单片机控制的智能升压电源硬件设计说明.docx

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单片机控制的智能升压电源硬件设计说明

铁道大学四方学院毕业设计

单片机控制的智能升压电源硬件设计TheHardwareDesignofSignleChipMicrocomputerControllingIntelligentBoostPower

2012届电气工程系

专业

学号

学生

指导教师东阳

完成日期2012年5月15日

毕业设计成绩单

学生

学号

班级

专业

毕业设计题目

单片机控制的智能升压电源硬件设计

指导教师

东阳

指导教师职称

副教授

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题目

单片机控制的智能升压电源硬件设计

学生

学号

班级

专业

承担指导任务单位

铁道大学

导师

东阳

导师

职称

副教授

一、主要容

恒压源就是输出电压恒定，即所谓的稳压源。

除恒流源供电设备外其他电子设备要求恒压供电，因为电压变化都会对设备工作造成影响。

本项目就是设计一个可以数控的升压恒压源。

通过按键调节输出电压值，一旦设定，输出电压就会一直保持恒定，不会因负载变化而发生改变。

系统工作时，由单片机对输出情况进行处理，时刻显示状态，实现了智能管理。

本项目广泛应用到电子设备供电以及教学设备中。

二、技术参数和要求

1﹑输入电压12（10.5-14）V。

2﹑最大输出30V，限流1.0A。

3﹑通过单片机可以设置恒压值（20-30V），连续调整或步长0.5V的阶梯调整）。

4﹑其他要求：

系统工作时，两位数码管循环显示输出电流，电压；当输出电流达到限流值1.0A时，有声光报警（指示灯和蜂鸣器）；有设定电流值状态与正常输出状态指示；

5、电路原理图设计，protel印刷电路图设计。

6、提出系统设计框图，提出相应的解决方案。

7、论文正文不少于1.5万字，查阅文献资料不少于15篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。

三、结构框图

整体可分为四部分，电源部分，单片机部分，控制部分，功率部分。

1.电源部分，一是降压稳压给单片机及其元件供电，二是给功率电路供电进行升压。

2.单片机部分，处理，显示电压，电流值，送给控制电路部分设定电压值。

3.控制部分，采集输出电压，电流一是送给单片机，二是与单片机设定电压值比较，调节功率电路部分工作。

根据采集电压值和单片机设定电压值来控制调节UC3843（占空比控制芯片）输出的占空比，去调节boost升压电路工作，使最后输出电压达到单片机设定值。

4.功率部分（boost升压），此部分是boost升压电路，将输入电压12V升高，达到单片机设定输出值。

由控制芯片UC3843输出的占空比控制调节升高电压值（输出电压值）。

四、参考及查阅资料

1.单片机采用宏晶STC12C5204AD（AD转换，PWM）或具备同样功能的其它单片机，相关资料下载网址.stcmcu.。

2.开关电源工作原理，电源主回路，控制回路。

3.boost升压电路。

4.占空比控制芯片UC3843PDF以及其典型应用电路。

5.运放相关知识资料：

跟随器，放大器，积分比例放大（推荐使用运放LM358）。

五、进度计划

第1周—第2周开题报告

第3周—第4周资料收集，方案设计

第5周—第7周系统设计

第8周中期检查

第9周—第12周系统调试和论文撰写

第13周—第14周论文审核

第15周—第16周答辩

教研室主任签字

时　间

毕业设计开题报告

题　目

单片机控制的智能升压电源硬件设计

学生

学号

班级

专业

一、课题研究意义

21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。

开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得开关电源成为了应用最广泛的电源。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和开关器件（MOSFET、BJT等）构成。

随着开关电源技术的成熟，在有些应用场合要求开关电源具有一定的智能，能实现精确的程序控制，以便于实时了解设备的参数（如电压、电流）、工作状态（正常、故障）等信息。

其存在着广泛地发展空间，同时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。

二、国外研究现状

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

而智能开关电源则也随着各种电子设备的层出不穷相应的不断发展创新，其中以单片机作为微控制器，嵌入到开关电源中的应用比较普遍，可以使得开关电源体积相对较小，成本较低但却很好地实现了智能化。

UC3843是一种高性能固定频率（频率可高达500KHZ）电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案，因而也被广泛地应用于智能电源的开发应用中。

智能开关电源也正朝着高频化、模块化的方向发展。

进一步提高脉冲宽度调制（PWM）控制器如UC3843的频率或者发展新型更加高频率的脉冲宽度调制（PWM）控制器，可以使得开关电源的精度更高，误差更小，也使得开关电源更加轻、小、薄。

而发展集成度更高的元器件，可以使得开关电源的外围电路更加简单，实现模块化。

三、研究容和预期结果

3.1研究容包括：

（1）研究开关电源的工作原理。

（2）掌握BOOST升压电路的工作原理，设计升压电路硬件部分并计算出主要器件参数。

（3）设计PID控制电路，并计算主要器件参数

（4）熟悉了解UC3843的原理及其功能，主要用来输出一定的占空比信号，控制BOOST升压电路中MOS管的开通以及关断，来实现升压。

（5）单片机电路，UC3843，BOOST升压电路构成恒压源的硬件电路。

（6）和单片机程序结合，可实现按键输入设定电压值，数码管显示电压电流值等功能。

3.2预期达到的结果：

采用12V电压，最大输出30V，限流1A。

设置恒压值（20-30V），连续调整或步长0.5V的阶梯调整。

系统工作时，两位数码管循环显示输出电流，电压；当输出电流达到限流值1.0A时，有声光报警（指示灯和蜂鸣器）；有设定电流值状态与正常输出状态指示。

指导教师签字

时间

　　年　月日

摘　要

由于当前世界的快速发展和进步，对能源的需求日益增大，因此能源问题已经成为了一个世界问题，新能源的使用已受到很大受到重视，作为绿色能源的太阳能源得到了广泛的认可，太阳能产业也逐步发展，目前已有很多太阳能产品投入了生产，并广泛运用在了现实生活中。

本设计针对恒压控制器进行设计，主要涉及电源模块、Boost升压斩波电路、PID电路和单片机及其接口电路等主要部分。

此功能将通过配合相应的C语言控制程序和算法来实现STC12C5204AD单片机的PCA和PWM输出功能，最终实现对电压的设定和调整，将软件和硬件有机的结合起来。

设计最终实现该控制器由12V直流供电经过Boost升压电路的升压作用后输出，通过PID电路来保持输出电压的恒定，即由UC3843芯片对MOS管的开通和关断时间占空比进行控制，同时对电路中的最大电流进行限制（最大电流不大于1A）。

并在最后通过PROTEL软件，依照设计的原理图制作了PCB板，进行了实物的焊接，并综合对硬件和软件功能进行了调试。

关键词：

　控制器　单片机　Boost升压电路

Abstract

Becauseoftherapiddevelopmentofthecurrentworldandprogress,increasingdemandforenergy,sotheenergyproblemhasalreadybecomeaworldproblem,newenergyusinghasbeengreatattention,asgreenenergysolar-energyhasbeenwidelyrecognized,thesolar-energyindustryalsograduallydevelopment,nowtherearealotofsolarproductshadbeenusedintotheproduction,andwidelyusedinreallife.

Thisdesignforconstantpressurecontrollerdesign,mainlyinvolvesthepowermodules,Boostpressurizationchopper,PIDcircuitandsingle-chipmicrocomputeranditsinterfacecircuit,andinthelightofmainpartwrittenrequiredfunctionsthecorrespondingcontrolprocedures.Controllerworkingprocesscanalsotheworkingvoltageforthecorrespondingsetting,thiswillthroughthedesigncorrespondingCcontrolproceduresandalgorithmtorealizethisfunction,usethePCAandPWMSTC12C5204ADchip,andfinallyachievethefunctionofoutputofworking

Designultimatelyrealizethestreetcontrollerby12VDCpowersupplyafterBoostafterpressereffectsofresonantcircuitoutput,throughthePIDcircuittokeepoutputvoltage,namelytheconstantUC3843chiptotheopeningofMOStubewithcut-offtimeoccupiesemptiescomparedtocontrol,meanwhilethemaximumcurrentinthecircuitnogreaterthanthemaximumcurrentrestrictions（1A）.voltagelampssetandadjustment,willthesoftwareandhardwareorganiccombine.AndinthelastthroughthestudyofPROTELsoftware,accordingtotheprinciplediagrammadePCB,theformsofweldingandcomprehensivetohardwareandsoftwarefunctionsaredebugging.

Keywords:

　Controller　MCU　Boost

目　录

第1章　绪　论

1.1　选题背景与意义

开关电源是利用现代电力电子技术，采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率（占空比），调整输出电压，维持输出稳定的一种电源。

早在20世纪80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机电源换代，进入90年代开关电源已广泛应用在各种电子、电器设备，程控交换机、通讯、电力检测设备电源和控制设备电源之中。

开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，两者的成本都随着输出功率的增加而增长，但两者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使的开关电源技术也不断的创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，从而为开关电源提供了广阔的发展空间。

恒压源就是我们常说的稳压电源，能保证负载变动的情况下，保持电压不变。

我们见到的开关电源，基本全部都是恒压源。

直流稳压电源是应用比较广泛的电源电路，该电路具有输出电压调节围宽、元器件选择合适、性能指标高等优点。

随着电子技术向各个领域的渗透，许多场合，尤其是高精度测控系统需要高精度的电压源。

在许多工程中，为了抗干扰，提高测量精度或者满足特定要求，往往需要恒定的直流稳压电源。

直流稳压电源在仪器仪表、电子设备以及高新科学技术中属于一个重要的部件，是各种电子设备的核心，电源系统质量的优劣和可靠性决定着整个电子设备的质量。

获得直流电压的方法较多，如使用干电池、蓄电池、直流发电机等。

在电子设备中，直流稳压电源的故障率是最高的，在直流稳压电源中，通过整流、滤波电路所获得的直流电源的电压往往是不稳定的。

输出电压在电网电压波动或负载电流变化时也会随之有所改变。

对各种精密仪器，电子设备电源电压的不稳定,将会引起很多问题，比如：

测量仪器的准确度降低，交流放大器的噪声增大，直流放大器的零点漂移等等。

电源电压变化也会导致测量和计算误差，引起自动控制系统工作不稳定，甚至根本不能工作。

恒压源是能够向负载提供恒定电压的电源，因而提高直流电源的稳定性就显得十分必要，并且设计一个稳定性好、精确度高的恒压源是十分关键的。

各种恒压源的出现，使恒压源成为人们生活中不可缺少的一部分。

随着电力技术和电子技术的发展，恒压源的许多新的控制技术也随之发展和完善，由单片机控制的智能型恒压源已然成为一个重要的研究课题，智能恒压源这种高效的产品就成为广大厂商追求的目标。

1.2　国外研究现状

自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

而智能开关电源则也随着各种电子设备的层出不穷相应的不断发展创新，其中以单片机作为微控制器，嵌入到开关电源中的应用比较普遍，可以使得开关电源体积相对较小，成本较低但却很好地实现了智能化。

UC3843是一种高性能固定频率（频率可高达500KHZ）电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案，因而也被广泛地应用于智能电源的开发应用中。

智能开关电源也正朝着高频化、模块化的方向发展。

进一步提高脉冲宽度调制（PWM）控制器如UC3843的频率或者发展新型更加高频率的脉冲宽度调制（PWM）控制器，可以使得开关电源的精度更高，误差更小，也使得开关电源更加轻、小、薄。

而发展集成度更高的元器件，可以使得开关电源的外围电路更加简单，实现模块化。

与国外开关电源技术相比，国从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。

目前国DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。

SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。

开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。

对联高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。

1.3　主要研究容

（1）掌握开关电源的工作原理。

（2）掌握boost升压电路的工作原理，设计升压电路硬件部分并计算出主要部分器件参数。

（3）设计PID控制电路，并计算主要器件参数。

（4）熟悉了解UC3843的原理及其功能，其主要用来输出一定的占空比信号，控制boost升压电路中MOS管的开通以及关断，来实现升压。

（5）单片机电路、UC3843、boost升压电路构成恒压源的硬件电路。

（6）和单片机程序结合，可实现按键输入设定电压值，数码管显示电压电流值等功能。

第2章　单片机控制的智能升压电源设计方案的确定

首先我对该设计的总体要求进行了分析研究，该电路由直流电压进行供电，但提供的12V电压是不能满足30V电压输出的需求，所以必须对该电压水平进行合理的升高，以满足设计的这一核心要求，达到理想效果。

因此针对升压电路我们提出了两种设计方案：

一种是我们熟知的线性变压电路，即利用变压器原副线圈的比值来实现电压的改变，但这样一来必须以交流电路为前提，即我们需要在电路中加上逆变电路，以此来先将直流电逆变成交流电然后通过变压器进行升压，但显然这种设计思路无形中增加了电路的复杂程度，必然增加了电能的损耗，所以我们采用的是另一种方案，即利用目前应用很广泛的DC-DC升压电路，即Boost升压斩波电路来完成升压这一项工作，这样直接对直流进行升压自然避免了很多前一种方案引发的问题，不仅简化了整体电路的结构而且也降低了成本，所以说选用该设计方案处理升压问题是一个较为理想的选择。

在确定了升压电路这一核心部分后，针对本设计题目，我最初拟定了设计方案：

单片机控制的智能升压电源主要是由电源，BOOST升压电路，PID电路，UC3843控制芯片，单片机和MOS场效应管和软件定时功能组成，首先，电源利用7805芯片和7812芯片将电压升到5V和12V；12V电源电压供BOOST升压电路，并利用BOOST升压原理来实现升压功能；12V电源电压来驱动UC3843控制芯片使其工作。

然后UC3843控制芯片将比较器比较的结果反馈到MOS场效应管，利用波形的占空比来控制BOOST升压电路使其维持在一个给定值的围，最后，通过单片机来实现对电压给定值的限制和定时功能。

系统原理框图如图2-1。

图2-1　系统原理框图

本系统在设计中，最大程度地简化电路，并且使用单片机为核心控制器，硬件和软件相结合，增强了控制器的可调性和功能性。

该设计是基于开关电源的工作原理，整个系统通过单片机控制，可以灵活的调整输出电压值以及输出限流值，并能比较直观的显示该单片开关电源工作过程中实时的输出电压和输出电流值，显得更加智能化，也加大了该单片开关电源的在实际中的应用围。

第3章　硬件电路设计

3.1　开关电源原理简介

开关电源是利用现代电力技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。

一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。

也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。

他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：

正激式变换和升压式变换。

尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

3.1.1　开关电源主要拓扑结构

一．按照占空比控制方式，可以分为定频控制和变频控制

定频控制即开关周期恒定不变，通过调整一个周期开关开通的宽度来调节输出电压，即通常所说的脉宽调制（PulseWidthModulation，PWM）技术；

变频控制有定开通时间、定关断时间、迟滞比较等几种控制方式。

定开通时间控制即开关额导通时间不变，通过改变开关的关断时间按来调节占空比；定关断时间控制则相反，开关的关断时间不变，通过改变开关的开通时间来调节占空比；迟滞比较的控制方式是对受控量（输出电压或电流）设定一个上限和一个下限，当受控量低于下限时开通开关，而当受控量超过上限时关断开关，因此在这种控制方式下开通时间和关断时间都是变化的。

二．按照输出波形控制，开关电源可分为电压控制型和电流控制型

电压控制型：

利用输出电压采样作为控制环的输入信号，该信号与基准电压Vref进行比较，并将比较生成的结果放大生成误差电压Ve，Ve与振荡器生成的锯齿波Vsaw进行比较生成脉宽与Ve大小成比例的方波。

电压控制型电路如图3-1所示。

图3-1　电压控制型电路

电流控制型：

电流控制又可称为峰值电流控制，引入电容电压和电感电流2个状态变量作为控制变量，有利于提高开关电源PWM的控制能力。

电流控制型电路如图3-2所示。

图3-2　电流控制型电路

通过分析可知，电流型控制方法易于实现并联运行，有利于实现变换器的模块设计，引入电流反馈，对输出电压有前馈调节作用，提高了系统的动态响应。

3.1.2　BOOST升压原理

充电过程：

在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图二，开关（三极管）处用导线代替。

这时，输入电压流过电感。

二极管防止电容对地放电。

由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。

随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。

充电过程见图3-3。

图3-3　充电过程

放电过程：

如图，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。

当开关断开（三极管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。

而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。

放电过程见图3-4

图3-4　放电过程

ton时，开关管S为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流