完整版基于单片机控制的智能电源的设计整稿毕业设计论文.docx
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完整版基于单片机控制的智能电源的设计整稿毕业设计论文
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天朝大学
毕业设计说明书
基于单片机控制的智能电源的设计
学院：
电气与电子工程学院
专业：
电气工程及其自动化
学生姓名：
你猜
学号：
指导教师：
很漂亮
2011年6月
摘要
本设计给出了数控直流稳压电源的硬件电路和软件系统。
整个稳压电源由单片机（数控中心）系统、键盘、显示、AD和DA转换、辅助电源、稳压输出电路，备用电源电路等模块组成。
实现了电压的可预置、可步进增减调整、输出电压信号可数字显示等功能。
此外本系统还附有一组由两节可充电锂离子电池构成的备用电源，使得该智能电源在外部电网电力供应中断的情况仍可向重要负载持续供电一段时间，系统可独立完成对这组备用电源的充放电控制。
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
Thissystemincludesbothbepre-set,stepchangesinadjustment,figuresmshowtheoutputvoltagesignalect.ThissystemalsoincludesabackuppowersupplyconsistedoftworechargableLi-ionbatteries,whichcouldstillpowersomeimportantexternalloadforlimitedtimewhenthesmartpowersupplyordertokeeptheLi-ionbatteriesfromexposingintheseseriousdangers,aspecialprotectdeviceinstalled.Thesystempossessesagreatnumberofpracticalvalue.
Keywords：
DCregulatedpowersupply,Single-chipcomputersystem,numericalcontrol,PID,BackupPowersupply
摘要I
AbstractII
目录III
第一章引言1
1.1课题研究的背景和意义1
1.1.1电源技术1
1.1.2锂离子电池2
1.2本课题的研究内容5
1.3本文的结构5
第二章 系统总体设计7
2.1系统设计任务及要求7
2.2系统总体方案论证7
2.2.1可调电压输出电路部分7
2.2.2备用电源部分8
2.3系统总体方案8
第三章系统单元电路设计10
3.1辅助电源电路10
3.1.1直流稳压电源的基本原理10
3.1.2本系统辅助电源设计13
3.22-12V可调电压电路15
3.2.1单片机系统15
3.2.2数模转换电路16
3.2.3稳压输出电路17
3.2.4模数转换电路19
3.2.54*4行列式键盘21
3.2.6显示电路22
3.3备用电源电路24
3.3.1充电电路24
3.3.2保护电路28
第四章系统软件设计33
4.1PID算法33
4.1.1PID算法简介33
4.1.2PID控制器的参数整定34
4.2系统子程序流程图35
4.2.1显示子程序36
4.2.2键盘子程序37
4.2.3中断服务程序38
结论39
参考文献40
致 谢42
附录：
43
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DA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DA、AD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（150Whkg）、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·。
若是，充电器对电池进行预充电，直到VBAT>Vmin；否则直接进入先恒流后恒压的正常充电状态。
正常充电状态结束的标志是，恒压状态时，充电电流的大小达到恒流值大小的110，然后整个充电过程结束。
芯片的自动充电功能会在电池电压下降到VRCH之后，重新开始充电过程。
需要说明的是，温度检测功能在整个芯片工作过程中都有效，即任一时刻出现温度超出预定范围的现象，当前的状态立即暂停，直到温度恢复正常为止。
介绍了BQ2057基本知识后，下面给出本备用电源系统的充电电路原理图。
图3-21充电电路原理图
对于所给出的充电原理图，下面做几点说明：
1）外接充电电源的确定。
由于电池是两节360mAH锂离子电池串联的形式，因此最高的电池组端电压为:
VBATx2=4.2x2=8.4V。
我们选择的外接充电电源其电压必须高于最大电池组电压，但是过大的充电电源电压又会使电路的损耗增加，因此VCC=9V的恒压源是一个比较合适的外接充电电源。
2）PNP调整管Q7的选择。
由于每节锂离子电池容量为360mAH，因此允许的最大充电电流为360mA（1C）。
考虑到线性充电器的损耗问题，需要适当减小充电电流。
因此，选择大小为350mA的电流作为充电器的恒流充电值。
根据上面的计算，采用的调整管必须能够承受最大9V以上的电压，最大集电极电流必须大于350mA。
考虑到一定的裕量，选择ST的BD136作为PNP调整管。
BD136的最大集射电压为45V,最大集电极电流为1.5A，均满足要求，而且都留有一定的裕度。
3）限流电阻Rsen的选择。
BQ2057的电流检测电阻有高边和低边两种接法，如图4所示。
两种接法没有太大的区别，我们选用的是高边接法。
当充电器的充电电流增大到使电流检测电阻Rsen上的电压达到芯片的恒流闭值时，芯片通过内部的反馈环节调节CC脚的电压，使PNP晶体管的基极电流发生变化，从而改变晶体管的工作点，达到恒流的效果。
根据芯片的参考手册查得SNS脚的典型恒流闭值为Vsen=115mV，为了使恒流值在350mA左右，选择电流检测电阻为:
Rsen=VsenIchg=0.33。
4）温度保护电阻的选择。
图3-22BQ2057温度保护接线图
如上图所示，芯片通过不间断的检测TS脚和VSS脚之间的电压来实现电路的温度保护功能。
图中所示的是与高边电流检测相对应的温度检测电路的接法。
电路中通过一个分压电阻网络和一个负温度系数热敏电阻[2]NTSD1XH103FPB30来控制TS脚与VSS脚之间的电压。
我们需要的电池正常的工作温度范围在-20-70℃之间，而在这两点热敏电阻NTSD1XH103FPB30的阻值分别为RTC=68263，RTH=2227。
S2，所以根据下面的公式，可以确定RT1和RT2的阻值为:
RT1=5*RTH*RTC3*（RTC-RTH）=5*2227*682633*（）=3836.8
RT2=5*RTH*RTC（2*RTC-7*RTH）=5*2227*68263（2**2227）=6285.2
5）充电状态显示[7]。
由BQ2057的手册知，充电电路在某一时刻的状态可通过该芯片的STAT管脚状态反映出来，二者对应关系如下表所示：
表3-1充电电路、STRT脚状态对照表
充电电路状态
STAT脚输出
A电池正在预充电、恒流、恒压充电
高电平
B充电完毕
低电平
C温度异常或睡眠模式
高阻态
为了可以直观的获知充电电路的实时状态，可以在STAT脚连接一双色发管二极管（红绿两色），当此二极管发出红光时表明充电电路正处于A状态；发绿光时表明处于B状态；不发光时处于C状态。
3.3.2保护电路
由于在使用过程中锂离子电池的安全问题十分突出，因此为备用电源单单配置充电电路是远远不够的，还需要单独设计一套保护电路【12】。
集成保护芯片选取原则:
在充电过程中，两串锂离子电池组中单体电池的差异较小，在过充电检测电压可以选取比较低的值，本设计中选取为4.25V，而串
表3-2MM1292芯片管脚功能表
数比较多的锂离子电池组中单体电池的差异性比较大，而且接触电阻也不完全一样，过充电保护电压值可以选取高点的集成保护芯片。
过放电检测电压对串数比较少的锂离子电池组一般选取为2.4V，工作电流比较大或串数比较多的锂离子电池组可以选取更低的过放电检测电压。
过电流检测电压可以根据要保护的电流的值的大小来选择，保护电流值比较大的选取为150mV左右，比较小的选取为100mV左右。
集成保护芯片一般都只有过充电、过放电和过电流保护功能，而且各公司的芯片系列大多相同，考虑到实际应用的方便性，电路设计中保护芯片采用MITSUMI公司的MM1292系列芯片。
此芯片是一款8引脚的集成芯片，上表为给出了其各管脚含义及功能：
图3-23MM1292典型应用电路原理图
图3-23为MM1292的典型应用电路，其中电容C1为过充电延迟时间调节电容，一般取值为0.1uF，对应延迟时间约为lS。
Q1和Q2是N沟道的MOSFET管[1]，Q1为过放电和过电流控制开关，Q2为过充电控制开关，电阻R1为限流电阻，一般选取100，电阻R2为上拉电阻，一般选取100K，电阻R3,R4为分流电阻，用来控制三极管Q3，在正常工作时，芯片的1脚输出低电平，三极管处于正常状态，Q2的栅极通过上拉电阻R2为高电平从而导通，在过充电时，芯片的1脚输出高电平，通过电阻分压后使三极管Q3导通，于是Q2的栅极的电平变低从而关断，使充电回路断开。
设计中R3选取500K的电阻，R4选取100K欧姆的电阻。
在这里NPN型三极管可选用Philips公司的PSS8050，该产品的最大集射电压为25V，最大集电极电流为1.5A。
保护电路工作原理：
1）过充电和过放电保护设计。
电池在充电过程中，如果电池电压超过过充电保护电压，保护芯片则输出控制信号关断外部过充电控制开关Q1。
过充电电压检测是通过集成在保护芯片内部的电压比较器来实现的，比较器的一个输入端是参考电压，当电池电压超过参考电压时就会使输出电压产生翻转从而输出控制信号，此比较器采用滞回比较器电路，所以当电池的电压低于过充电解除电压时才能解除控制信号，因此不会导致电池电压波动时控制信号的振荡现象，当过充电保护后，过充电保护MOSFET管Q1的源极和漏极之间有一个保护二极管，虽然充电器不能继续向电池充电，但是电池组可以通过这个二极管向负载放电。
过放电保护电路的原理和过充电保护电路类似，把过充电检测参考电压改为过放电检测参考电压即可，滞回比较器的输出逻辑和过充电保护的相反。
MM1292系列的芯片参数[10]如表3所示，根据上述的芯片选取原则，我们选取过充电保护检测电压为4.25V，过放电检测电压为2.4V，过电流检测电压为100mV的MM1292LF芯片。
表3-3MM1292系列芯片参考表
2）过电流保护设计。
在输出短路或过载时对电源或负载进行的保护，即为过电流保护。
一般当负载电流超过额定电流但是在额定电流的10倍以下都称为过载现象，过载损坏锂离子电池组通常是由于热量的积累，有一个过程，因此过载保护装置的动作不需过于迅速，较短时间的过载，保护装置不应动作。
而超过额定电流的10倍以上的电流称为短路电流，短路是回路中最严重的故障，应该尽量避免。
专用集成保护芯片中的过电流保护指的是过载保护。
使用过程中为了防止流过锂离子电池组的大电流对电池组和设备造成不利影响，需要对过电流进行保护，过电流保护是利用芯片内部的过电流电压检测，即芯片7脚CS端的电压和4脚GND端的电压差，当差值达到100mV时并且已到延迟过电流延迟时间时过放电控制端输出高电平关断过放电控制开关MOSFET管Q1，其中Ics为过电流保护值，Rds（on）为放电控制开关MOSFET管Q1的导通内阻，因此可以通过MOSFET的参数来确定MOSFET。
过电流保护值的设定一般在额定输出电流的2-5倍之间，为了减少回路的损耗，应尽量减小MOSFET的导通内阻，根据实际使用的电流大小采用过流保护值约为3A,根据公式（6）选出MOSFET为英飞凌公司的BS0604NS2，它的Rds（on）为35m，因此计算得出过流保护值为2.86A，该MOSFET的启动栅源极电压为1.2-2V，最大漏源极电流为5A。
各元件选定了具体型号后便可给出该备用电源保护电路的完整原理图：
其中图中右下方的可变电阻是负温度系数的热敏电阻（NTC）具体型号为NTSD1XH103FPB30，它配合备用电源的充电控制芯片BQ2057一起完成对锂离子电池的温度保护任务。
因此，该备用电源电路具有防过充电保护、防过放电保护、防过载保护及温度保护等多重保护功能。
图3-24保护电路原理图
最后结合下图简单介绍下+5V备用电源系统的工作原理：
外部电网电力供应正常时，+6V稳压电路输出端有正常电压输出，因此图中的电子继电器工作其双刀双掷开关接通BQ2057充电电路，由于无放电通道，备用电源只能处于充电或睡眠模式，图中的U22（+5V稳压芯片）由其左面的+9V稳压电路提供输入电压；当外部电网失去电力供应时，+6V稳压电路无输出电压，此时继电器断开充电电路接通放电电路恢复原始状态，此时备用电源便可以通过U22向智能电源系统外部重要负载供电，当然由于备用电源容量的限制，其供电时间是有限度的。
图3-25备用电源自投装置电路图
本章小结
本章通过对系统各单元电路的分析和讨论，使得系统的内部结构透明化，降低了读图的难度，同时也可以更加方便快捷地发现问题和不足，也有利于程序的编制工作。
第四章系统软件设计
本章主要讨论2-12V电压可调电路的软件组成。
并简单介绍下本电路所使用的PID控制算法，与硬件结构上输出-测量-调节的闭环设计对应,智能电源在软件上也分为电压输出-测量-调节的闭环结构。
下面首先给出其总体流程图：
图4-1电压可调电路主程序流程图
反馈调节主要是根据设定值和测量值之间的误差,采用PID算法来调节DA的输出值来实现的。
4.1PID算法
4.1.1PID算法简介
本数字闭环系统以电压为控制对象，通过单片机对被控参数进行巡回采样检测，通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，结果与设定值进行比较，再按PID算法进行控制运算，再由模拟量输出通道输出到执行机构对被控量进行控制，使被控参数稳定在给定值上。
该控制系统的优点是灵活性大，可靠性高。
因为单片机计算能力强，所以用它可以实现各种比较复杂的控制。
在过程控制中，控制算法有很多种，我们主要采用PID控制算法。
PID控制，即取偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）的组合控制。
PID控制是连续系统应用最广、技术最成熟的一种控制方式，特别是在过程控制中，由于控制对象的模型未知或难以建立，用基于现代控制理论的控制方法既不实用又不能达到预期效果，人们常常采用PID调节器。
而且随着控制论的发展，在提出的层出不穷的各种算法中，有许多都以PID控制为基础算法。
由于PID控制器的结构简单、性能稳定、参数易于调整。
智能电源采用PID算法来调节输出电压，PID算法分位置式和增量式两种，位置式算法提供了执行机构的位置,增量式算法提供控制量的增量。
智能电源的执行机构为DAC0832,其输出量不能保持,因此采用位置式PID算法。
但位置式PID算法需要对误差进行累加,不便编写程序,可以利用增量式PID算法得出位置式PID[31]算法,即：
（1）
根据公式
（1）设计智能电源PID算法流程如图4-2所示。
4.1.2PID控制器的参数整定
PID的整定参数包括采样周期T、比例增益Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td。
采样周期则可以根据系统响应的延迟时间而定,一般可选择比系统响应稍快些即可,本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期,约0.3～0.5s。
本系统虽然具有延迟效应,但Kp不能选择过大,否则将不稳定。
其次,Ti及Td的选择相对而言就不是很严格了,可根据设计者的要求（如希望积分作用明显还是微分作用明显）而定。
PID参数的选择不是唯一的,但一定要选择好关键参数。
每个参数T、Kp、Ti和Td可通过现场调试整定，主要采用试凑法可得到符合该系统的各参数值。
只要一组PID参数能够较好地用于控制系统，则说明这样一组参数是合适的。
图4-2PID算法流程图
4.2系统子程序流程图
系统总体流程图已在上面给出，下面给出各子程序流程图。
4.2.1显示子程序
图4-3显示子程序流程图
本设计的显示方式属于静态显示，与动态扫描方式相比显示更加稳定。
4.2.2键盘子程序
图4-4键盘程序管理流程图
在设计键盘输入程序时有以下几个关键点需要注意：
（1）判断键盘上是否有键闭合：
采用程序控制方式、定时控制方式对键盘进行扫描。
（2）去除键的机械抖动：
其方法是得知键盘上有键闭合后延迟一段时间，再判别键盘的状态，若仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键的抖动或者干扰。
（3）确定闭合键的物理位置：
采取逐条IO端口线查询方式确定被按键的物理位置。
（4）获取闭合键的编号：
在得到闭合键的物理位置后，根据给定的按键编号规律，计算出闭合键的键值。
4.2.3中断服务程序
图4-5T0中断服务程序流程图
对实际输出电压的采样是通过ADC0809完成的，每次采样由定时器T0通过中断方式完成。
结论
1.本文给出了一种新型的直流稳压电源构建方案：
以AT89C51单片机作为电源的控制中心，通过计算求出电压预设值和实际输出值（由ADC采样）的差值（误差信号），然后以此误差信号为基础调用PID电压调整算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入DAC，转换为模拟信号后去控制电压调整电路（执行机构），得到所期望的输出电压。
该电源通过数字方式调压，使用更加方便直观。
2.该电源还配有一5V备用电源系统：
由备用电源和自动投切装置组成。
该备用系统可保证电源在外部电力供应中断的情况下仍可向系统重要负载持续供电一段时间。
备用系统采用两节锂离子电池作为储电装置，考虑到锂电的使用安全性，采用锂离子专用控制芯片构建了锂电充放电控制保护电路，可以使锂电在频繁的充放电过程中免遭破坏性损害。
此外，该锂电控制电路同时可作为两节锂离子电池高性能充电器使用，因为它可轻松的满足锂离子电池对充电电路的苛刻要求。
这些附加功能极大地增强了电源的功用性，使得该电源更加具有实用价值。
3.文章对此新型稳压电源方案的硬件电路和
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