【正文】 ，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性[11]。單片機(jī)控制電源相對(duì)于傳統(tǒng)直流電源具有以下明顯優(yōu)點(diǎn): ①單片機(jī)控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單，易于控制和調(diào)試，這使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美，功能更強(qiáng)大。 ②可以靈活控制，升級(jí)方便，而不像傳統(tǒng)電源需要改動(dòng)硬件線路。 ③控制系統(tǒng)的可靠性高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的控制板，而僅僅修改下程序或?qū)浖龊?jiǎn)單調(diào)整 ④系統(tǒng)維護(hù)方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便檢測(cè)出故障點(diǎn)并容易修復(fù)故障，而不像傳統(tǒng)電源需要做大量工作去調(diào)試、檢測(cè)和修復(fù)。 ⑤系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產(chǎn)成本下降。 本題目所要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)出有一定輸出范圍（0V到9V）和電壓值可設(shè)定（通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定）而且過(guò)流過(guò)壓等自動(dòng)保護(hù)功能的數(shù)控電源。 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)①輸出電壓：范圍0~+，紋波不大于10mV。②輸出電壓值由數(shù)碼管顯示③對(duì)電路中出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)熱做出及時(shí)處理并發(fā)出警報(bào)④為實(shí)現(xiàn)上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，+15V、15V、＋5V。 本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)①輸出電壓可預(yù)置在0~；②用自動(dòng)掃描代替人工按鍵，實(shí)現(xiàn)輸出電壓變化；③可擴(kuò)展輸出電壓種類（可由單片機(jī)和一些輔助電路完成）。2 方案分析與選擇2 方案分析與選擇 設(shè)計(jì)方案方案一：此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點(diǎn)在于使用一套雙計(jì)數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，其中二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過(guò)D/A變換后去控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓，以控制輸出步進(jìn)。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器通過(guò)譯碼后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示輸出電壓值，為了使系統(tǒng)工作正常，必須保證雙計(jì)數(shù)器同步工作。 方案一的框圖方案二：此方案不同于方案一之處在于使用一套十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EPROM的地址輸入，而由EPROM的輸出經(jīng)D/A變換后控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出步進(jìn)。由于只使用了一套計(jì)數(shù)器，回避了方案一中必須保證雙計(jì)數(shù)器同步的問(wèn)題，但由于控制數(shù)據(jù)燒錄在EPROM中，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活性降低。 方案二的框圖方案三：此方案的控制部分采用TA89C51單片機(jī)，輸出部分采用傳統(tǒng)的調(diào)整電路的方式，經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)制而得到即DCDC轉(zhuǎn)換最終在經(jīng)過(guò)整流濾波得到穩(wěn)定的直流，因?yàn)槭褂昧藛纹瑱C(jī)，整個(gè)系統(tǒng)可編程，使得系統(tǒng)靈活性大大增加同時(shí)電源與傳統(tǒng)的電源相比較效率大大的得到提高。AT89C51鍵盤(pán)鍵盤(pán)掃描接口電路采樣A/D轉(zhuǎn)換顯示器PWM信號(hào)去控電路受控電路擴(kuò)展模塊保護(hù)電 路 方案三的框圖上述三種方案的結(jié)構(gòu)可以用下圖來(lái)進(jìn)行概括。 方案的簡(jiǎn)括圖 方案論證由三種方案的結(jié)構(gòu)概括圖進(jìn)行論證。①數(shù)控部分 方案一、二中采用中、小規(guī)模器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號(hào)繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差(例如方案一中的雙計(jì)數(shù)器一旦出現(xiàn)計(jì)數(shù)不同步時(shí)，會(huì)導(dǎo)致顯示電壓與輸出電壓不一致)。在方案三中采用了AT89C51單片機(jī)完成整個(gè)數(shù)控部分的功能，同時(shí)，AT89C51作為一個(gè)智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。②輸出部分 方案一、二中采用線性高壓電源，以改變其基準(zhǔn)電壓的方式使輸出步進(jìn)增加/減小，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對(duì)輸出的影響，而方案三中使用脈寬調(diào)制電路和及時(shí)的電壓采樣從而得到的電壓被實(shí)時(shí)追蹤的做出相應(yīng)的調(diào)整因而，可以大大減小輸出端的紋波電壓。③顯示部分 方案一、二中的顯示輸出是對(duì)電壓的量化值直接進(jìn)行譯碼顯示輸出，顯示值為D/A變換的輸入量，顯示值與電源實(shí)際輸出值之間可能出現(xiàn)偏差。方案三中采用四位顯示器直接顯示輸出實(shí)際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預(yù)置值與輸出值偏差過(guò)大，用戶可以根據(jù)該信息予以處理。在方案三中還采用了鍵盤(pán)/顯示器接口擴(kuò)展口芯片8255。不僅擴(kuò)大了接口引線，而且提高了CPU的得用率為以后的電源的升級(jí)做好了充分的準(zhǔn)備。④補(bǔ)充說(shuō)明 如前如述，雖然方案三比前兩者有許多優(yōu)點(diǎn)，但方案一、二對(duì)于完成設(shè)計(jì)要求并非不可行，而且在某些方面(如電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等)還具有自己的優(yōu)勢(shì)。之所以采用方案三，一個(gè)很重要的考慮是系統(tǒng)使用了單片機(jī)，使得進(jìn)一步擴(kuò)展功能較為方便而且輸出電壓被實(shí)時(shí)跟蹤有很強(qiáng)的差錯(cuò)糾正功能。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方框圖系統(tǒng)分為：數(shù)控部分、鍵盤(pán)/顯示器接口電路、功率放大電路、輸出電壓顯示電路、電源設(shè)計(jì)五大部分。：電網(wǎng)濾波輸入整流濾波交換器8255A輸出整流濾波單片機(jī)At89c51鍵盤(pán)顯示輔助電源驅(qū)動(dòng)控制電路報(bào)警采樣A/D轉(zhuǎn)換保護(hù)電路 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖 電路原理電路通過(guò)變壓器對(duì)市電降壓，然后通過(guò)橋式全波整流、濾波，然后輸出。電路如圖所示[18]。 電源前級(jí)圖VDVD2與陰極連接，哪個(gè)二極管的陽(yáng)極電位高，哪個(gè)二極管優(yōu)先導(dǎo)通。一個(gè)二極管導(dǎo)通后，另一個(gè)二極管因承受反向電壓而截止；VDVD4 與陽(yáng)極連接，哪個(gè)二極管的陰極電位低，哪個(gè)二極管優(yōu)先導(dǎo)通，一個(gè)二極管導(dǎo)通后，另一個(gè)二極管因承受反向電壓而截止。為正半周期時(shí)，a端電位高于b端電位，故VDVD3導(dǎo)通，VDVD4截止，電流流經(jīng)路徑為a端到VD1到到VD3到b端；為負(fù)半周時(shí)，b端電位高于 a端電位，VDVD4導(dǎo)通，VDVD3截止，電流流經(jīng)路徑為b端到VD2到到VD4到a端。 2對(duì)二極管VDVD3和VDVD4在正、負(fù)半周內(nèi)輪流交替導(dǎo)通，并且引導(dǎo)正、負(fù)半周電流在整個(gè)周期內(nèi)以同一方向流過(guò)負(fù)載。(為整流輸出的負(fù)載)電路波形：輸出平均電壓和平均電流：二極管參數(shù)輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)（為整流輸出端電壓，為整流輸出端電流）濾波原理：(濾波波形) 當(dāng)變壓器二次側(cè)電壓工作在正半周，且電容兩端電壓時(shí)，二極管VDVD3導(dǎo)通，一方面對(duì)負(fù)載供電，另一方面同時(shí)對(duì)電容器C供電，由于二極管正向電阻很小，充當(dāng)很快，如果忽略二極管正向壓降，電容兩端電壓緊隨輸入電壓按正弦規(guī)律沿AB段曲線上升。當(dāng)上升到=時(shí)，VDVD3截止，電容通過(guò)負(fù)載電阻放電，由于負(fù)載電阻很大，放電很慢，電容兩端電壓沿BC端曲線下降[6]。當(dāng)下降到時(shí)，二極管VDVD4導(dǎo)通，再次對(duì)C充電，電容兩端電壓沿CD段曲線上升，到D點(diǎn)后VDVD4截止，電容沿DE段曲線放電下降。這樣，電容不斷地充放電，使得負(fù)載得到一個(gè)脈動(dòng)較小的鋸齒波電壓。（是整流濾波輸出電路的負(fù)載）整流濾波輸出電壓：電容參數(shù)：變壓器參數(shù)：變壓器二次側(cè)電流的有效值，與流過(guò)的脈動(dòng)電流的波形有關(guān)，波形越小，有效值越大，可取(是濾波輸出端的電流，是濾波輸出端的電壓)電路測(cè)試仿真輸入整流濾波電路的仿真圖： 整流后的直流。計(jì)算濾波電容器根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出紋波電壓，假定脈沖觸發(fā)周期，濾波電容可用下式計(jì)算該電容應(yīng)選用無(wú)感電容或用多個(gè)鋁解電容并聯(lián)。電路濾波仿真圖 前級(jí)紋波，基本符合設(shè)計(jì)要求，如果在后面的組合電路的紋波過(guò)大則可以在這里多并聯(lián)幾個(gè)的濾波電容來(lái)消除一部分。振蕩電路如下圖： 振蕩原理圖當(dāng)三極管的基極輸入高電平（+5V）時(shí)，我們的三極管導(dǎo)通，A點(diǎn)就通過(guò)R15與地導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)TR2的初級(jí)線圈到地，當(dāng)為低電平時(shí)三極管截止，A點(diǎn)相當(dāng)于懸空，此時(shí)TR2的初級(jí)線圈沒(méi)有電流通過(guò)。這樣的通斷過(guò)程就在開(kāi)關(guān)變壓器的次級(jí)線圈上產(chǎn)生了感生電荷形成振蕩。在這里我們選用信號(hào)B（100HZ,+5V,D=50%）充當(dāng)PWM信號(hào)仿真如下（）： 變換后的次級(jí)繞阻上的電壓通過(guò)上圖可以看出直流電經(jīng)過(guò)變換以后形成了與PWM信號(hào)幾乎相同頻率的交流信號(hào)。 驅(qū)動(dòng)及功率轉(zhuǎn)換輸出電路電路原理：通過(guò)單片機(jī)PWM控制輸出，控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，從而穩(wěn)壓輸出[12]。①脈沖變壓器的設(shè)計(jì)1）確定變壓器的變化根據(jù)輸出電壓的關(guān)系式 驅(qū)動(dòng)及功率轉(zhuǎn)換電路圖得變比為式中，為整流器輸出的直流電壓，為輸出。為了減小開(kāi)關(guān)電源對(duì)后面負(fù)載的干擾，我們以周期T=64us。設(shè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間=12ms為例對(duì)變壓器進(jìn)行一次設(shè)計(jì)計(jì)算，則變壓器的變比為取n=7。2）計(jì)算初級(jí)線圈中的電流已知輸出直流電壓=9V，負(fù)載電流=，則輸出功率=。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的效率一般在60%~90%之間，本設(shè)計(jì)取ETA=，則輸入功率為初級(jí)的平均電流為假定初級(jí)線圈的電流為零，那么，在開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通期里，初級(jí)線圈中的電流則從零開(kāi)始線性增長(zhǎng)到峰值的關(guān)系式為[17]3）計(jì)算初級(jí)繞組線圈數(shù)初級(jí)繞組的最小電感為根據(jù)輸出功率的大小，選用適當(dāng)?shù)拇判荆湫螤钣铆h(huán)形、EI形或罐形均可。，覺(jué)得選用磁芯，其最大磁通密度,磁芯的面積。則初級(jí)繞組的圈數(shù)為式中，——初級(jí)電感（H） ——初級(jí)線圈峰值電流（A） ——磁芯截面積（） ——磁芯最大磁通密度（T）。4）計(jì)算次級(jí)線圈數(shù)②開(kāi)關(guān)功率管的選擇1）確定變換級(jí)的輸出功率：只要確定電源效率，輸出功率就可以確定。開(kāi)關(guān)電源效率與輸出電壓、電路結(jié)構(gòu)和元件性能等因素有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，輸出電壓高，效率也高，反之則低。開(kāi)關(guān)電源效率通常在60% ~ 90%之間。本設(shè)計(jì)取=65%，則變換級(jí)的輸出功率為2）計(jì)算開(kāi)關(guān)管的集電極電流：開(kāi)關(guān)管的集電極最大允許電流必須大于變壓器初級(jí)峰值電流。考慮到脈沖變壓器磁化電流的影響，脈沖頂部是不平的。因此，脈沖電流的最大值。本設(shè)計(jì)取3）確定開(kāi)關(guān)管承受的反向電壓：開(kāi)關(guān)管的耐壓必須考慮電感負(fù)載可能發(fā)生的最大瞬間電壓值。一般要求開(kāi)關(guān)管的反向擊穿電壓應(yīng)大于輸入電壓最大值的二倍。本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)管的反向電壓應(yīng)滿足。根據(jù)以上計(jì)算的數(shù)值，查晶體管手冊(cè)得知，3DA581可滿足要求。具體參數(shù)如下：按照要求設(shè)定的電路中的相關(guān)參數(shù)以后的的仿真圖如下： BC間的電壓 過(guò)熱保護(hù)電路利用PTC熱敏電阻器在居里溫度以上電阻值陡然升高的特性，當(dāng)環(huán)境溫度異常升高時(shí)，裝有PTC熱敏電阻器的保護(hù)線路通過(guò)阻值的改變而接通或斷開(kāi)回路，達(dá)到保護(hù)組件目的。①主要參數(shù)②保護(hù)溫度點(diǎn)TS（℃）③額定零功率電阻值R25(Ω)④保護(hù)溫度時(shí)的電阻值（Rs，Min）⑤保護(hù)溫度27℃電阻值（RS+27，Max）應(yīng)用原理如圖1，在正常環(huán)境溫度溫下，PTC熱敏電阻器阻值小于RS(接入量)，輸出電壓較低，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，PTC熱敏電阻器阻值快速上升超過(guò)RS，從而導(dǎo)致Vo的快速下降而動(dòng)作(如下圖)。這時(shí)候輸出電壓翻轉(zhuǎn)成一個(gè)低電平（可以用作保護(hù)的中斷請(qǐng)求信號(hào)）。然后程序控制開(kāi)關(guān)變壓器的初級(jí)線圈的導(dǎo)通情況來(lái)調(diào)節(jié)[5]。 過(guò)熱保護(hù)電路圖過(guò)熱保護(hù)的仿真我們將單片機(jī)的/INT1口作為過(guò)熱保護(hù)的申請(qǐng)口，當(dāng)這個(gè)引腳由低電平到來(lái)時(shí)則啟動(dòng)過(guò)熱保護(hù)。在這個(gè)時(shí)間單片機(jī)的PWM信號(hào)口產(chǎn)生一個(gè)為時(shí)4S的低電平，使變壓器次級(jí)輸出為零從而保護(hù)我們的電源，然后又恢復(fù)原始的控制狀態(tài)。相關(guān)的圖形如下： 過(guò)熱保護(hù)仿真的輸出電壓在上圖中左邊是保護(hù)時(shí)保護(hù)前的電路的輸出，中間是保護(hù)時(shí)的輸出，最右邊是恢復(fù)以后的輸出。又上圖我們可得到結(jié)論，我們的過(guò)壓保護(hù)是成功的他能夠?qū)崿F(xiàn)它的功能，使我們的電源可以工作在更加安全可靠的環(huán)境，同時(shí)也保證了輸出的可靠。 采樣這一部分是在輸出端口分壓采樣,[15]。如下圖所示： 采樣電路圖其中的采樣電壓與輸出值的關(guān)系滿足以下關(guān)系： —采樣電壓值 —輸出電壓值 過(guò)壓保護(hù) 過(guò)壓保護(hù)的保護(hù)的電路很多，有獨(dú)立的保護(hù)電路也有非獨(dú)立的保護(hù)電路，在這次的設(shè)計(jì)中我們采用的是單片機(jī)保護(hù)。我們的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖電路如下： 過(guò)壓保護(hù)原路圖其工作原理是當(dāng)輸出電壓值經(jīng)過(guò)采樣和AD轉(zhuǎn)換后大于我們預(yù)先設(shè)定的電壓值的25%后單片機(jī)的PWM引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平信號(hào)截至開(kāi)關(guān)管使得逆變變壓器的初級(jí)線圈斷開(kāi)，從而使得輸出值為零。但是這個(gè)低電平的維持時(shí)間是4s，在這個(gè)時(shí)間以后PWM信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)占空比較前一次小的PWM信號(hào)從而使得輸出之變小，然后在根據(jù)采樣值改變PWM信號(hào)的占空比從而達(dá)到理想的電壓輸出值。 鍵盤(pán)掃描接口電路本次設(shè)計(jì)選用的是4*4的鍵盤(pán),鍵盤(pán)的掃描選用的是單片機(jī)的P1接口。器電路如下圖所示： 鍵盤(pán)接口圖鍵盤(pán)接口，尤其是鍵入信號(hào)的軟件處理方法是影響系統(tǒng)使用和操作性能的重要因素。鍵盤(pán)接口及其軟件的任務(wù)主要包括以下幾個(gè)方面：首先，檢測(cè)并判斷是否有鍵按下。其次，對(duì)按鍵開(kāi)關(guān)進(jìn)行時(shí)延的消抖。再次，計(jì)算并確定按鍵的鍵值。最后，程序根據(jù)計(jì)算出的鍵值進(jìn)行一系列的動(dòng)作處理和執(zhí)行。在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減小I/O端口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，也就是常說(shuō)的行列式鍵盤(pán)。行列式鍵盤(pán)中的鍵實(shí)際上就是一個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)位于行線和列線的交點(diǎn)處。當(dāng)鍵被按下時(shí)，其交叉點(diǎn)的行線和列線接通，相應(yīng)行線或列線上的電平發(fā)生變化，從而確定被按下的功能鍵。采用行列式鍵盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)在于：在行列式鍵盤(pán)上中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣一個(gè)端口可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，