【正文】 26 圖 顯示子程序流程圖 采樣子程序 由于 ADC0809 工作電壓 為 ： +5V，即 VCC=+5V。 電源額定電壓為 12v，初始化把設定值設為 ，系統(tǒng)掃描鍵盤時，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)先響應鍵盤輸入，更新脈寬。按鍵的 閉合 ,受控 于彈性開關(guān)的合 ， 斷兩個狀態(tài) ,電壓上 的表現(xiàn) 就是出高電平或低電平 ,高電平表示斷開 ,那么 低電平 就表示 鍵閉合 。低電壓低功耗是其又一顯著特點。電阻取 1k，電容取 22uf。 即便 不用訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號， 所以 它可對外輸出時鐘或定時目的。 其原工作理為：在電源輸出端，設置負載電流檢測電阻 R0，通過 R0 將負載電流 Io變成過流檢測電壓 IoRoVo ?? ,三極管作為過流控制管，當開關(guān)電源負載電流vRoIo ?? 時，過流控制三極管導通，電源輸出電壓由過流控制管集電極輸出，觸發(fā)晶閘管導通，將開關(guān)電源負載短路，實現(xiàn)保護。 續(xù)流二極管的選擇 根據(jù) Buck 變換器的工作原理，開關(guān)截止時，續(xù)流二極管導通，電感的磁能轉(zhuǎn)換為電能，二極管起到續(xù)流的作用，二極管正向額定 電流須大于負載電流，其耐壓值必須大于輸入電壓，同時為了使二極管的截止到導通的轉(zhuǎn)換時間盡量的短，選擇超快恢復二極管，根據(jù)本次設計的要求，選擇電流大于 , 耐壓大于 30v 的肖特基二極管。 在開關(guān)管導通時，負載電流以及濾波電容的充電電流均通過開關(guān)管提供，因此，開關(guān)管的集電極電流必須大于輸出的負載電流，集電極電流的計算如下： 電感電流的平均值等于負載電流 Io ，則有 IoILIL ??2 m inm a x ，流過開關(guān)管的電流平均值為 IoDTtonIoTtonILILI ??????? 2 m i nm a x ，忽略開關(guān)管導通壓降，有m i nm a x ILtonL VoViIL ??? ，整理方程消去 minIL 得到 toffLVoIoIL 2m a x ?? 29 流過開關(guān)管的最大電流應等于電感電流的最大值，則 tof fLVoIoIcm 2?? ，額定輸出電流為 A1 ，算出 集電極電流小于 A2 廣西工學院畢業(yè)設計專用紙 16 在開關(guān)管截止時，電源的全部輸入電壓都加在開關(guān)管的集電極和發(fā)射極兩端。晶體管截止時，電感上電流逐漸減小，感應電動勢使二極管導通，給電容充電，電容上的電壓與輸入電壓極性相反。 根據(jù)能量守恒定理，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能， 對電容再次充電，那么輸入電能應等于導通時電容所充電能加上電感的磁能，即 ?W VoIoT 27 代入（ 4）式得 TQVoVetonLT VoVeVoVeIo ?????? 22 28 可見，當導通時間越大或者脈沖周期越小，輸出電流越大，當需要提高電源輸出功率時，可以提高開關(guān)管的工作頻率。當電感電流下降到 Io 時，電容停止充電，此時電容上電壓達到最大值。 當開關(guān)管飽和導通時，電能儲存在電感中，同時也流向負載。//input 為鍵盤輸入值 ,r 為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 就是說使預置的 0到 12v的轉(zhuǎn)換為 0 到 255 的數(shù)字量，這樣單片機系統(tǒng)才能夠進行正確的比較處理。計算出 Ap 值，對照鐵心產(chǎn)品手冊，選擇大于 Ap 值的產(chǎn)品，即可查得對應的鐵心截面積，由式 BmAeLN Im? 確定繞組匝數(shù)。// 輸出高電平 D++。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，單片機會根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應電壓，更新脈寬后，單片機會馬上調(diào)用 PID控制算法，對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。 方案 2分析： 采用脈沖寬度調(diào)制 PWM（ Pulse Wildth Modulation）的控制方式，其特征是固定開關(guān)的頻率，通過改變脈沖寬度改變占空比控制型效率高并具有良好的輸出廣西工學院畢業(yè)設計專用紙 9 電壓和噪聲。開關(guān)電源的一般結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，本設計通過對不同的方案的對比得出了最佳方案的設計。 （ 2）體積小，重量輕。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成正比。 本文研究主要內(nèi)容 （ 1）設計、制作開關(guān)電源； （ 2）使用單片機構(gòu)成嵌入式控制系統(tǒng)，通過鍵盤預置輸入電壓，可顯示預置電壓和輸出電壓； （ 3） 開關(guān)電源的設計方法； （ 4） 單片機軟件編程方法； （ 5） PID 控制 原理； 廣西工學院畢業(yè)設計專用紙 6 2 系統(tǒng)方案設計 開關(guān)電源工作原理 開關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開關(guān)方式，即導通和截止狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，縮寫為 SPS（ Switching Power Supply）。應用于科研、大專院校、實驗室、工礦企業(yè)、電解、電鍍、充電設備等領域。 開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。多年來，由于技術(shù)上的障礙 (高壓，大功率 )，開關(guān)電源集成電路在集成化上一直因一種電流模式PWM 開關(guān)電源控制器的設計得不到很大的進步。線性電源的主要問題在于：輸出精度低、效率低、散熱問題大以及很難在一個通用的輸入電壓范圍內(nèi)工作，但最主要的缺陷還是在體積和重量上。 它是以數(shù)字信號處理器 (DSP)或微控制器 (MCU)為核心，將數(shù)字電源驅(qū)動器及 PWM 控制器作為控制對象而廣西工學院畢業(yè)設計專用紙 3 構(gòu)成的智能化開關(guān)電源系統(tǒng)。實用化在 1966 年前后，電路種類很多，直到 10 年前，開關(guān)電源才被分為幾個基本拓撲： BUCK 降壓型： 象單管正激、雙管正激、全橋、 LLC 電路都是 BUCK 的變形； BOOST 升壓型： 象 PFC用得最多， BUCKBOOST 型： 即可降壓，也可以 升壓，反激電路就是 BUCKBOOST 的一種理想版本； CUK 電路： 這是美國 CUK 先生在 30 年前的發(fā)明，實現(xiàn)零紋波輸出的電源，但一直未能成為主流。因此，克服開關(guān)電源產(chǎn)生的各種噪聲干擾，是我們要努力解決的第三個問題。因此，我們研究單片機控制的開關(guān)電源，非常有現(xiàn)實意義。 關(guān)鍵字：開關(guān)電源 半導體 PID 算法 閉環(huán)控制 數(shù)控 廣西工學院畢業(yè)設計專用紙 II Abstrat Switching power supply is to use the power of modern electronic technology to control power switch (MOSFET。它是在電子、計算機、通信、電氣、航空航天、軍事以及家電等領域應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。 開關(guān)電源的效率是與開關(guān)管的變換速度成正比的，要進一步提高開關(guān)電源的效率，就要提高電源的工作頻率。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源。如何降低開關(guān)電源的的功耗和提高開關(guān)電源的效率是全球能源行業(yè)共同關(guān)注的問題。 可編程開關(guān)電源 可調(diào)式開關(guān)電源都是通過手動調(diào)節(jié)電阻值來改變穩(wěn)壓器輸出電壓的，不僅調(diào)節(jié)精度低，而且使用不夠方便，數(shù)字電位器（ Digital Potentiometer）亦稱數(shù)控電阻器（ Digitally Controlled Potentiometer），可簡稱為 DCP。如果要使線性電 源在一個通用輸入電壓范圍 (85V— 265VAC)工作，會導致線性電源的效率更低。電源管理集成電路分成電壓調(diào)整器和接口電路兩方面。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM 開關(guān)技術(shù)進行創(chuàng)新，實現(xiàn) ZVS、 ZCS 的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向 ,高頻化使開關(guān)電源小型化 ,并使開關(guān)電源進入更廣泛的應用領域 ,特別是在高新技術(shù)領域的應用 ,推動了開關(guān)電源的發(fā)展 ,產(chǎn)品不斷向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠的方向發(fā)展。 圖 ：假設基準電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動導致輸入電壓減小，那么輸出電壓也將會減少，此時，所采樣的電壓將減小，假設為 ，誤差為 ，經(jīng)過比較放大后，脈沖調(diào)制電路根據(jù)這個誤差，提高占空比使輸出 電壓增大，同理，當由于電網(wǎng)波動導致輸出電壓增大時，脈沖調(diào)制電路降低占空比使輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定。（ 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%。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進行補償。 +V inP WMVout 圖 非隔離式 DCDC結(jié)構(gòu) 方案 2 主回路采用隔離推挽式拓撲結(jié)構(gòu)（如圖 所示），輸入與輸出電氣不相連，通過開關(guān)變壓器的磁偶合方式傳遞能量，適合實驗室使用。 綜上所述，本設計選擇第三種控制方案，單片機使用 89C52， A/D 芯片采用 ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤預置電壓，設計任務要求輸出可調(diào)，所以設定值需要從鍵盤輸入，實現(xiàn)輸入不同的電 壓，輸出便可以輸出不同的電壓。 廣西工學院畢業(yè)設計專用紙 10 圖 單片機控制開關(guān)電源系統(tǒng)框圖 如何提高電源工作頻率 困難分析： 現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率已經(jīng)可以達到 300 千赫茲，本次設計雖然采用了 24M 赫茲的晶振頻率，可以通過單片機定時輸出 40 千赫茲的頻率，但是開關(guān)電源要求的是單片機的處理速度要足夠快， 51 系列的單片機，即使使用 24M 的晶振，相對于開關(guān)電源需要很快開關(guān)工作頻率，它的速 度仍是比較慢的，而且這里單片機還需要做采樣電壓，掃描鍵盤， PID 控制等等很多的工作，那么單片機就更加慢了，就算忽略這方面的影響，單片機可以通過定時器中斷產(chǎn)生 40 千赫茲的頻率，但是定時器中斷產(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%，要設計輸出可調(diào)的開關(guān)電源，顯然行不通。 儲能電感的繞制 使用儲能電感目的在于，在功率開關(guān)管截止時，為負載存儲能量，電氣上的作用是把開關(guān)方波脈沖積分成直流電壓。所有這些參數(shù)都需要通過變送器轉(zhuǎn)換為電信號，再通過 A/D 轉(zhuǎn)換器或者 V/F 變換器轉(zhuǎn)換為計算機所能處理的數(shù)字量。輸出電壓平均值 )/( ToffTonTonVo ?? ? Vi ,控制電路根據(jù)反饋電壓控制高頻開關(guān)管的導通時間（ Ton ） 與截止時間（ Toff ），達到控制輸出電壓目的。電路中開關(guān)管和負載電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開關(guān)電源。若開關(guān)管一直處于導通狀態(tài)，截止時間為零，則 ViVo? ；若開關(guān)管一直截止，導通時間為零，則 0?Vo ，隨著 Ton 與 Toff的比例不同，輸出電壓 Vo為 0— Vo之間的各種值。當開關(guān)管截止，電感中的電能通過續(xù)流二極管供給負載，同時對電容 C充電。 開關(guān)電路器件參數(shù)選擇 功率開關(guān)管的選擇 開關(guān)管是整個電源主要的工作器 件，正確的選用，是電源成功制作的前提。 濾波電容的選擇 電容的 濾波原理是：利用 電容 在整流二極管導通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑 。 交流 220v降壓后經(jīng)過整流橋整流輸出直流電壓作為開關(guān)變換電路的輸入電壓， 7805穩(wěn)壓輸出 5v 給單片機提供電源。 R1 和 C1構(gòu)成保護啟動延時電路，以免開機瞬間負載電流沖擊造成誤動作。當訪問外部存儲器時， EA 必須保持低電平。 反饋電路設計 反饋電路使用 ADC0809采樣輸出電壓，該器件只能轉(zhuǎn)換 0到 5伏的電壓，超過了會燒毀芯片，當要采集大的電壓時，可以通過電阻分壓再采樣，在程序中再乘以一個分壓系數(shù)，以代表輸出電壓值。 按 鍵可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型 。如果有鍵按下，則至少會有一根行線被拉至低電平，從而使行輸入不全為 1。即先判斷當前是否有鍵按下，有鍵按下，延時，再次判斷是否仍有鍵按下，若仍有鍵按下，確認按鍵，進行鍵盤處理。 片選 CS=0，選擇通道 時鐘 CLK下降沿到之前，采樣數(shù)據(jù) 下降沿到來讀取數(shù)據(jù) 采 滿 完成？ 結(jié)束 開始轉(zhuǎn)換程序入口 是 否 廣西工學院畢業(yè)設計專用紙 27 圖 AD轉(zhuǎn)化流程圖 中斷處理程序設計 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory） ,與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 計算預置計數(shù)值在工作方式 1的定時時間計算公式為 定時時間＝ (65536— 計數(shù)初值 )機器周期 為獲取高的處理速度，采用 24MHz 晶振，一個機器周期