開(kāi)關(guān)電源畢業(yè)論文

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p><b>　　課題:開(kāi)關(guān)電源</b></p><p>　　學(xué)生: 系部: 電子信息系</p><p>　　班級(jí): 學(xué)號(hào): </p><p><b>　　

2、指導(dǎo)教師: </b></p><p><b>　　開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電子電力技術(shù)控制功率開(kāi)關(guān)管（MOSFET；三極管）的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的一種新型穩(wěn)壓電源。它是在電子、計(jì)算機(jī)、通信、電氣、航空航天、軍事以及家電等

3、領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一種電力電子裝置。具有電能轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、控制精度高和快速性好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本文中研究的單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源，可以通過(guò)鍵盤預(yù)置期望輸出電壓值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，由軟件控制單片機(jī)輸出相應(yīng)的脈沖寬度，對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行脈寬調(diào)制，輸出預(yù)期的電壓。并采用PID算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構(gòu)成可輸出3v到12v的可調(diào)電壓，并顯示實(shí)時(shí)電壓和預(yù)置值，通過(guò)鍵盤可隨時(shí)修改PID參數(shù)以

4、優(yōu)化控制效果，并該系統(tǒng)可以給芯片提供工作電壓，加以擴(kuò)展可構(gòu)成輸出正負(fù)3到12伏的雙極性電源。</p><p>　　單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源具有設(shè)計(jì)彈性好的優(yōu)點(diǎn)，可以按照設(shè)計(jì)者的思想靈活的工作。目前電子設(shè)備的日益小型化需要供電電源的小型化，這樣制作小型化電源是未來(lái)電源制作的一個(gè)趨勢(shì)，傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源線路一般很復(fù)雜體積也較大，如果使用的單片機(jī)作為控制核心必將可以大大簡(jiǎn)化電源的結(jié)構(gòu)，制作更加小的電源將成為可能，并且使用單片機(jī)可

5、以擴(kuò)展許多功能，如顯示，實(shí)時(shí)控制調(diào)整電壓，可維護(hù)性強(qiáng)，由于目前國(guó)內(nèi)有專門的PWM輸出的單片機(jī)價(jià)格昂貴，普通的單片機(jī)I/O口模擬的脈寬頻率較低，速度較慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代電源要求的工作頻率，所以目前單片機(jī)控制的電源使用并不廣泛，但是單片機(jī)在智能化以及可實(shí)現(xiàn)的用戶友好界面，擴(kuò)展性強(qiáng)等等方面的優(yōu)勢(shì)使其成為未來(lái)電源重要的發(fā)展方向。因此，我們研究單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源，非常有現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；M

6、OSFET；三極管；PID</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 前言1</b></p><p>　　1.1 課題來(lái)源及意義2</p><p>　　1.2 課題基本要求2</p><p>　　1.3 課題相關(guān)背景2<

7、/p><p>　　2 開(kāi)關(guān)電源方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理3</p><p>　　2.2 開(kāi)關(guān)電源與線性電源的比較4</p><p>　　2.3 方案論證4</p><p>　　2.3.1方案14</p><p>　　2.3.2方案25</p>

8、<p>　　2.3.3方案35</p><p>　　2.3.4方案分析5</p><p>　　2.3.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.4 難點(diǎn)分析6</p><p>　　2.4.1如何提高電源工作頻率6</p><p>　　2.4.2儲(chǔ)能電感的繞制7</p><p&

9、gt;　　2.4.3標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù)7</p><p>　　2.5 控制技術(shù)選擇8</p><p>　　2.6 開(kāi)關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇9</p><p>　　2.7 開(kāi)關(guān)電路器件參數(shù)選擇12</p><p>　　2.7.1功率開(kāi)關(guān)管的選擇12</p><p>　　2.7.2 濾波電容的選擇13</p&g

10、t;<p>　　2.7.3儲(chǔ)能電感的選擇13</p><p>　　2.7.4續(xù)流二極管的選擇14</p><p>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1 電源電路設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1.1整流濾波電路14</p><p>　　3.1.2開(kāi)關(guān)變換電路14</p

11、><p>　　3.1.3分壓電阻的計(jì)算15</p><p>　　3.1.4保護(hù)電路15</p><p>　　3.2 控制電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.1反饋電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.2.2四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.2.3單片機(jī)與鍵盤接口電路設(shè)

12、計(jì)19</p><p>　　4 軟件設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 總體編程思想20</p><p>　　4.1.1鍵盤防抖動(dòng)子程序20</p><p>　　4.1.2數(shù)碼顯示子程序21</p><p>　　4.1.3采樣子程序22</p><p>　　4.1.4中斷處理程序

13、設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1.5PID控制算法24</p><p>　　4.1.6數(shù)字濾波24</p><p>　　5 系統(tǒng)調(diào)試25</p><p>　　5.1 硬件模塊調(diào)試25</p><p>　　5.1.1整流濾波電路的調(diào)試25</p><p>　　5.1.2AD轉(zhuǎn)換的

14、調(diào)試25</p><p>　　5.1.3脈沖輸出電路的調(diào)試25</p><p>　　5.1.4功率開(kāi)關(guān)管的調(diào)試26</p><p>　　5.2 電源性能指標(biāo)的測(cè)試26</p><p>　　5.2.1開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)指標(biāo)26</p><p>　　5.2.2輸出電壓的測(cè)試27</p><p&g

15、t;　　5.2.3最大輸出電流的測(cè)試28</p><p>　　5.2.4過(guò)流保護(hù)的測(cè)試28</p><p>　　5.2.5電壓調(diào)整率的測(cè)試28</p><p>　　5.2.6紋波電壓的測(cè)試29</p><p><b>　　6 結(jié)論29</b></p><p><b>　　謝辭

16、29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　附錄31</b></p><p><b>　　1 前言 </b></p><p>　　1.1 課題來(lái)源及意義</p><p>　　電源技術(shù)是一

17、種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。他對(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國(guó)防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵作用。 </p><p>　　----當(dāng)代許多高新技術(shù)

18、均與市電的電壓、電流、頻率、相位、和波形等基本參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供有力的支持。因此，電源技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。</p><p&g

19、t;　　----電源，如今已經(jīng)是非常重要的基礎(chǔ)科技和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到高尖端的科技，都離不開(kāi)電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也正是在這種環(huán)境中不斷的發(fā)展起來(lái)的。</p><p>　　電源的重要性不可否認(rèn)，但是傳統(tǒng)電源存在不足的地方，例如，傳統(tǒng)電源效率不高，線性電源由于功率管是工作在線性放大狀態(tài)，功率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當(dāng)輸出電流越大時(shí)，功耗就越大。通常，線性電源效率只有45%到50%左右，因此提高電源

20、效率是未來(lái)電源設(shè)計(jì)，應(yīng)著重解決的問(wèn)題，而開(kāi)關(guān)電源能夠很好的解決這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)關(guān)電源的功率開(kāi)關(guān)管是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的，也就是，只是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，管子才會(huì)產(chǎn)生損耗，因此開(kāi)關(guān)電源的效率比線性電源要高得多，通?？梢赃_(dá)到80%以上，本設(shè)計(jì)選擇開(kāi)關(guān)電源作為研究對(duì)象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間占空比的關(guān)系，假定輸入基本穩(wěn)定，利用單片機(jī)控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，采樣輸出電壓，使用數(shù)碼管顯示，通過(guò)鍵盤預(yù)置電壓，實(shí)現(xiàn)可調(diào)開(kāi)關(guān)電源的制作

21、。</p><p>　　1.2 課題基本要求</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)、制作開(kāi)關(guān)電源；</p><p>　?。?）使用單片機(jī)構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，通過(guò)鍵盤預(yù)置輸入電壓，可顯示預(yù)置電壓和輸出電壓；</p><p>　?。?）掌握開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法；</p><p>　　（4）掌握單片機(jī)軟件編程方法；</p>

22、;<p>　　（5）掌握PID控制原理；</p><p>　　1.3 課題相關(guān)背景</p><p>　　我國(guó)的三極管直流變換器及開(kāi)關(guān)電源的研制工作開(kāi)始于60年代初期，到了60年代中期進(jìn)入了實(shí)用階段，緊跟著70年代初開(kāi)始研制無(wú)工頻變壓器開(kāi)關(guān)電源。1974年研制成功了工作頻率為10千赫茲、輸出電壓為5v的無(wú)工頻開(kāi)關(guān)電源。近30年來(lái)，許多研究所、工廠及高校已研制出多種型號(hào)的開(kāi)關(guān)電源

23、，并廣泛的應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、家電等許多方面，取得了很好的效果。工作頻率為100千赫茲-200千赫茲的高頻開(kāi)關(guān)電源于80年代初期開(kāi)始研制，90年代初試制成功，目前已經(jīng)是非常成熟的電子產(chǎn)品。按調(diào)制方式劃分可以分為：</p><p>　?。?）脈寬調(diào)制型：振蕩頻率保持不變，通過(guò)改變脈沖的寬度來(lái)改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。通過(guò)采樣電路、耦合電路構(gòu)成閉合回路，來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。縮寫(xiě)為PWM(Pulse Width Mod

24、ulation)。</p><p>　?。?）頻率調(diào)制型：占空比保持不變或關(guān)斷時(shí)間不變，改變振蕩器的頻率來(lái)穩(wěn)定并調(diào)節(jié)輸出電壓幅度?？s寫(xiě)為PFM（Pulse Frequency modulation）。</p><p>　?。?）混合調(diào)制型：通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間的振蕩頻率來(lái)完成穩(wěn)定并輸出電壓幅度。</p><p>　　通常采用的是脈寬調(diào)制型和混合調(diào)制型兩種調(diào)制方式。在脈寬

25、調(diào)制中因?yàn)轭l率不變，所以無(wú)論是對(duì)電路中的磁性元件及晶體管的測(cè)試和設(shè)計(jì)都很方便，而且對(duì)射頻干擾的抑制也變得比較容易。混合調(diào)制則因其線路簡(jiǎn)單，也得到了廣泛的應(yīng)用。相對(duì)而言，頻率調(diào)制較少采用。本文中采用的是脈寬調(diào)制型。</p><p>　　2 開(kāi)關(guān)電源方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 開(kāi)關(guān)電源工作原理</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)方式，即導(dǎo)通和截

26、止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)壓電源，縮寫(xiě)為SPS（Switching Power Supply）。開(kāi)關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變換器。利用直流變換器可以把一種直流電壓變成極性、數(shù)值不同的多種直流電壓。</p><p>　　圖2.1所示電路的工作過(guò)程為：假設(shè)基準(zhǔn)電壓為5v，由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會(huì)減少，此時(shí)，所采樣的電壓將減小，假設(shè)為4.9v，誤差為0.1v，經(jīng)過(guò)比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個(gè)誤差，提高占空

27、比使輸出電壓增大，同理，當(dāng)由于電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出電壓增大時(shí)，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來(lái)控制輸出電壓的穩(wěn)定。</p><p>　　圖2.1開(kāi)關(guān)電源原理框圖</p><p>　　按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開(kāi)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(kāi)關(guān)電源是在線性電源的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的，并在很大程度上克服了線性電源的缺

28、陷，但其自身也有一定的不足。</p><p>　　2.2 開(kāi)關(guān)電源與線性電源的比較</p><p>　　2.2.1線性電源的缺點(diǎn)</p><p>　?。?）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。</p><p>　　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)

29、工作過(guò)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。</p><p>　　2.2.2開(kāi)關(guān)

30、電源的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　?。?）功耗小，效率高。圖2.1中，開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。</p><p>　?。?）體積小，重量輕。由于沒(méi)有采用大型的工頻變壓器，并且在開(kāi)關(guān)管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片

31、，因此開(kāi)關(guān)電源的體積和重量都可以得到減小。</p><p>　　（3）穩(wěn)壓范圍寬。開(kāi)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(lái)調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過(guò)變頻或者調(diào)寬來(lái)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。</p><p>　?。?）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(kāi)關(guān)電源

32、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。</p><p><b>　　2.3 方案論證</b></p><p>　　單片機(jī)控制的開(kāi)關(guān)電源，從對(duì)輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。</p><p>&l

33、t;b>　　2.3.1方案1</b></p><p>　　方案1：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)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(guò)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(guò)程為：當(dāng)通過(guò)鍵盤預(yù)置電壓時(shí)，單片機(jī)通過(guò)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(lái)輸出控制脈沖，以輸出期望輸出電壓。</p>

34、<p><b>　　2.3.2方案2</b></p><p>　　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(cè)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(guò)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。</p><p><b>　　2.3.3 方案3</b></p>

35、<p>　　方案3：?jiǎn)纹瑱C(jī)擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換器，不斷檢測(cè)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。</p><p><b>　　2.3.4方案分析</b></p><p>　　方案1分析：?jiǎn)纹瑱C(jī)沒(méi)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

36、，削弱了單片機(jī)的作用，不宜采用。</p><p>　　方案2分析：?jiǎn)纹瑱C(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。</p><p>　　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。</p>&

37、lt;p>　　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。</p><p>　　2.3.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)工作原理圖如圖2.2所示：市電經(jīng)過(guò)整流濾波后，一路電壓經(jīng)過(guò)7805穩(wěn)壓得到一個(gè)+

38、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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲(chǔ)能元件，在功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感儲(chǔ)能，在開(kāi)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(guò)ADC0832送進(jìn)單片

39、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(guò)光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號(hào)控制功率開(kāi)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(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制。 </p><p>　　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

40、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(guò)程。</p><p>　　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?jiǎn)朧f（Vf=V0），用戶設(shè)定電壓為Vs，當(dāng)V0=Vs時(shí)，偏差為0，單

41、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(zhǎng)，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。</p><p>　　圖2.2 單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　2.4 難點(diǎn)分析<

42、;/b></p><p>　　2.4.1如何提高電源工作頻率</p><p><b>　　困難分析：</b></p><p>　　現(xiàn)代開(kāi)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(guò)單片機(jī)定時(shí)輸出40千赫茲的頻率，但是開(kāi)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

43、振，相對(duì)于開(kāi)關(guān)電源需要很快開(kāi)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(guò)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(kāi)關(guān)電源，顯然行不通。</p><p><b>　　解決辦法：</b></p&

44、gt;<p>　　現(xiàn)在的問(wèn)題在于單片機(jī)輸出的脈沖占空比無(wú)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

45、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。</p><p><b>　　算法為：</b></p><p>　　D=100，T=1000；//定義變量，并賦值，占空比為100/1000=10%</p><p>　　VOID tim0 ()//定時(shí)中斷</p><p>　　{

46、P1.0=1;//P1.0輸出高電平</p><p>　　D++;//同時(shí)計(jì)數(shù)</p><p><b>　　T++;</b></p><p>　　If（D==100）{P1.0=0；}//D到預(yù)計(jì)值，輸出低電平</p><p>　　If （T==1000）{P1.0=1；//T到預(yù)計(jì)值，輸出高電平</p>

47、<p>　　D=0；T=0；//清零</p><p><b>　　}</b></p><p>　　只要單片機(jī)時(shí)鐘頻率足夠高，可以輸出任意的頻率。</p><p>　　2.4.2儲(chǔ)能電感的繞制</p><p>　　使用儲(chǔ)能電感目的在于，在功率開(kāi)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(kāi)關(guān)方波脈沖積分成直流電壓

48、。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</p><p>　　式中為估計(jì)最大輸入電壓下，開(kāi)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(kāi)關(guān)周期的30%是比較合適的。</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)求得，取</b></p><p>　　電感的設(shè)計(jì)

49、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</p><p>　　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(duì)照鐵心產(chǎn)品手冊(cè)，選擇大于值的產(chǎn)品，即可查得對(duì)應(yīng)的鐵心截面積，由式確定繞組匝數(shù)。</p><p>　　2.4.3標(biāo)度轉(zhuǎn)換技術(shù)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用了AD

50、C0832，這種芯片只能采樣0到5V的電壓，所采集回來(lái)的電壓對(duì)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(guò)標(biāo)度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以得到同樣的單位量綱。</p><p>　　控制系統(tǒng)檢測(cè)的被控對(duì)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(guò)變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)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

51、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)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的標(biāo)度轉(zhuǎn)換為：</p><p>　　鍵盤輸入為：0到12V；采樣0到5V電

52、壓對(duì)應(yīng)數(shù)字量為0到255 </p><p><b>　　變換程序：</b></p><p>　　r=input*255/12;//input為鍵盤輸入值,r為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量</p><p>　　就是說(shuō)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。</p><p>　　2.5 控制技

53、術(shù)選擇</p><p>　　2.5.1電壓型控制技術(shù)</p><p>　　從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)電源只對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，作為反饋信號(hào)來(lái)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(wèn)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。

54、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。</p><p>　　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。</p><p>　　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(guò)PID算法處理

55、，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(guò)電感的，對(duì)于電壓信號(hào)將有90度的相位延遲，對(duì)于整個(gè)穩(wěn)壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)管的損壞。</p><p>　　2.5.2 電流型控制技術(shù)</p><p>

56、　　針對(duì)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， </p><p>　　電流型開(kāi)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(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，流經(jīng)電阻的電流與流過(guò)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

57、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(kāi)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(kāi)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(duì)于時(shí)鐘脈沖在時(shí)間上提前或滯后，從而改變開(kāi)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。</p><p>　　2.5.3電流控制型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)&

58、lt;/p><p>　　與電壓型控制相比，電流型控制有以下優(yōu)勢(shì)：</p><p>　?。?）對(duì)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(zhǎng)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(kāi)始，控制脈寬發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。對(duì)于電壓型控制，檢測(cè)電路對(duì)輸入電壓的變化沒(méi)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。<

59、/p><p>　?。?）過(guò)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(cè)輸出和開(kāi)關(guān)管電流，自然形成了逐個(gè)電流脈沖檢測(cè)電路，通過(guò)給定一個(gè)參考電流，就可以準(zhǔn)確的限制流過(guò)開(kāi)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。</p><p>　?。?）回路穩(wěn)定性好，負(fù)載響應(yīng)快；&

60、lt;/p><p>　　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。</p><p>　　2.6 開(kāi)關(guān)變換器結(jié)構(gòu)分析與選擇 </p><p>　　開(kāi)關(guān)電源的核心是高頻開(kāi)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

61、根據(jù)反饋電壓控制高頻開(kāi)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(kāi)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。</p><p>　　2.6.1降壓變換電路分析</p><p>　　這種開(kāi)關(guān)型電源是直流供電，經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)電路得到單方向方波，再經(jīng)過(guò)濾波后又得到與輸入電

62、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。</p><p>　　當(dāng)開(kāi)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(kāi)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)?，?gòu)成閉合回路。電容起到平滑輸出的作用。電路中開(kāi)關(guān)管和負(fù)載電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源。</p><p>　　圖2.3 Buck變換器</p&

63、gt;<p>　　當(dāng)開(kāi)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(kāi)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(kāi)始充電，從最低值開(kāi)始上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感上電流處于最大，此后電感上電流開(kāi)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

64、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(kāi)始放電，由最大值逐漸開(kāi)始下降。假設(shè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為,截止時(shí)間為,并且開(kāi)關(guān)管和電感為理想元件，則,其中為開(kāi)關(guān)的脈沖占空比。若開(kāi)關(guān)管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，截止時(shí)間為零，則；若開(kāi)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。</p><p>　　下面具體分析該電路的工作過(guò)程：開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極上的電壓為</p>&l

65、t;p><b>　　(1)式</b></p><p>　　為開(kāi)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(kāi)關(guān)管截止，此時(shí)電感電流最大，電流值為</p><p><b>　?。?）式</b></p><p>　　在這一瞬間，電感儲(chǔ)能為： ，輸入電壓通過(guò)電感對(duì)電容充電，充電的電量為</p&

66、gt;<p><b>　?。?）式</b></p><p>　　在此期間，輸入給電路提供的能量為</p><p><b>　?。?）式</b></p><p>　　（4）式經(jīng)過(guò)變換得：/即是電感中儲(chǔ)存的磁能和電容儲(chǔ)存的電能?？梢?jiàn)，輸入電能完全轉(zhuǎn)換為電路的能量，效率很高，正是開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)所在。</p&g

67、t;<p>　　當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止后，電感電流不能突變，電感產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，使得續(xù)流二極管導(dǎo)通，電感通過(guò)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：</p><p>　　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(guò)下面的式子算出電感電流由最大值減為0的時(shí)間，</p>

68、<p><b>　　(5)式</b></p><p>　　開(kāi)關(guān)管截止期間電容的充電量為</p><p><b>　?。?）式</b></p><p>　　續(xù)流二極管的作用是使電感電流在開(kāi)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(jiàn)，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

69、，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。</p><p>　　根據(jù)能量守恒定理，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能，對(duì)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</p><p><b>　?。?）式</b></p><p>　　代入（4）式得 （8）式</p>

70、<p>　　可見(jiàn)，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(kāi)關(guān)管的工作頻率。</p><p>　　2.6.2升壓型變換電路</p><p>　　升壓式開(kāi)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(kāi)關(guān)管飽和導(dǎo)通時(shí)，電感進(jìn)行儲(chǔ)能。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止，電感中的電能通過(guò)續(xù)流二極管供給負(fù)載，同時(shí)對(duì)電容C充電。當(dāng)負(fù)載電壓下降時(shí)，電容再次

71、放電，這時(shí)可獲得高于輸入的穩(wěn)定電壓。由于開(kāi)關(guān)管和負(fù)載是并聯(lián)的，也稱它為并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源。</p><p>　　2.6.3Buck-Boost型變換器</p><p>　　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(duì)值還要高于輸入電壓的絕對(duì)值，否則將和降壓式開(kāi)關(guān)電源混淆，由此可見(jiàn)，極性變換式開(kāi)關(guān)電源是上述降壓式和升壓式電源的綜合。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加在電感上，產(chǎn)生電流，電感

72、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(shì)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。</p><p>　　這4種開(kāi)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(kāi)關(guān)變換電路，即Buck變換器，通過(guò)調(diào)制輸出占空比為0到90%的一系列脈沖，使電源在要

73、求范圍內(nèi)可調(diào)。</p><p>　　2.7 開(kāi)關(guān)電路器件參數(shù)選擇</p><p>　　2.7.1功率開(kāi)關(guān)管的選擇</p><p>　　開(kāi)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。</p><p>　　首先，開(kāi)關(guān)管的截止時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，假如截止時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)開(kāi)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(lái)時(shí)，會(huì)造成開(kāi)關(guān)

74、管還沒(méi)有完全關(guān)斷，馬上就進(jìn)入下一個(gè)導(dǎo)通周期，這樣開(kāi)關(guān)管幾乎是一直在導(dǎo)通，開(kāi)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。</p><p>　　其次，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和截止的頻率頻繁，導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，意味著開(kāi)關(guān)管有更多的時(shí)間是在放大狀態(tài)下工作（開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后是利用晶體管的放大作用而工作的），這樣開(kāi)關(guān)管的功耗就會(huì)迅速增加，電源的效率將大為下降。</p><

75、p>　　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(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間不宜超過(guò)1.5，截止時(shí)間不宜超過(guò)1。</p><p>　　在開(kāi)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(guò)開(kāi)關(guān)管提供，因此，開(kāi)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：</p><p>　　電感電流的平均值等于負(fù)載電流，則有，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流平均值為，忽略開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通壓降，有，整

76、理方程消去得到</p><p><b>　?。?）式</b></p><p>　　流過(guò)開(kāi)關(guān)管的最大電流應(yīng)等于電感電流的最大值，則</p><p>　　，額定輸出電流為，算出集電極電流小于</p><p>　　在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電源的全部輸入電壓都加在開(kāi)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

77、慮到電網(wǎng)波動(dòng)和開(kāi)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。</p><p>　　輸入電壓為14.4，則開(kāi)關(guān)管耐壓應(yīng)大于2，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，選擇的晶體管型號(hào)為D882，耐壓值40V，集電極電流3A，功率10W。</p><p>　　2.7.2 濾波電容的選擇</p><p>　　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

78、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。</p><p>　　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</p><p&g

79、t;<b>　?。?0）式</b></p><p>　　任務(wù)要求為脈沖頻率為25千赫茲，即周期為</p><p>　　，取電容量為470的鋁電解電容。</p><p>　　2.7.3儲(chǔ)能電感的選擇</p><p>　　開(kāi)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(shì)為</p><p><

80、;b>　?。?1）式</b></p><p><b>　?。?2）式</b></p><p>　　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</p><p>　　，根據(jù) ，則電感的計(jì)算為</p><p><b>　　（

81、13）式</b></p><p>　　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。</p><p>　　2.7.4續(xù)流二極管的選擇</p><p>　　根據(jù)變換器的工作原理，開(kāi)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，

82、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。</p><p><b>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 電源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)包括

83、輸入整流濾波電路、開(kāi)關(guān)變換電路、輸出整流濾波電路、采樣電路，保護(hù)電路。</p><p>　　3.1.1整流濾波電路</p><p>　　市電經(jīng)過(guò)變壓器降壓后，變?yōu)?2v，對(duì)該電壓整流后一部分電壓直接作為開(kāi)關(guān)變換電路的輸入電壓，另外將其通過(guò)7805得到5v的電壓，給開(kāi)關(guān)電源控制電路部分的單片機(jī)提供工作電源。</p><p>　　電路中采用發(fā)光二極管作為電源指示燈，交流

84、220v降壓后經(jīng)過(guò)整流橋整流輸出直流電壓作為開(kāi)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。</p><p>　　圖3.1整流濾波電路</p><p>　　3.1.2開(kāi)關(guān)變換電路</p><p>　　功率開(kāi)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(jí)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(guò)級(jí)聯(lián)，可獲取大的電流輸出，對(duì)于提高電

85、源的輸出功率，有一定的作用。該開(kāi)關(guān)管選擇為PNP型，當(dāng)控制脈沖的低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電感存儲(chǔ)能量，開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)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(kāi)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

86、的優(yōu)質(zhì)電容，另外，可以通過(guò)并聯(lián)兩個(gè)電容來(lái)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(lái)并聯(lián)，例如，可以取兩個(gè)250UF的電容，來(lái)并聯(lián)。</p><p>　　圖3.2 開(kāi)關(guān)電路與輸出整流濾波電路</p><p>　　3.1.3分壓電阻的計(jì)算</p><p>　　開(kāi)關(guān)控制電路是根據(jù)輸出的變化對(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行控制的，因此需要

87、設(shè)計(jì)分壓器，通過(guò)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(cè)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：</p><p>　　R2=5v/0.001A=5千歐姆，</p><p>　　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(cè)電流就可以計(jì)算出來(lái)：</p><p&

88、gt;　　Is=5v/4.99k=1.002mA,</p><p>　　這樣分壓器上臂電阻為：</p><p>　　R1=（12-5）/1.002mA=6.99k。</p><p>　　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(lái)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。</p><p><

89、b>　　3.1.4保護(hù)電路</b></p><p>　　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(guò)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(wèn)題，采用過(guò)電流保護(hù)。</p><p>　　其原工作理為：在電源輸出端，設(shè)置負(fù)載電流檢測(cè)電阻R0，通過(guò)R0將負(fù)載電流Io變成過(guò)流檢測(cè)電壓,三

90、極管作為過(guò)流控制管，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源負(fù)載電流時(shí)，過(guò)流控制三極管導(dǎo)通，電源輸出電壓由過(guò)流控制管集電極輸出，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，將開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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)

91、延時(shí)電路，以免開(kāi)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。</p><p>　　圖3.3 過(guò)流保護(hù)電路</p><p>　　3.2 控制電路設(shè)計(jì) </p><p>　　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。 </p><p>　　RST：復(fù)位輸入，當(dāng)振蕩工作

92、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。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)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(wèn)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(duì)外輸出時(shí)鐘或定時(shí)目的。需要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。</p><p>　　EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。當(dāng)訪問(wèn)外部

93、存儲(chǔ)器時(shí)，EA必須保持低電平。訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器時(shí)，EA端接高電平。</p><p><b>　　振蕩電路</b></p><p>　　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(duì)于石英晶體，選擇20—40PF，這里我們選擇電容為2

94、2PF，晶振為24M赫茲。</p><p><b>　　復(fù)位電路</b></p><p>　　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。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)在調(diào)試過(guò)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

95、腦引出幾根線即可。該燒寫(xiě)器電路及用戶界面，均可以從網(wǎng)上獲取。</p><p>　　3.2.1反饋電路設(shè)計(jì) </p><p>　　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(guò)了會(huì)燒毀芯片，當(dāng)要采集大的電壓時(shí)，可以通過(guò)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。</p><p>　　圖3.4 ADC0832管腳圖</

96、p><p>　　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(jiǎn)單而得到越來(lái)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(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)提高可靠性。</p><p>　　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

97、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。</p><p&

98、gt;　　控制字格式為：D0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。</p><p>　　圖3.5 ADC0832與單片機(jī)的接口電路</p><p>　　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

99、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。</p><p>　　3.2.2四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　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(yáng)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(yáng)

100、極電壓為高電平時(shí)，二極管發(fā)光：而此陽(yáng)極LED數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽(yáng)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。</p><p>　　圖3.6 四位數(shù)碼顯示電路</p><p>　　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(lái)完成，位選則由單片機(jī)的P2口的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4來(lái)完成。由于所有位的段選碼用同一個(gè)I／o口控制，因

101、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(duì)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(guò)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(jué)暫留效應(yīng)，就可以獲得視覺(jué)穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)使用的是共陽(yáng)型數(shù)碼管，測(cè)試管腳資料時(shí)，為避免電壓過(guò)大測(cè)試時(shí)，燒毀

102、數(shù)碼管，使用穩(wěn)壓電源提供3v電壓，進(jìn)行測(cè)試，。經(jīng)測(cè)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。</p><p>　　3.2.3單片機(jī)與鍵盤接口電路設(shè)計(jì) </p><p>　　本文鍵盤采用8個(gè)按鍵，由軟件定義功能，行鍵盤與單片

103、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。</p><p>　　鍵盤設(shè)計(jì)需解決的幾個(gè)問(wèn)題</p><p>　　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(jiǎn)單,響應(yīng)速度快,但價(jià)格高.后者則通過(guò)軟件來(lái)確定按鍵并

104、計(jì)算鍵值.這種方法雖然沒(méi)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.</p><p>　　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(wèn)題。1.按鍵的確認(rèn) </p><p>　　鍵盤實(shí)際上是一組按鍵開(kāi)關(guān)的集合,其每一個(gè)按鍵就是一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入裝置.鍵的閉合與否,取決于彈性開(kāi)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(kāi),則低

105、電平表明鍵閉合.所以,通過(guò)電平狀態(tài)(高或低)的檢測(cè),便可確定相應(yīng)按鍵是否已被按下.鍵盤中有無(wú)按鍵按下是通過(guò)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(guò)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。</p><p>　　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，

106、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(guò)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。</p><p><b>　　2.鍵盤抖動(dòng)的防止</b></p><p>　　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

107、入，造成錯(cuò)誤的操作，要防止。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 總體編程思想</p><p>　　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(méi)有再次輸入時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用PID控制算

108、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。</p><p>　　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

109、示子程序。</p><p>　　4.1.1鍵盤防抖動(dòng)子程序</p><p>　　按鍵操作過(guò)程中,往往無(wú)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。</p><p>　　任務(wù)要求有電壓預(yù)置功能，在程序中

110、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(guò)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)。</p><p>　　圖4.1 鍵盤防抖動(dòng)流程圖</p><p>　　4.1.2數(shù)碼顯示子程序</p><p>　　為了使得控制精度達(dá)到0.01，采用4位數(shù)

111、碼管，可以顯示到小數(shù)點(diǎn)后兩位，通過(guò)鍵盤，每次增加步長(zhǎng)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。 </p><p>　　圖4.2 顯示子程序流程圖</p><p>　　4.1.3采樣子程序</p><p>　　由于ADC0832只能采樣0-5V的電壓，超過(guò)會(huì)損壞芯片，在輸出端，通過(guò)電阻分壓，使得采樣的電壓總是