毕业设计 基于单片机控制的智能电源的设计Word格式.docx

毕业设计 基于单片机控制的智能电源的设计Word格式.docx

《毕业设计 基于单片机控制的智能电源的设计Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计 基于单片机控制的智能电源的设计Word格式.docx（58页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

同时为了避免因使用不当对电池造成的损害，还为锂离子电池组配置了专门的保护电路，使得该组备用电源具有很高的安全性。

综上可知本系统具有功能多、显示直观、使用方便等特点，因而具有一定的实用价值。

关键词：

直流稳压电源,单片机,数控,PID,备用电源

Abstract

Thissystemincludesbothhardwareandsoftwaresystems.Thereareseveralmodulesofthiswholesystem,suchassingle-chipcomputer（DigitalControlCenter）system,keyboard,display,D/AandA/Dconverters,auxiliarypowersupply,voltageoutputadjustment,backuppowersupplyect.Thesefunctionsarerealizedthatthevoltagecanbepre-set,stepchangesinadjustment,figuresmshowtheoutputvoltagesignalect.ThissystemalsoincludesabackuppowersupplyconsistedoftworechargableLi-ionbatteries,whichcouldstillpowersomeimportantexternalloadforlimitedtimewhenthesmartpowersupplyhaslostits’power,andthebackuppowersupplycouldbeworkedsafelyandindependentlyunderthecontrolofthesystem.InordertokeeptheLi-ionbatteriesfromexposingintheseseriousdangers,aspecialprotectdevicehasbeeninstalled.Thesystemhasthefollowingfeatures,suchasmulti-functions,intuitivedshowing,easyusingect.Sothisdesignpossessesagreatnumberofpracticalvalue.

Keywords：

DCregulatedpowersupply,Single-chipcomputersystem,numericalcontrol,PID,BackupPowersupply

第一章引言

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1电源技术

电源设备是电子仪器的一个重要组成部分，在科研及实验中都是必不可少的,电源种类繁多，也没有明确的划分标准，习惯上，按照调整管的工作方式的不同可将直流稳压电源划分为线性直流稳压电源和开关型稳压电源两大类，下面我们将主要讨论线性稳压电源。

在实际的工作环境下，特别是在一些工业场所，各种用电设备纵横交错，电磁环境十分恶劣，设备仪器在使用过程中常常会被暴露在异常状况工作环境之下，例如过电压、瞬态脉冲冲击波、强电磁辐射等，这些都会影响设备的正常运行，严重时甚至会损坏电源，以至于影响整个系统的工作,这就对电源设备的可靠性提出了严格要求。

人们已经研制成了许多模拟电压源，这些电压源各有各的优点，例如成本低、简单、负载可以接地等。

在自动控制仪表中，常要求按一定输入值输出相应精度电压，但是一般的电压源往往是固定的一种电压值，或有限的数档电压值，不便于通用。

常见的直流稳压电源,大都采用串联反馈式稳压原理,通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。

由于受电位器阻值变化的非线性和调整范围窄所限,普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。

在目前所使用的直流可调电源中，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。

近年来，随着微电子技术的发展，新器件的研制、生产周期日益缩短，电子技术中遇到的许多难题将通过寻求新器件的办法解决。

各种各样的D/A转换器已可实用，便可以方便的对电压值进行数字控制，这样就可以比较经济地构建数控直流稳压电源【28】之类的电路。

单片机相关的应用技术更是有了迅猛的发展，众多功能各异、结构不同、供应状态不一的单片机可供用户选择，如支持ISP（在线更新程序）功能的89S51系列芯片，低电压、高性能8位CMOS芯片AT89C51，以及具有内部集成D/A、A/D转换器的单片机C8051F02等等。

将低价位的单片机引入电源设计中，以单片机作为核心部件，利用键盘产生中断，利用中断服务程序实现各模块的功能成为当前国内外数控电源设计的主流。

本课题将单片机数字控制技术有机地融入直流稳压电源的设计中,设计出一款高性价比的多功能数字化通用智能型直流稳压电源。

该电路具有电压调整简便,读数直观,电压输出稳定,便于智能化管理的特点,可以有效地克服传统电源的不足。

集成芯片的不断发展，亦大大简化了电源的设计，电源工程师们不用一步一步地去连接复杂的电路，因为各部分的电路都集成在各部分的功能模块中，只需将其封装起来，构成模块整体，这样，电源的设计、制作以及故障维修也相对比较简单了，当需要用到某些功能时，只需要将那些功能模块连接起来组成一个整体电路，再经过调试和测试便可以达到其特定功能，如果整体电路中的某个部分出现了错误，那么可分别对各模块进行检查，维修起来自然比较方便。

本设计中的数控电源就是模块设计中的一个比较好的应用。

它的主要功能部分都运用了集成芯片，用户不需要知道各芯片的内部电路是怎样连接的，只需要知道各芯片管脚的功能和用法就可以了。

数字化智能电源模块【25】是针对传统电源模块的不足提出的，数字化能减少使用过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

电源采用数字控制，具有以下明显优点：

1）可以方便地采用先进的控制方法和控制策略，使电源的智能化程度更高，性能更完美。

2）在不改动硬件电路的基础上可方便地对系统升级，维护方便。

3）系统的可靠性高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，不同的性能要求可通过对控制软件做相应的修改来实现。

1.1.2锂离子电池

近年来，各种携带式的电子产品成为市场上的热门，如手机、数位相机、个人数字助理（PDA）、笔记型电脑等3C（Computer,Communication,ConsumerElectronics）等等产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品的各项高性能元件也往轻、薄、短、小的目标迈进，因此对于体积小、重量轻、能量密度高的二次电池需求相当迫切。

因此,电池厂商也研发出各种不同用途的电池，来适应电子装备的需求。

使电子产品具有携带更方便，使用时间长等特点。

小型二次电池包括镍镉电池、镍氢电池及锂电池，在防止镉污染的环保需求下，镍镉电池慢慢被取代已成趋势。

镍氢电池虽无环保问题，但是能量密度低，高温特性差及少许记忆效应等缺点，在3C产品应用上，已经逐渐被锂离子电池所取代。

锂离子电池具有工作电压高（3.7V）、能量密度大（150Wh/kg）、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，皆以锂离子电池做为其能量来源，因为电子产品的使用量迅速成长，各种可携带式电子产品的研发不得不更轻薄短小以使产品能更具有竞争力，“电池”的角色显得更加重要，其品质的良莠甚至决定了产品的成功与否，特別是可充电二次电池，在市场中成长快速、利润高，目前已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当看好的。

总的来说，锂离子电池具有以下优点【13】：

（1）能量密度高，其体积能量密度和质量能量密度分别可达360W·

h/dm3和150W·

h/kg，而且还在不断提高。

（2）工作电压高，通常单节锂离子电池的电压为3.7V，单体电池即可为3V的逻辑电路供电。

对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。

（3）自放电小，每月10%以下，不到镍镉电池的一半。

（4）可快速充放电，1次充电时容量可达标称容量的80%以上。

锂离子电池负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。

在特定情况下可在短时间内充足电，而且安全性能大大提高。

（5）寿命长，锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。

目前，锂离子电池的寿命可达1000次以上，远远高于各类电池。

（6）允许温度范围宽，锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在-20~+60

之间工作。

高温放电性能优于其它各类电池。

（7）无记忆效应，即是说锂离子电池没必要每次都放完电再充，可以随用随充，大大简化了对充电的要求。

此外，锂离子电池还具有体积小、输出功率大、和无环境污染等优点。

综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池，尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点。

（1）与干电池无互换性：

锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点，当蓄电池放完电时，一般的想法是用干电池暂时取代但由于这两者电压不同，不能直接代换。

（2）无法急速充电：

锂离子电池不能像镍镉电池那样，用15分钟急速充足电。

锂离子电池的充电方法是，最初以恒定电池充电，最后则以恒定电压完成充电，较快速度充电时间约需2小时。

（3）内部阻抗高：

因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多。

所以，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大10倍左右。

（4）工作电压变化较大：

电池放电到额定容量的80%时，镍镉电池的电压变化很小（约20%），锂离子电池的电压变化很大（约40%）。

对电池供电的设备来说，这是严重的缺点，但可以由锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测电池的剩余电量。

（5）放电速率较大时，容量下降较大。

（6）必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放。

但同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。

因此锂离子电池具有广泛的应用价值，其经济价值相当可观。

锂离子电池的新发展：

1.聚合物锂离子电池

聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。

由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。

目前很多企业都在开发这种新型电池。

2.动力锂离子电池

动力锂离子电池：

严格来说，动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位AH的级别。

动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。

高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；

高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。

根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。

3.高性能锂电池

为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。

但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。

为此，改用一种新的合成方法。

他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。

这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。

目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本较低，而其高性能可以保持很长时间。

领导这项研究的马克西米利安·

菲希特纳博士说，如果研能够充分开发这种新材料的潜力，将来可以使锂离子电池的储电密度提高５倍。

1.2本课题的研究内容

本课题拟设计一种基于单片机的智能直流稳压电源。

该电源通过不断地采集输出端的实际输出电压，转换为数字量后传送到单片机结合用户预置电压值进行相应计算，然后输出控制信号到D/A转换器，控制电压调整电路，以实现对数控直流稳压电源的输出电压的精确控制。

由电压的控制过程可知，本电源系统通过内嵌在单片机程序存储器中的PID控制算法，结合扩展的ADC和DAC构成了先进的数字闭环控制回路，无疑可以大大提高稳压电源的性能。

本系统设计输出可调电压范围为2V到12V，同时要求输出电压值可由键盘方便、直观的输入，电压精确到0.1V。

设计电压调整方法和控制算法，使系统实现预置电压输入调整方便，输出电压电流值数字显示等预期目标。

此外，为了增强电源的功用性，另为本电源系统配置了一套由两节可充电锂离子电池构成的+5V备用电源，该备用电源可用于在系统外部停电的情况下向外提供一组+5V的电压输出。

而且该备用电源的充放电过程可完全由本智能电源独立完成【10】。

课题需要完成的工作：

自行设计数控直流稳压电源及备用电源的硬件电路，并编制其汇编程序代码。

1.3本文的结构

第一章，绪论：

介绍课题研究的背景与意义、研究内容、正文结构。

第二章，系统总体设计：

简单介绍了本课题的设计任务及要求，对本系统所采用的总体方案进行简要的论证，最后给出了本系统硬件电路的总体结构框图。

第三章，系统单元电路设计：

讲解本设计中各单元电路的功能设计及相关器件、元件、芯片的选择。

第四章，系统的软件设计：

首先介绍了本课题所应用的PID控制算法，其次对本设计的软件设计流程做简要的介绍，并给出系统总流程图及各子程序流程图。

第五章，结论：

介绍了本设计实现的功能，以及还需改进的地方。

第二章　系统总体设计

2.1系统设计任务及要求

设计一款智能电源，要求具有5.6.9.12.15V等电压输出路。

利用AT89C51单片机设计一路2-12V连续可调电压输出，可以通过键盘预设输出电压，同时具有+-0.1V电压步进增减键，输出电压可数字显示。

同时要求该智能电源可为可充电电池进行充电，而且该充电电路具有防止电池过充电，及过载保护等功能。

2.2系统总体方案论证

2.2.1可调电压输出电路部分

为了得到一路连续可调电压输出，本方案以AT89C51单片机作为数字控制中心，通过键盘和显示电路，用户可以方便、直观地设置所希望的电压值，并通过扩展的ADC0809转换器将输出端实际电压值采样送回单片机，单片机求出电压设定值和实际输出值的差值（误差信号），通过调用PID控制算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入DAC0832转换器的输入端口，转换为模拟信号后去控制电压调整电路（执行机构），使得输出端的电压尽量维持在预先设定的水平，进而达到稳压目的。

原理框图如下：

图2-1　可调电压输出电路原理框图

目前还有另外一种比较流行的直流稳压电源构建方案：

开关电源[22]方案。

这种方案的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。

这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。

而且这种方案由于功率调整管不断地在开通和关断之间来回切换，因此可以大大降低功率调整管的能量损耗，使得系统的效率大幅提高。

但是对于本课题，这种方案并不可取，因为本课题要求采用低端单片机AT89C51作为电源数控中心，而这种单片机内部没有集成PWM产生模块，使得电源系统的外围电路复杂，某些器件选择困难，而且很多外围元件的大小不容易确定，这也大大增加了软件的编制难度；

本方案工作过程清新，在完成设计任务的基础上器件使用较少，又由于器件几乎清一色的集成电路，使得整体电路连接简单，可靠性高，而且DAC0832和ADC0809价格便宜，购买、使用方便。

综合上述诸多因素，本可调电压输出电路的设计选择上述方案。

2.2.2备用电源部分

系统备用电源采用了锂离子电池作为储电单元，这样做是出于对整个电源系统的总重和总体积的考虑，因为锂离子电池具有十分突出的能量密度比，这方面的巨大优势是普通镍镉、镍氢电池难以比拟的。

再加上锂电又具有很小的自放电和很轻微的记忆效应，可以很好的吻合备用电源闲置时间长、充放电灵活的特点，这就使得锂离子电池几乎成为了惟一的选择。

本备用电源的保护电路选用两节锂电专用保护芯片MM1292【4】构成，该芯片使用简单，具有很高的性价比，只需少量外围电路便可以为脆弱的锂离子电芯提供多重保护：

防过充电、防过放电、过载保护等。

这种保护电路由于不需要单片机参与，具有很高的独立性；

而且可以节省单片机本就十分紧张的系统资源，同时大大简化了编制程序的工作量。

考虑到锂离子电池对充电电路的苛刻要求和过充电的严重后果，该备用电源的充电电路亦是采用成熟的集成芯片构建：

高性能锂电专用充电芯片BQ2057。

本备用电源的充电过程包含有三个不同的阶段：

预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段【8】。

其中恒流和恒压两阶段是必须包含的,线路中芯片BQ2057的主要功能是对充电电流和充电电压及转灯指示进行控制,以完成整个充电过程.。

充电开始时,线路提供恒定电流对电芯进行充电,当电芯电压接近8.4V时,充电转为恒压充电,充电电流逐渐减小至充电结束电流并转灯指示充电结束。

此外，通过外接一热敏电阻，BQ2057可在备用电源整个使用周期中完成对其的温度保护。

2.3系统总体方案

由于本课题要求输出一组2V-12V的连续可调电压，为了实现电压可调的目标，本设计以AT89C51单片机作为数字控制中心，通过电源的键盘用户可以方便直观地设置所希望的电压值，并通过扩展的A/D转换器将输出端实际电压值采样送入单片机，单片机通过计算求出电压设定值和实际输出值的差值（误差信号），通过调用PID控制算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入扩展D/A转换器的输入端口，转换为模拟信号后去控制电压调整电路（执行机构），使得输出端的电压尽量维持在预先设定的水平，进而达到稳压功能。

此外，又由于要求电源具有一组可在外部电力供应中断的情况下向系统重要负载持续供电一段时间的备用电源。

考虑到电源总重量和体积因素，本系统选用两节可充电锂离子电池作为系统+5V备用电源,之所以没有配置更多电压级别的备用，是因为考虑到了备用电源供电的短暂性，毕竟外部电网发生停电事故的机会是有限的，这样配置过多的备用无疑会使大部分备用系统长时间处于闲置状态，使得电源总体成本变得不经济。

锂离子电池具有很多传统二次电池所不能比拟的优良性能，但同时也对备用电源系统的充放电控制电路提出了更为严格的要求，因为对锂离子电池过度的充电和放电都会对电池造成永久性损害，本设计针对上述要求单独设计了此备用电池的控制电路，控制电路由充电控制电路和保护电路构成，分别来完成锂离子电池的充电和保护功能。

其中充电电路和保护电路均采用性价比很高的专用锂电控制芯片构成，可以使锂电在频繁的充放电过程中免遭破坏性损害。

第三章系统单元电路设计

本章主要介绍组成系统的各单元电路的设计，主要由三大部分构成：

辅助电源电路、2-12V可调电压电路及备用电源电路。

下面就各部分的功能、原理分别做出详细的讨论。

3.1辅助电源电路

由于本电源系统包含有单片机及各种电压等级需求的运放、比较器等器件，这就需要为系统配置一套辅助电源用来为其它有源器件提供可靠、合适的直流电，这些辅助电源还可为对工作电压精度要求不高的外部直流负载直接供电。

本系统配备有+5V、+6V、+9V、+12V、+-15V等直流辅助电源。

3.1.1直流稳压电源的基本原理

简单的直流稳压电源电路【21】一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电源电路所组成。

框图如图3-1所示。

图3-1稳压电源基本组成框图

上述过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。

1）变压电路。

通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。

电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。

初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。

通俗的说，电源变压器是一种电→磁→电转换器件。

即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。

次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。

2）整流电路。

经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。

在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。

本方案采用全波整流的方式。

全波整流电路图见图3-2。

相对半波整流电路，全波整流电路多用了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也增加了一个中心抽头。

这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。

在0～π期间B1次级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压上端为正下端为负，其电流流向如图3-2所示；

在π～2π期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压还是上端为正下端为负，其电流流向如图2－3－9所示。

在2π～3π、3π～4π等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周的电压经过D1、D2整流后分别加到R1两端，R1上得到的电压总是上正下负，注意全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。

图3-2典型全波整流电路

由于本辅助电源系统还需要一路负极性的电源，为此当采用全波整流方式时，本直流稳压电源的整流电路原理图如下所示：

图3-3全波整流电路原理图

3）滤波电路[19]。

交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源，为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路，滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。

在小功率电路中常采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在负载RL两端，就可组成电容滤波电路。

由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。

采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压，但输出电压受负载变动的影响较大，其主要用于要求负载电流较小，负载基本不变的场合。

滤波电容一般采用电解电容，使用时注意极性不能接反，电容器的耐压应大于它实际工作时所承受的最大电压。

电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。

在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；

在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。

在C1还没有完全放电时再次开始进行充电。

这样通过电容C1