基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源論文(經(jīng)典)

目錄TOC\o"1-3"\u引言 11概述 21.1課題來源及意義 21.2課題基本要求 21.3課題相關(guān)背景 22開關(guān)電源方案設(shè)計(jì) 32.1開關(guān)電源工作原理 32.2開關(guān)電源與線性電源的比較 42.3方案論證 42.3.1方案1 42.3.2方案2 52.3.3方案3 52.3.4方案分析 52.3.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52.4難點(diǎn)分析 62.4.1如何提高電源工作頻率 62.4.2儲(chǔ)能電感的繞制 72.4.3標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù) 72.5控制技術(shù)選擇 82.6開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇 92.7開關(guān)電路器件參數(shù)選擇 122.7.1功率開關(guān)管的選擇 122.7.2濾波電容的選擇 122.7.3儲(chǔ)能電感的選擇 132.7.4續(xù)流二極管的選擇 133硬件電路設(shè)計(jì) 133.1電源電路設(shè)計(jì) 133.1.1整流濾波電路 143.1.2開關(guān)變換電路 143.1.3分壓電阻的計(jì)算 153.1.4保護(hù)電路 153.2控制電路設(shè)計(jì) 163.2.1反饋電路設(shè)計(jì) 173.2.2四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì) 183.2.3單片機(jī)與鍵盤接口電路設(shè)計(jì) 184軟件設(shè)計(jì) 194.1總體編程思想 194.1.1鍵盤防抖動(dòng)子程序 194.1.2數(shù)碼顯示子程序 204.1.3采樣子程序 214.1.4中斷處理程序設(shè)計(jì) 224.1.5PID控制算法 234.1.6數(shù)字濾波 235系統(tǒng)調(diào)試 245.1硬件模塊調(diào)試 245.1.1整流濾波電路的調(diào)試 245.1.2AD轉(zhuǎn)換的調(diào)試 245.1.3脈沖輸出電路的調(diào)試 245.1.4功率開關(guān)管的調(diào)試 245.2電源性能指標(biāo)的測試 255.2.1開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo) 255.2.2輸出電壓的測試 265.2.3最大輸出電流的測試 275.2.4過流保護(hù)的測試 275.2.5電壓調(diào)整率的測試 275.2.6紋波電壓的測試 286結(jié)論 28謝辭 29參考文獻(xiàn) 30附錄 31按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關(guān)電源與線性電源兩大類。線性電源是發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。開關(guān)電源是在線性電源的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，并在很大程度上克服了線性電源的缺陷，但其自身也有一定的不足。2.2開關(guān)電源與線性電源的比較2.2.1線性電源的缺點(diǎn)（1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；（2）體積大、重量大，不能小型化；（3）必須有較大容量的濾波電容。造成這些缺點(diǎn)的原因是：（1）線性電源中功率晶體管V在整個(gè)工作過程中，一直工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成正比。這樣功率晶體管的功耗就會(huì)隨電源的輸出功率的增加而增大。為了保證功率晶體管能正常工作，除選用功率大的管子外，還必須給管子加上較大的散熱片。（2）線性電源使用了50赫茲的工頻變壓器，他的效率只有80%-90%。這樣不但增加了電源的體積和重量，而且也大大降低了電源的效率，就必須增大濾波電容的容量。2.2.2開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)（1）功耗小，效率高。圖2.1中，開關(guān)管V在脈沖信號(hào)的控制下，交替工作在導(dǎo)通-截止和截止-導(dǎo)通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在50到200千赫茲。這就使得功率開關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達(dá)到80%以上。（2）體積小，重量輕。由于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關(guān)管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關(guān)電源的體積和重量都可以得到減小。（3）穩(wěn)壓范圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號(hào)的占空比或者激勵(lì)信號(hào)的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進(jìn)行補(bǔ)償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負(fù)載有較大變化時(shí)，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓范圍寬、穩(wěn)壓效果好。（4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。例如，若開關(guān)電源的工作頻率為25千赫茲，是線性穩(wěn)壓電源頻率500倍（25000/50赫茲），這使濾波電容的容量可以相應(yīng)的縮小500倍，這使濾波電路中元件的體積和重量得以減少，同時(shí)也節(jié)省了成本。2.3方案論證單片機(jī)控制的開關(guān)電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。2.3.1方案1方案1：單片機(jī)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)電壓，用作電源的基準(zhǔn)電壓，電源可以通過鍵盤預(yù)置輸出電壓，單片機(jī)不加入反饋控制，電源仍要使用專門的PWM控制芯片，工作過程為：當(dāng)通過鍵盤預(yù)置電壓時(shí)，單片機(jī)通過D/A芯片輸出一個(gè)電壓作為控制芯片的基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓可以使得控制芯片按照預(yù)置電壓值，來輸出控制脈沖，以輸出期望輸出電壓。2.3.2方案2方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，單片機(jī)擴(kuò)展模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不斷的檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值的差值，調(diào)整后，通過D/A芯片輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，控制專門的PWM控制芯片，間接的控制電源工作。2.3.3方案3方案3：單片機(jī)擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器，不斷檢測輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤預(yù)置電壓的差值，輸出一個(gè)PWM脈沖，直接控制電源的工作。2.3.4方案分析方案1分析：單片機(jī)沒有加入反饋控制，只是輸出一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這樣單片機(jī)的作用非常的小，而且仍要使用專門的控制芯片，價(jià)格比較貴，電源成本增加，削弱了單片機(jī)的作用，不宜采用。方案2分析：單片機(jī)加入了反饋控制，作用得以利用，但是需要擴(kuò)展A/D和D/A芯片，而且還是需要專門的PWM控制芯片，成本比方案1更高，更不宜采用。方案3分析：這個(gè)方案，單片機(jī)不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制核心，單片機(jī)得以充分利用，而且省去了D/A芯片，成本大大降低，是真正的單片機(jī)控制。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇第三種控制方案，單片機(jī)使用89C51，A/D芯片采用ADC0832，采用4位數(shù)碼管顯示采樣值，鍵盤預(yù)置電壓，設(shè)計(jì)任務(wù)要求輸出可調(diào)，所以設(shè)定值需要從鍵盤輸入，實(shí)現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電壓。2.3.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作原理圖如圖2.2所示：市電經(jīng)過整流濾波后，一路電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓得到一個(gè)+5v電壓，該電壓作為單片機(jī)的工作電源，另外一路電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓。單片機(jī)根據(jù)鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲(chǔ)能元件，在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，在開關(guān)管截止時(shí)，電感釋放能量給負(fù)載。單片機(jī)定時(shí)采樣輸出端的電壓，通過ADC0832送進(jìn)單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號(hào)，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號(hào)控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片機(jī)會(huì)根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應(yīng)電壓，更新脈寬后，單片機(jī)會(huì)馬上調(diào)用PID控制算法，對輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。閉環(huán)時(shí)，電源自動(dòng)進(jìn)行脈寬調(diào)制，當(dāng)系統(tǒng)讀取到鍵盤預(yù)置的電壓變化時(shí)，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值相比較，假設(shè)當(dāng)前鍵盤輸入為10v，從輸出端取樣的值為6v，差值為4v，則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這個(gè)差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為10v；同樣，當(dāng)鍵盤輸入為6v，輸出端取樣值為10v，差值為-4v，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程。同時(shí)，電源可以自動(dòng)穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為V0，反饋電壓問Vf（Vf=V0），用戶設(shè)定電壓為Vs，當(dāng)V0=Vs時(shí)，偏差為0，單片機(jī)不進(jìn)行脈寬更新，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出增加時(shí)，即V0>Vs時(shí),單片機(jī)采樣的電壓也增加，單片機(jī)根據(jù)偏差修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從而使電壓下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使輸出電壓下降時(shí)，即V0<Vs時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使導(dǎo)通時(shí)間變長，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來進(jìn)行穩(wěn)壓。整流濾波電路整流濾波電路開關(guān)變換電路整流濾波電路控制電路輔助電源四位數(shù)碼管取樣電路鍵盤圖2.2單片機(jī)控制開關(guān)電源系統(tǒng)框圖2.4難點(diǎn)分析2.4.1如何提高電源工作頻率困難分析：現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以達(dá)到300千赫茲，本次設(shè)計(jì)雖然采用了24M赫茲的晶振頻率，可以通過單片機(jī)定時(shí)輸出40千赫茲的頻率，但是開關(guān)電源要求的是單片機(jī)的處理速度要足夠快，51系列的單片機(jī)，即使使用24M的晶振，相對于開關(guān)電源需要很快開關(guān)工作頻率，它的速度仍是比較慢的，而且這里單片機(jī)還需要做采樣電壓，掃描鍵盤，PID控制等等很多的工作，那么單片機(jī)就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機(jī)可以通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生40千赫茲的頻率，但是定時(shí)器中斷產(chǎn)生的脈沖的有效電平，即占空比是不能夠改變的，只能是50%，要設(shè)計(jì)輸出可調(diào)的開關(guān)電源，顯然行不通。解決辦法：現(xiàn)在的問題在于單片機(jī)輸出的脈沖占空比無法改變，硬件更改，只能是更換處理速度高的單片機(jī)，但是成本又增加了，而且還不一定比使用專門的PWM控制芯片的控制性能可靠，所以在此選擇在軟件上解決，具體思路為：首先定義兩個(gè)變量，一個(gè)周期T，一個(gè)占空比D，給它們賦值，T大于D，先讓單片機(jī)I/O輸出高電平，讓T，D同時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)D計(jì)算到預(yù)計(jì)值，I/O口為低電平，然后低電平一直延續(xù)到T值時(shí)，I/O口輸出高電平。改變D，T的值可以改變脈沖頻率，改變D值可以控制占空比。算法需要使用定時(shí)器，根據(jù)電源的工作頻率設(shè)定定時(shí)時(shí)間。算法為：D=100，T=1000；//定義變量，并賦值，占空比為100/1000=10%VOIDtim0()//定時(shí)中斷{P1.0=1;//P1.0輸出高電平D++;//同時(shí)計(jì)數(shù)T++;If（D==100）{P1.0=0；}//D到預(yù)計(jì)值，輸出低電平If（T==1000）{P1.0=1；//T到預(yù)計(jì)值，輸出高電平D=0；T=0；//清零}只要單片機(jī)時(shí)鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。2.4.2儲(chǔ)能電感的繞制使用儲(chǔ)能電感目的在于，在功率開關(guān)管截止時(shí)，為負(fù)載存儲(chǔ)能量，電氣上的作用是把開關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。本次設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電感的磁體要求為工作頻率為100千赫茲，直流電阻小于0.3歐姆，飽和電流大于2A。需要自己繞制，所需最小電感值可以由公式計(jì)算式中為估計(jì)最大輸入電壓下，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)為開關(guān)周期的30%是比較合適的。代入數(shù)據(jù)求得，取電感的設(shè)計(jì)方法為其中為加入氣隙的高磁導(dǎo)率材料鐵心電感的截面積，為電感窗口截面積，，，其中I為電感電流有效值，為導(dǎo)線的電流密度，為繞組填充因數(shù)，（0<）。，為鐵心中的磁通密度。計(jì)算出值，對照鐵心產(chǎn)品手冊，選擇大于值的產(chǎn)品，即可查得對應(yīng)的鐵心截面積，由式確定繞組匝數(shù)。2.4.3標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù)本次設(shè)計(jì)使用了ADC0832，這種芯片只能采樣0到5V的電壓，所采集回來的電壓對應(yīng)的是0到255的數(shù)字量，而用戶從鍵盤輸入的是電壓值，為了進(jìn)行比較，需要經(jīng)過標(biāo)度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以得到同樣的單位量綱?？刂葡到y(tǒng)檢測的被控對象的參數(shù)有著不同的量綱和數(shù)值。所有這些參數(shù)都需要通過變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過A/D轉(zhuǎn)換器或者V/F變換器轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能處理的數(shù)字量。由于不同參數(shù)的變化范圍和量綱是不同的，因此同樣的數(shù)字量表示的模擬量可能是不同的。如同樣是數(shù)字量255，可能表示的是5V的直流電壓，也可以表示其他的量；即使是相同的量綱，如果變化范圍不同，相同的數(shù)字量表示的模擬量也是不同的，數(shù)字0所以控制系統(tǒng)在進(jìn)行顯示、打印、記錄和報(bào)警等操作時(shí)，必須把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的不同量綱的物理量。這就是標(biāo)度變換技術(shù)。本次設(shè)計(jì)的標(biāo)度轉(zhuǎn)換為：鍵盤輸入為：0到12V；采樣0到5V電壓對應(yīng)數(shù)字量為0到255變換程序：r=input*255/12;//input為鍵盤輸入值,r為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量就是說使預(yù)置的0到12v的轉(zhuǎn)換為0到255的數(shù)字量，這樣單片機(jī)系統(tǒng)才能夠進(jìn)行正確的比較處理。2.5控制技術(shù)選擇2.5.1電壓型控制技術(shù)從自動(dòng)控制理論的角度來說，目前應(yīng)用相當(dāng)?shù)膹V泛的傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制（PWM）型開關(guān)電源只對輸出電壓進(jìn)行采樣，作為反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這種控制方法屬于電壓控制型，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。第一塊功能完全的電壓控制型脈寬調(diào)制電路是1976年問世的SG3524，緊接著各公司又相繼推出了多種電路，例如TL494、SG3525等等。它們的功能更多、截止頻率更高、功耗更小。但是它們的基本工作原理都是相同的。電源的輸出電壓與參考電壓比較放大，得到誤差信號(hào)，又和三角波信號(hào)比較后，脈沖比較器輸出一系列脈沖，這些脈沖的寬度即隨著誤差信號(hào)的變化而變化，這就是電壓控制型PWM控制原理。本次設(shè)計(jì)采用的是單片機(jī)進(jìn)行PWM控制，用軟件實(shí)現(xiàn)反饋電壓和設(shè)定電壓的比較，根據(jù)誤差值，通過PID算法處理，修改控制脈沖占空比，控制電源輸出一系列脈沖。但是電源中的電流總是會(huì)流過電感的，對于電壓信號(hào)將有90度的相位延遲，對于整個(gè)穩(wěn)壓系統(tǒng)來說，實(shí)際上需要不斷調(diào)節(jié)是輸入電流，以攝影輸入電壓和負(fù)載變化從而保持輸出電壓穩(wěn)定的要求。這種采樣輸出電壓的方法實(shí)現(xiàn)控制，響應(yīng)的速度較慢、穩(wěn)定性差，甚至在大信號(hào)變動(dòng)時(shí)產(chǎn)生振蕩，造成功率開關(guān)管的損壞。2.5.2電流型控制技術(shù)針對電壓型控制的不足，可以采用電流型控制技術(shù)，它是在電壓控制型的基礎(chǔ)上，增加電流反饋環(huán)，使其成為一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電感上的電流不再是一個(gè)獨(dú)立的變量，電流型開關(guān)電源變換器是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控制環(huán)。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)電阻的電流與流過輸出濾波電感的電流成正比。從輸出采樣的電壓信號(hào)加到誤差放大器的反向輸入端，正相輸入端為基準(zhǔn)電壓，其誤差經(jīng)放大后的電壓加到PWM比較器的反向端，當(dāng)加在比較器正相端的正比于的電流取樣信號(hào)（三角波，其頻率決定開關(guān)頻率）升到時(shí)，比較器輸出端輸出一個(gè)正脈沖加至鎖存器的復(fù)位端，鎖存器的反向端輸出便使得開關(guān)管截止。當(dāng)發(fā)生變化導(dǎo)致變化時(shí)，或變化導(dǎo)致變化時(shí)，便使比較器輸出脈沖相對于時(shí)鐘脈沖在時(shí)間上提前或滯后，從而改變開關(guān)管的占空比實(shí)現(xiàn)PWM控制，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。因此，變換器的內(nèi)環(huán)是一個(gè)恒流源。2.5.3電流控制型技術(shù)的優(yōu)勢與電壓型控制相比，電流型控制有以下優(yōu)勢：（1）對輸入電壓變化的響應(yīng)快；電網(wǎng)電壓的變化，必然會(huì)引起電流的變化，假設(shè)電壓升高，那么電流增長變快，反之則變慢。當(dāng)電流脈沖達(dá)到預(yù)定的幅度，電流控制動(dòng)作就會(huì)開始，控制脈寬發(fā)生變化來進(jìn)行穩(wěn)壓。對于電壓型控制，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反應(yīng)，要等到電壓發(fā)生較大的變化后，才會(huì)進(jìn)行處理，所以響應(yīng)速度慢。（2）過流保護(hù)；由于采用了直接的電感電流峰值技術(shù)，它可以及時(shí)，準(zhǔn)確的檢測輸出和開關(guān)管電流，自然形成了逐個(gè)電流脈沖檢測電路，通過給定一個(gè)參考電流，就可以準(zhǔn)確的限制流過開關(guān)管的最大電流，當(dāng)輸出超載或短路時(shí)，自動(dòng)的保護(hù)電路，同時(shí)也可防止電網(wǎng)浪涌所產(chǎn)生的尖峰電流損壞電路器件，這樣設(shè)計(jì)電路時(shí)就不需要考慮留什么余量，能節(jié)省一些成本。（3）回路穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快；電流型控制是一個(gè)輸出電壓控制的電流源，電流源的大小反映了輸出電流的大小。因?yàn)殡姼兄须娏髅}沖的幅值與負(fù)載電流的平均值是成比例的，這樣電感的相位延遲就不存在了。2.6開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇開關(guān)電源的核心是高頻開關(guān)變換電路和脈沖控制電路。高頻變換電路把直流輸入變換成高頻脈沖輸出。輸出電壓平均值,控制電路根據(jù)反饋電壓控制高頻開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間（）與截止時(shí)間（），達(dá)到控制輸出電壓目的。隔離電路采用高頻變換器件和高頻隔離變壓器。開關(guān)電源的四中組態(tài)為：（1）Buck變換器；（2）Boost變換器；（3）Buck-Boost變換器；（4）CUK變換器。2.6.1降壓變換電路分析這種開關(guān)型電源是直流供電，經(jīng)過開關(guān)電路得到單方向方波，再經(jīng)過濾波后又得到與輸入電壓不同的穩(wěn)定的直流。它們的輸出電壓總是比輸入電壓低。當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電能儲(chǔ)存在電感中，同時(shí)也流向負(fù)載。當(dāng)開關(guān)元件被控制截止時(shí)，由于電感上的電流不能跳變，儲(chǔ)存于電感中的能量繼續(xù)供給負(fù)載，此時(shí)，續(xù)流二極管正向?qū)ǎ瑯?gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。電路中開關(guān)管和負(fù)載電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開關(guān)電源。圖2.3Buck變換器當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感上的電流處于最小值，此后電感電流開始上升，但電流仍低于負(fù)載電流Io，于是電容仍向負(fù)載供電，因此輸出電壓下降。當(dāng)電感電流上升到等于Io時(shí)，電容停止向負(fù)載供電，此時(shí)輸出電壓達(dá)到最小值。隨著電感電流的繼續(xù)上升，電容開始充電，從最低值開始上升。當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感上電流處于最大，此后電感上電流開始下降，但電流仍比Io大，所以電容仍處于充電狀態(tài)，輸出電壓繼續(xù)上升。當(dāng)電感電流下降到Io時(shí)，電容停止充電，此時(shí)電容上電壓達(dá)到最大值。隨著電感電流的下降，電容開始放電，由最大值逐漸開始下降。假設(shè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為,截止時(shí)間為,并且開關(guān)管和電感為理想元件，則,其中為開關(guān)的脈沖占空比。若開關(guān)管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，截止時(shí)間為零，則；若開關(guān)管一直截止，導(dǎo)通時(shí)間為零，則，隨著與的比例不同，輸出電壓為0—之間的各種值。下面具體分析該電路的工作過程：開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極上的電壓為(1)式為開關(guān)管飽和壓降，為輸入電壓，那么電感電壓為,為電感電流，則在經(jīng)歷以后，開關(guān)管截止，此時(shí)電感電流最大，電流值為（2）式在這一瞬間，電感儲(chǔ)能為：，輸入電壓通過電感對電容充電，充電的電量為（3）式在此期間，輸入給電路提供的能量為（4）式（4）式經(jīng)過變換得：/即是電感中儲(chǔ)存的磁能和電容儲(chǔ)存的電能?？梢姡斎腚娔芡耆D(zhuǎn)換為電路的能量，效率很高，正是開關(guān)電源的優(yōu)勢所在。當(dāng)開關(guān)管截止后，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使得續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感通過電路向負(fù)載釋放能量，設(shè)二極管正向?qū)▔航禐椋鶕?jù)電路知識(shí)，可知電感上的電壓與輸出電壓、二極管壓降之間有這樣的關(guān)系：電感電流將從最大值一直減少為0，電感所儲(chǔ)存的磁能將轉(zhuǎn)化為電源的電能，假設(shè)磁能完全轉(zhuǎn)換為電能，那么可以通過下面的式子算出電感電流由最大值減為0的時(shí)間，(5)式開關(guān)管截止期間電容的充電量為（6）式續(xù)流二極管的作用是使電感電流在開關(guān)管截止時(shí)能連續(xù)變化，這樣電感存儲(chǔ)的能量才能夠轉(zhuǎn)化為電容中儲(chǔ)存的電能。由此可見，如果要控制信號(hào)的每一個(gè)脈沖都能完全的工作，應(yīng)有，也就是讓電感在導(dǎo)通期間存儲(chǔ)的能量，能在時(shí)間內(nèi)，完全釋放給電路。根據(jù)能量守恒定理，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能，對電容再次充電，那么輸入電能應(yīng)等于導(dǎo)通時(shí)電容所充電能加上電感的磁能，即（7）式代入（4）式得（8）式可見，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)間越大或者脈沖周期越小，輸出電流越大，當(dāng)需要提高電源輸出功率時(shí)，可以提高開關(guān)管的工作頻率。2.6.2升壓型變換電路升壓式開關(guān)電源的輸出電壓總是高于輸入電壓 Ui，并且極性是相同的。當(dāng)開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電感進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)開關(guān)管截止，電感中的電能通過續(xù)流二極管供給負(fù)載，同時(shí)對電容C充電。當(dāng)負(fù)載電壓下降時(shí)，電容再次放電，這時(shí)可獲得高于輸入的穩(wěn)定電壓。由于開關(guān)管和負(fù)載是并聯(lián)的，也稱它為并聯(lián)開關(guān)電源。2.6.3Buck-Boost型變換器極性變換式電源輸出電壓與輸入電壓極性是相反的，輸出電壓的絕對值還要高于輸入電壓的絕對值，否則將和降壓式開關(guān)電源混淆，由此可見，極性變換式開關(guān)電源是上述降壓式和升壓式電源的綜合。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在電感上，產(chǎn)生電流，電感進(jìn)行儲(chǔ)能，二極管反向截止。晶體管截止時(shí)，電感上電流逐漸減小，感應(yīng)電動(dòng)勢使二極管導(dǎo)通，給電容充電，電容上的電壓與輸入電壓極性相反。當(dāng)負(fù)載上的電壓要跌落時(shí)，電容再次給負(fù)載放電，這時(shí)可使輸出電壓高于輸入電壓。這4種開關(guān)電路有各自的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)任務(wù)要求電源在3到12伏內(nèi)可調(diào)，而輸入電壓為14.4V，所以采用降壓型開關(guān)變換電路，即Buck變換器，通過調(diào)制輸出占空比為0到90%的一系列脈沖，使電源在要求范圍內(nèi)可調(diào)。2.7開關(guān)電路器件參數(shù)選擇2.7.1功率開關(guān)管的選擇開關(guān)管是整個(gè)電源主要的工作器件，正確的選用，是電源成功制作的前提。首先，開關(guān)管的截止時(shí)間不宜過長，假如截止時(shí)間過長，當(dāng)開關(guān)管的上一個(gè)控制脈沖已經(jīng)結(jié)束，而下一個(gè)控制脈沖已經(jīng)到來時(shí)，會(huì)造成開關(guān)管還沒有完全關(guān)斷，馬上就進(jìn)入下一個(gè)導(dǎo)通周期，這樣開關(guān)管幾乎是一直在導(dǎo)通，開關(guān)完全失去控制，功耗和輸出電壓會(huì)迅速增加，造成電源的損壞。其次，開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間也不宜過長。當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通和截止的頻率頻繁，導(dǎo)通時(shí)間長，意味著開關(guān)管有更多的時(shí)間是在放大狀態(tài)下工作（開關(guān)導(dǎo)通后是利用晶體管的放大作用而工作的），這樣開關(guān)管的功耗就會(huì)迅速增加，電源的效率將大為下降。本論文中電源工作頻率為25千赫茲，根據(jù)設(shè)計(jì)前輩們的經(jīng)驗(yàn)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不宜超過1.5，截止時(shí)間不宜超過1。在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流以及濾波電容的充電電流均通過開關(guān)管提供，因此，開關(guān)管的集電極電流必須大于輸出的負(fù)載電流，集電極電流的計(jì)算如下：電感電流的平均值等于負(fù)載電流，則有，流過開關(guān)管的電流平均值為，忽略開關(guān)管導(dǎo)通壓降，有，整理方程消去得到（9）式流過開關(guān)管的最大電流應(yīng)等于電感電流的最大值，則，額定輸出電流為，算出集電極電流小于在開關(guān)管截止時(shí)，電源的全部輸入電壓都加在開關(guān)管的集電極和發(fā)射極兩端。所以其耐壓值就必須大于集電極的輸入電壓，同樣考慮到電網(wǎng)波動(dòng)和開關(guān)瞬間濾波電感所產(chǎn)生的浪涌電壓，取其耐壓值為輸入電壓的2倍。輸入電壓為14.4，則開關(guān)管耐壓應(yīng)大于2，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，選擇的晶體管型號(hào)為D882，耐壓值40V，集電極電流3A，功率10W。2.7.2濾波電容的選擇電容的濾波原理是：利用電容在整流二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑。濾波一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。濾波電容決定輸出電壓的紋波，電源通電后，電容器充電，電壓值迅速上升到最大值，由于電感電流仍小于輸出電流，電容向負(fù)載放電，電壓下降，產(chǎn)生紋波，在一個(gè)脈沖周期中，電容所釋放的電量為，設(shè)紋波電壓峰峰值為，則有（10）式任務(wù)要求為脈沖頻率為25千赫茲，即周期為，取電容量為470的鋁電解電容。2.7.3儲(chǔ)能電感的選擇開關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，其飽和壓降可以忽略，則電感感應(yīng)電動(dòng)勢為（11）式（12）式電感電流變化量和負(fù)載電流的變化量相等，為了使電感電流在負(fù)載電流最小時(shí)，仍保持連續(xù)，取，為負(fù)載最小電流。代入式（11）得，根據(jù)，則電感的計(jì)算為（13）式負(fù)載電流最小值為0.5安，代入公式，算得電感量為76.8,取電感量為100，電感量越大，儲(chǔ)能就越大，因?yàn)槭窃诟哳l下工作，電感選用磁鐵心電感，為防止電感飽和，選擇飽和電流為2A。2.7.4續(xù)流二極管的選擇根據(jù)變換器的工作原理，開關(guān)截止時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感的磁能轉(zhuǎn)換為電能，二極管起到續(xù)流的作用，二極管正向額定電流須大于負(fù)載電流，其耐壓值必須大于輸入電壓，同時(shí)為了使二極管的截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換時(shí)間盡量的短，選擇超快恢復(fù)二極管，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，選擇電流大于耐壓大于30的肖特基二極管。3硬件電路設(shè)計(jì)3.1電源電路設(shè)計(jì)開關(guān)電源設(shè)計(jì)包括輸入整流濾波電路、開關(guān)變換電路、輸出整流濾波電路、采樣電路，保護(hù)電路。3.1.1整流濾波電路市電經(jīng)過變壓器降壓后，變?yōu)?2v，對該電壓整流后一部分電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓，另外將其通過7805得到5v的電壓，給開關(guān)電源控制電路部分的單片機(jī)提供工作電源。電路中采用發(fā)光二極管作為電源指示燈，交流220v降壓后經(jīng)過整流橋整流輸出直流電壓作為開關(guān)變換電路的輸入電壓，7805穩(wěn)壓輸出5v給單片機(jī)提供電源。圖3.1整流濾波電路3.1.2開關(guān)變換電路功率開關(guān)管采用達(dá)林頓管，由于它采用兩個(gè)三極管進(jìn)行級聯(lián)，其放大倍數(shù)是兩個(gè)管子放大倍數(shù)的乘積，因而具有很高的放大倍數(shù)，通過級聯(lián)，可獲取大的電流輸出，對于提高電源的輸出功率，有一定的作用。該開關(guān)管選擇為PNP型，當(dāng)控制脈沖的低電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通，電感存儲(chǔ)能量，開關(guān)把電路的輸入電壓變成高頻脈沖，當(dāng)控制脈沖為高電平時(shí)，開關(guān)截止，電感把所存儲(chǔ)的能量釋放給負(fù)載。為了確保電感電流能在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中保持連續(xù)，選用肖特基二極管作為續(xù)流二極管選用，這種二極管具有較快的導(dǎo)通截止恢復(fù)時(shí)間，在開關(guān)導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，能夠很快的由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通，所以能夠確保電感電流連續(xù)。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質(zhì)電容，另外，可以通過并聯(lián)兩個(gè)電容來獲得低的等效串聯(lián)電阻，假設(shè)輸出濾波電容選擇為470UF，則可以取大于該數(shù)值一半多的電容量的電容來并聯(lián)，例如，可以取兩個(gè)250UF的電容，來并聯(lián)。圖3.2開關(guān)電路與輸出整流濾波電路3.1.3分壓電阻的計(jì)算開關(guān)控制電路是根據(jù)輸出的變化對開關(guān)電路進(jìn)行控制的，因此需要設(shè)計(jì)分壓器，通過反饋可以使輸出電壓保持穩(wěn)定。反饋分壓電阻的確定：設(shè)檢測電流為1mA，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為5v，輸出電壓12v，分壓器的下臂電阻這樣計(jì)算：R2=5v/0.001A=5千歐姆，考慮到電阻有一定的誤差，假設(shè)電阻為1%的誤差，即5千歐姆的電阻，其電阻值為4.99千歐姆，則實(shí)際的檢測電流就可以計(jì)算出來：Is=5v/4.99k=1.002mA,這樣分壓器上臂電阻為：R1=（12-5）/1.002mA=6.99k。這樣分壓器設(shè)計(jì)完成，在這里選用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832來采集電壓，并反饋到單片機(jī)，該轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓和它的電壓一樣，均為正5伏。3.1.4保護(hù)電路如圖3.3所示，在實(shí)際應(yīng)用中常常會(huì)出現(xiàn)因?yàn)橐粫r(shí)疏忽或誤操作而導(dǎo)致的燒壞芯片情況，因此設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)秀的產(chǎn)品，應(yīng)該具有良好的保護(hù)功能，過壓保護(hù)是一個(gè)很好的選擇，在這次設(shè)計(jì)中，考慮到成本問題，采用過電流保護(hù)。其原工作理為：在電源輸出端，設(shè)置負(fù)載電流檢測電阻R0，通過R0將負(fù)載電流Io變成過流檢測電壓,三極管作為過流控制管，當(dāng)開關(guān)電源負(fù)載電流時(shí)，過流控制三極管導(dǎo)通，電源輸出電壓由過流控制管集電極輸出，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，將開關(guān)電源負(fù)載短路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。該電路有自鎖功能，一旦負(fù)載電流增大的持續(xù)時(shí)間超過C1的充電時(shí)間，電路觸發(fā)后，即使負(fù)載電流恢復(fù)正常，也不能解除保護(hù)狀態(tài)，必須關(guān)斷電源，排除過流因素，晶閘管才能復(fù)位。電路中Ro阻值的選擇根據(jù)負(fù)載電流保護(hù)閾值而定，一般Ro取電阻值極小，在開關(guān)電源正常負(fù)載電流時(shí)其壓降不足0.3v。R1和C1構(gòu)成保護(hù)啟動(dòng)延時(shí)電路，以免開機(jī)瞬間負(fù)載電流沖擊造成誤動(dòng)作。下圖中，電感和輸出端電容之間的部分是保護(hù)電路。圖3.3過流保護(hù)電路3.2控制電路設(shè)計(jì)控制電路采用89c51，該芯片有32個(gè)可編程的I/O口，在此介紹需要用到的單片機(jī)管腳功能。RST：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不用訪問外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對外輸出時(shí)鐘或定時(shí)目的。需要注意的是：每當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。EA/VPP：外部訪問允許。當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，EA必須保持低電平。訪問內(nèi)部存儲(chǔ)器時(shí)，EA端接高電平。振蕩電路本次設(shè)計(jì)采用的是石英振蕩電路，外接電容C1、C2的容量的大小的取值會(huì)影響振蕩頻率的高低、振蕩器的工作穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用陶瓷振蕩器，應(yīng)選擇容量為30—50PF，對于石英晶體，選擇20—40PF，這里我們選擇電容為22PF，晶振為24M赫茲。復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路有上電復(fù)位，按扭脈沖復(fù)位，按扭電平復(fù)位。上電復(fù)位是利用器充電實(shí)現(xiàn)。電阻取1k，電容取22uf。本次設(shè)計(jì)在調(diào)試過程中使用的是89S51，該單片機(jī)與MCS51系列完全兼容，工作頻率0到33M赫茲，支持系統(tǒng)編程，只需要從電腦引出幾根線即可。該燒寫器電路及用戶界面，均可以從網(wǎng)上獲取。3.2.1反饋電路設(shè)計(jì)反饋電路使用ADC0832采樣輸出電壓，該器件只能轉(zhuǎn)換0到5伏的電壓，超過了會(huì)燒毀芯片，當(dāng)要采集大的電壓時(shí)，可以通過電阻分壓再采樣，在程序中再乘以一個(gè)分壓系數(shù)，以代表輸出電壓值。圖3.4ADC0832管腳圖串行接口8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832具有串行輸入輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片，與單片機(jī)的接口僅用幾根通用I/O，所以接線簡單而得到越來越多的應(yīng)用，8051單片機(jī)由于位操作功能比較強(qiáng)，便于軟件實(shí)現(xiàn)串行A/D轉(zhuǎn)換芯片接口程序，大大簡化電路設(shè)計(jì)提高可靠性。ADC0832是串行接口8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換芯片，單5V供電且兼作基準(zhǔn)電壓，當(dāng)CLK=500KHz時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為16μS，具有2路單端或1路差分輸入。其管腳排列如圖所示。CS為片選信號(hào)輸入端，低電平有效，高電平模數(shù)轉(zhuǎn)換停止。每次模數(shù)轉(zhuǎn)換，CS必須由高變低，然后輸入控制字信息。CH0為模擬量輸入通道0；CH1為模擬量輸入通道1；DI為數(shù)據(jù)信號(hào)串行輸入端；DO為數(shù)據(jù)信號(hào)串行輸出端；CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。數(shù)據(jù)在CLK的上升沿移入，在CLK的下降沿移出；GND為接地端，VCC接+5精密電源，同時(shí)也作為轉(zhuǎn)換的參考電壓?？刂谱指袷綖椋篋0為工作方式選擇位，D0=1；D1為工作方式選擇位，D1=0，選擇差分輸入方式，D1=1，選擇單端輸入方式；D2為通道選擇位，差分輸入方式時(shí)，D2=0，選擇CH0-CH1；D2=1，選擇CH1-CH0。圖3.5ADC0832與單片機(jī)的接口電路其中2K電阻是為了保護(hù)芯片而設(shè)置的，當(dāng)電壓突然增大幅度不是很大時(shí)，能起到保護(hù)作用。單片機(jī)的P1.0用于輸出PWM控制脈沖，P1.1用于作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘，P1.2用于讀入數(shù)據(jù)，P1.3作為片選端，低電平有效。3.2.2四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中采用4位數(shù)碼管顯示，動(dòng)態(tài)掃描，軟件譯碼實(shí)現(xiàn)預(yù)置電壓、輸出電壓以及PID參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。LED數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩類。共陰極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極共地，某個(gè)發(fā)光二極管的陽極電壓為高電平時(shí)，二極管發(fā)光：而此陽極LED數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽極共接，當(dāng)某個(gè)二極管的陰極電壓為低電平時(shí)，二極管發(fā)光。圖3.6四位數(shù)碼顯示電路圖3.6是一個(gè)4位動(dòng)態(tài)LED顯示電路：4位動(dòng)態(tài)LED顯示電路的段選由單片機(jī)的P0口來完成，位選則由單片機(jī)的P2口的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4來完成。由于所有位的段選碼用同一個(gè)I／o口控制，因此，要顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即每—時(shí)刻，只選通一個(gè)顯示位，同時(shí)段選控制I／o口輸出顯示字符對應(yīng)的段選碼，使該位顯示相應(yīng)字符，顯示一定時(shí)間后，再選通下一顯示位。如此循環(huán)，且每個(gè)顯示器件顯示該位應(yīng)顯示的字符。通過程序控制，不斷循環(huán)輸出相應(yīng)地段選碼和位選碼，由于人的視覺暫留效應(yīng)，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。本次設(shè)計(jì)使用的是共陽型數(shù)碼管，測試管腳資料時(shí)，為避免電壓過大測試時(shí)，燒毀數(shù)碼管，使用穩(wěn)壓電源提供3v電壓，進(jìn)行測試，。經(jīng)測試得該數(shù)碼管的管腳資料為：1-E、2-D、3-DP（小數(shù)點(diǎn)）、4-C、5-G、6-第4個(gè)數(shù)碼管的COM、7-B、8-第3位數(shù)碼管的COM、9-第2位數(shù)碼管的COM、10-F、11-A、12-第1位數(shù)碼管的COM。3.2.3單片機(jī)與鍵盤接口電路設(shè)計(jì)本文鍵盤采用8個(gè)按鍵，由軟件定義功能，行鍵盤與單片機(jī)的P2.3、P2.2相連，列鍵盤與單片機(jī)的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4相連。鍵盤設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問題鍵盤是若干按鍵的集合,是向系統(tǒng)提供操作人員干預(yù)命令的接口設(shè)備.鍵可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型.前者能自動(dòng)識(shí)別按下的鍵并產(chǎn)生相應(yīng)代碼,以并行或串行方式送給CPU。它使用方便,接口簡單,響應(yīng)速度快,但價(jià)格高.后者則通過軟件來確定按鍵并計(jì)算鍵值.這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快,但它價(jià)格便宜,組態(tài)靈活,因此得到廣泛的應(yīng)用.鍵盤是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中一個(gè)很重要的組成部分,設(shè)計(jì)時(shí)必須解決下述一些問題。1.按鍵的確認(rèn)鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開關(guān)的集合,其每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開關(guān)量輸入裝置.鍵的閉合與否,取決于彈性開關(guān)的合,斷兩個(gè)狀態(tài),反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平,若高電平表示斷開,則低電平表明鍵閉合.所以,通過電平狀態(tài)(高或低)的檢測,便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下.鍵盤中有無按鍵按下是通過列選線讀入掃描字及行線讀入行選線的狀態(tài)進(jìn)行判斷的。判斷的過程是：將列選線的所有I/O線均置成低電平，然后將行線的狀態(tài)讀入累加器中。如果有鍵按下，則至少會(huì)有一根行線被拉至低電平，從而使行輸入不全為1。判斷按下的是哪一個(gè)鍵的方法是：將列選線依次置為低電平，然后檢查所有行線狀態(tài)，如果不全為1，則按下的鍵在這一列，而且是在與低電平行線相交交點(diǎn)上的那個(gè)鍵；如果全為1，則按下的鍵不在此列。因?yàn)殒I盤在按下過程中會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，單片機(jī)可能錯(cuò)誤地認(rèn)為是按下幾次，這樣會(huì)造成誤操作，因此在鍵盤處理程序中要加延時(shí)去抖動(dòng)程序。2.鍵盤抖動(dòng)的防止由于鍵盤本身的構(gòu)造或者不規(guī)范的操作都會(huì)導(dǎo)致鍵盤抖動(dòng)，鍵盤抖動(dòng)會(huì)影響數(shù)值的正確輸入，造成錯(cuò)誤的操作，要防止。4軟件設(shè)計(jì)4.1總體編程思想單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路：系統(tǒng)掃描鍵盤輸入，當(dāng)鍵盤有輸入，系統(tǒng)立即會(huì)做出響應(yīng)，根據(jù)采樣電壓與鍵盤輸入之間的差值，更新脈寬，輸出用戶期望的電壓，隨后系統(tǒng)仍掃描鍵盤，當(dāng)沒有再次輸入時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用PID控制算法，控制輸出電壓穩(wěn)定。電源額定電壓為12v，初始化把設(shè)定值設(shè)為12.00v，系統(tǒng)掃描鍵盤時(shí)，若與該電壓相等，系統(tǒng)調(diào)用PID算法，在系統(tǒng)每次調(diào)用PID控制算法前，若有鍵盤輸入，系統(tǒng)優(yōu)先響應(yīng)鍵盤輸入，更新脈寬。軟件子程序包括：（1）鍵盤和數(shù)碼管掃描子程序，（2）ADC0832轉(zhuǎn)換子程序，（3）定時(shí)器0中斷產(chǎn)生方波子程序，（4）PID控制子程序，（5）定時(shí)器1中斷修改占空比、進(jìn)行PID控制、數(shù)碼顯示子程序。4.1.1鍵盤防抖動(dòng)子程序按鍵操作過程中,往往無意中同時(shí)或先后按下兩個(gè)以上的鍵或者連擊,發(fā)出錯(cuò)誤的指令，為了防止這種情況，在程序中進(jìn)行兩次判斷，以確認(rèn)按鍵。即先判斷當(dāng)前是否有鍵按下，有鍵按下，延時(shí)，再次判斷是否仍有鍵按下，若仍有鍵按下，確認(rèn)按鍵，進(jìn)行鍵盤處理。任務(wù)要求有電壓預(yù)置功能，在程序中將八個(gè)按鍵分別定義為：加1，加10，加100，向上切換鍵，減1，減10，減100，向下切換鍵。滿足電壓預(yù)置要求，通過切換可以顯示當(dāng)前預(yù)置電壓值，輸出電壓值，PID控制增量以及PID控制的比例、積分、微分三個(gè)參數(shù)。程序開始是否有鍵入程序開始是否有鍵入延時(shí)是否仍有鍵入確認(rèn)按鍵，進(jìn)行鍵盤處理程序結(jié)束圖4.1鍵盤防抖動(dòng)流程圖4.1.2數(shù)碼顯示子程序?yàn)榱耸沟每刂凭冗_(dá)到0.01，采用4位數(shù)碼管，可以顯示到小數(shù)點(diǎn)后兩位，通過鍵盤，每次增加步長0.01，實(shí)現(xiàn)較為精確的控制效果。軟件設(shè)定4個(gè)顯示緩沖區(qū)，存儲(chǔ)個(gè)位，十位，小數(shù)點(diǎn)后1位，小數(shù)點(diǎn)后2位。入口讀取有顯示的值入口讀取有顯示的值查表讀取段碼送段碼，并掃描P2掃描完否返回圖4.2顯示子程序流程圖4.1.3采樣子程序由于ADC0832只能采樣0-5V的電壓，超過會(huì)損壞芯片，在輸出端，通過電阻分壓，使得采樣的電壓總是小于5V，為了顯示輸出電壓值，在程序中采樣的電壓乘以一個(gè)分壓系數(shù)后在進(jìn)行顯示，這樣顯示值代表輸出電壓，同時(shí)也保護(hù)了芯片。轉(zhuǎn)換程序入口片選CS=0，選擇通道在第4個(gè)時(shí)鐘CLK下降沿到來之前，采樣數(shù)據(jù)下降沿到來讀取數(shù)據(jù)返回采滿8位？轉(zhuǎn)換程序入口片選CS=0，選擇通道在第4個(gè)時(shí)鐘CLK下降沿到來之前，采樣數(shù)據(jù)下降沿到來讀取數(shù)據(jù)返回采滿8位？圖4.3AD轉(zhuǎn)化流程圖4.1.4中斷處理程序設(shè)計(jì)89C51系列單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)器和，分別由和兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器構(gòu)成。T0和T1的定時(shí)功能是通過對單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)脈沖的計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槊總€(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，因此根據(jù)單片機(jī)的晶振頻率就可以計(jì)算出定時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率。這樣如果確定了計(jì)數(shù)值，就能計(jì)算出定時(shí)時(shí)間，而知道了定時(shí)時(shí)間也可計(jì)算出計(jì)數(shù)器的預(yù)置值。定時(shí)器控制寄存器(TCON)和工作方式控制寄存器(TMOD)分別控制定時(shí)控制定時(shí)器的運(yùn)行和工作方式。計(jì)算預(yù)置計(jì)數(shù)值在工作方式1的定時(shí)時(shí)間計(jì)算公式為定時(shí)時(shí)間＝(65536—計(jì)數(shù)初值)×機(jī)器周期為獲取高的處理速度，采用24MHz晶振，一個(gè)機(jī)器周期為0.5us。設(shè)計(jì)數(shù)初值為x，則有：TS=(65536—x)×0.5us現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率很高，可以達(dá)到300千赫茲，本次設(shè)計(jì)開關(guān)電源的工作頻率為25千赫茲，那么控制脈沖的頻率就是25千赫茲，周期為40us，定時(shí)時(shí)間為周期的一半，即20us，則計(jì)數(shù)初值為65536-20x2。#definetim065536-40tim0(){TH0=tim0>>8;TL0=tim0;PWM=~PWM}4.1.5PID控制算法設(shè)計(jì)原理：采用單片機(jī)作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，它是由89C51單片機(jī)系統(tǒng)通過A/D電路采集過程變量V，并根據(jù)有關(guān)的算法控制變量u，通過輸出PWM控制脈沖到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過程變量穩(wěn)定在設(shè)定的值上。PID調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式：近似計(jì)算。其中：為PID參數(shù)，y0為本次采樣值，y1為上次采樣值，y2為上兩次采樣值。，r為設(shè)定值，u為控制量的增量。AD轉(zhuǎn)換采樣的電壓轉(zhuǎn)換為0到255之間的數(shù)字量，設(shè)定的值要轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字量，本電源在3到12伏可調(diào)，那么需要把0到12伏轉(zhuǎn)換為0到255的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換公式為12*255/12=255，即255對應(yīng)12V，經(jīng)轉(zhuǎn)換以后就可以相互比較。開關(guān)調(diào)整電路開關(guān)調(diào)整電路89C51單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器圖4.4單片機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖4.1.6數(shù)字濾波數(shù)字濾波就是把n組采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次有效的采樣信號(hào)，即：yn=1/ne（j）數(shù)字濾波適用于有隨機(jī)干擾的信號(hào)的濾波，適合于信號(hào)本身在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)的情況。由于隨機(jī)干擾信號(hào)在很多情況下可近似認(rèn)為是統(tǒng)計(jì)平均值為零的白噪聲，因此采用求平均值的方法可以消除隨機(jī)干擾，實(shí)現(xiàn)對采樣信號(hào)的平滑加工。但數(shù)字濾波可提高平滑度，但系統(tǒng)的靈敏度隨之降低。采樣次數(shù)n的取值隨被控對象的不同而不同。對于PID差值，同樣是采用取平均值的方式處理。本采樣程序中，數(shù)字濾波算法為：n++;//采樣次數(shù)值=ADC0832();//采樣值 ;//采樣值相加if(n>19){n=0;[0]=s/20;//求平均值s=0;}PID差值的濾波u0=(u0*3+u)/4;//u控制增量，假設(shè)當(dāng)前控制增量為u0，則取4次平均值5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件模塊調(diào)試5.1.1整流濾波電路的調(diào)試這一部分可以在面包板上模擬，將電路連接后，接通電源，先測量變壓器的輸出，由交流檔位所測得的電壓為12.96v，再測量整流輸出的電壓，需要注意將整流橋正確的連接，否則會(huì)導(dǎo)致整流輸出電壓不正確，甚至燒壞穩(wěn)壓塊。檢查沒有錯(cuò)誤后，再測量整流輸出電壓為14.9v，和理論值相近，同時(shí)所測量穩(wěn)壓塊輸出為5.10v，電路正常工作，可以給單片機(jī)供電。5.1.2AD轉(zhuǎn)換的調(diào)試通過穩(wěn)壓電源給轉(zhuǎn)換器一個(gè)5伏電壓，改變電壓，觀察數(shù)碼管所顯示數(shù)值可以跟隨電壓變化而變化，用萬用表測量電壓，和顯示值相比較也相近，可見模數(shù)轉(zhuǎn)換是正常工作的。5.1.3脈沖輸出電路的調(diào)試控制脈沖是直接輸入到開關(guān)管的基極的，在制板之前，用面包板模擬脈沖信號(hào)是否可以直接控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，若使用開關(guān)管發(fā)射極輸出型變換電路，在發(fā)射極所輸出的脈沖信號(hào)，幅度會(huì)很小，效果不好，通常采用集電極輸出型開關(guān)電路。將電路連接好，用示波器觀察基極輸入信號(hào)和集電極的輸出信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)，輸入信號(hào)幅度較小，但是經(jīng)過開關(guān)后，在集電極的輸出信號(hào)，幅度明顯被放大，效果比較好，說明控制脈沖可以直接控制開關(guān)電路，信號(hào)穩(wěn)定。5.1.4功率開關(guān)管的調(diào)試將已經(jīng)制作好的電路板放置好，避免和導(dǎo)電物體接觸造成短路，然后，將控制信號(hào)輸入功率開關(guān)管基極，用示波器觀察，通過按鍵從鍵盤輸入不同的預(yù)置電壓，使用示波器另一通道觀察開關(guān)管集電極輸出信號(hào)，觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍵盤輸入不同的電壓時(shí)，輸入輸出的波形均發(fā)生變化，當(dāng)預(yù)置電壓從12v變小時(shí)，控制脈沖的占空比也相應(yīng)的變小，當(dāng)預(yù)置電壓從小變大時(shí)，脈沖信號(hào)的占空比又相應(yīng)的增大，可見鍵盤能夠控制系統(tǒng)更新脈寬，并能夠控制開關(guān)管工作，這部分調(diào)試完畢。5.2電源性能指標(biāo)的測試開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)有通用事項(xiàng)、包括電源名稱、適用規(guī)格等，首先是安全規(guī)格，有關(guān)開關(guān)電源都有相應(yīng)的安全規(guī)格，例如，國際規(guī)格為IEC950、IEC65；亞洲為電氣用品管理法（日本）；歐洲統(tǒng)一規(guī)格為EN60-950、EN60065，其中北歐的VDE（德國），BSI（英國），SEV（瑞士）。有關(guān)EMI的規(guī)格，日本為VCCI1類，2類；美國為FCCP15JA類，B類；德國為VDEO871A類，B類；國際上為CISPRPub11、Pub12。電氣技術(shù)指標(biāo)有輸入與輸出條件附屬功能等。機(jī)械結(jié)構(gòu)為外形、安裝和冷卻條件等。環(huán)境條件有溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊等。其它條件有噪聲規(guī)定、可靠性等。5.2.1開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)（1）輸入技術(shù)指標(biāo)作為開關(guān)電源的輸入技術(shù)指標(biāo)有輸入電源相數(shù)、額定輸入電壓及電壓的變化范圍、頻率、輸入電流一般為單相2線制和3相3線制，還有單相3線制及3相4線制等。輸入電源的額定電壓因各國或地區(qū)不同而異，例如，美國規(guī)定的交流輸入電源電壓為120V，歐洲為220到240V，日本為100V及200V，我國為220V及380V。輸入電壓的變化范圍一般為±10%，加上配線路徑及各國的具體情況，輸入電壓的變化范圍多為-15%到+10%。工作頻率為50Hz或60Hz，在頻率變化范圍不影響開關(guān)電源的特性時(shí)多半為48到63Hz。開關(guān)電源最大輸入電流是表示輸入電壓為下限值時(shí)，輸出電壓及電流為上限值時(shí)的輸入電流。額定輸入電流是在輸入電壓及輸出電壓、電流為額定時(shí)的電流。開關(guān)電流的平波輸入方式是電容輸入方式，有較大的峰值電流，要有考慮電流的波峰系數(shù)以及功率因數(shù)的規(guī)定。（2）輸出技術(shù)指標(biāo)輸出端的直流電壓的公稱值稱為額定輸出電壓，對于其公稱電壓規(guī)定有精度與紋波系數(shù)等。額定輸出電流是指輸出端供給負(fù)載的最大平均電流。根據(jù)電子設(shè)備的不同，多路輸出電源中某路輸出電流增大，另路輸出電流就得減小，保持總的輸出電流不變。穩(wěn)壓精度也稱為輸出電壓精度或電壓調(diào)整率，輸出電壓變動(dòng)有多種原因。輸出電壓可調(diào)范圍是指在保證電壓穩(wěn)定精度條件下，由外部可能調(diào)整的輸出電壓范圍，一般為±5%或±10%。條件是輸入電壓的下限時(shí)輸出電壓的最大值，以及輸入電壓的上限時(shí)輸出電壓的最小值。紋波是與輸出端呈現(xiàn)的輸入頻率及開關(guān)變換頻率同步的分量，用峰-峰值表示，一般為輸出電壓的0.5%以內(nèi)。噪聲是輸出端呈現(xiàn)的除紋波以外頻率的分量，也用峰-峰值表示，一般為輸出電壓的1%，也包括與紋波沒用明確區(qū)分的部分，規(guī)定是紋波與噪聲的合值，多數(shù)場合是規(guī)定紋波噪聲總合的情況，為輸出電壓的2%以內(nèi)。（3）附屬功能①過電流保護(hù)輸出短路或過負(fù)載時(shí)對電源或負(fù)載要進(jìn)行保護(hù)，即為過電流保護(hù)。保護(hù)特性有額定電流下垂特性；恒流特性；恒定功率特性，多數(shù)為下垂特性。過電流的設(shè)定值一般為額定電流的110%到130%。但一般不損壞電源與負(fù)的范圍內(nèi)，特別不規(guī)定短路保護(hù)時(shí)的電流值的情況很多。一般為自動(dòng)恢復(fù)型。開關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)包括：特性指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo)。特性指標(biāo)包括輸出電壓、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出電流、最大輸出電流；質(zhì)量指標(biāo)則包括紋波電壓、輸出電壓調(diào)整率等。5.2.2輸出電壓的測試測試時(shí)，先將負(fù)載電阻RL斷開，用萬用表測量電源的輸出電壓Vo，從鍵盤預(yù)置不同的電壓值，一一測量，并和數(shù)碼管顯示值相比較，若測量結(jié)果顯示，輸出電壓可以跟隨鍵盤輸入的變化而變化，同時(shí)數(shù)碼管顯示值也發(fā)生變化，并且與測量結(jié)果相近，則電路是正常工作的。假如檢查過程中發(fā)現(xiàn)，電路失去了調(diào)節(jié)作用，輸出電壓完全不隨鍵盤輸入變化而變化，則應(yīng)檢查開關(guān)管的各極的電壓是否正常，主要檢查Vbeo、Vceo，分析其是否已經(jīng)工作在開關(guān)狀態(tài)，以找出電源工作不正常的原因。測試電路如圖5.1所示，進(jìn)行輸出電壓和輸出電壓調(diào)節(jié)范圍的測試時(shí)，均采用這個(gè)測試電路。測試步驟：先調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使輸入電源電路的交流輸入電壓為220v，在電源電路的輸出端，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL的阻值（可以取阻值為幾十到幾百歐姆、額定工作電源大于本電源電路最大輸出電流的滑變電阻）使電源的輸出電流為規(guī)定值，在此，取輸出電流為最大輸出電流的1/2，為1A（最大輸出電流為2A，額定電流為1A），則取RL電阻值為12歐姆，觀察電流表讀數(shù)達(dá)到達(dá)1A后，用萬用表測量輸出電壓，測量值為11.96v，在120.5這個(gè)范圍內(nèi)，符合任務(wù)要求指標(biāo)；通過鍵盤改變預(yù)置電壓，使輸出電壓輸出最小值3v，同樣調(diào)節(jié)變阻器使得輸出電流，達(dá)到最小值，再次測量輸出電壓，測電壓為3.1v，在35%的誤差范圍內(nèi)，則所測量的輸出電壓范圍為3.1v—11.96v。其中，Vi為電網(wǎng)輸入電壓，Vs是電路輸入電壓。整流濾波整流整流濾波整流濾波ViVs電流表負(fù)載電壓表5.2.3最大輸出電流的測試測試電路同樣按照圖5.1連接，測試步驟為：調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路輸入電壓為Vmin=220x(1-10%)=198v,從鍵盤預(yù)置最小的電壓，使輸出電壓為最小值，取負(fù)載電阻為1.5歐姆，使得輸出電流達(dá)到最大值2A，測量此時(shí)電壓為3.2v，然后，斷開和接通負(fù)載，分別觀察輸出電壓的變化情況，當(dāng)負(fù)載從斷開到接通時(shí)，測得的輸出電壓沒有明顯的變化，仍為3.3v左右，由此判斷電源可以輸出這樣的最大電流為2A。若在測試中發(fā)現(xiàn)輸出電壓有明顯的變化，則需要適當(dāng)限制輸出電流或者輸出電壓。5.2.4過流保護(hù)的測試測試電路仍采用圖5.1，測試步驟：調(diào)節(jié)交流調(diào)壓器，使電源電路的輸入電壓為220v，使用滑動(dòng)變電阻器，取得適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻值，調(diào)節(jié)變阻器，分別測量輸出電壓為最大值、中間值、最小值三個(gè)點(diǎn)，