51单片机数控稳压输出的毕业设计，内容不错，源码 原理图等等 资料都有
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1． 综述 1.1 课题背景 1.1.1概述 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM） 控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用，GTR驱动困难，开关频率低，逐渐被IGBT和MOSFET取代。 开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。 数字电源是当前的热点，已经开发出一系列数字电源控制芯片，此类控制芯片一般都具有较高的运算速度和采样速度，以满足开关电源控制的需要，相对于传统开关电源需要较高的系统投入，并且采用有别于传统开关电源的全新的设计方法。 本文提出的数控开关电源有别于数字电源，采用模数混合控制，可在传统开关电源的基础上，加入数字控制，不需要较高的成本投入和重新设计，就可以实现开关电源的数字控制与监视，有广泛的应用前景。 1.1.2历史 40多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段。 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。 第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 1.1.3现状 随着全球节能呼声的高涨，开关电源已进入绿色电源及绿色电源控制芯片的时代。准谐振技术、flyback频率折返技术、跨越周期式工作、进入猝发模式工作等新技术层出不穷，以降低空载功耗。对应高效率的要求，无论是AC/DC，还是DC/DC，同步整流技术都成为电源设计的必选技术。 在DC/DC中，点载模块成为新亮点，具有更低的输出电压、更高的效率、更小的体积、更高的可靠性、更快的瞬态响应，为此还加入了熟悉控制技术。 目前，在电源系统的体积大小方面还有大量工作要做，对比四十年前六个大机柜组成的分离元器件及小规模IC的数字计算机，其功能还不如现在的笔记本电脑。相比之下，现在的电源体积在电子设备中占的比例还是太大，功率密度还远远不够高。VICOR公司的VTM及PRM开辟了DC/DC的新篇章，使功率密度上升到了1000W/in3的水平。然而电源技术水平提高的空间仍然很大。 美国目前的数字电源发展速度很快，不仅对大的通信电源完成了设计和配套，而且砖块式的DC/DC系统也已经数字化，TI（德州仪器）、 MICROCHIP（微芯国际）等都推出了相应的产品，Galexy公司的DC/DC都加入了MCU或CPU，连NoteBook的适配器也进入了全数字的控制芯片时代，而且包含了对PFC或PWM两部分的控制，iw2202即是最先登场的一款。 1.1.4发展趋势 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致 力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn、Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度 （Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源 的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源 的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电 源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的 实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 全数字化控制，电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全数字控制是发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。 1.2 课题提出 学习完电力电子技术，对开关电源有一个初步的了解后，如果进行一个开关电源的开发，将是对自己的学习大有益处的。开关电源的设计与实现已经有一个较成熟的设计步骤和方法，如果在传统开关电源中加入基于单片机的数字控制，不仅对于自己大学学习知识是良好的总结，并且具有良好的实用价值，是一项很有意义和价值的工作。 该数控开关系统应具有以下特点： 1、采用传统的设计方法实现主回路的设计； 2、应具备传统开关电源的框架结构、性能； 3、加入数字控制的思想，实现数字控制； 4、具备较友好的操作界面； 5、实现输出电压、电流的显示和监视； 6、具备一定的通信能力，实现智能电源初步。 1.3 开发工具和开发环境 硬件部分原理图的设计与仿真，采用multisim 10进行仿真，结合一般的开关电源进行设计，确定硬件部分电路参数的选择。 软件部分采用C语言进行编程，使软件部分整体结构清晰、功能完整，采用Keil软件进行汇编。 另外单片机采用STC系列，方便程序的下载与调试。 1.4系统的总体框架与结构 本系统可以分为两大主要模块，硬件部分和软件部分，硬件部分主要是boost变换器的设计，控制芯片的选择，储能电感的选择，滤波电路电容电路的设计与参数选择；软件部分主要是单片机数字控制显示部分，实现开关电源输出电压控制，输出电压电流的采样、数据处理，输出电压电流的显示，单片机与上位机串行通信初步。 系统总体框架结构 2． 需求分析 2.1 系统开发目的 直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立元件组成，其体积大，效率低，可靠性性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高， 稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化方向发展。以单片机系统为基础而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算， 从而可排除和减少由于干扰信号和模拟电路引起的误差， 大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度。降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限定电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便。具有较高的使用价值。 2.2 系统功能要求 本系统要实现的功能包括：具备一般电源输出性能要求，输出电压的数字控制，输出电压电流的监测显示，具备与上位机通信初步。 具体功能如下： 1、 输出电压Uo可调范围：30V～36V； 2、 最大输出电流IOmax：2A； 3、 输出电压数字控制； 4、 输出电压电流监测与显示； 5、 能够与上位机进行串行通信，实现上位机控制； 2.3 系统人机接口要求 利用单片机实现输出电压的数字控制，使输出电压在要求范围内实现精确的控制；输出电压电流实时监测与显示，达到输出电压的准确测量与监测；采用键盘操作，达到操作简单方便，显示清晰易懂的要求。 本系统拟采用4*4键盘扫描，其中设置0-9十个数字键， 6个功能键（启动串行通信接受上位机控制按键，停用上位机控制按键，显示电压按键，显示电流按键，清屏按键，输入确定按键）用于设定电压的输入，方便用户操作和控制，节省设计成本。 显示部分采用4位LED动态显示，程序部分采用多个显示内容存储区，方便显示控制，程序中延时部分采用调用显示子程序，这样既达到了延时效果，又可以增加数码管的亮度。采用键盘和LED显示，达到了较好的人机交互效果，提升了系统的可操作性和性价比。 3． 系统总体设计 3.1 数控开关电源总体结构 数控开关电源系统的总体分为两大组成部分，开关电源主回路部分和单片机数字控制部分，其中也包括两大部分之间的接口设计。 开关电源主回路部分可以采用传统开关电源的设计方法进行开关主回路的设计，尽量在不改变主回路的基础上进行设计，添加数字控制部分，最终达到数控的目的，并且满足设计的各项要求。 单片机数字控制部分主要是单片系统的硬件连接和单片机软件程序的编写。硬件部分主要包括单片机最小系统的实现，ADC0809和DA0832与单片机的接口，键盘显示的接口，还有采样电路的设计。软件部分主要是键盘的扫描，LED动态显示，采样数据的滤波及处理，单片机与上位机的串行通信控制。 3.1.1系统总体方案的分析 根据设计要求和传统开关电源的设计方法，设计开关电源的主回路。在主回路已经确定的情况下，进行单片机数字控制部分的加入，主要可以考虑两种思路来实现： 第一种思路可以采用在开关电源反馈取样信号部分采用精密的数控可调电位器（如X9313）来实现，这样通过单片机就可以改变反馈电压的强弱，达到控制输出电压的目的， 利用数控电位器来实现，原理框图如下： 方案一 采用数控电位器实现 第二种思路可以采用单片机控制数模转换DA（DA0832）输出加到开关电源的集成控制芯片的反馈信号输入端，直接对反馈电压产生影响，达到控制目的。采用DA（数模转换芯片）实现的原理框图如下： 方案二 采用DA数模转换芯片实现 3.1.2系统总体方案的确定 上述两种方案均可实现设计的要求，在选择确定总体方案方面就需要进行全面考虑。 方案一虽然可以实现设计要求但是数控电位器的精度及可调范围方面，不如方案二采用数模转换器（如果采用DA0832就可以实现256步进调节），在调节的精度和范围方面具有优势，而且在与单片机的接口和控制方面，方案二更具有优势。综合考虑各个方面的因素，本设计拟采用方案二来实现。 3.2 开关电源主回路 简单地说，开关电源的工作原理是： 1.交流电源输入经整流滤波成直流； 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上； 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载； 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。 主回路——开关电源中，功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。 开关电源的主回路的设计采用传统的设计方法，采用经典方法，不仅可以加速设计，而且使设计更加可靠。 3.2.1开关电源主回路常用拓扑分析 开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。 一、 非隔离式电路的类型： 非隔离式——输入端与输出端电气相通，没有隔离。 1、串联式结构 串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。 串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。 2、并联式结构 并联——在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图中所示的开关三极管T）与输出端负载成并联连接的关系。开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。 由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。 3、极性反转型变换器结构 极性反转——输出电压与输入电压的极性相反。电路的基本结构特征是：在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。 开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。 二、隔离式电路的类型： 隔离——输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。 1、 单端正激式 单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器； 正激——脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。 该电路的最大问题是：开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。图中的D3与N3构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。 2、 单端反激式 反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护D3、N3构成的回路。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。 3、 推挽（变压器中心抽头）式 这种电路结构的特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。 主要优点：高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。 主要缺点：变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。 4、 全桥式 这种电路结构的特点是：由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。 图中T1、T4为一对，由同一组信号驱动，同时导通/关端；T2、T3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通/关端。两对开关管轮流通/断，在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。 主要优点：与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。 主要缺点：使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。 5、 半桥式 电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（T3、T4）换成了两只等值大电容C1、C2。 主要优点：具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。 3.2.2开关电源主回路拓扑确定 考虑到实验条件及设计要求，本系统拟采用非隔离式并联升压电路，采用典型的BOOST电路，电路拓扑如上所述： 3.3 单片机硬件部分电路 从简化系统设计的方面考虑，单片机部分的电路如下图所示：
单片机数控部分的总体电路图 3.4 单片机软件部分的设计 单片机软件部分的编写是实现设计的重要组成部分，此部分的要求主要是实现数字控制的程序编写，人机接口部分程序的编写，串行通信的编程实现等。单片机软件部分的编程主要包括键盘扫描，LED显示，AD采样控制，DA输出控制，上位机控制，采样数据处理等函数编写。 考虑到上述因素，还有程序的结构清晰明了等要求，软件部分具体需要编写下列函数： void keydelay(uint);//消除键盘抖动用延时函数 void delay(uint);//一般延时用函数，通过入口参数改变延时长短 uchar kbscan(void);//键盘扫描函数 void display(void);//LED显示函数 void dispsel(void);//显示内容选择函数 void keyprocess(void);//键盘处理函数 void manage_key(void);//一般键盘处理函数 void manage_number(void);//数字键处理函数 void manage_key10(void);//10号功能键处理函数 void manage_key11(void);// 11号功能键处理函数 void manage_key12(void);// 12号功能键处理函数 void manage_key13(void);// 13号功能键处理函数 void manage_key14(void);// 14号功能键处理函数 void manage_key15(void);// 15号功能键处理函数 void control(void);//DA0832输出控制函数 void adc0809(void);//ADC0809芯片控制函数 void dac0832(void);//DA0832输出 void caculate(void);//采样数据处理计算函数 void send(void);//串口发送函数 void receive(void) interrupt 4 using 1//串口接收数据处理函数 4 系统详细设计 4.1 开关电源主回路设计 如前所述开关电源主回路采用非隔离式并联电路，即采用典型的BOOST电路。下面就BOOST电路各个电路参数进行设计。 4.1.1主回路控制芯片选择 在实际应用中经常会涉及到升压电路的设计，对于较大的功率输出，如70W以上的DC／DC升压电路，由于专用升压芯片内部开关管的限制，难于做到大功率升 压变换，而且芯片的价格昂贵，在实际应用时受到很大限制。考虑到Boost升压结构外接开关管选择余地很大，选择合适的控制芯片，便可设计出大功率输出的 DC／DC升压电路。 开关电源控制芯片UC3842是一种电流型脉宽调制电源芯片，价格低廉，广泛应用于电子信息设备的电源电路设计，常用作隔离回扫式开关电源的控制电路，根据UC3842的 功能特点，结合Boost拓扑结构，完全可设计成电流型控制的升压DC／DC电路，且外接元器件少，控制灵活，成本低，输出功率容易做到100W以上，具有其他专用芯片难以实现的功能。 UC3842芯片的特点 UC3842工作电压为16-30V，工作电流约15mA。芯片内有一个频率可设置的振荡器；一个能够源出和吸入大电流的图腾式输出结构，特别适用于 MOSFET的驱动；一个固定温度补偿的基准电压和高增益误差放大器、电流传感器；具有锁存功能的逻辑电路和能提供逐个脉冲限流控制的PWM比较器，最大占空比可达100％。另外，具有内部保护功能，如滞后式欠压锁定、可控制的输出死区时间等。 由UC3842设计的DC／DC升压电路属于电流型控制，电路中直接用误差信号控制电感峰值电流，然后间接地控制PWM脉冲宽度。这种电流型控制电路的主要特点是： 1)输入电压的变化引起电感电流斜坡的变化，电感电流自动调整而不需要误差放大器输出变化，改善了瞬态电压调整率； 2)电流型控制检测电感电流和开关电流，并在逐个脉冲的基础上同误差放大器的输出比较，控制PWM脉宽，由于电感电流随误差信号的变化而变化，从而更容易 设置控制环路，改善了线性调整率； 3)简化了限流电路，在保证电源工作可靠性的同时，电流限制使电感和开关管更有效地工作； 4)电流型控制电路中需要对电感电流的斜坡进行补偿，因为，平均电感电流大小是决定输出大小的因素，在占空比不同的情况下，峰值电感电流的变化不能与平均电感电流变化相对应，特别是占空比，50％的不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差，即使占空比<50％，也可能发生高频次谐波振荡， 因而需要斜坡补偿，使峰值电感电流与平均电感电流变化相一致，但是，同步不失真的斜坡补偿技术实现上有一定的难度。 Unitrode公司的UC3842作为一种高性能固定频率电流型控制器，包含误差放大器、PWM比较器、PWM锁存器、振荡器、内部基准电源和欠压锁定等单元，其结构图如下所示： 各管脚功能简介如下。 ---1脚COMP是内部误差放大器的输出端，通常此脚与2脚之间接有反馈网络，以确定误差放大器的增益和频响。 ---2脚FEED BACK是反馈电压输入端，此脚与内部误差放大器同向输入端的基准电压(一般为+2.5V)进行比较，产生控制电压，控制脉冲的宽度。 ---3 脚ISENSE是电流传感端。在外围电路中，在功率开关管(如VMos管)的源极串接一个小阻值的取样电阻，将脉冲变压器的电流转换成电压，此电压送入3 脚，控制脉宽。此外，当电源电压异常时，功率开关管的电流增大，当取样电阻上的电压超过1V时，UC3842就停止输出，有效地保护了功率开关管。 ---4脚RT/CT是定时端。锯齿波振荡器外接定时电容C和定时电阻R的公共端。 ---5脚GND是接地。 ---6脚OUT是输出端，此脚为图腾柱式输出，驱动能力是±lA。这种图腾柱结构对被驱动的功率管的关断有利，因为当三极管VTl截止时，VT2导通，为功率管关断时提供了低阻抗的反向抽取电流回路，加速功率管的关断。 ---7脚Vcc是电源。当供电电压低于 ＋16V时，UC3824不工作，此时耗电在1mA以下。输入电压可以通过一个大阻值电阻从高压降压获得。芯片工作后，输入电压可在+10～+30V之间波动，低于+10V停止工作。工作时耗电约为15mA，此电流可通过反馈电阻提供。 ---8脚VREF是基准电压输出，可输出精确的+5V基准电压，电流可达50mA。
---UV3842的电压调整率可达0.01%，工作频率为500kHz，启动电流小于1mA，输入电压为10～30V，基准电压为4.9～5.1V，工作温度为0～70℃，输出电流为1A。 4.1.2 boost电路主要参数选择 一 Boost电路结构及特性分析 由UC3842控制的Boost拓扑结构及电路分别下图所： UC3842控制的Boost拓扑结构 UC3842控制的Boost电路结构 UC3842控制的Boost电路中输入电压Vi=16-20V，既供给芯片，又供给升压变换。开关管以UC3842设定的频率周期开闭，使电感L储存能量并释放能量。当开关管导通 时，电感以V1／L的速度充电，把能量储存在L中。当开关截止时，L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以(Vo-Vi)／L的速度释放到输出电 容器C2中。输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少，通过电感电流的峰值来控制。 整个稳压过程由二个闭环来控制，即 闭环1 输出电压通过取样后反馈给误差放大器，用于同放大器内部的2.5V基准电压比较后产生误差电压，误差放大器控制由于负载变化造成的输出电压的变化。 闭环2 Rs为开关管源极到公共端间的电流检测电阻，开关管导通期间流经电感L的电流在Rs上产生的电压送至PWM比较器同相输入端，与误差电压进行比较后控制调 制脉冲的脉宽，从而保持稳定的输出电压。误差信号实际控制着峰值电感电流。 二 Boost升压结构特性分析 Boost升压电路，可以工作在电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式(CCM)。CCM工作模式适合大功率输出电路，考虑到负载达到10％以上时，电感电流需保持连续状态，因此，按CCM工作模式来进行特性分析。 Boost拓扑结构升压电路基本波形如图3所示。 Boost升压电路基本波形 ton时，开关管S为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为Vi，考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降Vs，即为Vi-Vs。ton时通过L的电流增加部分△ILon满足式(1)。
（1） 式中：Vs为开关管导通时的压降和电流取样电阻Rs上的压降之和，约0.6-0.9V。 toff时，开关管S截止，二极管D处于导通状态，储存在电感L中的能量提供给输出，流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管D的正向电压为Vf，toff时，电感L两端的电压为Vo+Vf-Vi，电流的减少部分△ILoff满足式(2)。
（2） 式中：Vf为整流二极管正向压降，快恢复二极管约0.8V，肖特基二极管约0.5V。 在电路稳定状态下，即从电流连续后到最大输出时，△ILon=△ILoFf，由式(1)和(2)可得
（3） 因占空比D=
/T，即最大占空比
（4） 如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率，即
（5） 由式(4)和式(5)得电感器平均电流
（6） 同时由式(1)得电感器电流纹波
（7） 式中：f为开关频率。 为保证电流连续，电感电流应满足
（8） 考虑到式(6)、式(7)和式(8)，可得到满足电流连续情况下的电感值为
（9） 另外，由Boost升压电路结构可知，开关管电流峰值Is(max)=二极管电流峰值Id(max)=电感器电流峰值ILP，
（10） 开关管耐压
（11） 二极管反向耐压
（12） 三 电路参数的确定 基于UC3842控制的升压式DC／DC变换器，电路的技术指标为：输出电压UO可调范围：30V～36V； 最大输出电流Iomax：2A； U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（Io=2A）； IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）； 输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）； DC-DC变换器的效率
≥70%（U2=18V，Uo=36V，Io=2A）； 具有过流保护功能，动作电流Io（th）=2.5±0.2A； 考虑到输出电压可调，并考虑一定的裕量，系统的设计时可按如下指标设计输入Vi=18V，输出Vo=40V、Io=2A，频率f≈49 kHz，输出纹波噪声1％。 根据技术指标要求，结合Boost电路结构的定性分析，设计电路的参数如下： 1 储能电感L 根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(4)得 当输出最大负载时至少应满足电路工作在CCM模式下，即必须满足式(9)， 同时考虑在10％额定负载以上电流连续的情况，实际设计时可以假设电路在额定输出时，电感纹波电流为平均电流的20％"30％，因增加△IL可以减小电感L，但为不增加输出纹波电压而须增大输出电容C2，取30％为平衡点，即
（13） 由式（7）、式（13）可得 流过电感L的峰值电流由式（10）得 L可选用电感量为140"200μH且通过5A以上电流不会饱和的电感器。电感的设计包括磁芯材料、尺寸、型号选择及绕组匝数计算、线径选用等。电路工作 时重要的是避免电感饱和、温升过高。磁芯和线径的选择对电感性能和温升影响很大，材质好的磁芯如环形铁粉磁芯，承受峰值电流能力较强，EMI低。而选用线 径大的导线绕制电感，能有效降低电感的温升。 2 输出电压取样电阻R1、R2 因UC3842的脚2为误差放大器反向输入端，芯片内正向输入端为基准2.5v，可知输出电压Vo=2.5(1+R1／R2)，根据输出电压可确定取样电 阻R1、R2的取值。 由于储能电感的作用，在开关管开启和关闭时会形成大的尖峰电流，在检测电阻Rs上产生一个尖峰脉冲，为防止造成UC3842的误动作，在Rs取样点到 UC3842的脚3间加入R、C滤波电路，R、C时间常数约等于电流尖峰的持续时间。 3 开关管S 开关管的电流峰值由式(10)得 Iv(max)=ILP=5.11A 开关管的耐压由式(11)得 Vds(off)=Vo+Vf=40+0.8=40.8V 按20％的余量，可选用6A／50V以上的开关管。为使温升较低，应选用Rds较小的MOS开关管，要考虑的是通态电阻Rds会随PN结温度T1的升高而增大。 4 输出二极管D和输出电容器C2 升压电路中输出二极管D必须承受和输出电压值相等的反向电压，并传导负载所需的最大电流。二极管的峰值电流Id(max)=ILP=5.11A，本电路可选用6A／50V以上的快恢复二极管，若采用正向压降低的肖特基二极管，整个电路的效率将得到提高。 输出电容C2的选定取决于对输出纹波电压的要求，纹波电压与电容的等效串联电阻ESR有关，电容器的容许纹波电流要大于电路中的纹波电流。 电容的ESR<△Vo/△IL=40x1％/1.33=O.3Ω。 另外，为满足输出纹波电压相对值的要求，滤波电容量应满足
（14） 根据计算出的ESR值和容量值选择电容器，由于低温时ESR值增大，故应按低温下的ESR来选择电容，因此，选用560μF／50V以上频率特性好的电解电容可满足要求。 5 外补偿网络 UC3842误差放大器的输出端脚l与反相输入端脚2之间外接补偿网络Rf、Cf。 Rf、Cf的取值取决于UC3842环路电压增益、额定输出电流和输出电容，通过改变Rf、Cf的值可改变放大器闭环增益和频响。为使环路得到最佳补偿， 可测试环路的稳定度，测量Io脉动时输出电压Vo的瞬态响应来加以判断。 6 斜坡补偿 在实用电路中，增加斜坡补偿网络，一般有二种方法，一是从斜坡端脚4接补偿网络Rx、Cx至误差放大器反相输入端脚2，使误差放大器输出为斜坡状，再与 Rs上感应的电压比较。二是从斜坡端脚4接补偿网络Rx、Cx到电流感应端脚3，将在Rs的感应电压上增加斜坡的斜率，再与平滑的误差电压进行比较，作用 是防止谐波振荡现象，避免UC3842工作不稳定，同时改善电流型控制开关电压的噪声特性。本设计采用方法二。 7 保护电路 当UC3842的脚3电压升高超过1V或脚1电压降到1V以下，都可使PWM比较器输出高电平，造成PWM锁存器复位。根据UC3842关闭特性，可以很 容易在电路中设置过压保护和过流保护。本电路中Rs上感应出的峰值电流形成逐个脉冲限流电路，当脚3达到1V时就会出现限流现象，所以，整个电路中的电感 磁性元件和功率开关管不必设计较大的余量，就能保证稳压电路工作可靠，降低成本。 4.2 单片机控制硬件电路部分参数选择 单片机控制部分硬件，主要是电压电流的采样，及单片机的接口。 4.2.1电压采样 考虑到设计的时间及设计要求，输出电压取样电路采用简单的电阻分压取样，具体电路实现如下： 4.2.2电流采样 电流取样采用分流器，由于采用的分流器电阻很小3.75毫欧，因此必须采用精密的差分放大器进行放大，采用的电路如下：
4.2.3 2.5V基准源采样 考虑到辅助电源电压波动对AD0809的影响，选取2.5V的基准源，对采样的数据进行修正。2.5V基准电压的实现采用TL431来实现，其中电阻R=4.7k电路如下：
4.2.4反馈部分参数确定 Vo电压为输出电阻取样后电压，Vc为DA0809输出的控制电压，电路图如下：
V2=VO*（R2//R3）/(R1+R2//R3)+Vc*（R1//R2）/(R3+R1//R2)=2.5 可以选取R3=50K左右，可以实现设计要求。 4.3 单片机部分软件的具体编程与实现 单片机部分是本次设计设计的核心，是实现数字控制的关键部分，单片机各个部分功能的实现的具体编程如下： 4.3.1键盘显示部分 本设计采用4*4键盘和四位LED显示，达到较好的人际交互，并能尽量节省成本，达到了较好的目的。 具体程序如下： 键盘扫描子程序： - //---------------------------------------------------------------------------------------
- // 函数名称： kbscan 键盘扫描子程序
- // 函数功能： 判断是否有键按下，有返回键值，没有返回0
- // p2的高四位为列，低四位为行
- P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0
- //
- 列4 列3 列2 列1 行4 行3 行2 行1
- // 过程：先根据列判断是否有键按下，没有返回0，有，则逐行扫描以确定按键所在的行，再确定按键所在列
- // 从而最终确定该按键。
- //---------------------------------------------------------------------------------------
- uchar kbscan(void)
- {
- uchar sccode,recode;
- P2=0xf0; //置所有行为低电平，行扫描，列线输入(此时)
- if((P2&0xf0)!=0xf0) //判断是否有有键按下（读取列的真实状态，若第
- //4列有键按下则P1的值会变成0111 0000），有往下执行
- {
- keydelay(200); //延时去抖动（10ms）
- if((P2&0xf0)!=0xf0) //再次判断列中是否是干扰信号，
- //不是则向下执行
- {
- sccode=0xFE; //逐行扫描初值（即先扫描第1行）
- while((sccode&0x10)!=0) //行扫描完成时（即4行已经全部扫
- //描完成）
- //sccode为1110 1111 停止while程序
- {
- P2=sccode; //输出行扫描码
- if ((P2&0xf0)!=0xf0) //本行有键按下（即P2（真实的状
- //态）的高四位不全为1）
- {
- recode=(P2&0xf0)|0x0f; //列
- return(sccode&recode); //返回行和列
- }
- else //所扫描的行没有键按下，则扫描下一行，
- //直到4行都扫描，
- //此时sccode值为1110 1111 退出while程序
- {
- sccode=(sccode<<1)|0x01;//行扫描码左移一位
- }
- }
- }
- }
- else
- {
- return 0; //无键按下，返回0
- }
- }
-
- 显示子程序：
- void display(void)//显示程序，因p0口复用，故先送字位后送字形
- {uchar i,j;
- j=0x01;
- for(i=0;i<=3;i++)//四个数码管显示用循环
- {
- P0=0x00; //P0口送数据显示前清一下p0口
- P0=leddisp[i]; //送字形码
- leddata=1;
- leddata=0;
- P0=j; //送字位码
- ledselect=1;
- j=(j<<1);
- ledselect=0;
- delay(3);
- P0=0x00; //字位口送0x00，去除花屏
- ledselect=1;
- ledselect=0;
- }
- }
4.3.2串行通信部分 串行通信部分初步实现了上位机与单片机之间的通信，其中单片机与上位机串行通信部分的程序如下： 单片机串行通信设置如下： TMOD =0x20;//定时器1工作于方式二自动装入8位定时器 PCON =0X80;//串行口波特率加倍 TH1=0xf3;//6MHZ波特率2.4K TL1=0xf3;// TR1=1;//启动定时器1 SCON=0x50;//串行口方式110位异步收入，允许串行口接收 EA = 0;//开机时不接受上位机控制 ES = 1;//串行口开中断 串行口发送子程序： void send(void) { if(EA==1) { SBUF=0x0f;//传送电压量前握手信号0x0f，0xf0 while(TI==0) ; TI=0;//清除发送结束中断标志位 SBUF=0xf0; while(TI==0) ; TI=0; SBUF=tserial1; while(TI==0) ; TI=0; SBUF=0xf0;//传送电流量前握手信号0xf0，0x0f while(TI==0) ; TI=0; SBUF=0x0f; while(TI==0) ; TI=0; SBUF=tserial2; while(TI==0) ; TI=0; } } 串口接收中断服务子程序： void receive(void) interrupt 4 using 1 { if(RI) { rserial=SBUF; RI=0; } } 4.3.3单片机采样数据的处理 对采样数据进行均值滤波，达到较准确的显示，同时可以消除直接显示带来的屏闪，显示效果也较佳。 程序如下： void caculate(void) { uchar i; uint tvolt=0,tcurr=0,tstdv=0,tv=0,tc=0; for(i=0;i<=7;i++)//均值滤波程序 {tvolt=tvolt+advo; tcurr=tcurr+adcu; tstdv=tstdv+std;} stdv=tstdv/8; tv=tvolt/8*stdv/128; tserial1=tv;//发送到上位机电压数据 volt[2]=tv/51; //显示位数据计算 volt[1]=tv*10/51%10+16; volt[0]=tv*100/51%10; tc=tcurr/8*stdv/128;//加入修正系数。。。。。。。。。。。。。。。 tserial2=tcurr/8*stdv/128;//发送到上位机电压数据 curr[2]=tc/51; curr[1]=tc*10/51%10+16; curr[0]=tc*100/51%10; } 4.4 系统集成 4.4.1硬件部分连接图 开关电源主电路连接图如下： 单片机控制部分电路图如下：
4.4.2软件部分集成 软件部分的集成主要是考虑主函数的编写，主函数内实现系统的初始化及各个子函数的调用和逻辑组合，以达到设计目的： void main(void) {uchar n; for(n=0;n<=3;n++) //数据区初始化 { leddisp[n]=0; keypress[n]=0; } for(n=0;n<=7;n++) { advo[n]=0; adcu[n]=0; std[n]=128; } stdv=0; advolt=0x00; adcurr=0x00; davolt=0x00; tserial1=0x00; tserial2=0x00; rserial=0x00; key=0; flag=2;//开机首先显示输出电压值 TMOD =0x20;//定时器1工作于方式二自动装入8位定时器 PCON =0X80;//串行口波特率加倍 TH1=0xf3;//6MHZ波特率2.4K TL1=0xf3;// TR1=1;//启动定时器1 SCON=0x50;//串行口方式110位异步收入，允许串行口接收 EA = 0;//开机时不接受上位机控制 ES = 1;//串行口开中断 while(1) { dac0832();//DA数据送出 key=kbscan();//键盘扫描 keyprocess();//键盘处理程序 dispsel();//显示电压电流选择 display();//LED显示 control();//DA输出控制电压计算 adc0809();//AD输入电压电流采样 caculate(); send();//串行口数据发送 } } 5 测试 5.1 各功能部分测试 测试时根据各个部分功能的划分，对各个功能部分进行单独测试，可以达到事半功倍的效果。具体的测试分为以下各个部分： 一 开关电源主电路的测试 测试中遇到的错误主要有以下几个方面： 电路虚焊导致的错误，解决方法是对电路测试，检查电路焊接情况，进行仔细查找，然后更正错误； 电阻选择不当导致的错误，解决方法是采用可变电阻进行调试，然后根据调节好的可变电阻值进行安装； 二 单片机控制接口电路的测试 1 单片机最小系统的测试 主要检查单片机复位电路，晶振工作情况，可以采用P1口亮灯试验来检查单片机最小系统的工作情况。 2 ADC0809的调试 在确保单片机正常工作的情况下，主要检查ADC0809的接线是否正确，时钟信号选择是否合适，然后测试AD在单通道的情况下的工作情况。 3 DAC0809的调试 在确保接线正确的情况下，采用直通的工作方式时，主要是考虑输出的运算放大器的工作情况。 4 键盘和数码管的调试 键盘的调试，主要是调节去抖动延时的长短，使去抖动效果达到最佳，并且符合一般人的按键的接触时间。 显示部分数码管的调试，主要是通过合理安排程序使数码管显示亮度适宜。在调试中曾出现花屏的情况，原因在于送字位口数据时，字形口数据仍然是上次的数据，解决方法是在送字位口数据之前，先将字形口数据全部清零。 5.2 系统测试 在各个功能部分正常工作的条件下，整个系统的调试主要是系统总体的控制逻辑，消除各个功能部分之间可能存在的相互影响，在系统组装完成后，进行细致调试，修改这个系统中隐藏的问题。 5.3 测试结论 通过测试和不断的调试，最终使系统达到了设计的目的和要求，较好的实现了最初的设想，但是系统在单片机通信部分仍有提高的余地，可以进一步完善。 结束语 紧张而充实的毕业设计即将结束了。回顾这十个周的工作，感慨颇多。毕业设计是对我们每名学生智力、毅力的一次艰巨考验，是对我们每名学生知识体系的一次丰富升华，是对我们每名学生整个大学的学习成果的一次检验。 在毕业设计过程中，既有成功的喜悦，也有失败的苦恼；既学习了大量新知识，又对很多旧知识进行了提炼升华；既有个人努力，又有团队协作；既得到了同学们的帮助，又得到了老师的指导。这种经历弥足珍贵。 在本次毕业设计过程中，我主要完成了单片机数字控制开关电源部分的设计与实现，加深了开关电源的深层次理解，熟练了单片机的C语言编程。设计过程中，我阅读了大量开关电源和单片方面的数据，查找了大量相关资料，无论在认识层次还是在编程技巧上又有了很大提高。 因时间关系，本次毕业设计还有很多不足之处。主要是单片机与PC通信部份上位机的程序没有能够编写完善，开关电源与单片机信息处理电路之间由于时间仓促也没有加入保护。希望以后能够加以完善。 | 
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