基于单片机的数控开关电源.doc

2010届毕业生毕业论文题 目： 基于单片机的数控开关电源 院系名称：信息科学与工程 专业班级：电科0601 学生姓名： 张洋 学 号： 20064360107 指导教师： 张庆辉 教师职称： 教授 2010年 5月 20日摘 要在现实生活和实验中，常常用到各种各样的电源，电压要求多样。如何设计一个电压稳定，输出电压精度高，并且调节范围大的电压源，成了电子基础应用的热点。在市面上，电源产品有可调节的有固定的。但是普遍存在一些问题，如转换效率低，功耗大，输出精度不高，可调节范围过小，不能满足特定电压要求，输出不够稳定，纹波电流过大，并且普遍采用可调节电阻器调节，操作难度大，易磨损老化。开关稳压电源具有效率高、稳压性能好，保护措施完善等优点。但由于控制信号一般通过精密稳压器TL431、光耦等获得，使得输出电压很难做到宽范围内调节，特别是不能输出低电压。将单片机系统应用于开关稳压电源中，实现开关电源的数字化，使其保护功能更完善、输出电压调节范围宽、调节精度高。针对以上问题，本文采用基于光电耦合器控制的变压器，采用STC89C52单片机作为数控核心，并且使用了A/D、D/A、7812、7805、整流桥等器件。其中，光电耦合器、三极管、变压器完成次级电压的调整；整流桥、电容、变压器实现电压的初级调整；A/D负责将模拟信号转换为数字信号送给单片机；同时单片机连接有数码管显示电路和矩阵键盘电路。关键词：开关电源 光耦 脉宽调节Title The Design of Numerical control switch power supply Based on SCM Abstract In real life, and experiments, often use all sorts of power, voltage various requirements. How to design a voltage stability, high precision, and the output voltage, large range of adjusting voltage source, the application of electronic became hot. On the market, the products are adjustable power is fixed. But some problems, such as general conversion efficiency, low power consumption, high precision, and can output adjusting range is too small, cannot satisfy the specific requirements, the output voltage is not stable, excessive ripple current widely adopted, and adjustable resistor adjustment, operation is difficult, wear easily aging.A switching power supply with high efficiency, good performance, the measures to improve protection etc. But due to the control signal general through TL431, precision voltage light-coupler, make such output voltage regulation is accomplished very hard, especially in a wide range of low voltage output cannot. SCM system will be applied in the switching power supply, make its protection function of digital output voltage regulation is more perfect, wide range, high precision adjustment.In view of the above, this paper based on the photoelectric coupler control transformers, STC89C52 microcontroller as the core, and use the nc A/D, D/A, 7812, 7805, rectifier bridge, etc. Among them, photoelectricity triode, couplers, finish secondary voltage transformer, Rectifier bridge, capacitor, realize the primary voltage transformer adjustment, A/D conversion for analog signal for digital signal to microcontroller, While connected with digital display chip tube circuit and matrix keyboard circuit,Keywords: switch power supply light-coupler pulse width adjustment目 次1 引言12 概述32.1 毕业设计课题研究的目的和意义32.2 毕业设计要求32.3 开关电源在国内外的发展情况33 开关电源和51单片机的简单介绍53.1 开关电源的原理及主要技术指标53.2 单片机的简单介绍84 系统整体方案设计论证95 系统各单元模块硬件电路设计115.1数控单元电路设计115.2键盘单元电路设计125.3显示单元电路设计145.4辅助电源单元电路设计166 系统软件设计186.1软件设计思想196.2算法197 系统硬件调试、软件仿真207.1 硬件调试207.2 软件仿真20结 论21后 记22致 谢23参考文献24附录A 系统程序25251 引言开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（MnZn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度 （Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的kHz、用制成的kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。在本文中我们设计一种开关电源，利用单片机作为数控核心，同时采用光耦来进行电压调节，实现了输出电压大范围的调节及精确控制，很好的实现了设计要求。2 概述2.1 毕业设计课题研究的目的和意义 本课题研究设计一个基于单片机控制的数控开关电源，要求输出电压可步进调整，同时将输出电压通过数码管显示出来；可预置电压，而且具有过流保护功能。整个系统由数码管及驱动电路、单片机、光耦、变压器、整流桥、A/D等构成，通过键盘完成单片机对开关电源的控制。设计要求用到电子线路、单片机原理等相关知识，并且将各种知识相互综合于一体，完成设计。课题的研究涉及多门所学课程，同时题目工作量饱满。通过课题的设计，达到培养毕业生综合运用所学知识，解决实际问题的能力，培养学生的实际动手能能力和创新精神。2.2 设计要求：（1）输出电压范围为：025V，并且要求显示出来； （2）输出电压能够预置，步进值为1的步进调整； （3）输入、输出的过流保护2.3 开关电源在国内外的发展情况简介2.3.1国外的发展情况简介 1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的净化稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关净化稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关净化稳压电源成为各种电源的佼佼者。 随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关净化稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事开关净化稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。开关净化稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关净化稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关净化稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。工作在线性状态的线性净化稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性净化稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元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，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关净化稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、家用电器的正常工作的程度。但是在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它得不到使用。所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关净化稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。 2.3.2国内的发展情况简介 我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关净化稳压电源。近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100kHz200kHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制， 90年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频降压开关净化稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十kHz提高到了数百kHz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关净化稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。 3 开关电源和51单片机的简单介绍3.1 开关电源的原理及主要技术指标开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压！主要用于工业以及一些家用电器上，如电视机，电脑等。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多。所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热，成本很低，如果不将50HZ变为高频那开关电源就没有意义。 开关电源的按工作原理包括以下部分: 1.交流电源输入经整流滤波成直流; 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将直流加到开关变压器初级上; 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出。 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤电源对电网的干扰；在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，但对开关管的要求就越高；开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头，以得到需要的输出； 一般还应该增加一些保护电路，比如空载、短路等保护，否则可能会烧毁开关电源。 一、主电路：从交流电网输入、直流输出的全过程，包括： 1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。 2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。 3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。 4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 二、控制电路 ：一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。 三、检测电路 ：除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。 四、辅助电源 ：提供所有单一电路的不同要求电源。开关技术开关电源的技术指标有很多，包括电气指标、机械特性、适用环境、可靠性、安全性和生产成本等。本节重点讨论电源的电气指标。根据电源用途不同，指标优先考虑的重点也不同，但首先应考虑电源的安全性。目前，许多国家都有相应的开关电源安全规范。常用的安全规范为IEC950、IEC65。常见的开关电源电气技术指标有：（1）输入电源的相数、频率：根据输出功率不同，可采用单相或三相电源供电。在输出功率高于5kW时通常采用三相电源供电，以使三相负载均衡。我国市电电源频率为50Hz。（2）额定输入电压、容许电压波动范围：我国市电电源额定相电压为220V，线电压为380V，在容许的输入电压波动范围内都要保证额定输出功率。（3）额定输入电流：指在额定输入电压和额定输出功率时的输入电流。（4）最大输入电流：指在容许的下限输入电压和额定输出功率时的输入电流。（5）输人功率因数：指输入有功功率与视在功率的比值。（6）额定输出直流电压：也叫标称输出直流电压，指在额定输出电流、满足规定的稳压精度及纹波等指标时的最大输出直流电压。（7）稳压精度：有多种原因会导致输出电压的波动，如输入电压波动、负载改变等，稳压精度指在容许的工作条件（输入电压波动、负载变化、环境温度改变等）范围内，实际输出直流电压与额定工作条件时理想输出直流电压的比值。它反映了电源的控制精度。（8）输出电压的纹波与噪声：纹波指输出电压中与输入电源频率同步的交流成分，用峰峰值表示。噪声指输出电压中除纹波以外的交流成分，也用峰一峰值表示。常用纹波和噪声的总合值减去输出电压中交流成分的峰峰值来表示输出电压中交流分量的大小。（9）额定输出电流：额定输出电压时供给负载的最大平均电流。（10）效率：指输出有功功率与输人有功功率之比。此外，还有反映电源系统动态特性的指标，如突加负载时的动态电压降、调整时间等，以及开关源的电磁干扰与射频干扰指标等。不同的应用场合对电源的要求有所不同，因此开关电源设计时首先应根据具体情况确定对电源的技术指标要求，然后选择合适的变换器结构并完成有关参数设计。3.2 MCU-51单片机的简单介绍3.2.1 51单片机简介51单片机是对目前所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。 MCS51系列单片机有多种型号的产品，如基本型（51子系列）8031、8051、8751、89C51等，增强型（52子系列）8032、8052、8752、89C52、89S52等。它们的结构基本相同，其主要差别反映在存储器的配置上。MCS51系列单片机是美国Intel公司于1980年推出的一种8位单片机系列。该系列的基本型产品是8051、8031和8751。这3种产品之间的区别只是在片内程序存储器方面。8051的片内程序存储器（ROM）是掩膜型的，即在制造芯片时已将应用程序固化进去；8031片内没有程序存储器；8751内部包含有用作程序存储器的4KB的EPROM。由于8051的编程需要制造商的支持，8751的价格昂贵，因此8031获得了更为广泛的使用。MCS51系列单片机优异的性能/价格比使得它从面世以来就获得用户的认可。Intel公司把这种单片机的内核，即8051内核，以出售或互换专利的方式授权给一些公司，如Atmel、Philips、ADI等。这些公司的这类产品也被称为8051兼容芯片，这些8051兼容芯片在原来的基础上增加了许多特性。3.2.2 STC89C52的简单介绍主要性能:与MCS-51单片机产品兼容 、8K字节在系统可编程Flash存储器、 1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz 、三级加密程序存储器 、 32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、 低功耗空闲和掉电模式 、掉电后中断可唤醒 、看门狗定时器 、双数据指针、掉电标识符 。STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。4 系统整体方案设计论证4.1 系统整体方案设计光耦A/D键盘显示单片机辅助电源整流滤波 图1：系统组成原理框图本系统共包含4个模块：单片机数控模块、显示模块、键盘模块、辅助电源模块。输入端输入的220V交流电经整流滤波后电压降低，并且变化为直流，经过7812、7805后电压降为12V、5V为A/D、单片机供电；接通电源后单片机先检测键盘有无按键按下，并根据检测结果对光耦导通频率进行控制，从而控制次级变压器中电信号的导通频率，调节占空比，实现对输出电压的调节；同时，数码管与单片机连接将预置电压和实际电压显示在数码管。4.2 系统整体方案论证如下系统整体方案原理图，左上角是辅助电源部分，当输入电压经过变压TR1后电压下降为适合整流桥的电压，再经过整流桥BR1后变为直流，电容C1、C2的作用是滤波，之后经过7812、7805变为12V、5V的电信号分别为A/D、STC89C52供电。数码管显示部分为右上角部分，数码管上a、b、c、d、e、f、g管脚为段选，负责控制显示的数字内容；1、2、3、4管脚为位选，负责控制点亮哪一个数码管；由于单片机的信号很微弱，因此需要通过上拉电阻RP1来提高电信号以点亮数码管；单片机中P0口为数码管控制接口。原理图右下方为44矩阵式键盘，单片机中P1.0P1.3端口为行控制口，P1.4P1.7端口为列控制口。原理图左下侧部分为数控部分，当按键按下后单片机检测到信号，通过P2.0口输出一定频率的方波信号，此信号控制光耦中的发光二极管间歇性的发光，同时控制光耦中的三极管以一定的频率导通，从而产生一个频率可变的电信号作用于变压器，实现控制输出电压的调节变化的功能。其中的二极管D1、D2作为保护作用，防止电流的反向流动。R3、R4的作用是分压作用，通过调节R3、R4的比值产生适合单片机的电压。若输出电压存在偏差，单片机会通过调整输出信号的频率来校正输出电压。图2：系统整体原理图5 系统各单元模块硬件电路设计5.1 数控单元电路设计数控单元电路由单片机、光耦、三极管、变压器等组成。其工作原理是：当预置输出电压后，单片机输出一个固定频率的脉冲信号，此信号经过三极管驱动后，控制光耦中的发光二极管以一定的频率发光，与此同时光耦中的三极管以一定的频率导通和断开，在变压器原边产生一个以一定频率变化的单向电压信号，通过控制电压信号的频率来控制变压器输出电压的变化。若输出电压偏离标准值时，通过改变输出电信号的频率大小实现输出电压的调整。光耦的简介及其原理光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电” 转换。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓宽。光耦合器的类型及性能特点 光耦合器有双列直插式、管式、光导纤维式等多种封装形式，其种类达数十种。光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。 光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V (BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。 电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时，它等于直流输出电流IC与直流输入电流IF的百分比。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。5.2 键盘单元电路设计5.2.1 矩阵式键盘的结构及原理 矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。 一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。 矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。 5.2.2 矩阵式键盘按键的识别 识别按键的方法很多，其中，最常见的方法是扫描法。 按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平，显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平，只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行电平的变化，便能判定相应的行有键按下。8号键按下时，第2行一定为低电平，然而，第2行为低电平时，能否肯定是8号键按下呢？回答是否定的，因为9、10、11号键按下同样使第2行为低电平。为进一步确定具体键，不能使所有列线在同一时刻都处在低电平，可在某一时刻只让一条列线处于低电平，其余列线均处于高电平，另一时刻，让下一列处在低电平，依此循环，这种依次轮流每次选通一列的工作方式称为键盘扫描。采用键盘扫描后，再来观察8号键按下时的工作过程，当第0列处于低电平时，第2行处于低电平，而第1、2、3列处于低电平时，第2行却处在高电平，由此可判定按下的键应是第2行与第0列的交叉点，即8号键。 5.2.3 键盘的编码 对于独立式按键键盘，因按键数量少，可根据实际需要灵活编码。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。采用上述编码对于不同行的键离散性较大，不利于散转指令对按键进行处理。因此，可采用依次排列键号的方式对安排进行编码。5.2.4 键盘的工作方式 在单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。 1）编程扫描方式 编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。 键盘扫描程序一般应包括以下内容： （1）判别有无键按下。 （2）键盘扫描取得闭合键的行、列值。 （3）用计算法或查表法得到键值。 （4）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。 （5）将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。 2）定时扫描方式： 定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。 3）中断扫描方式 采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态，为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。5.2.5具体设计方案：本设计中使用的STC89C52单片机接口有限，因此设计中的键盘使用矩阵式键盘。其工作原理是，按键按下时，与此键相连的行线与列线导通，行线在无键按下时处在高电平，显然，如果让所有的列线也处在高电平，那么，按键按下与否不会引起行线电平的变化，因此，必须使所有列线处在低电平，只有这样，当有键按下时，该键所在的行电平才会由高电平变为低电平。CPU根据行电平的变化，便能判定相应的行有键按下。图3：44键盘原理图5.3 显示单元电路设计5.3.1 数码管的分类 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。5.3.2 数码管的驱动方式 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。静态显示就是显示驱动电路具有输出锁存功能，单片机将所要显示的数据送出去后就在不管，直到下一次显示数据需要更新时再传送一次新的数据，显示数据稳定，占用很少的CPU时间；动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多；这两种显示方式各有利弊：静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，占用I/O口较多；动态显示虽有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。硬件译码就是显示的段码完全由硬件完成，CPU只要送出标准的BCD码即可，硬件接线有一定标准。软件译码是用软件来完成硬件的功能硬件简单，显示段码完全由软件来处理，是目前常用的显示驱动方式。本设计中使用4段共阴极数码管，分别用来显示预置电压和实际电压。考虑到STC89C52单片机的接口有限，故采用动态显示以减少I/O口的使用。由于单片机的电信号非常微弱不能点亮数码管，因此需加上拉电阻以提高电流来点亮数码管；当数码管工作时，上拉电阻与+5V电源及数码管构成闭合回路，以此来提高回路中的电流。下图中P2.0P2.3口为位选段，负责选择点亮哪支数码管；而P0.0P0.7为段选段，负责控制显示的数字及小数点；各口的接线以总线形式连接，而8个上拉电阻以排阻的形式给出。 图4：显示单元电路5.4 辅助电源单元电路设计：5.4.1 直流稳压电源简介：辅助电源即普通的直流稳压电源，但要求其有两种输出电压12V、5V，分别为A/D、STC89C51提供电源。稳压电源的分类方法繁多，按输出电源的类型分有直流稳压电源和交流稳压电源；按稳压电路与负载的连接方式分有串联稳压电源和并联稳压电源；按调整管的工作状态分有线性稳压电源和开关稳压电源；按电路类型分有简单稳压电源和反馈型稳压电源，等等。 5.4.2 直流稳压电源的工作原理：直流稳压电源包含4个部分：电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。220V交流电经过电源变压器后电压下降为适合整流二极管的电压，而后经过桥式整流电路后将交流电变为单向脉动直流电压。整流是利用二极管的单向导电性来实现的。然后滤波电路将脉动直流电压中的交流分量滤除，形成平滑的直流电压。滤波可用电容、电感或电阻电容来实现。小效率整流滤波电路通常采用桥式整流，电容滤波。最后的稳压电路的作用是当交流电网电压波动或负载变化时，保证输出直流电压稳定。简单的稳压电路可采用稳压管来实现，在稳压性能要求高的场合，可采用串联反馈式稳压电路（它包括基准电压、取样电路、放大电路和调整管等部分）其系统框图如图： 图5：辅助电源框图6 系统软件设计：系统软件主要为控制、处理、监控程序，系统的软件设计是本课题的一项重要任务。在系统软件设计中，系统软件按功能可分为控制系统主程序，按键处理、数字读取、显示子模块程序两大部分。控制系统把系统数据进行处理后发送给子模块，并且完成信号的输出和显示数据的发送处理。整个系统的程序流程如下图。开始系统初始化键盘扫描有键按下NY数字键步进键确认键显示图7：系统主程序流程图6.1.1 软件设计思想（1）控制系统主程序控制系统是整个系统的工作软件，它需要完成与按键的信息处理和LED显示屏的扫描驱动等工作。就像人的大脑一样，它是整个系统的灵魂，控制着系统稳定，有序的运行。（2）模块化的程序设计方法 为了使程序更简短有效、可读性强，我们采用了模块化的程序设计思想。这些模块包括系统初始化子程序、按键处理子程序、显示子程序，以在复杂的主程序存在调用大量的子程序。6.1.2 算法针对开关电源的应用领域广泛，采用模块化，规范化设计方案，边设计边试验和仿真设计策略，从基本的功能入手，逐步完成系统各部分的设计。 在设计过程中既保证实施上可行，运行上可靠，又运用专门控制，实时数据库等先进技术提高系统性能，使系统智能化，并充分考虑到应用上的灵活性，系统实现的经济性，使之成为一个实用的，有效益的系统。（1）在系统总体设计中将贯彻学术性与实用性相结合，先进性与可行性相结合，功能性与经济性相结合的原则，尽量采用成熟的技术和已有的科研积累。在关键难点问题上尝试采用相关学科的最新成果，使系统既具有稳定可靠的运行性能又有一定的技术含量和创新价值。（2）在硬件上采用了完全模块化的设计思想，选用通用IC芯片，所有电气连线采用接插方式，并各模块都有独立的电源，以保证系统安装方便，运行可靠，维护简单。（3）整个开关电源都使用STC89C52担任控制器，完成数据的处理和LED数码管显示，在整个系统中处于核心的地位。（4）在软件编制上，采用结构化设计思想，总体采用适应于51系列单片机的C语言进行编程。 7 系统硬件调试、软件仿真结 论基于单片机的数控开关电源由数控电路、键盘电路、数码管显示及驱动电路、辅助电源电路等硬件系统组成。系统的正常工作还需要单片机软件的支持。本次课题设计中，在导师的耐心指导下，经过多次修改和整理，我完成了整个系统的硬件设计，软件流程图的设计；由于自己的水平有限，还有许多不足或需要完善的地方，比如使该系统更加人性化，并且选择更加直观和实际的数据格式及显示方式，这样就更加接近成为一个成熟的产品。但是通过这次课题设计的实践我了解了一个完整的系统开发的全部流程，将所学的知识综合起来运用于实际，对以后的继续学习与工作有很大的好处。最终由于时间短暂的关系，我的研究工作还有许多需要完善之处，特别是关于脉宽调制的硬件研制与软件编写等问题，还有待深入的研究探讨。如果时间允许，我会仔细的研究软件的编写，并扩展此开关电源的部分功能。后 记经过了三个多月的学习和工作，我终于完成了基于单片机的数控开关电源设计的设计论文。从开始接到课题到系统的实现，再到论文的完成，每走一步对我来说都是新