

采用
STC89C52
单片机作为该系统的控制单元，可以通过数据采样和
LM2596
的电压调
整可以改变 系统输出电压的大小。为了能够使系统具备检测实际输出电压值的大小，可以
将输出电压经过
A DC0809
进行模数转换，间接用单片机实时对电压进行采样，然后进行数
据处理得到输出的 电压大小，但是电路过于繁琐较难控制。也可用数字电位器Ｘ
9318
的分
档来计算输 出电压。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的大小控
制，使系统硬件更加简洁， 各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。

优点：技术比较熟练，使用广泛，价格便宜， 而且功能上也完全满足本系统的要求，
用数字电位器还使电路设计较简便；缺点：纹波系数较大。

方案二

：

采用
FPGA
的简易数控直流电源设计方案

采用
FPGA
作为控制器完成数控部分、键盘、显示器接口控制。输出部分采用
D/A0832
与运 算放大器
UA714
，输出电压波形由
FPGA
的输出数据控制，不仅可以输 出直流电平，而
且只要预先生成波形的量化数据，就可以产生多种波形输出。显示数据由
FPG A
提供。

采用
FPGA
作为控制器。具有速度快，且自带
512
字节的
EEPROM
，不需要另外接扩展
的
EEPROM的优点；缺点是，我们对
FPGA
的使用不太熟悉，价格比较贵。

方案三

：
采用各类数字电路来组成的数控直流电源设计方案
采用各类数字电路来组成键盘控制系统，进行信号处理，如选用
CPLD
等可编程器件。< br>本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于系统的扩展，对信号处理比较困难。

采 用中、小规模器件实现系统的数控部分，使用的芯片很多，造成控制电路内部接口
信号繁琐，中间相互关 联多，抗干扰能力差。

1.

4
控制方案选择

比较以上三种方案的优缺点，

采用
STC89C52
作为控制器。 完成整个数控部分的功能，
也便于系统功能的扩展。且技术比较熟练，使用广泛，价格便宜，而且功能上 也完全满足
本系统的要求。但因为本系统对单片机的速度要求不是很高。经过比较，我们选用方案一并且用数字电位器Ｘ
9318
的分档来计算输出电压
.
。
电源采 用数字控制，
具有以下明显优点：

1.
采用先进的智能控制策略和控制方法 ，与传统直流稳压电源相比，具有新颖性、独
创性和先进性
,
体现出电源模块的高程度 智能化，更加完美性能。

2.
系统升级方便，控制比较灵活，只需修改控制算法，而不必改动硬件线路。

3.
提高控制系统的可靠性，更容易实现标准化，可以针对不同的系统
(
或 不同型号的
产品
)
，采用相同的控制板，而只需对软件控制部分做一些调整便可。
4.
基于单片机的数控直流稳压电源，
它不仅能作为常规的电子产品和科研实 验电源用，
而且可以通过软件编程的方法使稳压电源产生连续变化的输出电压，具有很高的性价比
,
系统电压输出的一致性比较好，成本低廉，方便量产。

二、

系统的具体设计及实现

2
．
1

系统总框图

+5V
稳压

市
整流滤波

电

数字电位器

光耦隔离

MCU

数字电位器

按键控制

负可调稳压

图
5
系统总框图

输出电压


电流采样

光耦隔离

过
流
保
正可调稳压

输出电压

2.

2
硬件设计



本系统由电源模块，数字控制模块，单片机控制模块，按键模块组成。


开关稳压电源模块

1
）
LM2596
电源降压调整器原理图

图
6 LM2596
降压调整原理图

LM2596
系列开关电压调节器是降压型电 源管理单片集成电路，能够输出
3A
的驱动电
流，同时具有很好的线性和负载调节特性 在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电
压的误差可以保证在±
4%
的范围内，
振荡频率误差在±
15%
的范围内；
可以用仅
80
μ
A
的待
机电流，实现外部断电；具有自我保护电路

2
）开关稳压电源原理分析

开关稳压电源原理：电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成

图
7
电源方框图及波形图

a
整流和滤波电路：
整 流作用是将交流电压
U2
变换成脉动电压
U3
。
滤波电路一般由电< br>容组成，其作用是脉动电压
U3
中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4
。

b
稳压电路：由于得到的输出电压
U4
受负载 、输入电
?
压
?
和
?
温度的影响不稳定，为
了得到 更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压
U0
。

3
）开关稳压电源原理图

图
8
开关稳压电源原理图

220V
市电（实际供电电压为
238V）经过变压器转换后得到双电压，再经过桥式整流滤
波电路，得到
*=(V)
电压 。其中
+
电压根据公式
Uout=Vref*(1+R2/R1)
接入恰当比 值的电阻
经过
LM2596
稳压得到稳定
+5v
电压。

2.2
．
2

单片机控制模块

1
）
STC89C52
芯片资料

如图
9
所示。该芯片正常工作电压为
5V
，支持的最高时钟频率为
80MHz
，Flash
程序
存储器为
8KB,RAM
数据存储器为
512B ,
内置看门狗电路，支持
ISP/IAP
[6]
。本单片机具有以
下 优点：

1.
超低功耗

(1)
掉电模式：典型功耗为,
可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。

(2)
空闲模式：典型功耗为
2mA
。

(3)
正常工作模式：典型功耗为
4mA-7mA
。

2.
超强抗干扰

(1)I/O
口、电源、时钟、看门狗、复位电路都是经过特殊处理。

(2)
宽电压，不怕电源抖动，工作电压范围为

–
6V
。

(3)
高抗静电（高
2000V
。快速冲干扰。

ESD
保护），轻松过
图
9 STC89C52
片引脚图

控制部分是系统整机协调工作和智能化的核心部分，
采用
STC89C52RC
单片机实现控制
功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。

2
）单片机控制模块原理图
:
图
10 STC89C52
最小系统原理图

2.2.3

正、负输出可调稳压电源模块

1
）数字电位器
X9318
功能说明


如图< br>11
所示
X9318
数字电位器包含一个电阻阵列滑动开关一个控制区和非易失 性存
储器滑动端位置由一个三线接口控制电位器由包含
99
个电阻单元的电阻阵列和一 个滑
动开关网络组成在每个电阻单元的两端之间有抽头点可访问滑动终端滑动端的位置由
CS< br>、
U/D
和
INC
输入端控制滑动端的位置可存储在非易失性存储器中 在上电的操作中可
重新被调用该器件可用作一个三终端电位器以控制电压或用作一个两终端可变电阻以控
制电流
,
子数控电位器具备三个有力应用优势
:
固态电位器的可变性 和可靠性
;
基于计算
机数控的灵活性
;
用于存储多个电位器设置或数 据的非易失性存储器的保持性能良好
.
其
应用范围非常广泛。

图
11 X9318
引脚配置图

2
）正负输出可调电源原理分析：

正、负输出电压可调的直流电源。它主要 由两片
LM2596
电源降压调整器（
150KHz
，
3A
）构成，电路十分简单能输出±
15V
的电压，通过滑动变阻器可调节电压。由于该设计
预定额定电流为
,
最大输出电压为
15V
，所以选用
S9012< br>。
Q1
管和电阻
R7
、
R8
、
R9
、
Q2
管
和电阻
R11
、
R22
、
R18
为过流保护部分。
当输出电流大于时，
R8
和
R11
上的压 降为使得
Q1
、
Q2
管导通，达到过流保护的功能。电阻
R7
、
R18
对
Q1
、
Q2
管基极分流，使三极管基极电流明显变小，降低三极管的功耗，保护三极管。光耦
U6
、
U7
、
U9
起隔离作用；光耦
U3
、
U8
起电平转换作用，保证单片机接 收到电平信号便于实现逻辑控制。

3
）正负输出可调电源原理图

图
12
正负输出可调电源原理图

按键模块


图
13
按键模块原理图

系统共设置了
8
个独立 按键，
16
个矩阵按键
,
实现对单片机的控制。


软件设计

主程序流程

开
初
始
按
键
按键处
控
制
数
字
过流保护序流程


判断
是
否过
NO

过流

关断
LM2596

打开
LM2596


三、

测试、结果及分析


观察系统运行状况，并辅助示波器、万用表得到以下结果。

3
．
1

基本功能

1)

基本功能实现情况
:

正电压可调电源的输出电压在可调
,
负电压在可调，稳压模块固定输出
+5v
。
+15v
可调电源
模块< br>Io=
，
Uo=
，
Ii=
，
Ui=
，η=%
；
-15v
可调电源模块
Io=
，
Uo=
，
Ii=
，
Ui=
，η
=77%
效率
为，
DC/DC
输入端已预留电流测量端
CU
控制接口已预留
。

2
）以下是固定
5V
输出测试数据
(10
组
)


1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

预置电压
v











输
入
电
流
264

364

464

564

664

764

864

964

1385

2452

mA

实测电压
v











相对误差

0

0









3)
电压输出特性图

4
）以下是可调电源测试数据

1
、当输出最大时

+15V
可调输出电压最大时（
Uo=
）
：

Uin
Iin
Uout
Iout
Pin
Pout
?