基于MSP430单片机的数控稳压电源设计本科毕业设计论文.docx

本科毕业论文(设计)题 目：基于msp430单片机的数控稳压电源设计学 院： 自动化工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 姓 名： 指导教师： 2012年 5月 27 日the design of cnc linear regulated power supply based on the msp430摘 要本文介绍了基于msp430单片机的高精度数控稳压电源设计，设计制作的数控电源可以实现键盘控制输入，实时显示输入输出电压电流，并具有智能上电掉电保护、限流输出与短路保护等功能，具有易于操作、精度高、稳定度好、安全性强等特点。文中主要阐述了变压模块、电压调整模块、采样模块、反馈模块、键盘输入模块、液晶模块以及单片机控制模块的原理设计与详细的制作流程。整个系统的设计是以16位的msp430单片机为核心，完成对数据的测量和处理，控制输出电压的变化，整个系统通过模拟仿真与实物测试分析，基本满足了设计指标，取得了良好的效果。关键词 数控电源 线性电源 智能 msp430 abstractthis article describes a design of high-precisi/on cnc regulated power supply based on msp430 microcontroller, the design of digitally controlled power can control keyboard input, display of input and output voltage and current at real-time, and intelligent power brown-out protecti/on, current limiting output short circuit protecti/on, with easyoperati/on, high accuracy, stability and security. this article described the main transformer module and voltage regulator modules, sampling module, feedback module, the principles of design of the keyboard input module, lcd module and mcu control module and detailed producti/on process. overall system design is based on 16-bit msp430 microcontroller as the core to complete the measurement and processing of d/ata, control the output voltage, the whole system via the simulati/on and physical testing and analysis, and basic to meet the design specificati/ons, and achieved good results .keywords cnc power supply linear power intelligent msp430 前 言在社会经济与科技蓬勃发展的今天，电能得到了广泛的利用，电力电子技术作为电能最广泛的应用技术之一，也得到了飞快的发展，其中电源技术的不断进步与创新对此起到了很关键的作用。电源技术尤其是直流稳压电源技术服务于各行各业，它融合了电气、电子、电磁、系统集成、自动控制、现代控制、材料学等诸多学科领域，是一门实践性很强的工程技术。计算机和通讯技术的发展，带来了第三次科学技术革命，在给予电源技术广阔的发展空间的同时也对电源的性能提出了更高的要求。由于电力电子元件的特性，几乎所有的电子设备都需要在可靠、稳定的电源电路的支持下才能正常的工作，因此稳压电源是电子电路设计与分析过程中的必备设备，如果电源工作状态不稳定，会对电子设备的部分功能产生影响，甚至会影响整个系统的稳定从而会造成许多不良的后果。稳压电源按照分类标准不同有很多不同的分类，例如按输出电源的类型分类可分为直流稳压电源和交流稳压电源；按照电源与负载的连接方式可分为串联型稳压电源和并联型稳压电源；又按调整管的工作状态分为线性稳压电源和开关稳压电源等。通常情况下电子设备在正常工作时都需要提供恒定的直流电能，因此直流线性稳压电源在电源技术中占有很重要的地位。目前的线性稳压电源按控制方式不同大致分为两类：一类是模拟电源，另一类是数字电源，模拟电源的系统电路均采用模拟器件控制，而后者则是通过数字电路进行控制。现在直流稳压电源越来越朝着数字化的方向发展，因此研究数控直流稳压电源是很有必要的。以单片机为核心的新一代数控直流稳压电源不但硬件电路结构简单，模块性强，成本低，生产效率高，利于工厂大规模生产，而且采用单片机控制可以实现对电源的输出量进行信息采集与分析计算，实现对输出的自动控制与反馈，可以大大提高电源输出的稳定性和控制精度，同时它还具有自我保护功能和自恢复功能，智能检测可能出现的故障，并根据检测的结果采取预定的保护措施，极大地降低了模拟电路的故障率，并且操作方便，调试简单，体积小，可靠性高，具有很高的实用价值。本文对基于msp430单片机的数控直流线性稳压电源进行了初步的研究与设计，以达到进一步了解数控线性稳压电源的设计与应用的目的。第1章 数控线性稳压电源研究现状与发展方向1.1 选题的背景和意义1.1.1 选题背景 常用的直流稳压电源按调整管的工作状态一般可分为两类，一类是比较简单的电子设备中广泛使用的线性稳压电源，比如教学实验用电源、电解/电镀用电源、收音机电源等；另一类是各种大功率的设备中广泛使用的开关稳压电源，比如微型计算机适配器、大功率功放电源、常用的充电器等。线性稳压电源主要包括工频变压器、输出整流滤波电路、控制电路、主电路、保护电路等五部分组成，它是先将220v交流市电经过变压器变压得到低压交流电，再经过整流电路，整流得到有脉动的直流，经过滤波电路对整流输出的直流进行滤波，得到相对稳定的没有脉动的直流电，然后进入调整电路，将电压恒定的直流电转化成输出电压受控制电路控制的直流电能，并通过反馈电路调整输出电压，提高输出电压的精度，现在这种电源的技术很成熟，可以达到很高精度和稳定度，输出电压波纹也很小，而且没有开关电源对外具有的干扰与噪音，但是它最大的缺点是需要庞大而笨重的工频变压器，滤波电路的电容体积和重量也相当大，而且电压调整电路是工作在线性状态，电源主电路的输入电流与电源的输出电流一致，而主电路上的电压降为输入和输出电压的差值，在输出电压较小而输出较大的电流时，调整管上的功耗太大，转换效率低（一般线性电源的效率只有3040%），所以还需要安装很大的散热片。与线性电源相反，开关电源具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的2030%）、效率高（一般为6070%，最高达到90%以上）、自身抗干扰能力强、输出电压范围宽、模块化强等优点，但是由于开关稳压电源的开关管工作在开关状态，在逆变过程中会产生高频电压，这些交变的电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰就会污染市电电网，直接或间接的影响临近的电子仪器设备的正常工作，因此需要良好的屏蔽及接地，而且开关电源的输出纹波电压大，在对电源质量要求比较高的一些精密电子仪器等场合，开关稳压电源尚不能胜任。传统的线性稳压电源功能简单、不易控制、可靠性低、精度低、体积大且复杂程度高、故障率高、自我保护功能不够完善，因而实用性比较低。随着各种电子、电气设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断向着小型化、智能化、高效化、数字化、模块化、绿色化方向发展，以单片机为核心的新一代智能稳压电源不但硬件电路简单，结构紧凑，性能卓越，而且价格低廉，模块化强，利于大规模生产，生产效率高，利用单片机对输出进行采集分析计算和控制，能够极大地减小输出电压的纹波，提高稳压电源的稳定度及控制精度，同时智能稳压电源具有自我保护电路和自恢复功能，智能检测可能出现的故障，并采取相应措施，极大地降低了硬件电路的复杂程度，此外，输出电压和最大输出电流采用键盘输入，可以保证负载的安全，输出电压电流等信息通过屏幕或数码管显示，人机界面友好，操作方便，调试也比较简单，体积小，故障率低，具有很高的实用价值。1.1.2 意义 采用单片机控制的数控直流稳压电源是针对传统稳压电源的不足而提出来的，它不仅能够减少电源生产过程中的不确定因素（如阻值精度等）以及人为参与的环节数，更有效的解决了传统电源模块中诸如智能化程度低、可靠性低、不易控制、产品一致性低等一系列问题，极大地提高了生产效率以及产品可维护性。电源采用单片机控制，具有以下明显优点： 系统升级一般只需改动软件算法，通过下载口就可以更新程序，硬件电路不必更改即可继续使用，减少不必要开支，易于电源更新换代。 具有友好的人机界面。智能化的数控稳压电源采用键盘控制，还能将电源的工作状态、运行情况以及测量数据的处理结果实时通过屏幕显示出来，使系统的工作状态更加方便直观，利于工作人员操作。 系统一致性好，易于校准和调试，高级的智能电源还具有智能自校准功能。 产品维护方便，一旦出现故障，可以通过通信接口在线检测查询故障，对于软件故障通过通讯接口就可以修复系统软件，实现与上位pc机通信，可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数以及实现远程开关机等功能。 控制灵活，系统可靠性高，控制精度高，具有自我保护功能和自恢复系统。 由于采用单片机进行控制，易于采用先进的控制算法和控制策略，通过编程就可以实现比较复杂的均流控制算法，实现高可靠性、高冗余度的电源并联均流，为系统的扩容提供了方便。1.2 研究现状及发展方向1.2.1 研究现状迄今为止，电源技术已经发展成为一门比较完整的、自成体系的高科技体系技术，其中数控稳压电源是从十九世纪80年代才开始发展起来的，期间系统的电力电子理论也刚刚开始建立，这些理论为以后的发展提供了一个良好的基础，在后来的一段时间内，数控稳压电源技术有了很大的进步和发展，但是局限于当时的科学理论水平与制作工艺，产品存在数控程度低、控制精度达不到要求、可靠性与稳定性低等一系列缺点，因此数控稳压电源的发展方向主要是针对以上的几个缺点进行不断的改进和完善，随着新的控制理论以及数据转换技术的发展，各种专用的集成电路的不断研发与利用，单片机及a/d、d/a转换器得到了广泛的使用，为后来数控稳压电源的发展提供了极大的便利条件，到了90年代，已经出现了数控精度达到0.05v/lsb的数控稳压电源，功率密度更是达到50w每立方英寸，到今天，大量的电源专用的芯片被广泛采用，并出现了集成高精度的a/d、d/a与段码液晶驱动的专门用于电能测量的单片机，这些产品的出现极大的缩短了新产品的设计周期，更利于数控稳压电源的设计与研发。在我国以现代电力电子为核心的电源产业兴起比较晚，直到二十世纪60年代才开始形成，到了90年代，电源产业进入快速发展的阶段，一方面得益于国家自然基金的资助与激励，另一方面市场对电源的需求不断增大，电源产业的规模在不断扩大，在创新意识的指导下，国内开展了跟踪国际多方面前沿课题的研究，使我国的电源技术的研究从引进吸收消化，过渡到一般的跟踪发展，再到前沿跟踪与基础的创新与研发，电源行业踊跃出一大批难度大、具有国际领先的技术，而且还生产出一大批具有国际领先水平的代表性产品。但是，与发达国家相比，我国的电源产业还存在很大的差距和不足，一方面国内的数控电源主要是利用单片机或者可编程逻辑器件来控制稳压电源调整管的开关程度来实现数控，这样的控制方法和国外相比，电源的效果不是很理想。另一方面虽然国内的生产厂家生产的数控稳压电源也是在向着数字化方向靠拢，但是大多数还是仅局限于对预置输入的查表控制与输出的数字显示，总体来讲国内的直流稳压电源在电源的可靠性、质量、持续创新能力、智能化水平、生产规模、生产工艺水平、检测设备水平等方面还存在有10到15年的差距，尤其在直流稳压电源的智能化和网络化的研究方面，我国还仅限于实验室研究阶段。在国际竞争激烈的今天，这无疑是对我国电源产业的严峻考验。1.2.2 发展方向直流稳压电源技术现在已经日益成熟，但是随着科技的发展以及未来社会对电源设备要求的不断提高，直流稳压电源还有很大的潜在发展空间，未来直流稳压电源的发展方向大致有三大发展方向：智能化、模块化、数字化。 智能化目前在研究开发高性能、高精度的仪器仪表时，几乎全部采用单片机以及可编程逻辑器件来实现，电源也不例外。直流稳压电源作为仪器仪表最基本的组成部分，不仅为仪器仪表提供稳定的电能，同时又具有测量的功能，而在仪器仪表故障中大约60%是因为电源模块故障，因此在很大程度上电源模块的质量直接决定仪器仪表的质量，以单片机为核心的新一代智能电源正在日益取代传统的模拟电源，解决了许多传统稳压电源没有解决的问题，优化了系统电路，提高了系统性能。在智能化的今天，直流稳压电源实现智能化也是大势所趋。 模块化电源的模块化主要有两方面的含义，一是指指电源功能单元的模块化；二是电源器件的模块化。电源模块化可以方便使用和生产，缩小体积，更重要的是模块化能够取代传统接线，把寄生电容等非确定变量降到最低，降低电子元器件在正常工作或者故障时所受的电动力，降低元件损耗，提高系统的稳定性与可靠性，还可以使用多个模块并联使用，增加系统的冗余，分担负载，扩大系统容量，可以大大的提高可靠性。 数字化 在数字化的今天，数控电源不仅仅是局限在使用键盘输入和数字显示等方面，在传统的直流稳压电源中，控制部分完全是建立在模拟电路基础上的，系统功能的实现依托于硬件电路，对硬件电路的要求比较高，而数字化的电源采用先进的控制算法，软件可以实现滤波等功能，可以避免模拟信号的畸变失真、提高抗干扰能力、便于计算机处理控制、并大大增强了系统的容错能力。 第2章 线性稳压电源电路的设计思路及方案论证2.1 初步设计的系统整体框图图2.1 系统整体框图2.2 设计思路直流线性稳压电源的实现形式有很多种，例如串联型稳压电源和并联型稳压电源，采用集成稳压芯片的稳压电源与分立元件搭建的稳压电源等。本设计旨在设计完成一个能满足日常实验及工作需要的实用电源，对电源的稳定性、精度有较高的要求，现在拟以内部集成a/d、d/a的16位单片机msp430f169为核心，采用桥式整流，电容滤波，分立元件搭建电压调整电路，选取硬件负反馈设计一个串联输出的数控直流线性稳压电源，以下是对本此设计的电源各个模块单元的论证。2.3 各个模块方案论证2.3.1 控制器的选择方案一：采用51单片机作为主控制器。控制外围电路进行电压电流采集、电压电流的设定、键盘和液晶显示的控制，由于常用的51单片机没有集成a/d、d/a，内部的资源较少，外部中断只有两个，因此要实现数控控制比较困难，会造成逻辑电路比较复杂，且灵活性较低，还需加扩展a/d、d/a及存储芯片，不利于各种功能的扩展。方案二：采用msp430单片机来实现系统的控制。msp430f169是ti公司的16位低功耗系列单片机，它集成了两个带捕获/比较功能的16位定时器，拥有8通道12位高速的a/d转换模块和两个独立的12位的d/a转换模块，而且内部集成硬件乘法器，大大提升了mcu的运算速度。芯片集成度高，简化了硬件单路，此系统硬件相对简单，多数功能可由软件实现， 因此系统控制灵活，而且更加稳定，并且低功耗便于整体效率的提高。综上两个方案，经过比较分析采用ti 公司的msp430f169作为本次设计的控制芯片。2.3.2 关于电压调整方式 方案一：电位器分压式。利用电位器的中间抽头的电位可以随电位器抽头的位置变化产生线性变化的特点，将中间抽头的电平作为参考电压，这种方法的线性度较好，很容易实现，但是电位器使用较长时间后容易接触不良，而且不容易实现精确控制。方案二：pwm滤波模拟d/a。利用单片机的定时器产生占空比可调的脉冲信号，经过滤波处理以后得到与占空比一一对应的电平信号，利用此电平信号作为参考电平。这种方法节省d/a资源，占用i/o少，但是不够精确，稳定性比较低，而且输出电压还受单片机电源电压影响。方案三：采用d/a芯片。d/a芯片能将输入的数字量转化成相对应的模拟量，两者的对用关系仅与参考电压有关，线性度号，d/a芯片的稳定性好、精度高，但是价格昂贵。综上三种设计方案，由于msp430f169内部集成两个独立的12位d/a，而且具有外部参考电压，可以达到很高的精度与稳定度，故选择方案三。2.3.3 整流电路方案选择整流电路是电力电子电路中出现最早的一种应用电路，它的作用是将交流电能转换成直流电能供给直流用电设备。整流电路可以从不同的角度进行分类，主要分类方法有：按照组成器件的可控性可分为不可控整流、半控整流、全控整流三种；按照电路结构可以分为桥式电路和零式电路；按照交流输入相数又分为单相电路和多相电路；按照变压器二次侧电流的方向是单向还是双向，又分为单拍电路和双拍电路。常用的整流方案有以下几种：方案一：半波整流电路半波整流电路见图2.2。其中b1是电源变压器，d1是整流二极管，r1是负载。b1的次级输出电压是一个方向及大小都随时间变化的正弦波电压，波形如图2.3（a）所示，0期间是这个电压的正半周，这时b1次级上端为正下端为负，二极管d1正向导通，电源电压加到负载r1上，负载r1中有电流通过；2期间是初级电压的负半周，这时b1次级上端为负下端为正，二极管d1反向截止，没有电压加到负载r1上，负载r1中没有电流通过。在以后的周期中也将周期重复上述过程，这样电源负半周的电压波形被“削”掉，得到一个单一方向的电压，输出波形如图2.3（b）所示。由于这样得到的电压波形大小还是随时间变化，我们称为脉动直流。图2.2 半波整流电路图图2.3 半波整流电路波形图设b1初级电压为e，则理想状态下负载r1两端的电压可用以下公式求出： （2-1）整流二极管d1承受的最大反向峰值电压为： （2-2）由于半波整流电路只利用电源的正半周，电源的利用效率非常低，所以半波整流电路仅在高电压、小电流等少数情况下使用，一般电源电路中很少使用。 方案二：全波整流电路 由于半波整流电路的效率较低，于是人们很自然的想到将电源的负半周也利用起来，这样就有了全波整流电路。全波整流电路图如图2.4所示。相对半波整流电路，全波整流电路多用了一个整流二极管d2，变压器b1的次级也增加了一个中心抽头。这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。图2.4 全波整流电路电路图图2.5 全波整流电路波形图在0期间b1次级上端为正下端为负，d1正向导通，电源电压加到r1上，r1两端的电压上端为正下端为负，其波形如图2.5（b）所示，其电流流向如图2.6所示；在2期间b1次级上端为负下端为正，d2正向导通，电源电压加到r1上，r1两端的电压还是上端为正下端为负，其波形如图2.5（c）所示，其电流流向如图2.7所示。在23、34等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周的电压经过d1、d2整流后分别加到r1两端，这样r1上得到的电压总是上正下负，其波形如图2.5（d）所示。图2.6 全波整流电路原理分析图1图2.7 全波整流电路原理分析图2设b1次级电压为e，理想状态下负载r1两端的电压可用下面的公式求出： （2-3）整流二极管d1和d2承受的反向峰值电压为： （2-4）全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。 方案三：桥式整流电路 由于全波整流电路需要特制的变压器，制作起来比较麻烦，于是出现了一种桥式整流电路。这种整流电路使用普通的变压器，但是比全波整流多用了两个整流二极管。由于四个整流二极管连接成电桥形式，所以称这种整流电路为桥式整流电路。图2.8 桥式整流电路电路图 由图2.9可以看出在电源正半周时，b1次级上端为正，下端为负，整流二极管d4和d2导通，电流由变压器b1次级上端经过d4、r1、d2回到变压器b1次级下端；由图2.10可以看出在电源负半周时，b1次级下端为正，上端为负，整流二极管d1和d3导通，电流由变压器b1次级下端经过d1、r1、d3回到变压器b1次级上端。r1两端的电压始终是上正下负，其波形与全波整流时一致。图2.9 桥式整流电路原理分析图1图2.10 桥式整流电路原理分析图2设b1次级电压为e，理想状态下负载r1两端的电压可用下面的公式求出： （2-5）整流二极管d1和d2承受的反向峰值电压为： （2-6）桥式整流电路每个整流二极管上流过的电流是负载电流的一半，与全波整流相同。通常情况下桥式整流电路都简化成图2.11的形式。2.11 桥式整流电路简化形式桥式整流电路相对其他几个整流电路有如下几个优点：（1）桥式整流电路的交流利用率为100%，利用率比较高。（2）每个二极管承担的最大反向电压为倍的交流峰值电压。（3）流过每个二极管的负载电流仅为半波整流的一半。综上所述，桥式整流电路的性能要远好于其他两种整流电路，而且硬件也不复杂，因此整流电路我们采用桥式整流。2.3.4 滤波电路论证交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所含交流纹波很大，不能直接用作电子设备的电源。滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。 方案一：电容滤波电路 电容滤波电路图如图2.12所示，电容滤波电路是利用电容的充放电原理达到滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容c1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容c1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在c1还没有完全放电时再次开始进行充电。这样通过电容c1的反复充放电实现了滤波作用。滤波电容c1两端的电压波形如图2.13（b）所示。图2.12 电容滤波电路图图2.13 电容滤波电路波形图 选择滤波电容时需要满足下式的条件： （2-7）方案二：电感滤波电路电感滤波电路图如图2.14所示。电感滤波电路是利用电感对脉动直流的反向电动势来达到滤波的作用，电感量越大滤波效果越好。电感滤波电路带负载能力比较好，多用于负载电流很大的场合。图2.14 电感滤波电路图电容滤波结构简单。由于大容量滤波电容的广泛使用，克服了滤波效果稍差的缺点，广泛用于各类电源电路。方案三：rc滤波电路 使用两个电容和一个电阻组成rc滤波电路，又称型rc滤波电路。如图2.15所示。这种滤波电路由于增加了一个电阻r1，使交流纹波都分担在r1上。r1和c2越大滤波效果越好，但r1过大又会造成压降过大，减小了输出电压。一般r1应远小于r2。图2.15 rc滤波电路图方案四：lc滤波电路 与rc滤波电路相对的还有一种lc滤波电路，这种滤波电路综合了电容滤波电路纹波小和电感滤波电路带负载能力强的优点。其电路图如图2.16所示。图2.16 lc滤波电路图以下是上述各种滤波电路的对比：表2.1 不同滤波方式的优劣对比表电路名称滤波效果输出电压输出电流应用特点电容滤波稍差高稍小结构简单。由于大容量滤波电容的广泛使用，克服了滤波效果稍差的缺点，广泛用于各类电源电路。电感滤波较差低大电源电路中较少使用。rc滤波较好较高小常用于电子管收音机电路和各种高低频退耦电路。lc滤波很好高稍小电源电路中较少使用。通过对比，我们选择采用电容滤波方案。2.3.5 分立元件和集成可调稳压器 方案一：采用集成稳压芯片。集成稳压芯片也有很多，有固定电压输出的lm78xx及lm79xx系列，也有可调输出稳压芯片，常用的有输出电压1.2v37v，最大输出电流1.5a的三端稳压芯片lm317，还有最大输出电流5a的lm338k和lm317k，使用集成芯片时外围硬件电路设计比较简单，稳压精度相对比较高，短路及过载等保护功能完善，但是要实现更大的输出电流就需要进行并联输出，对于并联的元件参数有较高的要求，而且由于稳压芯片内部存在压降，输出电压都不能从0v起调，要实现输出0v起可调必须把adj脚加上负电平，而且对负电平的大小要求比较精确，这样的话要达到0v输出就比较困难。方案二：采用分立元件。虽然采用分立元件会使硬件电路的设计任务加重，使电路的故障率有所提高，但是采用分立元件可以按自己的要求设计电路，并可以对系统的容量进行充分的冗余，而且采用分立元件最大的优点在于最小输出电压可以从0v开始。参考以上两种方案，由于设计任务要求输出电压从较小的电压起调，故电压调整电路部分采用分立元件。2.3.6 闭环负反馈方法案选择 方案一：硬件反馈直接控制。这种方法是利用两个运放，将运放a构成电压比较器，将设定的输出电压数字量经d/a转化后输入运放a的同向端，而输出的电压经过另一个运放b进行比例运算后输入到运放a的反向端，这样就形成了硬件的反馈。硬件反馈速度极快，几乎不会产生纹波，电压调整率好，但是硬件反馈有一个致命的缺点：容易引起系统震荡，设计时需要防止系统的震荡。方案二：软件反馈控制。输出电压经a/d采样，采样结果送给单片机，单片机采用pid算法对输入电压信号进行计算与分析，分析结果再通过控制d/a转换来控制输出，由于采用pid算法，电源的稳定性比较高，但是软件控制的速度受a/d、单片机、d/a处理速度的影响，a/d、d/a的转换速度与转换精度大致成反比，加快转换速度会牺牲一定的控制精度，另一方面，pid控制算法涉及浮点运算，会大大降低单片机的处理速度，而且单片机一旦死机，输出电压就失控，保护电路也会由于单片机的失控也会随之丧失功能。结合实际：由于msp430的在处理、计算浮点数据与执行大规模数据处理程序速度方面并不占优势，而且反馈速度慢会造成电源的输出失控，系统无法正常工作，因此闭环反馈调整只有采用硬件负反馈。2.3.7 输出带载方式直流线性稳压电源的输出方式分为两种：并联输出和串联输出。方案一：并联输出负载和主电路的连接方式为并联。并联型稳压电源示意图如图2.17所示。其中d1是稳压二极管，r1是限流电阻，r2是负载。由于d1与r2是并联，所以称并联稳压电路。此电路必须接在整流滤波电路之后，上端为正下端为负。由于稳压管d1反向导通时两端的电压总保持固定值，所以在一定条件下r2两端的电压值也能够保持稳定。图2.17 硅稳压管稳压电源电路图并联稳压电源的优点：结构简单，调试方便，有过载自保护性能，输出断路时调整管不会损坏。在负载变化小时，稳压性能比较好。对瞬时变化的适应性较好。并联稳压电路的缺点：效率较低，特别是轻负载时，电能几乎全部消耗在限流电阻和调整管上。输出电压调节范围很小。带负载能力、稳定度、精度比较差。适用于要求不高的小型电子设备上。方案二：串联输出负载和功率电路的连接方式为串联。简易串联稳压电源如图2.18所示，t1是调整管，d1是基准电压源，r1是限流电阻，r2是负载。由于t1基极电压被稳压管d1固定在ud1，t1发射结电压（ut1）be在t1正常工作时基本是一个固定值（一般硅管为0.7v，锗管为0.3v），所以输出电压uoud1（ut1）be。当输出电压远大于t1发射结电压时，可以忽略（ut1）be，则uoud1。图2.18 简易串联稳压电源电路图简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源d1，所以当需要改变输出电压时只有更换稳压管d1，这样调整输出电压非常不方便，但是相对并联输出方式，它具有空载时的空载电流小、更高的稳定性和控制精度、电压调节范围广，适用于对电源要求较高的中小型电子仪器设备上。参考上述比较，本次设计采用方案二串联输出，用d/a去取代稳压管d1实现控制输出电压，以达到设计要求。2.3.8 键盘论证方案一：利用i/o口直接连接独立的按键。每一个按键对应一个i/o口，采用此方案利于软件进行编程，每一次输入都是确定的按键的响应，速度相对矩阵键盘较快，实现方式较方便，但是这样的连接方式会浪费大量的i/o口。方案二：采用44矩阵键盘。采用矩阵键盘节省了i/o口资源，简化硬件电路，但是软件实现相对直接键盘控制比较困难，可采用hd7279控制芯片进行控制，简化程序的复杂程度，但是会增加电路成本。由于独立按键会浪费大量i/o口，而且采用hd7279芯片的44矩阵抗干扰能力比独立按键要强得多，采用矩阵键盘更利于系统的稳定，因此采用44矩阵键盘方案。2.3.9 输出显示方式论证方案一：采用数码管显示。数码管显示的可视角度宽，显示明显，价格便宜，缺点：显示信息较少，界面呆板，电路设计复杂，而且会占用较多的i/o口或者需要独立的控制芯片。方案二：采用液晶显示屏。12864是最常用的液晶显示模块，界面美观大方，自带字库，有存储器，显示信息直观丰富，并且采用串行控制只需要两个i/o口就可以控制液晶显示，外围电路极其简单，缺点是价格较贵。综上考虑，友好的人机界面以及更加丰富的信息显示可以为使用者提供很大的方便，因此输出显示方案采用液晶显示。2.3.10 过流保护方案论证过流保护电路是电源产品中不可缺少的一个组成部分，一旦电子产品出现故障时，如电子产品输入侧短路或输出侧开路时，则需要电源采取一定措施，防止功率mosfet和输出侧设备不被烧毁。根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式。方案一：简易限流方式。原理如下：图2.19 简易限流电路电路正常工作吋，负载电流小，流过电阻r产生的压降不足以使三极管q1导通，由于q1工作在截止时发射极电流为零，电容器c1处于未充电状态，因此晶体管q2也处于截止状态。当负载电流增大，达到设定值imax，使得r上的压降v达到imax r=0.7v时，则q1导通，使电容器c1充电，其充电时间常数t=r2c1，对电容快速充电，电容电压上升，达到一定时间后电容电压使q2导通，通过q2的集电极输出一个使能信号，当过载现象解除后，电路可以自动恢复到正常工作状。这种方法实现比较方便，电路也比较简单，但是这种方法适用于小电流电路，而且只能限定一个输出电流值，限流值不易调节，在现代电源中已经很少采用。 方案二：数控式限流。这种方法是将一个采集串联在负载回路的一个小电阻或者是用霍尔元件上的电压信号，将此电压信号与设定的限流值对应的参考电平进行比较，当采集到的电压信号大于参考值时就采取动作，限制mosfet的门极电压，使电压降低，电流不会继续上升。采用这种方法时，由于霍尔元件取样其体积比较大，且价格昂贵，作为一般的电源，电阻采样完全能够胜任，但是当取样电流比较大时，电阻取样会有较大的损耗，降低了变换器的效率。综合以上两种方案，我们需要设计一个限流值可调的线性稳压电源，并且由于采样电阻采集的电压同时可作为电流的采集值，一举两得，所以我们选择方案二。第3章 硬件系统设计3.1 系统的整体框图及总体描述整个系统的具体框图如图3.1所示，整个系统的硬件电路主要包括程变压整流部分、调整主电路、反馈电路部分、单片机控制部分、键盘输入和液晶显示部分等电路组成。图3.1 系统框图设计思路如下：交流220v电能经过变压器降压后转换为低压交流电，交流低压电经过整流得到有脉动的直流电，对此直流电进行滤波处理，得到平滑的直流电能，然后进入电压调整电路；单片机将键盘输入的数据进行转化处理得到数字化数据，经内部d/a转化成模拟参考电平信号，同时采样电路将输出电压电流采集的结果与参考电平利用运放进行比较，用运放的输出去控制mos功率管的门极电压的大小来调整输出电压的大小，当采样电路的采集电压与参考电压一致时，达到平衡状态，实现稳压；同时采样电路的信号经过a/d转换成数字信号以后送给单片机，单片机通过液晶将设定的电压电流与实际的电压电流等信息显示出来，系统的保护主要分为三大部分：上电保护、掉电保护、过流保护，上电保护防止上电瞬间电压过冲，掉电保护防止失电时电压失控，过流保护防止出现负载电流超过预设值而发生烧毁负载的情况。3.2 变压器部分这一部分主要计算变压器b次级输出电压ub以及变压器的输出功率pb。一般整流滤波电路有2v以上的电压波动（设为ud）。调整管的管压降uds一般应维持在2v以上，才能保证调整管t工作在线性区。本次设计的输出电压最大值为15v，最大输出电流为1a，又桥式整流输出电压是变压器次级电压的1.2倍，当电网的电压下降10时，变压器次级输出的电压应能保证后续电路正常工作，那么变压器b次级输出电压ubomin应该是：ubomin（ududsuomax）/1.2 （3-1）ubomin（2v2v15v）/1.219v/1.215.8v则变压器b次级额定电压为：uboubomin/0.9 （3-2）ubo15.8v/0.917.6v当电网电压上升10时，变压器b的输出功率最大。这时稳压电源输出的最大电流i/omax为1a。此时变压器次级电压ubomax为： ubomaxubo1.1 （3-3）ubomax17.6v1.119.36v变压器b1的设计功率为：pbubomaxiomax （3-4）pb119.36v1a19.36va为保证变压器留有一定的功率余量，并结合实际，确定变压器b采用额定输出电压为双绕组9v，额定功率为30va的变压器。3.3 整流桥部分这一部分主要计算整流管的最大电流idmax和耐压vdrm。由于四个整流管d1d4参数相同，所以只需要计算其中一个的参数。在一个电源周期中，输出电流有两个波头，分别流过d1d4，反过来说流过某个二极管的电流只是输出电流两个波头中的一个，故任意一个整流管的最大整流电流为：idmax0.5iomax （3-5）idmax0.51a0.5a考虑到取样和放大部分的电流，可选取最大电流idmax为1a。整流管d的耐压vdrm即二极管承受的反向电压的最大值，亦变压器二次侧电压的最大值即：vdrm1.414ubomax1.4141.1ubo1.555ubo (3-6）vdrm1.55517.6v27.37v查阅有关整流二极管参数表，这里我们选择额定电流1a，反向峰值电压50v的in4001作为整流二极管。3.4 滤波电容部分电容的选取需要滤波电容的电容量c和其耐压vc值。根据第二章滤波电容选择条件公式可知滤波电容的电容量为 （3-7）一般系数取5，由于市电频率是50hz，所以t为0.02s，r为负载电阻。在最极端的情况下，即输出电压为满量程15v，负载电流为1a时：c50.5t/（uo/iomax） （3-8）c50.50.02s/（15v/1a）3333f当市电上升10时整流电路输出的电压值最大，此时滤波电容承受的最大电压为：vcubomax19.36v实际上普通电容都是标准电容值，只能选取相近的容量，这里可以选择4700f的铝质电解电容。耐压可选择25v以上，按照2倍原则留有余量，并保证长期使用中的安全，可将滤波电容的耐压值选大一点，这里选择50v。3.5 调整管电路设计调整部分主要是计算调整管t的栅极漏极反向击穿电压udss，最大允许漏极电流id和漏极脉冲电流幅值idm以及最大集散功耗pdm。在最不利的情况下，市电上升10，同时负载断路，整流滤波后的出电压全部加到调整管t上，这时调整管t的漏极栅极反向击穿电压为：udssubomax20.35v考虑到留有一定余量，可取udss为25v。当负载电流最大时最大允许漏极电流id为：idiomax1a考虑到放大取样电路需要消耗少量电流，同时留有一定余量，可取id为1.5a。这样最大允许集电极耗散功率pdm为：pdm（ubomaxuomin）id （3-9）pdm19.361.5a29w考虑到留有一定余量，可取pdm为35w。查询晶体管参数手册后选择irfu020作为调整管t。该管参数为：pdm42w，id15a，udss50v，完全可以满足要求。 图3.2 irfu020 示意图（引自说明书）表3.1 irfu020 详细参数表（引自说明书）3.6 反馈电路设计反馈电路在各种电子电路中都获得普遍的应用，反馈是将放大器输出信号(电压或电流)的一部分或全部送回到放大器输入端与输入信号进行比较(相加或相减)，并用比较所得的有效输入信号去控制输出，这就是放大器的反馈过程。凡是回到放大器输入端的反馈信号起加强输入原输入信号的，使输入信号增加的称正反馈，反之则称负反馈。 负反馈按其电路结构又分为：电流反馈电路和电压反馈电路。正反馈电路多应用在电子振荡电路上，而负反馈电路则多应用在各种高低频放大电路上，因应用较广，负反馈可以使放大电路的闭环增益减小，但是放大电路的许多性能指标得到了改善，如提高了电路增益的稳定性、减小了非线性失真，抑制了干扰和噪声、扩展了通频带，串联负反馈使输入电阻提高，并联负反馈使输入电阻下降，电压负反馈降低了输出电阻，电流负反馈使输出电阻增加。由上面分析可以知道，虽然引入负反馈后，牺牲了放大电路的闭环增益，但与放大电路性能的改善相比还是值得的。在实际应用中，还可依据负反馈的上述作用引入符合设计要求的负反馈。所以，放大电路中经常采用负反馈。 3.6.1 电压负反馈电路图3.3 电压负反馈电路msp430f169内部有双通道12位d/a转换器，分别由芯片的5脚和6脚输出，12位的d/a输入最大的数字量为4095，输出电压等于基准源电压，基准源由片外的tl431产生2.5v电压送给单片机的10号参考点压引脚，那么当d/a满幅度输出对应是2.5v，每个lsb就是：2.5v/4095 = 0.61mv即以0.61mv步进输出，若电源需要达到015v的调节范围输出，实际需要015.5v（因为电阻误差和运放失调电压会产生偏离15v）的调节范围，那我们就把此电源看做是一个电压放大器，增益是：g = 15.5v/2.5v = 6.2即6.2就是电源的电压增益，则需要我们通过配置运放的外部电阻就能满足系统需要。 键盘输入的数据经单片机采集处理以后送给内部的d/a，对应的d/a的电压从5脚输出，经过r24和c25组成的rc滤波滤掉d/a输出电压里面的纹波，经r23送给运放u3的同向输入端，同时这个运放的反向输入的电压是运放u2通过电阻r19送过来的，运放u2和外面的5个电阻构成一个差分放大器，这个差分放大器完成两个作用，一个作用是电压放大，另一个作用是电平转换，这个差分放大器的放大倍数是：g = 124k/20k = (1/6.2)增益小于1，那么输出端电压是0-15.5v，u2的输出电压范围就是15.5v/(1/6.2) = 2.5v，这个电压送给u3反向输入端做电压负反馈输入，那么就是两个放大器构成了一个电压反馈式的电压放大器，增益就是6.2。电路的核心是u3，场效应管irfu020、rl、u2一起构成了u3误差放大电路的负反馈。u2构成了一个差分放大电路，增益为1/6.2，将负载两端电压的1/6.2反馈至u1运放，根据虚短，u2输出与参考电压 vref相等，这将保证rl两端的1/6.2等于vref，也就是rl两端的电压为vref的6.2倍。也就是可以把电路理解为一个将 vref放大6.2的放大电路。3.6.2 电流负反馈电路图3.4 电流负反馈电路msp430的另一路d/a从6脚输出，通过r36和c29组成的rc滤波滤掉d/a输出中的纹波，通过r23送给运放u6的同向输入端，运放u5构成一个同向放大器，增益是（1+58k/20k）= 3.9放大的信号是电流采样电阻r7上面的电压，放大后的电压通过r32送给u5的反向输入端，那么运放u5和运放u6以及外部电阻构成了电流反馈式放大器，这个放大器的输出也同时驱动调整管，电流放大后驱动负载电流流经负载再流过电流取样电阻r7，构成了电流放大器，也就是压控恒流源，那么运放输出是2.5v时，输出电流就是(2.5v / 3.9) / 0.5r = 1.28a3.6.3 反馈回路的配合实现将上述两个反馈回路叠加在一起就可以实现稳压限流的功能了，具体实现如下：图3.5 反馈回路的配合实现电路图我们看电压放大运放输出端和电流放大运放输出端是通过两个二极管4148（d4，d5）控制同一路电压了，就是两路控制是一个反向逻辑或的关系，即两路放大器只要有一路输出为低都是在控制调整管输出减小，这样的话运放的输出状态就决定了电源的工作状态