Дипломная (вкр): Разработка лабораторного блока питания на основе микроконтроллера

Разработка лабораторного блока питания на основе микроконтроллера

Министерство образования и науки Российской Федерации

Профессионально-педагогический колледж

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.

.02.01 Компьютерные системы и комплексы

УТВЕРЖДАЮ

Заместитель директора

________Л.И. Рожкова

______________2015 г.

Дипломный проект

Разработка лабораторного блока питания на основе микроконтроллера

Разработал студент гр. КСК-941

А.С.Гущин

Руководитель проекта В.Н.Блохин

Консультант по конструкторской части преподаватель ППК СГТУ имени

Гагарина Ю.А. Е.В.Панфирова

Консультант по экономической части методист НМО ППК СГТУ имени

Гагарина Ю.А. А.Огородникова

Рецензент начальник сервисного центра ООО «Ганимед СБ»

Р.А.Романович

Нормоконтроль преподаватель ППК СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Г.Л.Малышева

Саратов - 2015

Содержание

Введение

. Общая часть

.1 Общиее сведения об источниках питания

.2 Сравнительная характеристика лабораторных блоков питания

.3 Выбор и обоснование схемы лаборатоного блока питаня

. Конструкторская часть

.1 Описание принципа работы электрической схемы устройства

.2 Функциональные узлы

.3 Описание конструкции лабораторного стенда

3. Расчётная часть

.1 Расчет трансформатора

.2 Расчет выпрямителя

.3 Расчет надежности устройства

. Экономическая часть

.1 Исходные данные для расчета затрат

.2 Расчет затрат на проектирование

.3 Расчет затрат на внедрение

.4 Расчет эксплуатационных расходов

.5 Расчет и постороение диаграммы общей стоимости системы

.6 Расчет прибыли разработчика системы

. Охрана труда

.1 Мероприятия по технике безопасности при выполнение ЭМР       

.2 Экологическая безопасность объекта

Заключение

Список использованных источников

Графическая часть

Лист 1 Схема электрическая приципиальная лабораторного блока питания.

Лист 2 Сборочный чертеж печатной платы.

Лист 3 Лабораторный блок питания. Вид общий.

Приожение А. Листинг

Введение

Современное состояние техники и производства характеризуется высоким уровнем автоматизации, применением сложнейших электронных устройств на основе компьютерных систем и комплексов. В этих условиях все более жесткие требования предъявляются к знаниям и умениям специалистов работающих с этими устройствами и тем более к разработчикам новых устройств. В связи с этим все более востребованными на рынке труда становятся специалисты с техническим профилем образования, появляются новые специальности, к которым можно и отнести специальность «Компьютерные системы и комплексы». Одной из областей профессиональной деятельности выпускников данной специальности является совокупность методов и средств по разработке и производству компьютерных систем и комплексов; сопровождение и настройка компьютерных систем и комплексов. Объектами профессиональной деятельностью являются цифровые устройства, системы автоматизированного проектирования, микропроцессорные системы, компьютерные системы, комплексы и сети и т.п.

Тема дипломного проекта является актуальной, поскольку рассматривается конкретное электронное устройство с применением микропроцессора и соответствует тематике работ по специальности «Компьютерные системы и комплексы».

Целью дипломного проекта является разработка лабораторного блока питания с управление микроконтроллером. На основе анализа целого ряда вариантов схем блоков питания был взят за основу один из них и после некоторого усовершенствования схемы произведена окончательная доработка устройства. Дополнением к основной схеме лабораторного блока питания было предложено применение аналогового калиброванного температурного датчика, который позволяет контролировать температуру устройства и отключать выходное напряжение в случае превышения температуры на 2^оС выше установленного порога. Полезными функциями разработанного блока питания является также возможность регулирования выходного стабилизированного напряжения в пределах от 0 до 15В и порога ограничения выходного тока от 0.1 до 1.0А. Кроме того блок питания содержит таймер позволяющий отключать выходное напряжение по истечении заданного отрезка времени, что расширяет функциональные возможности устройства и позволяет использовать его в качестве зарядного устройства аккумуляторов.

Дипломный проект содержит пояснительную записку на 49листах формата А4 и графическую часть на трех листах формата А1.

1. Общая часть

.1 Общие сведения об источниках питания

1.1.1 Источники питания

Для работы электронных приборов и устройств необходимы источники питания, которые подразделяются на первичные и вторичные.

К первичным относятся источники, непосредственно вырабатывающие электрическую энергию: аккумуляторы, батареи, солнечные батареи, генераторы постоянного и переменного тока.

Вторичные источники питания преобразуют энергию первичного источника в энергию питания конкретных электронных устройств, радиоэлектронной аппаратуры, измерительных приборов.

Питание широко используемых электронных устройств и бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется в основном вторичными источниками питания, преобразующими энергию переменного тока с номиналами напряжения 5, 9, 12, 15 и 27 В.

Электронная аппаратура разделяется на маломощную (до10 Вт - переносные радиоприемники), средней мощности (от 10 до 300Вт - звуковая аппаратура и телевизоры), большой мощности (от 300 до 1000 Вт - мощная звуковая аппаратура, радио передатчики). Для очень мощной аппаратуры (1 ... 100кВт - звуковая аппаратура концертных залов, радиостанции.), а также для управления электродвигателями используются мощные выпрямительные установки трехфазного напряжения и электрические генераторы постоянного тока, вращаемые трехфазными двигателями.

В электронной технике применяют также преобразователи напряжений и частоты. В частности, преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение заданной частоты называется инвертором. Такие преобразователи распространены в авиационной технике, где с целью уменьшения веса трансформаторов и двигателей используют нестандартную частоту 400 Гц.

Структурная схема типового вторичного источника питания представлена на Рисунке1.

Рисунок 1 - Структурная схема типового вторичного источника питания

В этой схеме цепь с выключателем (Вк) и предохранителем (Пр) необходима для подключения и отключения сетевого напряжения. Защита от замыканий в аппаратуре осуществляется с помощью предохранителя. Трансформатор (Т) служит для понижения сетевого напряжения до напряжения питания, требуемого для аппаратуры. Выпрямитель (Вп) с помощью диодов преобразует переменное напряжение в пульсирующее напряжение одной полярности. Сглаживающий фильтр (СФ) строится на основе RC- и RLC-цепочек и обеспечивает снижение пульсации напряжения питания. Стабилизатор постоянного напряжения (СПН) обеспечивает дальнейшее снижение пульсации напряжения, а также его стабильность на выходе преобразователя при наличии колебаний сетевого напряжения или изменениях тока в нагрузочной цепи. При необходимости задачу обеспечения стабилизации тока нагрузки выполняет стабилизатор постоянного тока (СПТ). Потребляемая мощность и ток нагрузки (Н) изменяются в широких пределах. При этом резко меняется внутреннее сопротивление нагрузки, что вызывает резкое падение напряжения на выходе источника питания.рассмотрим возможные схемы и принципы работы наиболее сложных элементов источников питания.

.1.2 Выпрямители

Выпрямители могут быть управляемые и неуправляемые, однофазные и трехфазные. Они также могут иметь сглаживающие фильтры и устройства стабилизации выходного тока или напряжения.

Однофазные неуправляемые выпрямители. Электрические схемы и диаграммы напряжений на входе и выходе полупериодного и двухпериодного выпрямителей представлены на рисунок 2. Из диаграммы на рисунок 2, а видно, что в этой схеме диод пропускает только положительный полупериод входного напряжения U_ВХ(t) и на выходе выпрямителя наблюдается пульсирующее напряжения U_вых(t). В схеме на рисунок 2, б диоды пропускают два полупериода напряжений, сдвинутых по фазе на 180^oво вторичной обмотке трансформатора со средней точкой ( по времени на половину периода). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке U_H (t) значительно снижаются.

Рисунок 2 - Электрические схемы и диаграммы напряжений полупериодного (а) и двухполупериодного (б)

В настоящее время большее распространение получила мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рисунок 3, а), не требующая использования трансформатора со средней точкой. В таком выпрямителе обратное напряжение на диодах не превышает максимального напряжение в полупериоде, в то время как в двухполупериодном выпрямителе обратное напряжение на диодах близко к удвоенному напряжению вторичной обмотки трансформатора. Диодные мостовые схемы выполняются в виде монолитных сборок в одном корпусе (выпрямительный блок и диодный мост ) с указанием мест подсоединения переменного напряжения и нагрузки.

В мостовой схеме выпрямителя при больших токах может наблюдаться подмагничивание и насыщение сердечника трансформатора, что приводит к его перегреву, снижение КПД и искажению формы сигнала. Выбор трансформатора , как и типов диодов (или сборок), а также радиатора для их охлаждения , определяется мощностью, необходимой для нагрузки. Если на входе двухполупериоднго выпрямителя установить конденсатор большой емкости С_ф, он будет играть роль простейшего сглаживающего фильтра-накопителя.

Рисунок 3 - Электрическая схема (а) и диаграммы напряжений (б) мостового выпрямителя

Рисунок 3 - Электрическая схема (а) и диаграммы напряжений (б) мостового выпрямителя

Изменение напряжения на нагрузке U_н.ф.(t) при этом показано утолщенной сплошной линией на рисунок 3, б. Так как токи в диодах проходят только в одном направлении на заряд конденсатора, то в моменты максимальных значений напряжения в полупериодах конденсатор подзаряжается, а в промежутках между максимумами напряжения он медленно разряжается через нагрузку с внутренним сопротивлением R_H. В качестве фильтров-накопителей обычно используют электролитические конденсаторы большой емкости с требуемым номиналом напряжения. В зависимости от мощности нагрузки и требований по стабильности напряжения на выходе, емкость конденсатора выбирают в пределах от 20 до 200 мкФ. Следует заметить, что такой фильтр-накопитель довольно хорошо сглаживает пульсации напряжения, но не может обеспечить высокой стабильности его уровня на выходе. Более сложные схемы фильтров и стабилизаторов напряжения будут рассмотрены далее.

.2 Сравнительная характеристика лабораторных блоков питания

В связи с широким распространением компьютерной техники и применением робототехники в производстве все острее встает вопрос создания новых радиоэлектронных устройств с широкими функциональными возможностями. Для налаживания и отладки таких устройств требуются регулируемые блоки питания. Недорогие лабораторные источники, которые имеются в продаже, не всегда соответствуют поставленным задачам, либо слишком дороги, да к тому же обилие органов управления не позволяет оперативно изменять характеристики подаваемого к прибору напряжения и тока.

Наиболее распространенные требованиям предъявляемые к подобным блокам питания используемым при проектировании цифровых устройств можно сформулировать следующим образом:

) напряжение от 0 до 15 В.

) максимальный ток нагрузки до 1 А.

) установка защиты по превышению тока от 0 до 1А.

) удобство эксплуатации.

) удобство ремонта и регулировки.

) возможность использования базового микроконтроллерного модуля в других конструкциях, путем изменения конфигурации в сервисном режиме.

На основе сформулированных требований был произведен обзор литературы и публикаций периодической печати по источникам питания за последние 5 лет.

В качестве примера приведем несколько кратких описаний источников питания.

В работе приведена схема представленная на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема лабораторного блока питания

Данный лабораторный блок питания обеспечивает выходное напряжение от 1 В и практически до величины выпрямительного напряжения с вторичной обмотки трансформатора.

На основе транзистора VT1 составлен модуль сравнения: с бегунка потенциометра R3 на базу VT1 поступает доля образцового напряжения, которое определяется источником образцового напряжения на элементах VD5, VD6, HL1, R1. На эмиттер VT1 поступает входное напряжение делителя на элементах R14 и R15. В результате сравнения образцового и выходного уровня, сигнал рассогласования попадает на базу транзистора VT2 являющийся усилителем тока, который в свою очередь управляет силовым транзистором VT4.

В результате случайного замыкания выходных выводов самодельного лабораторного блока питания или при нагрузки превышающий допустимый предел, повышается падение напряжения на мощном резисторе R8. В результате чего VT3 открывается и тем самым замыкает базовую цепь транзистора VT2, лимитируя Iнагр. на выходе БП. Визуальным сигналом о перегрузки по току в цепи служит светодиод HL2.

В случае короткого замыкания в лабораторном блоке питания, активация режима ограничения протекающего тока происходит не сразу. Установленный в схему дроссель L1 мешает стремительному увеличению тока через VT4, а диод VD7 понижает скачок напряжения при неосторожном выключении нагрузки от блока питания.

Недостатком данной схемы являются ограниченные возможности схемы, например отсутствие возможности регулировки выходного тока.

В работе рассматривается регулируемый блок питания с защитой в котором предусмотрена программная установка порогов выходного напряжения и тока, превышение которых невозможно не только в результате наиболее вероятных неисправностей блока, но и при неосторожном воздействии на его оперативные органы регулировки. Это эффективно защищает питаемую от блока аппаратуру. А в работе⁴ представлена схема лабораторного блока питания с управлением от микроконтроллера. Необходимо отметить,что схемы источников питания управляемые микроконтроллером наиболее полно удовлетворяют сформулированным выше требованиям. Достоинством таких схем является возможность получения новых функциональных возможностей программными, а не аппаратными средствами. Однако схемы источников предлагаемые в  и  достаточно громоздки и очевидно потребуют немалых усилий при изготовлении и отладке устройства. Например, только одна схема стабилизатора напряжения и тока имеет вид представленный на рисунке 3. Это без схемы индикации, первичного источника питания, схемы компенсации напряжения.

Рисунок 5 - Схема стабилизатора напряжения и тока

Наиболее близкой по техническим характеристикам и относительно простой является схема лабораторного блока питания с управлением на микроконтроллере предложенная в работе. Данная схема была взята за основу разработки лабораторного блока питания в настоящем дипломном проекте. Принципиальная схема разработанного лабораторного блока питания на основе микроконтроллера приведена в Лист 1 данного дипломного проекта.