完整版ATX电源智能负载设计与实现毕业设计设计.docx
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完整版ATX电源智能负载设计与实现毕业设计设计
ATX电源智能负载设计与实现
摘要
本文阐明用单片机控制向ATX电源智能测试仪提供可控负载接口的方法，对如何轮流向电脑电源提供大功率负载问题进行了研究；对如何选择合适的开关管对大功率负载进行轮流选通进行了系统的介绍；对如何利用AD芯片进行电脑电源实际电压的采集进行了介绍。
本文还讨论了单片机控制系统关键的数据处理问题，阐述ATX电源工作原理。
本产品向ATX电源智能测试仪提供了5个可控负载接口。
ATX电源智能测试仪可以很准确的检测出电脑电源的实际带负载能力。
关键词
负载、单片机、ATX电源、检测
ATXpowersupplydesignandimplementation
ofinligentload
Abstract
Themethodwhichisdescribedinthepaperisdetectaccuratly.therealloadingabilityofthecomputerpowersupply
Keywords
Loads、monolithicmachine、ATXpowersupply、detecting
引言
电脑电源检测仪的现状：
电源是电脑能够运行的动力之源，在电脑运行的过程中我们越来越认识到它的重要性。
如果电源性能不佳，轻则机器时不时给你来个反复启动、仿制处于半梦半醒之间，重则让整部机器为此献身。
即使你机器配备的是品质优良的电源，但随着不断地给机器添置新的硬件和外设，这个电源是否还能担当起重任呢？
我们又如何选择合适的电源呢？
打开电源的外壳后一个有经验的用户能够了解电源的工艺水平，但并不能估算出电源输出的实际功率，而且大多数经销商是不会给用户这样的机会的，所以电源的输出功率、各端的最大输出电流等指标通常都标注在电源的铭牌上。
我们怎么知道这些指标是真是假呢？
市场上出现了许许多多的大功率电源，200W——400W的电源到处都是，有杂牌的还有名牌的，面对这么多行行色色的产品，作为消费者，我们到底该如何选择？
很多人只是单纯的用万用表检测下空载情况下电脑电源是否正常，根本不清楚电源的实际负载能力。
市场上很难找到一款检测电脑电源功率的电子产品。
在网上找，费了很大力气才找到深圳的一家公司有类似的产品而且价格昂贵！
针对这种情况，我们很有必要设计个合适的电脑电源检测仪。
目前单片机应用广泛，利用单片机可以设计出一款价格低廉适用性强的检测仪。
它有很大的市场前景，它的推广可以很有力的打击假冒伪劣产品，保护我们消费者的利益。
1设计要求与内容
本设计的要求就是设计一款智能负载，它能与ATX电源测试仪共同合作完成对电脑电源实际负载能力的测试。
具体要求如下：
（1）向ATX电源智能测试仪+12V、+5V、+3V输出端子提供大中小三种可控负载接口。
（2）向ATX电源智能测试仪+5VUSB1+5VUSB2输出端子提供固定负载接口。
-12V、-5V用指示灯表示正常与否。
（3）提供各种被检测电压端口。
（4）便于与ATX电源测试仪联接。
（5）可长时间工作。
本设计的具体内容：
实现大功率负载，运用IRF3205做开关管配合CD4051向单片机提供控制端口，控制大功率负载的选择。
并向AD芯片提供各种需要检测的端口（+12V、+5V、+3V、+5VUSB1+5VUSB2）。
取得电脑电源的被检测端口（+12V、+5V、+3V、+5VUSB1+5VUSB2、-12V、-5V）。
2整体方案设计和论证
2.1ATX电源工作原理
检测电脑电源，自然很有必要知道电脑电源的工作原理，以下是对电脑电源的简要介绍：
PC电源的工作流程：
当市电进入电源后，先通过扼流线圈和电容滤波去除高频杂波和干扰信号，然后经过整流和滤波得到高压直流电。
接着通过开关电路把高压直流电转成高频脉动直流电，再送高频开关变压器降压。
最后滤除高频交流部份，这样最后输出供电脑使用的相对纯净的低压直流电。
图2.1 PC电源的工作流程
如图2.1所示，电源内部的大致流程为：
高压市频交流输入→一、二级EMI滤波电路（滤波）→全桥电路整流（整流）+大容量高压滤波电容（滤波）→高压直流→开关三极管→高频率的脉动直流电→开关变压器（变压）→低压高频交流→低压滤波电路（整流、滤波）→稳定的低压直流输出[1]。
开关管的品质直接决定了电源的稳定性，它也是电源中主要的发热元件，拆开电源后看到的主散热片上的两个晶体管就是开关管。
高频开关变压器同样是整个电路中的核心部件，讲究的是铁氧体的效率、磁芯截面积的大小和磁隙的宽度，截面积过小的变压器容易产生磁饱和而无法输出较大的功率，各个绕组的匝数直接影响输出的电压，通常我们无法具体的掌握这些参数，所以无法准确的判断变压器到底能输出多大的功率。
另外，开关变压器的输出端虽然很多，但其中的某些输出端使用的却是相同的绕组，比如+3.3VDC和+5VDC就是这样，所以当+3.3VDC输出最大电流时+5VDC就无法输出很大的电流了，就是由于这个原因我们不能将电源各个输出端的功率进行简单的累加。
在主变压器旁边的两个小变压器也有各自的作用，其中一个将开关电路控制信号进行放大以驱动开关管进行工作，同时还可以将开关管工作的高压区和集成电路工作的低压区进行物理隔离。
另外一个完全是一套独立的小型开关电源，这就是我们所说的待机电路，其输出的电压为电源的主电路供电，同时通过+5VSB端输出到主板来实现唤醒功能。
开关电源向电脑提供+5V、+12V、+3.3V、-12V、-5V、+5VUSB1、+5VUSB2七个端口，其中+5V、+12V、+3.3V端口需带的起电脑的大功率负载，才能保证电脑正常运行。
以上介绍了ATX电源的基本工作原理及一些特殊的输出端口。
我们就是要检测这些特殊的端口，来检测ATX电源的实际负载能力。
2.2各模块方案设计和论证
2.2.1电源模块
电源模块的要求是向板子提供稳定可靠的+12V、+5V电源。
方案1：
通过ATX电脑电源上提供的+12V检测端口取得。
优点：
合理利用资源，方便快捷。
缺点：
因为是被检测端口，所以存在很多不稳定因素，比如电脑电源本身就是坏的，提供的电压根本就没有+12V，或者根本就没电压，这样我们就无法知道到底是检测仪出了问题（比如芯片坏了、与电脑电源的衔接接触不良），还是电脑电源有问题[2]。
方案2：
通过最简单的7812及7805稳压电路即可满足要求。
市电进入后经15V变压器整形滤波后向7812提供输入端。
取的+12V电压后再通过7805取的稳定的+5V电源。
本设计采用的方案2.
2.2.2负载模块
这是本设计的关键部分之一，选择的负载要满足以下要求：
1、能够承受大电流；2、必须是小电阻；3散热性能好；4、稳定性好，电阻值基本不随着温度的变化而变化；5能长期工作。
可选择的材料：
糠铜丝、铝片、电炉丝。
方案1：
选择康铜丝。
优点：
糠铜丝能承受很大的电流，且阻值小，是用做电压采样的好材料。
缺点：
康铜丝的散热性能不好，不适应长期工作。
且康铜丝价格昂贵，不易选用康铜丝。
方案2：
选择铝片。
优点：
铝片的能承受很大的电流，而且散热性能特好，又能长期工作，且阻值基本不随温度变化而变化。
缺点：
铝片的阻值太小，如果选用铝片，那必须用很大块且体积庞大的铝块，行是行，就是显的很浪费且不易摆放，不利于产品的微小化设计原则。
方案3：
选择电炉丝。
电炉丝能满足本产品设计中负载模块的所有要求，且价格低廉易于采购。
想获得小电阻的阻值，一般都要通过比较麻烦的方法测量后得到，比如用高精度数字式小电阻测量器测量，搭桥式电路进行测量等。
电炉丝的测量就很方便，我们可以把买回来的电炉丝稍微拉长点，使每一小圈都没接触，然后数圈数。
数到一千圈然后测量总共的阻值Y，将总的阻值除以一千就可以得到一小圈的电炉丝的阻值，精度高，若想截下某一阻值的电炉丝，可以通过计算得到圈数后截取。
比如想取得阻值为X阻值的电炉丝
（Y为一千圈电炉丝的总阻值）
本设计采用电炉丝做为负载[3]。
2.2.3开关模块
该模块要实现的功能：
提供单片机选择具体让某块负载工作的端口。
该模块可有用开关功能实现电路加上开关管构成。
2.2.3.1开关功能的实现的选择
方案1：
选择普通三极管，如9012、9013等。
优点：
易于控制。
缺点：
浪费单片机的管脚资源，稳定性差。
方案2：
选择模拟开关芯片。
优点：
易于控制，节约单片机管脚资源，产品已经非常成熟，稳定性好，易于采购。
理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为零此外，还希望它切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。
在计算机控制系统中多采用集成电路多路开关，其种类、型号都比较多，有8通道、16通道、甚至32通道的。
常用的多路开关有CD4051（八选1）、菜单4052（双四选1）、cd4067（十六八选1）等。
本设计选择的是CD4051芯片。
下面是对CD4051芯片的详细介绍：
图2.2CD4051引脚图
图2.3功能图
CD4051是8通道多路开关，由逻辑电平转换、二进制译码器和8个开关电路组成。
CD4051的引脚如图4―5所示，图中C、B、A是二进制的控制输入端，INH是允许输入端。
当INH为高电平时，不论从A、B、C端输入何值，8个通道均不通；当INH为低电平时，允许由A、B、C端输入3位二进制数，在8路通道中选择一路将输入和输出接通。
CD4051允许双向使用，改变图中INOUT和OUTIN的接法，可以实现“多到一”或“一到多”的转换。
CD4051是计算机控制系统中广泛使用的模拟开关，直流供电电源为VDD=5～15V，输入电压UIN=0～VDD，它所能传送的数字信号电位变化范围为3～15V，模拟信号峰峰值为15V，当VEE接负电源时，正、负模拟电压均可通过。
接通电阻小，一般小于80Ω，断开电阻高，在VDD-VEE=10V时，泄漏电流的典型值为±10nA。
表2.1真值表
CD4051应用上有个非常值得注意的地方，那就是VDD的大小会影响到芯片对选通管脚的选择端口A、B、C电压高低的识别。
比如当VDD>10V时，要给A赋高于6V的电压才认为是A至1了。
当VDD<=8V时，只要给A赋5V，A就至1[4]。
2.2.3.2开关管的选择
开关管的要求：
1、必须能承受大功率。
2、开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为几乎为零。
3、希望它切换速度快，噪音小，寿命长，工作可靠。
对于这样苛刻的要求也只有场效应管方能胜任。
场效应管与晶体管不同,它是一种电压控制器件（晶体管是电流控制器件）,其特性更象电子管,它具有很高的输入阻抗,较大的功率增益,由于是电压控制器件所以噪声小.场效应管是一种单极型晶体管,它只有一个P-N结,在零偏压的状态下,它是导通的,如果在其栅极（G）和源极（S）之间加上一个反向偏压（称栅极偏压）在反向电场作用下P-N变厚（称耗尽区）沟道变窄,其漏极电流将变小,反向偏压达到一定时,耗尽区将完全沟道"夹断",此时,场效应管进入截止状态,此时的反向偏压我们称之为夹断电压,用Vpo表示,它与栅极电压Vgs和漏源电压Vds之间可近以表示为Vpo=Vps|Vgs|,这里|Vgs|是Vgs的绝对值.当Vgs=0时Id（漏极电流）=0,只有当Vgs增加到某一个值时才开始导通,有漏极电流产生.并称开始出现漏极电流时的栅源电压Vgs为开启电压.本设计是给Vgs提供足够大的电压，使场效应管工作在放大区，Ids完全取值于Rds[5]。
本设计选择了IRF3205，下面是对IRF3205的详细介绍：
IRF3205是大功率场效应管,开路电阻为无穷大，其导通时的电阻为几乎为零,切换速度快,只要应用得当,能长时间工作.以下通过图片来描述IRF3205场效应管与的关系,与的关系.
图2.3在室温25摄氏度下典型的输出特性
图2.4在175摄氏度下典型的输出特性
从以上2.4图可以看出与的关系基本不受温度的影响,且只要大于1V,足可以超过15A.利用这点可以很好的解决当为3.3V时向ATX电源提供大功率负载的问题.
图2.5典型的传输特性
从图2.5可看出,只要6V,能有可达到100A.足以满足产品设计要求.
图2.6开关时间波形
从图2.6可以看出IRF3205易于控制,且开关时间短.[6]
2.2.4显示模块
该模块的功能:
实现对采集到信号的及时显示.
方案1:
用LED做时时动态显示.优点:
控制简单,价格低廉,易于购买.缺点:
浪费CPU资源.
方案2:
用LCD做静态显示.优点:
控制简单,价格低廉,易于购买,可以有效的节约CPU资源.可以显示字符.缺点:
浪费单片机断口;本设计采用的是LCD1602;下面是LCD1602进行详细资料:
1602B引脚说明如表2.2
表2.21602B引脚说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
双向数据口
3
VL
对比度调节
11
D4
双向数据口
4
RS
数据命令选择
12
D5
双向数据口
5
RW
读写选择
13
D6
双向数据口
6
E
模块使能端
14
D7
双向数据口
7
D0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
D1
双向数据口
16
BLA
背光源正极
注意事项：
从该模块的正面看，引脚排列从右向左为：
15脚、16脚然后才是1－14脚（线路板上已经标明）。
VDD：
电源正极，4.5－5.5V，通常使用5V电压；
VL：
LCD对比度调节端，电压调节范围为0－5V。
接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，但对比度过高时会产生“鬼影”，因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度，或者直接串接一个电阻到地；
RS：
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平；
RW：
读写控制端。
RW为高电平时，读取数据；RW为低电平时，写入数据；
E：
LCD模块使能信号控制端。
写数据时，需要下降沿触发模块。
D0－D7：
8位数据总线，三态双向。
如果MCU的IO口资源紧张的话，该模块也可以只使用4位数据线D4－D7接口传送数据。
本充电器就是采用4位数据传送方式；
BLA：
LED背光正极。
需要背光时，BLA串接一个限流电阻接VDD，BLK接地，实测该模块的背光电流为50mA左右；
BLK：
LED背光地端。
根据资料,只要对各端口进行准确的控制,可以很容易的实现读写.
2.2.5单片机模块
本设计的核心控制芯片就是单片机,该模块的功能:
实现对系统的控制.单片机种类繁多,应该选择最合适的单片机,要熟练掌握它的功能且灵活应用.本设计选择的是89S51.优点:
控制方便,性能稳定,资源丰富.完全满足本设计要求,以下是对单片机的详细介绍:
1MCS-51系列单片机内部介绍
（1）振荡器
MCS-51系列单片机的内部有一个振荡器，只要外接一个晶振即可产生整个系统所需的时钟脉冲。
CPU这是一个特别适于从事自动控制的高性能8位CPU，用来执行指令和控制整个单片机的运作。
程序存储器ROM、EPROM或Flash存储器，用来储存程序及固定不变的常数。
其容量随型号而异。
它们的最大特点是内容不会因电源切断而消失。
但是CPU仅能读取程序存储器的内容，而无法改变程序存储器的内容。
数据存储器RAM，用来储存程序执行中需要加以改变的数据。
其容量随型号而异。
它是一种随时可以有CPU存取数据的存储器，但存于内部的数据会随电源的切断而消失。
定时\计数器可用指令设定为16位的定时器或16位的计数器用。
IO引脚一共有32个输入输出引脚可供使用[7]。
2MCS-51系列单片机的引脚图如下：
图2.7MCS-51系列单片机引脚图
尽管单片机的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
单片机的种种优势，足以满足本设计的要求。
2.2.6整体方案设计
整体方案1
图2.8方案1方框图
方案论证:
当接入ATX电源做好检测准备后，等待单片机的控制。
单片机控制CD4051来轮流选通场效应管,打开场效应管后,负载开始工作,在打开负载端口的期间，负载会迅速加热。
单片机再控制AD芯片不断的对提供负载工作的端口电压进行采集并显示,并将采集到的模拟值进行处理后送显示,并做报警处理。
优点：
材料实惠而且易与采购。
解决了负载因为加热而改变阻值的问题，解决了因为大功率工作而难于控制的问题。
可以很有效的实现大功率负载的选择与检测。
精度高、性能稳定且可以长时间工作。
缺点：
不能实现自检功能。
本设计中用到的开关管是直接串联到大功率工作线上的，所以有可能出现因长期使用而坏死的情况，一旦某一路开关管的场效应管是不能工作了，就会导致这一路的大功率负载不工作，那检测仪检测到的电压实际上是这一路空载情况下的电压。
本设计中ATX检测仪在开始工作时并未先对开关管的好坏进行检测。
整体方案2
图2.9方案2方框图
方案论证：
当接入ATX电源做好检测准备后，等待单片机的控制。
单片机控制CD4051来轮流选通负载，在打开负载端口的期间，负载会迅速加热。
单片机再控制AD芯片不断的对提供负载工作的端口电压进行采集并显示,并将采集到的模拟值进行处理后送显示,并做报警处理。
优点：
控制方便，性能稳定、能长时间工作。
缺点：
不能完全实现大功率负载的检测，精度不够高
本设计采用的是方案1，场效应管IRF3205的最大工作功率可达180W，本设计中只是利用了它的饱和导通特性，它正常工作时的DS间电阻基本为零，基本不承受任何负载，故出故障的可能性也很低，本设计虽然说不能实现自检功能，当出现故障的几率也很低。
方案1
可以很有效的实现大功率负载的选择与检测。
精度高、性能稳定且可以长时间工作。
故选择它。
方案2虽然性能稳定控制方便，但是它并未真正实现大功率工作，且精度不高。
本设计选择了方案1，当然肯定还有更多更好的方案，只是能力有限，并未想到。
3硬件电路
3.1电源模块
电源模块采用的是最常用的7812、7805稳压电路。
硬件电路图如图3.1。
图3.1电源模块图
市电经过15V的交流变压器后进行整流稳压可得到+12V、+5V电压。
3.2与电脑电源的衔接模块
从废旧的主板上拆下与电源衔接的20针座子，因为该接口包括了电脑电源出来的所有需要检测的电压。
具体接口如图3.2所示：
图3.2电脑电源的衔接模块
其中需注意的是:
必须将3、4脚的针同时插上，保证连接。
电脑电源才会启动。
其他的端口有多输出端子，可以只接一个。
3.3可控负载模块
该模块采用的是CD4051与IRF3205结合共同实现的，具体电路图如下：
图3.3可控负载模块
具体阻值如表3.1。
表3.1负载阻值表
电阻
R0、R2、R22
R4、R6、R8
R9、R11、R13
阻值欧
1.800000
因为负载要大功率工作，为了让功耗基本上都加在负载上，导通时场效应管的阻值要基本为零，故因使IRF3205工作在放大区，通过调试，发现场效应管IRF3205的特性与PDF提供的有点不同，从PDF资料可以看出只要Vgs达到5V，Id足可以达到18A以上，并且阻值DS间阻值基本为零，在调试过程中发现只要Vgs达到7V左右场效应管IRF3205才基本不发烫。
故要保证CD4051的输入的选通端电压为7V左右，本设计采用的12V电压进行分压后得到7.2V作为输入电压，既是Vgs电压。
当输入端（被选通端）电压有7.2V时，CD4051的Vdd必须在8V到9.5V之间，要不然单片机不利于控制，当Vdd大于9.5V时，单片机提供的选通控制信号（5V）就变的无效[8]。
3.4单片机模块
单片机模块只要是起控制作用，具体电路如图3.4。
图3.4单片机模块
为了便于画图，本设计主要是用网络节点来绘图。
单片机要工作的基本条件都必须有，它包括晶振、电源等。
上图中CON16是LCD显示模块[9]。
4软件设计
本设计主要是负责智能负载的实现与设计，也参与软件的局部设计与调试，以下是局部子程序[10]。
4.1CD4051控制子程序
voidcd4051（）
{
switch（ccd）{
case
（1）:
{A1=1;B1=0;C1=0;}break;
case
（2）:
{A1=0;B1=1;C1=0;}break;
case（3）:
{A1=0;B1=0;C1=1;}break;
case（4）:
{A1=0;B1=1;C1=1;}break;
case（5）:
{A1=1;B1=1;C1=1;}break;
case（6）:
{A1=0;B1=0;C1=0;}break;
case（7）:
{A1=1;B1=1;C1=0;}break;
case（8）:
{A1=1;B1=0;C1=1;}break;
default:
{INH=1;}
}
INH=0;
}
4.2AD转换子程序
voidad（）
{switch（cad）{
case
（1）:
{A=1;F=1;C=0;}break;
case
（2）:
{A=0;F=0;C=1;}break;
case（3）:
{A=0;F=1;C=0;}break;
case（4）:
{A=1;F=0;C=0;}break;
case（5）:
{A=1;F=0;C=1;}break;
default:
{A=0;F=0;C=1;}
}
OE=0;启动
ST=0;
ST=1;
ST=0;
OE=1;
delay1m（200）;delay1m（200）;结束
P2=0xff;p20=p37;p21=p36;p22=p35;p23=p34;数据高低位互换
p24=p33;p25=p32;p26=p31;p27=p30;
x1=P2;
}
4.3显示子程序
voidsetxy（charx,chary）*X=行（1~2），Y=列（1~16）*
{
ucharc;
if（y<1||y>16）;
else{
switch（x）{
case1:
DATA=0x80+y-1;enable（）;break;
case2:
DATA=0xc0+y-1;enable（）;break;
default:
break;
}
}
}
voidenable（void）
{
RS=0;
RW=0;
E=0;
delay15（5）;
E=1;
}
voidenable1（void）
{
RS=1;
RW=0;
E=0;
delay15
（1）;
E=1;
}
4.4系统流程图
图4.1系统流程图
5调试
调试过程中遇到的主要问题有：
（1）调试AD过程中，OE端口直接用P1^7来控制，因为OE端口会硬件拉低，使得下载线端口出现异常，怎么也烧不进程序，开始以为是因为断路、晶振等
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