1、 本科毕业设计 ( 20 届) 基于单片机控制的开关电源设计 所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 4 摘 要 基于单片机的数控开关电源是利用单片机实现对开关电源的输出电压设定、输出电压步进调整、输出电压和显示等数字控制。 本系统 以 AT80C51为核心,该系统主要由最小单片机系统, PWM信号控制芯片,开关电源升压主回路, A/D以及 D/A组成。 本文介绍了开关电源的实现方法。电路结构简单,方法切实可行。由于运用了单片机技术,这为进一步扩展该电源的功能留有余地。 关键词 :开关电源; PWM控制;数模转换器 5 Abstract Digital
2、control switching power supply use single chip microcomputer achieves the switching power supply output voltage settings, adjust the output voltage step. The system is mainly composed of the smallest SCM system, PWM control chip, the main boost switching power supply circuit, A/D and D/A component.
3、The electric circuit structure is simple The idea of the design is feasible It is possible of further expanding the functions of this power supply through the use of SCM Key words: switching power supply; PWM control; D A conveer 6 目 录 1 引言 . 1 2 绪论 . 2 2.1 什么是开关电源? . 2 2.2 研究背景及意义 . 4 2.3 国内外研究现状 .
4、 5 3 基本芯片介绍 . 6 3.1 课题研究方法 . 6 3.2 芯片的原理及应用 . 6 3.2.1 AT89S51 简介 . 6 3.2.2 ADC083 简介 . 8 3.2.3 UC3842 简介 . 11 4.硬件电路设计 . 12 4.2 整体电路 . 13 4.3 电路组成及分析 . 15 4.3.1 单片机最小系统 . 15 4.3.2 键盘接口电路 . 16 4.3.3 液晶显示电路 . 1 4.3.4 PWM 控制电路 . 2 4.3.5 A/D 转换电路 . 20 4.3.6 串口编程电路 . 21 4.3.7 主电源电路 . 22 5.软件设计 . 23 5.1 程
5、序流程图 . 23 5.3 系统初始化程序: . 27 6.结束语 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 附录 1 主要源程序代码 . 32 1 1 引 言 开关电源是电子技术常用的设备之一广泛的应用于教学、科研等领域传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低干抗大,精度低且体积大、复杂度高瞢通直流稳压电源品种很多但均存在以下问题:输出电压悬通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范圈内改变时 (如 1 02 一 1.03V),困难就较大另外,随着使用时问的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响常常通过硬件对过载进行限流
6、或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高本文设计了一种以单片机 为核心的智能化高精度简易直流电源,克服了传统直流电压源的缺点,具有很高的应用价值。本实验 可以实现以下三个功能: 1.测试输出电流、电压并显示。单片机通过内部自带的 A/D 对输出的电压和电流进行采样,将采集回来的数值在单片机内部进行处理后将数据送往液晶屏进行输出电压、输出电流、输出功率的显示。 2.设定输出电压值。通过键盘设定电压值送给单片机,单片机通过内部自带 D/A 将数字量转换成相应的模拟量送给 UC3843 的电压反馈端,进而控制输出电压达到设定值。 3.当输出电流大于 2.5A 时,单片机就会启动过流保护电路通过 控
7、制输入UC3843 的电压反馈端 的电压值 从而降低输出电流, 并同时产生声光报警信号。 当短路恢复时,单片机的 P0.3 口又会输出低电平,使得电路又恢复正常。 2 2 绪论 2.1 什么是开关电源? 开关 电源又称直流稳压 电源 。它的供电电压大都是交流电压,当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时,稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下,输出电压中交流分量的大小;后者表示输入电压或负载急剧变化时,电 压回到正常值所需时间。 开关 电源分连续导电式与开关式两类。前者由工频变压器把
8、单相或三相交流电压变到适当值,然后经整流、滤波,获得不稳定的直流电源,再经稳压电路得到稳定电压 (或电流 )。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小,但体积大、耗材多,效率低 (常低于 40 60 )。后者以改变调整元件 (或开关 )的通断时间比来调节输出电压,从而达到稳压。这类电源功耗小,效率可达 85左右,但缺点是纹波大、相互干扰大。所以, 80 年代以来发展迅速。从工作方式上可分为: 可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。 斩波型 。输入是不稳定的直流电压,以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流,再经滤波后得到稳定直流电压。 变换器型。不稳定直流电压先 经逆变器 变换成高频交流
9、电,再经变压、整流、滤波后,从所得新的直流输出电压取样,反馈控制逆变器工作频率,达到稳定输出直流电压的目的。 开关电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于电路,教学试验和科学研究等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多但均存在以下问题:输出电压是通过粗调(波段开关 )及细调 (电位器 )来调 节。这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时(如 1.02103V),困难就较大。另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳
10、压精度也不高。 3 目前使用的开关电源大部分是点动的,利用分立器件,体积大,效率低,可靠性差,操作不方便,故障率高。随着电子技术的发展,各种电子,电器设备对电源的性能要求提高,电源不断朝数字化,高效率,模块化和智能化发展。 以单片机系统为核心而设计的新一代 开关电源,它不但电路简单,结构 紧凑,价格低廉,性能优越,而且由于单片机具有计算和控制能力,利用它对数据进行各种计算,从而可排除和减少模拟电路引起的误差,输出电压和限定电流采用键盘输入方式,电源的外表美观,操作使用方便, 克服了传统直流电压源的缺点, 具有较高的使用价值。 单片机对直流稳压电源进行控制,改善了电源的性能,使用方便灵活,且成本
11、较低,同时控制系统在软件上还可进一步改进,以扩展其功能,而并不需要增加硬件开销,从而提高电源的性能价格比。 开关 电源可广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、直流电机、充电设备等 。 4 2.2 研究背景及意义 开关电源是电子技术常用的设备之一 ,广泛的应用于教学、科研等领域。传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。普通直流稳压电源品种很多 , 但均存在以下二个问题 : 1) 输出电压是通过粗调 (波段开关 ) 及细调 (电位器 )来调节。这样 , 当输出电压需要精确输出 , 或需要在一个小范围内改变时 (如 1. 05 1
12、. 07V ) ,困难就较大。另外 , 随着使用时间的增加 , 波段开关及电位器难免接触不良 , 对输出会有影响。 2) 稳压方式均是 采用串联型稳压电路 , 对过载进行限流或截流型保护 , 电路构成复杂 ,稳压精度也不高。 在家用电器和其他各类电子设备中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。但在实际生活中,都是由 220V 的交流电网供电。这就需要通过变压、整流、滤波、稳压电路将交流电转换成稳定的直流电。滤波器用于滤去整流输出电压中的纹波,一般传统电路由滤波扼流圈和电容器组成,若由晶体管滤波器来替代,则可缩小直流电源的体积,减轻其重量,且晶体管滤波直流电源不需直流稳压器就能用作家用电器的电源,
13、这既降低了家用电器的成本,又缩小了其体积,使家用电器小型 化。 传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节 ,并由电压表指示电压值的大小 . 因此 ,电压的调整精度不高 ,读数欠直观 ,电位器也易磨损 .而基于单片机控制的直流稳压电源能较好地解决以上传统稳压电源的不足。 随着科学技术的不断发展 ,特别是计算机技术的突飞猛进 ,现代工业应用的工控产品均需要有低纹波、宽调整范围的高压电源 ,特别是在一些高能物理领域 ,急需电脑或单片机控制的低纹波、宽调整范围的电源。 5 2.3 国内外研究现状 从上世纪九十年代末起,随着对系统更高效率和更低功耗的需求,电信与数据通讯设备的技 术更新
14、推动电源行业中直流 /直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在 80 年代的第一代分布式供电系统开始转向到 20 世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构,直流 /直流电源行业正面临着新的挑战,即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。 早在 90 年代中,半导体生产商们就开发出了数控电源管理技术,而在当时,这种方案的性价比与当时广泛使用的模拟控制方案相比处与劣势,因而无法被广泛采用。 由于板载电源管理的更广泛应用和行业能源节约和运行最优化的关注,电源行业和半导体生产商们便开始共同开发这 种名为“数控电源”的新产品。 现今随着直流电源技术的飞跃发展 , 整流系统由以前
15、的分立元件和集成电路控制发展为微机控制 , 从而使直流电源智能化 , 具有遥测、遥信、遥控的三遥功能 , 基本实现了直流电源的无人值守。6 3 基本芯片介绍 3.1 课题研究方法 开关电源是最常用的仪器设备 , 在科研及实验中都是必不可少的。针对以上问题 , 我们设计了一套以单片机为核心的智能化直流电源。该电源采用薄膜轻触键盘 , 可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置 , 输出由单片机通过 D/A , 控制驱动模块输出一个稳定电压 。工作过程中 , 稳压电源的工作状态 (输出电压、电流等各种工作状态 ) 均由单片机输出驱动 LCD 显示 ,多种显示模式间 , 由键盘控制进行动态逻辑切换。 3.2 芯片的原理及应用 3.2.1 AT89S51 简介 AT89S51 是一个低功耗,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000次的 Flash只读程序存储器,器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构,芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元, AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。