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数控电源设计报告

学院:：电气信息工程学院

班级：2007及自动化

指导教师：杨光永

学生：杨维

学号：2007084438

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引言………………………………………………………………………….

.设计方案及器件选择……………………………………

具体电路设计及参数选择系统软件的设计设计总结附录

一、引言

1.1课题的背景和意义

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。

电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。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。随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出了不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

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。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。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，己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。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。利用数控电源，可以达到每步0.1V的精度，输出电压范围0~9.9V，电流可以达到500mA。数控技术方面的发展是以51系列单片机为主控单元电路的拓扑和软开关技术等电子技术的完善为主要标志。数字化则应属于控制方面的重要发展方向，随着信息技术的突飞猛进，将对开关电源技术的发展起到巨大推进作用。数控电源目前的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨率及更好的动态特性;更好的环保性能;智能化与高可靠性;更广泛的应用等方向发展。

1.2数控电源的发展

20世纪80年代，出现了一种叫做开关式稳压电源，这种电源是采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。开关型稳压电路中的调整

管工作在开关状态，因而功耗小，电路效率高。开关电源的种类很多，按调整管与负载的连接方式可分为串联和并联型，串连开关稳压电路是降压型电路，并联开关型稳压电路是升压型电路。按稳压的控制方式可分为脉冲宽度调制型（PWM）、脉冲频率调制型（PFM）和混合调制。这其中尤以PWM最为盛行，这种电源在开关和稳压方面功能非常优越，但在电压输出精度方面仍存在缺陷，旋钮式远不能满足工业需求，数控技术的发展给电源的发展注入新的活力，数控逐渐成为一种趋势随着人们生活水平的不断提高，数字化控制无疑是人们追求的目标之一,它所给人带来的方便也是不可否定的,其中数控制直流稳压电源就是一个很好的典型例子,但人们对它的要求也越来越高,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展.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。

近年来出现了不少的数控电源产品，例如数控三步仿金电镀电源，具有自动稳压功能、稳压度为3%；具有软启动功能，时间0-30秒可调；具有稳压限流功能，稳压状态下输出电流超过正常电流10%，电源会自动进入限流状态；具有高可靠的过流，短路保护功能，输出电流超过额定值的50%时，电源自动封锁输出，同时发出声或光报警。

随着数控技术以及可编程器件的发展，出现了一种可编程直流数控电源，其中最典型的就是3645A型数控电源，它是一种能输出电压0~36V，负载工作电流0~3A 稳压电源，电压及电流均可任意调节。其主要功能有：电压设定、电流上限设定、电源输出ON/OFF、STORE、RECALL、电压上限、键盘关闭/开启、通讯设定、键盘锁定功能、功率上限设定、保存选项设定等功能，使用时，操作方便，电压、电流、功率均以LCD显示，画面清晰、直观。数控程度已很高，但成本太贵，不利于大批生产。本设计利用AT89C53作为主控芯片，控制数模转换模块DAC0832的输出电压大小，通过放大器放大后作为最终输出的参考电压，真正的电压电流由电压模块LM350输出。按键方式实现0.1V的步进，并带有数码显示模块。

二、设计方案和器件选择

1.主控芯片的选择

采用AT89SC53芯片作为主控芯片单元

该AT89S53具有以下标准功能：1.2万字节的下载闪存，256内存，32个I/O线，可编程看门狗定时器，两个字节数据点雇员再培训计划，3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，一个完整全双工串行口，片内振荡器和时钟电路。此外，AT89S53是设计与操作频率下降到零静态逻辑，支持两个软洁具可选节电模式。空闲模式下停止CPU的同时允许内存，定时器/计数器，串行口，外中断系统可继续工作。该掉电模式保存RAM的内容，但冻结振荡器，禁用所有其他芯片功能，直到下一个中断或硬件复位。可下载的Flash可以更改一次一个字节，并可以通过的SPI串行接口。控股复位活跃力量的SPI串行接口。编程接口，允许程序存储器写入或读取第二位，除非锁已被激活。

U4AT89S53

P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR 16P3.7/RD

17XTAL218XTAL119P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427P2.7/A1528PSEN 29ALE/PROG

30

EA/VPP 31P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC 40

P1.0/T21P1.1/T2EX 2P1.23P1.34P1.4/SS 5P1.5/MOSI 6P1.6/MISO 7P1.7/SCK 8RST 9P3.0/RX D 102．数模转换模块

采用ADC0832数模转换芯片

ADC0832具有以下特点：·8位分辨率；·双通道A/D 转换；

·输入输出电平与TTL/CMOS 相兼容；·5V 电源供电时输入电压在0~5V 之间；·工作频率为250KHZ ，转换时间为32μS ；·一般功耗仅为15mW ；

·8P 、14P—DIP （双列直插）、PICC 多种封装；

·商用级芯片温宽为0°C to +70°C ，工业级芯片温宽为?40°C to +85°C ；芯片接口说明：

·CS_片选使能，低电平芯片使能。·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。·GND 芯片参考0电位（地）。·DI 数据信号输入，选择通道控制。·DO 数据信号输出，转换数据输出。·CLK 芯片时钟输入。

·Vcc/REF 电源输入及参考电压输入（复用）。单片机对ADC0832的控制原理：

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS 、CLK 、DO 、DI 。但由于DO 端与DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向

的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。当此2位数据为“1”、“0”时，只对C H0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端I N+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA 0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

U2

ADC0832

CS

1 CLK

7 DIN

5 DOUT

6

VCC/VREF 8

CH0

2

CH1

3

GND

4

3、串行通信接口电路

采用MAX232芯片

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。

它的内部结构基本可分三个部分第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2 OUT送到电脑DP9插头DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1 OUT、R2OUT输出。为什么有两个通道呢？我想大概老电脑的DP25插头有两个RS-232通道吧。

而我们用来作写频器就只需一个通道就行啦。所以一通道的11、12、13、14脚就全空脚啦。我

们只用了第二通道的4只脚。第三部分就是供电啦。15脚DNG 、16脚VCC （+5v ）。其实美信公司生产的用于RS-232接口的芯片有好多好多。有各种各样的封装，有只有一个通道的，也有多通道的，有底耗电的，也有耐15kv 高压的。其中MA X3233E 使用+3v 电源、+-15kvESD 保护、而且省去了电荷泵的4只电容。

内部原理图

U5MAX232

C1+1C1-3C2+4C2-5

V+

2

V-

6

R1OUT 12R2OUT 9T1IN 11T2IN 10R1IN 13

R2IN 8T1OUT 14T2OUT

7G N D

15

V C C

164、整流滤波电路

整流电路里利用具有单方向导电性能的整流器件将交流电压整流变换成单方向脉动的直流电压再经滤波电路滤除较大的纹波成分输出纹波较小的直流电压。常用

的整流滤波电路有全波整流滤波=桥式整流滤波。

本设计采用桥式整流滤波电路，将市电通过变压器进行调压以后再进过桥式连接的四个二极管进行整流（具体连接方式见图），

此时得到24V 的直流电压，在经过芯片LM7805/TO 处理后得到5V 直流电压。24V 提供给下一步调压使用，而5V 则是用以供给芯片的电压。其中LM7805/TO 的具体功能及参数如下：

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器。当稳压管温度高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N 个1.5A ，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在lm78**、lm79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能如附图所示。图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。对于lm78**正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚，如附图所示。对与lm79**负压系列，输入为低电位，自然是③脚，而地端为最高电位，即①脚，如附图所示。

LM7805

U7

LM7805/TO VIN

1

VOUT

2

G N D

3

整流电路及三端稳压电路

C11

5、九针数据接口

P1CONNECTOR DB9

162738495

用于和计算机进行数据的交换，将计算机编写好的程序通过配套的数据线下载到芯片中，以进行各功能的控制。

九针数据线具体实物照片

6、显示模块

显示模块采用LM3033是一种8位LCD 型显示屏，具有背光功能有利于夜间的使用。内带中文字库，可以显示中文。它可以工作在串行模式和并行模式下。其作用是显示通过调节后的电压大小，通过LM3033的显示我们可以调节到我们所希望的电压值。当然应满足在电源的额定调压范围内和显示器件的额定范围内。

LM3033

三、电路设计思路及步骤

1、设计思路

我们需要用AT89S53芯片作为主控芯片来设计一个数控电源，设计要求应满足下列个要求：

（1）具有显示部件好让我们得知所控制输出的电压的大小。

（2）具有模/数转换芯片，当我们调出一个电压值以后要对这个输出电压进行反馈调节已达到输出的电压误差较小，不可能是一下就调节到我们所要求的值。只有将输出的电压值通过ADC0809转换为数字信号后输入到主控芯片中进行对比调节来减小输出误差。（3）主控芯片需要有程序来控制其工作，就必须要能够和电脑连接以便将编写的出现下载倒主控芯片当中。构建这条连接通道使用MAX232芯片。芯片11,13脚与主控芯片的10,11脚相连。芯片12,14脚连接一个DP9插头，正是这个插头与电脑之间建立物理连接。

（4）最关键的部分是调节电压部分，调压原理是脉宽调制。即通过主控芯片来调节与21脚相连的三极管的通断的时间来调节电压，变压器二次侧会感应出相对应的电压值。

U1

R6

10K

（5）当然整个设计中的各种芯片需要有电源供给电源才能正常工作以及提供T1变压器原边的24V电压值。这样的话需要一个提供电源的电路，这个电路直接将市电220V通过变压器T2变压至24V此时的电压还具有脉动。为了消除脉动，我们还要接入一个由四个二极管组成的桥型电路与消除电压脉动。而部分芯片仅使用5V供电，这就需要将24V 的电压在转为5v的电压。在电路中接入LM7805，通过它的转换VOUT脚输出一个稳定的5V电压。

2、设计电路原理图

设计电路原理图使用OrCAD软件

绘制单片机最小系统

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S ize D o c u m e n t N u m b e r R e v

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