基于单片机的开关电源设计

湖南第一师范学院湖南第一师范学院 毕业论文 设计 题目题目基于单片机的开关电源设计 学生姓名学生姓名 学号学号 指导教师指导教师 系部名称系部名称信息科学与工程系 专业班级专业班级 完成时间完成时间 湖南第一师范学院教务处制湖南第一师范学院教务处制 本科毕业论文 设计 基于单片机的开关电源设计 学生姓名 系部名称 信息科学雨工程系 专业名称 电子科学与技术 指导教师 毕业论文 设计 作者声明 1 本人提交的毕业论文 设计 是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成 果 除文中特别加以标注的地方外 本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写 过的成果 对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中明确标明 2 本人完全了解湖南第一师范学院有关保留 使用学位论文的规定 同意学 院保留并向国家有关部门或机构送交本文的复印件和电子版 允许本文被查阅 借 阅或编入有关数据库进行检索 同意湖南第一师范学院可以采用影印 打印或扫描 等复制手段保存和汇编本文 可以用不同方式在不同媒体上发表 传播本文的全部 或部分内容 3 湖南第一师范学院在组织专家对毕业论文 设计 进行复审时 如发现本文抄 袭 一切后果均由本人承担 与学院和毕业论文指导教师无关 作者签名 XXXXXXX 日期 二 一XX年XX月XX日 本页只需手写签名 填写日期 其它地方不要修改 I 摘 要 本设计由 STC89S52 单片机系统 PWM 脉宽调制信号控制芯片 TL494 开关电源 Buck 串联降压电路 A D 模块 D A 模块 键盘输入和 LCD 显示输出模块 制作了 一个输出电压为 5V 15V 可调 DC DC 模块构成的供电系统 电源模块由 TL494 控制 Buck 电流构成 通过电压反馈控制将输出电压稳压到所需要的电压 STC89C52 单 片机控制器采样输出电压 通过给电源模块一个调节信号 改变各电源模块的内部 输出电压 从而实现输出稳定可调的电压 关键词 STC89C52 单片机 TL494 PWM 脉宽调制信号 Buck 电路 II Abstract The design microcontroller system by STC89S52 PWM pulse width modulation signal control chip TL494 switching power supply Buck series buck circuit modules of the A D D A module keyboard input and LCD displays the output modules to produce an output voltage of 5V 15V adjustable power supply system of the DC DC module The power module is controlled by the TL494 Buck current is constituted by the voltage feedback control of the output voltage regulator to the desired voltage STC89C52 microcontroller controller the sampling output voltage by a regulating signal to the power supply module the internal output voltage of to change each power module in order to achieve stable output adjustable voltage Keywords STC89C52CM TL494 PWM Any diversion Buck circuit 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 III 目目 录录 摘 要 I AbstractAbstract II 第一章 绪 论 1 1 1 引言 1 1 2 开关电源简介 1 第二章 开关电源 DC DC 电路设计思路 2 2 1 开关电源的工作原理 2 2 2 开关电源的常见拓扑结构简介 3 2 3 开关电源 DC DC 拓扑设计思路 4 2 3 1 DC DC 基本拓扑设计方案 4 2 4 DC DC 电路实现 5 2 4 1 DC DC 回路参数设计 7 2 5 系统供电模块设计 8 2 5 1 整流滤波电路设计 8 2 5 2 工作辅助电源参数设计 9 第三章 控制系统的设计思路 10 3 2 单片机模块的设计 11 3 2 1 STC89C52 性能简介 11 3 2 2 最小系统设计 11 3 3 A D 模块设计 12 3 3 1 芯片介绍 12 3 3 2 TLC549 工作时序 13 3 3 3 A D 电路设计 14 3 4 D A 模块设计 15 3 4 1 D A 芯片功能介绍 15 3 4 2 D A 芯片 I2C 总线数据通信基本协议 15 3 5 接口电路的设计 17 3 5 1 显示接口电路设计 17 3 5 2 显示接口电路设计 17 第四章 程序设计 19 4 1 主程序流程图的设计 19 4 2 键盘扫描程序设计 20 4 3 A D 程序设计 21 4 4 D A 程序设计 22 第五章 系统调试 23 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 IV 5 1 调试仪器 23 5 2 调试方法 23 5 3 调试结果与分析 23 参考文献 24 附录一 系统整体原理图 25 附录二 系统实物图 26 附录三 程序代码 26 致 谢 35 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 1 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 引言 随着电子技术的发展 数字电路应用领域的扩展 现今社会 产品智能化 数 字化已成为人们追求的一种趋势 设备的性能 价格 发展空间等备受人们的关注 尤其对电子设备的精密度和稳定度最为关心 性能好的电子设备 首先离不开稳定 的电源 电源稳定度越高 设备和外围条件越优越 那么设备的寿命更长 基于此 人们对高精度 高稳定性的开关电源的需求越来越迫切 众所周知 许多科学实验都离不开电源 并且在这些实验经常会对通电时间 电压高低 电流大小以及动态指标有着特殊的要求 然而目前实验所用的直流电源 大多输出精度和稳定性不高 在测量上 传统的电源一般采用指针式或数码管显示 电压或电流 搭配电位器来调整所要的电压及电流输出值 使用上若压要调整精确 的电或者电流输出 须搭配精确的显示仪表测量 又因电位器的阻值特性非线性 在调整时 需要花费一定的时间 况且还要当心漂移 使用起来非常不方便 因此 开关电源不仅具备良好的输出质量而且还具有多功能以及一定的智能化 以精确的 微机控制取代精确度小的人为操作 在实验开始之前就对一些参数进行预设 这将 会给各个领域中的实验研究带来不同程度的便捷与高效 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之间比率 维持 稳定输出电压的一种电源 具有高效率 体积小的特点 从上世纪 90 年代以来开 关电源相继进入各种电子 电器设备领域 计算机 程控交换机 通讯 电子检测 设备电源 控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源 开关电源向着高频化 模 块化和智能化方向发展 目前 在小功率开关电源的设计中 普遍采用专用集成芯片控制脉宽调制技术 使用专用 PWM 控制芯片具有电路简单 安装与调试简便 性能优良 价格低廉等优点 1 2 开关电源简介 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 Pulse Width Modulation 脉冲宽度调制 控制 IC 和 MOSFET 构成 开关电源和线性电源相比 两 者的成本都随着输出功率的增加而增长 但两者增长速率各异 线性电源成本在某 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 2 输出功率点上 反而高于开关电源 这点称为成本反转点 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 第二章第二章 开关电源开关电源 DC DCDC DC 电路设计思路电路设计思路 2 1 开关电源的工作原理 Ui 是开关电源的工作电压 即 直流输入电压 K 是控制开关 R 是负载 当控制开关 K 接通的时候 开关电源就向负载 R 输出一个脉冲宽度为 Ton 幅度为 Ui 的脉冲电压 U 当控制开关 K 关断的时候 又相当于开关电源向负载 R 输出一 个脉冲宽度为 Toff 幅度为 0 的脉冲电压 这样 控制开关 K 不停地 接通 和 关断 在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压 U Ui Ton D 其中 D Ton T 所以可以推导出 U Ui D 如图 2 1 1 开关电源工作原理图 图 2 1 12 1 1 开关电源工作原理图 串联式开关电源输出电压滤波电路 大多数开关电源输出都是直流电压 因此 一般开关电源的输出电路都带有整 流滤波电路 图 2 1 2 是带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图 图 2 1 22 1 2 带有整流滤波功能的串联式开关电源工作原理图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 3 图 2 1 2 中由一个整流二极管和一个 LC 滤波电路组成 其中 L 是储能滤波电感 它的作用 是在控制开关 K 接通期间 Ton 限制大电流通过 防止输入电压 Ui 直接加到负载 R 上 对负载 R 进行电压冲击 同时对流过电感的电流 iL 转化成磁能进行能量存储 然后在控制开关 K 关断 期间 Toff 把 磁能转化成电流 iL 继续向负载 R 提供能量输出 C 是储能滤波电容 它的作用是 在控制开关 K 接通期间 Ton 把流过储能电感 L 的部分电流转化成电荷进行存储 然后在控制 开关 K 关断期间 Toff 把电荷转化成电流继续向负载 R 提供能量输出 D 是整流二极管 主要 功能是续流作用 故称它为续流二极管 其作用是在控制 开关关断期间 Toff 给储能滤波电感 L 释放能量提供电流通路 在控制开关关断期间 Toff 储能电感 L 将产生反电动势 流过储能 电感 L 的电流 iL 由反电动势 eL 的正极流出 通过负载 R 再经过续流二极管 D 的正极 然后 从续流二极管 D 的负极流出 最后回到反电动势 eL 的负极 2 2 开关电源的常见拓扑结构简介 DC DC 变换有隔离和非隔离两种 输入输出隔离的方式虽然安全 但是由于隔 离变压器的漏磁和损耗等会造成效率的降低 而本题没有要求输入输出隔离 具体 有以下几种 拓扑一 降压斩波电路 Buck Chopper 开关管 T1 受占空比为 D 的 PWM 波的 控制 交替导通或截止 再经 L 和 C 滤波器在负载 R 上得到稳定直流输出电压 U 该电路属于降压型电路 能够达到题目要求的 5 15V 的输出电压 如图 2 2 1 所示 图 2 2 12 2 1 降压斩波电路 拓扑二 升压斩波电路 Boost Chopper 并联开关电路原理与串联开关电路 类似 但此电路为升压型电路 开关导通时电感储能 截止时电感能量输出 只要 电感绕制合理 不能达到题目要求的 5 15V 且输出电压 U 呈现连续平滑的特性 如图 2 2 2 所示 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 4 图 2 2 22 2 2 升降压电路 拓扑三 升降压斩波电路 Boost Buck Chopper 实际卜此电路是在串联开关 电路后接入一个并联开关电路 用电感的储能特性来实现升降压 电路控制复杂 如图 2 2 3 所示 图 2 2 32 2 3 升降压电路 2 3 开关电源 DC DC 拓扑设计思路 2 3 1 DC DC 基本拓扑设计方案 本系统采用数字信号转模拟信号并同输出采样的反馈信号做加法运算后输入到 PWM 控制芯片的比较端 然后由芯片自身根据反馈量来自动调节 PWM 信号的占空比 从而达到所需的稳定电压值的目的 本系统主要由辅助工作电源 电源模块 单片机控制器等几部分组成 硬件系 统框图如图 2 3 1 所示 其中 输出微机可调电源模块拓扑结构为 Buck 电路 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 5 输入 滤波 DC DC 变换 输出 滤波 电 阻 控制 IC 控制脉冲 电压反馈 二极管 微机调节信号 给定 电压采样 24 V 图 2 3 12 3 1 硬件系统框图 2 4 DC DC 电路实现 本设计采用以 TL494 芯片为核心的 PWM 控制器 TL494 是一种性能优良的脉宽 阔制控制电路 可作为推挽式 全桥式半桥式开关电源控制器 工作额定频率为 lOkHz 300kHz 输出电压可达 40V 其内旗一个线性锯齿波振荡器 振荡频率可通 过一个外部电阻和一个电容进行调节 工作温度范围 TL494 为 40 85 1 2 脚和 1 5 16 脚分别为两个电压比较器输入端 由于本次设计的电源只对一路电压 输出 所以只需要一绸比较器 所以把 15 16 脚分别接 V 地进行屏蔽 然后 1 脚接反馈 FB 2 脚接标准电压 Vrct 通过比较 1 2 脚的电位 来控制占空比 在本控制器中只剧到了 TL494 的误差放大器 I 战将误著放大器的 IN 16 脚 接地 IN 15 脚 接高电平 为保护 TL494 的输出三极管 经 R26 和 R25 分压 在 4 脚加接近 0 3V 的间歇期调整电压 R13 C14 和 C6 组成了闭环校正网络 然后通 过分析得出该电源的 T 作频率为 30kHz 又因为 5 6 脚为振荡器的 RT CT 输入端 决定工作频率 如图 2 3 1 TL494 内部结构图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 6 图 2 3 12 3 1 TL494TL494 内部结构电路图 根据以上所述资料 本设计开关型稳压电路的拓扑结构采用以下方式如图 2 3 1 所示 其中输入电压的 Ui 为直流供电电压 晶体管 T 为开关管 开关管的基 极信号 u 为矩形波 也是 PWM 的输 m 电感 L 和电容 C 组成滤波电路 D 为续流 二极管 本设计中的电源工作原理如下 T 管的 T 作状态受 U 的控制 当 U 为高 电平时 饱和导通 Ui 通过 T 给电感 L 充电储能 充电电流几乎线性增大 D 受到 反压截止 滤波电容 C 对负载电阻放电 当 U 为低平时 T 截止 L 产生感生电动 势 其方向阻止电流的变化 因而电流与 Ui 同方向 两个电压卡曰加后通过二极 管 D 对 C 充电 所以 无论 T 和 D 的状态如何 负载电流方向始终不变 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 7 150 R 1 150 R 7 10K R 11 1M R 4 47K R 3 5 1K R 5 0 1 R 8 5 1K R 6 150 R 2 100pF C 2 0 1UF C 5 VREF 14 DTC4 IN1 2 RT 6 CT 5 GND7 E1 9 IN1 1 CMPEN 3 VCC 12 C1 8 IN2 15 CNTLO 13 C2 11 IN2 16 E2 10 U1 TL494CJ D1 Diode TIP32C 5 1K R 9 2mH L 1 2 P1 Vin 10 40v 1 2 P2 10K R 10 3k R s1 R es2 1K R pot R Pot 1K R s2 R es2 GND D D1 Diode 1N914 8 1 4 3 2 U 082A TL082AC JG 10k R 082 1 10k R 082 2 10k R 082 4 10k R 082 5 VFIN VC C 15V GND VF 51C ON IN 1 2 P3 VC C 15 GND 5k R D2 R es1 D D2 Diode 1N914 10K R M 1 R es2 100K R M POT R Pot 10K R M 13 R es2 10K R M 12 R es2 10K R M 14 R es2 GND VC C 15V VC C 15V VC C 15V VC C 15V I1 8 1 4 3 2 UA LM 358N 84 7 5 6UBLM 358N 20K R D1 3K R 12 D4 Diode 10uF C 10 C ap Pol2 470uF C 3 C ap Pol2 470uF C 4 C ap Pol2 470uF C 1 C ap Pol2 图 2 42 4 DC DCDC DC 回路原理图 2 4 1 DC DC 回路参数设计 TL494 DC DC 参数设计 如图 2 4 所示 该电路是以 TL494 为核心的单端 PWM 降压型开关稳压电路 图 中 C2 与 R11 决定了振荡器振荡频率 也就决定了最终输入的 PWM 信号的频率 电 阻 R8 阻值为 0 1 欧 作限流保护作用 其内部误差放大器的同相输入端 脚 1 通 过 5 1K 的电阻 R9 接输出反馈信号 而反相器输入端 2 脚 经 R6 与 14 脚的基准 电压相连 输出电压变化时 1 脚得到的反馈信号也相应变化 同 2 脚上的基准电 压比较后经误差放大器输出 也即加在芯片内的 PWM 比较器同相输入 端的电压信号相应发生变化 使得芯片输出的 PWM 占空比相应变化 从而使输出电 压稳定 由 R11 10K C2 100pF 使得振荡频率 f 1 1 R11C2 1100KHz 电感最小值 滤波电容及电流峰峰值的计算公式如下 Lmin Ui Uo 2 Io Ton C Uo ToFF 8 L f Uo Iop ILP Ui Uo 2 L Ton Io 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 8 通过理论计算后 结合实际情况选择了 2mH 的电感和 470uF 的电容 整流滤波之后的波形图 如图 2 4 1 所示 图 2 4 12 4 1 整流滤波之后的波形图 2 5 系统供电模块设计 220V 市电经工频变压器降至 18V AC 经整流和滤波作为电源模块调试时的输入 24V DC 24V DC 经 7815 稳压后给电源模块的运算比较电路提供工作电源 15V DC 经 7805 稳压后给 STC89C52 单片机系统提供工作电源 如图 a 工作电源 D1 B ridge12200uF 30V C 1 2200uF 30V C 2 0 33uF C 3 0 33uF C 4 VinVout GND 7815 VinVout GND 7915 0 1uF C 5 0 1uF C 6 1 2 3 1 2 3 GND 15V 15V 1 2 3 P1 Header 3H 1 2 3 P3 Header 3H 4700uF 16V C 7 0 33uF C 8 VinVout GND 7805 1uF C 9 1 2 3 T1 1 2 P2 Header 2H 220 18V 15V GND 图 a a 工作电源 2 5 1 整流滤波电路设计 本设计采用桥式整流电路把交流电转化成直流电 如图 2 5 1 所示 桥式整流 与半波流的相比 输出电压的脉动小很多 由于还需要进行 DC DC 的精确变换 对 直流的要求不是很高 所以在整流后只加上个电容进行滤波 以减小整流后直流电 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 9 中的脉动成分 如图 3 1 1 桥式整理滤波电路所示 图 2 5 12 5 1 桥式整理滤波电路 2 5 2 工作辅助电源参数设计 由 AC AC AC DC DC DC 等几部分组成 电路图如图 4 5 1 所示 220V 市电经 工频变压器降至 18V AC 经整流和滤波作为电源模块调试时的输入 24V DC 24V DC 经 7815 稳压后给电源模块的运算比较电路提供工作电源 15V DC 经 7805 稳压 后给 STC89C52 单片机系统提供工作电源 D1 B ridge12200uF 30V C 1 2200uF 30V C 2 0 33uF C 3 0 33uF C 4 VinVout GND 7815 VinVout GND 7915 0 1uF C 5 0 1uF C 6 1 2 3 1 2 3 GND 15V 15V 1 2 3 P1 Header 3H 1 2 3 P3 Header 3H 4700uF 16V C 7 0 33uF C 8 VinVout GND 7805 1uF C 9 1 2 3 T1 1 2 P2 Header 2H 220 18V 15V GND 图 2 5 22 5 2 辅助工作电源电路 15V 电源 0 7A 对于滤波电容的选择 要考虑三点 整流管压降 7815 最小允许压降 Ud 电网波动 10 由此计算得到允许纹波的峰 峰值 电路如图 2 5 2 所示 V9 4157 0 101 218 0 0 du U 按近似电流放电计算 并没 通角 则 0 0 C 1430uF 故选取滤波电容 C 2200uF 30V u tI 9 4 100 17 0 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 10 5V 电源 1A 5V 电源电路如图 5 所示 计算允许的最大纹波峰 峰值 VREFV uF u tI C V u 1 05 25 2 3500 76 2 100 11 76 2 53 24 1 101 29 0 0 故选取滤波电容 C 4700uF 16V 第三章 控制系统的设计思路 3 1 控制系统的基本设计方案 此设计用到单片机 它是把微处理器 存储器 RAM 和 ROM 输入 输出接口以 及定时器 计数器等集成在一起的集成电路芯片 它与集成电路相结合 组成一个 输出电压可以认为设定 通过按键的键值来设定 DA 的数值量 然后又单片机把按 键设定的键值送入 DA 芯片 由 DA 芯片来输出模拟信号改变反馈量 在电源的输出 端采样电压 输入端用 AD 模数转对输出电压进行采样 进而对 DA 反馈进行电压自 动调节 该模块是控制和输出与单片机一同构成的模块 利用单片机 STC89C52 和 一些电路对输出电压进行探测 对电源输出电压进行一系列控制 如图 3 1 1 系统 整体框图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 11 负载 DC DC 微控制单元 键盘输入 输入显示 AD 转换 PWM DA 220V 18V 隔离变压器 整流滤波 系统供电 图 3 1 13 1 1 系统整体框图 3 2 单片机模块的设计 3 2 13 2 1 STC89C52STC89C52 性能简介 STC89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 有 4KB 的可反复擦写的只读程序存储器和 128 字节的随机存储器 STC89C52 功能性能 与 MCS 51 成品指令系统完全兼容 2 4KB 可编程闪速存储 器 寿命 10 万次写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0 24MHz 三 级程序存储器锁定 2 128 8B 内部 RAM 32 个可编程 I O 口线 3 个 16 位定时 计 数器 5 个中断源 可编程串行 UART 通道 片内震荡器和掉电模式 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 12 3 2 2 最小系统设计 单片机在启动运行时都需要复位 使 CPU 和系统中的其他部件都处于一个确定 的初始状态 并从这个状态开始工作 MCS 51 单片机有一个复位引脚 RST 采用施 密特触发输入 当震荡器起振后 只要该引脚上出现 2 个机器周期以上的高电平即 可确保时器件复位 复位完成后 如果 RST 端继续保持高电平 MCS 51 就一直处于 复位状态 只要 RST 恢复低电平后 单片机才能进入其他工作状态 单片机的复位 方式有上电自动复位和手动复位两种 图 3 2 1 是 MCS 51 系列单片机统常用的上 电复位和手动复位组合电路 只要 Vcc 上升时间不超过 1ms 它们都能很好的工作 图 3 2 13 2 1 复位电路 时钟电路设计 单片机中 CPU 每执行一条指令 都必须在统一的时钟脉冲的控制下严格按时间 节拍进行 而这个时钟脉冲是单片机控制中的时序电路发出的 CPU 执行一条指令 的各个微操作所对应时间顺序称为单片机的时序 本设计系统采用内部时钟方式 利用单片机内部的高增益反相放大器 外部电路简 只需要一个晶振和 2 个电容即 可 如图 3 4 2 所示 图 3 2 23 2 2 时钟电路 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 13 3 3 A D 模块设计 3 3 1 芯片介绍 TLC549 是 TI 公司生产的一种低价位 高性能的 8 位 A D 转换器 它以 8 位开 关电容逐次逼近的方法实现 A D 转换 其转换速度小于 17us 最大转换速率为 40000HZ 4MHZ 典型内部系统时钟 电源为 3V 至 6V 它能方便地采用三线串行接 口方式与各种微处理器连接 构成各种廉价的测控应用系统 TLC549 引脚图 4 5 1 及各引脚功能 REF 正基准电压输入 2 5VREF VCC 0 1V REF 负基准电压输入端 0 1VREF 2 5V 且要求 REF REF 1V VCC 系统电源 3VVCC6V GND 接地端 CS 芯片选择输入端 要求输入高电平 VIN2V 输入低电平 VIN0 8V DATA OUT 转换结果数据串行输出端 与 TTL 电平兼容 输出时高位在前 低 位在后 ANALOGIN 模拟信号输入端 0ANALOGINVCC 当 ANALOGINREF 电 压时 转换结果为全 1 0FFH ANALOGINREF 电压时 转换结果为全 0 00H I O CLOCK 外接输入 输出时钟输入端 同于同步芯片的输入输出操作 无需 与芯片内部系统时钟同步 AD1 I O CLK VCC GND REF ANLG REF 8 7 6 54 3 2 1 DIP S0P TLC549 TOP VIEW 图图 3 3 13 3 1 TLC549TLC549 引脚引脚 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 14 3 3 2 TLC549 工作时序 当 CS 变为低电平后 TLC549 芯片被选中 同时前次转换结果的最高有效位 MSB A7 自 DATA OUT 端输出 接着要求自 I O CLOCK 端输入 8 个外部时钟信号 前 7 个 I O CLOCK 信号的作用 是配合 TLC549 输出前次转换结果的 A6 A0 位 并为本次转换做准备 在第 4 个 I O CLOCK 信号由高至低的跳变之后 片内采样 保持电路对输入模拟量采样开始 第 8 个 I O CLOCK 信号的下降沿使片内采样 保 持电路进入保持状态并启动 A D 开始转换 转换时间为 36 个系统时钟周期 最大 为 17us 直到 A D 转换完成前的这段时间内 TLC549 的控制逻辑要求 或者 CS 保持高电平 或者 I O CLOCK 时钟端保持 36 个系统时钟周期的低电平 由此可见 在自 TLC549 的 I O CLOCK 端输入 8 个外部时钟信号期间需要完成以下工作 读入 前次 A D 转换结果 对本次转换的输入模拟信号采样并保持 启动本次 A D 转换开 始 如图 3 3 2 TL549 工作时序图 图 3 3 23 3 2 TL549TL549 工作时序 3 3 3 A D 电路设计 图 3 3 1 所示为 TLC549 与 STC89C52 的硬件连接电路 该硬件电路中 采用 MAX813 作为看门狗电路 既可自动复位 也可手工复位 利用该电路可以用 LCD 液 晶显示 0 255 个数字量 若将 TLC549 的输入引脚连接到示波器上 还可以显示相应 的模拟电压的变化情况 A D 系统 TLC549 与 STC89C52 的硬件连接硬件设计 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 15 图 3 3 33 3 3 TLC549TLC549 与 STC89C52STC89C52 的硬件连接图 3 4 D A 模块设计 3 4 1 D A 芯片功能介绍 MAX517 引脚顶视图 MAX517 是 MAXIM 公司生产的 8 位电压输出型 DAC 数模转换 器 它带有 I2C 总线接口 允许多个设备之间进行通讯 MAX517 采用单 5V 电源工 作 该芯片的引脚图见图 3 4 1 所示 各引脚的具体说明如下 1 脚 OUT D A 转换输出端 2 脚 GND 接地 3 脚 SCL 时钟总线 4 脚 SDA 数据总线 5 6 脚 AD1 AD0 用于选择哪个 D A 通道的转换输出 由于 MAX517 只有 一个 D A 所以 使用时 这两个引脚通常接地 7 脚 VCC 电源 8 脚 REF 参考 AD1 AD0 VDD OUT1 REF0 SDA SCL GND OUT08 7 6 54 3 2 1 DIP S0P MAX51 7 TOP VIEW 图 3 4 13 4 1 max517max517 引脚顶视图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 16 3 4 2 D A 芯片 I2C 总线数据通信基本协议 总线的特点及基本通信协议总线的特点及基本通信协议总线的特点及基本通信 协议 I2C 总线是 Philips 公司开发的一种简单 双向二线制同步串行总线 它只需 要两根线 串行数据线和串行时钟线 即可使连接于总线上的器件之间实现信息传 送 同时可通过对器件进行软件寻址 而不是对硬件进行片选寻址的方式来节约通 信线数目 从而减少了硬件所占空间 因为总线已集成在片内 所以大大缩短了设 计时间 此外 在从系统中移去或增加集成电路芯片时 对总线上的其它集成芯片 没有影响 MAX517 通信协议 I2C 总线数据通信基本协议 利用 I2C 总线进行数据通信时 应遵守如下基本操 作 一 总线应处于不忙状态 当数据总线 SDA 和时钟总线 SCL 都为高电平时 为不忙状态 二 当 SCL 为高电平时 SDA 电平由高变低时 数据传送开始 所有的操作必须 在开始之后进行 三 当 SCL 为高电平时 SDA 电平由低变为高时 数据传送结束 在结束条件下 所有的操作都不能进行 四 数据的有效转换开始后 当时钟线 SCL 为高电平时 数据线 SDA 必须保持稳 定 若数据线 SDA 改变时 必须在时钟线 SCL 为低电平时方可进行 MAX517 的外 部引脚特征 MAX517 的一个地址字节格式如下表 3 1 表 3 13 1 地址字节格式 BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 01011AD1AD00 MAX517 的控制字节格式如下表 3 2 表 3 23 2 控制字格式 BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 17 R2R1R0RSTPDXXA0 MAX517 的工作时序 首先应给 MAX517 一个地址位字节 MAX517 在收到地址字节位后 会给 STC89C52 一个应答信号 然后 在给 MAX517 一个控制位字节 MAX517 收到控制位 字节位后 再给 STC89C52 发一个应答信号 之后 MAX517 便可以给 STC89C52 发送 8 位的转换数据 一个字节 STC89C52 收到数据之后 再给 MAX517 发一个应答信 号 至此 一次转换过程完成 3 4 3 D A 电路设计 图 3 4 2 所示为 MAX517 与 STC89C52 的硬件连接电路 该硬件电路中 采用 MAX813 作为看门狗电路 既可自动复位 也可手工复位 利用该电路可以用数码管来显示 0 255 个数字量 图中 采用 MAX7219 作为数码驱动电路 若将 MAX517 的输出引脚连 接到示波器上 还可以显示相应的模拟电压的变化情况 MAX517 与 STC89C52 的硬 件连接 图 3 4 23 4 2 MAX517MAX517 结构 3 5 接口电路的设计 3 5 1 显示接口电路设计 本系统的按键主要是用于对数据数字量进行控制 现对按键的功能简述如下 S1 键是功能键 切换需要选择调整的位 S2 S3 键分别对数据进行加的操作 S4 S5 是减键 其中 按键与单片机的 P3 口的高位地址相连 每个按键上 带上 上拉电阻 如图 3 5 1 所示 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 18 图 3 5 13 5 1 按键与单片机的接口间的设计 3 5 2 显示接口电路设计 晶显示器简称为 LCD 显示器 它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的 特征实现显示信息的 1602 字符型 LCD 引脚说明引脚说明如表 3 3 所示 表 3 33 3 16021602 字符型 LCDLCD 引脚 编号编号符号符号引脚说明引脚说明编号编号符号符号引脚说明引脚说明 1VSS 电源地 9D2 数据口 2VDD 电源正极 10D3 数据口 3VO 液晶显示器对比度 调整端 11D4 数据口 4RS 数据 命令选择端 H L 12D5 数据口 5R W 读 写选择端 H L 13D6 数据口 6E 使能信号 14D7 数据口 7D0 数据口 15BLA 背光源正极 8D1 数据口 16BLK 背光源负极 1602 字符型 LCD 与单片机的连接接口说明如下 1 液晶 1 2 端为电源 15 16 端为背光电源 15 脚串接一个 100 电阻用 于限流 2 液晶 3 端为液晶对比度调节端 通过一个 10K 电位器接地来调节液晶显 示对比度 首次使用时 在液晶的上电状态下 调节至液晶上面一行显示出黑色小 格为止 3 液晶 4 端为向液晶控制器写数据 写命令选择端 接单片机的 P2 3 口 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 19 4 液晶 5 端为读 写选择端只向其写入命令和显示数据 接单片机的 P2 4 5 液晶 6 端为使能信号 是操作时必须的信号 接单片机的 P2 5 口 如图 3 5 2 所示 图 3 5 23 5 2 LCDLCD 与单片机接口间的设计 第四章 程序设计 4 1 主程序流程图的设计 系统初始化后 通过上下调整键 步进 IV 调整 当预设键按下 系统进入预设 训整 通过上下调整键 lV 步进调整 完成按确定键 系统输出预设值 图 4 1 1 为系统主程序流程图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 20 Y Y 开始 系统及个功能模块初始化 调用键盘扫描函数 有键按下 预置电压值步进加 步进减 步 进 加 一 步 进 减 一 D A 数值 10 D A 数值 10 超过预置 改变当前值 D A 输出 显示预置值 A D 采样 计算电压值 显示各参数 返回 N N 图 4 1 14 1 1 系统主程序流程图 4 2 键盘扫描程序设计 本系统的按键主要是用于对数据数字量进行控制 现对按键的功能简述如下 S1 键是功能键 切换需要选择调整的位 S2 S3 键分别对数据进行加的操作 S4 S5 是减键 如图 4 2 1 键盘扫描程序流程图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 21 开始 端口初始化 有键按下 增加键减小键 D A 值加D A 值减 改变 D A 值 返回 图 4 2 14 2 1 键盘扫描程序流程图 4 3 A D 程序设计 D A 转换子程序用来控制对输出的模块电压信号的控制 并将对应的数值存入 相应的内存单元然后由 D A 转换器自动完成 其转换流程图如图 5 3 1 所示 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 22 启动转换 A D 转换结束 输出转换结果 数值转换 显示 结束 图 4 3 14 3 1 转换流程图 4 44 4 D AD A 程序设计程序设计 A D 转换子程序用来控制对输入的模块电压信号的采集测量 并将对应的数值 存入相应的内存单元 其转换流程图如图 4 4 1 所示 开始 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 23 启动转换 DA 转换结束 输出转换结果 数值转换 显示 结束 图 4 4 14 4 1 D AD A 转换流程图 开始 DA 置数 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 24 第五章第五章 系统调试系统调试 5 1 调试仪器 WD990A 微机电源 DS1052E 数字存储示波器 50MHz VC9807A 四位半数字万 用表 5 2 调试方法 电源模块调试 1 不加 DC 模块 将供电电源模块电压电位器调至是采样电压输出最大处查 看电源是输出是否正常 2 加上工作电源 用示波器观察控制芯片的输出脉冲是否正常 3 调节电源模块电压采样电位器 使模块输出 隔离二极管之后 只带假负 载 为 15V 4 让模块带上一定电流的负载 如 1A 调节采样电流放大器的放大倍数 使 其输出满足 A D 的需要 控制板调试 1 控制板与单电源模块调节好后 加上工作电源 观察是否有软启动功能 最终输出是否依然能稳定到 15V 2 适当增加负载 小于 2A 观察输出是否依然能稳压到 5V 电源板加控制板联调 1 电源模块 控制板连接无误后 加上电源 检查空载时 并机输出可否达 到 15V 2 适当增加负载 检查并机输出是否能稳压到 5V 各显示值是否与实际值一 致 3 设置拨码开关为增加模式 恒定负载 检查是否按设计时的电压输出 4 设置拨码开关为减小模式 恒定负载 检查是否安设计时的电压输出 5 3 调试结果与分析 根据实际调试结构和分析显示结果图 本系统能够达到希望目标 5V 15V 之间输出可调 步进可控 输出显示和实际值方向一致 总的说来到这里已经完成了这本设计要求 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 25 参考文献 1 赖文武 诸小天 李临东等 电磁干扰防护与电磁兼容技术 M 北京 北京原子能 出版社 2009 56 82 2 张红缨 李华 高小祥等 采用双环控制的多电平 D 类功率放大器 J 电工技术 学报 2010 8 1 42 46 3 Jiang X Akyildiz L F A novel distributed dynamic location management scheme for minimizing signaling costs in mobile IP J IEEE Trans on Mobile Computing 2002 1 3 163 175 4 Khan A Qadeer M Ansari J et al Next Generation Wireless Network A In Interna tional Conference on Future Computer and Communication C Berlin Springer Verlag 2009 334 338 5 张佐光 张晓宏 仲伟虹等 多相混杂纤维复合材料拉伸行为分析 A 见 张为民编 第九届 全国复合材料学术会议论文集 C 北京 世界图书出版公司 1996 410 416 6 Narten T Nordmark E Simpson W Soliman H Neighbor Discovery for IPv6 EB OL http www rfc editor org rfc rfc4861 txt 2007 9 1 50 7 郭军华 电磁干扰防护与电磁兼容技术研究 D 上海 华东师范大学物理系 2007 15 20 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 26 附 录 附录一 系统整体原理图 DC DCDC DC 电路原理图 控制系统原理图 附录二 系统实物图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 27 辅助供电模块实物图 负载模块实物图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 28 DC DCDC DC 模块实物图 控制系统模块实物图 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 29 附录三 程序代码 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int define NOP nop define nop nop sbit LCD RS P0 2 sbit LCD RW P0 1 sbit LCD EN P0 0 sbit ch1 P1 3 sbit ch2 P1 4 sbit ch3 P1 5 sbit tlc cs P3 0 sbit tlc DO P1 7 sbit tlc clock P1 6 uchar keyvalue sbit SDA P0 6 sbit SCL P0 7 uchar data dis1 MAX517 0 00v uchar data dis2 TLC549 0 00V sbit DS P0 3 sbit LCH CLK P0 4 sbit SFT CLK P0 5 函数名称 HC595SendData 功能描述 向 SPI 总线发送数据 void HC595SendData unsigned char SendVal unsigned char i for i 0 i 8 i if SendVal i set dataline high 0X80 最高位与 SendVal 左移的最 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 30 高位 进行逻辑运算 else DS 0 如果为真 MOSIO 1 SFT CLK 0 NOP NOP SFT CLK 1 LCH CLK 0 set dataline low NOP NOP LCH CLK 1 片选 void delay us unsigned int N uchar i for i 0 i N i void delay ms uchar ms 延时子程序 uchar i while ms for i 0 i 250 i nop nop nop nop void delay int ms int i while ms for i 0 i 255 keyvalue 0 if key 2 keyvalue 2 毕业论文 设计 基于单片机的开关电源研究与设计 32 if keyvalue 255 keyvalue 0 if key 4 keyvalue 1 if keyvalue 0 keyvalue 0 return keyvalue void Start SDA 1 SCL 1 nop SDA 0 nop void Stop SDA 0 SCL 1 nop SDA 1 nop void Ack SDA 0 nop SCL 1 nop SCL 0 void Send uchar dat uchar counter 8 uchar temp do temp dat 毕业论文 设计 基于单片