1、哈 尔 滨 剑 桥 学 院毕 业 设 计论文题目： 基于单片机控制的开关电源的设计 学 生： 孙中凯 指导教师： 李德胜 高级工程师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 12 级电气 2 班 2016 年 5 月哈尔滨剑桥学院毕 业 设 计（论 文）审 阅 评 语指导教师评语建议成绩： 是否同意答辩：同意答辩 不同意答辩 指导教师（签名） 职 称 年 月 日 评阅人评语建议成绩： 是否同意答辩：同意答辩 不同意答辩 评阅教师（签名） 职 称 年 月 日 哈尔滨剑桥学院毕业设计（论文）答辩评语及成绩答辩评语答 辩 成 绩: 答辩小组组长签字：年 月 日毕业论文成绩指导教师成绩： 评阅成绩：
2、答辩成绩： 综合指导教师成绩、评阅成绩、答辩成绩，经答辩委员会评定，该学生毕业论文总成绩： 答辩委员会主任单位： 答辩委员会主任签字： 职称： 年 月 日基于单片机控制的开关电源的设计摘 要电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术，随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠的电源起着关键作用。本文设计主要目的是实现一个单片机
3、控制开关电源，所以在这次设计中使用了单片机实现。在这次设计文档中，详细阐述了开关电源与线性电源的比较，总体结构设计，通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。并采用 PID 算法控制输出电压稳定，构成可输出 12v 到 0v 的可调节电压，并显示实时预置值与电压。 关键词：财开关电源；半导体；PID 算法；闭环控制；数控目 录摘要 I1 绪论 .11.1 课题环境背景 .21.1.1 绿色节能型 开关电源 .21.1.2 智能化数字电源 .21.1.3 可编程开关电源 .21.2 电源技术的发展与方向
4、 .21.2.1 线性电源和开关电源 .21.2.2 电源技术的发展方向 .31.2.3 开关电源的市场前景和研究现状 .31.3 本文研究主要内容 .42 系统方案设计 .52.1 开关电源工作原理 .52.2 开关电源与线性电源的比较 .52.2.1 线性电源的缺点 .52.2.2 开关电源的优点 .52.3 系统方案论证 .62.3.1 方案 162.3.2 方案 262.3.3 方案 372.3.4 方案分析 .72.3.5 总体结构设计 .72.4 系统难点分析 .82.4.1 如何提高电源工作频率 .82.4.2 储能电感的绕制 .92.4.3 标度转换技术 .102.5 开关变换
5、器结构分析与选择 .102.5.1 降压变换电路分析 .112.5.2 升压型变换电路 .122.5.3 Buck-Boost 型变换器 122.6 开关电路器件参数选择 .132.6.1 功率开关管的选择 .132.6.2 滤波电容的选择 .132.6.3 储能电感的选择 142.6.4 续流二极管的选择 143 硬件电路设计 .153.1 电源电路设计 .153.1.1 整流滤波电路 .153.1.2 开关变换电路 .153.1.3 保护电路 .163.2 控制电路设计 .173.2.1 反馈电路设计 .183.2.2 显示电路设计 .183.2.3 单片机与键盘接口电路设计 .194 软
6、件设计 .214.1 总体编程思想 .214.1.1 键盘防抖动子程序 .224.1.2 显示子程序 .234.1.3 采样子程序 .244.1.4 中断处理程序设计 .254.1.5 PID 控制算法 265 系统调试 .275.1 硬件模块调试 .275.1.1 整流滤波电路的调试 .275.1.2 AD 转换的调试 275.1.3 脉冲输出电路的调试 .275.1.4 功率开关管的调试 .275.2 电源性能指标的测试 .275.2.1 电源的技术指标 .285.2.2 输出电压的测试 .295.2.3 最大输出电流的测试 .295.2.4 过流保护的测试 .305.2.5 电压调整率的
7、测试 .305.2.6 纹波电压的测试 .30结论 .31致谢 .32参考文献 .33附录 .34哈尔滨剑桥学院毕业论文0基于单片机控制的开关电源的设计1 绪论 1.1 课题环境背景电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术，随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠的电源起着关键作用。开关电源与线性电源相比，二者的成本都随输
8、出功率的增加而增长，但二者增长速率不同。线性电源成本在某一输出功率点上，相反高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源推动了高新技术产品的请便化、小型化。另外开关电源的发展与应用在安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义 1。1.1.1 节能绿色型的开关电源最早的开关电源技术还不够成熟，待机功耗大并且效率低。怎样降低开关电源的功耗和提高开关电源效率是世界能源待解决的问题。但是单片机的出现，可以设计出一个绿色又可以节能的开关电源。1.1.2 智能化数字电源它是以数字信
9、号处理器(DSP)或微控制器(MCU)为核心，将数字电源驱动器及 PWM 控制器作为控制对象而构成的智能化开关电源系统。数字电源提供了智能化的适应性与灵活性，具备直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。1.1.3 可编程开关电源可调式开关电源都不仅调节精度低，而且使用不够方便，因为它是手动调节电阻值来改变稳压器输出电压的。数字电位器（Digital Potentiometer）亦称数控电阻器哈尔滨剑桥学院毕业论文1（Digitally Controlled Potentiometer） ，可简称为 DCP。传统电源存在不足的地方，例如，传统电源效率不高，线性电源由于功率管
10、是工作在线性放大状态，功率管的电流和输出电流是成比例的，因此当输出电流越大时，功耗就越大。通常，线性电源效率只有 45%到 50%左右，因此提高电源效率是未来电源设计，应着重解决的问题，而开关电源能够很好的解决这个问题，开关电源的功率开关管是工作在开关状态的，也就是，只是在开关管导通时，管子才会产生损耗，因此开关电源的效率比线性电源要高得多，通常可以达到 80%以上，本设计选择开关电源作为研究对象，利用其输出电压和输入电压之间占空比的关系，假定输入基本稳定，利用单片机控制占空比，就可以控制输出电压，通过 A/D 转换，采样输出电压，使用 LCD 显示，通过键盘预置电压，实现可调开关电源的制作
11、2。1.2 电源技术发展和方向1.2.1 开关电源与线性电源线性稳定电源，它的特点是:功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间电压降稳定输出，可靠性高，易做成多路，稳定性高，纹波小、输出连续可调的成品。线性电源主要问题是：效率低、精度低、散热问题大和难以在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷是在重量以及体积上。使用输入调整器可使输出精度更加准确，但是更增加功率的消耗，并且导致效率更低。线性电源功率达到 50%的效率就不容易了，这些浪费掉的功率还带来了散热的问题。开关电源是开关型直流稳压电源，电路形式有全桥式、推挽式、单端正激式、单端反激式和半桥式。开关电源与线性电源的区别在于开关电源变
12、压器不工作在工频上，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。功率开关管工作在饱与区截止区，工作在开关状态，得名与开关电源。开关电源它的优点是稳定性高，重量轻，体积小。1.2.2 电源技术发展的方向尖电源技术对提高一个国家劳动生产率和提高一个国家单位能耗的产出水平，有着非常大的作用。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义 3。 开关电源发展的方向是抗干扰、低耗、模块化、高频、高可靠和低噪声。由于开关电源薄、轻、小的技术是高频化，并且在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大研究，来提高在较大磁通密度与高频率下能获得高的磁性能，但是电容器的小型化也是一项关键技术哈尔滨剑
13、桥学院毕业论文2研究。SMT 技术的应用使开关电源取得了巨大的进展，在电路板两边布置元器件，可以确保开关电源的小、轻、薄。模块化可以说是开关电源发展总体的趋势，利用模块化电源组成分布式电源系统，可以组成 N+1 冗余电源系统，并且可以实现并联方式容量扩展。对于开关电源运行噪声大的缺点，用部分谐振转换电路技术，在理论上可实现高频化又可以降低噪声，但部分谐振转换技术实际操作上会有很多技术问题，所以仍需在这一领域开展研究，使多项技术得以实用化1.2.3 开关电源市场的研究状况与前景线性电源(Linear power supply)是先将交流电经过变压器降低电压幅值,再经过整流电路整流后,得到脉动直流
14、电后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电。要达到高精度直流电压,就必须经过稳压电路进行稳压。用于电镀、充电设备、电解、科研、大学院校、工矿、实验室等。开关电源(Switching power supply)是利用现代电子电力技术,控制开关管关断时间和开通的比率,支持稳定输出电压的一种电源,开关电源高频化是其发展的方向,高频化使开关电源小型化,并使开关电源进入更广泛的应用领域,特别是在高新技术领域的应用,推动了开关电源的发展,产品不断向着轻、小、薄、低噪声、高可靠的方向发展 4。开关电源是电子电力电源主要产品，由于其功率密度/转换效率高、输入电压范围广、输入电压范围广、热消耗较少、重量轻和小型化等
15、优点，得益于电子产品的轻、小的需求，发展迅速，取代了线性电源普及于各种电子电力的产品领域。开关电源应用领域统计，占据全行业产出份额第一的是工业类开关电源，2010 年达到全行业产值的比重为 56%，居第二位的是消费类开关电源，占 32%，通信开关电源占 6%，个人电脑开关电源占 3%5。1.3 本文研究主要内容（1）设计、制作开关电源；（2）利用单片机构成嵌入式控制系统，通过键盘的预置输入电压数值，可以显示预置电压与输出电压；（3）开关电源的设计方法；（4）单片机软件编程方法；（5）PID 控制原理；哈尔滨剑桥学院毕业论文32 系统方案设计2.1 开关电源工作原理开关电源是指调整管工作在开关方
16、式，即导通和截止状态的稳压电源，核心是一个直流变换器。利用直流变换器就可以使一种直流电压变成数值不同、极性的各种直流电压。如图 2.1 所示，电路的工作原理为：假设基准电压为 10v，因为电网波动导致输入电压减小，所以输出电压也会减少，那么，所采样电压将减小，假设为 9.9v，误差为0.1v，经比较放大后，脉冲调制电路根据误差，提高占空比使输出电压增大。输入整流滤波电路开关管8 9 C 5 2滤波电路A D C 0 8 0 4采样电路输出图 21 开关电源原理框图按电路中功率管的工作方式分类，电源可分为线性电源与开关电源。线性电源是较早的一种电源，它的功率管工作在线性放大区 5。2.2 线性电
17、源和开关电源的比较2.2.1 线性电源的缺点（1）必须要有较大的滤波电容；（2）体积大、不能小型化，重量也大；（3）效率低，功耗大，效率一般只有 35%-45%。缺点的原因是：（1）线性电源使用了 50 赫兹的工频变压器， ，所以必须增大滤波电容容量。（2）线性电源中功率晶体管 V 在整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体管本身的输出电流和功耗成正比。2.2.2 开关电源优点（1）功耗小，效率高。图 2.1 中，开关管 V 在脉冲信号控制下，工作在截止-导通与导通-截止交替的开关状态下，转换速度很快快，频率在 50200 千赫兹。哈尔滨剑桥学院毕业论文4（2）体积小，重
18、量轻。（3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。（4）滤波效率提高，并使滤波电容体积于容量减小。2.3 系统方案论证开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设计思路。开关电源的一般结构框图如图 2.1 所示，图 22 开关电源的一般框图2.3.1 方案 1主回路采用非隔离推挽式拓扑结构（如图 2.2 所示） +VinPWMVout图 23 非隔离式 DC-DC 结构2.3.2 方案 2主回路用隔离推挽式拓扑结构（如图 2.3 所示） ，输出和输入电气不相连，通过关开变压器磁偶合方式传递能量，最适合实验室使用
19、。本设计用方案二。哈尔滨剑桥学院毕业论文5+Vout+-图 24 隔离式 DC-DC 结构2.3.3 方案 3方案 3：单片机扩展 D/A 转换器，不间断的检测输出电压，并且根据电源输出的电压和键盘预置电压差值，输出了一个 PWM 脉冲，直接控制电源工作。2.3.4 方案分析方案 1 分析：采用脉冲频率调制 FPM(Pulse Frequency Modulation)的控制方式，输出电压的调节范围大，但要求滤波电路必须在宽频带下工作。方案 2 分析：采用脉冲宽度调制 PWM（Pulse Wildth Modulation）的控制方式， 。基于考滤题目的要求，本次设计用 PWM 调节方式。方案
20、 3 分析：这个方案，单片机不仅加入了反馈控制系统，而且作为控制核心，单片机得以充分利用，而且省去了 D/A 芯片，成本大大降低，是真正的单片机控制。综上所述，本设计选择第三种控制方案，单片机使用 89C52，A/D 芯片采用ADC0809，采用 LCD 显示采样值，键盘预置电压，设计中的任务要求输出可调。2.3.5 总体结构设计系统工作原理图如图 2.2 所示：市电经过整流滤波后，一路电压经过 7805 稳压得到一个+5v 电压，该电压作为单片机的工作电源，另外一路电压直接作为开关变换电路的输入电压。开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放
21、能量给负载。单片机定时采样输出端电压，是通过 ADC0809传送进单片机里进行处理的，单片机可以根据处理的结果输出更新控制信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出控制信号控制功率开关管工作状态。在系统中，用户根据需要从键盘输入电压，单片机就会根据键盘输入和采样电压差值，更新脉宽，来对输出电压进行稳定控制。 当闭环时，电源就会自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置电压变化时，它先哈尔滨剑桥学院毕业论文6将键盘输入的值与从输出端取样的值相对比，比如当前键盘输入为 100v，从输出端取样的值为 60v，差值为 40v，则系统会根据差值，跟新脉宽。这就是系统脉宽调制过程。同时，电源可以自动稳压，假定在某一正
22、常状态下，输出为 V0，反馈电压问Vf（Vf=V0） ，用户设定电压为 Vs，当 V0=Vs 时，偏差为 0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即 V0Vs 时,单片机采样的电压也增加，单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小，从而使电压下降，同样当电网波动使输出电压下降时，即 V0Vs时，单片机修改脉宽使导通时间变长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压 6。整流滤波电路 开关变换电路 整流滤波电路单片机控制电路辅助电源LCD 显示ADC0809 取样电路键盘预置25 单片机控制开关电源系统框图2.4 系统难点分析2.4.1 如何提高电源的工作频率困难分析：现如今开关电源工作频
23、率已经可以达到 200 千赫兹以上，所以本次设计虽然采用了24M 赫兹晶振频率，但开关电源要求的是单片机的处理速度要快，51 系列单片机，虽然使用 24M 的晶振，相对于开关电源需要很快开关工作频率，但是它的速度仍然比较慢，并且单片机还要做扫面键盘，采样电压，PID 控制等很多工作，那么单片机更加慢，虽然可以忽略这方面影响，单片机可通过定时器中断产生 40 千赫兹频率，但定时器中断产生的脉冲有效电平，即占空比是不可以改变的，只可以是 50%，所以要设计输出可调的开关哈尔滨剑桥学院毕业论文7电源，显然行不通。解决办法：现在的问题是在于单片机输出的脉冲硬件更改，占空比不可以更改，只可以替换速度高单
24、片机，但是成本又增加了，所以在选择在软件上解决问题，分为：第一要定义两个变量，一个占空比 D，一个中期 T，给它们赋于值，T 要大于 D，先让单片机 I/O 输出高电平，让 D，T 同时开始计数，当 D 计算到预计值时，I/O 口为低电平，然后低电平一直延续到 T 值时，I/O 口输出高电平。改变 T，D 的值可以改变脉冲频率，改变 D 值可以控制占空比。算法为：D=100，T=1000；/定义变量，并赋值，占空比为 100/1000=10%VOID tim0 ()/定时中断P1.0=1;/P1.0 输出高电平D+;/同时计数T+;If（D=100）P1.0=0；/D 到预计值时，输出的是低电
25、平If （T=1000）P1.0=1；/T 到预计值时，输出的是高电平D=0；T=0；/清零只要单片机时钟频率足够高，可以输出任意的频率。2.4.2 储能电感的绕制我们用储能电感目的，是在功率开关管截止的时候，可以为负载存储能量，电气上的作用是可以把开关方波脉冲积分成直流电压。需是自己绕制，需要最小电感值可以由公式计算式中 为估计最大输入电压下，开关管导通时间，根min4.1)ax(inIoutTVLon据设计前辈们的经验，估计为开关周期的 30%是比较合适的。代入数据求得 ，取HL8.76iuL10电感的设计方法为 其中 为加入气隙的高磁导率材料铁心电感的截面积，Aewpe为电感窗口截面积，
26、 ， ，其中 I 为电感电流有效值， 是AwNBmIKcjI j哈尔滨剑桥学院毕业论文8导线电流密度， 是绕组填充的因数， （0 ） 。 ， 为铁心中的磁Kc1KcBmKcjILAp通密度。计算出 的值，于手册对照，选用大于 值产品，就可以查到对应铁心的截Ap面积，公式为 确定绕组匝数。BmeLNI2.4.3 标度转换技术本次设计使用了 ADC0809，这种芯片只能采样 0 到 5V 的电压，所采集回来的电压对应的是 0 到 255 的数字量，而用户从键盘输入的是电压值。控制系统检测被控对象的参数是有不同数值与量纲。所有这些参数都需要通过变送器转换为电信号，再通过 A/D 转换器或者 V/F
27、变换器转换为计算机所能处理的数字量。必须把这些数据转换成相应的不同量纲的物理量。这就是标度变换技术。我们这次设计标度转换为：键盘输入为：0 到 12V；采样 0 到 5V 电压对应数字量为 0 到 255 变换程序：r=input*255/12;/input 为键盘输入值,r 为转换后的数字量就是说使预置的 0 到 12v 的转换为 0 到 255 的数字量，这样单片机系统才能够进行正确的比较处理。2.5 开关变换器的结构分析与选择 开关电源核心是脉冲控制电路与高频开关变换电路。输出电压平均值,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（ ）与)/(TofnVoVi Ton截止时间（ ） ，
28、达到控制输出电压目的。隔离电路采用高频隔离变压器与高频变化器。开关电源的四中组态为：（1）Buck 变换器；（2）Boost 变换器；（3）Buck-Boost 变换器；（4）CUK 变换器。2.5.1 降压变换电路分析这些开关电源是直流供电，它们输入电压总是比输出电压高。当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关元件被控制截止时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，电容的作用是平滑输出。电路中负载电阻与开关管是串联，因此称为串联开关电源。哈尔滨剑桥学院毕业论文9D 31 N 5 8 1 7Q 1 v t 1L 11 0 0 u HC 44 7 0 u
29、f电路的输入电压脉宽调制信号输入输出电压图 26 Buck 变换器开关管导通，当电感电流上升到等于 Io 时，电容停止向负载供电，此时输出电压达到最小值。随着电感电流的继续上升，电容开始充电， 从最低值开始上升。当开关管Vo截止时，电感上电流处于最大，此后电感上电流开始下降，但电流仍比 Io 大，所以电容仍处于充电状态，输出电压 继续上升。当电感电流下降到 Io 时，电容停止充电，此时Vo电容上电压达到最大值。因为电感电流下降，所以电容放电， 从最大值慢慢开始下降。o假设开关管的导通时间为 ,截止时间为 ,并且开关管和电感为理想元件，则TnTof,其中 为开关的脉冲占空比。DViUofTnVo
30、*)/( Tnfn/)/(假设开关管导通状态，截止时间为 0，则 ；假设开关管一直截止，导通时间为零，Vi则 ，随着 与 的比例不同，输出电压 为 0 之间的各种值。0f o我们来分析该电路的工作原理：开关管导通，发射极上的电压为（2-1）cesi为开关管饱和压降， 为输入电压，那么电感电压 为 , 为VcesVi VLdtILoe电感电流，则在经历 以后，开关管截止，此时电感电流最大，电流值为Ton（2-2）ToneIL/)(max当这时，电感储能是： ，因为电感对电容充电，充LVW221电的电量是（2-3）toneTonILQ/)(ax*2这期间，输入电压给电路能量是（2-4）LtVVeW
31、/)(2（4）式经过变换得： /2)( oneo哈尔滨剑桥学院毕业论文10即是电感中储存的磁能和电容储存的电能。L2QVoImax1当开关管截止后，电感电流不能突变，电感产生感应电势，使得续流二极管导通，电感通过电路向负载放出能量，若二极管正向导通压降为 ，已知电感上的二级管降压Vd与输出电压、电压之间有这样的关系： tILoVd)(我们通过下面的式子算出电感电流由最大值为 0 的时间，（2-5）oLItmaxtne开关管截止期间电容充电量是（2-6）22)(a1ax21 toLVeItILQ续流二极管作用是使电感电流在开关管截止时可以连续变化，若控制信号的每一个脉冲都可以完全工作，就会有 ，
32、那么让电感在导通期间存储的能量，能在 时tonT t间内，就可以完全释放给电路。我们可以根据能量守恒定理来证明，（2-7）WVoIT代入（4）式得 （2-8）QetnLeIo2所以我们知道了，脉冲周期越小或导通时间越大，输出电流就越大，我们需要提高电源输出功率时，就可以通过提高开关管的工作频率。2.5.2 升压型变换电路升压式开关电源的输出电压总是高于输入电压 Ui，且极性是相同的。因为负载与开关管是并联，所以称为并联开关电源。2.5.3 Buck-Boost 型变换器极性变换式电源输入电压和输出电压极性是相反的，输入的电压绝对值要低于输出电压绝对值，否则将和降压式开关电源混淆，当开关管导通时
33、，输入电压加在电感上，产生电流，电感进行储能，二极管反向截止。晶体管截止时，电感上电流逐渐减小，感应电动势使二极管导通，给电容充电，电容上的电压与输入电压极性相反。当负载上的电压要跌落时，电容再次给负载放电，这时可使输出电压高于输入电压。这几种开关电路都有各自特点，我们的任务要求电源在 12 到 3 伏之内可调，但输入电压为 14.3V，因此采用降压型开关变换电路，通过调制输出占空比为 90%到 0 的脉冲，哈尔滨剑桥学院毕业论文11使得电源在要求范围之内可以调节。2.6 开关电路的器件参数和选择2.6.1 功率开关管的选择开关管是电源最重要要的工作器件，正确选择，是电源成功制作的基础。第一，
34、开关管截止时间不可以过长，若截止时间过长，开关管的上一个控制脉冲就已经结束，当下一个控制脉冲已经到来时，就会造成开关管没有完全关断，就马上就进入下一个导通周期，这样会造成电源损坏。第二，开关的导通时间也不可以过长。若开关频率较高，开关管截止与导通的频率频繁，导通时间过长，就意味开关管有更多时间是在放大状态下工作的，这样开关管功耗就会迅速增大，电源的效率降低。我的论文中电源工作频率为 24.9 千赫兹，根据设计前辈们的经验，功率开关管的导通时间不宜超过 1.49 ，截止时间不可以超过 1 。usus当开关管导通的时候。计算如下：电感电流的平均值等于负载电流 ，则有 ，流过开关管的电流平均值IoI
35、oILI2minax为 ，忽略开关管导通压降，有DTtntILI 2minax，整理方程消去 得到itoViLinI（2-9）tofLVIL2ax电流流过开关管最大电流等于电感电流最大值，所以，得出额定输出电流是 ，得出集电极电流小于tofVIcm2A1A2当开关管截止的时侯，电源全部输入电压都会加在开关管的发射极两端与集电极。因此其耐压值就一定要大于集电极输入电压，因为考虑到开关瞬间滤波电感和电网波动所产生的浪涌电压，选取耐压值为输入电压的 2 倍。输入电压为 14.4 ，则开关管耐压应大于 2 ，根据数据手册，选择的晶v 8.4.1v体管型号为 D882，耐压值 40V，集电极电流 3A，
36、功率 10W。2.6.2 滤波电容的选择电容滤波原理是：利用电容在截止期间释放能量、在整流二极管导通期间储存能量哈尔滨剑桥学院毕业论文12的作用。滤波一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。由于电感电流仍小于输出电流，电容向负载放电，电压下降，产生纹波，在一个脉冲周期中，电容所释放的电量为 ，设纹波电压峰峰值为 ，则有TIopV（2-10）CpV/TIoPVp任务要求为 因此脉冲频率是 25 千赫兹，周期,1,0AImv us40，选取电容量 470 铝电解的电容。ufAvC41.6 uf2.6.3 储能电感的选择开
37、关管饱和导通时，其饱和压降可以忽略，则电感感应电动势为（ 2-11）tonILIVimiax（ 2-12）i)(IIV电感电流变化量和负载电流的变化量相等，为了使电感电流在负载电流最小时，仍保持连续，取 ， 为负载最小电流。代入式（11）得in2miaxoILIi，根据 ，所以电感计算是tonIViL2DVifiot（2-13）)1(in2ifIL负载电流最小值为 0.5 安， 代入公式，算得电感量为kHzfvVo25,4.,76.8 ,取电感量为 100 ，电感量越大，储能就越大，因为是在高频下工作，电感选uHuH用磁铁心电感，为防止电感饱和，选择饱和电流为 2A。2.6.4 续流二极管的选
38、择根据 变换器的工作原理，开关截止时，续流二极管导通，电感的磁能转换为电Buck能，二极管起到续流的作用，选择超快恢复二极管，根据本次设计的要求，选择电流大于 耐压大于 30 的肖特基二极管。,5.1Av哈尔滨剑桥学院毕业论文133 硬件电路设计3.1 电源电路设计开关电源设计包括采样电路、输出整流滤波电路、保护电路、开关变换电路，输入整流滤波电路。3.1.1 整流滤波电路电压经过变压器降压后，其通过 7812 后变为 12v，该电压整流后一部分电压直接成为开关变换电路输入电压，另其通过 7805 得到 5v 的电压后，给予开关电源控制电路部分单片机提供工作电源。交流 220v 降压后经过整流
39、桥整流输出直流电压作为开关变换电路的输入电压，7805稳压输出 5v 给单片机提供电源。图 31 整流滤波电路3.1.2 开关变换电路功率开关管采用达林顿管，由于它采用两个三极管进行级联，其放大倍数是两个管子放大倍数的乘积，因而具有很高的放大倍数，通过级联，可获取大的电流输出，对于提高电源的输出功率，有一定的作用。所以开关管选择是 PNP 型，若控制脉冲的低电平，那么开关导通，电感存储能量，开关把电路输入电压变成高频脉冲，若控制脉冲为高电平，那么开关截止，电感把所存储的能量释放给负载。为了确保电感电流能在开关转换过程中保持连续，选用肖特基二极管作为续流二极管选用，这种二极管具有较快的导通哈尔滨
40、剑桥学院毕业论文14截止恢复时间，在开关导通变为截止时，能够很快的由截止转换到导通，所以能够确保电感电流连续 7。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 20-May-2010 Sheet of File: F:业业业业业业业业业业业Myminsys.ddb Drawn By:R54.7KR63.3KR7100KR42.2KR120R2470R3220R83.3KR93.2KR102.5K R1110R1510KR1410KD31N5232BQ22SC2547 Q32SC2547Q12SA1085D210BQ040L1B8
41、2432C1564K00C1100uINPUT50VQ42SC2547OUT图 32 开关电路与输出整流滤波电路3.1.3 保护电路如图 3.3 所示，在实际应用中常常会出现因为一时疏忽或误操作而导致的烧坏芯片情况，因此设计一个优秀的产品。其原工作理为：在电源输出端，设置负载电流检测电阻 R0，通过 R0 将负载电流 Io变成过流检测电压 ,三极管是过流控制管，若开关电源负载电流是IoRV，过流控制三极管开始导通时，电源输出电压是过流控制管集电极输出，触vRoI7.0发晶闸管导通时，可以将开关电源负载短路，可以实现保护。本电路具有自锁功能，若负载电流增大持续时间超过 C1 充电时间事，电路触发
42、以后，那么负载电流恢复正常，也不可以解除保护状态，我们必须关断电源，排除过流因素后，晶闸管才可以复位。下图中，电感和输出端电容之间的部分是保护电路。哈尔滨剑桥学院毕业论文15图 33 过流保护电路3.2 控制电路设计 控制电路用 89c52 芯片，该芯片有 32 个可编程的 I/O 口。RST：复位输入，当振荡工作时，RST 引脚出现两个周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。即便不用访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的正脉冲信号，所以它可对外输出时钟或定时目的。EA/VPP：外部
43、访问允许。访问内部存储器时，EA 端接高电平。当访问外部存储器时，EA必须保持低电平。振荡电路本次设计采用的是石英振荡电路，外接电容 C1、C2 的容量的大小的取值会影响振荡频率的高低、振荡器的工作稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用陶瓷振荡器，应选择容量为 3050PF，对于石英晶体，选择 2040PF，这里我们选择电容为 22PF，晶振为 24M 赫兹。复位电路单片机复位电路有按扭电平复位，上电复位，按扭脉冲复位。上电复位是利用器充电实现。电阻取 1k，电容取 22uf。本次设计在调试过程中使用的是 89S51，该单片机与 MCS51 系列完全兼容，工作频率 0哈尔滨剑桥学院毕业论
44、文16到 33M 赫兹，支持系统编程，只需要从电脑引出几根线即可。该烧写器电路及用户界面，均可以从网上获取。3.2.1 反馈电路设计 反馈电路是应用 ADC0809 输出电压，这个器件能转换 5 到 0 伏之间的电压，超过后会烧毁芯片，若要采集大的电压，我们可通过电阻分压再采样，可以在程序中再乘以一个分压系数，来代表输出电压值。下图为 ADC0809 的接线图：图 34 ADC0809 接线图3.2.2 显示电路设计液晶显示器以其抗干扰、避免几何失真、画面无闪烁、厚度薄、无电磁辐射、重量轻、耗能少、体积小等诸多优点被业界和用户一致看好。LCD128X64 是一种具有 4 位/8 位并行、2 线
45、或 3 线串行多种接口方式，点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 12864。可以显示 1616 行 84 点阵的汉字， 还可以完成图形显示。低功耗，低电压是其特点。基本特性:（1） 、低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）（2） 、显示分辨率:12864 点 （3） 、低功耗（4） 、内置 128 个 168 点阵字符 （5） 、2MHZ 时钟频率 （6） 、显示方式：STN、半透、正显 哈尔滨剑桥学院毕业论文17（7） 、驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8） 、视角方向：6 点 （9） 、通讯方式：串行、并口可选图 35 LCD 接口电路3.2.3 键盘接口和单片机电路设计
46、 我的论文键盘是 16 个按键的，有软件定义功能，需要解决的问题：键盘是按键的集合,是向系统命令的接口设备。按键分非编码键和与编码键盘盘两种类型。编码键盘可以自动识别按下的键同时生成对应的代码,通过并行或串行方式送给CPU。这种键盘的优点是使用方法简便,接口简易,反应快速,缺点是成本较高。非编码键盘则通过软件来确定按键并计算键值.因为这种方法没有编码键盘速度快,但是它组态灵活，价格便宜,所以得到广泛应用.键盘是计算机应用系统中一个重要部分,设计时需要解决下述一些问题。1.按键的确认 键盘实际上是一组按键开关的集合,其每一个按键就是一个开关量输入装置。按键的闭合,受控于弹性开关的合，断两个状态,
47、电压上的表现就是出高电平或低电平,高电平表示断开,那么低电平就表示键闭合。所以,通过电平状态(高或低)的检测,便可确定相应按键是否已被按下.键盘中有无按键按下是通过列选线读入扫描字及行线读入行选线的状态进行判断的 8。判断的过程是：必须使列选线所有 I/O 线均设置成为低电平，第二步使行线状态读入累加器中。如果有键按下，则至少会有一根行线被拉至低电平，从而使行输入不全为 1。哈尔滨剑桥学院毕业论文182.键盘抖动的防止由于不规范的操作或者键盘本身的构造都会导致键盘抖动，键盘的抖动会影响数值正确输入，造成错误操作，因此要防止。图 36 单片机键盘接口电路哈尔滨剑桥学院毕业论文194 软件设计4.
48、1 总体编程思想单片机控制系统软件设计思路：系统扫描键盘输入，当键盘有输入，系统立即会做出响应，根据采样键盘输入和电压之间的差值，更新脉宽，输出用户期望电压，然后系统仍扫描键盘，若没有再次输入，系统就会调用 PID 控制的算法，控制输出电压的稳定。软件子程序包括：（1）数码管扫描与键盘子程序，（2）ADC0809 转换子程序，（3）定时器 零 中断产生的方波子程序，（4）PID 控制子程序，（5）定时器 1 中断修改占空比、进行 PID 控制、数码显示子程序。4.1.1 键盘防抖动子程序在按键操作过程中,都会无意中同时或着按下两个以上的键或连击,发出了错误指令，所以，为了防止这种情况发生，会在程序中进行两次判断，来确认按键。本文要求有电压预置功能，所以程序中将 8 个按键定义：加 20，加 200，加 2000，向上切换键，减 20，减 200，减 2000，向下切换键。满足电压预置要求，通过切换可以显示当前预置电压值，输出电压值，PID 控制增量以及 PID 控制的比例、积分、微分三个参数。哈尔滨剑桥学院毕业论文20是否有键入延时是否仍有键入确认按键，进行键盘处理结束否开始是是否图 41 键盘防抖动流程图4.1.2 显
