基于单片机控制的升压型直流变换器设计.doc

序号： 07446308 常 州 大 学毕业设计（论文）（2011届）题 目 基于单片机控制的升压型直流变换器设计 学 生 陆苏青 学 号 07446308 学 院 信息科学与工程 专业班级 电子（怀）071 校内指导教师 姚广平 专业技术职务 研究员级高工校外指导老师 专业技术职务 二一一年六月基于单片机控制的升压型直流变换器设计摘 要：介绍基于单片机为核心控制的升压斩波电路（boost chopper）.利用matlab仿真软件仿真和protel设计软件设计电路。基于单片机控制的升压型直流变换器设计，由电源电路模块、控制电路模块，驱动电路模块，斩波电路模块，保护电路模块和显示电路模块几个模块组成。以单片机为控制核心的升压斩波电路，通过单片机生成占空比可变的方波，从而控制驱动电路。驱动电路驱动主电路中的场效应管，以达到改变管子的开通或关断时间的目的。由斩波电路的原理可知开通、关断时间的不同，输出电压也不同，该设计工作还包括过压，过流保护电路。过流保护电路由运算放大器构成，过压保护由单片机完成，一旦过了参考值，单片机输出口就输出恒低电平信号，使驱动电路关断，场效应管也随之关断。以此以达到保护电路的目的。关键字：升压斩波;8051;simulink ; 场效应管。the design of microcomputer controlofboostdc-dc converterabstract: describesthe core ofthe controlbased on single chipboostchopper. using matlab simulation software andproteldesign. microcomputer control of boost dc-dc converter is made up by power supplycircuit module, the control circuitmodule,drive circuitmodule,the chopper circuit module, circuit protection circuit moduleand displaymodule. the core ofthemicrocontrollerto control the boost chopper. microcomputer generatedbythe variableduty cyclesquare wave to control thedrive circuit. drive circuitdrivesthe primarycircuitof the mosfet.in order tochangeopening-time oroff-time. we knowfrom theprinciple ofchopper. by the different of opening-time oroff-time, the output voltagewill be different. the designalso includesovervoltage,over current protectioncircuit. over-current protectioncircuit consists ofoperationalamplifiers. overvoltage protectionfrom themicrocomputerto complete. once thereference value, the microcontroller output to constantlow-leveloutputsignal to drive circuitoff, mosfetalso willturn off.in orderto achievethe purpose of protection circuit.key: boost chopper;8051; simulink ;mosfet.目 录摘要i目录iii1 引言11.1 电力电子技术的简介11.2 电力电子技术的发展11.3 电力电子技术的应用22 升压斩波电路的设计及其应用32.1 主电路工作原理32.1.1 工作原理32.1.2 数量关系32.2 升压斩波电路的典型应用43 硬件设计73.1 升压直流变换器电路总设计概述73.2 控制电路73.2.1 占空比可调的方波发生电路部分73.2.2 方波发生器电路芯片简介at89s5283.3 驱动电路113.4 斩波电路123.4.1 储能电感l的选择133.4.2 输出滤波电容的选择133.4.3 光耦芯片的介绍143.4.4 开关晶体管的选择153.4.5 二极管153.5 保护电路153.5.1 保护电路原理介绍153.5.2 保护电路的芯片介绍183.6 稳压电路223.6.1 串联反馈型稳压电路223.6.2 稳压原理233.7 电源电路243.7.1电源电路电路图243.7.2电源电路原理254 软件设计274.1 软件主要实现的功能根据该电路的需求274.2 主流程图274.3 控制电路274.4 电压显示325 matlab仿真实验355.1 仿真模型355.2 仿真结果，负载波形365.3 仿真实验结论386 结论39参考文献40致谢41iv常州大学本科生毕业设计（论文）1 引 言随着电力电子技术的迅速发展，高压开关稳压电源已被广泛用于计算机、通信、工业加工和航空航天等领域。所有动力机装置需要一个稳定的电力输送装置，而外部提供的能源大多为交流，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各种类别直流任务。但有时那转变的直流电压同所需设备要求人仍不相符，仍需变换，称为dc/dc变换。直流斩波电路作为将直流电，变成另一种固定电压的dc-dc变换器，在充电蓄电电路、直流传动系统.、电力电子变换装置、开关电源及各种用电设备中得到普遍的应用。随之出现了诸如升压斩波电路、降压斩波电路、复合斩波电路、升降压斩波电路等多种方式的变换电路。直流斩波技术，已被广泛运用于直流开关电源和电机推动中，使其控制获得加速平滑、快速响应、加快节能的效果。直流斩波电路实际上采用的就是pwm技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。pwm控制方式是目前才用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。该课题是基于单片机，所以设计采用单片机产生占空比可变的方波信号，以达到场效应管开通或关断时间变化的目的。1.1 电力电子技术的简介所谓电力电子技术1就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。具体地说，电力电子技术是使用电力电子装置对电能转化和控制技术。电力电子技术是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。通常所用的电力有直流(dc)和交流(ac)两大类。直接从公用电网得到的电力是交流，直接从蓄电池和干电池得到的电力是直流。从这些电源得到的电力往往不能直接满足设备对电源的要求，需要进行电力变换。电力变换通常可分为四种类型：交流变直流(ac-dc)变换：将交流电转换为直流电。直流变交流(dc-ac)变换：将直流电转换为交流电。交流变交流(ac-ac)变换，将交流电能的参数(幅值或频率)加以变换。直流变直流(dc-dc)变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。1.2 电力电子技术的发展电力电子器件的发展，为电力电子技术的发展起着决定性作用。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲。1957年第一只晶闸管也称可控硅(scr)问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件(亦称自关断型器件)，如：门极可关断晶闸管(gto)、双极型功率晶体管(bjt/ gtr)、功率场效应晶体管(p-mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(igbt)等。控制电路经历了，从分立元件到集成电路的发展阶段。现在已有专为各种控制功能设计的专用集成电路，这使变换器的控制电路大大简化。设计中就是用了场效应晶体管，来作为主电路的重要组成部分。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅应用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域也有着广泛的应用。例如：(1) 优化电能使用。通过对发电力进行电力电子技术处理，使电力的使用配置达到合理、高效和节约，实现最优使用电力能源。(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。特别强调的是，电力电子技术采用的是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，这成为发挥计算机作用的保证和基础，这也是为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件。(3) 电力电子技术的发展,高频率的变频技术,，将会使电气设备突破传统，电源向高频化的方向发展。 (4) 电力电子智能化的发展，在一定的程度上将信息处理和功率处理合一，使电力电子技术与微电子技术一体化，电力电子智能化的发展可能引起一些重大的电子技术改革。2 升压斩波电路的设计及其应用2.1 主电路工作原理2.1.1 工作原理假设l和c值很大。igbt(v)处于导通状态时，电源e向电感l充电，电流恒定i1，电容c向负载r供电，输出电压uo恒定。igbt(v)处于断开状态时，电源e和电感l一起向电容c充电，并向负载提供电能。图1.1 升压斩波电路主电路图首先假设电感l值很大，电容c值也非常大。当v-g（驱动电路与igbt连接处端口名）为高电平时，igbt(v)导通，24v电源向l充电，充电基本恒定为,此时电容c上的电压向负载r供电，因c值很大，可以保持输出电压为恒值，记为。设v处于导通状态的时间为，此阶段电感l上积储的能量为。当v处于关断状态时e和l共同向电容c充电，并向负载r提供能量。设v处于段态的时间为，则在此时间内电感释放的能量为。当电路工作于稳定状态时，一个周期（t）的时间内，电感积储的电能与释放的电能相等2，即 （1.1）化简得 （1.2）上式中的，输出电压则高于电源电压。式（1-1）中 为升压比，调节的大小，即可改变输出电压的大小。2.1.2 数量关系设igbt通态的时间为t，此阶段l上积存的能量为：eit设igbt断态的时间为t，则此段时间内电感l释放能量为：（u0-e）i1t稳态时，一个周期时间内中l积存的能量与释放的能量相等： （1.3）t/t1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。t/t升压比;升压比的倒数记为，即=。又因为+=1。所以： u=e=e （1.4）电压升高得原因：电感l储能使电压泵升的作用，电容可将输出电压保持住。2.2 升压斩波电路的典型应用通常用于直流电动机再生制动时把能量回馈给直流电源3图2.1 升压斩波电路的典型应用实际电感值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流连续和断续两种，工作状态电机反电动势相当于图2.1中的电源，此时直流电源相当于图2.1中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。基于“分段线性”的思想进行解析igbt(v)处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式 （2.1）式中r为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。设i1的初值为i10，解上式得 （2.2）当igbt(v)处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式： （2.3）设i2的初值为i20，解上式得： （2.4）用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形，如图2.2和图2.3所示。图2.2 电流连续升压斩波电路波形 图2.3 电流断续升压斩波电路波形当电流连续时，从图2.3的电流波形可看出，t=ton时刻i1=i20，t=toff时刻i2=i10，由此可得： （2.5） （2.6） 把上面两式用泰勒级数线性近似，得 （2.7） 该式表示了l为无穷大时电枢电流的平均值io，即 （2.8） 对电流断续工作状态的进一步分析可得出：电流连续的条件为 （2.9） 根据此式可对电路的工作状态作出判断。3 硬件设计3.1 升压直流变换器电路总设计概述电源电路产生的稳定24v直流电作为主电路（斩波电路）的输入电源，电源电路产生的稳定的直流+5v电压控制单片机，通过单片机来输出脉冲占空比可变的波，从而使升压斩波电路升压并输出可调的脉冲电压uo。把输出电压uo通过降压后得到的信号uco反馈给a/d转换电路，再通过比较器判断电压是否过压，过压则单片机输出恒高电平，是mosfet关断,因此整个系统构成一个可调的直流升压斩波电陆，并且达到过压保护的目的3。本设计主要由:电源电路、控制电路、驱动电路、斩波电路和保护电路组成。3.2 控制电路3.2.1 占空比可调的方波发生电路部分该电路通过按键控制的89s52产生占空比可调的方波信号，之后将该方波信号送到驱动电路5。说是方波信号其实就是通过定时器计时，在规定时间内输出的是高电平或是低电平。单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地进行工作。因而时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路方式有两种：一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，这里采用的是内部时钟方式，外接晶振。时钟电路由片外晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。选取频率为12mhz的晶振（选取此晶振值是方便编程需要，也是习惯性选择），微调电容是瓷片电容。因为单片机的p1口接三个按键所以要注意消除按键抖动的问题，设计通过软件编程实现，即先检验按是否按下，后调用一个延时程序，之后再次检测按键是否按下。图3.1 方波发生电路89s52的p1口接三个按键6，如图3.1，按键控制输出信号的占空比，按s1占空比逐渐增加1，按s2则反之减1，s3则恢复初值。控制信号是从单片机的p1.5口输出信号输送到驱动电路，从而控制主电路。当p1.5输出低电平是场效应管关断，当p1.5输出高电平是场效应管导通。即单片机输出低电平时间为场效应管的关断时间，单片机输出高电平时间为场效应管的导通时间。根据任务书的要求，输出的方波信号的占空比为60%，但设计时老师增加的要求是占空比可变的功能，所以在控制电路中加了三个按键，控制程序，达到占空比变化的效果。3.2.2 方波发生器电路芯片简介at89s52at89s52单片机7是一种低功耗高性能的cmos8位微控制器，内置8kb可在线编程闪存。该器件采用atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，at89s52指令与工业标准的80c51指令集兼容。at89s52片内程序存储器，允许程序存储器在系统内通过spi串行口改写或用同用的非易失性存储器改写，允许重复在线编程。at89s52成为一个高效的微型计算机是因为它是运用通过把通用的8位cpu与可在线下载的flash集成在一个芯片上的技术。at89s52单片机的应用范围广，它的成本较低，且可用于解决复杂控制问题。其结构框图如图3.2所示。控制电路中使用at89s52是因为市场上多数采用at89s52，其成本低，且可用于解决复杂控制问题，且允许重复在线编程。at89s52有看门狗，如果出现死循环，或者说pc指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。看门狗,又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到单片机的rst端, 单片机正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给看门狗清零,如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时), 看门狗定时超过,就回给出一个复位信号到单片机,使单片机复位. 防止单片机死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。如果不用此功能，可用用程序来关狗，那么用伪指令： _config_wdt_off图3.2 at89s52结构框图at89s52的主要特性如下：1）4v-5.5v的工作电源范围2）兼容mcs51产品3）全静态工作：0hz 24mhz4）8k字节可擦写1000次的在线可编程isp 闪存5）256字节内部ram6）3级程序存储器加密7）32条可编程输入/输出线8）8个中断源9）3个16位定时器/计数器10）uart串行通道11）灵活的在线编程（字节和页模式）12）看门狗定时器13）通过中断终止掉电方式14）双数据指针15）低功耗空闲方式和掉电方式下图3.3是at89s52封装结构图。图3.3 at89s52封装引脚图按照功能，at89s52的引脚可分为：主电源、多功能输入/输出口、外接晶体振荡或者振荡器、控制和复位等。at89s52共有四个8位的并行i/o口：p0、p1、p2、p3端口，对应的引脚分别是p0.0 - p0.7，p1.0 - p1.7，p2.0 - p2.7，p3.0 - p3.7，共32根输入/输出线。每根线可以单独用作输入或输出。p0口，该口是一个8位漏极开路的双向输入/输出口。在作为输出口时，每根引脚可以带动8个ttl输入负载。当把“1”写入p0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时，p0可用作多路复用的低字节地址/数据总线。对flash存储器，进行编程时，p0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。p1口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向输入/输出端口，p1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个ttl输入。对端口置“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉置高电位，此时可用作输入口。p1口作为输入口使用时，因为内部是有上拉电阻的，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。对flash编程和程序校验时，p1口接收低8位地址。另外，p1.0和p1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（p1.0/t2）和定时/计数器2的触发输入端（p1.1/t2ex），p1口管脚复用功能如表3.1所示。表3.1 p1口管脚复用功能端口引脚复用功能p1.0t2（定时器/计算器2的外部输入端）p1.1t2ex（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）p1.5mosi（用于在线编程）p1.6miso（用于在线编程）p1.7sck（用于在线编程） p2口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向输入/输出端口，p2端口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个ttl输入。对p2口置“1”时，通过内部的上拉电阻把p2口拉置高电位，此时可用作输入口。该端口作输入口使用时，因为p2口内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器（如执行movx dptr指令）时，p2口送出地址的高8位，在访问8位地址的外部数据存储器（如执行movx ri指令）时，p2端口引脚上的内容，在整个访问期间不会改变。对flash编程和程序校验的期间，p2端口也接收地址高位或一些控制信号。 p3口，p3口是带有内部上拉电阻，的8位双向输入/输出端口，p3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个ttl输入。对p2口置“1”，通过内部的上拉电阻把p2口拉到高电位，此时可用作输入口。p3端口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在at89s52中，同样p3口还用于一些复用功能，如表3.2所列。在对flash编程和程序校验期间，p3口还接收一些控制信号。表3.2 p3端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外部中断0）p3.3int1（外部中断1）p3.4t0（定时器0的外部输入）p3.5t1（定时器1的外部输入）p3.6wr（外部数据存储器写选通）p3.7rd（外部数据存储器读选通）rst 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在sfr auxr（地址8eh）寄存器中的disrto位可以用于屏蔽这种功能。disrto位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。ale/prog 地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲prog。一般情况下，ale是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ale脉冲。在需要时，可以把地址8eh中的sfr寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ale的工作；而只有在movx或movc指令执行时ale才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ale屏蔽位置“1”并不起作用。psen 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当at89s52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期psen被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中，psen的2次激活会被跳过。ea/vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000hffffh的外部程序存储器中读取代码，故要把ea接到gnd端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则ea在复位时被锁存。当执行内部程序时，ea应接到vcc。在对flash存储器编程时，这条引脚接收12v编程电压vpp。xtal1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。xtal2 振荡器的反相放大器输出。3.3 驱动电路 下图3.4给出了电力mosfet一种驱动电路，它包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号时高速放大器输出负电平，q2导通输出负驱动电压，从而场效应管关断，当有输入信号时放大器输出正电平，q1导通输出正驱动电压，从而场效应管导通。图3.4 驱动电路电路图电力mosfet的栅源极之间有数千皮法的极间电容使电力mosfet开通的栅源极间驱动电压一般取10v至15v，关断时施加一定幅值的负驱动，一般取-5v至-15v,有利于减小关断时间和关断损耗，在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡。该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。所以图3.4中，正驱动电压为+15v，负驱动电压为-15v，q1的型号是d44h8，q2的型号是d45h8。d44h8与d45h8的uce最大值为60v，因为该驱动电路中的驱动电压为-15v，+15v，q1、q2选择上述型号较为安全。图3.4中的ua741的输入电阻20k置15m。这里取50k。常见的专为驱动电力moseft而设计的混合集成电路有三菱公司的m57918l,其输入信号电流幅值为16ma，输出最大脉冲电流为+2a和-3a，输出驱动电压+15v和-10v。3.4 斩波电路本设计为直流升压斩波（boost chopper）电路，该电路是本系统的核心。原理图如下图3.5所示。图3.5 斩波电路原理图原理分析：首先假设电感l值很大，电容c值也很大。当v-g为高电平时，q1导通，24v（由电源模块产生，图3.5中的dy1与dy2分别主电路电源的正、负极）电源向l2充电，充电基本恒定为,同时电容c上的电压向负载r供电，因c值很大，基本保持输出电压为恒值，记为。设v处于通态的时间为，此阶段电感l上积储的能量为。当v处于段态时e和l共同向电容c充电，并向负载r提供能量。设v处于段态的时间为，则在此期间电感l释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期t中电感l积储的能量于释放的能量相等，等量关系在第2章工作原理中已经计算。图3.5的r1=90，由p= u20/r,u0=60v，p=40w，所以r=90。图3.5后的r2、r3是用于分压的，如图所示电阻比为29:1，所以取样电压最大为2v,因为adc0809的输入电压为0v置5v，所以这里取样电压最大为2v较合适。3.4.1 储能电感l的选择电感电流包括直流平均植和纹波分量两部分4，其电流平均值如下确定。假定忽略电路的内部损耗，电路中开关f设为1khz，则vi*ii=vo*io,其中ii是从电源vi取出平均电流,也是流入电感的平均电流il,以下中vi=e=24v，v0=u0=60v,p0=40w,i0=0.67avo= vi*t/toff, (3.1) 故有 ii= vo*io/ vi=io*t/toff (3.2)选择 i=vi*ton/l=1.4ii， (3.3)则电感l为 l= vi*ton/1.4ii (3.4) ton=t*( vo- vi)/ vo=(vo-vi)f*v0 (3.5)假定忽略内部的损耗，则vi*ii=vo*i0 (3.6)故有 ii= vo*io/ vi (3.7) 因此 l= vi*ton/1.4ii= vi*（vo- vi）/1.4f * vo*i0 (3.8)已知输出电压vo、输出电流io、输入电压vi和开关频率f，就可求出电感值。则： l24（60-24）/1.4*1000*60*0.67=0.00617h (3.9)因此l的规格选为lgc0410 其电感量为0.15uh 56uh 额定电流范围为1.85a 300ma。3.4.2 输出滤波电容的选择假如输出滤波电容c必须在v开启的ton期间供给全部负载电流，设在ton期间，c上的电压降纹波电压vo，由式得 c=io*(ton/vo) (3.10)由式，求得ton=t*(vo-vi)/vo (3.11)故有 c= t*io*(vo-vi)/vo*vo = io*(vo-vi)/f*vo*vo (3.12) vo24*10%=2.4v (3.13) c10*(60-24)/1000*2.4*60=0.000167f (3.14)以上的计算值均为理论上理想值在本电路中，电容作滤波作用，要求耐压值要较高,可以选择高压瓷介电容,瓷介电容耐热能好.容量稳定性好,因陶瓷材料绝缘性能好,使瓷介电容耐压高,而且几乎与频率无关,具备适用于高频电路的优势.建议电容的参数选择如表3.3，可选电容2a823，其电容量为82*103=82000pf，额定电压为1.0*102=100v。表3.3 建议电容的参数表 额定电压(v) 标称容量(uf) 大于或等于 100 小于1673.4.3 光耦芯片的介绍光电耦合器是以光电转换原理来传输信息的，由于光耦两侧是电绝缘的性能，所以对地电位差干扰，具有很强的抑制能力，同时光耦对电磁干扰也具有很强的抑制能力。1. 光耦结构如图3.6。 图3.6 光耦结构图当发光二极管流过电流if时发出红外光，光敏三极管受光激发后导通，并在外电路作用下产生电流ic。2. 光耦特点如下：a.光耦合器的干扰的来源内阻大，输入阻抗内部阻力小，因而分配给光耦输入噪声是非常小的 b.光耦是在目前电流状态下工作的，干扰源即使有一个很高的电压范围，但由于不能提供足够的电流，干扰电压就被抑制掉了；c.光耦是在密封的条件下工作的，因此来自外界的光无法干扰光耦的工作；d.光耦的输入和输出回路之间分布电容值极小，而绝缘电阻阻值很大，所以回路一边的干扰，非常难的通过光耦馈送到另一边应用电路。建议光耦的参数选择如表3.4。表3.4 建议光耦参数表型号正向压降vf(v)最大正向电流ifmax(ma)电流传输比ctr()输出饱和压降vce(v)反向击穿电压vceo(v)输入与输出绝缘电压bvs (v)tlp-521 1.15(if=10ma) 50100(if=5ma vce=5v)0.4(if=8 maic=2.4ma) 55 2500 3.4.4 开关晶体管的选择mosfet的核心：金属氧化层半导体电容 金属氧化层半导体结构mosfet在结构上以一个金属氧化层半导体的电容为核心（如前所述，今日的mosfet多半以多晶硅取代金属作为其栅极材料），氧化层的材料多半是二氧化硅，其下是作为基极的硅，而其上则是作为栅极的多晶硅。这样子的结构正好等于一个电容器，氧化层扮演电容器中介电质（dielectric material）的角色，而电容值由氧化层的厚度与二氧化硅的介电常数（dielectric constant）来决定。栅极多晶硅与基极的硅则成为mos电容的两个端点。图3.5中的场效应管选用型号为ao4462l，其vds为100v,vgs为25v,漏极电流ids为6.5a至8a。主电路的e=24v，u0=60v，p0=40w，得i0=0.67a，ii=1.67a，根据仿真结果，管子在刚刚导通时，会有较高的电压脉冲，选管子时要留有裕量，所以选用ao4462l最合适 3.4.5 二极管在场效应管导通间,二极管截止,这时上承受的电压为u0 (忽略场效应管的正向饱和压降)。在场效应管截止期间，二极管导通，二极管中流过的电流为输出电流io与电容c充电电流之和，也就是toff期间电感l中流过的电流，即输入电流ii= io（uo/ e）。自然在选择管子的电压、电流额定值时，都应该考虑安全因素，留有一定的余量。ii=0.67a*（60/24）=1.675a ；耐压要180v以上在升压斩波电路中，二极管是起整流的作用，因为此电源是一个高频开关电源，建议二极管参数选择如表3.5，建议选用in5402，其最大反向电压为200v，最大半波整流为3a。 表3.5 建议二极管参数表反向恢复时间 （ us ）平均整流电流 （a）反向击穿电压 （v）峰值电流（a）0.03532002.83.5 保护电路3.5.1 保护电路原理介绍试验方案中还设计了保护电路8，如下图3.7和图3.8，分别是过流保护与过压保护，下图3.7是过流保护电路图。图3.7 过流保护电路图3.7中r7是100k ，串联在负载管两边，r7的一边连接地，另一边输入运算放大器的负（即引脚2），引脚3接滑动变阻器r4，r4取值10 ，因为斩波电路的输出电压u0为60v，输出功率40w，即i0为0.67a，所以设保护电流参数为1.5a（r4接电压15v，r4为10，即参考电流为1.5a），将反馈电流与的保护电流参数值相互比较，如果大于限定值则使单片机8051的p2.1脚置低电平，使单片机89s52的输出引脚p1.5输出恒为低，从而光耦驱动停止，驱动电路产生负驱动电压，从而关断mosfet管，以达到保护电路的作用。同时，将p1.4置高电平，使发光二极管发光。从而达到报警功能9.。下列步骤实现，过压保护：最大电压为60v，通过电阻分压，得电压2v，因为0809的输入电压为0-5v。所以这里取2v，经0809的in0口输入，在8051中判断电压值是否大于2.02v，如大于2.02v，则8051的p1.1口输出恒高电平，与89s52的p2.0相接，这时89s52的p1.5口输出恒为低的电平，从而光耦区动停止，驱动电路产生负驱动电压，关断mosfet管，以达到保护电路的作用10。将该电压信号传给adc0809转换成数字信号，后由led显示，电路设计如下图3.8示。图3.8 过流保护和电压显示电路图adc0809时钟信号的确定：adc0809时钟信号由8051的ale信号提供，8051的ale引脚通常是每个机器周期出现两次，故它的频率是单片机时钟频率的1/6。若8051的主频是12mhz，则ale信号频率是2mhz，若使ale上信号二分频后接adc0809的clk端，则可获得1mhz的a/d转换脉冲。又因为adc0809的clk应该小于等于640khz,图3.6中8051的晶振为12mhz,所以ale信号频率是2mhz，要先4分频后接adc0809的clk端，则可获得500khz的a/d转换脉冲,如图3.8所示。4分频电路由74ls74构成，74hls74是集成维持-阻塞边沿d触发器，其引脚连接如图3.8的右上角的分频模块所示，分频器的工作原理：分频器的引脚1置高，q为高电平，q为低电平，引脚5即d为低电平，时钟第一个上升沿来时，d在此时刻前一时刻状态为低电平，所以q输出低电平，q为高电平。这样d为高电平，直到下一个时钟脉冲上升沿的到来，由于在此之前的前一时刻，d的状态为高，所以q输出高电平，q输出低电平，以下依次类推，实现第一次分频，即输出的频率为原来的1/2，在将此输出频率接到下一个d触发器的clk端，原理同上，输出的频率为原来时钟频率的1/4。a/d转换满足以下条件：在启动a/d转换之前，需在ale端产生一个正跳变，将地址锁存起来，使得在a/d转换期间，比较器内部输入始终是选中的模拟通道输入信号。在start端需产生一个正脉冲，上升沿复位adc0809，下降沿启动a/d转换。在a/d转换结束之前，在start端和ale端不能再次出现正脉冲信号。因此，需要接一个地址锁存器，图3.8中的74als273就是起到锁存器的作用。将单片机的wr信号取反后，送至adc0809的start端和ale端，可满足条件和将wr与仅在访问adc0809时变低的p2.4（通过软件设p2.4的值）处理后可进一步满足，所以adc0809的oe经或非门与单片机的rd和p2.4相连，adc0809的start和 ale经或非门与单片机的p2.4和wr相连。3.5.2 保护电路的芯片介绍保护电路中使用的单片机是8051，设计中使用两个单片机芯片会增加成本，不过由于编程的原因，所以采用与控制电路不同的单片机芯片8051，8051单片微型计算机11简称单片机，与89s52的引脚功能相似，请参照章节3.6.7。080911是美国国家半导体公司生产的cmos工艺8通道，8位逐次逼近式a/d转换器。它可以根据地址码锁存译码后的信号，是因为其内部有一个8通道多路开关。是目前国内应用最广泛的8位通用a/d芯片 1）具有转换起停控制端。 2）8路输入通道，8位a/d转换器，即分辨率为8位。 3）转换时间为100s(时钟为640khz时)，130s（时钟为500khz时） 4）不需零点和满刻度校准，模拟输入电压范围0+5v。5）单个+5v电源供电6）工作温度范围为-40+85摄氏度 7）低功耗，约15mw。 内部结构： 0809是cmos单片型逐次逼近式a/d转换器，内部结构如图3.11所示。 外部引脚：adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.10所示。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端，其输入范围是0-5v。2.12.8：8位数字量输出端。 adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路 ale：地址锁存允许信号，高电平有效，是输入口。 start： a/d转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动a/d转换）。 eoc：此引脚为 a/d转换结束信号，是输出端，当a/d转换结束时，同时此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：此引脚为数据输出允许信号，是输入端，为高电平有效。当a/d转换结束时，此时该端口输入一个高电平时，才能打开输出三态门，输出数字量。 clk：此引脚为时钟脉冲输入端。时钟频率应该小于等于640khz。 ref（+）、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，接+5v。 gnd：接地。 adc0809工作过程首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 a/d转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到a/d转换完成，eoc变为高电平，指示a/d转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当oe输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 a/d转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认a/d转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种a/d转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如adc0809转换时间为128s，相当于6mhz的mcs-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，a/d转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。本设计中只有in0作为输入口，所以直接采用此种方法进行编程。 （2）查询方式 （3）中断方式 不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，oe信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。adc0809引脚参照下图，如图3.10所示图3.10 adc0809引脚图adc0809的内部逻辑结构图如图3.11所示。图3.11 adc0809内部逻辑结构图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个a/d转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对 a、b、c 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表3.6为通道选择表。表3.6 0809通道选择表cba被选择的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7 对adc0809主要信号引脚的功能说明如下：in7in0模拟量输入通道 ale地址锁存允许信号。对应ale上跳沿，a、b、c地址状态送入地址锁存器中。start转换启动信号。start上升沿时，复位adc0809；start下降沿时启动芯片，开始进行a/d转换；在a/d转换期间，start 应保持 低电平。本信号有时简写为st.a、b、c地址线。 通道端口选择线，a为低地址，c为高地址，引脚图中为adda，addb和addc。其地址状态与通道对应关系见