基于单片机控制的智能电源的设计

天朝大学毕业设计说明书基于单片机控制的智能电源的设计学 院 ： 电 气 与 电 子 工 程 学 院专 业 ： 电 气 工 程 及 其 自 动 化 学 生 姓 名 ： 你 猜 学 号： 0720121220 指 导 教 师 ： 很 漂 亮 2011 年 6 月中文摘要I摘 要本设计给出了数控直流稳压电源的硬件电路和软件系统。整个稳压电源由单片机（数控中心）系统、键盘、显示、A/D 和 D/A 转换、辅助电源、稳压输出电路，备用电源电路等模块组成。实现了电压的可预置、可步进增减调整、输出电压信号可数字显示等功能。此外本系统还附有一组由两节可充电锂离子电池构成的备用电源，使得该智能电源在外部电网电力供应中断的情况仍可向重要负载持续供电一段时间，系统可独立完成对这组备用电源的充放电控制。同时为了避免因使用不当对电池造成的损害，还为锂离子电池组配置了专门的保护电路，使得该组备用电源具有很高的安全性。综上可知本系统具有功能多、显示直观、使用方便等特点，因而具有一定的实用价值。关键词：直流稳压电源,单片机,数控,PID,备用电源英文摘要IIAbstractThis system includes both hardware and software systems. There are several modules of this whole system,such as single-chip computer(Digital Control Center) system , keyboard, display, D/A and A/D converters, auxiliary power supply, voltage output adjustment,backup power supply ect. These functions are realized that the voltage can be pre-set, step changes in adjustment, figuresm show the output voltage signal ect. This system also includes a backup power supply consisted of two rechargable Li-ion batteries ,which could still power some important external load for limited time when the smart power supply has lost itspower,and the backup power supply could be worked safely and independently under the control of the system.In order to keep the Li-ion batteries from exposing in these serious dangers,a special protect device has been installed.The system has the following features , such as multi-functions, intuitived showing , easy using ect. So this design possesses a great number of practical value.Key words： DC regulated power supply, Single-chip computer system, numerical control, PID,Backup Power supply目 录III目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第一章 引言 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.1.1 电源技术 .11.1.2 锂离子电池 .21.2 本课题的研究内容 .51.3 本文的结构 .5第二章 系统总体设计 .72.1 系统设计任务及要求 .72.2 系统总体方案论证 .72.2.1 可调电压输出电路部分 .72.2.2 备用电源部分 .82.3 系统总体方案 .8第三章 系统单元电路设计 .103.1 辅助电源电路 .103.1.1 直流稳压电源的基本原理 .103.1.2 本系统辅助电源设计 .133.2 2-12V 可调电压电路 .153.2.1 单片机系统 .153.2.2 数模转换电路 .163.2.3 稳压输出电路 .173.2.4 模数转换电路 .193.2.5 4*4 行列式键盘 .213.2.6 显示电路 .223.3 备用电源电路 .243.3.1 充电电路 .243.3.2 保护电路 .28第四章 系统软件设计 .334.1 PID 算法 .334.1.1 PID 算法简介 .334.1.2 PID 控制器的参数整定 .344.2 系统子程序流程图 .354.2.1 显示子程序 .364.2.2 键盘子程序 .374.2.3 中断服务程序 .38结 论 .39参考文献 .40致 谢 .42附录： .43第一章 引言1第一章 引言1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 电源技术电源设备是电子仪器的一个重要组成部分，在科研及实验中都是必不可少的,电源种类繁多，也没有明确的划分标准，习惯上， 按照调整管的工作方式的不同可将直流稳压电源划分为线性直流稳压电源和开关型稳压电源两大类，下面我们将主要讨论线性稳压电源。在实际的工作环境下，特别是在一些工业场所，各种用电设备纵横交错，电磁环境十分恶劣，设备仪器在使用过程中常常会被暴露在异常状况工作环境之下， 例如过电压、瞬态脉冲冲击波、强电磁辐射等，这些都会影响设备的正常运行，严重时甚至会损坏电源，以至于影响整个系统的工作,这就对电源设备的可靠性提出了严格要求。人们已经研制成了许多模拟电压源，这些电压源各有各的优点，例如成本低、简单、负载可以接地等。在自动控制仪表中，常要求按一定输入值输出相应精度电压，但是一般的电压源往往是固定的一种电压值，或有限的数档电压值，不便于通用。常见的直流稳压电源,大都采用串联反馈式稳压原理,通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。由于受电位器阻值变化的非线性和调整范围窄所限,普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。在目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。近年来，随着微电子技术的发展，新器件的研制、生产周期日益缩短，电子技术中遇到的许多难题将通过寻求新器件的办法解决。各种各样的 D/A 转换器已可实用，便可以方便的对电压值进行数字控制，这样就可以比较经济地构建数控直流稳压电源 【28】 之类的电路。单片机相关的应用技术更是有了迅猛的发展，众多功能各异、结构不同、供应状态不一的单片机可供用户选择，如支持 ISP（在线更新程序）功能的89S51 系列芯片，低电压、高性能 8 位 CMOS 芯片 AT89C51，以及具有内部集成 D/A、A/D 转换器的单片机 C8051F02 等等。将低价位的单片机引入电源设计中，以单片机作为核心部件，利用键盘产生中断，利用中断服务程序实现各模块的功能成为当前国内外数控电源设计的主流。本课题将单片机数字控制技第一章 引言2术有机地融入直流稳压电源的设计中, 设计出一款高性价比的多功能数字化通用智能型直流稳压电源。该电路具有电压调整简便,读数直观,电压输出稳定,便于智能化管理的特点,可以有效地克服传统电源的不足。集成芯片的不断发展，亦大大简化了电源的设计，电源工程师们不用一步一步地去连接复杂的电路，因为各部分的电路都集成在各部分的功能模块中，只需将其封装起来，构成模块整体，这样，电源的设计、制作以及故障维修也相对比较简单了，当需要用到某些功能时，只需要将那些功能模块连接起来组成一个整体电路，再经过调试和测试便可以达到其特定功能，如果整体电路中的某个部分出现了错误，那么可分别对各模块进行检查，维修起来自然比较方便。本设计中的数控电源就是模块设计中的一个比较好的应用。它的主要功能部分都运用了集成芯片，用户不需要知道各芯片的内部电路是怎样连接的，只需要知道各芯片管脚的功能和用法就可以了。数字化智能电源模块 【25】 是针对传统电源模块的不足提出的，数字化能减少使用过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。电源采用数字控制，具有以下明显优点：1）可以方便地采用先进的控制方法和控制策略，使电源的智能化程度更高，性能更完美。2）在不改动硬件电路的基础上可方便地对系统升级，维护方便。3）系统的可靠性高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，不同的性能要求可通过对控制软件做相应的修改来实现。1.1.2 锂离子电池近年来，各种携带式的电子产品成为市场上的热门，如手机、数位相机、个人数字助理（PDA）、笔记型电脑等 3C (Computer, Communication,Consumer Electronics)等等产品均朝向无线化、可携带化方向发展，对于产品的各项高性能元件也往轻、薄、短、小的目标迈进，因此对于体积小、重量轻、能量密度高的二次电池需求相当迫切。因此,电池厂商也研发出各种不同用途的电池，来适应电子装备的需求。使电子产品具有携带更方便，使用时间长等特点。第一章 引言3小型二次电池包括镍镉电池、镍氢电池及锂电池，在防止镉污染的环保需求下，镍镉电池慢慢被取代已成趋势。镍氢电池虽无环保问题，但是能量密度低，高温特性差及少许记忆效应等缺点，在 3C 产品应用上，已经逐渐被锂离子电池所取代。锂离子电池具有工作电压高(3.7V) 、能量密度大(150Wh/kg)、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，皆以锂离子电池做为其能量来源，因为电子产品的使用量迅速成长，各种可携带式电子产品的研发不得不更轻薄短小以使产品能更具有竞争力，“ 电池 ”的角色显得更加重要，其品质的良莠甚至决定了产品的成功与否，特別是可充电二次电池，在市场中成长快速、利润高，目前已成为许多先进国家竞相发展的研究项目，其未来需求及发展前景是相当看好的。总的来说，锂离子电池具有以下优点 【13】 ：（1）能量密度高，其体积能量密度和质量能量密度分别可达 360Wh/dm3和 150Wh/kg，而且还在不断提高。（2）工作电压高，通常单节锂离子电池的电压为 3.7 V，单体电池即可为3 V 的逻辑电路供电。对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。（3）自放电小，每月 10%以下，不到镍镉电池的一半。（4）可快速充放电，1 次充电时容量可达标称容量的 80%以上。锂离子电池负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。在特定情况下可在短时间内充足电，而且安全性能大大提高。（5）寿命长，锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以避免电池因内部金属锂短路而损坏。目前，锂离子电池的寿命可达 1000 次以上，远远高于各类电池。（6）允许温度范围宽，锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在-20+60 之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。C0（7）无记忆效应，即是说锂离子电池没必要每次都放完电再充，可以随用随充，大大简化了对充电的要求。此外，锂离子电池还具有体积小、输出功率大、和无环境污染等优点。综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池，尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点。 第一章 引言4（1）与干电池无互换性：锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点，当蓄电池放完电时，一般的想法是用干电池暂时取代 但由于这两者电压不同，不能直接代换。 （2）无法急速充电：锂离子电池不能像镍镉电池那样，用 15 分钟急速充足电。锂离子电池的充电方法是，最初以恒定电池充电，最后则以恒定电压完成充电，较快速度充电时间约需 2 小时。 （3）内部阻抗高：因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多。所以，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大 10 倍左右。（4）工作电压变化较大：电池放电到额定容量的 80%时，镍镉电池的电压变化很小( 约 20%)，锂离子电池的电压变化很大（约 40%）。对电池供电的设备来说，这是严重的缺点，但可以由锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测电池的剩余电量。 （5）放电速率较大时，容量下降较大。（6）必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放。但同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。因此锂离子电池具有广泛的应用价值，其经济价值相当可观。锂离子电池的新发展：1.聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。目前很多企业都在开发这种新型电池。2.动力锂离子电池动力锂离子电池：严格来说，动力锂离子电池是指容量在 3AH 以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位 AH 的级别。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大第一章 引言5电流充放电的场合。根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。3.高性能锂电池为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。为此，改用一种新的合成方法。他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本较低，而其高性能可以保持很长时间。领导这项研究的马克西米利安 菲希特纳博士说，如果研能够充分开发这种新材料的潜力，将来可以使锂离子电池的储电密度提高倍。1.2 本课题的研究内容本课题拟设计一种基于单片机的智能直流稳压电源。该电源通过不断地采集输出端的实际输出电压，转换为数字量后传