單片機(jī)控制的開關(guān)電源系統(tǒng)的設(shè)計

林竹清

摘 要：本文闡述了一種單片機(jī)控制的智能型開關(guān)電源的設(shè)計方案，STC89C51 單片機(jī)的應(yīng)用，開關(guān)電源目前的發(fā)展?fàn)顩r。根據(jù)現(xiàn)有電源技術(shù)，為了適應(yīng)當(dāng)前電子設(shè)備對電源的實(shí)用、高效、節(jié)能、智能和環(huán)保等性能的需求，研究實(shí)現(xiàn)了以STC89C51 單片機(jī)為核心，能通過外置的鍵盤，改變輸出電壓的大小，使得步進(jìn)可調(diào)，輸出的電壓大小通過 LCD1602 液晶屏顯示。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；開關(guān)電源；數(shù)控

電源是電子產(chǎn)品的能量來源。隨著電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，電源的作用也日漸凸現(xiàn)它的重要性。傳統(tǒng)的線性電源具有效率較低等缺點(diǎn)，而開關(guān)電源具有高效率、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計的智能開關(guān)電源通過 STC89C51 單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 波控制開關(guān)管的工作狀態(tài)，經(jīng)過一系列的電源控制芯片，來改變其后的輸出。其效率遠(yuǎn)超線性電源，可達(dá)80%以上，如加入計算機(jī)控制，還可實(shí)現(xiàn)智能化[1]。同時，在電路設(shè)計上運(yùn)用了適當(dāng)?shù)碾妷赫{(diào)整電路，自動修正輸出誤差，并且還使用了保護(hù)電路，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。

1工作原理

開關(guān)電源是指開關(guān)管工作在導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。如圖1所示的開關(guān)電源工作原理是：預(yù)設(shè)一個標(biāo)準(zhǔn)電壓為10V，但是因?yàn)橥獠抗╇姴环€(wěn)定原因引起輸入電壓Vi會有上下浮動，導(dǎo)致輸出Vo也將會上下浮動，這樣，所采集到的電壓就一定不是10V，假設(shè)為9V，誤差為1V，系統(tǒng)比較處理之后，PWM電路會根據(jù)這個差值數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)開關(guān)管導(dǎo)通的時間和截止時間的比值，使輸出電壓盡量和標(biāo)準(zhǔn)電壓相一致。例如，采樣電壓偏小時，系統(tǒng)提高占空比使開關(guān)管工作在導(dǎo)通狀態(tài)的時間長一些，這樣使得輸出電壓增大。同理，當(dāng)采樣電壓偏大時，系統(tǒng)降低占空比使開關(guān)管工作在截止?fàn)顟B(tài)的時間長一些，這樣使得輸出電壓減小，以此來控制輸出電壓的穩(wěn)定[2]。

圖1 開關(guān)電源原理框圖

2總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

外部電流通過二極管組成的濾波電路和整流電路后，從7812芯片獲得12V電壓，它作為開關(guān)變換電路的輸入電壓。之后，電壓再經(jīng)過7805穩(wěn)壓芯片得到+5V電壓，提供給單片機(jī)和開關(guān)電路中的控制芯片工作。另外單片機(jī)比較從輸出端采集來的電壓值和由鍵盤輸入的電壓值之間的差量，利用PID算法程序重新調(diào)整脈寬使輸出電壓值無限趨近于設(shè)定的電壓值。單片機(jī)通過ADC0832定時采樣輸出端的電壓進(jìn)行比較計算輸出調(diào)整過的PWM脈沖，從而控制MOS管的導(dǎo)通和截止。在這個開關(guān)電源中，單片機(jī)會根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，用戶可以根據(jù)需要從鍵盤步進(jìn)改變電壓大小，更新脈寬，保證相應(yīng)的電壓從電源輸出。開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 開關(guān)電源系統(tǒng)框圖

3硬件電路設(shè)計

3.1供電電路設(shè)計

市電220V經(jīng)過變壓器降壓后，再經(jīng)過橋式全波整流電路整流變?yōu)?8V的直流電，對該電壓通過大小電容組合成的簡單濾波網(wǎng)絡(luò)濾波之后，作為Buck開關(guān)電路的工作電壓。再經(jīng)過LM7812穩(wěn)壓芯片得到12V的直流電壓，作為驅(qū)動電源IR的供電電源，同樣的也為開關(guān)變換電路中的PWM控制芯片提供工作電壓。然后，將以上電壓通過7805穩(wěn)壓芯片得到10V的電壓，作為系統(tǒng)中的單片機(jī)的電源。

3.2開關(guān)變換器設(shè)計

根據(jù)方案分析得出的結(jié)果，開關(guān)變換器的電路設(shè)計思路為：由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖輸入PWM控制芯片，驅(qū)動開關(guān)管。另一路由供電電路輸入的12V直流電壓經(jīng)過開關(guān)管輸出，在通過續(xù)流二極管和儲能電感以及電容濾波后，輸出所需要的直流電壓。

3.2.1 功率開關(guān)管的選擇

開關(guān)管是整個電源主要的工作器件，它的選型首先要考慮到漏極到源極可流過的電流ID多大，其次，漏極和源極的導(dǎo)通電阻要盡可能的小，以減小開關(guān)管的損耗，第三，還要考慮到漏源的擊穿電壓。這里，選取開關(guān)管為IRF530N，它具有低熱阻，快速開關(guān)轉(zhuǎn)換，低接通阻抗（RDS（ON） ≤ 110）的特性。參數(shù)：VDSS = 100 V，ID = 17 A[3]。

3.2.2 MOS管驅(qū)動芯片的選擇

單片機(jī)輸出的PWM控制信號并不能直接驅(qū)動MOS管（驅(qū)動電流只有毫安級別），因此要使用專門的驅(qū)動芯片。依據(jù)電路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，選用IR2104S芯片。IR2104S是半橋驅(qū)動器，芯片內(nèi)部已經(jīng)接有下拉電阻到地，其控制端/SD，高電平有效。PWM信號從IN輸入，LO是低端MOS管驅(qū)動輸出，HO是高端MOS管驅(qū)動輸出。IR2104的VCC由5V電源供電電路直接提供，最大工作電壓可達(dá)到600V，死區(qū)時間為520 ns，是同步Buck電路MOS管驅(qū)動的常用芯片。

3.2.3 開關(guān)變換電路總圖

根據(jù)以上元件選擇要求，開關(guān)變換電路圖設(shè)計如圖3所示。單片機(jī)輸出的PWM脈沖和控制信號，經(jīng)過IR2104S輸出互補(bǔ)的PWM波，驅(qū)動開關(guān)管正常工作。電路輸入的12V直流電壓經(jīng)過開關(guān)管Q1，通過儲能電感以及電容濾波后，輸出所要的直流電壓。Q2是場效應(yīng)管作為續(xù)流二極管，R3是精密電阻，可經(jīng)過MAX4080擴(kuò)展為電流采樣電路。

在IR2104S中，1管腳作為12V供電，2管腳是PWM脈沖信號輸入，3腳是控制信號輸入，4腳接地，5腳是低電位，6管腳控制輸出，7腳高電位，8管腳作為保護(hù)。

圖3 開關(guān)變換電路的原理圖

3.3 控制電路設(shè)計

控制電路采用的是STC89C51芯片。設(shè)計中使用到了單片機(jī)最小系統(tǒng)。

（1）振蕩電路：本次設(shè)計采用的是24MHz石英振蕩電路，外接電容C3、C4選擇22PF。

（2）復(fù)位電路：單片機(jī)復(fù)位電路中，電阻R2取1k，電容C2取22uF，以確保復(fù)位更加可靠。

3.3.1 采樣電路設(shè)計

反饋電路使用的是ADC0832采樣輸出電壓，ADC0832只能轉(zhuǎn)換0到5伏的電壓，當(dāng)要采集大的電壓時，可通過電阻分壓再采樣。單片機(jī)的中作為片選端，低電平有效采取P3.5，作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的時鐘采取P3.3，讀入數(shù)據(jù)采取P3.4。

ADC0832是單5V供電，兼作基準(zhǔn)電壓，具有2路單端也具有1路差分輸入，串行接口8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADC0832管腳排列如圖4所示。CH0模擬量輸入通道0， CH1為模擬量輸入通道1；CS為片選信號輸入端，高電平模數(shù)轉(zhuǎn)換停止，低電平則有效。當(dāng)每一次的模數(shù)轉(zhuǎn)換，CS由高變低輸入控制字信息。CLK為時鐘信號輸入端；DO為數(shù)據(jù)信號串行輸出端；DI為數(shù)據(jù)信號串行輸入端。數(shù)據(jù)在CLK的下降沿移出；在CLK的上升沿移入，VCC接+5精密電源， GND為接地端[4]。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理

3.3.2 液晶屏顯示電路設(shè)計

本系統(tǒng)中采用LCD1602液晶屏實(shí)現(xiàn)預(yù)置電壓、輸出電壓的顯示。其中，PO口作為數(shù)據(jù)端，數(shù)據(jù)端上拉排阻接到VCC。P2.5—P2.7口作為液晶屏的控制端。

3.3.3 鍵盤輸入電路設(shè)計

本次設(shè)計鍵盤采用4個按鍵，由軟件定義功能分別為輸出電壓加/減0.1V和加/減1V，行鍵盤與單片機(jī)的P1.0、P1.1相連，并上拉電阻到VCC，保證輸入穩(wěn)定。列鍵盤與單片機(jī)的P1.5、P1.4相連。

3.4 輔助電路設(shè)計

3.4.1 輸出分壓電阻的設(shè)計

本次設(shè)計的開關(guān)電源的輸出電壓最大有15V，而ADC0832芯片只能采樣0—5V的電壓，因此需要設(shè)計分壓器。設(shè)檢測電流為1mA，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為5V，輸出電壓最大10V，分壓器的下臂電阻計算如下：

忽略電阻的誤差，這樣分壓器上臂電阻為：

實(shí)際中，為了防止大電流，分壓器上臂選取的電阻阻值要稍大，同時為了減小電流在分壓臂上的損耗，電阻瓦數(shù)應(yīng)適當(dāng)降低，這里選取10 ，1/16W的電阻。

3.4.2 輸出保護(hù)電路的設(shè)計

在這次設(shè)計中，采用過電流保護(hù)的機(jī)制。其工作原理為：通過公式

（Io為負(fù)載電流，Vo未過流檢測電壓），當(dāng)開關(guān)電源負(fù)載電流

時，三極管作為過流控制管，過流控制三極管導(dǎo)通，為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，需要把電源輸出電壓由過流控制管集電極輸出，將開關(guān)電源負(fù)載短路，觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

4軟件程序設(shè)計

下面我們將對本次智能開關(guān)電源控制程序從如下幾個子程序進(jìn)行具體的闡述與分析。這些子程序主要包括：（1）鍵盤掃描程序；（2）ADC0832采樣程序；（3）PWM脈沖產(chǎn)生程序；（4）LCD1602顯示程序；（5）PID控制程序。

4.1 鍵盤掃描程序

在本次智能開關(guān)電源鍵盤掃描程序設(shè)計中，我們采用的鍵盤掃描方法是：首先把所有的行所對應(yīng)的口預(yù)置為高電平，所有的列所對應(yīng)的端口預(yù)置為低電平。通過不斷查詢所有行所對應(yīng)口的電平高低變化即可判斷出此行是否有按鍵閉合；然后檢查所有行線狀態(tài)，如果不全為1，則按下的鍵在這一列，而且是在與低電平行線相交交點(diǎn)上的那個鍵；如果全為1，則按下的鍵不在此列。

4.2 A/D采樣程序

在本次設(shè)計中，ADC0832采樣0到5V電壓對應(yīng)數(shù)字量為0到255，所用的變換程序?yàn)椋?（r為模擬的電壓值，X為采樣值）。

4.3PWM脈沖產(chǎn)生程序

本次智能開關(guān)電源設(shè)計中使用定時器0產(chǎn)生PWM脈沖，工作模式2，PWM脈沖輸出口為P2^0。計算預(yù)置計數(shù)值在工作方式2的定時時間計算公式為

（4-1）

上式中 是計數(shù)初值。在本次設(shè)計中所采用的晶振為24MHz，這樣可以計算出，一個機(jī)器周期為0.5 。設(shè)計數(shù)初值為x，則有：

（4-2）

根據(jù)本次設(shè)計開關(guān)電源的工作頻率，設(shè)定定時器初值為 ，即經(jīng)過 個振蕩周期后溢出，每個振蕩周期為 。同時設(shè)定一個脈沖周期變量pernod，脈沖高低電平時間變量為ton和toff，通過控制ton和toff的值，就可以改變PWM脈沖的占空比。

4.4 液晶屏顯示程序

本次設(shè)計的液晶顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏。這是一種常見的顯示模塊。它內(nèi)置192 種字符，具有64個字節(jié)的自定義字符RAM。

4.5 PID控制算法

本設(shè)計所采用的PID控制策略是增量型PID控制。

PID調(diào)節(jié)的近似公式為：

（4-3）

其中：ki，kp，kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)，y0為ADC0832的當(dāng)前采樣值，這個采樣值實(shí)際是每5次采樣值得算術(shù)平均值；y1為上一個5次采樣的算術(shù)平均值，y2為過去的兩次采樣值，r為目標(biāo)控制量，u為目標(biāo)控制量的增量值[5]。

5結(jié)論

本文所研究的單片機(jī)控制的智能型開關(guān)電源是軟件工程技術(shù)在電源能量控制方面的一個具體應(yīng)用。系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心，由開關(guān)變換電路、采樣電路、鍵盤輸入電路、液晶屏顯示電路、輔助電路等幾大模塊組成，利用閉環(huán)反饋控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓可調(diào)，能源利用率提高，人機(jī)交互界面友好的開關(guān)電源。

參考文獻(xiàn)

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