毕业设计基于单片机控制的智能电源的设计

年月天朝大学基于单片机控制的智能电源的设计学院：电气与电子工程学院I 要片机(数控中心)系统、键盘、显示、和转换、辅助电源、稳压输出电II issystincludesotsoftsystseveralodulosthisolsystem,sssingliomputer(Dioitolltsystonvertersiliooisplsupploltoutputosuppltstionslithattsetstsistmentiguresshotsignaltissystlsoincludesosotwoiilotteriesioulstillosoimportanttlololimittitsmartosupplslostits’otosupplouloitlontoltsystototiiotteriesoositsiousssialotectisinstallsyststollowitsssltitionsintuitishowissitossessestoticallKeywords：latosupplinglioicalontrolosupplIII III 1 第一章引言 第一章引言1.1课题研究的背景和意义1.1.1电源技术磁环境十分恶劣，设备仪器在使用过程中常常会被暴露在异常状况工作环境之可靠性提出了严格要求。于通用。常见的直流稳压电源,大都采用串联反馈式稳压原理,通过调整输出端取范围窄所限,普通直流稳压电源难以实现输出电压的精确调整。在目前所使用的用麻烦。技术中遇到的许多难题将通过寻求新器件的办法解决。各种各样的D/A转换器直2 第一章引言 流稳压电源的设计中,设计出一款高性价比的多功能数字化通用智能型直流稳点,可以有效地克服传统电源的不足。性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。字控制，具有以下明显优点：更完美。2)在不改动硬件电路的基础上可方便地对系统升级，维护方便。性高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产1.1.2锂离子电池二次电池需求相当迫切。因此,电池厂商也研发出各种不同用途的电池，来适应求3 第一章引言 kg(3)自放电小，每月10%以下，不到镍镉电池的一半。负极，在充放电过程中，碳负极不会生成(6)允许温度范围宽，锂离子电池具有优良的高低温放电性能，可在子电池没必要每次都放完电再充，可以随用(1)与干电池无互换性：锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和4 第一章引言 (2)无法急速充电：锂离子电池不能像镍镉电池那样，用15分钟急速充(3)内部阻抗高：因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉(4)工作电压变化较大：电池放电到额定容量的80%时，镍镉电池的电压(5)放电速率较大时，容量下降较大。(6)必须有特殊的保护电路，以防止过充或过放。5 第一章引言 产工艺简单，储电密度提高5倍。1.2本课题的研究内容相应计算，然后输出控制信号到D/A转换器，控制电压调整电路，以实现对数整方便，输出电压电流值数字显示等预期目标。序代码。1.3本文的结构6 第一章引言 第四章，系统的软件设计：首先介绍了本课题所应用的PID控制算法，其7 体设计 统总体设计2.2.1可调电压输出电路部分压设定值和实际输出值的差值(误差信号)，通过调用PID控制算法求出单片图2-1可调电压输出电路原理框图目前还有另外一种比较流行的直流稳压电源构建方案：开关电源[22]方案。8 体设计 。2.2.2备用电源部分恒压充电阶段【8】。其中恒流和恒压两阶段是必须电流对电芯进行充电,的温度保护。便直观地设置所希望的电压值，并通过扩展的A/D转换器将输出端实际电压值9 体设计 号)，通过调用PID控制算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入扩展D/A转换器的输入端口，转换为模拟信号后去控制电压调整电路(执行机又由于要求电源具有一组可在外部电力供应中断的情况下向系统重要负载持续V是性 系统单元电路设计 ，这就需要为系统配置一套辅助电源用来为其它有源器件提供可靠、合适的直流3.1.1直流稳压电源的基本原理UUUU图3-1稳压电源基本组成框图上述过程中的变压、整流、滤波等电路可以看作直流稳压电源的基础电路，没有这些电路对市电的前期处理，稳压电路将无法正常工作。1)变压电路。通常直流稳压电源使用电源变压器来改变输入到后级电路的电压。产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。导电特性，将方向变化的交流电整流为直流电。本方案采用全波整流的方式。 系统单元电路设计 所示。在2π~3π、3π~4π等后续周期中重复上述过程，这样电源正负两个半周图3-2典型全波整流电路由于本辅助电源系统还需要一路负极性的电源，为此当采用全波整流方式时，本直流稳压电源的整流电路原理图如下所示：图图3-3全波整流电路原理图 系统单元电路设计 )滤波电路。交流电经过整流后得到的是脉动直流，这样的直流电源由于所流波形的下降段，电容放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。电压、负载、环境温度)发成稳压器；××(××)系列三端固定式负电压输出集成稳压器(三端≥。所以对于本电路系统的电源便不能直接作为电源的电压输入，考的电压输出作为稳压模块的电压输入。 系统单元电路设计 3.1.2本系统辅助电源设计了部分外，其余部分均采用三端集成稳压芯片构建。)由构成的电源部分它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从()到范围内的，经计算可确系统单元电路设计)其它电压等级的电源部分 系统单元电路设计 3.2.1单片机系统单片机又称作单片微控制器它不是完成某一个逻辑功能的芯片而是将一有体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利的条件。是一种带字节存储器(—)的低电压、高性能位微处理器，俗称单片采用高密度非易失将高效外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，其中晶振值为。系统单元电路设计脚接＋的正电源。3.2.2数模转换电路数模转换器是一种将数字信号转换成模拟信号的器件，为计算机系统的数字信号和模拟环境的连续信号之间提供了一种接口。数模转换器的输出由数字数模转换器的输出需要用运算放大器组成的电流电压转换器将电流输出转换成电压输出，本设计便采用这种方法。芯片是由美国国家半导体公司研发的具有两个输入数据寄存器的位电流输出型，和单片机可以直接相接。芯片内有一个位输入寄的内部逻辑结构框图和引脚图如图所示：系统单元电路设计是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如下图中的电路用来产生稳定的电压，用此电压为提供到的电压，这个连续可调电压用作后面电压输出调整电路的输入信号。3.2.3稳压输出电路典型用法的接线图所示：外接固定电阻和一个电位器。二者的阻值的确定 系统单元电路设计 需要遵循如下约定为保证稳压器在空载时也能正常工作则流过电阻1的电流不能太小。一般取1故101=Vref/IR110×0≈1202Q0式中为稳压器基准电压(1.2)。而输出电压0与、2有以下关系：1+Iadj)R2=(1。调节2电阻1)即可改2基准电压：1.2；系统单元电路设计的，在这里取为常数，大小为。这里电阻大小为，这样当输出电压。后面3.2.4模数转换电路 系统单元电路设计 单个电源供电模拟输入电压范围~，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为~摄氏度低功耗，约。逐图内部逻辑框图和引脚图工作过程：首先输入位地址，并使，将地址存入地址锁存器中。此本系统设置转化电路的主要目的是为了采样电压输出端实际电压，并送系统单元电路设计3.2.54*4行列式键盘累加器，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程()检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除因键盘按键机械触()有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间任何按键的操作()准确输出按键值(或键号)，以满足跳转指令要求。系统单元电路设计一个х的行、列结构可以构成一个含有个按键的键盘。01230456719101120123图接到上。当无键按下时，列线处于高电平状态；有键按下时，行线、列线将一个字节，高位为行号，低位为列号。如图(图中的行列颠倒)所示3.2.6显示电路 系统单元电路设计 在一起构成公共阳极。使用时，公共阳极接电压。在阴极端输入低电平，二致损坏，需接一个Q的限流电阻。本设计由于不需要串行口通信，因此可以利用串行口加外围芯片方便地构成显示器驱动电路，本显示电路便采用这种方式。本系统串行口控制的显示器与单片机的接口电路原理图如图用共阳极，所以相应的亮段必须送，相应的暗段必须送。系统单元电路设计3.3.1充电电路源采用锂电专用充电芯片构成充电控制电路。或或双节或锂离子和锂聚合物电池的充电需要，利用该芯片设计的充电器外围电路极其简单，适合便携式电子产品紧凑设计的需要。片关闭对电池充电。其内部集成的恒压恒流器带有高低边电流感测和可编程充系统单元电路设计预充电当电池由于深度放电或者长时间放置未使用，端电压低于某个值芯片进人预充状态。此状态下，充电器保持恒流输出，电流的大小是正常充电状态恒流值的。此状态一直持续到电池端电压达到为止。的增加而逐渐减小。此状态在充电电流再次减小到预充电电流值，即恒流值的芯片将禁止充电，进人睡眠状态以节省功耗。如果，那么芯片对当前直到温度恢复正常再继续下一步操作。接着芯片判断电池电压是否低于。若是，充电器对电池进行预充电，直到；否则直接进入先恒流后恒压到恒流值大小的，然后整个充电过程结束。芯片的自动充电功能会在电池系统单元电路设计。需要说明的是，温度检测功能在整)外接充电电源的确定。组电压，但是过大的充电电源电压又会使电路的损耗增加，因此的恒压)调整管的选择。管必须能够承受最大以上的电压，最大集电极电流必须大于。考虑到，均满足要求，而且都留有一定的裕度。 系统单元电路设计 )限流电阻的选择。的电流检测电阻有高边和低边两种接法，如图所示。两种接法没电阻上的电压达到芯片的恒流闭值时，芯片通过内部的反馈环节调节恒流的效果。根据芯片的参考手册查得脚的典型恒流闭值为恒流值在左右，选择电流检测电阻为)温度保护电阻的选择。，如上图所示，芯片通过不间断的检测脚和脚之间的电压来实现电路控制脚与脚之间的电压。我们需要的电池正常的工作温度范围在之间，而在这两点热敏电阻的阻值分别为来)充电状态显示。 系统单元电路设计 为了可以直观的获知充电电路的实时状态，可以在脚连接一双色发管二极管(红绿两色)，当此二极管发出红光时表明充电电路正处于状态；发绿3.3.2保护电路的，还需要单独设计一套保护电路【】。集成保护芯片选取原则在充电过程中，两串锂离子电池组中单体电池的差异较小，在过充电检测电压可以选取比较低的值，本设计中选取为，而串系统单元电路设计较少的锂离子电池组一般选取为，工作电流比较大或串数比较多的锂离子流小来选择，保护电流值比较大的选取为左右，比较小的选取为阻，一般选取，电阻为上拉电阻，一般选取，电阻为分流电阻，用来控制三极管，在正常工作时，芯片的脚输出低电平，三极为。系统单元电路设计护芯片内致电池电压波动时控制信号的振荡现象，当过充电保护后，过充电保护电器不能继续向电池充电，保护的相反。取过充电保护检测电压为，过放电检测电压为，过电流检测电压为载电流超过额定电流但是在额定电流的倍以下都称为过载现象，过载损坏锂过于迅速，较短时间的过载，保护装置不应动作。而超过额定电流的倍以上使用过程中为了防止流过锂离子电池组的大电流对电池组和设备造成不利系统单元电路设计即芯片脚端的电压和脚端的电压差，当差值达到时并且已到延迟过电流延迟时间时过放电控制端输出高电平关断过放电控制开关管阻，因此可以通过的参数来确定。管的导通内耗，应尽量减小的导通内阻，根据实际使用的电流大小采用过流保护值约为根据公式()选出为英飞凌公司的，它的，最大漏源极电流为。、系统单元电路设计睡眠模式，图中的稳压芯片由其左面的稳压电路提供输入电压； 件设计 本章主要讨论电压可调电路的软件组成。并简单介绍下本电路所使用的控制算法，与硬件结构上输出测量调节的闭环设计对应智能电源在DAC输出ADC采样NY反馈调节主要是根据设定值和测量值之间的误差采用算法来调节的输出值来实现的。4.1PID算法4.1.1PID算法简介测，通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，结果与设定值进行比较，再按算法进行控制运算，再由模拟量输出通道输出到执行机构对被控量进行控 件设计 控制，即取偏差的比例、积分、微分代控制理论的控制方法既不实用又不能达到预期效果，人们常常采用调节算法提供了执行机构的位置增量式算法提供控制量的增量。智能电源的执行机式算法需要对误差进行累加不便编写程序可以利用增量式算法得出位置式KKK根据公式设计智能电源算法流程如图所示。4.1.2PID控制器的参数整定的整定参数包括采样周期、比例增益、积分时间常数和微分时响应稍快些即可本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期约~。选择相对而言就不是很严格了可根据设计者的要求如希望积分作用明显还是系 件设计 PIDPID参数初始化，设置U输出电压测量ADC采样计算E(k)，由公式1算出控制增量U(k)计算U(k)并输出给DACYDAC输出系统总体流程图已在上面给出，下面给出各子程序流程图。 计4.2.1显示子程序显示缓冲区指针七段码表首址送取显示缓冲区内容送A查表得相应的代码相应显示器NY 件设计 4.2.2键盘子程序行输出口输出0读列输入口值N设置行码初值设置计数器行码输出至行输出口读列输入口值N全1吗？Y行码左移一位NY合并行列信息为一个信息查表确定按键Y()判断键盘上是否有键闭合：采用程序控制方式、定时控制方式对键盘()去除键的机械抖动：其方法是得知键盘上有键闭合后延迟一段时间， 计()确定闭合键的物理位置：采取逐条端口线查询方式确定被按键的()获取闭合键的编号：在得到闭合键的物理位置后，根据给定的按键编4.2.3中断服务程序开开始保护现场定时器T0赋值，启动Y启动ADC延时等待转换完毕读取转换结果并存储恢复现场返回 结论源构建方案：以(误差信号)，然后以此误差信号为基础调用电压调整算法求出单片机所需行机构)，得到所期望的输出电压。该电源通过数字方式调压，使用更加方便直备用系统可保证电源在外部电力供应中断的情况下仍可向系统重要负载持续供的满足锂离子电池对充电电路的苛刻文章对此新型稳压电源方案的硬件电路和软件设计部分均做出了详尽细部分。一步探讨；同时，电源的电能变换效率有待提高。 [6]张方军，徐振.充电器便携式锂离子电池充电电路的设计.电子设计应用，2008，C 0[18]阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001:150~160[19]曲学基，王增益，曲敬铠.稳定电源电路设计.北京：电子工业出版社，2003:9~45出版社，1996.20~25[21]郝立军.直流稳压电源的设计方法.农业机械化与电气化，2007,1:49~50[24]许艳惠.一种智能化高精度数控直流电源的设计与实现.微计算机信息，2007,23(11-2):136~138 [27]周凯汀,郑力新.一种简单优质的双端可调功率直流稳压电源的设计与分析[J].电子与 致谢感谢我的导师很漂亮老师。导师虽然平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计任务及方案的确定和修改，中期的检查，后期详细设计、方案的验证等整个过程中都给予了我耐心细致的指导。除了敬佩导师很老师扎实的专业知识和广博的视野外外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工感谢我热心的同学、亲爱的舍友，感谢他们在学习和生活中对我的帮感谢我的母校——天朝大学，是母校为我们提供了优良的学习环境；另外，感谢那些曾给我授过课的每一位老师！再次向很漂亮老师致以真诚的感谢，向所有关心我、支持我的人们致谢！向我的母校致谢！最后祝母校的明天更美好！天朝更加和谐！揍先这样吧。 ;***********************************************************PLEQU32HILEQU35HDLEQU38HPKIEQUAHI数UK0LIEKHIEKLDEKLEKIUK1L;LED显示缓冲区----------------------------------------------------------------------------MAIN ;*****************************************************;*****************************************************MAIN:MOVMOVMOV;初始化数据段MOVMOVMOVMOVMOVMOVMOV;******************************************MOVMOVMOV;*******************************************MOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVEI,#50H;门限电压值MOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOVMOV MOVMOVMOVMOVMOVMAINLOOPLCALLKEYP;*****************************************************;*****************************************************CALLDELAY10MOVXA,@DPTRmsAD转换结束-------------CLRCSUBBA,#00H;误差修正MOVIE,#82H;关外部中断;****************************************************************** 差MOVEK0,A;*****************比例运算*********************RHPP:CLRCMOVA,#80H;正溢出给正最大值MOVA,#7FHMOVMOVMULMOVMOVMOVAAABCAA,BAMOVA,PEKLCPLA;取反ADDA,#01H;加一MOVPEKL,A;送低位结果 CPLA;取反MOVPEKH,A;送高位结果;***************************;********积分运算********III:MOVA,EK0JNBACC.7,II1;判断正负RHCPLA;负值取其绝对值(取反加一)INCAII1:MOVMULMOVMOVMOVMOVADDMOVMOVB,KIABIEKL,AEKHBA,IEKLCAIEKL,AA,IEKHA;EK0*KI;EK0为负值的处理(还原成补码)ADDCA,#00HMOVIEKH,AII3:;积分运算结束;**************微分运算*********DDD:MOVA,EK0RHDD1:CLRCMOVA,#80HDD3:MOVA,#7FHDDMOVR7,#00H;清负标志MOVEKI,A MOVA,EK2RHDD4:CLRCMOVA,#80HDD6:MOVA,#7FHDD7:ADDA,EKIDMOVA,#80HDDD2:MOVA,#7FHKEKEKCPLAINCADDDMOVBKD完成8(EK0-2EK1+EK2)*KD，通过3次左运算实现MULABCLRCRLCAMOVDEKL,AMOVA,BRLCAMOVDEKH,AMOVDEKH,#7FHMOVDEKL,#0FFH，并结束左移运算DDD3:MOVA,DEKLMOVDEKL,A MOVA,DEKHRLCAMOVDEKH,AMOVDEKH,#7FHMOVDEKL,#0FFH值，并结束左移运算DDD4:MOVA,DEKLMOVDEKL,AMOVA,DEKHRLCAMOVDEKH,AJNBACC.7,DDD5;运算有溢出给最大值MOVDEKH,#7FHMOVDEKL,#0FFHMOVA,DEKLCLRCCPLAADDA,#01HMOVDEKL,AEKHCPLAMOVDEKH,ADDD6:;*********微分运算结束*********;************求和运算*****************MOVUK0L,UK1LMOVR1,#UK0HMOVR0,#UK0LMOVR2,PEKLVRPEKHLCALLFADDMOVR0,#UK0LMOVR2,DEKL MOVR3,DEKHLCALLFADDMOVAACLRCA,EIRUKHMOVR0,#UK0LMOVR2,IEKLMOVR3,IEKHLCALLFADDMOVUK1H,UK0HMOVUK1L,UK0LMOVA,UK0HCJNEAHUKA八位为80H时也不进位(进位则会溢出)MOVUK0H,AUUU0:MOVA,UK0L;正数处理MOVA,UK0H;判断高位是否为7FH，是不做进位处理(进位则MOVUK0H,ASPID:MOVA,UK0H END1:ADDA,#80H;回归原码;DA转换MOVX@DPTR,AMOVMOVMOVCADDMOVMOV;和送低位和入口地址MOVRH负标志RMOV@R1,A;和送高位和入口地址RH;**********************************************************OK;**********************************************************OKCLRRI EYNEXTLJMPBACKMOVOLDKEY,ALJMPBACK2TLJMPBACKMOVMOVBACKBACKMOVEXTMOVOLDKEY,ATJMPBACK NEXTCJNEAEFHBACK;下降键是否按下BACK3:LJMPBACKMOVMOVDIVMOVMOVMULMOVMOVMOVMULADDMOVDIVMOVMOVMULADDMOVMOVMOVMULADDMOVDIVABABABABABABABADDA,KPMOVKP,AMOVMOVDIVMOVMOVMULMOVMOVMOVMULADDMOVA,IHABABKI,AABA,IM DIVMOVMOVMULADDMOVMOVMOVMULADDMOVDIVADDMOVABABA,KIKI,AABA,ILABA,KIKI,AMOVA,DHMOVB,#4DIVABMOVR5,BMOVB,#64HMULABMOVKD,AMOVA,R5MOVB,#0AHMULABADDA,DMMOVB,#4DIVABMOVR5,BMOVB,#0AHMULABADDA,KDMOVKD,AMOVA,R5MOVB,#0AHMULABADDA,DLMOVB,#4DIVABADDA,KDMOVKD,ABACK:MOVOLDKEY,ABACK1:MOVA,R0 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