高精度智能遥控式数控电源设计.docx
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高精度智能遥控式数控电源设计
摘要
目前不少直流稳压电源仍然采用电位器和波段开关来调节电压,由电压表指示电压值的大小,所以调整精度不高,读数欠直观,电位器也易磨损。
本设计研究一种以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的设计,该电源采用数字调节、输出精度高,同该电源具有电压预置、输出的电压信号和电流信号可同时显示功能。
相比传统直流稳压电源的电路结构复杂、易受外界干扰、可靠性差、成本高,其适宜用于对电源精度要求较高的场合,具有低功耗、性能可靠、结构简单、使用方便和通用性好等特点。
特别是针对常用数控直流电源因按键输入抖动带来的不良影响,电源采用遥控器发射。
当红外信号采集电路采集到红外信号发射电路发出的信号时,就会发出一个应答信号,单片机通过已设定的程序对该信号进行处理从而获取红外遥控的按键值。
其次,单片机通过已设定的按键程序对接收到的按键值进行处理,对应地输出相应的数值给DA转换器,获得相应的模拟电压;然后再该电压进行放大和稳压,从而获得稳定的电压输出该系统原理是以单片机为控制单元,以数模转换芯片输出参考电压控制电压转换模块输出电压大小。
文章介绍了系统的总体设计方案和软硬件的调试,其硬件电路主要由红外接收模块、显示模块、最小系统模块、遥控器、稳压控制模块、电源模块六部分构成。
最后对数控直流电源的主要性能参数进行了测定和总结。
【关键词】高精度红外遥控单片机电压可调
ABSTRACT
AlargenumberofDCpowersupplystillusesthepotentiometerandthebandswitchtoadjustthevoltage,thevoltmeterindicatesthevoltagevalueofthesizeoftheadjustmentaccuracyisnothigh,duetointuitivereadings,thepotentiometerisalsoeasytowear.Thedesignofakind,intelligentprecisionmicrocontrollerasthecoredesignofsimpleDCpowersupply,thepowersupplywithdigitalregulator,theoutputofhighprecision,withthepowersupplyhasavoltageispreset,theoutputvoltageandcurrentsignalsatthesametimedisplay.ComparedtothetraditionalDCpowersupplycircuitcomplex,susceptibletoexternalinterference,poorreliability,highcost,itssuitableforhighprecisiononthepoweroftheoccasion,withtheendofpowerconsumption,reliableperformance,simplestructure,easytouseandVersatilityisgood.EspeciallyforcommonlyusednumericalkeyinputDCpowersupplyduetotheadverseeffectsofjitter,powersupplyusingtheremotecontroltransmitter.Whentheinfraredsignaltotheinfraredsignalacquisitioncircuitcollectingasignaltransmittingcircuit,itwillsendaresponsesignal,themicrocontrollerissetbythesignalprocessingproceduretoobtaintheinfraredremotecontrolkeyvalue.Second,theSCMkeyprocesshasbeensetbythereceivedkeyisthevaluecorrespondingtotheoutputvaluescorrespondingtotheDAconverter,toobtainthecorrespondinganalogvoltage;Thenamplifiedandthevoltageregulator,toobtainastablevoltageoutputofthesystemcontrolunitMCUisbasedontheprinciple,todigital-analogconverterchipreferencevoltageoutputcontrolvoltageconversionmodulethesizeoftheoutputvoltage.Thispaperintroducestheoverallsystemdesignanddebughardwareandsoftware,thehardwarecircuitbytheinfraredreceivermodule,displaymodule,theminimumsystemmodule,remotecontrol,regulationcontrolmodule,powermodulesixparts.Finally,numericalcontrolDCpowersupplykeyperformanceparametersweremeasuredandsummarized.
朗读
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【Keywords】PrecisionInfraredRemoteControlSCMAdjustablevoltage
前言
从上世纪九十年代末起,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。
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。
直流稳压电源是最常用的仪器设备,在科研及实验中都是必不可少的。
数控电源采用遥控发射,可对输出电压进行设置,输出由单片机通过D/A,控制驱动模块输出一个稳定电压。
工作过程中,稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态)均由单片机输出驱动LCD显示,由遥控器控制进行动态逻辑[9]切换。
以单片机为核心的智能化高精度简易直流电源的,电源采用数字调节[5]、输出精度高,特别适用于各种较高精度要求的场合。
电源采用数字控制,具有以下优点:
1、易于采用先进的控制方法和智能控制策略,使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。
2、控制灵活,系统升级方便,甚至可以在线修改控制算法,而不必改动硬件线路。
3、控制系统的可靠性提高,易于标准化,可以针对不同的系统(或不同型号的产品),采用统一的控制板,而只是对控制软件做一些调整即可
4、系统的一致性好,成本低,生产制造方便。
由于软件控制,控制板的体积将大大减小,花费的成本低。
本文所介绍的数控直流稳压电源与传统的稳压电源相比,具有操作方便,电压稳定度高的特点,其输出电压大小采用数字显示,主要用于要求电源精度比较高的设备,或科研实验电源使用,并且此设计,有用到单片机,D/A转换器,液晶显示等电路,具有控制精度高,制作比较容易等优点。
第一章数控电源的概述
第一节研究动态及意义
电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术,服务于各行各业。
当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域。
直流稳压电源是电子技术常用的仪表设备之一,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试验操作和科学研究不可缺少的电子仪器。
在电子电路中,通常都需要电压稳压的直流电源来供电。
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、复杂度高。
普通的直流稳压电源品种很多,但均存在以下二个问题:
输出电压是通过粗调及细调来调节。
这样,当输出电压需要高精度输出,或需要在一个小范围内改变时,困难就比较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器[12]难免接触不良,对输出精度会有影响。
而现在的数控电源则很难出现这种问题,其发展也相对比较成熟。
数控电源是从80年代才真正的发展起来的,期间系统的电力电子理论开始建立。
这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。
在以后的一段时间里,数控电源技术有了长足的发展。
但其产品存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性比较差的缺点。
因此数控电源主要的发展方向,是针对上述缺点不断加以改善。
单片机技术[4]及电压转换模块的出现为精度数控电源的发展提供了有力的条件。
新的变换技术和控制理论的不断发展,各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用,到90年代,已出现了数控精度达到0.05V的数控电源,功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。
当今国外,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。
数控稳压电源是电子行业发展的必然产物。
近年来,随着电子技术的发展可调稳压电源应用的越来越广泛。
目前,由各种单片机构成的数字稳压电源产品越来越多,已被广泛用于家庭电器、工业电器、军事电器等领域,显示出强大的生命力。
与此同时,由于它扩展能力很强,功能日趋完善而扩展到人们生活的各个方面。
一般文献基于单片机为控制单元[1],单片机能够带来的功能可分为四类:
控制、监测、判断性功能及通信实现方法,而对于如何实现还未进行深入的探究.本设计将对上述问题作全面讨论和分析。
由于现有的简易数控电源常常设定电压时由于按键的原因导致电压不准,且操作不够方便。
高精度智能遥控式数控电源不仅可以解决传统直流稳压电源的调节精度不高、经常跳变和使用麻烦的不足,而且也可以改善现有的简易数控电源因按键输入带来的影响,让其操作更方便、通用性更好、更易于维护,最重要的是它还能在近距离的范围内对电源的电压值进行调整。
因此,对智能遥控式数控电源的研究具有非常重要的实际意义。
同时直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。
传目前,市面上出售的大都是稳压电源,而研究和生产稳流电源的则比较少,且已有的稳流价格十分昂贵。
因此,发展适用、经济、性能可靠的直流稳流电源,有较为广阔的市场前景和应用价值。
通过在做这个东西的过程中,我自己学会了如何更好的去利用protel。
同时我提高了动手能力,比如:
焊接电路。
在查找资料的方面,也知道如何更好的取舍,最重要的是我接触了新的知识,并更深入的了解了电源设计的相关知识,拓展了我的知识面。
第二节国内外研究现状
从十九世纪90年代末起,随着对系统更高效率和更低功耗的要求,电信与数据通讯设备的技术更新推动电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。
在上世纪80年代的第一代分布式供电系统开始转向到上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。
随着科学技术的迅速发展,人们对物质要求也越来越高,特别是一些高新技术产品。
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,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厂商们便开始共同开发这种名为“数控电源”的新产品。
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。
智能模块[3]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。
第三节电源系统
一、直流稳压电源
直流稳压电源又称直流稳压器。
它的供电电压大都是交流电压,当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时,稳压器的直接输出电压都能保持稳定。
稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。
前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。
纹波系数表示在额定工作情况下,输出电压中交流分量的大小;后者表示输入电压或负载急剧变化时,电压回到正常值所需时间。
二、电源硬件组成
本文设计的系统硬件主要由单片机控制模块、D/A转换模块、红外发射和接收模块、液晶显示模块、稳压控制模块、电源模块六大部分组成。
其实现的原理:
当红外信号采集电路采集到红外信号发射电路发出的信号时,就会发出一个应答信号,单片机通过已设定的程序对该信号进行处理从而获取红外遥控的按键值。
其次,单片机通过已设定的按键程序对接收到的按键值进行处理,对应地输出相应的数值给DA转换器,获得相应的模拟电压;然后再该电压进行放大和稳压,从而获得稳定的电压输出该系统原理是以STC89C52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LM317输出电压大小。
第四节本章小结
本章主要介绍了电源的发展历史及动态,突出电源在现实生活中的重要性,同时对比了国内外研究成果。
最后,粗略的解释了直流稳压电源及系统的介绍了电源硬件设计的组成部分,并且描述了硬件实现原理。
第二章方案的设计与论证
第一节方案提出与确定
一、根据设计的任务与要求
本设计所设计的数控直流电源与传统稳压电源相比,要具有操作方便、电压稳定度高的特点,其输出电压大小采用数字显示。
是一种基于单片机的可调直流稳压电源,主要采用微处理来代替传统直流稳压电源中手动旋转电位器,实现输出电压在电源范围内步进可调,精度要求高。
输入220交流电,输出直流稳定的电压。
基本要求如下:
最高输出电压15V,最大输出电流1A。
电压步进0.1V。
波动范围小,输出稳定。
遥控按键操作方便,LCD显示界面。
二、特色及基本技术路线
低成本解决方案。
直观的实验效果。
经典理论验证平台先硬件后软件,先局部后整体。
三、设计思想
电压源电路[8]是在串联稳压电路的基础上实现,串联稳压电路以稳压管稳压电路为基础,利用放大器的电流放大作用,增大负载电流;在电路中引入深度负反馈使输出电压稳定,并且通过改变反馈网络使输出电压可调。
但本系统利用此原理实现开环电路对串联稳压电路做相应的变化,串联稳压电路的基准电压电路用DAC转换器输出后放大的模拟电压量控制,通过控制基准电压来控制输出电压。
数控模块可采用传统逻辑电路组成,如采用数字电路等,也可以采用单片机系统。
单片机系统具有灵活的接口[7]和在线编程能力,容易实现按键设置、显示以及测量功能等。
输出电压大小调节通过“+”、“-”按键操作,控制单片机的输出,输出分两路运行:
一路用于驱动液晶显示电路,指示电源输出电压的大小值;另一路进入D/A转换电路,D/A转换器将数字量按比例转换成模拟电压,然后经运放调整输出所需的稳定电压。
为了实现上述几部分电路的正常工作,需另制
15V和+5V的稳压直流电源。
系统以单片机STC89C52RC、D/A转换器为核心部件,通过单片机对输出电压进行采集、比较、运算,从而对输
出电压进行自动调节[6]控制。
四、本文设计三个方案
数控稳压电源是电子设备的重要部分,其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性,而且电子设备的故障大部分来自电源。
因此电源越来越受到人们的重视。
电子电路及电子设备对电源最基本的要求就是电源的输出电压或输出电流要稳定。
通过查阅大量资料,单片机控制部分、D/A转换部分和电源部分是本电路的核心部分。
方案一:
电路的可调稳压电路就是用一个多档开关来控制输出电压,而所谓的显示系统只是在多档开关的每个档的旁边注明电压值。
随着电子行业的发展,它不耐用的弊端已经使它逐渐离开历史的舞台。
方案二:
用D/A和运算放大器做电流源,即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流(电压);使用电压/电流采样电路,通过A/D转换实现闭环控制。
能有效的缩短调节时间,进一步提高输出精度。
但其结构复杂程度相对来说比较麻烦,成本高,不容易实现。
设计方案,器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。
液晶显示电路,系统使用LCD1602液晶显示屏,可以清晰地显示分别组成显示电路的十位、个位、小数点位,同时还能显示英文名称和电压/电流单位。
方案三:
用D/A和运算放大器做电流源,即采用D/A输出调节晶体管的偏值电流(电压);采用开环电路,能有效的缩短调节时间,相对的提高输出精度。
设计方案,其主要由微控制器模块、稳压控制模块、D/A采集模块、显示模块、红外发射接收模块、电源模块六大部分构成。
液晶屏显示电路,该系统使用LCD1602液晶显示屏,可以清晰地分别组成显示电路的十位、个位、小数点位,同时还能显示英文名称和电压/电流单位。
五、方案的确定
经过全方位的对比,使电路的设计更加合理化,切合技术指标的标准,确定使用方案三单片机控制的开环电路,其方法简洁、灵活、可扩展性好更加的适合这次毕业设计,并能够达到指标要求。
第二节方案的设计
经过对电路原理的分析,基本对电路有了一个大概的设计,如图2-1所示:
图2-1整体方框图
本电路通过遥控器按键设置数字电压值并且在LCD1602液晶器上显示,而设置的电压值通过单片机的P0口的8位数据线传输给D/A转换电路转换成模拟电压值,通过模拟放大器将电压放大后送给稳压电路最终输出。
各部分功能:
遥控器:
对预置电压的改变
D/A转换电路:
将数字电压转换成为模拟电压
显示电路:
用来显示预置电压
控制电路:
对稳压电路起到了控制作用
稳压电路:
输出恒定的电压
第三节本章小结
本章主要介绍了对课题的分析论证和方案的确定,以及方框图的设计及原理的阐述,在下章节中,将对课题中各单元电路的具体设计方案、元器件的选择作进一步的论述。
第三章系统电路原理及硬件实现
第一节系统结构
系统的总体设计方案主要具体由微控制器模块、可调稳压控制模块、D/A转换模块、电压放大模块、显示模块、遥控模块、电源模块七部分构成。
而第二章的方案三就很符合要求,其硬件结构如图3-1所示:
图3-1硬件结构
本文设计的高精度智能遥控式数控电源主要由以上模块电路构成。
当红外信号采集电路采集到红外信号发射电路发出的信号时,就会发出一个应答信号,单片机通过已设定的程序对该信号进行处理从而获取红外遥控的按键值。
其次,单片机通过已设定的按键程序对接收到的按键值进行处理,对应地输出相应的数值给DA转换器,获得相应的模拟电压;然后再该电压进行放大和稳压,从而获得稳定的电压输出该系统原理是以STC89C52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LM317输出电压大小。
第二节单元电路设计
一、单片机控制模块
1、STC89C52简介
STC89S52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读储存器的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失储存器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令和输出管脚相兼容。
该程序存储器为8K,外部可扩展至64KB,内部RAM为512B,可扩展至64KB,4组可位寻址的8位输入/输出口,即图中P0,P1,P2,P3。
有40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中断口,8个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,2个读写口线,STC89C52可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash储存器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash储存器可有效地降低开发成本。
在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
图3-2STC89C52RC引脚
2、引脚说明
主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源
GND(Pin20):
接地线
外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin18):
片内振荡电路的输出端
控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):
外部储存器读选通信号
EA/VPP(Pin31):
程序储存器的内外部选通按低电平从外部程序储存器读指令,如果接高电平则从内部程序储存器读指令。
可编程输入/输出引脚(32根)
STC89C52单片机有四组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3
口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
P0口(Pin39~Pin32):
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7
P1口(Pin1~Pin8):
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7
P2口(Pin21~Pin28):
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7
P3口(Pin10~Pin17):
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7
3、最小系统
单片机控制模块主要由单片机、晶振电路和复位电路组成,其图如3-3:
图3-3最小系统
整个控制都是依靠单片机完成。
从功能和价位以及本题目要求来看,本设计选择51系列STC89C52作为本方案的控制核心,P0口接液晶显示LCD1602作为输出数据显示传输,同时P2.0、P2.1、P2.2是液晶LCD控制端口;P1口接DAC0832作为输出数据传输,P1.0为DAC0832控制端口。
时钟电路
时钟是单片机的心脏,各部分都以时钟频率为基准,有条不紊的一拍一拍的工作。
因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
对于MCS-51系列的单片机,常用的时钟电路设计方式有内部时钟和外部时钟两种。
利用STC89C52单片机内部一个高增益的反相放大器,把一个晶振体和两个电容器组成自激励振荡电路,接于XTAL1和XTAL2之间。
这样振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路,振荡频率为12MHz,电容器为30pF电容。
复位电路
单片机在启动或断电后,程序需要从头开始执行,机器内全部寄存器、I/O接口等都必须重新复位。
复位方式有自动复位和手动复位两种。
在STC89C52RC的ALE及
两引脚输出高电平,RST引脚高电平到时,单片机复位。
端的高电平直接由上电瞬间产生为上电复位,即自动复位;若通过按动按钮产生高电平复位,则称为手动复位。
该复位电路在刚上电接通电源时,
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