【正文】 PWM=~PWM } PID 控制算法 設(shè)計原理：采用單片機(jī)作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，它是由 89C52 單片機(jī)系統(tǒng)通過 A/D電路采集過程變量 V，并根據(jù)有關(guān)的算法控制變量 u，通過輸出 PWM 控制脈沖到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使過程變量穩(wěn)定在設(shè)定的值上。 計算預(yù)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(jī)器周期 為獲取高的處理速度，采用 24MHz 晶振，一個機(jī)器周期為 s。 T0 和 T1 的定時功能是通過對單片機(jī)內(nèi)部計數(shù)脈沖的計數(shù)實現(xiàn)的。 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(xué)院畢業(yè)設(shè)計專用紙 27 圖 AD轉(zhuǎn)化流程圖 中斷處理程序設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。軟件設(shè)定 4 個顯示緩沖區(qū)，存儲個位，十位，小數(shù)點后 1 位，小數(shù)點后 2位。即先判斷當(dāng)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(rèn)按鍵，進(jìn)行鍵盤處理。 廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計專用紙 24 4 軟件設(shè)計 總體編程思想 單片機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計思路：系統(tǒng)掃描鍵盤輸入，當(dāng)鍵盤有輸入 ，系統(tǒng)立即會做出響應(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)沒有再次輸入時，系統(tǒng)調(diào)用 PID 控制算法，控制輸出電壓穩(wěn)定。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。廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計專用紙 23 鍵盤實際上是一組按鍵開關(guān)的集合 ,其每一個按鍵就是一個開關(guān)量輸入裝置 。 按 鍵可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型 ?？梢燥@示 8 4 行 16 16 點陣的漢字 ， 也可完成圖形顯示 。 反饋電路設(shè)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(dāng)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。上電復(fù)位是利用器充廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計專用紙 21 電實現(xiàn)。當(dāng)訪問外部存儲器時， EA 必須保持低電平。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。 R1 和 C1構(gòu)成保護(hù)啟動延時電路，以免開機(jī)瞬間負(fù)載電流沖擊造成誤動作。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質(zhì)電容，另外，可以通過并聯(lián)兩個電容來獲得低的等效串聯(lián)電阻 . 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 20 M a y 2 01 0 S h e e t of F il e : F : \畢業(yè)設(shè)計 \單片機(jī)最小系統(tǒng) \ M y m i n s ys .dd b D r a w n B y:R54. 7KR63. 3KR710 00 KR42. 2KR120 0R247 0R322 0R83. 3KR93. 2KR 102. 5KR 1110 0R 1510 KR 1410 KD31N 5 23 2BQ22S C 2 54 7Q32S C 2 54 7Q12S A 10 85D210 B Q 0 40L1B 824 32 C 1 56 4K 00 0C110 00 uI N P U T50 VQ42S C 2 54 7OUT 圖 開關(guān)電路與輸出整流濾波電路 保護(hù)電路 如圖 所示，在實際應(yīng)用中常常會出現(xiàn)因為一時 疏忽或誤操作而導(dǎo)致的燒壞芯片情況，因此設(shè)計一個優(yōu)秀的產(chǎn)品，應(yīng)該具有良好的保護(hù)功能，過壓保護(hù)是一個很好的選擇，在這次設(shè)計中，考慮到成本問題，采用過電流保護(hù)。 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(jī)提供電源。代入式（ 11）得 tonIo VoViL min2 ?? ，根據(jù) DViVo?fViVoton?? ，則電感的計算為 )1(m in2 ViVofIoVoL ?? 213 負(fù)載電流最小值為 安， k H zfvVivVo 25,12 ??? 代入公式，算得電感量為廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計專用紙 17 ,取電感量為 100uH ，電感量越大，儲能就越大，因為是在高頻下工作，電感選用磁鐵心電感，為防止電感飽和，選擇飽和電流為 2A。 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(dǎo)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 。 本論文中電源工作頻率為 25 千赫茲，根據(jù)設(shè)計前輩們的經(jīng)驗，功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間不宜超過 ，截止時間不宜超過 1us 。 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。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，輸入電壓加在電感上，產(chǎn)生電流 ，電感進(jìn)行儲能，二極管反向截止。當(dāng)開關(guān)管截止，電感中的電能通過續(xù)流二極管供給負(fù)載，同時對電容 C充電。由此可見，如果要控制信號的每一個脈沖都能完全的工作，應(yīng)有 ttonT ?? ，也就是讓電感在導(dǎo)通期間存儲的能量，能在 t 時間內(nèi)，完全釋放給電路。若開關(guān)管一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，截止時間為零，則 ViVo? ；若開關(guān)管一直截止，導(dǎo)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(dāng)開關(guān)管截止時，電感 上電流處于最大，此后電感上電流開始下降，但電流仍比 Io 大，所以電容仍處于充電狀態(tài)，輸出電壓 Vo 繼續(xù)上升。電路中開關(guān)管和負(fù)載電阻是串聯(lián)的，所以也稱它為串聯(lián)開關(guān)電源。它們的輸出電壓總是比輸入電壓低。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(dǎo)通時間（ Ton ） 與截止時間（ Toff ），達(dá)到控制輸出電壓目的。 本次設(shè)計的標(biāo)度轉(zhuǎn)換為： 鍵盤輸入為： 0到 12V；采樣 0 到 5V 電壓對應(yīng)數(shù)字量為 0到 255 變換程序： r=input*255/12。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(jī)所能處理的數(shù)字量。BmKcj ILAp Im??， Bm 為鐵心中的磁通密度。 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(fù)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。 整流濾波電路 開關(guān)變換電路 整流濾波電路 單片機(jī)控制電路 輔助電源 LCD 顯示 ADC0809 取樣電路 鍵盤預(yù)置 廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計專用紙 11 算法為： D=100， T=1000； //定義變量，并賦值，占空比為 100/1000=10% VOID tim0 ()//定時中斷 {=1。 廣西工 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計專用紙 10 圖 單片機(jī)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(dá)到 300 千赫茲，本次設(shè)計雖然采用了 24M 赫茲的晶振頻率，可以通過單片機(jī)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(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(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(shè)計輸出可調(diào)的開關(guān)電源，顯然行不通。單片機(jī)定時采樣輸出端的電壓，通過 ADC0809送進(jìn)單片機(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，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)。 綜上所述，本設(shè)計選擇第三種控制方案，單片機(jī)使用 89C52， A/D 芯片采用 ADC0809，采用 LCD 顯示采樣值，鍵盤預(yù)置電壓，設(shè)計任務(wù)要求輸出可調(diào)，所以設(shè)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。輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍大，但要求濾波電路必須在寬頻帶下工作。 +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?fù)浣Y(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。 系統(tǒng)方案論證 開關(guān)電源具有較快的發(fā)展，從而產(chǎn)生了不同的設(shè)計思路。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(jìn)行補(bǔ)償。這就使得功率開關(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。（ 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%。 造 成這些缺點的原因是：（ 1）線性電源中功率晶體管 V 在整個工作過程中，一直工作在晶體管特征曲線的線性放大區(qū)。 圖 ：假設(shè)基準(zhǔn)電壓為 5v，由于電網(wǎng)波動導(dǎo)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(shè)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(dāng)由于電網(wǎng)波動導(dǎo)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。按開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)分，占據(jù)全行業(yè)產(chǎn)出份額第一的是工業(yè)類開關(guān)電源， 2021 年達(dá)到全行業(yè)產(chǎn)值的比重為 56%，居第二位的是消費(fèi)類開關(guān)電源，占 32%，通信開關(guān)電源占 6%，個人電腦開關(guān)電源占 3%。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(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 ,特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)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。要達(dá)到高精度的直流電壓 ,必須經(jīng) 過穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。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(jìn)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。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。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)電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠。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(dǎo)致線性電源的效率更低。 電源技術(shù)的發(fā)展與方向 線性電源和開關(guān)電源 線性穩(wěn)定電源，其特點是 :它的功率器件調(diào)整管工作在線性區(qū)，靠調(diào)整管之間的電壓降來穩(wěn)定輸出，穩(wěn)定性高，紋波小，可靠性高，易做成多路、輸出連續(xù)可調(diào)的成品。 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。最近剛問世的智能數(shù)字電源系統(tǒng)以其優(yōu)良的特性和完備的監(jiān)控功能，正引起人們的關(guān)注。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。 開關(guān)電源第一次出現(xiàn)在 1955 年， Royer 電路。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源。雖然也可以采取一些抑制干擾的措施，在一定程度上降低這些干擾的影響，但目前階段的精密電子儀器中，仍難以使用開關(guān)電源。 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(jìn)一步提高開關(guān)電源的效率，就要提高電源的工作頻率。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電源制作的一個趨勢，傳統(tǒng)開關(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)可以擴(kuò)展許多功能，如顯示，實時控制調(diào)整電壓，可維護(hù)性強(qiáng)，由于目前國內(nèi)有專門的 PWM輸出的單片機(jī)價格昂貴，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)在智能化以及可實現(xiàn)的用戶友好界面，擴(kuò)展性強(qiáng)等等方面的優(yōu)勢使其成為未來電源重要的發(fā)展方向。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。并采用