毕业设计（论文）-基于单片机的智能型配电控制柜设计.doc

兰州理工大学毕业设计说明书 z i 摘 要 本设计是基于 51 单片机的配电控制柜的远程监控控制器的设计，设计项目，需要 考虑连接至少 64 个网络节点，并可以对每个节点实时地采样数据、输出控制,以及对站 点的智能识别。根据设计指标，在分析工艺的基础上，本设计主要进行控制器的总体 硬件设计、光电转换电路的设计以及电源模块的设计，并选择适合本设计的 51 单片机， 为了完善本控制器，设计了系统的抗干扰技术。最终通过软件编程完成本设计的实现 了 51 单片机对配电控制柜的远程监控。 关键词： 计算机、 单片机、通信协议、远程监控 兰州理工大学毕业设计说明书 z ii abstract this design is controls the cabinet based on 51 monolithic integratedcircuits power distribution the long-distance monitoring controllerdesign, the design project, needs to consider the connection at least64 nodes, and may to each pitch point real-time sampling data, theoutput control, as well as to the stand intelligent recognition.according to designs the target, in the analysis craft foundation,this design mainly carries on the controller the overall hardwaredesign, the photoelectricity switching circuit design as well as thepower source module design, and the choice suits this design 51monolithic integrated circuits, for the rare book controller, hasdesigned the system antijamming technology. finally programmed thecost design through software the realization 51 monolithic integratedcircuits to control the cabinet to the power distribution thelong-distance monitoring. keywords: computer、 mcu、 communication protocol、 remote control 兰州理工大学毕业设计说明书 z iii 目录 第一章 绪论 .1 1.1 前言 1 1.2 选题背景及依据 1 1.3 解决的关键问题 3 1.4 选题目的及意义 3 1.5 主要设计（研究）内 容.3 1.6 设计工作步骤 4 1.7 毕业设计进度安排 4 第二章 总体硬件设计.5 2.1 硬件电路设计 5 2.2 方案论证 8 2.3 站点智能识别的设计 9 第三章 光电转换电路设计.11 3.1 光电传感器概述.11 3.2 光电转换器的组成.11 3.3 光电传感器的分类.11 3.4 传感器的主要类型.12 3.4.1 光电传感器.12 3.4.2 模拟式光电传感器12 3.4.3 脉冲式光电传感器.12 3.5 光电转换电路.12 3.5.1 光敏电阻测量电路.13 3.5.2 光电池测量电路.14 3.6 光电传感器的应用.14 第四章 电源模块的设计.17 4.1 概述.17 4.2 电源设计要求.17 4.3 电源模块的设计.17 4.3.1 单片开关电源工作模式的设定及反馈理论分析.17 4.3.2 具体设计.19 兰州理工大学毕业设计说明书 z iv 4.4 辅助元器件选择.26 4.4.1 输入滤波电容的选择.26 4.4.2 topswitch芯片的选择27 4.4.3 tt431 型可调式精密并联稳压器的选择.27 第五章 单片机的选择.28 5.1 概述 28 5.2 c8051f021 型单片机 .28 5.2.1 c8051f021 型单片机特点.28 5.2.2 与 8051 的兼容性29 5.2.3 指令集.30 5.3 中断系统 30 5.4 复位源.31 5.4.1 上电复位31 5.4.2 掉电复位32 5.4.3 外部复位32 5.4.4 看门狗定时器复位32 5.6 flash 存储器编程.33 5.7 端口输入/输出 .33 5.8 定时器 33 第六章第六章 系统抗干扰设计系统抗干扰设计.34 6.16.1 概述概述 .34 6.2 硬件抗干扰 34 6.2.1 接地技术34 6.2.2 电源的干扰及抑制34 6.2.3 传感器的干扰和抑制35 6.3 硬件隔离抗干扰技术 35 6.3.1 光电耦合器.35 6.3.2 固态继电器.35 6.3.3 线性光电隔离放大器.36 6.3.4 复位抗干扰.36 6.4 软件抗干扰设计 37 6.4.1 软件抗干扰的基本要求37 6.4.2 设置“看门狗”37 6.5 掉电记忆.37 兰州理工大学毕业设计说明书 z v 第七章 软件设计.39 7.1 概述 39 7.2 程序设计 39 设计总结.43 参考文献.44 英文原文.45 英文翻译.63 致 谢.76 附录:器件明细表.77 附录:程序清单.79 兰州理工大学毕业设计说明书 z 1 第一章 绪论 1.1 前言 随着自动控制技术和设备的飞速发展，控制方面的选择也在增加，设计一种具有 可靠、灵活、易学、易用、功能齐全等优点的远程监控控制系统就显得很重要。本次 设计的远程监控系统包括现场设备控制和现场通信两大部分。其中现场的数据采集和 具体任务的执行是由单片机来实现的，而现场和控制计算机之间的通信则借助于光纤 传输技术，在软件通信技术的支持下完成信息的交换。 远程监控的主要任务是进行过程数据的采集及处理，然后将控制过程中的各种数 据送到计算机，借助于监控软件完成数据统计、分析功能，从而实现对运行过程的整 体操作与过程的监控；建立在信息管理基础上的主控计算机和管理计算机对整个系统 的数据信息进行管理和操作，它把运行过程及输出管理系统连接在一起，在完成数据 采集、交换和设备共享。 配电控制柜作为智能系统中测量与控制的关键设备，直接影响着设备的正常运行。 因此，对其进行实时监控非常关键。传统的电器开关柜通过工作人员的日夜值班来了 解其运行状态，既浪费人力资源又得不到可靠的运行数据，并且不适应信息化发展的 要求。而且在一些不适合人工作业的场合，设计一种远程监控系统显得尤为重要，基 于单片机控制器的智能型配电控制柜适应了当今数字化、集成化和网络化的要求，把 配电控制柜赋予了新的内涵。鉴于此，本设计以 51 单片机为主要控制器件，设计开发 一种能够对比较分散的配电控制柜进行远程集中监控的控制器，它具有控制稳定性高、 抗干扰能力强、可操作性强、价格便宜的优点，有广阔的发展前景。 1.2 选题背景及依据 在电力、自来水和管道煤气等公用事业系统的信息化过程中，户表数据的自动抄 送具有十分重要的意义，也是行业单位迫切想要解决的问题，因为水电煤三表数据抄 送的准确性、及时性，直接影响公用事业部门系统的信息化水平、甚至管理决策、经 济效益。传统的手工抄表费时、费力，准确性和及时性得不到可靠的保障，这导致了 相关营销和企业管理类软件不能获得足够详细和准确的原始数据；一般人工抄表都按 月抄表，对于用户计量来说是可行的，但对于相关供应部门进行更深层次的分析和管 理决策却不够，行业的实际需求催生着自动抄表系统的技术和应用的不断发展。设计 一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向通信技术，主要适合于 自动控制、远程控制领域及家用设备联网。 市区的路灯如果控制不当其耗电量会排在公共设施耗电量之首；若采用时控方式， 路灯的开关时间限制比较死，每当有重要活动或遇到阴天，视线差，不能提前或延迟 兰州理工大学毕业设计说明书 z 2 路灯的开关时间；很多时候，路灯的故障不能及时发现，影响了维护。设计一套监控， 。此系统建成后，管理人员可以在监控中心遥控路灯的开关；自动计算亮灯率，及时 发现故障。 在游乐设施比较分散的情况下，想在整个大型的游乐场内平时播送柔和的音乐以 营造温馨气氛，让身处其中的每一个人都能听到美妙的背景音乐，或遇有火灾或其他 事故时则播送紧急广播的语言信号或警笛声，要控制分散的音调发生器和台功率放大 器。过山车、海盗船等等的大型游乐设施占用场地较大，配殿控制柜的分布分散，要 管理人员可以在监控中心对这些设施实现集中控制。 或者在一些不适合人直接控制的场合，根据工艺流程及构筑物的地理分布，依据 “实用、可靠、经济、先进”的原则，采用“集中管理、分散控制”模式建立了一套 经济可靠的现场监测、过程控制和计算机管理一体化的系统，设立一个中央监控管理 站，利用网络通讯实现了信息、资源的共享和“现场无人值守、总站少人值班”的目 标。根据所完成的控制功能，系统采用三级控制层：手动、自动控制和中央监控管理 站远程监控。手动控制具有最高控制优先级，由配电屏或控制柜旁的按钮控制；自动 控制是指由各现场控制站的单片机控制器按照所编制的程序对设备进行自动控制(控制 级别高于中央控制)；中央监控管理站远程监控是指通过中控室对生产过程进行调度， 调度指令通过控制网络由现场单片机控制站实施。 对于某台具体的设备，根据控制信号的来源分为手动、远控两种控制方式，手动 控制的信号来自设备旁的按钮，远控的信号则来源于单片机现场监控站输出的控制信 号；中央监控管理站层的监控信号先通过网络传送至相应的现场单片机站，然后由单 片机对设备发出控制信号达到监控的目的。 这样，控制系统在保证现场设备在相对独立的前提下，使监测系统、电气系统、 与计算机控制系统协调，保证现场控制站能按工艺要求和操作规程实现设备运行自动 化，通过中央监控管理站实现对整个生产过程的监控、及管理，达到少人值守的目的。 主要技术参数及技术指标： 1、状态信号检测 8 个开关量 2、控制信号输出 8 个开关量 3、通信电路设计 19.2k/s 4、光电信号转换电路设计 5、智能识别系统设计 1.3 解决的关键问题 本设计要解决的关键问题是： 兰州理工大学毕业设计说明书 z 3 1对 64 个站点的智能识别系统设计。 2能正确区分地址信息和指令信息。 3站点地址一经分配后就不再改变，除非有特殊情况。 1.4 选题目的及意义 设计智能型配电控制柜的主要功能在以下几方面： 1.系统具有对下位单片机运行状态遥测的功能，并能把这些状态和数据在上位机 上进行分析、判断和显示。2.系统具有根据系统运行状态及指令对智能型控制器进行 远距离遥控操作的功能。3.系统具有上位计算机与开关柜中的智能控制器和智能型低 压电器元件等通过通讯网络进行通讯的功能。4.系统具有远程视频监控报警功能。 所以设计智能型配电控制柜的主要目的在以下几方面： 1.改善低压配电系统管理。在系统内可以优化能量消耗的分配。可以均衡负载以 养活潜在的停车事件。2.根据系统内设备运行情况安排维修计划，进行计划维修，减 少故障。3.随时了解到有关故障和设备的状态，以便指导维修，减少故障的处理时间。 4.可以把各配电回路或设备的运行情况进行显示，提高工作效率。 设计一种控制器使它完成对比较分散的配电柜远程监控及操作，可以提高工作效 率，体现高科技的优势。让高新技术服务于人类，真正为大家造福，这也是“智能家 居”的发展趋势。这也是本次设计的意义所在。 1.5 主要设计（研究）内 容 设计项目，需要考虑连接大约 64 个网络节点，并可以对每个节点实时地采样数据、 输出控制,以及对站点的智能识别。这些网络节点分布在不同的区域，而且要求对单个 区域内的网络节点对数据的实时性和设备运行时的连续性都具有较高的要求。但是本 系统对启动时的快速性要求不高。 按项目的以上要求，本设计的设计内容包括： 1.完成当前控制器状态信号检测。 2.完成上位计算机命令执行。 3.系统应包括上位控制和就地控制转换电路。 4.电源：除给系统供电外，还可向外提供 24v、1a 的隔离型开关电源 以备外部开关量使用，应设计为开关电源。 5.根据系统要求选用适当的 cpu 模块，具有一定的抗干扰能力。 6.系统应具有复位电路，并在复位后保持现有输出的开关状态不变, 7.并等待上位计算机通信信号，根据上位计算机通信信号变化输出状 态。 兰州理工大学毕业设计说明书 z 4 8.系统提供 eeprom 并能够保留上位计算机分配的地址信号。 9.提出综合自动化系统的硬件方案和方案论证优化。 10.完成软件需求的系统分析。 1.6 设计工作步骤 1、查找与系统相关文献资料、了解系统当前发展情况。 2、查找当前比较成熟的单片机与系统相关的硬件资料。 3、系统总体结构图设计。 4、系统硬件电路设计及硬件总体方案设计优化及说明。 5、装置的选型。 6、对所选用的单片机程序软件进行了解、学习、熟悉。 7、软件的系统分析。 8、用学习的软件根据系统的工艺要求对系统进行软件的编制及说明。 9、画图、写说明书、准备进行毕业答辩。 1.7 毕业设计进度安排 1、查找与系统相关文献资料、了解系统当前发展情况。 （1 周） 2、查找当前比较成熟的单片机与系统相关的硬件资料。 （2 周） 3、系统总体结构图设计。 （2 周） 4、系统硬件电路设计及硬件总体方案设计优化及说明。 （2 周） 5、对所选用的单片机程序软件进行了解、学习、熟悉。 （2 周） 6、用学习的软件根据系统的工艺要求对系统进行软件的编制及说明。 （2 周） 7、画图、写说明书、准备进行毕业答辩。 （1 周） 第二章 总体硬件设计 在单个区域内，由总线网络模式构建设备网，总体成本较低，满足实时性的要求， 应用可靠，维护方便；设备网的固定节点(地址为 00 号)同时作为网关，将下位机设备 连接至，从而总线网络形成可以通过 vb 环境统一监控设备信息。 本设计中只需通过一台 pc 机发出的控制指令来实现对 64 个分散设备的集中控制。 兰州理工大学毕业设计说明书 z 5 其上位机完成发送指令和对下位机的实时监控。并通过下位单片机来实现具体的功能， 中间数据传输用一种系统总线来完成。考虑到实际设计的传输距离约 60km，而现行的 一些较为常用的系统总线所能传送的最远距离都无法达到这个距离，故中间的数据传 输要依靠电/光转换将电信号转换为光信号，再在单片机的接收端完成光/电转换，使单 片机完成最终的指令执行，达到远程监控的目的。 此外，在本设计的下位机中还加入了手动复位、指示电路和系统的抗干扰等的外 围电路，使系统性能稳定、操作精确。 2.1 硬件硬件电路设计 由于本设计是基于 51 单片机的控制器设计,主要通过 pc 机和 51 单片机之间的通 讯来实现实时数据之间的传输。所以选择一种适合本设计的通信线路是本设计性能能 否实现的重要环节之一。 由于本设计的传输距离较远，约为 60km，超出了总线的传输距离，而且一般的总 线也无法将信号传到 60km 以外的地方。所以本设计必然要选用一些中继器来延长信 号的传送距离，现对通信方案的确定做如下论证： 方案 1： 将 pc 机发出的 ttl 电平经 rs-232c 接口传送出后，直接在 rs-232c 总线中传输， 用主从通信方式，pc 机发送的指令经 mc1489 作为接受端电平转换电路，mc1488 作 为发送端电平转换电路。单片机通过 mc1488 端的发送线经二极管隔离后才能并接入 pc 机的接收端上。整个传输过程中通过中继器延长总线的传输距离，达到本设计的传 输距离。示意图 2-1 如下： 兰州理工大学毕业设计说明书 z 6 pc 机 异步 通信 适陪 器卡 rxd txd rxd mc1488 64#单片机 中 继 器 mc1488 1#单片机 4.7k rs-232c 总线 mc1489 mc1489 图 2-1 方案 2： 将 pc 机发出的 ttl 电平经 rs-232c 接口传送出后，将 rs-232c 格式的信号转换 为 can-bus 格式的信号在 can-bus 总线中传输，用主从通信方式，pc 机发送的指令， 在经过 can-bus 总线收发器后转换为单片机可以识别的信号，从而完成相应的指令。 在整个传输过程中通过中继器延长总线的传输距离，达到本设计的传输距离。 结构示意图如下 2-2 所示： 兰州理工大学毕业设计说明书 z 7 pc 机 can-bus 与 rs-232c 转换 接口 can-bus 总线 can-bus 总线收发器 1#单片机 can-bus 总线收发器 2#单片机 can-bus 总线收发器 64#单片机 中继器 图 2-2 方案 3： 将 pc 机发出的电平信号经输出接口传送出后，采用光电转换器，将电信号转换为 光信号，在光纤中传输，信号在光纤中传输，信号容量大，通信速度高，不存在信号 衰减的问题，也不存在延时问题。用主从通信方式,在单片机的接受端再通过光检测器 将光信号转换成为电信号。单片机经信号识别，完成相应的指令操作。这样用简单的光 电转换电路来代替价格较高的中继设备，而且在信号传输过程中几乎不存在衰减，其传输距离 也可以达到本设计的要求。本设计通信电路设计模式选用 rs-422,实现数据的传送与接 收相分离，互不干扰的通信方式。 结构示意图如下 2-3 所示： 兰州理工大学毕业设计说明书 z 8 1#光纤电光转换器 pc 机 光纤 1#控制器 2#光纤转 换器 2#控制器 64#光纤 转换器 64#控制器 光纤光纤 光纤 2#光纤 转换器 图 2-3 2.2 方案论证 三个方案在理论上都可以实现本设计的通信要求，现在从性能和价格方面做比较。 最终确定本设计的通信电路方案。 1从性能上讲 方案 1 和方案 2 的信号都在电缆中传输，信号的衰减较严重，而且数据的安全性不 能得到保证，中间需要大量的中继器来延长通信距离。但是方案 1 在实现上最为容易， 要求的技术也较低。相比之下，方案 2 比方案 1 要难实现一些，但是用 can-bus 组成 的通信系统其系统的容错性能较好，单个结点的故障不会引起整个网络的瘫痪，技术 支持较高。方案 1 中的单个结点的故障可能导致整个网络的瘫痪，网络容错性能很差。 由于方案 1 和方案 2 中结点很多，所以信号在传输的过程中可能不能保证正确传送。 方案三中信号在光纤中传输，信号容量大，通信速度高。光缆可以在 68km 的距 离内不用中继器传输。在很宽的频带范围内，光纤对各种频率的传输损耗和色 散几乎 相等，不存在信号衰减的问题，可以在长距离内传输数据，所以不需要在接收端或中 兰州理工大学毕业设计说明书 z 9 继站采取幅度或延时等的均衡措施。不受电磁干扰和静电干扰的影响，即在同一根光 缆中，邻近各根光纤几乎不受串扰。构成光纤的主要原料是石英，而石英资源丰富， 价格便宜。此外光缆中光的匹配性好，使人在光缆上很难窃取数据，所以信号在光纤 中传输时保密性好，而且光纤本身线径细、体使信号的传输时的可靠性提高。 2、从价格上讲 方案 1 和方按 2 的传送介质的价格低，但是在传输过程中需要大量中继器，而且 一个中继器的价格又比较高，后期的维修投入也相对较高。所以总的成本投入要高一 些。方案 3 中的传输介质光纤是各种传输介质中价格最高的。但是在总的设计中需 要的光电转换器最多才会用到 64 套，而且价格便宜,总方案后期维修投入相对较低，相 应的总体资金投入较低。 表表 2-1 三种方案比较三种方案比较 方案 1方案 2方案 3 信号传送介质电缆电缆光纤 传送介质的价格低低高 最大传送距离2.5km2.5km68km 中继设备中继器中继器光电转换器 所需数量至少 64 台至少 64 台最多 64 套 技术支持低高较低 信号延时长长几乎没有 抗干扰性弱弱强 数据保密性差差好 系统的容错性差好较好 通信速度慢慢快 系统性价比低低低 经过以上论证，现在决定选用方案 3 作为本设计的通信方案。 为此，现在要设计一种光电转换电路，它要求有光纤接口处的光信号传入光纤的功能， 还要在单片机端口可以将光信号转换为电信号。在整个的设计中，既要达到这些功能， 而且价格便宜，本部分设计将在下一章中详细介绍。 2.3 站点智能识别的设计 本设计要求能对至少 64 个站点进行智能识别，以方便主机对下位单片机的状态 查询和输出控制，具体实现时是在一个控制器余下一个控制器的连接处设置一个继电 器开关，只有本控制器的地址分配完成之后，在向主机回复地址分配完成标志的同时 兰州理工大学毕业设计说明书 z 10 也在程序的控制之下是单片机的一个管脚输出高电平，控制继电器开关闭合，这样， 当主机再次发送地址分配信息标志时，已经分配到地址的控制器将不再响应，而新接 通的控制器就会唯一响应主机的控制信号，分配到自己的地址信息，以此类推。 第三章 光电转换电路设计 本设计选用光电传感器来作为光电转换电路的主要元件, 光电传感器是一种采用 光电元件作为检测元件的传感器。它首先把从计算机中送出的 ttl 电平的变化转换成 光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成单片机可以识别的电信号， 兰州理工大学毕业设计说明书 z 11 再识别电信号中承载的控制信息并加以执行。在这个过程中需要选用合适的光电传感 器，以下就对光电传感器做一下简单的介绍。 3.1 光电传感器概述 光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的 用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头， 将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆 筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器 的雏形。 如果安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。 光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能 使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁 干扰，因而能被用在一些特殊的场合，如：适用于真空环境下的真空传导光纤（vft） 和适用于爆炸环境下的光纤。 3.2 光电转换器的组成 本设计中光电转换电路设计时借鉴了光电式传感器的工作原理，主要由光源、光 纤通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点， 而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控 制中应用非常广泛。 3.3 光电传感器的分类 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光 电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光 电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈 单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫 反射式、遮光式(光束阻档)三大类。 3.4 传感器的主要类型 3.4.1 光电传感器 光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成，光电传感器设计灵活， 形式多样，在越来越多的领域内得到广泛的应用。 光电传感器的敏感范围远远超过了电感、电容、磁力、超声波传感器的敏感范围。 此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，几乎可以到 兰州理工大学毕业设计说明书 z 12 处使用。 3.4.2 模拟式光电传感器 这种传感器中光电元件接受的光通量随被测量连续变化，因此，输出的光电流也 是连续变化的，并与被测量呈确定的函数关系，这类传感器通常有以下四种形式。1. 光源本身是被测物，它发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某 些物理参数，这种型式的光电传感器可用于光电比色高温计和照度计。2.恒定光源发 射的光通量穿过被测物，其中一部分被吸收，剩余的部分投射到光电元件上，吸收量 取决于被测物的某些参数。3.恒定光源发射的光通量投射到被测物上，由被测物表面 反射后再投射到光电元件上，反射光的强弱取决于被测物表面的性质和状态，因此可 用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。4.从恒定光源发射出的光通量在到达光电 元件的途中受到被测物的遮挡，使投射到光电元件上的光通量减弱，光电元件的输出 反映了被测物的尺寸或位置。这种传感器可用于工件尺寸测量、振动测量等场合。 3.4.3 脉冲式光电传感器 在这种传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关 工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电 计数和光电式转速测量等场合。 3.5 光电转换电路 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备 适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需 要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。 半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在 要求较大的输出功率时，可用图 3-5-1 所示的电路。图 3-5-2-a 给出带有温度补偿的 光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓 慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二 极管作为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二 极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。 a)光敏二极管测量电路 b)光敏三极管测量电路 u +u u0 u0 r v 兰州理工大学毕业设计说明书 z 13 图 3-5-1 图 3-5-2 3.5.1 光敏电阻测量电路 光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以 配以放大电路，如图 3-8-2-b 所示。由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压 也仅 0.6v，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如图 3-8- 3-a 所示。为了减小晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向 偏压，可在光电池两端并联一个电阻。或者像图 3-8-3b 所示的那样利用锗二极管产生 的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加，使硅管 e、b 极间电压大于 0.7v，而 导通工作。如图 3-8-3-c 所示。 图 3-8-3 3.5.2 光电池测量电路 半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过 集成运放可得到较大输出幅度，如图 3-8-4-a 所示。当光照产生的光电流为 i 时， 输出电压 u0=irf 为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。 图 3-8-4-b 给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系， 因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的特点，可以 得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压 u0=2irf。 a) b) u u0 r u u0 r u u0 c) + - rf -u u0 + - rf u0 r=rf a)硅光敏二极管放大电路 b)硅光电池放大电路 兰州理工大学毕业设计说明书 z 14 图 3-8-4 3.6 光电传感器的应用 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的 结构简单，形式灵活多样，体积小。近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成 为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻 工自动机上获得广泛的应用。 经过以上介绍，在本设计中最后选用带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路的 光电传感器作为接收端的光电转换器件。其转换电路图如下 3-6-1 所示，在光纤的输 出端配以下图所示的检测电路，可以将光纤中的光信号转换为电信号，再令检测到的 电信号经过高频比较器，转换为标准的数字信号之后送入单片机的接收端。 vd6 高频比较器 vd7 图 3-6-1 本电路的优点是：本电路带有温度补偿的光敏二极管的桥式测量电路。当入射光 强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输 出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管作为检测元件，另一个装在暗盒 兰州理工大学毕业设计说明书 z 15 里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路 输出随温度的漂移。 pin 型二极管性能优越，要比一般的发光二极管响应时间快很多。它们的相应时间 一般都能达到几千兆赫兹，而且因其优良的性能被广泛的应用于光纤传输技术之中。 所以本设计的光电转换电路中选用的二极管都是 pin 型 bs120 二极管，用于检测光纤 中传输的控制信号，确保电路传输的可靠性。 通过本电路可以将光纤中传输的光信号转化为电信号,电信号经过高频比较器之后,成 为精确的数字信号,此信号进入单片机的串行接口端。还有下图 3-6-2 所示的电路图， 它将完成上述电路的反向转化。即将单片机中的数据信号转化为光信号，在 pin 型 siv99 发光二极管的作用下，将单片机中的数据信息通过光纤传入计算机中，实现计算 机和单片机之间的数据交换。 +5v u6 74ls06 vd9 pin siv99 r14 图 3-6-2 在经过 bs120 光电二极管将光信号转换为电信号之后，此时的电信号是模拟电信 号，所以要经过高频放大器将其转换为规则的数字信号之后方可送入单片机的接收端。 在本设计中要求选择的放大器有较高的响应频率，所以经选择，我们采用 opa132 型信 号调整放大器，它的响应频率达到 8mhz，可以适用于2.2v 到15v 的工作电路之中。 其实际应用的外围电路和外部管脚封装图如下图 3-6-3 所示： 兰州理工大学毕业设计说明书 z 16 图 3-6-3 第四章 电源模块的设计 4.1 概述 本设计的的电源设计要求为：除给系统提供 5v、1a 的电源外，还可向外提供 24v、1a 的隔离型开关电源以备外部开关量使用，应设计为多路输出的开关电源。 随着各种新技术的不断涌现，新工艺被普遍采用，开关电源已被誉为高效节能电源,它 兰州理工大学毕业设计说明书 z 17 代表着稳压电源的发展方向。目前，新工艺被普遍采用，新产品层出不穷，开关电源 正朝着短、小、轻、薄、单片集成化、智能化的方向发展，开关电源的保护电路日趋 完善，开关电源的电磁兼容性设计已取得突破性进展，专用计算机软件的问世为开关 电源的优化设计提供了便利条件。所有这些，都为新型开关电源的推广与普及创造了 有利条件，开关电源正进入一个蓬勃发展的时期。 开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可达70%95%，稳压器体 积小、重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几 十khz，滤波电感、电容可用较小数值的元件，允许的环境温度也可以大大提高。但 是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应较差。所以 开关电源的应用也受到一定限制。 4.2电源设计要求 现要求的电源为24w的小功率开关电源，应首选集成电源模块。由它构成的开关 电源，成本上与同等功率的线性稳压电源相当，而电源效率显著提高，体积和重量可 减小1/31/2，且其精度 和稳定性都很好。 确定在使用开关电源作为本设计的电源设计方案时，就需要设计一个符合本设计 要求的给系统提供 5v、1a；3.3v、1a 的电源外，还可向外提供 24v、1a 的隔离型开 关电源以备外部开关量使用。 4.3 电源模块的设计 4.3.1 单片开关电源工作模式的设定及反馈理论分析 1.单片开关电源两种工作模式的设定 单片开关电源有两种基本工作模式，一种是连续传输模式（简称连续模式） ，另一 种为不连续传输模式（简称不连续模式） 。下面介绍两种工作模式的设定方法单片开关 电源与功耗比较。 连续模式及不连续模式的特点：连续模式的特点是高频变压器在每个开关周期， 都是从非零的能量储存状态开始的。不连续模式的特点是，储存在高频变压器中的能 量在每个开关周期内都要完全释放掉。连续模式的开关电流先从一定幅度开始，沿斜 坡上升到峰值，然后又迅速回零。 在功耗方面，采用连续模式可比不连续模式减小 24.3的功率损耗。换言之，对于 同样的输出功率，采用连续模式可使用功率较小的 topswitch 芯片，或者允许 topswitch 工作在较低的损耗下。此外，设计成连续模式时，一次绕组电路中的交流 成分要比不连续模式低，并能减小集肤效应以及高频变压器的损耗。 2.单片开关电源的反馈理论分析 兰州理工大学毕业设计说明书 z 18 topswitch 系列单片电源可视为单片组合器件，它将高压功率开关管 （mosfet）以及所需全部模拟与数字电路组合在一起，完成输出隔离、脉宽调制及 多种保护功能。 在 topswitch 的基本反馈电路中，高频变压器具有能量储存、隔离输出和电压变 换这三大功能。图中的 np、ns、nf 分别代表一次绕组、二次绕组、反馈绕组以及各 自的匝数。瞬态电压抑制器（tvs）和超快恢复二极管（srd）构成了钳位保护电路， 能吸收一次绕组漏感所产生的尖峰电压。vd 为输出整流管，c 是输出滤波电容，rl 为负载电阻。u0 为输出电压。交流电压经过整流桥和滤波电容，产生直流输入高压 u1，当 topswitch 导通时处于截止状态，而一次绕组电流沿斜线上升。由于 vd 截止， 一次绕组与输出负载隔离，因此原来储存在 c 上的电能就给负载供电，维持输出电压 不变，此时电能以磁场能量的形式储存在高频变压器内。示意图如下 4-3-1： 图 4-3-1 4.3.2 具体设计 经过查阅资料，没有直接符合本设计的电源模块，所以要自行设计一个，主要设 计过程如下： 1、确定开关电源的基本参数: 1)、交流输入电压最小值 u=85v minm 2)、交流输入电压最大值 u =256v max 3)、电网频率 f :50hz 或 60hz l 4） 、开关频率 f：100khz 兰州理工大学毕业设计说明书 z 19 5） 、输出电压 (v): 以知 24v 1o u (v): 以知 5v 2o u (v): 以知 3.3v 3o u 6） 、输出功率 (w) :以知 24w 1o p (w) :以知 5w 2o p (w) :以知 3.3w 3o p 7） 、电源效率 :一般取 85 8)、损耗因数 z:z 代表二次饶住损耗值的比值,典型值是 0.5 2、根据输出要求,选择反馈电路的类型以及反馈电压 u，从四种反馈电路中选择一 fb 种合适的电路, 配 tl431 的光耦电路，并确定反馈电压 u的值为 12v。 fb 3、根据 u、p 的值来确定输入滤波电容 c 、直流输入电压最小值 u oinimin 1)令整流桥的响应时间 t =3ms c 2)根据输入电压, c=(2-3) p /w in o 3)得到 u 的值为90 imin 4、根据输入电压确定 u、u 的值 orb 1) 根据输入电压， u=135v、u =200v。 orb 2）第 20 步将用到 u 的值的值来确定瞬变电压抑制器（tvs）的型号 b 3）topswitch 关断且二次侧电路处于导通状态时，二次侧电压会感应到一次侧绕 组上。感应电压 u与 u 相叠加后，加至内部功率开关管（mosfet）的漏极上。此时 ori 一次绕组漏感释放能量，并在漏极上产生尖峰电压 u 。由于上述不利情况同时出现， l 极易损坏芯片，因此须给一次侧绕组增加钳位保护电路，利用 tvs 器件来吸收尖峰电 压的瞬时能量,使上述三种电压之和不超过漏-源击穿电压 u的值 ()br ds 5、根据 u、u的值来确定最大占空比 d oriminmax d的计算公式为: max 兰州理工大学毕业设计说明书 z 20 d= (4-1) max im() 100% or orinds on u uuu 1)、mosfet 的通态漏-源电压 u=10v。 ()ds on 2)、应在 u=u时确定 d minmax 若将 u=135v、u、u=10v 一并带入式(4-1)中,可计算出 d=64.3%, orimin()ds onmax 这与典型值 67%非常接近. d 随着 u 的升高而减小,例如当 u= u=265v 时, maxmin d=34.6%。 max 6、确定一次绕组脉动电流 i 与一次绕组峰值电流 i 的比值 k定义比例系数 rprp k= i / i (4-2) rprp 1）当 u 确定之后，k有一定的取值范围。在 ac110/115v 或宽范围电压范围输入 rp 时，可选 k=0.4,当 ac230v 输入时，取 k=0.6 rprp 2）在整个迭代过程中，可适当增大 k的值，但不得超过表 4-3 -1 中规定的最 rp 大值。 表 4-3-1 确定 k rp 比例系数交流输入电压 u/v 最小值（连续模式）最大值（不连续模式） 固定输入：100/1150410 通用输入：85-2650410 固定输入：230（115%）0610 7、确定一次绕组波形参数 计算下列参数（电流参数均取 a）： 1）输入电流的平均值 i avg i= (4-3) avg imin u o p 2）一次绕组峰值电流 i p i = (4-4) p avg i (1 0.5) rpmax kd 兰州理工大学毕业设计说明书 z 21 3）一次绕组脉动电流 i 见式 4-2 r 4）一次绕组有效电流 i rms i= i (4-5) rmsp 2 1 () 3 rp maxrp k dk 8、根据电子数据表格和所须 i 值，选择 topswitch 芯片 p 1）所选极限电流最小值应满足下式 0.9 (4-6) (min)limitp i 2）若芯片散热不良，则选择功率稍大一些的芯片。 9、计算芯片的结温 t j 1）按下式计算结温 t =r+25 (4-7) j 22 () 1 () 2 rmsds onxtimaxor ircuuf a 式中，c是漏极结点的等效电容。公式中括号内第二项代表当交流输入电压较高时， xt 由于 c不断被充放电而引起的开关损耗，可用 p表示。 xtcxt 2）计算过程中若发现 t 100，应选功率较大的 topswitch 芯片。 j 10、验算 i p 公式为 i =0.9i (4-8) p(min)limit 1) 输入新的 k值且从最小值开始迭代直到 k =1.0 rprp 2) 检查 i 值是否符合要求。 p 3) 迭代 k =1.0 或 i =0.9i rpp(min)limit 11、计算一次绕组电感量 l p 一次绕组电感量由下式确定 l = (4-9) p 6 0 2 10(1) (1) 2 rp prp pz k i kf 兰州理工大学毕业设计说明书 z 22 式中，l 的单位取h. p 12、设定一次绕组层数 d 和二次绕组匝数的初值并计算的值设定 d=2 层。计算 s n s n 计算二次绕组 时，对于 ac230v 或宽范围输入时取 0.6 匝/v,现以知 (v): s n 1o u 24v， (v): 5v， (v): 3.3v,考虑到二次侧肖特基整流管上还有 0.4v 的正向 2o u 3o u 压降 u ,因此 二次绕组匝数为(+u) 0.6 匝/v=14.64 匝，(+u) 0.6 匝 1f1o u 1f 2o u 1f /v=3.24 匝，(+u) 0.6 匝/v=2.22 匝，由于二次绕组上和还存在导线电阻，也 3o u 1f 会形成压降，实取=15 匝，=4 匝，=3 匝，亦可根据二次绕组每伏匝数和 u 1s n 2s n 3s n 的值，直接计算 的值。 1fs n 13、计算一次组匝数 n 和反馈绕组匝数 n pf n = (4-10) ps n 1 or of u uu 将 u=85v, (v): 24v， u=0.4v, =15 匝，=4 匝，=3 匝， or1o u 1f1s n 2s n 3s n 一同带入式（4-10）中计算出， = 52.3 匝。实取 53 匝。 1p n 再计算反馈绕组匝数 n = (4-11) fs n 2 1 fbf of uu uu 将=15 匝， u=10.4, u=1.0v, (v): 24v， u=0.4v 代入式 （4- 1s n fb2f1o u 1f 11）中计算出， n=6.8 匝，实取 7 匝。 1f 14、计算磁芯中的最大磁通密度 m b = （4-12） m b 100 pp pj i l n s 将=0.648a, =623h, = 52.3 匝。磁芯有效横截面积=0.41cm 代入式 p i p l 1p n j s 2 （4-12）中计算出，=0.185t。实取=0.2085t。 m b m b 需要指出，如若0.3t，则需增加磁心的横截面积或增加一次绕组的匝数，使 m b 在 0.2-0.3 的范围内。如 10a/ mm ，应选较粗的导线和较大的磁心骨架，使 j4a/ mm ，宜可适当增加 、 、 2 1p n 2p n 的匝数。 3p n 1）a 值必须在选好 值以后才能确定。 lgp n 2）如上所述，高频变压器的设计是一个多次迭代的过程。例如当 改变后， n p n 和 n 的值也一定会按一定的比例变化。此外，在改变磁芯尺寸时，需对 j、b、 sfm 等参数重新计算，以确信它们任在给定范围之内。 18、确定二次绕组参数 i、i、i、d、d spsrmsrismsm 1）计算二次绕组峰值电流 isp 二次绕组峰值电流取决与一次绕组峰值电流以及一、二次绕组匝数比，有公式 i=i (4-18) sp p p s n n 将=0.648a, = 52.3 匝。实取 53 匝。=15 匝，代入式（4-18）中得到， p i 1p n 1s n i=2.29a sp 2）计算二次绕组有效电流值 isrms 二次绕组纹波电流与峰值电流的比例系数 k