數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計與實現(xiàn)摘要：本文采用AT89S51單片機(jī)作為數(shù)控開關(guān)電源的主控部件，通過巧妙的軟件設(shè)計與簡易可靠的硬件電路相配合，實現(xiàn)輸出電壓可步進(jìn)調(diào)整、輸出電壓信號可直接顯示的功能。整個設(shè)計包括電源變換部分、數(shù)字控制部分、數(shù)碼顯示部分三大電路模塊組成。主芯片采用開關(guān)穩(wěn)壓集成電路芯片LM2575，數(shù)字電位器X9511依據(jù)指令，用數(shù)字控制來改變反饋，并將輸出電壓在數(shù)碼管上顯示。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；開關(guān)電源；數(shù)控The Switch Electrical Source of High-precision Numerical Control Abstract: In this

2、 digital switching power supply, AT89S51 MCU is the main components. Through clever design and simple and reliable software, hardware circuit line, stepping to achieve output voltage adjust, output voltage signal functions can be directly displayed.Transform the whole design including the power of t

3、he digital control of the part of the three digital display circuit module. The main chip switching regulator IC LM2575, Digital Potentiometers X9511 based on instructions to change the use of digital feedback control and output voltage on the LED display.Key Words：Singlechip microcomputer; switchin

4、g power supply; numerical control1 引言1.1 數(shù)控開關(guān)電源概述隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源。電源是各種電子設(shè)備必不可少的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全性與可靠性。而開關(guān)電源是目前應(yīng)用最為廣泛的一種新式電源裝置，由于其小型化、輕量化、高效率、可大量節(jié)約能源等顯著優(yōu)點而深受人們的青睬，并被廣泛應(yīng)用于電子計算機(jī)、電視機(jī)、郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域中。近年來，隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，人們對開關(guān)電源的需求也與日俱增。開關(guān)電源的開發(fā)與制造已成為了方興未艾

5、、發(fā)展前景十分誘人的朝陽產(chǎn)業(yè)。而怎樣使開關(guān)電源在低成本情況下實現(xiàn)高精度的數(shù)控化調(diào)控成了人們研究的熱點。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，采用功率半導(dǎo)體器件作為開關(guān)，通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率（占空比），調(diào)整輸出電壓，維持輸出穩(wěn)定的一種電源。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源。再者開關(guān)電源與線性電源相比又有以下優(yōu)點:1) 開關(guān)電源的體積和重量明顯地小于同功率的線性電源。因為它用高頻變壓器代替了線性電源中笨重的工頻變壓器，能降低大量金屬消耗。2) 開關(guān)電源的效率高于線性電源。因為它的功率管工作

6、在開關(guān)狀態(tài)，其效率一般高于60%，且隨著輸出功率的增大而提高，普遍可達(dá)80%以上。對于開關(guān)電源而言，只要在脈沖寬度調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，開關(guān)電源功率管上的功耗不隨電網(wǎng)電壓和輸出電壓變動，固有損耗比較低，所以它可應(yīng)用于長期工作的各種設(shè)備中以降低能耗。而線性電源中由于調(diào)整管工作在線性狀態(tài)且流過負(fù)載電流，所以功耗很大。當(dāng)輸出電壓較低時，其效率小于50%。3) 開關(guān)電源的適應(yīng)性強(qiáng)。因工作方式的特殊性，開關(guān)電源能夠適應(yīng)更寬的工作電壓范圍。以電視機(jī)中的開關(guān)電源為例，目前生產(chǎn)的電視機(jī)能夠做到同時適應(yīng)國內(nèi)220V和國外110V的電源。在經(jīng)濟(jì)日益全球化的今天，這一特性是傳統(tǒng)線性電源無法比擬的。4) 開關(guān)電源更安全。線性電

7、源的輸入電壓和輸出電壓的差值較大，一旦調(diào)整管擊穿，全部輸入電壓將加到輸出端，有可能危及負(fù)載。而并聯(lián)式開關(guān)電源中，當(dāng)功率管損壞時，主回路停止工作，輸出端就沒有電壓輸出，不會出現(xiàn)過壓現(xiàn)象。另外由于開關(guān)電源的效率比較高，開關(guān)管上的功耗比較小，發(fā)熱較低，所以對散熱安裝設(shè)計的要求降低，以及涉及220V電壓等情況進(jìn)行的多重安全設(shè)計，都進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性。當(dāng)今開關(guān)電源發(fā)展的三大趨勢為：1) 非隔離DC/DC技術(shù)迅速發(fā)展2) 初級PWM控制IC不斷優(yōu)化3) 同步整流技術(shù)實現(xiàn)高效率4) 開關(guān)的頻率更高1.2 數(shù)控開關(guān)電源目前發(fā)展?fàn)顩r電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。日前

8、，隨著單片開關(guān)電源集成電路的應(yīng)用，開關(guān)電源正朝著短、小、輕、薄的方向發(fā)展。單片開關(guān)電源自20世紀(jì)90年代中期問世以來便顯示出強(qiáng)大的生命力，它作為一項頗具發(fā)展前景和影響力的新產(chǎn)品，引起了國內(nèi)外電源界的普遍重視。現(xiàn)已成為具有發(fā)展前景和影響力的一項高新技術(shù)產(chǎn)品。最近兩年來，國外些著名的一些芯片廠家又競相推出了一大批單片開關(guān)電源集成電路，更為新型開關(guān)電源的推廣與普及奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和控制理論研究的深入，開關(guān)電源的數(shù)字化控制也從比較簡單的MCU加電源芯片的控制結(jié)構(gòu)發(fā)展到利用高性能DSP及FPGA進(jìn)行PWM、通信、監(jiān)控的全數(shù)字化控制結(jié)構(gòu)。實時性和多任務(wù)的要求使雙CPU結(jié)構(gòu)得到了更加廣

9、泛的應(yīng)用。目前開關(guān)電源的發(fā)展，主要朝著更高的功能密度和變換效率及更好的動態(tài)特性，更好的環(huán)保性能，智能化與高可靠性，更廣泛的應(yīng)用等方面發(fā)展。1.3 開關(guān)電源的分類隨著電力電子器件和開關(guān)變頻技術(shù)幾乎同步開發(fā)的前提下，兩者相互促進(jìn)與推動，開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)字的增長率，向輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。開關(guān)電源科分為AC/DC，AC/AC，DC/AC，DC/DC四大類。DC/DC變換器現(xiàn)已實現(xiàn)模塊化、成熟化和標(biāo)準(zhǔn)化。但AC/DC的模塊化，因其自身的特性使得在模塊化的進(jìn)程中，遇到較為復(fù)雜的技術(shù)和工藝制造問題。以下分別對四類開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)和特性作以闡述。21、DC/DC變換器 DC/D

10、C變換是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有：脈寬調(diào)制方式（Ts不變，改變ton）和頻率調(diào)制方式（ton不變，改變Ts）兩種。前者較為通用，后者容易產(chǎn)生干擾。其具體電路有Buck電路（降壓斬波器，其輸出平均小于輸入電壓，極性相同）、Boost電路（升壓斬波器，其輸出平均電壓大于輸入電壓，極性相同）、BuckBoost電路（降壓或升壓斬波器，電感傳輸方式。其輸出平均電壓大于或小于輸出電壓，極性相反）和Cuk電路（降壓或升壓斬波器，電容傳輸方式。其輸出平均電壓大于或小于輸入電壓，極性相反）四種。 2、AC/DC變換器 AC/DC變換器是將交流電壓變換成直流電壓，

11、其功率流向可以是雙向的功率六由電源流向負(fù)載的稱為“整流”，功率六有負(fù)載返向電源的稱為“有源逆變”。AC/DC變換器輸入為50/60Hz的交流電，因必須經(jīng)整流、濾波，因此體積相對較大的濾波電容器是必不可少的，同時因遇到安全標(biāo)準(zhǔn)，（如UL、CCE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流輸入側(cè)必須加EMC濾波及使用符合安全標(biāo)準(zhǔn)的元件，這樣就限制AC/DC電源體積的小型化,另外,由于內(nèi)部的高頻、高壓、大電流開關(guān)動作，使得解決EMC電磁兼容問題難度加大，也就對內(nèi)部高密度安裝電路設(shè)計提出了很高要求，由于同樣的原因，高電壓、大電流開關(guān)使得電源工作效率達(dá)到一定的滿意程度。  

12、0;  AC/DC變換按電路的接線方式右分為，半波電路、全波電路。按電源相數(shù)可分為，單相。按電路工袋子和象限又可分為一象限、二象限、三象限、四象限。3、DC/AC變換器它是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的開關(guān)變換器，有的稱其為變流器，是交流輸出開關(guān)電源和不間斷電源(UPS)的主要部件。在某些特殊場合，例如衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、潛艇等沒有工頻交流電源(50或60Hz)，僅有蓄電池或太陽能電池可供使用，它們都屬于直流電源，當(dāng)需要由這些電源向交流負(fù)載供電時，便需要DCAC變換。此外，工頻交流電對某些負(fù)載來說并不適用，例如飛機(jī)上使用400Hz交流電，感應(yīng)加熱需要使用中頻或高頻交流電，感應(yīng)電動機(jī)變頻凋速需要

13、在一定范圍內(nèi)可以任意變頻、變壓的交流電等。在有工頻交流電源的情況下，先將工頻交流電變成直流電，再經(jīng)過逆變器變成所需頻率和電壓的交流電，這些應(yīng)用都需要DCAC變換技術(shù)。 隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，逆變技術(shù)在應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步拓寬，它幾乎滲透到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。尤其是高壓、大電流、高頻三者功能兼?zhèn)涞膱隹仄骷拈_發(fā)成功，為簡化逆變電路、提高逆變器的性能及高頻脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 4、AC/AC變換器它是將一種頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換成另一種恒頻或可變頻率的交流電或是將變頻交流電直接轉(zhuǎn)換成恒頻交流電的變換裝置。在需要不同于市電頻率或頻率可變的交流電源場合,通常采用ACAC變換器，

14、它可以用兩種方案實現(xiàn) ： ( 1 ) ACDCAC變換，該方案必須通過ACDC和DCAC兩次電能變換，故效率較低。( 2 ) ACAC變換：該方案無需中間直流環(huán)節(jié)，就可以直接將工頻交流電能轉(zhuǎn)換成頻率可變的交流電能。故稱為直接變頻。由于電源電壓是交變的，故這種變換大多采用電網(wǎng)換流方式，少數(shù)也采用強(qiáng)迫換流方式，隨著自關(guān)斷器件的發(fā)展，ACAC變換技術(shù)已得到重視。ACAC變換技術(shù)主要應(yīng)用范圍如下： 1 ) 大功率(幾千千瓦以上)的交流傳動： 2 ) 艦船或飛機(jī)用的恒頻電源。 3 ) 靜止無功補(bǔ)償。 1.4 開關(guān)電源的控制方式無工頻變壓器開關(guān)電源的控制方式，大致有以下三種：脈寬調(diào)制方式，脈沖頻率調(diào)制方式

15、，混合調(diào)制方式。1.4.1 脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制PWM技術(shù)（相對于軟開關(guān)技術(shù)，PWM也稱為硬開關(guān)）由于其電路簡單、控制方便而得到了廣泛應(yīng)用。1976年美國硅通用公司第一個做出了單片集成控制芯片SG1524，稱為脈寬調(diào)制器。從此，PWM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展開始進(jìn)入了相對成熟的階段。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）波形圖如圖1-1所示，是將脈沖周期固定，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖1-1 PWM控制方式波形圖穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓升高時，控制器輸出信號的脈沖周期不變，而脈沖寬度變小，使占空比減小，輸出電壓降低。目前，應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運行的最佳頻率范圍是5

16、0120KHz（使用MOSFET做開關(guān)管），在這個范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)無論體積、重量、可靠性和價格都基本實現(xiàn)了最佳。但是，常規(guī)PWM技術(shù)的固有缺陷限制了其進(jìn)一步的高頻化，表現(xiàn)在：1在開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中，電壓和電流的波形有重疊，產(chǎn)生開關(guān)損耗，并且該損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增大；2電路的寄生電感和寄生電容在高頻時產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓尖峰和浪涌電流。由于這些局限性，迫使人們另想辦法，圍繞著減小開關(guān)損耗，消除或緩解電路中寄生參數(shù)的影響而提出了諧振變換技術(shù)。1.4.2 脈沖頻率調(diào)制技術(shù)脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequency Modulation，PFM）波形圖如圖2-6所示，是將脈沖寬度固定，通過調(diào)

17、節(jié)工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖1-2 PFM控制方式波形圖在電路設(shè)計上要用固定頻率發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓、頻率轉(zhuǎn)換器（例如壓控振蕩器VCO）改變頻率。穩(wěn)壓原理是：當(dāng)輸出電壓升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變，而工作周期變長，使占空比減小，輸出電壓降低。調(diào)頻式開關(guān)電源的輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍很寬，調(diào)節(jié)方便。1.4.3 混合調(diào)制技術(shù)混合調(diào)制方式，是指脈沖寬度與開關(guān)頻率均不固定，彼此都能改變的方式，它屬于PWM和PFM的混合方式。由于Tp和T均可單獨調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié)范圍最寬，適合制作供實驗室使用的輸出電壓可以寬范圍調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。目前這種調(diào)制方式應(yīng)用得不是很多，廠品類型也不

18、多，只是在個別實驗室中使用，其原因是兩種調(diào)制方式共存，相互影響較大，穩(wěn)定性差。再者，這種開關(guān)電源電路比較復(fù)雜，集成控制電路也不是很多。但是它的占空比調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出電壓能做到很低。2 數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計方案及論證2.1. 系統(tǒng)設(shè)計要求（1）輸出電壓調(diào)節(jié)范圍：0.00V-9.99V；（2）輸出（實測）電壓值和預(yù)置電壓值之間的誤差<0.1V ；（3）輸出電流：大于500mA；（4）具有人機(jī)接口功能，輸出電壓值由數(shù)碼管顯示，由“+”、“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減，步進(jìn)為0.1V；（5）電源應(yīng)具有輸出短路保護(hù)和功率器件的過熱保護(hù)功能；（6）經(jīng)濟(jì)性、可靠性與操作的方便性。要求成本相對低、芯

19、片使用數(shù)量相對少、可靠性相對高、操作方便。工藝較好。2.2. 系統(tǒng)基本設(shè)計方案選擇與比較 （1）控制器模塊方案一：采用常用的AT89C51控制。技術(shù)比較熟練，應(yīng)用廣泛，現(xiàn)在的51系列技術(shù)硬件發(fā)展的也非常得快，也出現(xiàn)了許多功能非常強(qiáng)大的單片機(jī)，因此使用單片機(jī)可以實現(xiàn)要求的基本功能。但是為了實現(xiàn)多組預(yù)存信息,必須外加具有掉電存儲功能的EEPROM,這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。而且在執(zhí)行動態(tài)刷新的時候讀取EEPROM的速度慢，刷新頻率受到限制。方案二：應(yīng)用ARM，ARM是一種功耗很低的高性能處理器，技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。方便、安全、高效。作為嵌入式領(lǐng)域中最為廣泛使用的32位處理器結(jié)構(gòu)體系

20、，ARM已經(jīng)成為多個應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)CPU。ARM處理器技術(shù)正在成為多數(shù)嵌入式高端應(yīng)用開發(fā)的首選。ARM2138芯片具有高達(dá)32KB的內(nèi)存作為數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)非?？斓淖x取速度。并具有豐富的I/O資源，而且其外圍電路簡單,在片內(nèi)即可實現(xiàn)所有控制，簡化了整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度。本系統(tǒng)控制器用AT89C51就可以完全控制整個系統(tǒng)了，所以選擇方案一。（2）電源轉(zhuǎn)換模塊方案一：LM2575應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運行的最佳頻率范圍是系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運行的最佳頻率范圍是集成穩(wěn)壓電路應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運行的最佳頻率范圍是,應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運

21、行的最佳頻率范圍是它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器, 應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運行的最佳頻率范圍是只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路,可大大減小散熱片的體積,而在大多數(shù)情況下不需散熱片;內(nèi)部有完善的保護(hù)電路,包括電流限制及熱關(guān)斷電路等; 應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運行的最佳頻率范圍是芯片可提供外部控制引腳，是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代產(chǎn)品。方案二：MC34063是一單片雙極型線性集成電路,專用于直流-直流變換器控制部分.片內(nèi)包含有溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源、一個占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān),能輸出1.5A的開關(guān)電流.它能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向

22、器.本模塊用LM2575就可以完全控制整個系統(tǒng)了，所以選擇方案一。（3）A/D轉(zhuǎn)換模塊方案一：TLC549是TI公司的8位開關(guān)電容逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)而構(gòu)造的CMOSA/D轉(zhuǎn)換器。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省51系列單片機(jī)I/O資源；且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應(yīng)用。TLC549芯片電路如圖2-3為芯片原理圖，圖2-4為芯片引腳排列圖 圖2-3 TLC549原理圖 圖2-4 TLC549的引腳排列方案二：ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間

23、。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32mS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。 TLC549方案優(yōu)勢比較明顯。（4）鍵盤/顯示模塊鍵盤與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設(shè)計的好壞直接影響到電路人機(jī)交互功能的好壞。a）按鍵模塊在該系統(tǒng)中需要對輸入信號值進(jìn)行設(shè)置，以實現(xiàn)對其的控制，此處對以下兩種方案進(jìn)行比較。方案一：采用HD7279，實現(xiàn)對按鍵的掃描、消除抖動、閃爍等功能。同時該芯片還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，軟件編程簡單。用HD7279和鍵盤組

24、成的人機(jī)控制平臺，能夠方便的進(jìn)行控制單片機(jī)的輸出。方案二：采用單片機(jī)讀取外部按鈕，然后控制數(shù)字電位器X9511中的滑動端位置PU和PD，滑動端的位置可以存儲在EEPROM存儲器中，在下次上電使用時將被重新調(diào)用。這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示又為單片機(jī)大大的減少了程序的復(fù)雜性。方案一雖然也能很好的實現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設(shè)計實際需求和電路整體的性能，選用方案二。b）顯示模塊系統(tǒng)需要對最后的輸出電壓（電流）和之前的預(yù)置電壓（電流）進(jìn)行顯示，使輸出信號數(shù)值可以很直觀進(jìn)行對比，此處考慮以下兩種方案。方案一：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有以下優(yōu)點：低功耗，壽命長，耐老化，防潮，防曬，防高（低）溫

25、，對外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時其精度比較高，精確可靠，操作簡單。數(shù)碼管（LED）對環(huán)境因素要求較低，顯示明亮，采用BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯相對容易，資源占用少。方案二：采用液晶顯示屏顯示溫度和濕度。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低功耗、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，可顯示的信息量大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點。但編程工作量較大，控制其占用資源較多。基于上述分析，考慮到此設(shè)計系統(tǒng)沒必要用液晶顯示屏來顯示我們所需要顯示信號數(shù)值，用數(shù)碼管就可以很方便得讓信號數(shù)值顯示出來，而且明顯直觀。所以本系統(tǒng)模塊選擇方案一。2.3. 系統(tǒng)設(shè)計方案的結(jié)論經(jīng)過

26、仔細(xì)地分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：1）控制模塊：采用AT89C51控制系統(tǒng)；2）電源轉(zhuǎn)換模塊：采用傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路LM25753）A/D轉(zhuǎn)換模塊：采用TLC549逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器；4）鍵盤模塊：采用按鍵式數(shù)字電位器X9511來實現(xiàn)；5）顯示模塊：采用普通的數(shù)碼管來顯示；2.4. 系統(tǒng)設(shè)計框圖整個設(shè)計包括電源變換部分、數(shù)字控制部分、數(shù)碼顯示部分三大電路模塊組成。主芯片采用開關(guān)穩(wěn)壓集成電路芯片LM2575，用數(shù)字控制來改變反饋，并將輸出電壓在數(shù)碼管上顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2-1所示。單片機(jī)數(shù)碼顯示鍵盤輔助電源AD轉(zhuǎn)換輸出控制圖2-1 數(shù)控電源總體系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)的硬

27、件設(shè)計與實現(xiàn)3.1. 系統(tǒng)硬件的基本組成部分系統(tǒng)控制部分：本部分是以AT89C51為核心的最小系統(tǒng)模塊，單片機(jī)振蕩器采用12MHz晶振。電源變換部分：采用開關(guān)穩(wěn)壓集成電路芯片LM2575芯片輸出信號為基礎(chǔ)，通過指令用控制數(shù)字電位器來改變反饋。數(shù)字顯示部分：本部分包括以按鍵式數(shù)字電位器X9511為核心的鍵盤和用LED來顯示預(yù)置和輸出信號數(shù)值模塊。3.2. 系統(tǒng)各模塊單元的理論分析與實際電路設(shè)計3.2.1 單片機(jī)控制電路該部分以AT89S51為核心的最小系統(tǒng)模塊，單片機(jī)采用12MHz晶振和兩個30P瓷片電容。如圖3-1所示。圖3-1 單片機(jī)控制電路3.2.2 電源變換模塊的電路設(shè)計原理圖如圖3-2

28、所示。圖3-2 電源變換模塊的電路設(shè)計原理圖3-22中，X9511的工作電壓為VCC即5V，外部遞增、遞減按鈕由單片機(jī)軟件控制，同時LM2575中基準(zhǔn)電壓為1.23V，則輸出電壓Vout的公式為3-1。 （3-1）其中 Vref=1.23VLM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1A集成穩(wěn)壓電路,它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器,只須極少外圍器件便可構(gòu)成一種高效的穩(wěn)壓電路,可大大減小散熱片的體積,而在大多數(shù)情況下不需散熱片;內(nèi)部有完善的保護(hù)電路,包括電流限制及熱關(guān)斷電路等;芯片可提供外部控制引腳，是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代產(chǎn)品。圖3-3 LM2575管腳圖 圖3-4 LM

29、2575 內(nèi)部框圖X9511是Xicor公司生產(chǎn)的按鈕控制電位器,可用作按鈕控制的微調(diào)電阻器,它是一個包含有31個電阻單元的電阻陣列。在每個單元之間和兩個端點都有可以被滑動單元訪問的抽頭點?；瑒訂卧奈恢糜蒔U、PD輸入端控制。滑動端的位置可以被貯存在一個E2PROM中,因而在下一次上電工作時可以被重新調(diào)用。X9511W(10k)的每一個抽頭間的阻值為323，它有以下特點：按鈕控制;低功耗CMOS,工作電流最大為8mA,等待電流最大為200mA;31個電阻單元;-5V+5V電壓范圍;32個滑動抽頭點,滑動端的位置取決于二個按鈕輸入;滑動端位置數(shù)據(jù)可保存100年。最大阻值有兩種X9511Z的最大

30、阻值為1k,X9511W的最大阻值為10k;有8引腳SOIC和DIP兩種封裝形式。工作原理：X9511有三部分：輸入控制、計數(shù)器和譯碼部分。E2PROM存貯器部分及電阻陣列部分,輸入控制部分的工作就象一個升/降計數(shù)器,這個計數(shù)器的輸出被譯碼后去控制接通一個單極點的電子開關(guān),以便把電阻陣列上的一個點連接到滑動輸出端。X9511內(nèi)部的計數(shù)器為一個5位二進(jìn)制計數(shù)器,共有32個位置。當(dāng)/PU或/PD接邏輯低電平超過40ms時,X9511就認(rèn)為這是一個有效的控制信號,而不是一個干擾?；瑒佣宋恢迷黾踊驕p小的次數(shù)取決于按鈕被按下的時間的長短,當(dāng)按鈕被一次連續(xù)按下時間超過一秒鐘以后,增加或減小的速度加快。因為

31、第一秒鐘器件處于慢掃描方式,如果按鈕被保持超過1秒鐘,器件將進(jìn)行快掃描方式。當(dāng)按鈕一松開,X9511即返回到等待狀態(tài)。當(dāng)滑動端位于任一固定端點時,就象等效的機(jī)械滑動端那樣,不會移到超出終端位置。也就是當(dāng)計數(shù)器達(dá)到一個極端時,不會循環(huán)回復(fù)。圖3-5 X9511管腳圖 圖3-6 X9511功能方框圖3.2.3 數(shù)字顯示模塊的電路設(shè)計原理圖如圖3-7所示。圖3-7 數(shù)字顯示模塊的電路設(shè)計原理圖3.2.4 A/D轉(zhuǎn)換電路圖3-8 A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路設(shè)計原理圖TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過I/OCLOCK、CS、DATA OUT三條口線進(jìn)行串

32、行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時間最長17s，TLC549為40000次/s?？偸д{(diào)誤差最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，Vref+接地，Vref+Vref-1V，可用于較小信號的采樣。圖3-24中，TLC549的工作電壓為VCC即5V，外部參考電壓由精密基準(zhǔn)電源TL431提供，參考電壓Vref+為2.5V, Vref-為0V，Vin模擬輸入信號來自通過電源變換的直流電壓。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果（數(shù)字量D）與模擬輸入電壓Vx的關(guān)系為3-2式， （3-2）式中，2.5V為參考電壓Vref+。圖3-9

33、TLC549 管腳圖 圖3-10 TLC549 時序圖4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1 主系統(tǒng)程序流程圖主系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對從鍵盤收集信號，即設(shè)置系統(tǒng)信息，控制從系統(tǒng)的輸入信號量，讀入并存儲從系統(tǒng)讀入的信號度值，通過LED顯示。系統(tǒng)初始化從鍵盤讀取目標(biāo)電壓將數(shù)據(jù)送給數(shù)控電位器改變輸出電壓AD采樣返回刷新寄存器并顯示開始圖4-1 主系統(tǒng)程序流程圖4.2 LED顯示程序流程選擇需要點亮的LED段結(jié)束將數(shù)據(jù)送到LED端口進(jìn)行顯示開始 圖4-2 LED顯示程序流程4.3 鍵盤子程序流程圖 圖4-3 鍵盤子程序流程5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 測試環(huán)境單片機(jī)仿真器 WAVE6000數(shù)字萬用表 VC101數(shù)字示波器 TDS10

34、12燒寫器 GF21005.2 系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊設(shè)計法，所以方便對各電路模塊功能進(jìn)行逐級測試：電源變換模塊，數(shù)字顯示模塊調(diào)試，A/D轉(zhuǎn)換的調(diào)試等，最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測試。5.2.1 硬件單元調(diào)試對于數(shù)控開關(guān)電源系統(tǒng)的硬件調(diào)試，要做到非常認(rèn)真與細(xì)心。焊接好電路板后，首先不要急著給板子上電，必須先用萬用表測試一下輸入回路和輸出回路的阻值，從而判斷輸入、輸出有沒有短路。另外，還要仔細(xì)檢查電路板上元器件是否有虛焊、短路等問題，經(jīng)檢查硬件單元電路部分調(diào)試中出現(xiàn)了一些問題，但已經(jīng)解決，硬件單元調(diào)試部分OK

35、。5.2.2 硬件聯(lián)調(diào)通過對電路的各個單元進(jìn)行檢查沒問題后，接下來我對整個電路的硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，經(jīng)檢查無故障。以下為電路在硬件單元和聯(lián)調(diào)中出現(xiàn)的問題與解決方法：1通電后沒有輸出電壓首先，很可能是LM2575開關(guān)穩(wěn)壓集成芯片的反饋輸入端沒有低電平輸入，從而導(dǎo)致該芯片不能正常工作。第二，可能是芯片內(nèi)部輸出肖特基二極管損壞。最后發(fā)現(xiàn)是芯片控制輸入端系統(tǒng)沒有低電平輸入，不是LM2575芯片問題。2系統(tǒng)電源LM7805輸出不是5V最后發(fā)現(xiàn)管腳接錯了，更換后問題解決。3A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549中1腳VREF+電壓幾乎為零根據(jù)TLC549芯片資料可知1腳VREF+電壓介于2.5V到VCC+0.1V即2.55

36、.1V，這很有可能是三端穩(wěn)壓器TL431部分出現(xiàn)了錯誤。首先，我查了TL431的應(yīng)用電路，發(fā)現(xiàn)自己在REF端漏接了個電阻。待我補(bǔ)接上后還是不行，最后發(fā)現(xiàn)網(wǎng)購的TLC431這塊芯片已經(jīng)燒壞掉了的，沒有替換器件，只能直接在1腳VREF+人為加2.5V。4數(shù)碼管不會亮不用考慮很可能是顯示程序錯了，或者讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果中的程序錯了，但查閱了很多類似轉(zhuǎn)換顯示驅(qū)動的程序，比如曾經(jīng)做過的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)字電壓表等，還問了同學(xué)都表明程序可以的，甚至直接在單片機(jī)中人為輸入信號，但數(shù)碼管還是不亮。幾經(jīng)波折最后終于發(fā)現(xiàn)自己犯了最低級的錯誤，與數(shù)碼管所連的三極管把9014當(dāng)PNP的在用，實際它是NPN的，問題解決。

37、5遞增、遞減按鈕按去，數(shù)碼管顯示數(shù)值不會改變首先，很可能是程序問題，第二，可能出在數(shù)字電位器X9511部分。經(jīng)檢查程序正確，數(shù)字電位器X9511被燒壞。但X9511工作電流最大8mA，等待電流最大200mA，而電路中只需1.2mA左右的電流，怎么會被燒壞了，不知道問題出在什么地方。由于X9511是網(wǎng)購的，最后只能拿了個電位器代替設(shè)計中的數(shù)字電位器，人為進(jìn)行阻值調(diào)節(jié)。5.2.3 軟件單元調(diào)試對于軟件調(diào)試，需要充分利用編程軟件功能。由于先畫了詳細(xì)的流程圖，再調(diào)試子程序時出現(xiàn)問題不多。編程軟件中單步運行、斷點、寄存器觀察是非常有用的，能較快的幫助找到問題所在。5.2.4 軟件聯(lián)調(diào)通過對電路的各個軟件單元進(jìn)行檢查沒問題后，接下來我對整個電路的軟件進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，經(jīng)檢查無故障。5.2.5 軟硬件聯(lián)調(diào)逐個解決了上面的調(diào)試中所出現(xiàn)的問題，軟硬件聯(lián)調(diào)檢查OK。5.3 測試結(jié)果該測試結(jié)果是用電位器人為進(jìn)