基于单片机的电源管理系统设计.docx

1、命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中。1 引言本章简要的叙述了电源管理系统的市场需求和发展趋势，并系统的介绍了本文要研究的主要内容及特点。1.1 电源管理系统的现状及发展趋势随着电子产业的高速发展，给电源市场带来了巨大的挑战和市场机会。但同时也给电源提出了新的需求。需要自身独立的内置电源管理系统，保证其在移动或无人职守状态下工作，一般采用可充电的锂离子电池或镍氢电池作为设备内置电源(连续使用三到五年不更换)。但其却有限压的要求，蓄电池的使用和保护方法及剩余电量监测对电池寿命有着重大的影 响，是产品性能的一个重要方面。合理的充电策略对维持畜电池性能延长其使用寿命都有重要的意义。电源管

2、理是一个完整的系统，它不仅包含对畜电池的电量检测和充放电管理和为设备提供标准电压等级和定制电压等级的电源输出，还应有人机交互的功能。现在地电源发展正在朝着以下几个方向发展：（1） 高效率、高功率；（2） 网络化、智能化的监控管理；（3） 全数字化控制；（4） 产品绿色环保。1.2 本文的主要内容及特点本论文主要研究的是基于 AT89C51 单片机的电源管理系统的设计，该系统具有输出电压、电流显示功能；电流保护功能，当电流超过安全范围时，系统停止电压输，过流保护后必须按复位键才能重新输出；充电和过放保护电路；供电功能。 系统的总体设计任务本论文分为硬件部分和软件部分。2.1 基于 AT89C51

3、 的硬件设计任务（1） 蓄电池充电电路的设计：为蓄电池充电，并且具有防止电池过量充电的功能。（2） 可调电源的设计：1.5V-12V 连续可调电源的输出。（3） 系统稳压点烟的设计：这个设计的目的是为整个系统提供的稳压电源。（4） 模数转换电路的设计：把模拟的电压电流信号转换成数字信号。（5） 看门狗电路设计：这个设计的功能是在单片机的程序跑飞的情况下自动复11你今天的日积月累，终会变成别人的望尘莫及。命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中。位。（6） 显示模块设计：把输出的电压、电流情况显示出来。（7） 译码电路设计：译码电路选择显示的位置和 AD 采样。（8） AT89C51 工

4、作电路设计：使单片机正常工作。（9）74LS161 分频器设计：对 AT89C51 的 ALE 进行 4 分频为 AD0809 头、提供时钟频率。（10） 辅助电路设计：单片机晶振电路、逻辑电路和按键电路。2.2 软件设计的主要任务（1） 分析整个系统，把总系统分为几个子系统，并考虑几个子系统之间的内在的关系。本论文要完成的任务是：初始化程序设计、按键程序设计、充放电控制程序设计、A/D 转换程序设计、过流保护程序设计、显示程序设计。（2） 编写各个子系统的程序，最后组合在一起，得到整个系统。（3） 编译、检查、修改。（4） 看是否能得到我们需要的结果，如果得不到就回到上一步，直到得到想要的结

5、果为止。3 电源管理系统的硬件设计3.1 AT89C51 单片机AT89C51 单片机具有简单实用、高可靠性、良好的性能价格比以及体积小等优点。其特性如下：（1） 一个 8 位的 CPU，包括了运算器和控制器两部分。（2） 片内 128 个字节的 RAM 是以高速 RAM 的形式集成，可以加快运行速度。（3）4K 字节可编程闪烁存储器。（4）32 可编程 I/O 线。（5）两个 16 位定时器/计数器。（6）5 个中断源。（7） 可编程串行通道。（8） 低功耗的闲置和掉电模式。（9） 片内振荡器和时钟电路。3.2 基于 AT89C51 的电源管理系统设计框图图 1 为系统框图：22你今天的日积

6、月累，终会变成别人的望尘莫及。命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中。图 1 电源管理系统设计框图3.3 AT89C51 基本工作电路设计本设计是基于单片机的电源管理电路设计，因此核心是单片机电路，考虑到需要两个中断输入，存储容量、外接接口对单片机端口的需求以及兼顾到节约成本的原则，本论文选用了常用的 AT89C51 单片机。它采用 Atmel 公司的非易存储器制造技术，与 MCS51 的指令设置和芯片引脚可兼容。AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是客反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。图

7、 2 AT89C51 基本工作电路33你今天的日积月累，终会变成别人的望尘莫及。命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中。AT89C51 工作的简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了，图 2 为单片机的简单的工作电路。图 2 中提到的 MAX813 芯片是看门狗电路，后面章节将对看门狗电路进行更为详细的分析。3.4 电源输出电路的设计3.4.1 LM317 芯片的工作原理LM317 作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。稳压电源的输出电压可用下式计算， Vo 1.25 （1R2/R1 ）。仅仅从公式本身看，

8、R1 、R2 的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式， R1 和 R2 的阻值是不能随意设定的。首先 317 稳压块的输出电压变化范围是 Vo 1.25V 37V （高输出电压的 317 稳压块如 LM317HVA 、LM317HVK 等，其输出电压变化范围是 Vo 1.25V 45V ），所以 R2/R1 的比值范围只能是 028.6 。1、2 脚之间为 1.25V 电压基准。其次是 317 稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流， 也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为 1.5mA 。由于 317 稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳

9、定工作电流也不相同，但一般不大于5mA 。当 317 稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时， 317 稳压块就不能正常工作。当 317 稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时， 317 稳压块就可以输出稳定的直流电压。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把 317 烧坏。3.4.2 基于 LM317 的电源输出电路图 3 中的 D42、D43 用于保护 LM317 通过单片机输出相应的信号，就可以控制输出相应的电压大小。为了保证稳压器的输出性能，R41 应小于 240 欧姆。改变 1 脚和地之间的阻值即可调整稳压电压值。该电

10、路是中输入的是经过稳压处理的电压，后面是一个三级管开关电路，当 P1.3 输出为低的时候，经过反相器在三极管的基极产生一个高电压是三级管导通，导通后在23F 的线圈里面就有了电流，产生磁性，使开关 K3 导通，在 Vout 端输出需要的电压。44你今天的日积月累，终会变成别人的望尘莫及。命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中。图 3 基于 LM317 的电源输出电路3.5 蓄电池充电电路图 4 为蓄电池充电电路，该电路具有防止过充的功能，充电电压是 220V、50Hz 的市电。蓄电池在输出电压为 12V，功率在 20W 时可连续工作 5 小时。本电路包括下面几个电路：（1） 降压整流

11、电路：又变压器T、整流二极管 D11、D12 组成。（2） Q11 可控硅触发电路：由电阻 R11、二极管 D14、可控硅 Q11 组成。（3） 大电流充电电路：整流电路及可控硅 Q11 组成。（4） 小电流充电电路：由整流电路、二极管 D13、电阻 R12、电位器 r13 组成。（5） 大电流切断电路：由电阻 R11、R17 和可控硅 Q12、稳压管 D15、电位器 R15以及电阻 R14 等组成。图 4 蓄电池充电电路本电路防止过量充电的原理是：当 Q11 被触发导通后即对蓄电池进行大电流充电。当充电电压升高到规定的上限值时，由于预先调节 R15，使电位器 R15 的滑动点与地之55你今天

12、的日积月累，终会变成别人的望尘莫及。命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中。间的电压等于稳压管 D15 的稳压值与可控硅触发电压之和，所以这时可控硅 Q12 被触发导通。Q12 导通后，Q11 触发电路受蓄电池电压反向偏置而关断。此后，电源通过 D13、R12、R13 对蓄电池进行小电流充电。调节 R13 使电流限制在允许范围内。3.6 系统稳压电源设计本论文的设计是基于 AT89C51 单片机的电源管理系统，其中使用到了+12V 和+5V 的电源，输入由蓄电池提供的 12V 电源。电路中使用到的两个芯片是 LM7812 和 LM7805， 下面将分别作出介绍。78xx/79xx 系

13、列三端稳压器件是最常用的线性降压型DC/DC 转换器，目前也有大量先进的DC/DC 转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器LDO 等, 78xx/79 系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。图 5 为其这个系列芯片的引脚图。78xx/79xx 系列在降压电路中应注意以下事项： （1） 输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；（2） 输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿； （3） 输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 3.6.1 LM7812 和 LM7812 芯片的工作原理LM7805 是常

14、用的三端稳压器，一般使用的是 TO-220 封装，能提供 DC 5V 的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供 1A 的电流，如果使用外围器件，它还能提供不通的电压和电流，正面朝上第一脚是正极输入二脚是负极三脚是正极输出。图 5 LM 系列芯片的引脚图 3.6.2 稳压电源电路LM7812 是 12V 的稳压芯片，LM7805 是 5V 的稳压芯片，这种芯片的好处是应用比较的简单，只需要接上几个电容就可以试用了。而且如果前段电源有轻微的波动几乎对后66你今天的日积月累，终会变成别人的望尘莫及。命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中。面的输出没有影响，这种芯片具有自动调节功能。图 6 为稳压电源电路。图 6 稳压电源电路3.7 ADC0809 模数转换电路ADC0809 是带有 8 位A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。 3.7.1 ADC0809 芯片介绍（1） ADC0809 的内部逻辑结构 ADC0809 由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个 A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通 8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存 A/D 转换完