51單片機數(shù)控恒壓源Multisim仿真電路+程序+PCB文件等資料

第一章 直流穩(wěn)壓電源的基本原理

在電子電路中，通常都需要電壓穩(wěn)壓的直流電源供電。日常生活中也需要將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，形成直流穩(wěn)壓電源。一般直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成。

圖1 直流穩(wěn)壓電源的工作原理

  電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗�需要的電壓值，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般10%左右的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。

1.1 整流電路

整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要靠二級管的單向?qū)щ娮饔�。因此二極管是構(gòu)成整流電路的關(guān)鍵元件。常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流。我主要研究了單項橋式整流電路。

1.1.1 單相橋式整流電路

圖2   單相橋式整流電路

圖2中Tr為電源變壓器，它的作用事將交流電網(wǎng)電壓變成整流電路要求的交流電壓。單相橋式整流電路是由四個二極管接成電橋的形式構(gòu)成的。設(shè)電源變壓器二次側(cè)電壓U=Usinwt(v)，在U的正半周，極性為上正下負，此時二極管D1、D3承受正向電壓而導(dǎo)通，D2、D4反向截止，電流i的通路是aD1RLD3b。負載RL上又得到半波電壓。在U的負半周，極性為上正下負，此時二極管D2、D4導(dǎo)通，D1、D3反向截止，電流i的通路是bD2RLD4a。負載RL上又得到半波電壓。RL上得到的電壓U是單方向全波脈動(圖3)。

圖3  單相橋式整流濾波電路波形圖

要使之接近于理想的直流電壓，在整流之后需加濾波電路，將單向脈動電壓中的交流分量盡量多地濾掉。

1.2 濾波電路

濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負載串聯(lián)電感器L，以及由電容、電感組合而成的各種復(fù)式濾波電路。濾波電路的形式有很多，分為電容輸入式和電感輸入式。

1.2.1電容濾波電路

采用一只容量較大的電解質(zhì)電容器，所以要注意其極性，其正極要接電路高電位端，負端要接電路低電位端。若極性接反，過高的反向電壓可能擊穿電容器。

圖4 橋式整流、電容濾波電路

圖5 交流電壓U的波形

如圖4，由于電容C1并聯(lián)在負載電阻R1上，所以電容C1兩端的電壓就是負載的電壓，交流電壓U的波形（如圖5）；假設(shè)，電路接通時，恰恰在電壓U由負到正過零的時刻，這時二極管開始導(dǎo)通，電壓U通過二極管向電容C1充電，由于二極管的正向電阻很小，所以充電時間常數(shù)很小，電壓將隨著電壓U按正弦規(guī)律逐漸升高，當U增大到最大值時，也隨之上升到最大值。然后U開始下降，也開始下降，但他們按不同規(guī)律下降，U按正弦規(guī)律下降，而電容C1則通過負載R1放電，電容端電壓按指數(shù)規(guī)律下降，由于放電時間常數(shù)較大，下降緩慢。除了剛過最小值的一小段時間內(nèi)，仍有=U的關(guān)系外，之后就出現(xiàn)U<的情況，二極管承受反向電壓，處于截止狀態(tài)。電壓按指數(shù)規(guī)律緩慢下降到wt=2以后，雖然電壓U又為正值，但由于U<，二極管仍然不能導(dǎo)通。直到U>以后，二極管才又導(dǎo)通，電容C1由放電狀態(tài)重新變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，又隨著U上升。如此繼續(xù)下去，電壓也就是負載電壓就變得平滑了，因而負載電壓的平均值也有所增大了。如果電容濾波電路接于橋式整流電路，則在交流電壓的一個周期內(nèi)，電容C1有兩次充、放電，其放電時間比上述半波整流后所接電容濾波電路要短，故輸出電壓更為平滑。電容濾波使整流輸出電壓波形變得平直的原因，還可以從電容C1對脈動電流中的交流成分具有旁路作用來理解。由于電容C1與負載電阻R1并聯(lián)，C1的容量愈大，整流后所得的脈動電流交流分量的頻率愈高，則電容C1的榮康、、容抗愈小，而電阻R1 的阻值與頻率無關(guān)，因此，脈動電流中的交流成分主要通過電容C1而被旁路，R1上的電流和電壓便較為平直了。

1.2.2 電感濾波電路

圖6 電感濾波電路

如圖6是電感濾波電路，它是在整流電路的輸出端和負載電阻R之間串聯(lián)一個電感線圈。電感中流過的電流發(fā)生變化時，線圈中要產(chǎn)生自感電動勢阻礙電流的變化。當電流增加時，自感電動勢的方向與電流方向相反，自感電動勢阻礙電流的增加，同時將能量儲存起來，使電流增加緩慢。反之，當電流減小時，自感電動勢的方向與電流的方向相同，自感電動勢阻止電流的減小，同時將能量釋放出來，使電流減小緩慢，因而使負載電流和負載電壓脈動大為減小。

如果要求輸出電流較大，輸出電壓脈動很小時，可在電感濾波電路之后再接電容C。組成LC濾波電路。電感濾波之后，利用電容再一次濾掉交流分量，這樣，便可得到更為平直的直流輸出電壓。上面討論的整流濾波電路，輸出電壓已較平滑，但卻不穩(wěn)定，當用一個不穩(wěn)定的電壓對負載供電時，會引起負載工作不穩(wěn)定，甚至不能正常工作。為了得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，在整流濾波電路之后，需要增加穩(wěn)壓電路。

1.3 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路用的比較多是用集成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路。如圖7是集成穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，由集成穩(wěn)壓管7805構(gòu)成穩(wěn)壓電路。

圖7 硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

第二章 數(shù)控恒壓源的實現(xiàn)方案

傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源輸出是通過粗調(diào)波段開關(guān)及細調(diào)電位器來調(diào)節(jié)的，并由電位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、穩(wěn)壓精度不高、不易調(diào)準、電位構(gòu)成復(fù)雜、體積大等缺點，而基于單片機控制的數(shù)控直流電源不但實現(xiàn)了直流穩(wěn)壓的功能，而且沒有上述的缺點。

2.1 設(shè)計目標

2.2 實現(xiàn)框圖

整個電源（如圖10）分成三個主要部分：供電部分、穩(wěn)壓輸出部分和數(shù)控部分。

圖8 穩(wěn)壓直流電源總框圖

第三章 供電和穩(wěn)壓輸出部分

3.2 供電和穩(wěn)壓輸出部分電路圖

這部分將數(shù)控部分送來的電壓控制字轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定電壓輸出，電路主要由供電、整流濾波、穩(wěn)壓輸出、過流保護和延時啟動等幾部分組成。（如圖10）

D/A轉(zhuǎn)換部分的輸出電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例。穩(wěn)壓輸出電路采用的是串聯(lián)式反饋穩(wěn)壓電路（如圖9），在電路中，Q1—C519為調(diào)整管，UA—LM358 為比較放大器，R9、R10，R1，組成反饋網(wǎng)絡(luò)。D/A轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓DAOUT接到 UA 的同向端，穩(wěn)壓電源的輸出經(jīng)R19、R10，R1，組成的取樣電路分壓后送到運放UA的反向端，經(jīng)運放比較放大后，驅(qū)動調(diào)整管Q1。當電路平衡時，D/A電路的輸出電壓與取樣后的電壓相等。

穩(wěn)壓輸出部分的過流保護電路由R21和Q2組成。設(shè)為保護動作電流，則當電源輸出電流I增加到時，R21上的壓降*R21使得Q2管導(dǎo)通，分掉了Q1上的基極電流，使輸出I不再增加，起到了過流保護作用。

              電路供電部分

圖10穩(wěn)壓輸出部分

第四章 數(shù)字控制部分

4.1 單片機部分

圖11 單片機控制部分

控制部分是系統(tǒng)整機協(xié)調(diào)工作和智能化管理的核心部分，采用STC12C5A60S2單片機實現(xiàn)控制功能是其關(guān)鍵，采用單片機不但方便監(jiān)控，并且大大減少硬件設(shè)計。

4.2 D/A轉(zhuǎn)換部分

系統(tǒng)設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換接口，采用美國TI 公司的高速串行10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5615串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

圖12 D/A轉(zhuǎn)換部分

D/A轉(zhuǎn)換部分的輸出電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例。10位字長的D/A轉(zhuǎn)換器具有1024種狀態(tài)。當電壓控制字從0，1，2，……到1024時，電源輸出電壓為0.0，0.01，……10.0。

TLC5615是十位的串行輸入電壓輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

其時序圖如圖13：

　　　　　　　　　圖13　TLC5620 數(shù)模轉(zhuǎn)換時序圖

Clk為時鐘端，Data為輸入數(shù)據(jù)，LOAD為輸入控制信號。

每路電壓輸出值的計算：

  

REF為參考電壓，data為輸入8位的比特數(shù)據(jù)；

我們這里用的REF=2.5v；

4.3 A/D轉(zhuǎn)換部分

4.4 繪制PCB

圖15 總電路的PCB

4.5 總電路軟件實現(xiàn)流程圖

本文先對直流穩(wěn)壓電源原理進行了論述，主要是對整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等幾部分功能進行了論述；，最終確定了數(shù)控恒壓源的方案。繪制PCB版，制作完成硬件部分，然后對硬件進行了測試；編寫單片機程序?qū)崿F(xiàn)軟件部分；通過對整個數(shù)控衡壓源的調(diào)試完善，最終實現(xiàn)了數(shù)控恒壓源的制作，實現(xiàn)了數(shù)字控制穩(wěn)定電壓輸出的功能。但在制作上還有進一步提高的可能，如開機預(yù)置電壓輸出，過流保護警報指示等等。

單片機源程序如下:
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2019-7-18 16:03 上傳

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