笔记本电源适配器的设计毕业论文.doc

摘摘 要要 为了实现笔记本电源适配器的更好的稳定性及低功耗性能 并且满足市场上 日益增长的笔记本对笔记本电源适配器的需求 本系统设计了以单片机 AVR 为最 小系统的笔记本电源适配器 详细介绍了单片机 AVR 以及系统的硬件电路设计电 路 包括输入电路 整流滤波电路 变压电路 采样电路 软件方面重点阐述了 系统的软件设计 以 C 语言为工具 采用面向对象的原理和技术 进行了详细设 计和编程实现了对硬件的控制 使得系统具有更好的稳定性 最终完成了输入为 220V 交流电 输出功率为 65W 输出直流电压为 19V 的笔记本电源适配器的设计 关键词关键词 笔记本电源适配器 低功耗 AVR 单片机控制 AbstractAbstract Laptop power adapter in order to achieve better stability and low power consumption and meet the growing notebook market on the demand for notebook power adapter the system is designed to minimize the system for the AVR microcontroller notebook power adapter Details of the AVR microcontroller and system design of hardware circuits including input circuit rectifier filter circuit transformer circuit sampling circuit Software focuses on the software design to C language as a tool for object oriented principles and techniques a detailed design and programming of the hardware s control making the system more stability Finally completed the input is 220V AC output power is 65W the output voltage is 19V DC Notebook Power Adapter KeywordsKeywords laptop power adapter low power consumption AVR microcontroller 目目 录录 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 电源适配器的国内外现状及发展趋势 1 1 2 1 国内外的现状 1 1 2 2 电源适配器的发展趋势 2 1 3 课题解决的问题及研究内容 3 1 3 1 解决的问题 3 1 3 2 课题方案设计的确定 3 第第 2 章章 方案论证方案论证 5 2 1 设计参数指标 5 2 2 方案选择与论证 5 2 2 1 整流电路的选择与论证 5 2 2 2 滤波电路的选择与论证 8 2 2 3 单片机的选择与论证 8 2 2 4 输出显示的选择与论证 9 2 2 5 驱动电路的选择与论证 11 2 2 6 温度检测电路的选择与论证 12 第第 3 章章 硬件电路硬件电路 14 3 1 主控单元电路的设计 14 3 2 输入单元电路的设计 17 3 3 变压单元电路的设计 19 3 4 采样单元的设计 21 3 4 1 输出电流的采样设计 21 3 4 2 输出电压的采样设计 22 3 5 驱动单元电路的设计 23 3 6 显示单元的设计 24 3 7 过温保护单元的设计 26 3 7 1 温度检测电路的设计 26 3 7 2 散热电路的设计 27 3 8 报警单元电路的设计 28 第第 4 章章 软件设计软件设计 29 4 1 PID 控制算法的作用及其控制器的设计 29 4 1 1 PID 控制算法的作用 29 4 1 2 控制器的设计 31 4 1 3 PID 控制参数的确定 33 4 2 程序流程图设计 34 4 2 1 主程序流程图 34 4 2 2 显示程序流程图 35 4 2 3 PWM 程序流程图 37 4 2 4 过温保护程序流程图 38 4 2 5 AD 转换程序图 40 总总 结结 42 致致 谢谢 43 参考文献参考文献 44 附录附录 1 1 程序清单 程序清单 45 附录附录 2 2 系统原理图 系统原理图 47 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 课题背景课题背景 1985 年 东芝 TOSHIBA T1000 率先把笔记本电脑的电源外置 创造了 世界第一个独立的笔记本电源适配器 开始了笔记本电脑的商业化和普及化 2001 年 苹果 APPLE powerbook G4 研发出时尚而又轻巧的笔记本电 源适配器 把笔记本充电器推向了一个新的高度 2003 年 一批技术队伍 AATUU 部分前团队 研发并大量生产出世界首批 可完整兼容世界各大品牌笔记本电脑的万能笔记本充电器 把笔记本电源适配 器 带入真正的万能笔记本充电器时代 2009 年 从诞生起就历经多年磨难的世界第一个万能笔记本充电器专业品 牌 Acharger 终于在 AATUU 策划下才正式推出 才造就了今天的笔记本充电 器世界第 1 专业品牌 2010 年 Acharger 全球首创了全能充电器 兼容笔记本充电器 改变了笔 记本充电器近 30 年的历史 把笔记本充电器带入全能充电器时代 兼容笔记本充 电器 兼容太阳能 无线充电技术 1 2 电源适配器的国内外现状及发展趋势电源适配器的国内外现状及发展趋势 1 2 1 国内外的现状国内外的现状 各类产品 且大部分产品属私模 适合不同型号的多款笔记本电脑 其中包括 宏基 戴尔 惠普 索尼 东芝 和其他众多品牌 带有 USB 接口输出 5v 2A 可作为手机 掌上电脑 MP3 MP4 等设备的充电器使用 具备 12V 输出的型号还 可 以用于液晶显示器和手提 DVD 等设备使用 支持笔记本电脑和液晶显示器 可在 汽车和家庭使用 1 2 2 电源适配器的发展趋势电源适配器的发展趋势 随着笔记本电脑的功能日益丰富 其功率要求也提高了 此外 因为电池容 量 或密度 提高了 充电要求也提高了 因此 笔记本电脑适配器的功率要求 提高了一倍 然而 对于世界各地上百万携带笔记本电脑的用户来说 更大和 或 更 热的电源适配器并非太具吸引力的选择 能够吸引人的是拥有一个轻巧小型 但能立即充电的笔记本电脑适配器 当然 它不会产生热量 而且不会花费太多 近年来电子产品的发展并未增加我们在这方面的希望 而且未来的革命是否能够 实现依然是一个悬而未决的问题 我们也想要用一个笔记本适配器就能在全球使 用 而无需 110 220 伏工作电压选择开关 因此 笔记本电脑适配器必须为真 正通用的线路电压工作设计 同时 监管方和 OEM 的期望也起到一定的作用 监管机构希望笔记本电脑适配器不会浪费能源或在用电线路中加入谐波 第 一个因素是适配器不带任何负载插入插头后 它应该尽可能少的吸收功率 待机要 求 人们一般习惯将笔记本电脑适配器插在插座上 却并未连接电脑 该要求就 可防止此情况下产生的损耗 第二个因素是近期的规定 它要求在不同负载条件 下 25 50 75 和 100 有特定的平均电源工作效率 并由全球各规范机构 执行 以便推动遵从该规范并降低间接费用 最后 欧盟和日本强制执行的降低 谐波要求已开始应用于笔记本电脑电源适配器 因为它们已经超过了这些标准规 范的 75 W 输入功率门限 在某种意义上 笔记本电脑适配器的移动 通用特性使 其成为受 IEC1000 3 2 规范的首个量产电源产品 1 3 课题解决的问题及课题解决的问题及研究内容研究内容 1 3 1 解决的问题解决的问题 完成对笔记本电源适配器的设计 选用合适的外围器件 单片机等设备 利 用单片机对笔记本电源适配器的输出电压进行实时检测并且通过显示屏显示出来 实现对目前市场上出售笔记本电脑供电 其主要设计内容包括 1 利用单片机 通过外围电路 实现对笔记本电源适配器的工作状态进行监 控 并且通过显示器显示出来 2 通过对笔记本电源适配器的智能控制 以最大限度地降低电源适配器的能 耗 3 使笔记本电源适配器的综合成本尽可能低 1 3 2 课题方案设计的确定课题方案设计的确定 笔记本电源适配器属于小型的便携式电子电器及电子设备的 供电电源变 换设备 对于笔记本电源适配器电路 常见的额定功率包括 65W 75W 90W 等 其中对于额定功率为 65W 电源适配器的批量在市场具有相当大的比例 设计这种 额定功率为 65W 的电源适配器 电源内部无需 PFC 系统主要只含有 PWM 一 般由滤波电路 整流电路 电源变压器和外壳组成 它的输出类型属于直流 输出的类型 其结构示意图如图 1 1 所示 在额定负载和 空载条件下 要同 时实现较高能效 关键就在于要采用能够根据负载状况调整工作模式的智能控 制器 图 1 1 功率为 65W 的笔记本电源适配器的结构框图 交流输入输出滤波整流可控开关变压器 输出显示单片机输出滤波直流输出 电压反馈 第第 2 2 章章 方案论证方案论证 2 1 设计参数设计参数指标指标 作为笔记本电源适配器而言 输入电压范围应该在100V 265V 范围内 频率是 50 60Hz 输入电流 0 1 7A 而对于 65W 电源适配器而言 输出电压 的要求则是 19VDC 输出电流 3 42A 当笔记本电源适配器空载时电压输出误差为 0 1 到 5 并且空载功耗小于 200mW 只有满足这些条件的电源适配器才可以算 得上是理想的 2 2 方案选择与论证方案选择与论证 2 2 1 整流电路的选择与论证整流电路的选择与论证 方案一 采用半波整流电路 它是一种最简单的整流电路 如图 2 1 所示 图 2 1 半波整流电路 它由电源变压器 整流二极管 D 和负载电阻 Rfz 组成 变压器把市电电压 多为 220 伏 变换为所需要的交变电压 e2 D 再把交流电变换为脉动直流电 但它是以 牺牲 一半交流为代价而换取整流效果的 电流利用率很低 因此常 用在高电压 小电流的场合 方案二 全波整流电路 如果把整流电路的结构作一些调整 可以得到一种 能充分利用电能的全波整流电路 图 2 2 是全波整流电路的原理图 全波整流电 路 可以看作是由两个半波整流电路组合成的 变压器次级线圈中间需要引出一 个抽头 把次组线圈分成两个对称的绕组 从而引出大小相等但极性相反的两个 电压 e2a e2b 构成 e2a D1 Rfz 与 e2b D2 Rfz 两个通电回路 全波整流不仅利用了正半周 而且还巧妙地利用了负半周 从而大大地提高 了整流效率 但是需要一个变压器 并且变压器上要有一个使两端对称的次级中 心抽头 这给其制作上带来很多的麻烦 另外 这种电路中 每只整流二极管承 受的最大反向电压 是变压器次级电压最大值的两倍 因此需用能承受较高电压 的二极管 图 2 2 全波整流电路 方案三 桥式整流电路 它是使用最多的一种整流电路 其电路原理如图 2 3 所示 图 2 3 桥式整流电路 桥式整流电路是使用最多的一种整流电路 这种电路 只要在全波整流电路 中增加两只二极管口连接成 桥 式结构 便具有全波整流电路的优点 而同时 桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值 比全波整 洗电路小一半 在一定程度上克服了它的缺点 方案四 肖特基整流管 它的应用原理图 2 4 如下 图 2 4 采用肖特基二极管的整流电路 肖特基整流管仅用一种载流子 电子 输送电荷 在势垒外侧无过剩少数载 流子的积累 因此 不存在电荷储存问题 使开关特性获得时显改善 其反向恢 复时间已能缩短到 10ns 以内 但它的反向耐压值较低 一般不超过 100V 因此 适宜在低压 大电流情况下工作 利用其低压降这特点 能提高低压 大电流整 流 或续流 电路的效率 在将肖特基二极管应用到的整流电路当中 如图3 3 所示 通常配合缓冲电路 由电阻和电容组成 可以阻尼二极管振荡 降低高频 传导及辐射噪声 通过上述四个方案的优点和缺点最终选择方案三作为输入整流 电路 方案四作为输出整流电路 2 2 2 滤波电路的选择与论证滤波电路的选择与论证 方案一 采用有源滤波电路 有源滤波电路一般由 RC 网络和集成运放组成 因而必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用 同时还可以进行放大 由于电路的组成和设计也较复杂 并且有源滤波电路的负载不影响滤波特性 因此有源滤波电路常用于信号处理要求高的场合 不适用于高电压大电流的 场合 所以有源滤波电路 不适合用于此次设计中的输出滤波电路 方案二 采用 无源滤波电路 无源滤波电路的结构简单 易于设计 由 于无源滤波电路通常用在功率电路中 比如直流电源整流后的滤波 或者大 电流负载时采用 LC 电感 电容 电路滤波 因此在本次设计中采用该电路 作为输出滤波电路 2 2 3 单片机的选择与论证单片机的选择与论证 方案一 采用 PLC 控制 优点是可靠性好 操作方便 灵活性好 I O 口线 较多等 但是体积大 不易携带 编程复杂 方案二 采用 8051 控制 虽然其功能比较强大可以实现很多的功能 并且价 格便宜 但是本课题需要用到 AD 转换 由于 8051 内部没有 AD 转换器 需要在外 部搭配元件才能实现 AD 转换功能 这样比较繁琐 所以在这里不采用 8051 单片 机 方案三 采用ATMEGA16单片机进行控制 ATMEGA16单片机体积小 具有高性 能 低功耗的8位AVR处理器 先进的RISC结构 基于增强的AVR RISC结构的低功 耗8位CMOS微控制器 更重要的是其应用的C语言是编程简单易懂 在很多设计中 都得到广泛应用 因此AVR单片机更为实用 在一些简单的电路中 有了AVR单片 机就甚至是零外部元件了 使用非常方便 是主流的单片机 综上所述 在这里我们选择了AVR 单片机 作为此次设计的主要控制芯片用 来控制整个电路的输出 2 2 4 输出显示的选择与论证输出显示的选择与论证 方案一 采用128 64液晶进行显示 如图2 5所示 图 2 5 128 64 液晶 128 64液晶是图形点阵 可以显示图形和汉字 当然也是可以显示字母和阿 拉伯数字了 但对于本课题而言 不需要那么大的屏幕 也不需要显示图形 而 且它 的成本相对于LCDl6 02来说也很大 所以128 64液晶不适用于本课题 方案二 采用数码管对输出进行显示 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 虽然这种数码管 的结构简单 价格便宜 软件设计简便 但是如果在 短时间出现的电流过载很可能对发光管造成永久性的损坏 这种 电流故障所引起的数码管的大面积损坏 这样会引起很大的不便 方案三 采用 LCDl6 02 对输出进行显示 如图 2 6 所示 图 2 6 LCDl6 02 液晶显示器 LCDl6 02 液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块 它是由字 符型液晶显示屏 LCD 控制驱动主电路及其扩展驱动电路以及少量电阻 电容元 件和结构件等组成 它具有 80 个字节的 RAM 标准的接口特性 模块结构紧凑 轻巧 装配容易 并且只需单 5V 电源供电 低功耗 寿命长 可靠性高 因此 采用 LCDl6 02 作为显示设备 2 2 5 驱动电路的选择与论证驱动电路的选择与论证 方案一 采用单片机 AVR 产生的 PWM 直接对 MOSFET 进行驱动 由于单片机产 生的 PWM 是由高电平和低电平组成的 高电平是 5V 低电平为 0V 而 MOSFET 的 驱动电压为 10V 至 15V 之间 因此它不可以直接驱动 MOSFET 所以此方案不可行 方案二 采用如下图 2 7 所示的驱动方式 A 该电路适合于最简单的驱动要 求 优点是简单 快捷 即只要有一个高电平触发 即可实现了 MOSFET 的导通 但是当 MOSFET 在截止期间 T1 导通 驱动电路的电阻 R 要消耗较大功率 因此 不符合本次设计的要求 即低功耗的要求 图 2 7 驱动电路 A 方案三 采用如下图所示的电路作为驱动电路 图 2 8 驱动电路 B 在这个驱动电路里克服了方案二的缺点 当 PWM 为低电平的时候 T1 截止 T2 组成的射级跟随器工作 给 MOSFET 提供较大的驱动电流 MOSFET 导通 当 PWM 为高电平时 T1 导通 T2 截止 MOSFET 管截止 实现了对 MOSFET 的驱动 综上所述 选择了方案三对 MOSFET 进行驱动 2 2 6 温度检测电路的选择与论证温度检测电路的选择与论证 方案一 采用含有热敏电阻的电路对温度进行检测 热敏电阻的主要特点是 1 灵敏度较高 其电阻温度系数 要比金属大 10 100 倍以上 能检测出 10 6 的温度变化 2 工作温度范围宽 常温器件适用于 55 315 高温器件适用温度高 于 315 目前最高可达到 2000 低温器件适用于 273 55 3 体积小 能够测量其他温度计无法测量的空隙 腔体及生物体内血管 的温度 4 使用方便 电阻值可在 0 1 100k 间任意选择 5 易加工成复杂的形状 可大批量生产 6 稳定性好 过载能力强 但是它的应用电路比较复杂 而且再将得到 的模拟信号变成数字信号给单片机 也不是很方便 因此不选择含有热敏 电阻的应用电路来对温度进行采集 方案二 采用红外测温 在自然界中 一切温度高于绝对零度的物体都在 不停地向周围空间发出红外辐射能量 物体的红外辐射能量的大小及其波长的 分布 与它的表面温度有着十分密切的关系 因此 通过对物体自身辐射 的红外能量的测量 便能准确地测定它的表面温度 这就是红外辐射测温所依 据的客观基础 红外测温技术已发展到可对有热变化表面进行扫描测温 确定 其温度 迅速检测出隐藏的温差 但是这种测温传感器价格昂贵不太适合于本 次设计 方案三 采用传感器 DS18B20 用来采集温度 由于独特的一线接口 只需要 一条口线通信 就可以直接和单片机 AVR 相连接 简化了分布式温度传感应用 无需外部元件可用数据总线供电 电压范围为3 0 V 至 5 5 V 无需备用电源 而且价格便宜 使用方便 综上所述 选用了方案三用于本次设计的温度检测 第第 3 3 章章 硬件电路硬件电路 3 1 主控单元电路的设计主控单元电路的设计 在这里我们采用 AVR 作为主控单元电路的核心芯片来对整个电路进行控制 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产 片内 ISP Flash 允许程序 存储器通过 ISP 串行接口 或者通用编程器进行编程 也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程 引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应 用 Flash 存储区 在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区 Boot Flash Memory 的程序继续运行 实现了 RWW 操作 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内 ATmega16 成为一个功能强大的单片机 为许多嵌入 式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案 如下表 3 1 介绍下 ATmega16 的管脚 功能 表表 3 13 1 ATmega16ATmega16 的管脚功能的管脚功能 管脚功能 VCC 数字电路的电源 GND 地 端口 A PA7 PA0 端口 A 作为 A D 转换器的模拟输入端 端口 A 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作 为输入使用时 若内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将 输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未起振 端口 A 处 于高阻状态 端口 B PB7 PB0 端口 B 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作 为输入使用时 若内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将 输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未起振 端口 B 处 于高阻状态 当然端口 B 也可以用做其他不同的特殊功能 端口 C PC7 PC0 端口 C 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作 为输入使用时 若内部上拉电阻使能 端口被外部电路拉低时将 输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未起振 端口 C 处 于高阻状态 如果 JTAG 接口使能 即使复位出现引脚 PC5 TDI PC3 TMS 与 PC2 TCK 的上拉电阻被激活 当然端口 C 也可以 用做其他不同的特殊功能 端口 D PD7 PD0 端口 D 为 8 位双向 I O 口 具有可编程的内部上拉电阻 其输出缓冲器具有对称的驱动特性 可以输出和吸收大电流 作 为输入使用时 若内部上拉电阻使能 则端口被外部电路拉低时 将输出电流 在复位过程中 即使系统时钟还未起振 端口 D 处于高阻状态 当然端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能 RESET 复位输入引脚 持续时间超过最小门限时间的低电平将引 起系统复位 持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位 XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端 XTAL2反向振荡放大器的输出端 AVCCAVCC 是端口 A 与 A D 转换器的电源 不使用 ADC 时 该引 脚应直接与 VCC 连接 使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接 AREFA D 的模拟基准输入引脚 在此次设计中用到了 PA0 PA1 PA2 PD4 PD5 PD6 PC0 PC7 这些管脚 其中 PA1 用于接收输出电压变化而产生的反馈信号 然后通过单片机控制 PA0 输 出的 PWM 对其占空比进行改变 进而控制开关管导通与截止的频率 PA2 用于对 输出 电流采样得到的电压进行 AD 转换 然后对转换的数据由 PC0 PC7 输出给液晶 16 02 进行显示 其中 PD4 PD5 PD6 这三个管脚用于对液晶 16 02 进行控制 下面介绍下主控电路的原理 如图 3 1 是单片机 AVR 的最小系统结构图 在这个最小系统中包含了复位电路晶振电路两部分 图 3 1 主控电路图 为确保单片机机系统中电路稳定可靠工作 复位电路是必不可少的一部 分 复位电路的第一功能是上电复位 一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V 5 即 4 75 5 25V 由于微机电路是时序数字电路 它需要稳定的时 钟信号 因此在电源上电时 只有当 VCC 超过 4 75V 低于 5 25V 以及晶体振 荡器稳定工作时 复位信号才被撤除 单片机系统开始正常工作 对于复位电路 当复位按键按下去之前 AVR 单片机的复位端口一直处于 5V 的高电平的状态 当复位键按下去 则由于单片机的复位端接收到小于 0 46V 电 压 因此处于低电平的状态 由于单片机的复位端是低电平有效 所以当复位键按下 去的时候才有作用 当复位的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时即触发复位过 程 即使此时并没有时钟信号在运行 当外加信号达到复位门限电压 VRST 上升 沿 时 延时周期开始延时结束后 MCU 即启动 复位时所有的 I O 寄存器都被设 置为初始值 程序从复位向量处开始执行 复位向量处的指令必须是绝对跳转 JMP 指令 以使程序跳转到复位处理例程 如果程序永远不利用中断功能 中断 向量可以由一般的程序代码所覆盖 对于晶振电路而言 它是由一个晶振和两个电容组成的 石英晶体振荡器是 由品质因素极高的石英晶体振子 即谐振器和振荡电路组成 晶体的品质 切割 取向 晶体振子的结构及电路形式等 共同决定振荡器的性能 国际电工委员会 IEC 将石英晶体振荡器分为 4 类 普通晶体振荡 TCXO 电压控制式晶体振 荡器 VCXO 温度补偿式晶体振荡 TCXO 恒温控制式晶体振荡 OCXO 目前 发展中的还有数字补偿式晶体损失振荡 DCXO 等 这里我们选用普通晶体振荡 TCXO 晶振的这两个匹配电容的主要作用是对晶体和振荡电路的补偿和匹配 使电 路易于启振并且处于合理的激励状态下 同时对振荡频率也有一定的 微调 作用 晶振的过激励或欠激励虽可工作 但前者使晶振容易老化 影响使用寿命 并导致振荡电路的 EMC 特性变劣 而后者则导致晶振不易启振 工作较难稳定 所以电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的 难易程度及温度稳定性等 ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间 ATmega16 的数据吞吐率高达 1MIPS MHz 从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器 所有的寄存器都直接与算数 逻辑单元 ALU 相连接 使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立 的寄存器 这种结构大大提高了代码效率 并且具有比普通的 CISC 微控制器高 至 10 倍的数据吞吐率 3 2 输入输入单元电路的设计单元电路的设计 输入单元电路的设计主要是对 220V 的交流电进行滤波及整流 然后得到符合 要求的电压 如下图 3 2 所示 图 3 2 输入滤波和整流电路 滤波电路常用于滤去电压中的纹波 一般由电抗元件组成 如在负载电阻两 端并联电容器 C 或与负载串联电感器 L 以及由电容 电感组成而成的各种复式 滤波电路 在这里 输入为 220V 交流电 先采用保险丝 F1 为电路中的其它部分提供严 重故障保护 然后采用共模电感 L3 和 L4 提供输入滤波 由于共模电感的两个线 圈绕向一致 当电源输入电流流过共模电感时 所产生的磁场可以抵消 相当于 没有电感效应 因此 它使用磁导率高的磁芯 共模电感对共模噪声来说相当于 一个大电感 能有效抑制共模噪声 过滤掉共模的电磁干扰信号 X 电容 C1 提供 差模滤波 电阻 R1 和 R2 提供安全保护 防止在断开 AC 输入时出现电流冲击 X 电容上除加有电源电压外 还会叠加上相线和零线之间存在的各种电磁干扰峰值 电压 为保证电容器失效后 不危及人身安全 并考虑到应用中最坏的情况 X 电容安全等级分为两类 即 X1 和 X2 类 X1 等级用于设备的峰值电压大于 1 2kV 场合 X2 类用于设备峰值电压小于 1 2kV 的一般场合 这里选择 X2 类 所谓整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路 在这里采用了桥式整 流管 D1 对 AC 输入进行整流 桥式整流是利用二极管的单向导通性进行整流的 经常用的电路大容量电容 C2 对 DC 进行滤波 3 3 变压单元电路的设计变压单元电路的设计 本次设计中用到是由一个原线圈和两个副线圈组成的变压器 在原线圈一侧 下端连接着可控开关 这样当可控开关以一定的频率闭合和断开的时候 就会有 交流通过原线圈 使得变压器工作 如图 3 3 所示 在这里使用了由 VR6 C4 R5 R6 和 D2 组成的箝位电路限制漏极电压 防止 MOSFET 关断时出现 电压尖峰 并耗散存储在变压器漏感中的能量 在低频率工作模式下 电容 C4 不会放电至低于 VR2 的值 这样可以降低轻载或空载条件下的功耗 电阻 R6 用来 衰减高频率振荡 对于两个副线圈而言 上面输出的电压用于给笔记本供电 而 下面线圈输出的电压是为单片机 AVR 供电 图 3 3 变压电路 在这里电压的变换采用了反激式的拓扑方式 反激式是指在变压器原线圈导 通时副线圈截止 变压器储能 原线圈截止时 副线圈导通 能量释放到负载的 工作状态 如上图所示 之所以可以实现反激式这种拓扑方式是因为变压器非同 名端的缘故 当可控开关闭合的时候 电流从原线圈的上端流入 对于上边的副 线圈而言 应当是有电流从上侧向下端流入 但是由于肖特基二极管整流的作用 使得电流在这个方向上截止 即没有电流通过上面的副线圈 由于原线圈属于电 感类型 所以当可控开关断开时 相当于有电流从原线圈的下端向上端流过 这 样上面的副线圈就会有电流从流过 然后通过肖特基二极管进行整流给负载供电 实现了反激式这种拓扑方式 3 4 采样单元的设计采样单元的设计 3 4 1 输出电流的采样设计输出电流的采样设计 由于电流不能直接由 A D 转换器转换 因此必须先将其转变成电压信号 然 后才能转换 所以 电流 电压转换电路在测试器中占有很重要的地位 这种方法 的优点是测量简单方便 通过调研和实验 最后选用美国 MAXIM 公司最新生产的电流 电压转换器 MAX472 其响应时间 线性度 漂移等指标均很理想 且能适应大范围大电流的 测量 经过验证和测试 很好地满足了设计的要求 其原理如图 3 4 所示 图 3 4 输出电流采样电路图 方框内的部分是该芯片的内部结构 其中 A1 和 A2 是两个运算放大器 构成 差动输入 这样可以增强抗干扰能力 提高小电流信号的测量准确度 Q1 和 Q2 是两个三极管 COMP 是一比较器 Rsence 是电流采样电阻 采用热稳定性好 漂 移小的康铜丝制作 方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变的电路 其工作原理详述如下 当电流是从左向右流过电流采样电阻 Rsence 通过一个电阻 Rout 接地 这 样 运放 A1 工作 产生电流 Iout 从 Q1 的发射极流出 而此时运放 A2 是截止 的 没有电流从 Q2 流出 A1 的负输入端 电位为 A1 的开环增益使其正输入端 与负输入端 有相同的RsenceIloadVpower 电位 故 RG1 的压降为 经过计算 电压 电流转换的比例 P 由RsenceIload 下式给出 3 1 1 RGRoutRsenceIloadVoutP 根据上式 Rsence 取较小的值 通过 Rout RG1 把比例 设置为一个合适的 值 对于小电流 可以获得较大的输出测量电压 Vout 避免前述直接测量电流信 号太小的缺点 对于较大的电流 又不会对电路的带载能产生较大的影响 因为 在电路的应用中 电路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求 OUT 端的输出电压 5 1 VVRGVout OUT 端的输出电流 A mIout5 1 加上此次设计的条件要求 输出电流为 3 42A 所以选择各个电阻的值 这样 mRsence10 10021RGRG kRout5 1 RGRoutRsenceIloadVoutP 100 5 10 km 5 0 因此输出电压的最大值为 3 42 0 5 1 71V 然后将该电压输出给单片机 AVR 的管脚 PA2 然后进行 AD 转换 3 4 2 输出电压的采样设计输出电压的采样设计 输出电压的采集设计就是对输出电压进行采样 在此次用到的方法是在输出 端 并联两个电阻 如图 3 5 所示 在两电阻间引出一根导线 然后通过导线将压降 传给单片机的 PA3 口 这样当输出电压变化时 PA3 管脚将接收到的模拟量 通 过单片机的 AD 转换 将模拟量转换成数字量 再将数据传给 16 02 进行显示 图 3 5 输出电压的采样的电路图 3 5 驱动单元电路的设计驱动单元电路的设计 通过单片机产生的 PWM 是由高电平和低电平组成的 高电平是 5V 低电平为 0V 它不可以直接驱动 MOSFET 因此需要一个驱动电路对其进行驱动 其原理图 如图 3 6 所示 图 3 6 驱动电路原理图 在这里 当 PWM 为低电平时 T1 截止 T2 组成的射级跟随器工作 给 MOSFET 提供较大的驱动电流 MOSFET 导通 当 PWM 为高电平时 T1 导通 T2 截 止 MOSFET 管截止 3 6 显示单元的设计显示单元的设计 与数码管相比该模块有如下优点 位数多 可显示 32 位 如果用 32 个数码 管 那么体积将是相当庞大了 显示内容丰富 可显示所有数字和大 小写字母程 序简单 如果用数码管动态显示 会占用很多时间来刷新显示 而液晶 16 02 自 动完成此功能 液晶 16 02 采用标准的 16 脚接口 如表 3 2 所示 介绍了液晶 16 02 的各个管脚的使用说明 表表 3 23 2 液晶液晶 16 0216 02 的管脚说明的管脚说明 第 1 脚VSS 为接地管脚 第 2 脚VDD 接 5V 正电源 第 3 脚V0 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地电源 时对比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 建议接地 弄不好有的模块会不显示 第 4 脚RS 为寄存器选择 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄 存器 第 5 脚RW 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 第 6 脚E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 16 脚 空脚 有的用来接背光 液晶 16 02 模块内部的字符发生存储器 CGROM 已经存储了不同的点阵字符 图形 这些字符有 阿拉伯数字 英文字母的大小写 常用的符号 和日文假名 等 每一个字符都有一个固定的代码 其中数字与字母同 ASCII 码兼容 其内部 还有自定义字符 CGRAM 可用于存储自已定义的字符 液晶 16 02 是一种通用模块 对于此次设计中显示电路而言 采用了液晶 16 02 下图 3 7 是液晶 16 02 的管脚图连接图 图 3 7 液晶 16 02 的连接图 再者里将输出的电流和电压经过 AD 转换的数据进行显示 在此次设计中现将 管脚 1 接地 管脚 2 接 5V 电源 管脚 3 接一个变阻器 变阻器另一端接地 这样 可以通过改变滑动变阻器的阻值来改变液晶 16 02 的亮度 管脚 4 至管脚 6 连接 到单片机 AVR 的 PD4 至 PD6 这里用单片机 AVR 的 PD4 至 PD6 来对液晶 16 02 进 行控制操作 实现数据的读写的操作 管脚 7 至管脚 14 分别接到单片机 AVR 的 PC0 PC7 用来传送数据 3 7 过温保护单元的设计过温保护单元的设计 由于笔记本电源适配器在将交流电转换成直流电的时候 会有一部分能量以 热能的形式散发出去 但是如果散热性能不够好的话 就会使得适配器的温度过 高 进而影响各个元器件的功能及其寿命 使得笔记本电源适配器的使用寿命降 低 最终导致了该电源适配器在市场上的占有率 失去了很大的经济效益 所以 在此次设计中 用到了温度检测电路 用于对适配器内部的温度进行检测 当温 度过高的时候 会有相应的保护措施 在这里选用了风扇来降低其温度 实现电 源适配器的稳定 3 7 1 温度检测电路的设计温度检测电路的设计 在这里我们选择了 18B20 对温度进行检测 由于 DS18B20 数字温度计是 DALLAS 公司生产的 1 Wire 即单总线器件 具有线路简单 体积小的特点 因此用它来组成一个测温系统 具有线路简单 十分方便 况且 DS18B20 产品 有如下的特点 1 只要求一个端口即可实现通信 2 在 DS18B20 中的每个器件上都有独一无二的序列号 3 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温 4 测量温度范围在 55 C 到 125 C 之间 5 数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择 6 内部有温度上 下限告警设置 其管脚功能如下表所示 表表 3 33 3 DS18B20DS18B20 的管脚功能的管脚功能 GND 地信号 DQ 数据输入 输出引脚 VDD 电源 在此次设计中 DS18B20 的应用电路如图 3 8 所示 图 3 8 DS18B20 的使用电路 在这个电路中 VCC 接电源 GND 接地 而 I O 口则接到了 AVR 管脚 PD0 用 来和单片机 AVR 进行数据的传送 当 DS18B20 传送的温度数据大于设定的温度值 的时候 单片机 AVR 就会通过风扇用来降低温度 使得笔记本电源适配器的寿命 更长 更久 3 7 23 7 2 散热电路的设计散热电路的设计 在这里 降低电源适配器的温度的措施选用了风扇 利用它可以快速将电源 适配器产生的热量传导出来并吹到附近的空气中去 这里使用电源为 5V 的风扇 便于单片机 AVR 的直接驱动 当电源适配器温度高于设定值的时候 单片机就会 输出高电平 使得风扇转动 降低温度 3 8 报警单元电路的设计报警单元电路的设计 当输出电压小于正常输出电压时 单片机 PD2 口输出低电平 三极管 QF 导通 蜂鸣器响 提示用户 此设计中 报警单元电路如图 3 9 所示 图 3 9 报警单元电路 第第 4 4 章章 软件设计软件设计 4 1 PID 控制算法的作用及其控制器的设计控制算法的作用及其控制器的设计 4 1 1 PID 控制算法的作用控制算法的作用 按偏差的比例 积分 微分进行控制后的调节器 简称为 PID 调节器 PID 调节是连续系统中技术最成熟 应用最广泛的一种控制算法 它结构灵活 不仅 可以用常规的 PID 调节 而且可以根据系统的要求 采用各种 PID 的变形 如 PI PD 控制及改进的 PID 控制等 它具有许多特点 如不需要出数学模型 控制 效果较好等 特别是在微机控制系统中 对于时间常数比较大的被控对象来说 数字 PID 完全可以代替模拟 PID 调节器 应用更加灵活 使用性更强 PID 控制 规律的基本作用 PID 调节器是一种线形调节器 其框图如下 KP KP TIS KP TDS 控制对 象 图 4 1 PID 调节器控制方框图 下面分别讨论比例调节器 P 积分调节器 I 微分调节器 D 的作用 1 比例调节器 P 式中 KP为比例系数 u0为偏差 e r y 0 时的控制作用 如原始阀门开度 基准电压等 比例调节器与偏差成正比例调节 调节及时 误差一旦产生 调节器立即产 生控制作用 使被控量 y 向减小偏差的方向变化 但这种调节使被控量 y 存在静 差 即有残留误差 因为调节作用是以偏差的存在为前提条件的 只有在控制作 用为 u0 时才会出现零静差 此时偏差 e 0 提高放大系数 KP 虽然可以减小静差 但永远不会使之减小到零 而且无止境地放大系数 KP 最终将导致系统不稳定 2 比例积分调节器 PI 采用比例调节的系统存在静差 为了消除静差 在比例调节器的基础上加入 积分调节器 组成比例积分调节器 其控制规律为 u KP e 1 Ti 0T dt u0 4 1 式中 Ti 为积分常数 Ti 越大积分作用越小 积分调节器的突出优点是 只 要 被调量存在偏差 其输出的调节作用便随时间不断加强 直到偏差为零 在 被调量的偏差消除后 由于积分规律的特点 输出将停留在新的围子而不回复原 位 因此能保持静差为零 但单纯的积分也有弱点 其动作过于迟缓 因而在改 变静态品质的同时 往往使调节的动态品质变坏 过度过程时间加长 因此在实 际生产中往往在积分调节的基础上加入比例调节 把比例作用的及时性与积分作 用的消除静差的优点结合起来构成比例积分调节器 3 比例积分微分调节器 PID 比例积分调节消除系统误差需要经过较长的时间 为进一步改进控制器 可 以通过检测误差的变化率来预报误差 根据误差变化趋势 产生强烈的调节作用 使偏差尽快的消除在萌芽状态 数学上描述这个概念用微分 因此在 PI 调节器的 基础上加入微分调节 就构成了比例积分微分调节器 其控制规律为 u KP e 1 Ti 0T dt de dtTd u0 4 2 式中 Td 为微分常数 Td 越大微分作用越强 在 PID 作用调节器中 微分调节主要是用来加快系统的响应速度 减小超调 克服振荡 将 P I D 三种调节规律结合在一起 既快速敏捷 又平滑准确 只 要三者强度配合适当 便可获得满意的调节效果 PID 调节的传递函数为 D S E S Kp Kp Ti 1 S KpTD S 4 3 模拟 PID 调节器的执行机构有电动 气动 液动等类型 PID 调节规律用硬 件实现 而在微机控制系统中采用了数字控制器 即用软件来实现 PID 控制 因 此要将模拟 PID 调节器离散化为数字 PID 控制算法 数字 PID 控制算法 是立足 于连续系统 PID 控制器的设计 然后用微机进行数字模拟 这种方法称为模拟化 设计方法 由于它要求较小的采样周期 只能实现较简单的控制算法 选择较大 的采样周期后对控制质量有较高的要求时 就不能采用数字控制器的模拟化的设 计方法 而应该选择数字控制器的直接设计方法 4 1 2 控制器的设计控制器的设计 数字控制器的直接设计方法也称为离散化的设计方法 在 Z 平面上的设计方 法 它根据系统的性能要求 运用离散控制理论 直接设计控制系统的数字控制 器 与模拟化设计方法相比更具有一般的意义 它完全是根据采样系统的特点进 行分析与综合 并导出相应的控制规律的 利用微机软件的灵活性 就可以实现 从简单到复杂的各种控制规律 标准数字 PID 的控制算法 为了实现微机控制生产过程变量 必须将模拟的 PID 算式进行离散化 变为 数字 PID 算式 为此 在采样周期 T 远小于信号变化周期时 作如下近似 T 是 足够小时 如下逼近相当准确 被控过程与连续系统十分接近 u t u k 4 4 e t e k 4 5 0t edt e j t T e j 4 6 de dt e k e k 1 t e k e k 1 T 4 7 式中 T 为采用周期 k 为采样序号 k 0 1 2 j k 将上式带入得出 u k KP e k T TI e j TD T e k e k 1 u0 4 8 其中 u k 为调节器第 k 次输出值 e k e k 1 分别为第 k 次和第 k 1 次采样时刻的偏差值 从上式可以看出 u k 是全量值输出 每次输出值 都与执行机构的位置 如控制阀门的开度 一一对应 所以称之为位置型 PID 算 法 在这种位置型控制算法中 由于算式中存在累加项 因此输出的控制量 u k 不仅与本次偏差有关 还与过去历史采样偏差有关 使得 u k 产生大幅 度变化 这样会引起系统冲击 甚至造成事故 所以在实际中当执行机构需要的 不是控制量的绝对值 而是其增量时 可以采用增量型 PID 算法 现推导如下 u k u k u k 1 KP e k T TI e j TD T e k e k 1 T TI e j TD T e k 1 e k 2 KP e k e k 1 T TI e k TD T e k 2e k 1 e k 2 4 9 令 KI KPT TI KD KPTD T 则式子可写成 u k KP e k e k 1 KIE k KD e k 2e k 1 e k 2 4 10 为了更易于编程 可将上式进一步写成 u k a0e k a1e k 1 a2e k 2 4 11 式中 a0 KP KI KD a1 KP