1、 分类号 TP303 单位代码 11395 密 级 学 号 1105230236 学生毕业设计（论文） 题 目 基于 51单片机的开关稳压电源设计 作 者 杨晓燕 院 (系 ) 能源工程学院 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 杨宏斌 答辩日期 2015 年 5 月 23 日 榆 林 学 院 毕业设计（论文） 诚信责任书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本
2、文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人毕业设计（论文）与资料 若有不实，愿意承担一切相关的法律责任 。 论文作者签名 : 年 月 日 摘 要 I 摘 要 电源在电视、计算机和移动通信终端等电子设备中占有重要位置，它是一切电路能否正常工作的基础。开关稳压电源由于具有体积小、重量轻、效率高、输出稳压范围宽等优势，被应用于各种电子、电器设备领域。 近年来，随着便携式电子产品的迅速增长，与其配套的电源也具有越来越广泛的市场 。由于人们对电子产品的功能及性能的要求不断提高以及对节能环保的重视，高效率及高精度已经成为设计中至关重要的因素，这也是本次设计的主要目的。 本文设计了一
3、个基于 51 单片机的开关稳压电源。以我国市电电压作为输入，经过变压、整流和滤波得到一个直流 15V 电压，然后以 Boost 斩波电路为核心，利用 51 单片机输出 PWM， 通过按键调节 PWM 占空比的大小 ， 使得输出直流电压为 30V 36V 可调，输出最大电流可以达到 2A，电压调整率和负载调整率 较 低 ，输出噪声纹波电压峰 -峰 值较 小 ， DC-DC 变换器的效率能够达到 80%以上。 整个电路 采用多种保护功能来实现系统的可靠性，而且具有输出电压 、 电流的显示功能。 关键词 ： Boost 电路； 51 单片机； PWM； DC-DC 变换器 基于 51 单片机的开关稳
4、压电源 设计 II ABSTRACT III A swiching power supply based on 51 singlechip SCM ABSTRACT Power electronic devices such as televisions, computers and mobile communication terminal occupies an important position, it is the basis of all the circuit works correctly. Switching power supplies due to its small s
5、ize, light weight, high efficiency, wide range of output voltage and other advantages, are applied in various areas of electronic and electrical equipment. Especially in recent years, with the rapid growth of portable, and its supporting power also have an increasingly wide range of markets. Because
6、 of the functional and performance requirements for electronic products continue to improve, as well as on the importance of energy conservation and environmental protection, high efficiency, and high-precision has become essential aspects of design, which is the main purpose of this design. Design
7、based on 51 single chip switching power supply. To China mains voltage as entered, after transformer, and rectifier and filtering get a DC 15V voltage, then to Boost chopped wave circuit for core, using 51 single tablets machine output PWM, through press regulation PWM accounted for empty than of si
8、ze, makes output DC voltage for 30V36V can adjustable, output maximum current reached 2 a, voltage adjustment rate and load adjustment rate as low, output noise lines wave voltage peak-peak as small, DC-DC transform device of efficiency can reached 80% above. And using a variety of protective functi
9、ons to achieve the reliability of the system and the display capabilities of the output voltage and current. Key words: Boost Chopper,51 single chip microcomputer,PWM,DC-DC converter 基 于 51 单片机的开关稳压电源 设计 IV 目 录 V 目 录 摘 要 . I ABSTRACT .III 1 绪论 . 1 1.1 本设计的意义 . 1 1.2 国内外发展研究现状 . 1 1.2.1 国外发展研究现状 . 1
10、1.2.2 国内发展研究现状 . 2 1.3 本设计主要内容 . 2 1.4 本章小结 . 3 2 方案论证与比较 . 5 2.1 主回路拓扑 . 5 2.2 控制方法及实现方案 . 6 2.4 系统的总体框图 . 6 2.5 系统的总体要求 . 7 2.6 本章小结 . 7 3 硬件设计 . 9 3.1 主电路的设计与计算 . 9 3.2 控制电路的分析与计算 . 10 3.3 保护电路的设计 .11 3.4 显示电路的设计 . 12 3.5 效率的分析及计算 . 13 3.6 系统特色 . 14 3.8 本章小结 . 14 4 软件设计 . 15 4.1 软件设计思路 . 15 4.2 P
11、WM 程序 . 16 4.3 按键程序 . 17 4.4 本章小结 . 18 5 系统仿真测试 . 19 5.1 系 统仿真 . 19 5.2 PCB 制作 . 20 5.3 测试仪器 . 20 5.4 测试方法 . 20 目 录 VI 5.5 实际测试数据 . 21 5.6 测试结果分析 . 22 5.6.1 测试数据与设计指标的比较 . 22 5.6.2 产生偏差的原因 . 22 5.6.3 系统改进 . 22 5.7 本章小结 . 23 总结 . 25 参考文献 . 27 致 谢 . 29 附 录 A . 31 附 录 B. 32 附 录 C. 40 榆林学院本科毕业设计（论文） 1 1
12、 绪论 1.1 本设计的意义 在当代技术与经济高速发展的过程中，电力电子技术也在不断创新，而电力电子设备都需要电源供电，其供电方式一般都采用的是开关稳压电源。在开关稳压电源领域，正展开一系列的技术更新， 例如功率因数的校正、高频电源、单片机控制电源、零电压和零电流转换等。这些改进都可以使开关稳压电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其是在新兴的通信领域大有用武之地 1。 1.2 国内外发展研究现状 1.2.1 国外发展研究现状 从 20 世纪 50 年代开始，美国宇航局就以小型化重量轻作为发展的目标，为乘载火箭开发第一个开关电源，通过半个多世纪的发展，开关电源逐渐替代了传统技术制做
13、的相控稳压电 源，并且广泛的应用在电子的整机设备里。 随着集成电路的进展，开关电源就逐渐向集成化方向发展，趋向于小型化与模块化。近 20 多年来，集成开关电源一直沿着两个方向发展 2 。第一是向实现集成化开关电源的控制电路方向发展。国外在 1977 年首先研制成功了脉宽调制控制器的集成电路，美国的 Motorola 公司、 Silicon General 公司以及 Unitrode 公司等先后出现了一系列PWM 芯片。随后，国外又相继研制出开关频率达到 1MHz 的高速 PWM、 PFM 芯片。第二是向中、小功率 的开关电源单片集成化进军。 1994 年，美国电源集成公司在全世界领先研制成功了
14、三端隔离式 PWM 型的单片开关电源，它叫做 AC/DC电源变换器。之后又先后推 出 TOPSwitch、 TOPSwitch-II、 TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、 PeakSwitch、 LinkSwitch 等系列的产品。意 -法半导体公司随后也开发出了 VIPer100、 VIPer100A、 VIPer100B 等中、小型功率单片电源系列的产品，并且得到了广泛的应用。直到现在，单片开关电源已经形成了几十个系列、达到了数百种产品。 自从单片开关电源开发以来，便显示出了强大的生命力，作为一项具有很大的发展前景、颇具影响力的新产品，开关电源在世界上引起了电源界人士的普
15、遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现在己经成为开发中小型功率开关电源、精密开关电源及开关 电源模块的集成电路。 基于 51 单片机的开关稳压电源 设计 2 1.2.2 国内发展研究现状 国内是从 1977 年才开始进入电源的初期发展，起步的比较晚、技术也相对比较落后。现在国内的 DC/DC 模块开关电源市场主要是被国外的品牌所占据，它们覆盖了我国大功率模块电源中的大部分市场和中、 小功率模块电源中的一半市场。但是，随着国内技术的不断进步和生产规模的迅速扩大，国外的中小型功率模块电源正在快速的被国产的 DC/DC 产品所代替。 人们现在使用的开关电源为
16、我们国家节省了许多的铜材、钢材和广阔的占地面积。随着时代的进步，由于开关电源的变换效率有所提高，能耗也就有所减少，进而降低了电源周围环境的温度，改善了广大工作人员的工作环境。在我国，邮电通信部门大部分采用开关电源，而且还推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，电力系统直流操作电源的应用，国家投资 4000 亿元用于城市网、农村网的供电工程的改 变、提高输配电供电质量，它已经开始用开关电源来取代传统的相控电源。我国许多通信公司已相继推出此系列产品，如中兴通讯等。我国目前开关电源自主研发及其生产厂家已达 300 多家，形成规模的就有十多家。国产开关电源已经占据了相当一部分市场，其中一些大公司自
17、主研发的电源一系列产品已经获得广大群众的认同。因此，在电源市场竞争中具有相当大的优势，并有少量的产品已经开始出口。 目前我国市场上的开关电源中，功率管基本都采用双极型的晶体管，其开关频率可达到几十千赫；如果是 MOSFET 管的开关电源，转换频率可达到几百千赫。为了有更 高的开关频率，就得采用高速的开关器件 3 。谐振电路具有兆赫以上开关频率，它可以迅速地提高开关的速度，理论上开关损耗应该为零，噪声也非常小，这是提高开关电源频率的一种方式。 1.3 本设计主要内容 本设计通过变压、整流和滤波得到一个稳定 15V直流电压，然后以 Boost斩波电路为核心，采用 51单片机输出 PWM控制开关管的通断，实现了 DC DC变换。得出适合于设计要求的主电路的结构，并在此基础上设计出具体的驱动电路、控制电路、保护电路。通过按键调节占空比的大小，输出可调电 压 30V 36V，最大输出电流可以达到 2A，电压调整率和负载调整率尽可能低， DC-DC变换器的效率达到 80%以上。采用过流保护、 滤波保护等多种保护功能，保证了系统的可靠性。根据设计要求以及主电路的结构，对电路中各参数进行计算。最后对电路进行仿真测试，并根据不足进行改进。
