数控直流电源硬件设计 (毕业设计40页、16983字)
摘要：本文主要论述了一种基于AVR单片机为核心控制器的数控直流电源的设计原理和实现方法。该电源具有电压可预置、可步进调整、输出的电压信号和预置的电流信号可同时显示功能。文章介绍了系统的总体设计方案，并详细阐述了各系统模块，其主要由微控制器模块、稳压控制模块、电压/电流采样模块、显示模块、键盘模块、电源模块五部分构成。该系统原理是以ATmega8单片机为控制单元，以数模转换芯片DAC0832输出参考电压控制电压转换模块LM350输出电压大小，同时输出稳压、恒流采用单片机闭环控制。文章最后对数控直流电源的主要性能参数进行了测定，证明该系统已达到设计要求，并对其发展前景进行了展望。
关键词：单片机（MCU）；数模转换器（DAC）；闭环控制
The hardware design of numerical
control DC power supply
Abstract: The method of this paper based on the AVR microcontroller core of the numerical controller DC power supply design theory and realization. The power supply has some functions such as presetting voltage, stepping adjustment, displaying the output voltage signals and the presetting current signals at the same time. This paper introduces a general designing plan of the system, and shows a detailed explanation of the system module, which is mainly consisted of micro-controller module, DC Regulators module, voltage/current sampling module, display module, keyboard module, power supply module. The design principle is based on the ATmega8 microcontroller for the control unites, and a digital-to-analog converter chip DAC0832 output reference voltage to control the outputing voltage size of voltage conversion module LM350 while microcontroller closed-loop control is used of outputing Regulators and constant current. In the end, the paper mensurates the primary parameter of high-precision programmable digital power supply. And it confirmed that the system has reached the anticipating objective and the prospect is forecasted.
Keywords: microcontroller (MCU)， the Digital to Analog (DAC)， the closed-loop control
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题的主要内容 2
1.4 论文的总体结构 3
第2章 电源设计方案与论证 4
2.1 系统设计思路 4
2.2 MCU的选择 5
2.3 DAC的选择 5
2.4 输出控制方案选择 6
2.5 恒流源方案选择 6
2.6 供电方案选择 7
2.7 人机交互单元的选择 7
第3章 系统电路原理及硬件实现 9
3.1 系统总体框图 9
3.2 系统模块电路设计 10
3.2.1 单片机控制模块 10
3.2.2 稳压控制模块 12
3.2.3 电压与电流采样模块 15
3.2.4 供电模块 18
3.2.5 人机交互模块 18
3.3 系统整体原理图 20
第4章 系统的软件设计 21
4.1 设计思路与系统框图 21
4.2 系统软件流程 22
第5章 系统测试与抗干扰措施 24
5.1 系统指标测试 24
5.1.1 测试仪器 24
5.1.2 测试方法 24
5.1.3 误差测量 25
5.2 系统误差分析与输出精度 26
5.2.1 系统误差分析 26
5.2.2 输出精度 27
5.3 电源的噪声及抑制措施 27
5.3.1 噪声的来源 27
5.3.2 抑制措施 28
结论 30
致谢 32
参考文献 33
附录1 系统整体原理图 34
附录2 系统主板PCB电路图 35
附录3 系统供电PCB电路图 35
第1章 绪 论
本章节主要介绍论文研究的课题背景和意义，国内外发展现状，以及它所涉及的相关技术理论，以及本人在这之中所做的工作。
1.1 研究背景及意义
人类的经济活动已经到了已经到了工业经济时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展时期。直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源来供电[1]。而整个稳压过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。然而这种传统的直流稳压电源功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通的直流稳压电源品种有很多, 但均存在以下二个问题: 1) 输出电压是通过粗调(波段开关) 及细调(电位器)来调节。这样, 当输出电压需要精确输出, 或需要在一个小范围内改变时,困难就较大。另外, 随着使用时间的增加, 波段开关及电位器难免接触不良, 对输出会有影响。2) 稳压方式均是采用串联型稳压电路, 对过载进行限流或截流型保护, 电路构成复杂,稳压精度也不高[2]。
从上面我们能看出传统的直流稳压电源已经不能满足现在需要，但是在各类电子设备和一些家用电器中，通常又都需要电压稳定的直流电源供电。而在我们实际生活中电源往往都是由220V 的交流电网供电，那么这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。其中滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波，一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成，若由晶体管滤波器来替代，则可缩小直流电源的体积，减轻其重量，且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源，这既降低了家用电器的成本，又缩小了其体积，使家用电器小型化。然而传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节,并由电压表指示电压值的大小. 因此,电压的调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损。而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足，并且数控直流电源与传统稳压电源相比，具有操作方便、电压稳定度高的特点。它的纹波电压低，电压调节精确，输出电压大小采用数字显示，直观易读。电路大部分使用集成电路，从而使调试简单、性能优良、故障率低、使用寿命长[3]。
1.2 国内外研究现状
随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。电源——作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。从80年代的第一代分布式供电系统开始转向到20世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，直流/直流电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制[4]。
然而，早在90年代中，半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术，而在当时，这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势，因而无法被广泛采用。由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注，电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。而如今随着直流电源技术的飞跃发展, 整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制, 从而使直流电源智能化, 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能, 基本实现了直流电源的无人值守。并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。如：扬州鼎华公司近年来结合美国Sorensen Amrel等公司的先进技术，成功开发了单机最大功率120KW智能模块电源，可以并联32台（可扩展到64台），使最大输出功率可以达到7600kW以上。智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选[5]。
1.3 课题的主要内容
1.如何实现对电源的输出控制
系统设计的目的是要用微处理器来替代传统直流稳压电源中手动旋转电位器，实现输出电压的连续可调，精度要求高。实现的途径很多，可以用DAC的模拟输出控制电源的基准电压或分压电阻，或者用其它更有效的方法，因此如何选择简单有效的方法是本课题需要解决的首要问题。
2.数控直流电源功能的完备
数控直流稳压电源要实现电压的键盘化输出控制，同时要具备输出、过压过流保护及数组存贮与预置等功能。另外，根据要求电源还应该可以通过按键选择一些特殊的功能。如何有效的实现这些功能也是课题所需研究解决的问题。
3.性能指标
输出最大电压:30V
输出最大电流:2A
电压步进:0.1V
电流步进:2mA
纹波和噪声:≤5mVrms
电压分辨率:20mV
1.4 论文的总体结构
第一章简要介绍课题的背景、意义、国内外研究现状，综述课题研究的目的、技术，介绍本文的主要研究内容。
第二章提出了数控直流电源的总的设计思路和几种实现方案论证，意义，及相关系统功能，对这些方案的可行性进行比较分析，选择了一种基于AVR单片机系统的数控直流电源的方案，并对直流稳压电源的基本设计思想与方法进行了阐述。
第三章模块化详细阐述了数控直流稳压电源的系统整体结构和设计框图，包括数据单片机控制模块、电压控制模块、电压/电流采样模块、电源模块及人机交互接口。
第四章主要阐述了数控直流电源的软件系统和软件设计流程。
第五章对数控直流电源的性能参数进行测量与评估，以及抗干扰措施进行了介绍。
第六章对本数控直流电源的给出了本课题的测试结论，并对其发展前景进行了展望。
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