基于单片机的开关电源的设计.docx

基于单片机的开关电源的设计.docx

《基于单片机的开关电源的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的开关电源的设计.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的开关电源的设计

1.1课题来源及意义1

2基于单片机的数控直流电源方案设计2

2.1方案设计3

2.1.1方案1：

开关稳压电源3

2.2.2方案二分析5

3．硬件电路设计5

3.1主电源电路设计6

3.1.1变压器的选择6

3.1.2整流滤波电路7

3.1.3稳压调压电路8

3.1.4扩流电路8

3.2副电源电路设计9

3.3控制部分电路设计10

3.3.1A/D及D/A转换电路11

4.2.1键盘和数码管扫描子程序19

4.2.3DAC0832转换子程序21

4.2.4中断定时处理程序设计21

4.2.5数码显示子程序22

5系统调试22

5.1硬件模块调试22

7结论29

谢辞30

参考文献31

附录31

引言

许多科学实验都离不开电，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不仅具有良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了许多不精确的人为操作，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的就是在实验开始前对一些参数进行预设。

这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效。

因此，直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、多功能化与智能化。

本文所介绍的就是一个数控可调电源，这是一个高性能的直流稳压电源。

由于在该电源中引入了单片机控制，故该电源还具有一定的智能化,可实现变压，显示输出电压、电流，预置输出电压值等功能。

本文中研究的单片机控制的线性电源，可以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并显示在数码管上。

该系统还采用了温度传感器对输出电压进行校正，使得输出电压更稳定精确度也更高。

并且该系统可以给芯片提供+12V，+5V及-12V的工作电压。

由单片机控制的数控电源主要由三部分所构成，主要是电源电路，控制电路和校正电路。

以LM317三端电压可调器来调节电压，其具有输出电压稳定，可调范围较大，但其缺点是输出的电流较小，所以在设计的时候还加入了扩展电流电路。

1.概述

1.1课题来源及意义

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、高可靠性的电源起着关键作用。

--由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。

所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。

特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。

在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。

这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。

对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。

当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

所以选择由单片机控制的线性电源具有成本低，故障少，简单实用等特点，适合推广和应用。

1.2课题基本要求

（1）设计、制作精密数控直流电源；

（2）使用单片机构成控制系统，通过键盘预置输入电压，可显示预置电压和输出电压；

（3）掌握A/D及D/A转换及芯片使用方法；

（4）掌握数控电源的设计方法；

（5）掌握单片机软件编程方法；

（6）掌握传感器的基本原理和模拟电子电路基本原理等。

1.3相关背景介绍

直流稳压电源按习惯可分为化学电源,线性稳定电源和开关型稳定电源,它们又分别具有各种不同类型：

化学电源：

我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类,各有其优缺点。

随着科学技术的发展,又产生了智能化电池;在充电电池材料方面,美国研制人员发现锰的一种碘化物,用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长,多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。

线性稳压电源：

线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区,靠调整管之间的电压降来稳定输出。

由于调整管静态损耗大,需要安装一个很大的散热器给它散热。

而且由于变压器工作在工频（50Hz）上,所以重量较大。

该类电源优点是稳定性高,纹波小,可靠性高,易做成多路,输出连续可调的成品。

缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。

这类直流稳压电源又有很多种,从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。

从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。

从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。

开关型直流稳压电源：

与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源,开关型直流稳压电源的电路型式主要有单端反激式,单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。

它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。

功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态;开关电源因此而得名。

开关电源的优点是体积小,重量轻,稳定可靠;缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO（P-P）,好的可做到十几mV（P-P）或更小）。

上述三种电源中，化学电源对环境会产生影响，开关电源的制作成本相对较高并且电路设计也较复杂。

相对这两种而言，线性电源实用性更高，成本也较低，输出更稳定。

下文中将会详细介绍基于AT89C51单片机的精密数字控制直流电源设计制作。

2基于单片机的数控直流电源方案设计

基于单片机控制的数控直流电源主要由电源部分、控制部分和校正部分组成。

其基本原理如图2.1所示：

图2.1基于单片机控制的数控直流电源系统原理图

其基本工作原理为：

电压通过键盘预置后由单片机控制并调节输出电压，输出电压经过A/D采样校正后送数码管显示。

基于单片机的数字控制直流电源的制作需要考虑以下两个问题：

一是制作成本及工艺。

在现在的商业化中，产品的成本和工艺往往是倍受重视的，它直接决定了产品的销售和发展；二是电源的输出功率以及精确度。

在很多实验和领域中都需要用到精确度很高的电源，另外在民用上也需要可调节的电源。

在下面的方案设计中将主要对两种数控直流电源作详细介绍和论证。

2.1方案设计

2.1.1方案一：

开关稳压电源

开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止．将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！

转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。

开关电源的工作原理是：

1.交流电源输入经整流滤波成直流；

2.通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；

3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；

4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。

交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源对电网的干扰；在功率相同时，开关频率越高,开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出；一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。

其工作原理示意图如图2.2所示：

图2.2开关电源工作原理示意图

图2.1画出了开关稳压电源的工作原理示意图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管VD，储能电感和滤波电容C组成。

实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。

直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。

这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。

采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。

输入交流电压经整流滤波后以直流方式Ui输入开关管V中，由单片机控制开关管的通断。

当开关管以某一频率通断时，使得输入的直流信号变为交流信号，再通过续流二极管VD及电感L把交流信号转化为直流信号，经过滤波电容C后输出到负载R上。

这就是开关电源的调压原理。

2.1.2方案二：

线性稳压电源

线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。

调整管工作在线性状态下，是连续可变的，亦即是线性的。

线性稳压电源主要由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个基本部分组成。

另外还包括一些例如保护电路，启动电路等部分。

取样电阻通过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。

常用的线性串联型稳压电源芯片有：

78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（实际产品中，XX用数字表示，XX是多少，输出电压就是多少。

例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）。

调压原理：

D6

32

LW317

1R1D5

UICUo

C1Co

C2RW

图2.3稳压调压电路原理说明图

图2.3为稳压调压电路原理说明图。

LM317的2脚于1脚之间的电压恒定为恒定值1.25V，所以由固定电阻R1（应小于240Ω）与电位器RW组成取样分压电路，同时也可以作为调节输出电压，输出电压如

（1）式。

UO=1.25V（1+RW/R1）

（2）式

调整端1的电流极小，所以流过R1和RW的电流几乎相等（几mA电流）。

通过改变电位器RW的阻值就能改变输出电压UO。

此外为了保证LM317的输出功率及正常工作，还需要添加散热片，二极管D5的作用是防止输出短路。

由上面的介绍中可知，只要改变管脚1的电压，就可以实现输出可调。

电位器RW固定在一个值后，通过单片机预置电压，经过D/A转化和运算放大器的电压放大达到对控制端的电压预置。

所以由1脚作为控制电压的输入端，接控制部分电路。

2.2方案论证

2.2.1方案一分析：

开关电源的主要优点是功耗小，效率高，稳压范围宽，滤波效率高并且电路形式灵活。

开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。

开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。

此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

另外用89C51对脉宽调制信号PWM进行控制还要考虑到频率问题。

由于51系列单片机的工作频率较低，用于控制高频率的开关电源是不显示的，考虑到更换频率更高的单片机会使得制作成本升高，并且在高频下对布线要求较高也更容易产生干扰噪声。

2.2.2方案二分析：

线性稳压直流电源的特点是：

输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低。

通过集成稳压器调节可以使得输出电压的稳压系数较为理想，同时工作输出也很稳定。

使用LM317可调稳压器作为主要的稳压器件，一方面可以降低制作成本，另一方面使得电路的设计更简单，更使用。

但和开关电源相比，线性电源的效率较低，这是由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高。

这是线性稳压电源的一个最主要的一个缺点，调整管在发热的同时会给系统带来热噪声影响。

另外，采用调整管的电源，其电源功耗都较小。

当然在实际应用中可以加入扩流电路使得电源的输出功率有所提高，可以为小功率电器及设备提供可靠的电源。

同时可以通过使用温度传感器校正由于调整管的发热导致的电压偏差，使得电压输出与预置电压相符合。

综上所述，使用调整管调节输出电压可以获得较稳定的电压输出，而使用开关管调节输出电压可以获得较大的电压调节范围，但是由于AT89C51单片机的工作频率较低，不适用于对开关管的脉宽进行控制，而以单片机为控制系统的线性调节作用较适用于调整管的电压调节，所以本设计采用了调整管调节电压输出的方式。

3硬件电路设计

图2.4基于单片机系统的数控电源系统框图

如图2.4所示，硬件电路主要由三个部分组成：

一是主电源部分，该部分提供电源输出；二是副电源电路部分，该部分主要提供+12V、+5V、0V和-12V电源，为单片机及A/D、D/A转换、运算放大器提供电源；三是控制部分电路，主要包括单片机、A/D和D/A转换电路、运算放大电路及温度传感器校正电路，为最主要的控制电路，是整个制作的核心。

3.1主电源电路设计

该电路由变压器、全波整流滤波电路、集成稳压器LM317、和电流放大电路

构成。

3.1.1变压器的选择

根据各级放大器管子的工作负载线求出最大工作电压（以变压器或扼流圈为负载的，取工作点电压）和最大电流，取其中电压最高一级的电压作为放大器供电电压，取各级最大电流之和作为放大器供电电流。

通常整流后以CLC或CRC方式滤波，会出现一定的升压，故变压器输出电压可按放大器供电电压＋整流器电压降＋第一级放大器前的滤波器电压降的0.8－0.9之间选取，如果整流后采取LC或RC滤波方式的，一般以0.9－0.95为宜；为使放大器有充沛的工作电流供给，变压器输出电流应该选得大些,可取放大器供电电流的1.4倍，一般超过2倍意义并不大。

如果根据放大器供电要求已经得出了变压器各次级绕组输出所需要的所有电压、电流，即可按电压×电流求出各次级绕组的输出功率，并将这些绕组的输出功率全部相加再除以0.85－0.9的系数（功率在100W以下的系数宜在稍取大一些），这就得出了电源变压器的总功率，计算出变压器的所有设计参数。

本设计中的最大输出工作电压为10V，允许最大工作电流为1.5A，因此所能提供的最大输出功率为15W。

主电源电路中LM317稳压器的输入端选择15V的电压输入，以保证输出能达到10V，变压器的功率选择为30W，为提高输出功率提供一定的调节余地。

副电源电路作用是提供控制部分的器件正常工作电压，因此在输出功率上不需要太大。

变压器选择参数如表3.1所示：

电源组成部分

主电源电路

副电源电路

变压器输入电压

220VAC

220VAC

变压器输出电压

15VDC

12VDC

变压器最大输出电流

2A

1A

变压器最大输出功率

30W

12W

变压器绕线输出方式

双15伏输出

双12伏输出

表3.1变压器选择参数表

3.1.2整流滤波电路

整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。

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U1。

常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。

本设计采用单相桥式整流电路，图3.1是容性负载单相桥式整流电路。

它的四臂是由四只二极管构成，当变压器B次级的1端为正、2端为负时，二极管D2和D4因承受正向电压而导通，D1和D3因承受反向电压而截止。

此时，电流由变压器1端通过D4经RL，再经D2返回2端。

当1端为正时，二极管D1、D3导通，D2、D4截止，电流则由2端通过D3流经RL，再经D1返回1端。

因此，与全波整流一样，在一个周期内的正负半周都有电流流过负载，而且始终是同一方向。

图3.1整流电路原理示意图

3.1.3稳压调压电路

稳压调压电路主要用的是LM317集成三端可调稳压器。

该元件如图3.2示。

LM317

123

ADJUOUI

图3.2LM317引脚图

LM317产品介绍：

LM317是美国国家半导体公司的三端可调正稳压器集成电路。

我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用，是使用极为广泛的一类串连集成稳压器。

 LM317的输出电压范围是1.2V至37V，负载电流最大为1.5A。

它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。

此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。

LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路。

通常LM317不需要外接电容，除非输入滤波电容到LM317输入端的连线超过6英寸（约15厘米）。

使用输出电容能改变瞬态响应。

调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。

LM317能够有许多特殊的用法。

比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过LM117/LM317的极限就行。

当然还要避免输出端短路。

还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。

图3.3稳压调压电路原理图

如图3.3所示，LM317的控制端为1脚，通过调节1脚电压从而达到对输出电压Uo的调节，通过调节电位器RP1也可以改变输出电压的范围，二极管DDD用于防止电路短路。

3.1.4扩流电路

如图3.4所示，为两只不同类型管构成的NPN型管，由三极管TT1、TT2，电阻R2、R3、R4构成电流放大电路。

其中TT1和TT2构成互补复合管，R2、R3、R4组成偏置电阻。

图3.4括流电路原理图

在正确的外加电压下每只管的电流均有合适的通路，且都工作在放大区，为了实现电流放大，应将第一只管的集电极电流作为第二只管的基极电流，由于复合管有很高的电流放大系数，所以只需要很小的输入驱动电流就可以获得很大的输出集电极电流。

其电流的放大系数约为两只三极管的放大系数的乘积，这样可以大大地改善电路的性能。

主电源电路的参数选择

集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同。

稳压器的最大允许电流Icm

Vomax+（Vi-Vo）min≤Vi≤Vomin+（Vi-Vo）max（3）式

式中Vomax为最大输出电压；Vomin为最小输出电压；（Vi-Vo）min为稳压器的最小输入、输出电压差；（Vi-Vo）max为稳压器的最大输入、输出电压差。

性能指标要求Vo=+3V-+9V，△Vop-p≤5mV，Sv≤3*10-3

选可调式三端稳压器LM317，其参数特性Vo=1.25V-37V，Iomax=1.5A，最小输入、输出电压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max=40V。

由

（2）式知，取R1=240Ω，则RP1min=336Ω，RP1max=1.49KΩ，所以RP1取精密可调电位器，用于调节控制端误差。

由（3）式可得输入电压Vi的范围为：

Vomax+（Vi-Vo）min≤Vi≤Vomin+（Vi-Vo）max

9V+3V≤Vi≤3V+40V

12V≤Vi≤43V

综上所述，变压器应选取功率在30W以上，以保证能提供足够的大的电流。

整流滤波电容C1选取耐压值为25V3600uF的电解电容，电容C2选取1uF的瓷片电容，输出滤波电容C3取10uF的电解电容。

三极管TT1选取型号为D669AC的NPN型的大功率管，TT2选取型号为B649AC的PNP型的大功率管。

R2、R3、R4组成偏置电阻取值分别为6.2Ω、10Ω、15Ω的电阻。

需要注意的是，在主电源电路中所选取的所有电阻均应采用2W的大功率电阻，以防止由于负载接入时产生大电流而使电阻损坏。

另外在使用LM317时，要注意防管脚接错，稳压电路中还要接上保险丝和二极管防止短路电流过大，另外对于LM317还要加装合适的散热片。

3.2副电源电路设计

副电源主要用于提供供控制部分电路使用的+12V、+5V、0V和-12V电压。

其电路结构与主电源电路结构相似，同样采用的是稳压器件来稳定电压。

图3.4中使用的三端稳压为CW7805、CW7812及CW7912三种型号，稳压值分别为+5V、+12V和-12V。

CW78**与CW79**系列继承稳压器稳压器引脚图如图3.5所示。

CW78**系列稳压器1脚为电压输入端，2脚为地，3脚为电压输出端；CW79**系列稳压器1脚接地，2脚接电压输入端，3脚接电压输出端。

图3.5CW78**与CW79**系列稳压器引脚图

CW78**系列三端稳压器的输出电压有5V、6V、、9V、12V、15V、18V和24V七个档次。

如CW7805表示的是输出电压为5V，最大电流为1.5A，以此类推。

CW79**系列三端稳压器和CW78**类似。

这2种稳压管内部均由稳压电路和过流保护电路组成。

副电源部分电路原理图及调整管接法如图3.5所示：

图3.5副电源电路原理图

副电源电路参数选择：

整流滤波电容C4、C5选取耐压值为25V3600uF的电解电容，R5、R6、R7选择20K电阻（它们的作用是使得稳压器在开路时仍有工作电流，保证稳压器的正常工作），C6、C7、C8选取的是耐压值为25V10uF的电解电容用于滤波。

特别要注意的是电容C5、C8的正负极不能接反，另外副电源中的电阻也采用的是2W大功率电阻。

副电源与主电源使用不同的变压器变压，主要考虑的是主电源要求的输出功率较大，所以不宜采用同一个变压器提供电源。

3.3控制部分电路设计

控制部分电路是整个设计中最关键的核心电路部分，又可以分成键盘部分及转换校正部分。

它的主要功能是进行输出数值预置，显示输出电压幅值、预置数，进行A/D、D/A转换，使用温度传感器进行校正，上述功能采用的是AT89C51来控制实现。

主要使用的芯片和元器件有AT89C51、ADC0809、DAC0832、LM324、四位七段共阳级数码管及数字温度传感器DS1820。

以AT89C51单片机为核心的控制系统控制外围电路。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

其主要特性有：

与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：

1000次写/擦循环，数据保留时间：

10年；全静态工作：

0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。

如图3.5所示为AT89C51的引脚图。

图3.5AT89C51单片机引脚示意图

3.3.1A/D及D/A转换电路

转换部分主要进行A/D、D/A转换及数字温度传感器的使用和校正。

其电路原理图如图3.6所示。

图3.6转换部分电路原理图

设计思路：

由于键盘电路中的按键及数码管显示分别占用了单片机的P2口和P0口，剩余的I/O口只有P1口和P3口，同时考虑到节约制作成本这一因素，所以转换部分仍然采用的是键盘部分电路中的同一块单片机，两块转换芯片采用并行接入法，通过单片机的控制片选信号选通。

A/D转换部分：

如图3.15所示