基于51单片机开关稳压电源设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于51单片机开关稳压电源设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

ELC U O R L VD基于 51 单片机的开关稳压电源设计 6 控制方法及实现方案 主电路确定之后，为了配合主电路完成整个运行，需要控制电路进行辅助，这样系统才能正常工作。 因此，还需要选择一个合理的控制方案。 方案一： 利用 PWM 专用芯片产生 PWM 控制信号。 这种办法容易实现， 工作也比较稳定，但不容易实现输出电压的键盘设定和步进调整，很难实现设计中的这一要求。 方案二：利用单片机产生 PWM 控制信号，通过输入程序来输出 PWM,单片机根据反馈信号对 PWM 信号做出相应调整以实现稳压输出，用按键来调节占空比，实现输出 30V36V 可调。 这种方案实现起来较为灵活，可以通 过调试来达到自己所需的要求，此设计理所当然对本身系统做出配套的优化。 但是系统调试比较复杂，需要设计人员的耐心调试。 因此，方案二更容易实现题目的要求，选择方案二作为设计的控制电路。 系统的总体框图 根据以上方案的选择，已经完成了系统的主体框架，能够实现系统的基本运行。 为了能够进行稳定运行，还需要加入一些保护电路，保护电路可以使设计运行更可靠，系统更安全。 此外，通过单片机的控制加入显示电路，随时观察输出电压电 流，通过按键有效地控制电压电流的大小。 整理得出系统的总体框图如 23所示。 ELC UO R L VD 图 23 系统总体框图 榆林 学院本科毕业设计（论文） 7 系统的总体要求 系统的总体方案已经确定，能够完整的做出成品，但设计的最终目的是在实际生活中应用，而效率的高低则取决于该设计的价值。 因此，我们需要提高效率来实现系统的最大利用化。 提高电源的整体效率跟主电路、单片机系统、保护电路和显示电路中各部分器件的选择有很大的关系。 因此控制及显示单元电路应该使用一款低功耗的 51 单片机。 主开关管应该选择效率高、开关速度快、损耗小的 MOS 场效应管。 肖特基二极管应该选择恢复速度快 、损耗低的作为输出端的整流 /升压二极管。 根据以上可以提高效率的方法综合出包括以下四个方面的方案： 1) 放弃使用常规的高功耗的 80C51 单片机，取而代之的是与之兼容的超低功耗、超低价、具有高速转换器的增强版 51 单片机，这种单片机不需要外部晶振和外部复位电路，制作简单方便，是一款值得使用的单片机。 2) Boost 升压斩波电路中开关管的选取：电力晶体管（ GTR）耐压高、电流大、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（ Power MOSFET）具有驱动电路简单、需要的驱动功率小、开关速度快、负载电流大等特点。 而且电力场效 应管的热稳定性优于电力晶体管。 从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管。 3) 选择合适的开关工作频率：为降低开关损耗，应尽量降低工作频率；为避免产生噪声，工作频率不应在音频内。 综合考虑后，我们把开关频率设定为 20kHz。 4) Boost 升压电路中二极管的选取：开关电源对于二极管的开关速度要求较高，可从快速恢复二极管和肖特基二极管中加以选择。 与快速恢复二极管相比，肖特基二极管开关损耗和正向导通损耗都比较小，但反向耐压较低，多用于低压场合。 考虑到降低损耗和低压应用的实际，选择肖特基二极管 , 可有效降低 开关损耗并提高开关频率。 本章小结 本章通过对比选择合适的主电路和控制电路，为了能够使系统稳定运行，加入必要的保护电路，整理方案画出系统的整体框图。 电子设备的应用需要可靠稳定的电源供电，需要提高效率来使电源达到最大利用化，因此，文中对提高效率做出了详细的介绍。 基于 51 单片机的开关稳压电源设计 8 榆林 学院本科毕业设计（论文） 9 3 硬件设计 主电路的设计与计算 主回路中包括整流电路，滤波电路及 BOOST 电路，这些模块中所需器件的选择如下。 整流的选择：隔离变压器输出 的交流为 15V 的电压，整流桥的电流最大可达到 5～ 6A，为了能够得到较好的直流量，所以选择单相桥式全控整流电路，整流桥的耐压应为 50V 以上，正向电流大于等于 8A，实际电路中采用 10A/600V 整流桥。 滤波电容器选择：要求输出的最大电流为 2A，最大电压为 36V，按照电路效率为 80％计算： 输出最大功率为： Pm=UO*Io=36V*2A=72W 整个电路输入的功率： Pin= Pm/=72W/=90W 所以输出最大功率为 72W,整个电路输入的功率约为 90W。 电路自身功率达18W，根据 P=U2/R,可求 得整流滤波电路的等效负载电阻 R≈6 欧姆，滤波电路的基波周期 10mS，按一般要求，滤波电路的时间常数 τ＝ CR＝ 30mS～ 50mS，所以，滤波电容 C 选用 4700181。 F。 开关管的选择：功率 MOSFET 具有负载电流大，导通电阻低的优点。 选择合适的 MOS 管，栅极驱动器的负载能力必须足够大，以确保在系统要求的时间内完成对栅极等效电容（ CEI）的充放电。 流经 MOS 管的电流理论平均值：ID=TOFF*IO/T=IO *VO / Vi≈5A。 所以， MOSFET 应选用平均电流大于 10A、电压大于 50V 的管子，实际选用 IRF540N， IF=28A、 VR=100V、 PD=150W、 RDS(ON)=。 升压二极管的选择：二极管要采用正向电压降低，反向恢复时间短的二极管，所以选用反向恢复时间为 60us 以下、反向耐压为 45V 以上的肖特基二极管。 它是一种低功耗、超高速 半导体 器件，可大幅降低开关损耗并提高开关频率。 实际电路中选用 MBR1545： IF=15A、 VR=45V。 电感值的计 算： LB=UIN^2(UOUIN)/(mIOfUO^2) 其中， m 是脉动电流与平均电流之比取为 ，开关频率 f=20 kHz,输出电压为 36V 时， LB=，取 370μH。 电感线径的计算：最大电流 IL 为 ，电流密度 J 取 4 A/mm2，线径为 d,则由 J*π(d/2)^2=IL 得 d= mm,工作频率为 20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。 电容的参数计算 ： CB=IO(UOUIN)/(UO△ U/T) 基于 51 单片机的开关稳压电源设计 10 其中， ΔUO为负载电压变化量，取 20 mV,f=20kHz,UO=36V 时 ,CB=,取为 3000μF，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ ESR），起 到减小输出电压纹波的作用， 更好地实现稳压 ]5[。 电路中 R R C3 及单片机中的 ADC 为采样电路。 以上器件的选择确定了 主电路，原理图如 31 所示。 图 31 BOOST 斩波主电路图 控制电路的分析与计算 控制电路的核心就是 51 单片机，选择 一个合适的单片机是实现控制电路的关键。 单片机的选择： 单片机根据电压的设定值和电压反馈信号调整 PWM 控制信号的占空比，实现稳压输出，同时，单片机与采样电路相结合，将为系统提供各种保护措施，并实现输出电压、输出电流的测量和显示。 PWM 信号占空比 D≈1UIN/UO 当 U2=12V， UO=36V 时， UIN=*U22V=， 最大值 DMAX=； 当 U2=18V， UO=30V 时， UIN=*U22V=，最小值 DMIN= 系统对于单片机 A/D 采样精 度有较高的要求，欲达到这一精度， A/D 精度要达到 1/500，即至少为 9 位 A/D，经过全面考虑，决定采用高性能、低功耗的单片机 STC15F2K60S2。 该单片机采用 STC 第八代加密技术，是新一代 8051 单片机，增强型的 8051CPU 的运行速度比普通 8051 快 8 到 12 倍。 它不需要外部晶振，内部集成高精度 R/C 时钟，也不需要复位电路，内部集成高可靠复位电路。 拥有 8路高速的 10 位 A/D 转换器，而且内部有低功耗掉电唤醒专用定时器。 而且该单片机在系统可仿真、可编程，无需专用编程器、仿真器，可远程升级。 此单片机 具有超低功 耗，超低价，高速，可靠，超强抗静电，抗干扰等多个优点 ,功能十分强大，完全 符合该设计的要求，因此选择此单片机作为设计的主控制器 ]6[。 引脚图如 32 所示。 榆林 学院本科毕业设计（论文） 11 图 32 单片机引脚 的设计 在电子设备 的设计中，不仅要达到所需的要求，还要保 证产品能够稳定的工作。 一个完整的设计就是考虑各方面的因素，让电子设备 更加实用。 因此，需在系统中加入保护电路。 本设计主要采用了过流保护和电压保护 ]7[。 电流比较大，加入过流保护以 免线路烧坏影响工作，电压通过单片机反馈实现稳压输出，保护电压。 这些保护为系统的可靠运行提供了有利保障。 在输出滤波处串联一个电流采样电阻，其实选用的材料就是温漂小的康铜丝。 保证过流故障后电路的正常运行。 电流信号在放大后反馈给单片机经过 A/D 采样。 过流故障解除后，电路的一切运行将恢复正常。 输出滤波如图 33。 10mHL2Inductor470uFC?104CBHC? 铜康丝Rtext2输出滤波Uo+Uo+2GND Uo 图 33 输出过流保护电路 逐波过流保护 ：由于此电源设计要求电流较高，因此需要过流保护来使系统稳定工作 ，如图 34 所示。 此过流保护是在开关每个开断周期内都会对电流进行检测，检测到过流时便强行 关断，防止开关场效应管被烧坏。 逐波过流保护如下图（ a）。 由于考虑到场效应管开通时会产生尖峰电流，可能会是逐波过流保护发生误动作，因此加入逐波防锁电路，如下图（ b） ]8[。 基于 51 单片机的开关稳压电源设计 12 +12VGND20KRup+12VTEST47KRjz1Rjz2GNDSDCjz84567LM393BGND104C393+12V+12V200Rzb103CzbQ2IRF1405PWM TESTGND GND(a) (b)+12VGND20KRup+12VTEST47KRjz1Rjz2GNDSDCjz84567LM393BGND104C393+12V+12V200Rzb103CzbQ2IRF1405PWM TESTGND GND(a) (b) 图 34 逐波过流保护 显示电路的设计 本设计主要是实现稳定升压的效果，为了能够更清楚的观看输出电压电流的变化，在此加入显示电路，更好的调试系统，完成硬件设计。 本系统是通过按键调节占空比来实现电压可调。 首先应用软件编程输入 51 单片机，单片机的两个接口 和 直接与 按键连接，这样就可以实现数字设定，连线简单、方便，同时减少了外围电路，从而有助于整体电路效率与可靠性的提高。 显示电路采用 1602 显示器，它是一种显示数字、字母、符号的点阵型液晶模块，它可以显示两行，在此设计中两行分别显示电压和电流，便宜简洁，但 LCD不能显示汉字，可以用英文表示，高端大气上档次，全面显示所需数据 ]9[。 显示电路如图 35 所示。 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9(RD)17(WR)16(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)1512345678(AD0)39(AD1)38(AD2)37(AD3)36(AD4)35(AD5)34(AD6)33(AD7)32(A8)21(A9)22(A10)23(A11)24(A12)25(A13)26(A14)27(A15)28PSEN29ALE/PROG。