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目錄 1 前言....................................................................... 1 1.1研究目的及意義....................................................... 1 1.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向............................................... 2 1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r....................................................... 3 1.4 系統(tǒng)研究方向及研究方法.............................................. 4 1.5論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容................................................... 5 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.............................................................. 6 2.1常用穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)..................................................... 6 2.2基于單片機(jī)的穩(wěn)壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)......................................... 9 3 主要器件介紹............................................................. 11 3.1 AT89C51簡(jiǎn)介........................................................ 11 3.2 DAC0832工作原理.................................................... 12 3.3數(shù)碼管顯示原理...................................................... 14 4 硬件電路與數(shù)據(jù)測(cè)試....................................................... 19 4.1整流濾波、初步穩(wěn)壓.................................................. 19 4.2 AT89C51主控部分.................................................... 20 4.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC0832.................................................... 20 4.4穩(wěn)壓部分............................................................ 21 4.5顯示電路............................................................ 22 5 軟件設(shè)計(jì)................................................................. 23 5.1 開(kāi)發(fā)工具介紹....................................................... 23 5.2 軟件流程圖......................................................... 24 6 數(shù)據(jù)測(cè)試與結(jié)果分析.......................................................25 結(jié)束語(yǔ)................................................................. 27 致謝................................................................... 27 參考文獻(xiàn)............................................................... 28 附錄一 系統(tǒng)源程序...................................................... 29 附錄二 系統(tǒng)電路原理圖.................................................. 35 附錄三 系統(tǒng)PCB圖...................................................... 36 附錄四 電裝實(shí)物圖.......................................................37
1 前言
本章將簡(jiǎn)要介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的及意義，直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外電源技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究方向及研究方法，論文構(gòu)成及系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容等。
1.1研究目的及意義
在當(dāng)代科技與經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過(guò)程中，電源起到了關(guān)鍵性的作用。電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)，電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)也給電源提出了更高的要求。普通電源在工作時(shí)所產(chǎn)生的誤差，很明顯地影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度，在使用時(shí)可能造成很多不良后果，隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，由電源引起的故障大大降低，因此電源的數(shù)字化控制無(wú)疑是人們追求的目標(biāo)之一，它所給人帶來(lái)的方便也是不可否定的。其中，數(shù)控直流穩(wěn)壓電源就是一個(gè)典型例子，人們對(duì)它的要求也越來(lái)越高，要想為現(xiàn)代人的工作、科研、生活提供更好的、更方便的設(shè)施就需要從數(shù)字電子技術(shù)入手，一切向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。
另外，對(duì)我們學(xué)生而言，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有一個(gè)穩(wěn)定可調(diào)的直流電源也是很有必要的，在很大程度上方便了我們的實(shí)驗(yàn)操作，提高實(shí)驗(yàn)的精確度。因傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓是通過(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，并由電壓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、電位器易磨損、穩(wěn)壓精度不高、不易調(diào)準(zhǔn)、電路構(gòu)成復(fù)雜、體積大等缺點(diǎn)，而基于單片機(jī)控制的數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源能較好地解決了以上問(wèn)題。
本題采用單片機(jī)和其它元器件及外圍電路，開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源。能夠步進(jìn)調(diào)節(jié)輸出電壓值，具有電壓值輸出顯示等功能。通過(guò)此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓開(kāi)發(fā)者更深刻的掌握單片機(jī)基本原理，并熟悉一些外圍電路的擴(kuò)展，以及進(jìn)一步提高C語(yǔ)言的硬件編程能力。
1.2直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向
1.2.1智能化
目前在研制高精度、高性能、多功能的測(cè)量控制儀表時(shí)，幾乎沒(méi)有不考慮采用微處理器的。以微處理器為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測(cè)量控制儀表”。智能儀器解決了許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時(shí)還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動(dòng)力源”，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應(yīng)當(dāng)智能化。具體地說(shuō)，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應(yīng)當(dāng)具有以下功能特點(diǎn):
①操作自動(dòng)化。系統(tǒng)的整個(gè)測(cè)量過(guò)程如鍵盤掃描、量程選擇、開(kāi)關(guān)啟動(dòng)閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用微控制器來(lái)控制操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程的全部自動(dòng)化。
②具有自檢測(cè)功能。包括自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)故障檢測(cè)與狀態(tài)檢驗(yàn)、自動(dòng)校準(zhǔn)、自診斷及量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)出故障的部位甚至故障的原因。
③具有友好的人機(jī)對(duì)話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開(kāi)關(guān)，操作人員只需通過(guò)鍵盤輸入命令，就能實(shí)現(xiàn)某種測(cè)量功能。與此同時(shí)，智能直流穩(wěn)壓電源還通過(guò)顯示屏將儀器的運(yùn)行情況、工作狀態(tài)以及測(cè)量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時(shí)告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。
④網(wǎng)絡(luò)管理能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源通過(guò)RS232接口實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)通信，從而使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可以隨時(shí)監(jiān)視電源設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)定時(shí)開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)機(jī)等功能。
1.2.2數(shù)字化
在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模擬信號(hào)來(lái)設(shè)計(jì)和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號(hào)、數(shù)字電路顯得越來(lái)越重要，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來(lái)越多的優(yōu)點(diǎn)：便于計(jì)算機(jī)處理控制、避免模擬信號(hào)的畸變失真、減小雜散信號(hào)的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)，也便于自診斷、容錯(cuò)等技術(shù)的植入。
1.2.3模塊化
電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化；其二是指電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余，需要提高對(duì)可靠性方面的考慮，一般采用多個(gè)獨(dú)立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔(dān)負(fù)載電流，一旦其中某個(gè)模塊失效，其它模塊再平均分擔(dān)負(fù)載電流。極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬(wàn)一出現(xiàn)單模塊故障，也不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。
1.2.4 綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對(duì)環(huán)境的污染；其次，這些電源不能(或少)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC對(duì)此制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，如IEC555、 IEC917等。20世紀(jì)末，各種有源濾波器和有源補(bǔ)償器的方案誕生，為21世紀(jì)批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)[7]。
1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
電力電子技術(shù)已發(fā)展成為一門完整的、自成體系的高科技技術(shù)，電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)的范疇。電源技術(shù)主要是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)的，信息技術(shù)的發(fā)展又對(duì)電源技術(shù)提出了更高的要求，從而促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展，兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。迄今為止，電源已成為非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，并廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，從日常生活到最尖端的科學(xué)都離
不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持，其發(fā)展趨勢(shì)為高頻、高效、高密度化，低壓、大電流化和多元化。同時(shí)，封裝結(jié)構(gòu)、外形尺寸日趨接近國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化，以適應(yīng)全球一體化市場(chǎng)的要求。
在我國(guó)，以電力電子學(xué)為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀(jì)60年代中期開(kāi)始形成，到了90年代以來(lái)，電源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；一方面，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識(shí)指導(dǎo)下，我國(guó)電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國(guó)際先進(jìn)水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品，目前國(guó)內(nèi)還開(kāi)展了跟蹤國(guó)際多方面前沿性課題的研究和基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國(guó)電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在著很大的差距和不足：在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開(kāi)發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進(jìn)檢測(cè)設(shè)備、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10-15年，尤其在實(shí)現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多。目前國(guó)內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學(xué)和廣州華南理工大學(xué)，主要是利用單片機(jī)和可編程系統(tǒng)器件(PSD)來(lái)控制開(kāi)關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)制化電壓?jiǎn)卧_(dá)到數(shù)控的目的，但和國(guó)外的比較起來(lái)，效果不是很理想，還有很大的差距。國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對(duì)輸出顯示實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置。總體說(shuō)來(lái)，國(guó)內(nèi)直流穩(wěn)壓電源技術(shù)在實(shí)現(xiàn)智能化等方面相對(duì)落后，面對(duì)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，是個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外電源產(chǎn)業(yè)中，占主導(dǎo)地位的產(chǎn)品有各種線性穩(wěn)壓電源、通訊用的AC/DC開(kāi)關(guān)電源、DC/DC開(kāi)關(guān)電源、交流變頻調(diào)速電源、電解電鍍電源、高頻逆變式整流焊接電源、中頻感應(yīng)加熱電源、電力操作電源、正弦波逆變電源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆變電源、風(fēng)光互補(bǔ)型電源等。而產(chǎn)品價(jià)格、性能指標(biāo)、品牌效應(yīng)及使用壽命一直是用戶最關(guān)心的問(wèn)題。這就促使國(guó)內(nèi)外電源生產(chǎn)商朝著應(yīng)用技術(shù)數(shù)字化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化智能化的方向發(fā)展。
1.4 系統(tǒng)研究方向及研究方法
本系統(tǒng)研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數(shù)字化以及模塊化的特點(diǎn)。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制。數(shù)字化主要是指系統(tǒng)輸出電壓通過(guò)LED數(shù)碼管顯示，并且可以通過(guò)按鍵對(duì)輸出電壓進(jìn)行連續(xù)步進(jìn)數(shù)字化調(diào)節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個(gè)相關(guān)模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。
此次畢業(yè)設(shè)計(jì)從一開(kāi)始選題就目的明確，畢業(yè)設(shè)計(jì)課題確定下來(lái)后，通過(guò)運(yùn)用大學(xué)四年所學(xué)的專業(yè)知識(shí)和查閱參考了一系列的資料加以完成。針對(duì)題目的要求，首先對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行規(guī)劃，例如：要用到什么模塊，模塊應(yīng)該怎樣分布，怎么協(xié)調(diào)好這些模塊。然后針對(duì)方案的可行性進(jìn)行反復(fù)的參照對(duì)比，敲定最終設(shè)計(jì)方案，在敲定方案之后，查閱參考相關(guān)資料進(jìn)行硬件電路的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)軟件模塊也同步進(jìn)行，經(jīng)過(guò)不斷的檢測(cè)、編譯，將正確的代碼燒寫入單片機(jī)存儲(chǔ)單元中，最后一次次的調(diào)試系統(tǒng)，通過(guò)不斷的修改來(lái)完善系統(tǒng)。
1.5論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容
本文總體概括了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源的原理、著重介紹了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。在各章節(jié)中，突出講述了各功能模塊的設(shè)計(jì)思路，具體設(shè)計(jì)情況，以及模塊之間的聯(lián)系。
本系統(tǒng)主要研究數(shù)字式可調(diào)穩(wěn)壓電源如何實(shí)現(xiàn)數(shù)控、穩(wěn)壓和電壓輸出顯示等，其中包含一些必要的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。
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