【正文】 關(guān)變換器的體積也隨之減少，功率密度也得到大幅提升，動態(tài)響應得到改善。但隨著開關(guān)頻率的不斷提高，開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI 等新的問題也將隨之產(chǎn)生。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效的降低開關(guān)損耗和開關(guān)應力，有助于變換器變換效率的提高。目前PFC 技術(shù)主要分為有源PFC 技術(shù)和無源PFC 技術(shù)兩大類，采用PFC 技術(shù)可以提高ACDC 變化器輸入端功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染。采用模塊化技術(shù)可以滿足分布式電源系統(tǒng)的需要，提高系統(tǒng)的可靠性。隨著半導體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器和便攜式電子設備的工作越來越低，這就要求未來的DCDC 變換器能夠提供低輸出電壓以適應微處理器和便攜式電子設備的供電要求。更好的環(huán)保性能。更廣泛的應用等方向發(fā)展[4]。但是傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源輸出電壓是通過粗調(diào)波段開關(guān)及細調(diào)電位器來調(diào)節(jié)的,并由電壓表指示電壓值的大小。以單片機設計出來的智能穩(wěn)壓電源不但電路簡單，成本低廉，性價比高，而且由于單片機自身具有計算和控制能力，可以排除和減少由于騷擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高穩(wěn)壓電源輸出電壓和控制電流精度，降低了對模擬電路的要求，確保電源正常工作。單片機控制開關(guān)電源現(xiàn)在在國內(nèi)比較少,因為單片機在控制、顯示等方面有非常大的靈活性，基于單片機的智能開關(guān)電源在今后有非常大的發(fā)展?jié)摿?。本設計制作的基于單片機直流穩(wěn)壓電源主要由整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、顯示電路、控制電路五部分組成。顯示電路則用于顯示電源輸出電壓的大小?；趩纹瑱C的直流穩(wěn)壓電源與傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源相比具有操作方便，電源穩(wěn)定性高、調(diào)節(jié)精度高、波紋電壓低以及其輸出電壓大小采用數(shù)碼管顯示的特點。單片機控制電源相對于傳統(tǒng)直流電源具有以下明顯優(yōu)點: ①單片機控制電路相對簡單，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，功能更強大。 ③控制系統(tǒng)的可靠性高，易于標準化，可以針對不同的系統(tǒng)，采用統(tǒng)一的控制板，而僅僅修改下程序或?qū)浖龊唵握{(diào)整 ④系統(tǒng)維護方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便檢測出故障點并容易修復故障，而不像傳統(tǒng)電源需要做大量工作去調(diào)試、檢測和修復。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。 本題目所要實現(xiàn)的設計任務設計出有一定輸出范圍（0V到9V）和電壓值可設定（通過鍵盤設定）而且過流過壓等自動保護功能的數(shù)控電源。②輸出電壓值由數(shù)碼管顯示③對電路中出現(xiàn)過壓、過熱做出及時處理并發(fā)出警報④為實現(xiàn)上述幾部件工作，自制一穩(wěn)壓直流電源，+15V、15V、＋5V。2 方案分析與選擇2 方案分析與選擇 設計方案方案一：此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點在于使用一套雙計數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，其中二進制計數(shù)器的輸出經(jīng)過D/A變換后去控制誤差放大的基準電壓，以控制輸出步進。 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制計數(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電壓來實現(xiàn)輸出步進。 方案二的框圖方案三：此方案的控制部分采用TA89C51單片機，輸出部分采用傳統(tǒng)的調(diào)整電路的方式，經(jīng)過脈寬調(diào)制而得到即DCDC轉(zhuǎn)換最終在經(jīng)過整流濾波得到穩(wěn)定的直流，因為使用了單片機，整個系統(tǒng)可編程，使得系統(tǒng)靈活性大大增加同時電源與傳統(tǒng)的電源相比較效率大大的得到提高。 方案的簡括圖 方案論證由三種方案的結(jié)構(gòu)概括圖進行論證。在方案三中采用了AT89C51單片機完成整個數(shù)控部分的功能，同時，AT89C51作為一個智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴展。③顯示部分 方案一、二中的顯示輸出是對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸出，顯示值為D/A變換的輸入量，顯示值與電源實際輸出值之間可能出現(xiàn)偏差。在方案三中還采用了鍵盤/顯示器接口擴展口芯片8255。④補充說明 如前如述，雖然方案三比前兩者有許多優(yōu)點，但方案一、二對于完成設計要求并非不可行，而且在某些方面(如電路結(jié)構(gòu)簡單等)還具有自己的優(yōu)勢。3 系統(tǒng)硬件電路設計3 系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)硬件電路設計方框圖系統(tǒng)分為：數(shù)控部分、鍵盤/顯示器接口電路、功率放大電路、輸出電壓顯示電路、電源設計五大部分。電路如圖所示[18]。一個二極管導通后，另一個二極管因承受反向電壓而截止；VDVD4 與陽極連接，哪個二極管的陰極電位低，哪個二極管優(yōu)先導通，一個二極管導通后，另一個二極管因承受反向電壓而截止。 2對二極管VDVD3和VDVD4在正、負半周內(nèi)輪流交替導通，并且引導正、負半周電流在整個周期內(nèi)以同一方向流過負載。當上升到=時，VDVD3截止，電容通過負載電阻放電，由于負載電阻很大，放電很慢，電容兩端電壓沿BC端曲線下降[6]。這樣，電容不斷地充放電，使得負載得到一個脈動較小的鋸齒波電壓。計算濾波電容器根據(jù)設計要求，輸出紋波電壓，假定脈沖觸發(fā)周期，濾波電容可用下式計算該電容應選用無感電容或用多個鋁解電容并聯(lián)。振蕩電路如下圖： 振蕩原理圖當三極管的基極輸入高電平（+5V）時，我們的三極管導通，A點就通過R15與地導通，電流經(jīng)過TR2的初級線圈到地，當為低電平時三極管截止，A點相當于懸空，此時TR2的初級線圈沒有電流通過。在這里我們選用信號B（100HZ,+5V,D=50%）充當PWM信號仿真如下（）： 變換后的次級繞阻上的電壓通過上圖可以看出直流電經(jīng)過變換以后形成了與PWM信號幾乎相同頻率的交流信號。①脈沖變壓器的設計1）確定變壓器的變化根據(jù)輸出電壓的關(guān)系式 驅(qū)動及功率轉(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。設開關(guān)管的導通時間=12ms為例對變壓器進行一次設計計算，則變壓器的變比為取n=7。開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率一般在60%~90%之間，本設計取ETA=，則輸入功率為初級的平均電流為假定初級線圈的電流為零，那么，在開關(guān)管的導通期里，初級線圈中的電流則從零開始線性增長到峰值的關(guān)系式為[17]3）計算初級繞組線圈數(shù)初級繞組的最小電感為根據(jù)輸出功率的大小，選用適當?shù)拇判?，其形狀用環(huán)形、EI形或罐形均可。則初級繞組的圈數(shù)為式中，——初級電感（H） ——初級線圈峰值電流（A） ——磁芯截面積（） ——磁芯最大磁通密度（T）。開關(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)。開關(guān)電源效率通常在60% ~ 90%之間。考慮到脈沖變壓器磁化電流的影響，脈沖頂部是不平的。本設計取3）確定開關(guān)管承受的反向電壓：開關(guān)管的耐壓必須考慮電感負載可能發(fā)生的最大瞬間電壓值。本設計中開關(guān)管的反向電壓應滿足。具體參數(shù)如下：按照要求設定的電路中的相關(guān)參數(shù)以后的的仿真圖如下： BC間的電壓 過熱保護電路利用PTC熱敏電阻器在居里溫度以上電阻值陡然升高的特性，當環(huán)境溫度異常升高時，裝有PTC熱敏電阻器的保護線路通過阻值的改變而接通或斷開回路，達到保護組件目的。這時候輸出電壓翻轉(zhuǎn)成一個低電平（可以用作保護的中斷請求信號）。 過熱保護電路圖過熱保護的仿真我們將單片機的/INT1口作為過熱保護的申請口，當這個引腳由低電平到來時則啟動過熱保護。相關(guān)的圖形如下： 過熱保護仿真的輸出電壓在上圖中左邊是保護時保護前的電路的輸出，中間是保護時的輸出，最右邊是恢復以后的輸出。 采樣這一部分是在輸出端口分壓采樣,[15]。我們的設計簡圖電路如下： 過壓保護原路圖其工作原理是當輸出電壓值經(jīng)過采樣和AD轉(zhuǎn)換后大于我們預先設定的電壓值的25%后單片機的PWM引腳產(chǎn)生一個低電平信號截至開關(guān)管使得逆變變壓器的初級線圈斷開，從而使得輸出值為零。 鍵盤掃描接口電路本次設計選用的是4*4的鍵盤,鍵盤的掃描選用的是單片機的P1接口。鍵盤接口及其軟件的任務主要包括以下幾個方面：首先，檢測并判斷是否有鍵按下。再次，計算并確定按鍵的鍵值。在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減小I/O端口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，也就是常說的行列式鍵盤。當鍵被按下時，其交叉點的行線和列線接通，相應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。這樣一個端口可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯。由些可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。列線通過電阻接正電源作為輸出端，而列線所接的I/O端口則作為輸入。此時行線輸出是低電平，一旦有鍵按下時，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了，鍵盤按鍵功能如下表1。 數(shù)控部分核心圖。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案[10]。4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年２）全靜態(tài)工作：0Hz24Hz３）三級程序存儲器鎖定４）1288位內(nèi)部RAM５）32可編程I/O線６）兩個16位定時器/計數(shù)器７）5個中斷源 ８）可編程串行通道９）低功耗的閑置和掉電模式１０）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路②管腳說明： AT89C51的引腳圖VCC：供電電壓GND：接地。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。RST：復位輸入。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。④芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換電路這一部分采用的是常規(guī)的轉(zhuǎn)換方法,即是才用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,其中在不同的精度場合要求不同位數(shù)的芯片,。ALE是地址鎖存允許，START是芯片的啟動引腳其上脈沖的下降沿啟動一次A/D轉(zhuǎn)換，在這里由于單片機還要有其他的工作我們在這里就將ALE、（/WR）共同決定（均為‘0’時ADC0808開始工作）,EOC是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，我們可以利用這個信號和單片機通信來調(diào)用后續(xù)的處理程序。當我們需要讀取數(shù)字信號的時間我們使OE口為高電平即刻從OUT0、OUTOUT7讀取數(shù)據(jù)了（(/RD)均為‘0’） 。CLK接時鐘信號我們在這里選用500KHZ由U2（74ls90）分頻單片機的ALE信號可得（CLK=(12M/6)/4=500K）。②開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。1）若ui＞uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；2）若ui＜uo，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平稱重的過程。⑥分辨率=mv ADC0808芯片引腳介紹 ADC0808引腳圖IN0～IN7：為模擬量的輸入口,我們選取IN3口為入口，外接可變電阻，通過改變阻值來控制模擬量的輸入。這里我們將A，B接高電平，C為低電平。 D0～D7：八位數(shù)據(jù)輸出線，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果由這8根線傳送。當OE=1時，即為高電平，允許輸出鎖存器輸出數(shù)據(jù)。 EOC：轉(zhuǎn)換完成信號，當EOC上升為高電平時，表明內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換已完成。 顯示電路的設計 顯示電路為了實現(xiàn)輸出電壓的實時監(jiān)控，輸出電壓采樣測量經(jīng)過單片機的處理后并將輸出電壓用LED電子屏幕顯示，用戶可以從顯示器上看見兩個電壓值：其一為單片機設置的電壓值，即期望值。正常工作時兩者相差很小。本次設計的顯示電路如下圖所示： 顯示電路顯示的原理：這里的顯示主要牽涉到8255A芯片，要關(guān)系到8255A各個口的地址，由圖可得A口的地址是00 ，(MOV R0,00H,