基于单片机温度控制系统设计-电源设计.docx

课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业自动化学生姓名XXX班级学号XXXXXXXX课程设计题目基于单片机温度控制系统设计-电源设计实践教学要求与任务:1） 构成单片机温度控制系统2） 电源设计3） 实验调试4） THFCS-1现场总线控制系统实验5） 撰写实验报告工作计划与进度安排:1） 第12天，查阅文献，构成单片机温度控制系统2） 第34天，电源设计3） 第56，实验调试4） 第79天，THFCS-1现场总线控制系统实验5） 第10天，撰写实验报告指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日摘要开关电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠。多年来，由于技术上的障碍(高压，大功率)，开关电源集成电路在集成化上一直因一种电流模式PWM开关电源控制器的设计得不到很大的进步。本文中研究的单片机控制开关电源，可以通过键盘预置期望输出电压值，模/数转换器对输出电压进行采样，由软件控制单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压。并采用PID算法控制输出电压稳定，构成可输出3v到12v的可调电压，并显示实时电压和预置值，通过键盘可随时修改PID参数以优化控制效果，并该系统可以给芯片提供工作电压，加以扩展可构成输出正负3到12伏的双极性电源。单片机控制的开关电源具有设计弹性好的优点，可以按照设计者的思想灵活的工作。目前电子设备的日益小型化需要供电电源的小型化，这样制作小型化电源是未来电源制作的一个趋势，传统开关电源线路一般很复杂体积也较大，如果使用的单片机作为控制核心必将可以大大简化电源的结构，制作更加小的电源将成为可能，并且使用单片机可以扩展许多功能，如显示，实时控制调整电压，可维护性强，由于目前国内有专门的PWM输出的单片机价格昂贵，普通的单片机I/O口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远达不到现代电源要求的工作频率，所以目前单片机控制的电源使用并不广泛，但是单片机在智能化以及可实现的用户友好界面，扩展性强等等方面的优势使其成为未来电源重要的发展方向。因此，我们研究单片机控制的开关电源，非常有现实意义。关键词：温度控制系统, Proteus, PID, 直流稳压电源目 录摘要2目录3第一章概述41.1系统背景41.2 电源技术的发展与方向41.3 课题相关背景5第二章 开关电源方案设计62.1 开关电源工作原理62.2 开关电源与线性电源的比较72.2.1线性电源的缺点72.2.2开关电源的优点72.3 方案论证82.3.1方案182.3.2方案282.3.3 方案382.3.4方案分析82.3.5总体结构设计9第三章 硬件电路设计113.1 电源电路设计113.1.1整流滤波电路113.1.2开关变换电路113.1.3分压电阻的计算123.1.4保护电路133.2 控制电路设计133.2.1反馈电路设计143.2.2四位数码显示电路设计15第四章 软件设计174.1中断处理程序设计174.2 PID控制算法1743数字滤波18第五章 系统调试205.1 系统调试205.2 硬件模块调试205.2.1整流滤波电路的调试205.2.2AD转换的调试205.2.3脉冲输出电路的调试215.3 电源性能指标的测试215.3.1开关电源的技术指标215.3.2过流保护的测试21第六章 THFCS-1现场总线控制系统实验23第七章 结论24参考文献25第一章 概述1.1系统背景开关电源已有几十年的发展历史。1955年发明的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，率先实现了高频转换控制功能；1957年发明的自激推挽式双变压器，1964提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步。1977年脉宽调制（PWM）控制器集成电路的问世，1994年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及创造了条件。与此同时，开关电源的频率也从最初的20KHz提高到几千赫兹至几兆赫兹。目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向发展。各种新技术、新工艺和新器件如雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及。1.2 电源技术的发展与方向开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。（1）高效电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展的一种集中体现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效率尤为重要。（2）低功耗随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步发展。（3）高集成便携式应用的空间十分有限，这就迫使电源供应商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本，提升效能与可靠度。（3）智能化运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大多数笔记本，普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。1.3 课题相关背景我国的三极管直流变换器及开关电源的研制工作开始于60年代初期，到了60年代中期进入了实用阶段，紧跟着70年代初开始研制无工频变压器开关电源。1974年研制成功了工作频率为10千赫兹、输出电压为5v的无工频开关电源。近30年来，许多研究所、工厂及高校已研制出多种型号的开关电源，并广泛的应用于电子计算机、通信、家电等许多方面，取得了很好的效果。工作频率为100千赫兹-200千赫兹的高频开关电源于80年代初期开始研制，90年代初试制成功，目前已经是非常成熟的电子产品。按调制方式划分可以分为： （1）脉宽调制型：振荡频率保持不变，通过改变脉冲的宽度来改变和调节输出电压的大小。通过采样电路、耦合电路构成闭合回路，来稳定输出电压。缩写为PWM(Pulse Width Modulation)。 （2）频率调制型：占空比保持不变或关断时间不变，改变振荡器的频率来稳定并调节输出电压幅度。缩写为PFM（Pulse Frequency modulation）。 （3）混合调制型：通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并输出电压幅度。通常采用的是脉宽调制型和混合调制型两种调制方式。在脉宽调制中因为频率不变，所以无论是对电路中的磁性元件及晶体管的测试和设计都很方便，而且对射频干扰的抑制也变得比较容易。混合调制则因其线路简单，也得到了广泛的应用。相对而言，频率调制较少采用。本文中采用的是脉宽调制型。第二章 开关电源方案设计2.1 开关电源工作原理开关电源是指调整管工作在开关方式，即导通和截止状态的稳压电源，缩写为SPS（Switching Power Supply）。开关电源的核心部分是一个直流变换器。利用直流变换器可以把一种直流电压变成极性、数值不同的多种直流电压。开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。图2.1开关电源原理框图按电源电路中功率管的工作方式划分，电源可以分为开关电源与线性电源两大类。线性电源是发展较早的一种电源，其功率管工作在线性放大区。开关电源是在线性电源的基础之上发展起来的，并在很大程度上克服了线性电源的缺陷，但其自身也有一定的不足。2.2 开关电源与线性电源的比较2.2.1线性电源的缺点（1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；（2）体积大、重量大，不能小型化；（3）必须有较大容量的滤波电容。造成这些缺点的原因是：（1）线性电源中功率晶体管V在整个工作过程中，一直工作在晶体管特征曲线的线性放大区。功率晶体管本身的功耗与输出电流成正比。这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大。为了保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。（2）线性电源使用了50赫兹的工频变压器，他的效率只有80%-90%。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率，就必须增大滤波电容的容量。2.2.2开关电源的优点（1）功耗小，效率高。开关管脉冲信号的控制下，交替工作在导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度快，频率一般在50到200千赫兹。这就使得功率开关管的损耗较小，电源的效率可以大幅度提高，其效率可以达到80%以上。（2）体积小，重量轻。由于没有采用大型的工频变压器，并且在开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去较大的散热片，因此开关电源的体积和重量都可以得到减小。（3）稳压范围宽。开关电源的输出电压是由控制信号的占空比或者激励信号的频率来调节的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿。在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳定的输出电压，所以稳压范围宽、稳压效果好。（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。例如，若开关电源的工作频率为25千赫兹，是线性稳压电源频率500倍（25000/50赫兹），这使滤波电容的容量可以相应的缩小500倍，这使滤波电路中元件的体积和重量得以减少，同时也节省了成本。2.3 方案论证单片机控制的开关电源，从对输出电压控制的角度分析，可以有几种可行的方案。2.3.1方案1方案1：单片机通过数模转换输出一个电压，用作电源的基准电压，电源可以通过键盘预置输出电压，单片机不加入反馈控制，电源仍要使用专门的PWM控制芯片，工作过程为：当通过键盘预置电压时，单片机通过D/A芯片输出一个电压作为控制芯片的基准电压，这个基准电压可以使得控制芯片按照预置电压值，来输出控制脉冲，以输出期望输出电压。2.3.2方案2方案2：在方案1的基础上，单片机扩展模数转换器，不断的检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值的差值，调整后，通过D/A芯片输出一个基准电压，控制专门的PWM控制芯片，间接的控制电源工作。2.3.3 方案3方案3：单片机扩展A/D转换器，不断检测输出端的电压，并根据电源输出电压与键盘预置电压的差值，输出一个PWM脉冲，直接控制电源的工作。2.3.4方案分析方案1分析：单片机没有加入反馈控制，只是输出一个基准电压，这样单片机的作用非常的小，而且仍要使用专门的控制芯片，价格比较贵，电源成本增加，削弱了单片机的作用，不宜采用。方案2分析：单片机加入了反馈控制，作用得以利用，但是需要扩展A/D和D/A芯片，而且还是需要专门的PWM控制芯片，成本比方案1更高，更不宜采用。方案3分析：这个方案，单片机不仅加入了反馈控制系统，而且作为控制核心，单片机得以充分利用，而且省去了D/A芯片，成本大大降低，是真正的单片机控制。综上所述，本设计选择第三种控制方案，单片机使用89C51，A/D芯片采用ADC0832，采用4位数码管显示采样值，键盘预置电压，设计任务要求输出可调，所以设定值需要从键盘输入，实现输入不同的电压，输出便可以输出不同的电压。2.3.5总体结构设计系统工作原理图如图2.2所示：市电经过整流滤波后，一路电压经过7805稳压得到一个+5v电压，该电压作为单片机的工作电源，另外一路电压直接作为开关变换电路的输入电压。单片机根据键盘输入值和取样值之间的差值，修改脉冲占空比，并输出控制功率开关管，以便得到期望的输出电压值，并根据模/数转换器所采样的电压和键盘输入比较，根据差值调用PID算法再次修改脉宽使输出电压稳定。开关变换器采用磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放能量给负载。单片机定时采样输出端的电压，通过ADC0832送进单片机进行处理，单片机根据处理结果输出更新的控制信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出控制信号控制功率开关管工作状态。在本系统中，用户可以根据需要从键盘输入期望的电压，单片机会根据键盘输入与采样电压的差值，更新脉宽，使电源输出相应电压，更新脉宽后，单片机会马上调用PID控制算法，对输出电压进行稳定控制。 闭环时，电源自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置的电压变化时，先将键盘输入值和从输出端的取样值相比较，假设当前键盘输入为10v，从输出端取样的值为6v，差值为4v，则系统会根据这个差值，更新脉宽使得输出端电压上升为10v；同样，当键盘输入为6v，输出端取样值为10v，差值为-4v，系统会根据算法，将占空比减小以使输出电压变小，这就是系统脉宽调制过程。同时，电源可以自动稳压，假定在某一正常状态下，输出为V0，反馈电压问Vf（Vf=V0），用户设定电压为Vs，当V0=Vs时，偏差为0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即V0Vs时,单片机采样的电压也增加，单片机根据偏差修改占空比使导通时间变小，从而使电压下降，同样当电网波动使输出电压下降时，即V08;TL0=tim0;PWM=PWM 。4.2 PID控制算法设计原理：采用单片机作为控制器的闭环系统，它是由89C51单片机系统通过A/D电路采集过程变量V，并根据有关的算法控制变量u，通过输出PWM控制脉冲到执行机构，使过程变量稳定在设定的值上。PID调节规律可以通过数值公式： 近似计算。其中：为PID参数，y0为本次采样值，y1为上次采样值，y2为上两次采样值。，r为设定值，u为控制量的增量。AD转换采样的电压转换为0到255之间的数字量，设定的值要转换为对应的数字量，本电源在3到12伏可调，那么需要把0到12伏转换为0到255的数字量，转换公式为12*255/12=255，即255对应12V，经转换以后就可以相互比较。开关调整电路89C51单片机A/D转换器图4.4 单片机闭环控制系统框图43数字滤波数字滤波就是把n组采样值相加，然后取其算术平均值作为本次有效的采样信号，即：y n =1/n e（j）数字滤波适用于有随机干扰的信号的滤波，适合于信号本身在某一数值范围附近上下波动的情况。由于随机干扰信号在很多情况下可近似认为是统计平均值为零的白噪声，因此采用求平均值的方法可以消除随机干扰，实现对采样信号的平滑加工。但数字滤波可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低。采样次数n的取值随被控对象的不同而不同。对于PID差值，同样是采用取平均值的方式处理。本采样程序中，数字滤波算法为：n+;/采样次数值=ADC0832();/采样值 ;/采样值相加if(n19)n=0; 0=s/20;/求平均值s=0;PID差值的滤波u0=(u0*3+u)/4;/u控制增量，假设当前控制增量为u0，则取4次平均值第五章 系统调试5.1 系统调试系统调试是利用开发机系统、基本测试仪器（高精度万用表、示波器等），通过执行开发系统有关命令或运行适当的测试程序（也可以是与硬件有关的部分用户程序段），检查用户系统硬件中存在的故障。系统调试可分静态调试和动态调试两步进行。1. 静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检查。可用的方法有：目测、万用表测试、加电检查等方法。2. 动态调试动态调试是在用户系统中的工作的情况下发现和排除系统硬件中存在的故障、器件间连接逻辑错误等的一种硬件检查。由于单片机及应用系统的硬件动态调试是在开发系统的支持下完成的，故又成为联机仿真或联机调试16。动态调试借用开发资源(CPU、存储器等)来调试用户系统中单片机外围电路，利用开发系统友好的人机界面，可以有效地对用户系统的各部分电路进行访问、控制，使系统在运行中暴露问题，从而发现问题。5.2 硬件模块调试 5.2.1整流滤波电路的调试这一部分可以在面包板上模拟，将电路连接后，接通电源，先测量变压器的输出，由交流档位所测得的电压为12.96v，再测量整流输出的电压，需要注意将整流桥正确的连接，否则会导致整流输出电压不正确，甚至烧坏稳压块。检查没有错误后，再测量整流输出电压为14.9v，和理论值相近，同时所测量稳压块输出为5.10v，电路正常工作，可以给单片机供电。5.2.2AD转换的调试通过稳压电源给转换器一个5伏电压，改变电压，观察数码管所显示数值可以跟随电压变化而变化，用万用表测量电压，和显示值相比较也相近，可见模数转换是正常工作的。5.2.3脉冲输出电路的调试控制脉冲是直接输入到开关管的基极的，在制板之前，用面包板模拟脉冲信号是否可以直接控制开关管的导通和截止，若使用开关管发射极输出型变换电路，在发射极所输出的脉冲信号，幅度会很小，效果不好，通常采用集电极输出型开关电路。将电路连接好，用示波器观察基极输入信号和集电极的输出信号，观察发现，输入信号幅度较小，但是经过开关后，在集电极的输出信号，幅度明显被放大，效果比较好，说明控制脉冲可以直接控制开关电路，信号稳定。5.3 电源性能指标的测试开关电源的技术指标有通用事项、包括电源名称、适用规格等，首先是安全规格，有关开关电源都有相应的安全规格，例如，国际规格为IEC950、IEC65；电气技术指标有输入与输出条件附属功能等。机械结构为外形、安装和冷却条件等。环境条件有温度、湿度、振动和冲击等。其它条件有噪声规定、可靠性等。5.3.1开关电源的技术指标（1）输入技术指标作为开关电源的输入技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的变化范围、频率、输入电流一般为单相2线制和3相3线制，还有单相3线制及3相4线制等。（2）输出技术指标输出端的直流电压的公称值称为额定输出电压，对于其公称电压规定有精度与纹波系数等。额定输出电流是指输出端供给负载的最大平均电流。根据电子设备的不同，多路输出电源中某路输出电流增大，另路输出电流就得减小，保持总的输出电流不变。稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率，输出电压变动有多种原因。输出电压可调范围是指在保证电压稳定精度条件下，由外部可能调整的输出电压范围，一般为5%或10%。条件是输入电压的下限时输出电压的最大值，以及输入电压的上限时输出电压的最小值。5.3.2过流保护的测试测试电路仍采用图5.1，测试步骤：调节交流调压器，使电源电路的输入电压为220v，使用滑动变电阻器，取得适当的负载电阻值，调节变阻器，分别测量输出电压为最大值、中间值、最小值三个点，调节变阻器，使与负载电阻RL串接的电流表指示值略大于最大输出电流值2A，调节后显示值为2.2A，当电流到达此值时，所测得的输出电压为0v，说明过流保护电路在电流超过规定值时，将输出端短路，同理，当调节变阻器使输出电流小于2A时，电源输出电压正常。第六章 THFCS-1现场总线控制系统实验现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，它的出现标志着自动化控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能