数控稳压电源-大学生电子大赛.doc

2012年安徽省大学生电子设计竞赛试题 数控稳压电源（B题） 数控稳压电源摘要：通过学习稳压电源与交流调压知识来设计一个数控稳压电源。该数控稳压电源主要由自制+5V直流稳压电源、交流调压电路系统、STC12C5A60S2单片机最小系统、LCD12864显示模块、按键控制模块五部分组成。本文详细介绍数控稳压电源的软硬件组成及交流调压电路的工作原理。电源的软硬件都采用模块化的设计思想。自制的直流稳压电源将220V交流电转化成12V电压，经整流滤波后再通过7812、7912、7805稳压电路稳+12V、-12V、5V电压交流调压电路、单片机供电，通过单片机内部产生PWM脉冲信号给交流调压电路，交流调压电路将220V交流电调节成0180V交流电。显示模块用LCD12864，并通过正负按键控制输出电压步进0.5V。关键字：自制稳压电源、STC12单片机最小系统、LCD12864液晶、按键模块 目 录1引言1 1.1题目的分析1 1.2设计思路和特点12方案设计1 2.1整体方案设计框图1 2.2各模块组成部分2 2.2.1自制稳压电源模块2 2.2.2交流调压系统模块 2 2.2.3单片机最小系统模块2 2.2.4 LCD显示模块2 2.2.5按键模块2 2.3方案论证与选择2 2.3.1单片机的选择2 2.3.2交流调压系统的选择23设计实现3 3.1硬件的设计4 3.1软件的设计54测试5 4.1测试方法5 4.2测试仪器与过程5 4.3测试结果65结论6 5.1完成情况6 5.2心得体会6 5.3存在问题、努力方向6参考文献6 附录1：电路主原理图7附录2：源程序8 1引言1.1题目的分析本题要求设计一个数控稳压电源，主要由两部分组成。基本部分：输出交流电源，范围是0180V，步进0.5V。 输出电流：200mA。 有输出电压显示。 由“”、“”两键分别控制输出电压步进增减。 为实现上述几部件工作，自制一稳压直流电源，输出5V。 发挥部分：输出交流电压可预置在0.0180.0V之间的任意一个值。 输出电压值由液晶显示。 可输出直流电压：范围0220V，步进0.5V。经过分析与讨论，我们觉得本题实际上是要设计一个交流调压电源。1.2设计思路和特点我们组确定交流调压系统采用晶闸管电路。设计主要由自制稳压电源模块、交流调压系统模块、单片机最小系统模块、显示模块、按键模块组成，通过自制稳压电源给交流调压系统供电，再通过7805稳压电路稳5V电压给单片机供电。单片机内部输出PWM信号给交流调压电路，交流调压电路将交流电220V降压成0180V交流电，并通过LCD12864显示出来。同时设置“+”、“-”按键，分别控制输出电压步进增减。2方案设计2.1 总体方案设计框图：如图1 图1 2.2各模块组成部分2.2.1自制稳压电源模块：用变压器将220V交流电转变成12V交流电，通过整流桥及电容稳压管给交流调压系统供电，同时将12V直流电通过7805稳压电路稳压成5V给单片机供电。2.2.2 交流调压系统模块：采用晶闸管调压电路，晶闸管调压电路可以实现降压，将220V交流电直接变成0180V交流。从本质上讲，双向晶闸管是把正负2个半波拆开工作，通过控制双向晶闸管在正负半波的导通时间来控制输出交流电压的大小，成本更低，电路更简单。 2.2.3 单片机最小系统模块：单片机最小系统调节PWM占空比产生两个脉冲信号，按键若干，控制输出电压步进使输出电压步进0.5V。 2.2.4 LCD显示模块：LCD时时显示输出电压，看输出电压是否符合题目要求，以供调试更精确。 2.2.5 按键模块： 设置“+”“-”按键分别控制输出电压步进增减，步进0.5V。2.3方案论证与选择2.3.1 单片机的选择 方案一：采用STC89系列单片机，该系列单片机拥有4路I/O口，2个外部中断，2个定时器，易于扩展外围电路。且此单片机十分常用，价格低廉，易于购买，方便操作。方案二：采用STC12系列单片机，该系列单片机性能强大，比89系列多拥有2路PWM，内置8路高速10位A/D，且速度是89系列的812倍，并拥有多种封装形可供选择。方案选择：由于本题所涉及的数控稳压电源需要实时的采集输出电压的数据，所以对MCU的速度要求比较高，来满足系统在灵敏度上的要求。故选择速度较快且内置A/D的12系列单片机，所以选择方案二。2.3.2 交流调压系统的选择方案一：用MOS管来对220V进行交流调压，把两个MOS管和二极管并联然后串到220V的交流电路中。其基本工作原理是：通过控制MOS管在正负半波的导通时间来控制输出交流电压的大小。方案二:用双向晶闸管电路，两个双向晶闸管和二极管并联然后串到220V的交流电路中。其基本工作原理是：通过控制双向晶闸管在正负半波的导通时间来控制输出交流电压的大小。方案选择：双向晶闸管的控制电路简单，MOS管在这个电路中必须采用高端驱动，驱动电路复杂，所以选择方案二。2.3.3 直流调压系统的选择 方案一：使用MOS管，采用串联开关稳压电源，通过PWM对MOS管进行导通关断控制，从而达到对输出电压的控制。方案二:使用MOS管，采用并联开关稳压电源，通过PWM对MOS管进行导通关断控制，从而达到对输出电压的控制。方案选择：串联开关稳压对MOS管驱动电路要求较高，高端驱动电路复杂工作不稳定，所以选择方案二。3 设计实现 3.1 硬件的设计 自制稳压电源经整流滤波后给交流调压电路供电，再通过7805稳压电路稳5V电压给单片机供电，通过单片机内部产生两个PWM脉冲信号给逆变电路，交流调压电路将220V交流电转0180V交流电。输出电压用LCD12864显示出来，同时通过“+”、“-”按键分别控制输出电压步进增减。 图2 单片机最小系统原理图 图3 自制稳压电源原理图 图 4 交流调压电路原理图1交流调压电路原理图2 图 4 直流调压电路原理图1直流调压电路原理图2图6系统设计总图3.2 软件的设计 采用模块化程序来调试其系统功能，流程图如下图6 图64 测试4.1 测试方法 LCD12864显示输出电压0180V。通过“+”、“-”按键分别控制输出电压步进增减，每按一次按键输出电压步进0.5V。用液晶显示输出交流电压，看是否可预置在0.0180.0V之间的任意一个值。可输出直流电压：范围0220V，步进0.5V。每按一次按键看电源是否增加或减少0.5V。4.2 测试仪器与过程用电压表测量输出电压，看是否在规定范围内，并用液晶显示出来。“+”、“-”按键分别控制输出电压步进增减，步进0.5V。4.3 测试结果测试结果没有达到题目的要求，两个功能模块的输出电压都不能从零开始起调，每按一次按键步进0.5V还不够精确5结论5.1 完成情况：基本要求可以很好的完成，发挥部分不能很好的完成。5.2 心得体会：综合整个题目，要求控制的精确度很难达到。我们实现了交流调压和直流调压，一开始觉得这道题看上去不难，容易上手，但实际操作起来难度很大，要求精度很高。电路设计不是很庞大，但电路的性能才是追求的目标。通过本次题目的完成过程，虽然要求在短时间内完成一些难的调试。很累，很紧张，重在考虑我们对电力电子方面知识的掌握情况。还要求对程序方面有很熟练的运用度。5.3存在问题、努力方向：PWM没有很好的控制占空比,导致占空比精度不高，光耦的隔离工作不稳定导致输出的PWM波很不稳定，采样反馈电路最终没有加上。努力在控制方面追求更高更远。而在理论分析方面要做到一丝不苟，全面分析原理及可控精度。 附录2：源程序