基于单片机开关电源设计

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1、 1 / 41 目 录 引言.1 1 概述.1 1.1 课题来源及意义.1 1.2 课题基本要求.2 1.3 相关背景介绍.2 2 基于单片机的数控直流电源方案设计2 2.1 方案设计3 2.1.1 方案 1：开关稳压电源 .3 2.1.2 方案 2：线性稳压电源 .4 2.2 方案论证5 2.2.1 方案一分析 .5 2.2.2 方案二分析 .5 3硬件电路设计5 3.1 主电源电路设计.6 3.1.1 变压器的选择.6 3.1.2 整流滤波电路.7 3.1.3 稳压调压电路.8 3.1.4 扩流电路8 3.2 副电源电路设计.9 3.3 控制部分电路设计 .10 3.3.1 A/D 及 D

2、/A 转换电路.11 3.3.2 校正部分电路.14 3.3.3 键盘及数码管显示电路.15 4 软件设计17 4.1 软件介绍17 4.1.1 Protel 99 SE.18 4.1.2 Keil uVision2.18 4.2 编程思想19 4.2.1 键盘和数码管扫描子程序.19 4.2.2 ADC0809 转换子程序.20 4.2.3 DAC0832 转换子程序.21 4.2.4 中断定时处理程序设计 21 4.2.5 数码显示子程序 22 2 / 41 4.2.6 温度传感器的电压校正.22 5 系统调试22 5.1 硬件模块调试.22 5.1.1 电源部分技术指标测试.22 5.1

3、.2 电源输出电压、电流范围测试.24 5.1.3 硬件模块调试小结25 5.2 软件模块调试.25 5.2.1 键盘按键控制及数码管显示 .25 5.2.3 数字温度传感器 DS1820 的电压校正.28 5.2.4 软件模块调试小结28 6. 技术指标及使用方法29 7 结论.29 谢辞.30 参考文献.31 附录.31 1 引言 许多科学实验都离不开电，并且在这些实验中经常会对通电时间、电压高 低、电流大小以及动态指标有着特殊的要求，因此，如果实验电源不仅具有良 好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化，那么就省去了许多不精确 的人为操作，取而代之的是精确的微机控制，而我们所要做的就

4、是在实验开始 前对一些参数进行预设。这将会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷 与高效。因此，直流电源今后的发展目标之一就是不仅要在性能上做到效率高、 噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上力求实现数控化、 多功能化与智能化。本文所介绍的就是一个数控可调电源，这是一个高性能的 直流稳压电源。由于在该电源中引入了单片机控制，故该电源还具有一定的智 能化,可实现变压，显示输出电压、电流，预置输出电压值等功能。 本文中研究的单片机控制的线性电源，可以通过键盘预置期望输出电压值， 模/数转换器对输出电压进行采样并显示在数码管上。该系统还采用了温度传感 器对输出电压进行校正，使得输出电

5、压更稳定精确度也更高。并且该系统可以 给芯片提供+12V，+5V 及-12V 的工作电压。 由单片机控制的数控电源主要由三部分所构成，主要是电源电路，控制电 路和校正电路。以 LM317 三端电压可调器来调节电压，其具有输出电压稳定， 可调范围较大，但其缺点是输出的电流较小，所以在设计的时候还加入了扩展 电流电路。 1.概述 1.1 课题来源及意义 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、 自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与 现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前 电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透

6、的综合性技术学科。他对现代通 讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高 质量、高效率、高可靠性的电源起着关键作用。 - 由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先 进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步 提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得 到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电 解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处 于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展， 但在实际应用中也还存在一些问题，不

7、能十分令人满意。这暴露出开关稳压电 2 源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设 计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。 当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、 维修麻烦和造价成本较高。所以选择由单片机控制的线性电源具有成本低，故 障少，简单实用等特点，适合推广和应用。 1.2 课题基本要求 （1）设计、制作精密数控直流电源； （2）使用单片机构成控制系统，通过键盘预置输入电压，可显示预置电压和输 出电压； （3）掌握 A/D 及 D/A 转换及芯片使用方法； （4）掌握数控电源的设计方法； （5）掌握单片

8、机软件编程方法； （6）掌握传感器的基本原理和模拟电子电路基本原理等。 1.3 相关背景介绍 直流稳压电源按习惯可分为化学电源,线性稳定电源和开关型稳定电 源,它们又分别具有各种不同类型： 化学电源： 我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这 一类,各有其优缺点。随着科学技术的发展,又产生了智能化电池;在充电电池材 料方面,美国研制人员发现锰的一种碘化物,用它可以制造出便宜、小巧、放电 时间长,多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。 线性稳压电源 ： 线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区,靠 调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗

9、大,需要安装一个很大的 散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频（50Hz)上,所以重量较大。该类 电源优点是稳定性高,纹波小,可靠性高,易做成多路,输出连续可调的成品。缺 点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类直流稳压电源又有很多种,从输出性 质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。 从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。 从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。 开关型直流稳压电源： 与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源, 开关型直流 稳压电源的电路型式主要有单端反激式,单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。

10、它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到 3 几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态;开关电源因此而得名。 开关电源的优点是体积小,重量轻,稳定可靠;缺点相对于线性电源来说纹波较大 （一般1%VO(P-P),好的可做到十几 mV(P-P)或更小)。 上述三种电源中，化学电源对环境会产生影响，开关电源的制作成本相对 较高并且电路设计也较复杂。相对这两种而言，线性电源实用性更高，成本也 较低，输出更稳定。下文中将会详细介绍基于 AT89C51 单片机的精密数字控制 直流电源设计制作。 2基于单片机的数控直流电源方案设计 基于单片机控制的数控直流电源主要由电源部

11、分、控制部分和校正部分组 成。其基本原理如图 2.1 所示： 整流滤波 电压调节电 路 负载 单片机 控制系统 键盘控制 数码管显 示 A/D 转 换 电压校 正 输出输 入 图 2.1 基于单片机控制的数控直流电源系统原理图 其基本工作原理为：电压通过键盘预置后由单片机控制并调节输出电压，输出 电压经过 A/D 采样校正后送数码管显示。 基于单片机的数字控制直流电源的制作需要考虑以下两个问题：一是制作 成本及工艺。在现在的商业化中，产品的成本和工艺往往是倍受重视的，它直 接决定了产品的销售和发展；二是电源的输出功率以及精确度。在很多实验和 领域中都需要用到精确度很高的电源，另外在民用上也需要

12、可调节的电源。在 下面的方案设计中将主要对两种数控直流电源作详细介绍和论证。 2.1 方案设计 2.1.1 方案一：开关稳压电源 开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止将直流 电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多 组电压！转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比 50Hz 高很多。 开关电源的工作原理是： 1.交流电源输入经整流滤波成直流； 2.通过高频 PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压 4 器初级上； 3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载； 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，

13、控制 PWM 占空比,以达到稳定 输出的目的。 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰，同时 也过滤掉电源对电网的干扰；在功率相同时，开关频率越高,开关变压器的体积 就越小，但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个 绕组有多个抽头,以得到需要的输出；一般还应该增加一些保护电路，比如空载、 短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。 其工作原理示意图如图 2.2 所示： 图 2.2 开关电源工作原理示意图 图 2.1 画出了开关稳压电源的工作原理示意图，它是由全波整流器，开关 管 V，激励信号，续流二极管 VD，储能电感和滤波电容 C 组成。实际上，开 关稳压

14、电源的核心部分是一个直流变压器。 直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。 这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供 电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。 输入交流电压经整流滤波后以直流方式 Ui 输入开关管 V 中，由单片机控 制开关管的通断。当开关管以某一频率通断时，使得输入的直流信号变为交流 信号，再通过续流二极管 VD 及电感 L 把交流信号转化为直流信号，经过滤波 电容 C 后输出到负载 R 上。这就是开关电源的调压原理。 2.1.2 方案二：线性稳压电源 线性稳压电源，是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。调整管工

15、 作在线性状态下，是连续可变的，亦即是线性的。 线性稳压电源主要由调整管、参考电压、取样电路、误差放大电路等几个 基本部分组成。另外还包括一些例如保护电路，启动电路等部分。取样电阻通 过取样输出电压，并与参考电压比较，比较结果由误差放大电路放大后，控制 调整管的导通程度，使输出电压保持稳定。 常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX 系列（正电压型） ，79XX 系列 （负电压型） （实际产品中，XX 用数字表示，XX 是多少，输出电压就是多少。 例如 7805，输出电压为 5V） ；LM317（可调正电压型） ，LM337（可调负电压 型）。 调压原理： D6 5 3 2 LW317 1 R

16、1 D5 UI C Uo C1 Co C2 RW 图 2.3 稳压调压电路原理说明图 图 2.3 为稳压调压电路原理说明图。LM317 的 2 脚于 1 脚之间的电压恒定 为恒定值 1.25V，所以由固定电阻 R1（应小于 240）与电位器 RW组成取样分 压电路，同时也可以作为调节输出电压，输出电压如(1)式。 UO=1.25V(1+RW/R1) (2)式 调整端 1 的电流极小，所以流过 R1 和 RW的电流几乎相等(几 mA 电流)。 通过改变电位器 RW 的阻值就能改变输出电压 UO。此外为了保证 LM317 的输出 功率及正常工作，还需要添加散热片，二极管 D5 的作用是防止输出短路。 由上面的介绍中可知，只要改变管脚 1 的电压，就可以实现输出可调。电 位器 RW 固定在一个值后，通过单片机预置电压，经过 D/A 转化和运算放大器的 电压放大达到对控制端的电压预置。所以由 1 脚作为控制电压的输入端，接控 制部分电路。 2.2 方案论证 2.2.1 方案一分析： 开关电源的