程控直流穩(wěn)壓電源

1、2012年吉林省電子設(shè)計競賽設(shè)計與總結(jié)報告 程控直流穩(wěn)壓電源（A題）摘 要直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的設(shè)備，目前直流穩(wěn)壓電源已朝著多功能和數(shù)字化的方向發(fā)展。本系統(tǒng)以MSP430單片機為核心結(jié)合數(shù)字反饋控制技術(shù)實現(xiàn)程序控制的直流穩(wěn)壓電源。硬件主要包括：單片機系統(tǒng)、傳統(tǒng)供電直流電源、升降壓斬波電路、及由6N137光耦合組成的反饋電路等。軟件系統(tǒng)使用模塊化形式編程，易維護。電路具有電壓調(diào)整簡便，讀數(shù)直觀，電壓輸出穩(wěn)定，便于智能化管理的特點，有效地克服了傳統(tǒng)電源的不足。測試符合各項指標要求。關(guān)鍵字：MSP430單片機、540場效應(yīng)管、數(shù)控、升降壓斬波電路 目錄摘 要21.方案比較與論證41.1

2、方案一41.2 方案二41.3 方案論證42 主要硬件選擇52.1單片機的選擇52.2 顯示屏的選擇62.3 高頻開關(guān)的選擇62.4鍵盤的選擇63 系統(tǒng)設(shè)計63.1總體要求63.2 總體設(shè)計73.2.1單片機的信號與控制的分析83.2.2 PWM占空比和頻率的計算83.3電路的設(shè)計83.3.1單片機最小系統(tǒng)83.3.2顯示電路設(shè)計93.3.3直流電源的設(shè)計電路93.3.4數(shù)控反饋回路的設(shè)計103.3.5 升降壓斬波電路圖113.3.6輸出電流檢測電路圖114 系統(tǒng)調(diào)試114.1 測試方案114.2 測試儀器124.3 測試結(jié)果124.4結(jié)果分析131.方案比較與論證1.1方案一以sepic斬波

3、電路作為開關(guān)控制電路，如圖1.2-1所示。該電路的基本工作原理是：當V處于通態(tài)時，E-L-V回路和C-V-L回路同時導電，L和L儲能。V處于斷態(tài)時，E- L- C-VD-負載（C和R）回路及L-VD-負載回路同時導電，此階段E和L及向負載供電，同時也向C充電，C儲存的能量在V處于通態(tài)時向L轉(zhuǎn)移。圖1.2-11.2 方案二以升降壓斬波電路作為開關(guān)控制電路，如圖1.2-2a所示。該電路的基本工作原理是：當可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源經(jīng)向電感供電使其儲存能量，此時電流為，方向如圖所示，同時電容維持輸出電壓基本恒定并向負載供電。此后，使關(guān)斷，電感中儲存的能量向負載釋放，電流為1.3 方案論證升降壓斬波電

4、路為最基本的電路，從原理上并不優(yōu)于方案一種的sepic電路，sepic電路中，電源電流和負載電流均為連續(xù)，有利于輸入和輸出濾波，而且輸出電壓為正極性的。但是為了我們從另一個角度考慮，解決問題，選擇了最基本的電路作為開關(guān)控制電路，提高解決問題的能力，同時也為問題的解決找出新的思路。圖1.2-2a升降壓斬波電路的波形2 主要硬件選擇2.1單片機的選擇 要完成該題目要求的任務(wù)，有多種單片機可供我選擇作為系統(tǒng)的控制單元，由于我們知識有限，所以鎖定MCS51系列單片機和MSP430系列單片機作為選擇范圍。MCS51系列單片機是國內(nèi)使用最多的產(chǎn)品，對其使用的技術(shù)很成熟。我們優(yōu)先考慮使用該系列的單片機作為系

5、統(tǒng)控制單元，我們所熟知的該系列的單片機沒有LCM驅(qū)動模塊，為了達到題目要求的顯示相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，我們需要外接LCM驅(qū)動電路。MSP430系列單片機是一款16位超低功耗的產(chǎn)品，具有豐富的外部接口，該系列單片機有許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，包括A/D轉(zhuǎn)換， LCM驅(qū)動電路等，消除了使用MCS51單片機需要外接某些電路的麻煩，可以使整個系統(tǒng)更加簡潔。經(jīng)過綜上比較，我們選擇了MSP430F169單片機作為我們的控制單元。2.2 顯示屏的選擇我們手中實驗用的液晶顯示屏有LCD和LCM，為了滿足顯示內(nèi)容的要求以及外觀需要，我們選擇LCM作為整個系統(tǒng)的顯示模塊。2.3 高頻開關(guān)的選擇選

6、擇一：IGBT（絕緣柵雙極晶體管）作為新型電力半導體場控自關(guān)斷器件，集功率MOSFET的高速性能與雙極性器件的低電阻于一體，具有輸入阻抗高，電壓控制功耗低，控制電路簡單，耐高壓，承受電流大等特性，驅(qū)動功率小而飽和壓降低，非常適合用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、照明電路等。選擇二：場效應(yīng)管它屬于電壓控制型半導體器件，具有輸入電阻高（108109）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，綜上IGBT與場效應(yīng)管的優(yōu)缺點，結(jié)合設(shè)計題目的實際情況，我們選擇540場效應(yīng)管作為整個系統(tǒng)的高頻開關(guān)。2.4鍵盤的選擇選擇一：普通獨立式鍵盤，焊接方

7、便，編程簡單。選擇二：4*4矩陣式鍵盤，焊接不便，編程困難，占用版面較大。在滿足題目要求的前提下以最簡、最易為原則選擇普通獨立式鍵盤。，3 系統(tǒng)設(shè)計3.1總體要求設(shè)計并制作直流穩(wěn)壓電源，輸入電壓范圍為DC 10V30V，輸出電壓為DC 18V?；疽螅?1)輸入電壓變化范圍10V30V，輸出電壓保持為18V；(2)最大輸出電流IOmax：1A；(3)輸入電壓UIN從10V30V變化時，電壓調(diào)整率SU2%（IO=1A）；(4)電流IO從01A變化時，負載調(diào)整率SI5%（UIN=10V）；(5)輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UOPP0.5V（UIN=10V30V,UO=18V, IO =1A）；(6)

8、DC-DC變換器的效率70%（UO =18V, IO =1A）；3.2 總體設(shè)計以V，和15V直流電源作為整個系統(tǒng)的供電電源。接入外部直流電源（10V30V）輸入到升降壓斬波電路，對輸出電壓采樣，并改變極性輸入給MSP430單片機，通過片內(nèi)ADC（A/D、模數(shù)轉(zhuǎn)換）模塊把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)單片機分析處理發(fā)出PWM的數(shù)字信號反饋調(diào)節(jié)，控制IGBT的通斷，從而構(gòu)成穩(wěn)定的直流電壓源，并且將有關(guān)數(shù)據(jù)反映在液晶屏上。，系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖3-1所示輸出電壓Boost buck chopper控制電路整流濾波電路 AC220VPWM信號輸出采樣電壓MSP430單片機顯示LCM鍵盤圖3-13.2.1單片

9、機的信號與控制的分析控制高頻開關(guān)，采用PWM辦法，開關(guān)并非連續(xù)關(guān)閉或?qū)?，而是在一個特定的頻率下以方波的形式驅(qū)動540場效應(yīng)管。不同的占空比能對開關(guān)的通斷起到調(diào)速的作用。通過執(zhí)行軟件延時程序交替改變端口某個二進制位輸出邏輯狀態(tài)來產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，設(shè)置不同的延時時間得到不同的占空比。3.2.2 PWM占空比和頻率的計算用定時器中斷產(chǎn)生PWM信號（如圖3.2.2-1所示）。用T0產(chǎn)生PWM的周期，用T1控制PWM的占空比，T0中斷時讓一個IO口輸出高電平，且啟動定時器T1，T1讓IO口輸出低電平，這樣改變定時器IO的處置可以改變頻率，改變定時器T1的初值就可以改變占空比，用定時器實現(xiàn)了PWM功能。

10、公式：PWM計算：對于12M晶振， PWM輸出頻率為1KHZ，這樣定時中斷次數(shù)設(shè)定為C=100，即0.01ms中斷一次，則TH0=FF,TL0=F6;由于設(shè)定中斷時間為0.01ms,這樣可以設(shè)定占空比可從1-100變化。即0.01ms*100=1ms。 圖3.2.2-13.3電路的設(shè)計3.3.1單片機最小系統(tǒng)采用MSP430F169單片機作為系統(tǒng)控制單元，外配4MHz主晶振和32768Hz的輔助晶振、復位電路、按鍵電路、LM12864顯示器構(gòu)成單片機小系統(tǒng)，MSP430F169單片機小系統(tǒng)電路如圖3-3-1所示。3.3.2顯示電路設(shè)計LCM12864液晶顯示模塊與單片機連接電路如圖2-3 所示

11、3.3.3直流電源的設(shè)計電路直流穩(wěn)壓電源電路如圖3-3-3所示。圖3-3-1 圖3-3-2圖3-3-33.3.4數(shù)控反饋回路的設(shè)計數(shù)控反饋電路如圖3-3-4所示圖3-3-43.3.5 升降壓斬波電路圖升降壓斬波電路如圖3-3-5所示圖3-3-53.3.6輸出電流檢測電路圖輸出檢測電路如圖3-3-6所示圖3-3-64 系統(tǒng)調(diào)試 4.1 測試方案根據(jù)題目的每一項要求，測試系統(tǒng)。4.2 測試儀器萬用表，示波器，電流表。4.3 測試結(jié)果1、基本要求1）當輸入電壓UIN在030V之間變化時，測出輸出電壓UO的值的大?。ㄒ筝敵鲭妷篣O=18V）：UINUO2）輸出電流最大值可達到Iomax=1A。3）當

12、輸入電壓UIN在030V之間變化時（IO=1A），測出輸出電壓和電壓調(diào)整率的大?。ㄒ箅妷赫{(diào)整率至少為SU2%）：IO=1AUINUOSU4）當輸出電流IO在01A之間變化時（UIN=10V），測出輸出電壓和負載調(diào)整率的大?。ㄒ筘撦d調(diào)整率至少為SI5%）：UIN=10VIOUOSI 2、發(fā)揮部分1）當輸入電壓UIN在030V之間變化時（IO=1A），測出輸出電壓和電壓調(diào)整率的大?。ㄒ箅妷赫{(diào)整率SU0.5%）：IO=1AUINUOSU2）當輸出電流IO在01A之間變化時（UIN=10V），測出輸出電壓和負載調(diào)整率的大?。ㄒ筘撦d調(diào)整率SI1%）：UIN=10VIOUOSI 4.4結(jié)果分析參 考 文 獻1 時景榮、李玉茹.C語言程序設(shè)計（第二版