智能数控开关电源设计-本科论文

I页共30页1绪论1.1开关电源的研究背景21世纪是信息化的时代，信息化的快速发展使得人们对于电子设备、产品的依赖性越来越大，而这些电子设备、产品都离不开电源。开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。从开关电源的组成来看，它主要由两部分组成：功率级和控制级。功率级的主要任务是根据不同的应用场合及要求，选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件考虑设计成本；控制级的主要任务则是根据电路电信号选择合适的控制方式，目前的开关电源以PWM控制方式居多。1.2开关电源的分类开关电源种类繁多，按不同的标准，大致有以下几种分类：1、按激励功率开关晶体管的方式来分自激型，开关管兼作振荡器中的振荡管；他激型，功率开关管的导通和截止由外加激励信号控制。2、按调制方式来分脉冲宽度调制（PulseWidthModulation，PWM），它在保持振荡频率不变的情况下，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，通过取样电路、耦合电路等的构成反馈闭合电路，来稳定输出电压；频率调制（PulseFrequencyModulation，PFM),它在保持占空比不变或关断时间不变的情况下，通过改变振荡器的振荡频率来稳定并调节输出电压的幅度；混合调制，通过调节导通时间的振荡频率来完成稳定并调节输出电压复读的目的，相对于脉冲和频率同时改变。按功率开关电路的结构形式来分非隔离型，主电路中无高频变压器；隔离型，主电路中有高频变压器，具有软开关特性的谐振型。4、按储能电感与负载的连接方式来分串联型，储能电感串联在输入和输出电压之间；并联型，储能电感并联在输入和输出电压之间。按控制方式分电压控制型，反馈回路中提取输出端的电压作为反馈信号；电流控制型，不单提取了输出端的电压作为反馈信号，还另外构造一个以电流为控制信号的反馈回路。6、按连接晶体管的方式来分单端式，仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，它具有价格低、电路结构简单等特点，但输出功率不能提高；推挽式，使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式，它的特点是开关变压器必须具有中心抽头；半桥式，使用两个开关晶体管，将其连接成板桥的放大形式，适用于输入电压较高的场合；全桥式，使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的放大形式，其特定是输出功率较大。1.3开关电源的发展趋势21世纪开关电源的技术追求和发展可以概括为以下四个方面：小型化、薄型化、轻量化、高频化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定，因此开关电源的小型化，实质上就是尽可能地减小其中储能元件的体积。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及电压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，因此，高频化是开关电源的主要发展方向。高可靠性。开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度，这样不但解决电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。低噪声。开关电源的缺点之一是噪声大。单纯的追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。采用计算机辅助设计和控制。采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简洁结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时监测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频点此元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。总之，在开关电源技术领域里，边研究低损耗回路技术，边开发新型元件器件，两者相互促进，并推动着开关电源以每年超过两位数的增长率向小型化、薄型、高频、低噪音以及高可靠性方向发展。2系统方案设计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（SwitchingPowerSupply）。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。图2.1所示电路的工作过程为：假设基准电压为5v，由于电网波动导致输入电压减小，那么输出电压也将会减少，此时，所采样的电压将减小，假设为4.9v，误差为0.1v，经过比较放大后，脉冲调制电路根据这个误差，提高占空比使输出电压增大，同理，当由于电网波动导致输出电压增大时，脉冲调制电路降低占空比使输出电压减小，以此来控制输出电压的稳定。整流整流滤波电路开关管滤波电路采样电路比较放大脉冲调宽输出输入基准电压图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系统方案单片机自带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，通过D/A转换，控制输出一个PWM脉冲，直接控制电源的工作。本设计选择单片机使用STC5608AD，自带A/D转换，D/A芯片采用TLC5616，采用LCD显示采样值，选择RS232作为串行传输的接口。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，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，通过的D/A转换器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V0>Vs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V0<Vs时，单片机修改脉宽使导通时间变长，从而使输出电压上升，如此循环来进行稳压。图2.2单片机控制开关电源系统框图2.4控制技术从自动控制理论的角度来说，目前应用相当的广泛的传统的脉宽调制（PWM）型开关电源只对输出电压进行采样，作为反馈信号来实现闭环控制。这种控制方法属于电压控制型，这是一种单环控制系统。第一块功能完全的电压控制型脉宽调制电路是1976年问世的SG3524，紧接着各公司又相继推出了多种电路，例如TL494、SG3525等等。它们的功能更多、截止频率更高、功耗更小。但是它们的基本工作原理都是相同的。电源的输出电压与参考电压比较放大，得到误差信号，又和三角波信号比较后，脉冲比较器输出一系列脉冲，这些脉冲的宽度即随着误差信号的变化而变化，这就是电压控制型PWM控制原理。本次设计采用的是单片机进行PWM控制，用软件实现反馈电压和设定电压的比较，根据误差值，通过PID算法处理，修改控制脉冲占空比，控制电源输出一系列脉冲。但是电源中的电流总是会流过电感的，对于电压信号将有90度的相位延迟，对于整个稳压系统来说，实际上需要不断调节是输入电流，以摄影输入电压和负载变化从而保持输出电压稳定的要求。这种采样输出电压的方法实现控制，响应的速度较慢、稳定性差，甚至在大信号变动时产生振荡，造成功率开关管的损坏。针对电压型控制的不足，可以采用电流型控制技术，它是在电压控制型的基础上，增加电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立的变量，电流型开关电源变换器是一个双环控制系统，内环为电流控制环，外环为电压控制环。当开关管导通时，流经电阻的电流与流过输出滤波电感的电流成正比。从输出采样的电压信号加到误差放大器的反向输入端，正相输入端为基准电压，其误差经放大后的电压加到PWM比较器的反向端，当加在比较器正相端的正比于的电流取样信号（三角波，其频率决定开关频率）升到时，比较器输出端输出一个正脉冲加至锁存器的复位端，锁存器的反向端输出便使得开关管截止。当发生变化导致变化时，或变化导致变化时，便使比较器输出脉冲相对于时钟脉冲在时间上提前或滞后，从而改变开关管的占空比实现PWM控制，达到稳压的目的。因此，变换器的内环是一个恒流源。与电压型控制相比，电流型控制有以下优势：（1）对输入电压变化的响应快；电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。对于电压型控制，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变化后，才会进行处理，所以响应速度慢。（2）过流保护；由于采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测输出和开关管电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件，这样设计电路时就不需要考虑留什么余量，能节省一些成本。（3）回路稳定性好，负载响应快；电流型控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的，这样电感的相位延迟就不存在了。2.5开关变换器结构选择开关电源的核心是高频开关变换电路和脉冲控制电路。高频变换电路把直流输入变换成高频脉冲输出。输出电压平均值,控制电路根据反馈电压控制高频开关管的导通时间（）与截止时间（），达到控制输出电压目的。隔离电路采用高频变换器件和高频隔离变压器。开关电源的四中组态为：（1）Buck变换器；（2）Boost变换器；（3）Buck-Boost变换器；（4）CUK变换器。BUCK变换电路是开关型电源，直流供电，经过开关电路得到单方向方波，再经过滤波后又得到与输入电压不同的稳定的直流。它们的输出电压总是比输入电压低。当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关元件被控制截止时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时，续流二极管正向导通，构成闭合回路。电容起到平滑输出的作用。电路中开关管和负载电阻是串联的，所以也称它为串联开关电源。如图2.3所示图2.3Buck变换器当开关管导通时，电感上的电流处于最小值，此后电感电流开始上升，但电流仍低于负载电流Io，于是电容仍向负载供电，因此输出电压下降。当电感电流上升到等于Io时，电容停止向负载供电，此时输出电压达到最小值。随着电感电流的继续上升，电容开始充电，从最低值开始上升。当开关管截止时，电感上电流处于最大，此后电感上电流开始下降，但电流仍比Io大，所以电容仍处于充电状态，输出电压继续上升。当电感电流下降到Io时，电容停止充电，此时电容上电压达到最大值。随着电感电流的下降，电容开始放电，由最大值逐渐开始下降。假设开关管的导通时间为,截止时间为,并且开关管和电感为理想元件，则,其中为开关的脉冲占空比。若开关管一直处于导通状态，截止时间为零，则；若开关管一直截止，导通时间为零，则，随着与的比例不同，输出电压为0—之间的各种值。下面具体分析该电路的工作过程：开关管导通时，发射极上的电压为(2-1)式为开关管饱和压降，为输入电压，那么电感电压为,为电感电流，则在经历以后，开关管截止，此时电感电流最大，电流值为（2-2）式在这一瞬间，电感储能为：，输入电压通过电感对电容充电，充电的电量为（2-3）式在此期间，输入给电路提供的能量为（2-4）式（2-4）式经过变换得：/即是电感中储存的磁能和电容储存的电能。可见，输入电能完全转换为电路的能量，效率很高，正是开关电源的优势所在。当开关管截止后，电感电流不能突变，电感产生感应电势，使得续流二极管导通，电感通过电路向负载释放能量，设二极管正向导通压降为，根据电路知识，可知电感上的电压与输出电压、二极管压降之间有这样的关系：电感电流将从最大值一直减少为0，电感所储存的磁能将转化为电源的电能，假设磁能完全转换为电能，那么可以通过下面的式子算出电感电流由最大值减为0的时间，(2-5)式开关管截止期间电容的充电量为（2-6）式续流二极管的作用是使电感电流在开关管截止时能连续变化，这样电感存储的能量才能够转化为电容中储存的电能。由此可见，如果要控制信号的每一个脉冲都能完全的工作，应有，也就是让电感在导通期间存储的能量，能在时间内，完全释放给电路。根据能量守恒定理，电感中的磁能转化为电能，对电容再次充电，那么输入电能应等于导通时电容所充电能加上电感的磁能，即（2-7）式代入（2-4）式得(2-8)式可见，当导通时间越大或者脉冲周期越小，输出电流越大，当需要提高电源输出功率时，可以提高开关管的工作频率。本设计任务要求电源在3到12伏内可调，而输入电压为14.4V，所以采用降压型开关变换电路，即Buck变换器，通过调制输出占空比为0到90%的一系列脉冲，使电源在要求范围内可调。2.6功率开关管的选择开关管是整个电源主要的工作器件，正确的选用，是电源成功制作的前提。首先，开关管的截止时间不宜过长，假如截止时间过长，当开关管的上一个控制脉冲已经结束，而下一个控制脉冲已经到来时，会造成开关管还没有完全关断，马上就进入下一个导通周期，这样开关管几乎是一直在导通，开关完全失去控制，功耗和输出电压会迅速增加，造成电源的损坏。其次，开关的导通时间也不宜过长。当开关频率较高时，开关管导通和截止的频率频繁，导通时间长，意味着开关管有更多的时间是在放大状态下工作（开关导通后是利用晶体管的放大作用而工作的），这样开关管的功耗就会迅速增加，电源的效率将大为下降。根据设计前辈们的经验，功率开关管的导通时间不宜超过1.5，截止时间不宜超过1。在开关管导通时，负载电流以及滤波电容的充电电流均通过开关管提供，因此，开关管的集电极电流必须大于输出的负载电流，集电极电流的计算如下：电感电流的平均值等于负载电流，则有，流过开关管的电流平均值为，忽略开关管导通压降，有，整理方程消去得到（2-9）式流过开关管的最大电流应等于电感电流的最大值，则，额定输出电流为，算出集电极电流小于在开关管截止时，电源的全部输入电压都加在开关管的集电极和发射极两端。所以其耐压值就必须大于集电极的输入电压，同样考虑到电网波动和开关瞬间滤波电感所产生的浪涌电压，取其耐压值为输入电压的2倍。根据数据手册，选择的晶体管型号为TIP41，耐压值40V，集电极电流6A。3硬件电路设计3.1电源电路设计开关电源设计包括输入整流滤波电路、开关变换电路、输出整流滤波电路、采样电路，保护电路。3.1.1整流滤波电路市电经过变压器降压后，通过7812变为12v，对该电压整流后一部分电压直接作为开关变换电路的输入电压，另外将其通过7805得到5v的电压，给开关电源控制电路部分的单片机提供工作电源。交流220v降压后经过整流桥整流输出直流电压作为开关变换电路的输入电压，7805稳压输出5v给单片机提供电源。如图3.1所示图3.1整流滤波电路3.1.2开关变换电路功率开关管采用达林顿管，由于它采用两个三极管进行级联，其放大倍数是两个管子放大倍数的乘积，因而具有很高的放大倍数，通过级联，可获取大的电流输出，对于提高电源的输出功率，有一定的作用。该开关管选择为NPN型，当控制脉冲的低电平时，开关导通，电感存储能量，开关把电路的输入电压变成高频脉冲，当控制脉冲为高电平时，开关截止，电感把所存储的能量释放给负载。为了确保电感电流能在开关转换过程中保持连续，选用肖特基二极管作为续流二极管选用，这种二极管具有较快的导通截止恢复时间，在开关导通变为截止时，能够很快的由截止转换到导通，所以能够确保电感电流连续。为了减少纹波电压，输出端的滤波电容选用低串联等效电阻的优质电容，另外，可以通过并联两个电容来获得低的等效串联电阻.如图3.2所示图3.2开关电路与输出整流滤波电路3.2控制电路设计控制电路采用STC12C5608AD，单片机是增强型8051内核的高速单片机，具有8KB的片内FLASH程序存储器、8通道10位A/D转换、4路PWM输出，可满足本设计中对模拟信号的转换及PWM的输出需要。单片机完成的基本功能为通过A/D转换监测外部输入电压的变化，根据电压的高低调节占空比，进行PWM的控制，及对电压的控制。本次设计的振荡电路采用的是石英振荡电路，外接电容C1、C2的容量的大小的取值会影响振荡频率的高低、振荡器的工作稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用陶瓷振荡器，应选择容量为30—50PF，对于石英晶体，选择20—40PF，这里我们选择电容为20PF，晶振为12M赫兹。单片机复位电路有上电复位，按扭脉冲复位，按扭电平复位。上电复位是利用器充电实现。3.2.1反馈电路设计反馈电路使用TLC5616采样输出电压，该器件只能输出0到5伏的电压，当要采集大的电压时，可以通过电阻分压再采样，在程序中再乘以一个分压系数，以代表输出电压值。如图3.3接线图图3.3TLC5615接线图3.2.2PC机端的串口传输设计计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个接口标准，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。所以，在系统设计中采用串行传输来实现单片机和PC机之间的数据通信。由于RS232推出时间比较早，通用设备厂商都生产与RS232制式兼容的通信设备，在系统设计中选择器件的空间就比较大，所以选择RS232作为串行传输的接口标准。RS232标准在微机通信接口中也得到了广泛采用。RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”，该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2(RXD)、3(TXD)、7(GND)这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2(RXD)、3（TXD）和5（GND）这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。DB9的引脚分布如图3.4所示图3.4DB9型连接器引脚分布图下面介绍各个引脚的功能。（1）TXD(引脚2)：发送数据。串行数据通过该引脚从DTE发送至DCE，即通过该引脚将数据从终端发送至MODEM。（2）RXD(引脚3)：接收数据。DTE通过该引脚接收DCE发送过来的串行数据，即终端通过该引脚接收MODEM发送的数据。（3）RTS(引脚7)：请求发送。用来表示DTE请求DCE发送数据，即当终端要发送数据时，该信号有效，向MODEM提出发送请求，此时MODEM进入发送状态。（4）CTS(引脚8)：允许发送。用来表示DCE已准备好接收DTE发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。当MODEM已准备好接收终端传来的数据时，该信号有效，通知终端开始发送数据。（5）DSR(引脚6)：数据装置就绪该引脚有效时，表明MODEM处于可用状态，通常将其直接接至电源端，上电有效。（6）DTR(引脚4)：数据终端准备好。该引脚有效时，表明数据终端处于可用状态，通常将其直接接至电源端上电有效。（7）DCD(引脚1)：数据载波检出。当本地DCE设备收到对方的DCE设备送来的载波信号时，该引脚有效，用于通知DTE准备接收，此时DCE将接收到的载波信号解调为数字信号后，经RXD线传送至DTE。（8）RI(引脚9)：振铃提示。当MODEM收到交换台送来的振铃呼叫信号时，该信号有效，用于通知终端已被呼叫。（9）GND(引脚5)：信号地线。RS232标准对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都做了规定。对于数据，逻辑“0”的电平高于-3V，逻辑“1”的电平低于+3V；对于控制信号，接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V。也就是说当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效的检查出来。介于-3V-+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义。因此，在实际工作时，应保证电平在（3-15）V之间。RS232用标准电压表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机或终端的TTL器件连接，必须在RS232与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的交换[5]。典型的RS-232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。由于发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3～7kÙ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。其有关电气参数如表3.1所示。表3.1RS232标准主要电气特性参数项目参数指标不带负载时驱动器输出电平<25V负载电阻3-7负载电容（包括线间电容）<2500pF空号（SPACE）或逻辑“0”时驱动器输出电平-5-+15V在负载端>+3V驱动器输出电平-5到-15V在负载端<-3V输出短路电流<0.5A驱动器转换速<30V/uS驱动器输出电阻<300（在断电条件下）工作方式单端节点数1收、1发最大传输电缆长度50英尺最大传输速率20Kb/S由于RS232标准规定的逻辑电平与TTL等数字电路的逻辑电平不兼容，因此二者之间进行相互连接时必须先进行电平转换。目前常用的电平转换芯片有MC1488、MC1489、ICL232、MAX202/MAX232以及MAX3218/3221/3223/3237等。MC1488是传输线驱动器，内部包含3个与非门和一个非门，供电电压12V，输入TTL电平，输出RS232电平。MC1489为传输线接收器，内部有4个反相器，供电电压+5V，输入RS232电平输出TTL电平。使用MC1488、MC1489建立电平转换电路需要外接12V对称电源，电路构造较为复杂。MAX202、MAX232这些芯片可以在+5V电源供电的情况下降TTL电平转换为10V的RS232电平，完全可以取代传统的MC1488、MC1489芯片的功能，简化了电路设计。MAX232系列芯片片内自带升压、电压转换电路，并提供两个驱动器和两个接收器，电源部分使用+5V单电源供电，输出电压符合RS232电平标准。将其作为双通道RS232电路使用时，需要外接4个1的电容。加上MAX232比较便宜，所以系统设计中选择MAX232作为电平转换芯片。MAX232的引脚分布如图3.5所示。MAX3218/3221/3223/3237等RS232电平转换芯片是专为适应+3.3V低电源电压产品而设计的，该系列转换芯片使用的电源电压范围可以在1.8-4.25之间其使用方法与MAX232等芯片类似。在系统设计中没有用到低电源电压的产品，所以不需要选择这个系列的电平转换芯片。图3.5MAX232引脚分布图3.2.3显示电路设计液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）。注：为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。n1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。n目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。编辑本段管脚功能。1602采用标准的16脚接口，如图3.4所示其中：第1脚：VSS为电源地。第2脚：VDD接5V电源正极。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）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第7—14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15—16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。1602LCD的特性：+5V电压，对比度可调。内含复位电路。提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。有80字节显示数据存储器DDRAM。内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM。8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。图3.6LCD接口电路3.2.4单片机与键盘接口电路设计本文键盘采用16个按键，由软件定义功能，键盘设计需解决的几个问题。键盘是若干按键的集合,是向系统提供操作人员干预命令的接口设备.键可分为编码键盘和非编码键盘两种类型.前者能自动识别按下的键并产生相应代码,以并行或串行方式送给CPU。它使用方便,接口简单,响应速度快,但价格高.后者则通过软件来确定按键并计算键值.这种方法虽然没有编码键盘速度快,但它价格便宜,组态灵活,因此得到广泛的应用。键盘是计算机应用系统中一个很重要的组成部分,设计时必须解决下述一些问题。1.按键的确认：键盘实际上是一组按键开关的集合,其每一个按键就是一个开关量输入装置.键的闭合与否,取决于弹性开关的合,断两个状态,反应在电压上就是呈现出高电平或低电平,若高电平表示断开,则低电平表明键闭合.所以,通过电平状态(高或低)的检测,便可确定相应按键是否已被按下.键盘中有无按键按下是通过列选线读入扫描字及行线读入行选线的状态进行判断的。判断的过程是：将列选线的所有I/O线均置成低电平，然后将行线的状态读入累加器中。如果有键按下，则至少会有一根行线被拉至低电平，从而使行输入不全为1。判断按下的是哪一个键的方法是：将列选线依次置为低电平，然后检查所有行线状态，如果不全为1，则按下的键在这一列，而且是在与低电平行线相交交点上的那个键；如果全为1，则按下的键不在此列。因为键盘在按下过程中会产生抖动，单片机可能错误地认为是按下几次，这样会造成误操作，因此在键盘处理程序中要加延时去抖动程序。2.键盘抖动的防止：由于键盘本身的构造或者不规范的操作都会导致键盘抖动，键盘抖动会影响数值的正确输入，造成错误的操作，要防止。4软件设计4.1总体编程思想单片机控制系统软件设计思路：系统扫描键盘输入，当键盘有输入，系统立即会做出响应，根据采样电压与键盘输入之间的差值，更新脉宽，输出用户期望的电压，随后系统仍扫描键盘，当没有再次输入时，系统调用PID控制算法，控制输出电压稳定。电源额定电压为12v，初始化把设定值设为12.00v，系统扫描键盘时，若与该电压相等，系统调用PID算法，在系统每次调用PID控制算法前，若有键盘输入，系统优先响应键盘输入，更新脉宽。图4.1为总体流程图图4.1总体流程图软件子程序包括：（1）键盘和数码管扫描子程序，（2）TLC5616转换子程序，（3）定时器0中断产生方波子程序，（4）PID控制子程序，（5）定时器1中断修改占空比、进行PID控制、数码显示子程序。4.2键盘防抖动子程序按键操作过程中,往往无意中同时或先后按下两个以上的键或者连击,发出错误的指令，为了防止这种情况，在程序中进行两次判断，以确认按键。即先判断当前是否有键按下，有键按下，延时，再次判断是否仍有键按下，若仍有键按下，确认按键，进行键盘处理。任务要求有电压预置功能，在程序中将八个按键分别定义为：加1，加10，加100，向上切换键，减1，减10，减100，向下切换键。满足电压预置要求，通过切换可以显示当前预置电压值，输出电压值，PID控制增量以及PID控制的比例、积分、微分三个参数。如图4.2所示图4.2键盘防抖动流程图4.3显示子程序为了使得控制精度达到0.01，采用LCD，可以显示到小数点后两位，通过键盘，实现较为精确的控制效果。软件设定4个显示缓冲区，存储个位，十位，小数点后1位，小数点后2位。如图4.3所示图4.3显示子程序流程图4.4反馈子程序由于TLC5616只能输入0-5V的电压，超过会损坏芯片，在输出端，通过电阻分压，使得输入的电压总是小于5V，为了显示输出电压值，在程序中采样的电压乘以一个分压系数后在进行显示，这样显示值代表输出电压，同时也保护了芯片。如图4.3所示图4.4AD转化流程图4.5PID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。A/D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。5系统调试5.1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。5.2AD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。5.3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。5.4功率开关管的调试将已经制作好的电路板放置好，避免和导电物体接触造成短路，然后，将控制信号输入功率开关管基极，用示波器观察，通过按键从键盘输入不同的预置电压，使用示波器另一通道观察开关管集电极输出信号，观察发现，当键盘输入不同的电压时，输入输出的波形均发生变化，当预置电压从12v变小时，控制脉冲的占空比也相应的变小，当预置电压从小变大时，脉冲信号的占空比又相应的增大，可见键盘能够控制系统更新脉宽，并能够控制开关管工作，调试完毕。结论本文验证了利用单片机可以实现对开关电源的智能控制，实现智能化开关电源的制作。通过键盘预置电压，控制单片机进行脉宽调制，使输出电压在大范围内可调。应用这个结论，采用工作频率更高，位数更高的单片机可以制作性能更加优越，工作频率更高的、智能化程度更高的开关电源，比如说，利用单片机，可以控制当电源长时间不使用时，自动关闭电源；如果采用片内带模数转换器的单片机，可以大大简化电源结构；还可以通过单片机软件控制，实现电源的智能保护，可以设定某个规定的电压或者电流，当超过该电压或者电流时，单片机关断开关管，电源不再工作，以便保护电源。而且单片机还可以扩展许多的功能。参考文献[1]杨旭，裴元，王兆安.开关电源技术[M].北京：机械工业出版社，2004.1[2]郑国川，李洪英.实用开关电源技术[M].福州：福建科学技术出版社，2001.5[3]周志敏，周纪海，纪爱华.单片开关电源[M].北京：电子工业出版社，2007.7[4]童诗白.华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.5[5]周志敏，周纪海，纪爱华.高频开关电源设计与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2008.12[6]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001.5[7]薛永毅.王淑英.何希才.新型电源电路应用实例[M].北京：电子工业出版社，2001.10[8]沙占友.新型单片开关电源[M].北京：电子工业出版社，2004.10[9]叶慧贞.杨兴洲.新颖开关稳压电源[M].北京：国防工业出版社，1999.1[10]刘胜利.现代高频开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，2001.9[11]赵效敏.开关电源的设计与应用[M].上海：上海科学普及出版社，1995.9[12]赵同贺，刘军.开关电源设计技术与应用实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.3[13]王水平,付敏江.开关稳压电源--原理设计与实验电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，1997.1[14]赵学泉,张国华.新型电子电路应用指南[M].北京：电子工业出版社，1995.3[15]BrownLaszlo,PracticalConsiderationsforMOSFETGateDriveTechniquesinhighSpeed,Switch-modeApplication[M],SeminarAPEC99.March1999.[16]Fengyanwang,SongrongWu,jianpingXu.SmallSignalAnalysisofBoostConverterUtilizingV2ControlTechnique[C].InternationalConferenceonCommunicationsCircuitsan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最后，对本文借鉴引用著作的作者，以及百忙中抽出时间审阅本论文的老师，表示由衷的谢意。附录A源程序#include<STC12C5620AD.H>#include<intrins.h>#include<string.h>#include<absacc.h>#include"def.h"#include"delay.h"#include"LCD1602CmdDef.h"#include"LCD1602.h"#include"stcmcu.h"#include"tlc5615.h"#include"EEP12C56xx.h"#defineBLKON0#defineSAMP_CNT8#defineEEP_ADDR_V_SET0sbitkeyset=P3^2;sbitkeydec=P3^4;sbitkeyadd=P3^3;sbitBLK=P2^6;//液晶显示开关；高电平关，低电平开；sbitalarm=P2^2; //蜂鸣器，高电平蜂鸣器不响，低电平响；voidKeyScan();voidScreenPrint();voidBear();ucharv_measure[4]=0,v[4];uintv_set=0;voidmain(){ unsignedlongvin=0; ucharadcount=0,samp_cnt=0; unsignedchardis_conter=10;v[0]=Byte_Read(EEP_ADDR_V_SET);v[1]=Byte_Read(EEP_ADDR_V_SET+1); v[2]=Byte_Read(EEP_ADDR_V_SET+2); v_set=v[0]*1000+v[1]*100+v[2]*10; Bear(); Delayus(