毕业设计基于单片机控制的智能电源的设计整稿

.z---..--总结资料天朝大学毕业设计说明书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专业：电气工程及其自动化学生**：你猜**：0720121220指导教师：很漂亮2011年6月-.z摘要本设计给出了数控直流稳压电源的硬件电路和软件系统。整个稳压电源由单片机〔数控中心〕系统、键盘、显示、A/D和D/A转换、辅助电源、稳压输出电路，备用电源电路等模块组成。实现了电压的可预置、可步进增减调整、输出电压信号可数字显示等功能。此外本系统还附有一组由两节可充电锂离子电池构成的备用电源，使得该智能电源在外部电网电力供给中断的情况仍可向重要负载持续供电一段时间，系统可独立完成对这组备用电源的充放电控制。同时为了防止因使用不当对电池造成的损害，还为锂离子电池组配置了专门的保护电路，使得该组备用电源具有很高的平安性。综上可知本系统具有功能多、显示直观、使用方便等特点，因而具有一定的实用价值。关键词：直流稳压电源,单片机,数控,PID,备用电源-.zAbstractThissystemincludesbothhardwareandsoftwaresystems.Thereareseveralmodulesofthiswholesystem,suchassingle-chipputer(DigitalControlCenter)system,keyboard,display,D/AandA/Dconverters,au*iliarypowersupply,voltageoutputadjustment,backuppowersupplyect.Thesefunctionsarerealizedthatthevoltagecanbepre-set,stepchangesinadjustment,figuresmshowtheoutputvoltagesignalect.ThissystemalsoincludesabackuppowersupplyconsistedoftworechargableLi-ionbatteries,whichcouldstillpowersomeimportante*ternalloadforlimitedtimewhenthesmartpowersupplyhaslostits’power,andthebackuppowersupplycouldbeworkedsafelyandindependentlyunderthecontrolofthesystem.InordertokeeptheLi-ionbatteriesfrome*posingintheseseriousdangers,aspecialprotectdevicehasbeeninstalled.Thesystemhasthefollowingfeatures,suchasmulti-functions,intuitivedshowing,easyusingect.Sothisdesignpossessesagreatnumberofpracticalvalue.Keywords：DCregulatedpowersupply,Single-chipputersystem,numericalcontrol,PID,BackupPowersupply-.z目录摘要IAbstractII目录III第一章引言11.1课题研究的背景和意义1电源技术1锂离子电池21.2本课题的研究内容51.3本文的构造5第二章系统总体设计72.1系统设计任务及要求72.2系统总体方案论证7可调电压输出电路局部7备用电源局部82.3系统总体方案8第三章系统单元电路设计103.1辅助电源电路10直流稳压电源的根本原理10本系统辅助电源设计133.22-12V可调电压电路153.2.1单片机系统153.2.2数模转换电路163.2.3稳压输出电路173.2.4模数转换电路193.2.54*4行列式键盘213.2.6显示电路223.3备用电源电路243.3.1充电电路243.3.2保护电路28第四章系统软件设计334.1PID算法334.1.1PID算法简介334.1.2PID控制器的参数整定344.2系统子程序流程图354.2.1显示子程序364.2.2键盘子程序374.2.3中断效劳程序38结论39参考文献40致谢42附录：43-.z第一章引言1.1课题研究的背景和意义电源技术电源设备是电子仪器的一个重要组成局部，在科研及实验中都是必不可少的,电源种类繁多，也没有明确的划分标准，习惯上，按照调整管的工作方式的不同可将直流稳压电源划分为线性直流稳压电源和开关型稳压电源两大类，下面我们将主要讨论线性稳压电源。

在实际的工作环境下，特别是在一些工业场所，各种用电设备纵横交织，电磁环境十分恶劣，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下，例如过电压、瞬态脉冲冲击波、强电磁辐射等，这些都会影响设备的正常运行，严重时甚至会损坏电源，以至于影响整个系统的工作,这就对电源设备的可靠性提出了严格要求。人们已经研制成了许多模拟电压源，这些电压源各有各的优点，例如本钱低、简单、负载可以接地等。在自动控制仪表中，常要求按一定输入值输出相应精度电压，但是一般的电压源往往是固定的一种电压值，或有限的数档电压值，不便于通用。常见的直流稳压电源,大都采用串联反应式稳压原理,通过调整输出端取样电阻支路中的电位器来调整输出电压。由于受电位器阻值变化的非线性和调整*围窄所限,普通直流稳压电源难以实现输出电压的准确调整。在目前所使用的直流可调电源中，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，使用麻烦。近年来，随着微电子技术的开展，新器件的研制、生产周期日益缩短，电子技术中遇到的许多难题将通过寻求新器件的方法解决。各种各样的D/A转换器已可实用，便可以方便的对电压值进展数字控制，这样就可以比较经济地构建数控直流稳压电源【28】之类的电路。单片机相关的应用技术更是有了迅猛的开展，众多功能各异、构造不同、供给状态不一的单片机可供用户选择，如支持ISP〔在线更新程序〕功能的89S51系列芯片，低电压、高性能8位CMOS芯片AT89C51，以及具有内部集成D/A、A/D转换器的单片机C8051F02等等。将低价位的单片机引入电源设计中，以单片机作为核心部件，利用键盘产生中断，利用中断效劳程序实现各模块的功能成为当前国内外数控电源设计的主流。本课题将单片机数字控制技术有机地融入直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压电源。该电路具有电压调整简便,读数直观,电压输出稳定,便于智能化管理的特点,可以有效地克制传统电源的缺乏。集成芯片的不断开展，亦大大简化了电源的设计，电源工程师们不用一步一步地去连接复杂的电路，因为各局部的电路都集成在各局部的功能模块中，只需将其封装起来，构成模块整体，这样，电源的设计、制作以及故障维修也相比照较简单了，当需要用到*些功能时，只需要将那些功能模块连接起来组成一个整体电路，再经过调试和测试便可以到达其特定功能，如果整体电路中的*个局部出现了错误，则可分别对各模块进展检查，维修起来自然比较方便。本设计中的数控电源就是模块设计中的一个比较好的应用。它的主要功能局部都运用了集成芯片，用户不需要知道各芯片的内部电路是怎样连接的，只需要知道各芯片管脚的功能和用法就可以了。数字化智能电源模块【25】是针对传统电源模块的缺乏提出的，数字化能减少使用过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、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。电源采用数字控制，具有以下明显优点：1〕可以方便地采用先进的控制方法和控制策略，使电源的智能化程度更高，性能更完美。2〕在不改动硬件电路的根底上可方便地对系统升级，维护方便。3〕系统的可靠性高，易于标准化，可以针对不同的系统〔或不同型号的产品〕，采用统一的控制板，不同的性能要求可通过对控制软件做相应的修改来实现。锂离子电池近年来，各种携带式的电子产品成为市场上的热门，如手机、数位相机、个人数字助理〔PDA〕、笔记型电脑等3C(puter,munication,ConsumerElectronics)等等产品均朝向无线化、可携带化方向开展，对于产品的各项高性能元件也往轻、薄、短、小的目标迈进，因此对于体积小、重量轻、能量密度高的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，来适应电子装备的需求。使电子产品具有携带更方便，使用时间长等特点。小型二次电池包括镍镉电池、镍氢电池及锂电池，在防止镉污染的环保需求下，镍镉电池慢慢被取代已成趋势。镍氢电池虽无环保问题，但是能量密度低，高温特性差及少许记忆效应等缺点，在3C产品应用上，已经逐渐被锂离子电池所取代。锂离子电池具有工作电压高(3.7V)、能量密度大(150Wh/kg)、重量轻、寿命长及环保性佳等优点，皆以锂离子电池做为其能量来源，因为电子产品的使用量迅速成长，各种可携带式电子产品的研发不得不更轻薄短小以使产品能更具有竞争力，“电池〞的角色显得更加重要，其品质的良莠甚至决定了产品的成功与否，特別是可充电二次电池，在市场中成长快速、利润高，目前已成为许多先进国家竞相开展的研究工程，其未来需求及开展前景是相当看好的。总的来说，锂离子电池具有以下优点【13】：〔1〕能量密度高，其体积能量密度和质量能量密度分别可达360W·h/dm3和150W·h/kg，而且还在不断提高。〔2〕工作电压高，通常单节锂离子电池的电压为3.7V，单体电池即可为3V的逻辑电路供电。对于要求较高供电电压的电子设备，电池组所需串联电池数也可大大减少。〔3〕自放电小，每月10%以下，不到镍镉电池的一半。〔4〕可快速充放电，1次充电时容量可达标称容量的80%以上。锂离子电池负极用特殊的碳电极代替金属锂电极，因此允许快速充电。在特定情况下可在短时间内充足电，而且平安性能大大提高。〔5〕寿命长，锂离子电池采用碳负极，在充放电过程中，碳负极不会生成金属锂，从而可以防止电池因内部金属锂短路而损坏。目前，锂离子电池的寿命可达1000次以上，远远高于各类电池。〔6〕允许温度*围宽，锂离子电池具有优良的上下温放电性能，可在-20~+60之间工作。高温放电性能优于其它各类电池。〔7〕无记忆效应，即是说锂离子电池没必要每次都放完电再充，可以随用随充，大大简化了对充电的要求。此外，锂离子电池还具有体积小、输出功率大、和无环境污染等优点。综合性能优于铅酸、镍镉、镍氢和金属锂电池，被称为性能最好的电池，尽管锂离子电池具有上述诸多优点，但还是存在有如下的缺点。〔1〕与干电池无互换性：锂离子电池虽然有电压高的好处，但也有很难和干电池互换的缺点，当蓄电池放完电时，一般的想法是用干电池暂时取代但由于这两者电压不同，不能直接代换。〔2〕无法急速充电：锂离子电池不能像镍镉电池那样，用15分钟急速充足电。锂离子电池的充电方法是，最初以恒定电池充电，最后则以恒定电压完成充电，较快速度充电时间约需2小时。〔3〕内部阻抗高：因为锂离子电池的电解液为有机溶液，其电导率比镍镉电池、镍氢电池的水溶液电解液小得多。所以，锂离子电池的内部阻抗比镍镉电池或镍氢电池约大10倍左右。〔4〕工作电压变化较大：电池放电到额定容量的80%时，镍镉电池的电压变化很小(约20%)，锂离子电池的电压变化很大〔约40%〕。对电池供电的设备来说，这是严重的缺点，但可以由锂离子电池放电电压变化比较大，很容易据此检测电池的剩余电量。〔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。但同其优点相比，这些缺点不应成为主要问题，特别是用于一些高科技，高附加值的产品中。因此锂离子电池具有广泛的应用价值，其经济价值相当可观。锂离子电池的新开展：1.聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池根底上开展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。目前很多企业都在开发这种新型电池。2.动力锂离子电池动力锂离子电池：严格来说，动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池，目前则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池，由于使用对象的不同，电池的容量可能达不到单位AH的级别。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电开工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。根据内部材料的不同，动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种，统称为动力锂离子电池。3.高性能锂电池为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池屡次充放电后储电能力明显下降。为此，改用一种新的合成方法。他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米构造材料。这种方法在纳米尺度材料上一举创立了储电单元和导电电路。目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已到达现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，本钱较低，而其高性能可以保持很长时间。领导这项研究的马克西米利安·菲希特纳博士说，如果研能够充分开发这种新材料的潜力，将来可以使锂离子电池的储电密度提高５倍。1.2本课题的研究内容本课题拟设计一种基于单片机的智能直流稳压电源。该电源通过不断地采集输出端的实际输出电压，转换为数字量后传送到单片机结合用户预置电压值进展相应计算，然后输出控制信号到D/A转换器，控制电压调整电路，以实现对数控直流稳压电源的输出电压的准确控制。由电压的控制过程可知，本电源系统通过内嵌在单片机程序存储器中的PID控制算法，结合扩展的ADC和DAC构成了先进的数字闭环控制回路，无疑可以大大提高稳压电源的性能。本系统设计输出可调电压*围为2V到12V，同时要求输出电压值可由键盘方便、直观的输入，电压准确到0.1V。设计电压调整方法和控制算法，使系统实现预置电压输入调整方便，输出电压电流值数字显示等预期目标。此外，为了增强电源的功用性，另为本电源系统配置了一套由两节可充电锂离子电池构成的+5V备用电源，该备用电源可用于在系统外部停电的情况下向外提供一组+5V的电压输出。而且该备用电源的充放电过程可完全由本智能电源独立完成【10】。课题需要完成的工作：自行设计数控直流稳压电源及备用电源的硬件电路，并编制其汇编程序代码。1.3本文的构造第一章，绪论：介绍课题研究的背景与意义、研究内容、正文构造。第二章，系统总体设计：简单介绍了本课题的设计任务及要求，对本系统所采用的总体方案进展简要的论证，最后给出了本系统硬件电路的总体构造框图。第三章，系统单元电路设计：讲解本设计中各单元电路的功能设计及相关器件、元件、芯片的选择。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，其次对本设计的软件设计流程做简要的介绍，并给出系统总流程图及各子程序流程图。第五章，结论：介绍了本设计实现的功能，以及还需改良的地方。-.z第二章系统总体设计2.1系统设计任务及要求设计一款智能电源，要求具有.12.15V等电压输出路。利用AT89C51单片机设计一路2-12V连续可调电压输出，可以通过键盘预设输出电压，同时具有+-0.1V电压步进增减键，输出电压可数字显示。同时要求该智能电源可为可充电电池进展充电，而且该充电电路具有防止电池过充电，及过载保护等功能。2.2系统总体方案论证可调电压输出电路局部为了得到一路连续可调电压输出，本方案以AT89C51单片机作为数字控制中心，通过键盘和显示电路，用户可以方便、直观地设置所希望的电压值，并通过扩展的ADC0809转换器将输出端实际电压值采样送回单片机，单片机求出电压设定值和实际输出值的差值〔误差信号〕，通过调用PID控制算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入DAC0832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〔执行机构〕，使得输出端的电压尽量维持在预先设定的水平，进而到达稳压目的。原理框图如下：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。这种方案的输出电压是由鼓励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进展补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。而且这种方案由于功率调整管不断地在开通和关断之间来回切换，因此可以大大降低功率调整管的能量损耗，使得系统的效率大幅提高。但是对于本课题，这种方案并不可取，因为本课题要求采用低端单片机AT89C51作为电源数控中心，而这种单片机内部没有集成PWM产生模块，使得电源系统的外围电路复杂，*些器件选择困难，而且很多外围元件的大小不容易确定，这也大大增加了软件的编制难度；本方案工作过程清新，在完成设计任务的根底上器件使用较少，又由于器件几乎清一色的集成电路，使得整体电路连接简单，可靠性高，而且DAC0832和ADC0809价格廉价，购置、使用方便。综合上述诸多因素，本可调电压输出电路的设计选择上述方案。备用电源局部系统备用电源采用了锂离子电池作为储电单元，这样做是出于对整个电源系统的总重和总体积的考虑，因为锂离子电池具有十分突出的能量密度比，这方面的巨大优势是普通镍镉、镍氢电池难以比较的。再加上锂电又具有很小的自放电和很轻微的记忆效应，可以很好的吻合备用电源闲置时间长、充放电灵活的特点，这就使得锂离子电池几乎成为了惟一的选择。本备用电源的保护电路选用两节锂电专用保护芯片MM1292【4】构成，该芯片使用简单，具有很高的性价比，只需少量外围电路便可以为脆弱的锂离子电芯提供多重保护：防过充电、防过放电、过载保护等。这种保护电路由于不需要单片机参与，具有很高的独立性；而且可以节省单片机本就十分紧*的系统资源，同时大大简化了编制程序的工作量。考虑到锂离子电池对充电电路的苛刻要求和过充电的严重后果，该备用电源的充电电路亦是采用成熟的集成芯片构建：高性能锂电专用充电芯片BQ2057。本备用电源的充电过程包含有三个不同的阶段：预充电阶段、恒流充电阶段、恒压充电阶段【8】。其中恒流和恒压两阶段是必须包含的,线路中芯片BQ2057的主要功能是对充电电流和充电电压及转灯指示进展控制,以完成整个充电过程.。充电开场时,线路提供恒定电流对电芯进展充电,当电芯电压接近8.4V时,充电转为恒压充电,充电电流逐渐减小至充电完毕电流并转灯指示充电完毕。此外，通过外接一热敏电阻，BQ2057可在备用电源整个使用周期中完成对其的温度保护。2.3系统总体方案由于本课题要求输出一组2V-12V的连续可调电压，为了实现电压可调的目标，本设计以AT89C51单片机作为数字控制中心，通过电源的键盘用户可以方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采样送入单片机，单片机通过计算求出电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〔执行机构〕，使得输出端的电压尽量维持在预先设定的水平，进而到达稳压功能。此外，又由于要求电源具有一组可在外部电力供给中断的情况下向系统重要负载持续供电一段时间的备用电源。考虑到电源总重量和体积因素，本系统选用两节可充电锂离子电池作为系统+5V备用电源,之所以没有配置更多电压级别的备用，是因为考虑到了备用电源供电的短暂性，毕竟外部电网发生停电事故的时机是有限的，这样配置过多的备用无疑会使大局部备用系统长时间处于闲置状态，使得电源总体本钱变得不经济。锂离子电池具有很多传统二次电池所不能比较的优良性能，但同时也对备用电源系统的充放电控制电路提出了更为严格的要求，因为对锂离子电池过度的充电和放电都会对电池造成永久性损害，本设计针对上述要求单独设计了此备用电池的控制电路，控制电路由充电控制电路和保护电路构成，分别来完成锂离子电池的充电和保护功能。其中充电电路和保护电路均采用性价比很高的专用锂电控制芯片构成，可以使锂电在频繁的充放电过程中免遭破坏性损害。-.z第三章系统单元电路设计本章主要介绍组成系统的各单元电路的设计，主要由三大局部构成：辅助电源电路、2-12V可调电压电路及备用电源电路。下面就各局部的功能、原理分别做出详细的讨论。3.1辅助电源电路由于本电源系统包含有单片机及各种电压等级需求的运放、比较器等器件，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、适宜的直流电，这些辅助电源还可为对工作电压精度要求不高的外部直流负载直接供电。本系统配备有+5V、+6V、+9V、+12V、+-15V等直流辅助电源。直流稳压电源的根本原理简单的直流稳压电源电路【21】一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电源电路所组成。框图如图3-1所示。RRLU0U2U3U1AC220V变压器整流电路滤波电路稳压电路Uī图3-1稳压电源根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根底电路，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。电源变压器由初级绕组、次级绕组和铁芯组成。初级绕组用来输入电源交流电压，次级绕组输出所需要的交流电压。通俗的说，电源变压器是一种电→磁→电转换器件。即初级的交流电转化成铁芯的闭合交变磁场，磁场的磁力线切割次级线圈产生交变电动势。次级接上负载时，电路闭合，次级电路有交变电流通过。2〕整流电路。经过变压器变压后的仍然是交流电，需要转换为直流电才能提供给后级电路，这个转换电路就是整流电路。在直流稳压电源中利用二极管的单项导电特性，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。全波整流电路图见图3-2。相对半波整流电路，全波整流电路多用了一个整流二极管D2，变压器B1的次级也增加了一个中心抽头。这个电路实质上是将两个半波整流电路组合到一起。在0～π期间B1次级上端为正下端为负，D1正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压上端为正下端为负，其电流流向如图3-2所示；在π～2π期间B1次级上端为负下端为正，D2正向导通，电源电压加到R1上，R1两端的电压还是上端为正下端为负，其电流流向如图2－3－9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的电压经过D1、D2整流后分别加到R1两端，R1上得到的电压总是上正下负，注意全波整流电路每个整流二极管上流过的电流只是负载电流的一半，比半波整流小一倍。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3-3全波整流电路原理图3〕滤波电路[19]。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含交流纹波很大，不能直接用作电子电路的电源，为了减少其交流成分，通常在整流电路后接有滤波电路，滤波电路可以大大降低这种交流纹波成份，让整流后的电压波形变得比较平滑。在小功率电路中常采用电容滤波电路，将滤波电容C直接并联在负载RL两端，就可组成电容滤波电路。由于电容的储能作用，使得输出直流电压波形比较平滑，脉动成分降低，输出直流电压的平均值增大。采用电容滤波电路可以得到脉动性很小的直流电压，但输出电压受负载变动的影响较大，其主要用于要求负载电流较小，负载根本不变的场合。滤波电容一般采用电解电容，使用时注意极性不能接反，电容器的耐压应大于它实际工作时所承受的最大电压。电容滤波电路是利用电容的充放电原理到达滤波的作用。在脉动直流波形的上升段，电容C1充电，由于充电时间常数很小，所以充电速度很快；在脉动直流波形的下降段，电容C1放电，由于放电时间常数很大，所以放电速度很慢。在C1还没有完全放电时再次开场进展充电。这样通过电容C1的反复充放电实现了滤波作用。4〕稳压电路。稳压电路的作用是当外界因素〔电网电压、负载、环境温度〕发生变化时，能使输出直流电压不受影响，从而维持稳定的输出。稳压电路的类型很多，通常采用集成稳压器。在小功率稳压电源中，经常使用的是三端集成稳压器。集成稳压器的类型很多，按输出电压类型不同可分为固定式和可调式，按输出电压极性不同可分为正电压输出和负电压输出两种类型。W78**、W79**和W317使用时要配加适当大小的散热片，并注意其封装形式和引脚功能。固定电压输出稳压器常见类型有：LM78××〔W78××〕系列三端固定式正电压输出集成稳压器；LM79××〔W79××〕系列三端固定式负电压输出集成稳压器〔三端是指只有输入、输出和接地3个接地端子〕。型号中最后两位数字表示输出电压的稳定值，有5V、6V、9V、15V、18V和24V。稳压器的静态电流Io=8mA，当Uo=5～18V时，UI的最大值UIma*=35V；当Uo=18～24V时，UI的最大值UIma*=40V。注意，稳压器使用时，要求输入电压UI与输出电压Uo的电压差UI-Uo≥2V。所以对于本电路系统的+6V电源便不能直接作为+5V电源的电压输入，考虑到+5V电源更加常用，因此本设计选择+6V电源单独设计的方案，而选择将+9V的电压输出作为+5V稳压模块的电压输入。本系统辅助电源设计本系统的辅助电源大体分成了两个局部，+6V局部和其它电压等级局部，除了+6V局部外，其余局部均采用三端集成稳压芯片构建。1〕由TL431构成的+6V电源局部TL431的简介：TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref〔2.5V〕到36V*围内的任何值。图3-4为该器件的相应资料。从左到右分别为该器件的符号，外形图，内部示意图。其3个引脚分别为：阴极〔CATHODE〕、阳极〔ANODE〕和参考端〔REF〕。图3-4TL431器件TL431作为一个高性价比的常用分流式电压基准，有很广泛的用途。图3-15为TL431的两种接法，图(1)是TL431的典型接法，输出一个固定电压值，计算公式是：Vout=(R1+R2)*2.5/R2，同时R3的数值应该满足1mA<(Vcc-Vout)/R3<500mA。当R1取值为0的时候，R2可以省略，这时候电路变成图(2)的形式，TL431在这里相当于一个2.5V稳压管。图3-5TL431的两种典型接法为了得到+6V的电压输出，根据公式Vout=(R1+R2)*2.5/R2，经计算可确定出本系统的R1、R2的值分别为14K和10K。图3-6+6V电源接线图2〕其它电压等级的电源局部图3-7辅助电源原理图其中输入端小电容主要作用是旁路高频干扰脉冲和改善纹波；输出端所接电容起改善瞬态响应特性和减小高频输出阻抗的作用。3.22-12V可调电压电路单片机系统单片机又称作单片微控制器,它不是完成*一个逻辑功能的芯片,而是将一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它具有体积小、质量轻、价格廉价、为学习、应用和开发提供了便利的条件。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3-8AT89C51如图3-9所示是单片机系统的中心局部。像其他单片机系统一样，单片机是完成该系统功能的核心控制局部，所以设计这个局部是根底。如图左上角由晶振和微调电容构成了内部振荡方式，由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲，其中晶振值为12MHz。向下一局部的电容和电阻构成了单片机的复位电路[17]，在按下复位按钮的瞬间，电容相当于短路，从而在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平维持适当长时间，就可以使MCS-51单片机有效复位。另外单片机芯片的20脚接地，40脚接＋5V的正电源。图3-9单片机最小系统电路数模转换电路数/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输入和参考源Vref组合来控制的。大多数常用的数/模转换器的数字输入是二进制或BCD码形成的，输出是电流或是电压，而多数是电流。因而。在多数电路中，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。DAC0832芯片是由美国国家半导体公司研发的具有两个输入数据存放器的8位电流输出型DAC，和MCS-51单片机可以直接相接。芯片内有一个8位输入存放器，一个8位D/A转换器，形成两级缓冲构造。这样可以使DAC转换输出前一个数据的同时，将下一个数据传送到8位输入存放器，以提高模/数转换的速度。DAC0832的内部逻辑构造框图和引脚图如图3-10所示：图3-10DAC0832的内部逻辑构造和引脚图OP07是高精度低失调电压的精细运放集成电路，用于微弱信号的放大，如果使用双电源，能到达最好的放大效果。下列图中的TL431电路用来产生稳定的+10V电压，用此电压为DAC0832提供电压基准，接到后者的Vref管脚。单片机输出不同的数字量OP07的输出端可得到-10V-0V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。图3-11数模转换电路原理图稳压输出电路LM317为三端可调式稳压器，能在输出电压为1.25-37V的*围内连续可调。典型用法的接线图3-12所示：外接固定电阻和一个电位器。二者的阻值确实定需要遵循如下约定:为保证稳压器在空载时也能正常工作,则流过电阻R1的电流不能太小。一般取IR1=5-10mA,故R1=Vref/IR1=1.25/(5-10)×10-3≈120-240Ω,式中Vref为稳压器基准电压〔1.25V〕。而输出电压U0与Vref、R1、R2有以下关系：Vo=Vref+(IR1+Iadj)R2=(1+R2/R1)Vref+Iadj*R2。调节电阻R2，即可改变输出电压的大小。图3-12LM317典型应用电路假设希望LM317能可靠正确的工作，需要了解它的如下参数：1.输入与输出端最高压差为：40V〔很多人误认为是输入最高电压为40V〕；2.输入与输出端最小工作压差：3V；3.输出电压*围：1.25V-37V*围内连续可调〔其实只要保证前一项条件，4.其输出*围的上限是可以扩展的〕；5.最大输出电流：1.5A〔LM317TTO-220封装〕；6.输出最小负载电流：5mA；7.基准电压VREF：1.25V；8.工作温度*围为：0-70℃；由于本设计要求输出一路2-12V的连续电压，而LM317的起调电压为1.25V，显然要对LM317的典型应用电路进展改良，通过查阅LM317的相关技术手册，可得到下列图所示的LM317改良电路。图3-13稳压输出电路对于这种方案，用与R2相连接的外接调整电压来代替可调电阻R2，用这个外接调整电压来控制电路输出端电压的大小。此时输出电压与两外接电阻及调整电压的关系为：Vo=(1+R2/R1)Vref+Iadj*R2+Vop07。其中Vop07为运放OP07的输出电压，由前面内容可知，此电压*围在-10V-0V之间。电压调整管脚电流Iadj由于很小，在很多应用中可以忽略不计，在这里取为常数，大小为50uA。这里的R1大小取作120，因此可通过上述公式来计算R2的阻值，不妨带入如下量:Vo=2V，Vref=1.25V，R1=120，Iadj=0.00005A，Vop07=-10V。最终求得电阻R2大小为1027，这样当OP07输出电压-10-0V时，便可在LM317的输出端得到2-12V的连续可调电压。为了减少误差，R1，R2应选用精细电阻。后面的分压电路的作用是为数模转换器提供模拟电压值信号。模数转换电路ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进展A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片，主要特性：1.8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。2具有转换起停控制端。3.转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs〔时钟为500kHz时〕4.单个+5V电源供电5.模拟输入电压*围0～+5V，不需零点和满刻度校准。6.工作温度*围为-40～+85摄氏度7.低功耗，约15mW。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部构造如图3-14所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近存放器、逻辑控制和定时电路组成。图3-14ADC0809内部逻辑框图和引脚图工作过程：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近存放器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进展。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换完毕，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门翻开，转换结果的数字量输出到数据总线上。本系统设置AD转化电路的主要目的是为了采样电压输出端实际电压，并送回单片机形成完整的数字闭环控制回路。另一方面，由于ADC0809前置有八路模拟通道，剩余通道还可用于对此智能电源其它相关模拟量的采样。下面给出了本设计的模数转换电路的原理图：图3-15模数转换电路原理图其中的74LS74用来对单片机的ALE信号进展四分频，得到的分频信号用作转换器的时钟信号。4*4行列式键盘本设计要求电压可预置，同时还要配备电压步进增减键、备用电源异常状况警报去除键等功能键，为此需要配置一套适宜的键盘。在单片机系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其他按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统完成按键所设定的功能，按键信息输入是与软件构造密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可采用查询或中断方式了解有无键输入，如果有键按下则检查是哪个键按下，并将该键号送入累加器ACC，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序。一个完善的键盘控制程序应具备以下功能：〔1〕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点抖动产生的影响。〔2〕有可靠的逻辑处理方法。每次只处理一个按键，其间任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。〔3〕准确输出按键值〔或键号〕，以满足跳转指令要求。单片机系统中，当使用按键较多时，通常采用矩阵式键盘。该键盘有行线和列线组成，按键位于行、列线的穿插点上，其构造如图3-16所示。由图可知，一个4х4的行、列构造可以构成一个含有16个按键的键盘。15151413111091287654012312303210+5V图3-164х4键盘构造图行列式键盘中，行线和列线分别连接到按键开关的两端，列线通过上拉电阻接到+5V上。当无键按下时，列线处于高电平状态；有键按下时，行线、列线将导通，此时，列线电平将由与此列线相连的行线电平决定。按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进展二进制编码，然后将两个编码合为一个字节，高4位为行号，低4位为列号。如图3-17〔图中的行列颠倒〕所示为本设计中的键盘局部。图3-17键盘电路原理图显示电路LED显示器是由发光二极管构成的显示器件。数字LED显示器利用7个发光二极管显示数字，通常称为七段LED显示器或者数码管。另外，数码管中还有一个圆点型发光二极管，用于显示小数点。构造如图3-18所示：图3-18LED显示器内部构造LED显示器有共阳极接法和共阴级接法。共阳极接法中发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时，公共阳极接+5V电压。在阴极端输入低电平，二极管就导通发光。共阴极接法中发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极。使用时，公共阴极接地，在阳极端输入高电平，二极管就导通发光。LED导通电压在1.5V左右，工作电流每段约为10mA，直接接在+5V电平上会使数码管过亮而导致损坏，需接一个100~300Ω的限流电阻。本设计由于不需要串行口通信[17]，因此可以利用串行口加外围芯片74LS164[18]方便地构成LED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LED显示器与单片机的接口电路原理图如图3-19所示。这种显示电路属于静态显示方式，比动态显示亮度更大些。由于74LS164在低电平输出时，允许通过的电流达8mA,故不必添加驱动电路，亮度也够理想。与动态扫描方式相比较，无需CPU频繁地扫描显示器，节省了CPU的时间，节省了紧*的硬件资源，软件设计也比较简单。本设计中选用一个3位七段LED显示器，因为采用共阳极LED，所以相应的亮段必须送0，相应的暗段必须送1。图3-19串行口控制的LED显示器接口电路图3.3备用电源电路充电电路充电管理是锂离子电池管理系统的重要组成局部，它对电池的特性及寿命有着至关重要的影响。充电方式对电池及应用环境的针对性也越来越强。本备用电源采用锂电专用充电芯片BQ2057构成充电控制电路。BQ2057是美国TI公司生产的先进锂电池充电管理芯片，此款芯片适合单节(4.1V或4.2V)或双节(8.2V或8.4V)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。此芯片还可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间，并带有可选的电池温度监测，利用电池组温度传感器连续检测电池温度，当电池温度超出设定*围时芯片关闭对电池充电。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电电流功能，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流时终止充电以及低功耗睡眠等特性。BQ2057的充电过程分为预充、恒流充电和恒压充电三个阶段，如图3-20所示。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*个值Vmin时，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1/10。此状态一直持续到电池端电压到达Vmin为止。恒流充电:电池端电压到达Vmin后，充电器进人恒流充电状态。此状态下，充电器保持恒流输出，电池端电压单调上升。此状态一直持续到电池端电压到达充电终止电压为止。图3-20BQ2057的充电过程恒压充电:电池端电压到达充电终止电压后，充电器就进入恒压充电状态，充电器的输出电压恒定在充电终止电压不再变化，而充电电流随着电池充人能量的增加而逐渐减小。此状态在充电电流再次减小到预充电电流值，即恒流值的1/10时完毕。芯片的工作流程：芯片首先监测输人电源电压VCC和电池的端电压。如果电池端电压VBAT高于VCC，说明外接电源未接，或者电源电压缺乏以对电池充电，芯片将制止充电，进人睡眠状态以节省功耗。如果VCC>VBAT，则芯片对当前电池温度进展检测。假设温度不在预定的*围内，显示温度故障，中断当前进程，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Vmin。假设是，充电器对电池进展预充电，直到VBAT>Vmin；否则直接进入先恒流后恒压的正常充电状态。正常充电状态完毕的标志是，恒压状态时，充电电流的大小到达恒流值大小的1/10，然后整个充电过程完毕。芯片的自动充电功能会在电池电压下降到VRCH之后，重新开场充电过程。需要说明的是，温度检测功能在整个芯片工作过程中都有效，即任一时刻出现温度超出预定*围的现象，当前的状态立即暂停，直到温度恢复正常为止。介绍了BQ2057根本知识后，下面给出本备用电源系统的充电电路原理图。图3-21充电电路原理图对于所给出的充电原理图，下面做几点说明：1〕外接充电电源确实定。由于电池是两节360mAH锂离子电池串联的形式，因此最高的电池组端电压为:VBAT*2=4.2*2=8.4V。我们选择的外接充电电源其电压必须高于最大电池组电压，但是过大的充电电源电压又会使电路的损耗增加，因此VCC=9V的恒压源是一个比较适宜的外接充电电源。2〕PNP调整管Q7的选择。由于每节锂离子电池容量为360mAH，因此允许的最大充电电流为360mA(1C)。考虑到线性充电器的损耗问题，需要适当减小充电电流。因此，选择大小为350mA的电流作为充电器的恒流充电值。根据上面的计算，采用的调整管必须能够承受最大9V以上的电压，最大集电极电流必须大于350mA。考虑到一定的裕量，选择ST的BD136作为PNP调整管。BD136的最大集射电压为45V,最大集电极电流为1.5A，均满足要求，而且都留有一定的裕度。3〕限流电阻Rsen的选择。BQ2057的电流检测电阻有高边和低边两种接法，如图4所示。两种接法没有太大的区别，我们选用的是高边接法。当充电器的充电电流增大到使电流检测电阻Rsen上的电压到达芯片的恒流闭值时，芯片通过内部的反应环节调节CC脚的电压，使PNP晶体管的基极电流发生变化，从而改变晶体管的工作点，到达恒流的效果。根据芯片的参考手册查得SNS脚的典型恒流闭值为Vsen=115mV，为了使恒流值在350mA左右，选择电流检测电阻为:Rsen=Vsen/Ichg=0.33。4〕温度保护电阻的选择。图3-22BQ2057温度保护接线图如上图所示，芯片通过不连续的检测TS脚和VSS脚之间的电压来实现电路的温度保护功能。图中所示的是与高边电流检测相对应的温度检测电路的接法。电路中通过一个分压电阻网络和一个负温度系数热敏电阻[2]NTSD1*H103FPB30来控制TS脚与VSS脚之间的电压。我们需要的电池正常的工作温度*围在-20-70℃之间，而在这两点热敏电阻NTSD1*H103FPB30的阻值分别为RTC=68263，RTH=2227。S2，所以根据下面的公式，可以确定RT1和RT2的阻值为:RT1=5*RTH*RTC/3*(RTC-RTH)=5*2227*68263/3*(68263-2227)=3836.8RT2=5*RTH*RTC/(2*RTC-7*RTH)=5*2227*68263/(2*68263-7*2227)=6285.25〕充电状态显示[7]。由BQ2057的手册知，充电电路在*一时刻的状态可通过该芯片的STAT管脚状态反映出来，二者对应关系如下表所示：表3-1充电电路、STRT脚状态对照表充电电路状态STAT脚输出A电池正在预充电、恒流、恒压充电高电平B充电完毕低电平C温度异常或睡眠模式高阻态为了可以直观的获知充电电路的实时状态，可以在STAT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说明充电电路正处于A状态；发绿光时说明处于B状态；不发光时处于C状态。保护电路由于在使用过程中锂离子电池的平安问题十分突出，因此为备用电源单单配置充电电路是远远不够的，还需要单独设计一套保护电路【12】。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4.25V，而串表3-2MM1292芯片管脚功能表数比较多的锂离子电池组中单体电池的差异性比较大，而且接触电阻也不完全一样，过充电保护电压值可以选取高点的集成保护芯片。过放电检测电压对串数比较少的锂离子电池组一般选取为2.4V，工作电流比较大或串数比较多的锂离子电池组可以选取更低的过放电检测电压。过电流检测电压可以根据要保护的电流的值的大小来选择，保护电流值比较大的选取为150mV左右，比较小的选取为100mV左右。集成保护芯片一般都只有过充电、过放电和过电流保护功能，而且各公司的芯片系列大多一样，考虑到实际应用的方便性，电路设计中保护芯片采用MITSUMI公司的MM1292系列芯片。此芯片是一款8引脚的集成芯片，上表为给出了其各管脚含义及功能：图3-23MM1292典型应用电路原理图图3-23为MM1292的典型应用电路，其中电容C1为过充电延迟时间调节电容，一般取值为0.1uF，对应延迟时间约为lS。Q1和Q2是N沟道的MOSFET管[1]，Q1为过放电和过电流控制开关，Q2为过充电控制开关，电阻R1为限流电阻，一般选取100，电阻R2为上拉电阻，一般选取100K，电阻R3,R4为分流电阻，用来控制三极管Q3，在正常工作时，芯片的1脚输出低电平，三极管处于正常状态，Q2的栅极通过上拉电阻R2为高电平从而导通，在过充电时，芯片的1脚输出高电平，通过电阻分压后使三极管Q3导通，于是Q2的栅极的电平变低从而关断，使充电回路断开。设计中R3选取500K的电阻，R4选取100K欧姆的电阻。在这里NPN型三极管可选用Philips公司的PSS8050，该产品的最大集射电压为25V，最大集电极电流为1.5A。保护电路工作原理：1〕过充电和过放电保护设计。电池在充电过程中，如果电池电压超过过充电保护电压，保护芯片则输出控制信号关断外部过充电控制开关Q1。过充电电压检测是通过集成在保护芯片内部的电压比较器来实现的，比较器的一个输入端是参考电压，当电池电压超过参考电压时就会使输出电压产生翻转从而输出控制信号，此比较器采用滞回比较器电路，所以当电池的电压低于过充电解除电压时才能解除控制信号，因此不会导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MOSFET管Q1的源极和漏极之间有一个保护二极管，虽然充电器不能继续向电池充电，但是电池组可以通过这个二极管向负载放电。过放电保护电路的原理和过充电保护电路类似，把过充电检测参考电压改为过放电检测参考电压即可，滞回比较器的输出逻辑和过充电保护的相反。MM1292系列的芯片参数[10]如表3所示，根据上述的芯片选取原则，我们选取过充电保护检测电压为4.25V，过放电检测电压为2.4V，过电流检测电压为100mV的MM1292LF芯片。表3-3MM1292系列芯片参考表2〕过电流保护设计。在输出短路或过载时对电源或负载进展的保护，即为过电流保护。一般当负载电流超过额定电流但是在额定电流的10倍以下都称为过载现象，过载损坏锂离子电池组通常是由于热量的积累，有一个过程，因此过载保护装置的动作不需过于迅速，较短时间的过载，保护装置不应动作。而超过额定电流的10倍以上的电流称为短路电流，短路是回路中最严重的故障，应该尽量防止。专用集成保护芯片中的过电流保护指的是过载保护。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影响，需要对过电流进展保护，过电流保护是利用芯片内部的过电流电压检测，即芯片7脚CS端的电压和4脚GND端的电压差，当差值到达100mV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MOSFET管Q1，其中Ics为过电流保护值，Rds(on)为放电控制开关MOSFET管Q1的导通内阻，因此可以通过MOSFET的参数来确定MOSFET。过电流保护值的设定一般在额定输出电流的2-5倍之间，为了减少回路的损耗，应尽量减小MOSFET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3A,根据公式〔6〕选出MOSFET为英飞凌公司的BS0604NS2，它的Rds(on)为35m，因此计算得出过流保护值为2.86A，该MOSFET的启动栅源极电压为1.2-2V，最大漏源极电流为5A。各元件选定了具体型号后便可给出该备用电源保护电路的完整原理图：其中图中右下方的可变电阻是负温度系数的热敏电阻〔NTC〕具体型号为NTSD1*H103FPB30，它配合备用电源的充电控制芯片BQ2057一起完成对锂离子电池的温度保护任务。因此，该备用电源电路具有防过充电保护、防过放电保护、防过载保护及温度保护等多重保护功能。图3-24保护电路原理图最后结合下列图简单介绍下+5V备用电源系统的工作原理：外部电网电力供给正常时，+6V稳压电路输出端有正常电压输出，因此图中的电子继电器工作其双刀双掷开关接通BQ2057充电电路，由于无放电通道，备用电源只能处于充电或睡眠模式，图中的U22(+5V稳压芯片)由其左面的+9V稳压电路提供输入电压；当外部电网失去电力供给时，+6V稳压电路无输出电压，此时继电器断开充电电路接通放电电路恢复原始状态，此时备用电源便可以通过U22向智能电源系统外部重要负载供电，当然由于备用电源容量的限制，其供电时间是有限度的。图3-25备用电源自投装置电路图本章小结本章通过对系统各单元电路的分析和讨论，使得系统的内部构造透明化，降低了读图的难度，同时也可以更加方便快捷地发现问题和缺乏，也有利于程序的编制工作。-.z第四章系统软件设计本章主要讨论2-12V电压可调电路的软件组成。并简单介绍下本电路所使用的PID控制算法，与硬件构造上输出-测量-调节的闭环设计对应,智能电源在软件上也分为电压输出-测量-调节的闭环构造。下面首先给出其总体流程图：图4-1电压可调电路主程序流程图反应调节主要是根据设定值和测量值之间的误差,采用PID算法来调节D/A的输出值来实现的。4.1PID算法4.1.1PID算法简介本数字闭环系统以电压为控制对象，通过单片机对被控参数进展巡回采样检测，通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量，结果与设定值进展比较，再按PID算法进展控制运算，再由模拟量输出通道输出到执行机构对被控量进展控制，使被控参数稳定在给定值上。该控制系统的优点是灵活性大，可靠性高。因为单片机计算能力强，所以用它可以实现各种比较复杂的控制。在过程控制中，控制算法有很多种，我们主要采用PID控制算法。PID控制，即取偏差的比例(Proportional)、积分(Integral)、微分(Derivative)的组合控制。PID控制是连续系统应用最广、技术最成熟的一种控制方式，特别是在过程控制中，由于控制对象的模型未知或难以建立，用基于现代控制理论的控制方法既不实用又不能到达预期效果，人们常常采用PID调节器。而且随着控制论的开展，在提出的层出不穷的各种算法中，有许多都以PID控制为根底算法。由于PID控制器的构造简单、性能稳定、参数易于调整。智能电源采用PID算法来调节输出电压，PID算法分位置式和增量式两种，位置式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。智能电源的执行机构为DAC0832,其输出量不能保持,因此采用位置式PID算法。但位置式PID算法需要对误差进展累加,不便编写程序,可以利用增量式PID算法得出位置式PID[31]算法,即：(1)根据公式(1)设计智能电源PID算法流程如图4-2所示。4.1.2PID控制器的参数整定PID的整定参数包括采样周期T、比例增益Kp、积分时间常数Ti和微分时间常数Td。采样周期则可以根据系统响应的延迟时间而定,一般可选择比系统响应稍快些即可,本文选择的是与系统响应时间相当的采样周期,约0.3～0.5s。本系统虽然具有延迟效应,但Kp不能选择过大,否则将不稳定。其次,Ti及Td的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微分作用明显)而定。PID参数的选择不是唯一的,但一定要选择好关键参数。每个参数T、Kp、Ti和Td可通过现场调试整定，主要采用试凑法可得到符合该系统的各参数值。只要一组PID参数能够较好地用于控制系统，则说明这样一组参数是适宜的。图4-2PID算法流程图4.2系统子程序流程图系统总体流程图已在上面给出，下面给出各子程序流程图。显示子程序图4-3显示子程序流程图本设计的显示方式属于静态显示，与动态扫描方式相比显示更加稳定。键盘子程序图4-4键盘程序管理流程图在设计键盘输入程序时有以下几个关键点需要注意：〔1〕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进展扫描。〔2〕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，再判别键盘的状态，假设仍有键闭合，则认为键盘上有一个键处于稳定的闭合期，否则认为是键的抖动或者干扰。〔3〕确定闭合键的物理位置：采取逐条I/O端口线查询方式确定被按键的物理位置。〔4〕获取闭合键的在得到闭合键的物理位置后，根据给定的按键编号规律，计算出闭合键的键值。中断效劳程序图4-5T0中断效劳程序流程图对实际输出电压的采样是通过ADC0809完成的，每次采样由定时器T0通过中断方式完成。-.z结论1.本文给出了一种新型的直流稳压电源构建方案：以AT89C51单片机作为电源的控制中心，通过计算求出电压预设值和实际输出值〔由ADC采样〕的差值〔误差信号〕，然后以此误差信号为根底调用PID电压调整算法求出单片机所需输出的控制信号，将此信号送入DAC，转换为模拟信号后去控制电压调整电路〔执行机构〕，得到所期望的输出电压。该电源通过数字方式调压，使用更加方便直观。2.该电源还配有一5V备用电源系统：由备用电源和自动投切装置组成。该备用系统可保证电源在外部电力供给中断的情况下仍可向系统重要负载持续供电一段时间。备用系统采用两节锂离子电池作为储电装置，考虑到锂电的使用平安性，采用锂离子专用控制芯片构建了锂电充放电控制保护电路，可以使锂电在频繁的充放电过程中免遭破坏性损害。此外，该锂电控制电路同时可作为两节锂离子电池高性能充电器使用，因为它可轻松的满足锂离子电池对充电电路的苛刻要求。这些附加功能极大地增强了电源的功用性，使得该电源更加具有实用价值。3.文章对此新型稳压电源方案的硬件电路和软件设计局部均做出了详尽细致的讨论和说明。特别是其中的硬件电路设计，硬件设计严密结合设计任务与要求，对于系统的各个功能模块，从单元电路预期功能，工作原理及最终硬件原理图等各个方面做出说明和论证。这在降低设计、调试难度的同时还可快速地发现其中的不合理局部。4.本设计还存在一些尚待解决的问题，PID控制器的参数整定方法需要进一步探讨；同时，电源的电能变换效率有待提高。5.还有一点不得不交代，很多图片是我原创的，正确性未知，无鉴别能力者慎用。很多截图处理的不好，带着不规*的黑色边框，最好去掉。-.z参考文献魏秀芬，*国恒.N沟道增强型MOS管的工作原理及特性曲线.**高师学报，2002,7(5):27~28*军涛.单片机热敏电阻温度计.机械研究与应用，2004,4〔17〕:66~68毛兴武，姜宁.温度传感器MM1522及温度开关MM1523/1524.电子世界，2003,3:49ProtectionofLithiumLonBatteries(twocellsinseries)MonolithicICMM1292.MITSUMI公司，1999NTSD1*H103FPB30.MurataManufacturingCo,Ltd,1997*方军，*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，2008，11:103~107*美俊.基于AT89C2051单片机的智能充电器设计.电子质量，2004,7:78~79钟国华，吴玉广.锂电池保护电路的芯片设计.通信电源技术，2003,5:18~21李晓延.多节锂离子电池的充放电保护.今日电子，2008,7:37~38蒋新华.锂离子电池组应用电路研究：[硕士学位论文].**：中国科学院**微系统与信息技术研究所，2005路秋生.锂离子电池充电保护集成电路UCC3957.电子产品世界，2004,8:64~66候宇，王肖.锂离子电池充电供电保护电路的设计.光电技术应用，2009,24〔3〕:50~55NagasubramanianG，JungstRG，DoughtyDH.Impedance，power，energy，andpulseperformancecharacteristicsofsmallmercialLi-ioncells.PowerSources，1999,83〔1-2〕:193~203Shin-ichiTobi