课设 - 基于单片机的数控开关电源设计

单片机

本文介绍了一种基于单片机控制的数控开关电源，以89C51单片机作为控制核心，对开关变换电路进行脉宽调制，构成一个智能闭环控制系统。单片机控制的开关电源具备更加完善的功能，更人性化、智能化，便于实时监控。其功能主要包括对开关电源输出电压进行检测，并显示实时电压值；通过按键进行编程预置期望输出的电压；通过A/D转换器采样输出电压，根据PID算法计算控制量修改占空比,以得到期望的输出电压，并通过PID算法控制输出电压稳定在设定的电压值上；拥有可靠的过流保护功能以及辅助电源可同时作为电源输入和给单片机提供工作电压，并可以通过键盘不断改变PID参数，可以进行实时调整。

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。

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
1.整流滤波电路
市电经过变压器降压后，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。

电路中采用发光二极管作为电源指示灯，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。

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PNP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。

3.保护电路
在电源输出端，设置负载电流检测电阻R0，通过R0将负载电流Io变成过流检测电压,三极管作为过流控制管，当开关电源负载电流时，过流控制三极管导通，电源输出电压由过流控制管集电极输出，触发晶闸管导通，将开关电源负载短路，实现保护。该电路有自锁功能，一旦负载电流增大的持续时间超过C1的充电时间，电路触发后，即使负载电流恢复正常，也不能解除保护状态，必须关断电源，排除过流因素，晶闸管才能复位。电路中Ro阻值的选择根据负载电流保护阈值而定，一般Ro取电阻值极小，在开关电源正常负载电流时其压降不足0.3v。R1和C1构成保护启动延时电路，以免开机瞬间负载电流冲击造成误动作。下图中，电感和输出端电容之间的部分是保护电路。

4. 软件设计思想
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。

软件子程序包括：（1）键盘和数码管扫描子程序，（2）ADC0832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。

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