基于單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計

1、37武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文）材料之二（1） 武漢理工大學機電學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）專 業(yè)： 自動化 題 目： 基于單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計作 者 姓 名： xxx 導師及職稱： xx 教授 導師所在單位： 電氣工程學院 2010年 6 月 16 日武漢理工大學機電學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 2010 屆 自動化 專業(yè)學生姓名： xxx 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目中文：基于單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計英文：the design of switching power supply based on scm 原始資料1 周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù)m.北京航空航大大學出版社，2

2、0052 張占松、蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計m .北京：電子工業(yè)出版社，20013 陸治國.電源的計算機仿真技術(shù)m .北京：科學出版社，20014 童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)m.北京：高教出版社，19955 何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計m.北京：北京航空航天大學出版社，2000：3-10 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)內(nèi)容1、課題研究的意義 隨著電力電子技術(shù)的告訴發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源

3、、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源，更促進了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制ic和mosfet構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛的發(fā)展空間。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高穩(wěn)定性能好保護措施完善等優(yōu)點，但由于控制信號一般通過精密穩(wěn)壓器tl431、光耦等獲得，使得輸出電壓

4、很難做到寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。將單片機系統(tǒng)應(yīng)有于開關(guān)穩(wěn)壓電源中，實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的數(shù)字化，使其保護功能更完善、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度高，可用于取代傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓電源。本文介紹了一種基于單片機的智能穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案，其核心技術(shù)是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變其后的穩(wěn)壓模塊的輸出。該系統(tǒng)由整流濾波初步穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、dac和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進可調(diào)，并且可實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。2、本課題研究的主要內(nèi)容 開關(guān)穩(wěn)壓電源是指電壓調(diào)整功能的器件，是以開關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源 ,具有高效率、體積小的特點, 廣泛應(yīng)用于各種通信、電子、電器設(shè)備領(lǐng)域中。小功率開關(guān)電源的設(shè)

5、計中,普遍采用專用集成芯片控制脈寬調(diào)制技術(shù)。本設(shè)計采用單片機為控制核心，通過軟件編程對開關(guān)電源控制部分進行優(yōu)化設(shè)計，使其不斷檢測電源的輸出電壓 ,根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差 , 對pwm的占空比進行調(diào)節(jié),以提高穩(wěn)壓電源的精度。3、提交的成果：（1）畢業(yè)設(shè)計（論文）正文；（2）至少一篇引用的外文文獻及其譯文；（3）附不少于10篇主要參考文獻的題錄及摘要。指導教師（簽字） 教研室主任（簽字） 批 準 日 期 2009年12月30日接受任務(wù)書日期 2010年1月6日完 成 日 期 2010年6月16日接受任務(wù)書學生（簽字） 基于單片機的開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計摘 要本文介紹了一種基于單片機的智能穩(wěn)壓電源

6、的設(shè)計方案，其核心技術(shù)是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變其后的穩(wěn)壓模塊的輸出，利用單片機arm片內(nèi)a/d不斷檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，利用片內(nèi)pwm模塊輸出pwm波，直接控制電源的工作。arm擴展按鍵、數(shù)碼顯示功能實現(xiàn)數(shù)控輸出電壓。該系統(tǒng)由整流濾波初步穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、dac和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進可調(diào)，并且可實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。并采用buck pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器，它是是一種在高頻pwm脈沖控制下，以一定的占空比重復(fù)導通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換器中的pwm開關(guān)組合，通過改變pwm的占空比來改變輸出電壓。同時伴有保護電路，如防浪涌的軟啟動，防過壓、

7、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路，可以有效地保證開關(guān)電路正常有效安全的運行。關(guān)鍵詞：單片機；穩(wěn)壓電源；連續(xù)步進可調(diào)；數(shù)模轉(zhuǎn)換； design of intelligent power supply based on mcuabstractthis paper introduces a single-chip microcomputer-based intelligent power supply design program, its core technology through the mcu to control digital-to-analog converters to ch

8、ange the voltage regulator module subsequent output，monolithic integrated circuits of the arm of a constant source of the test, output voltage power output voltage and the set value of the poor and the use of pwm output within modules pwm, directly control the power of work. arm extended key, digita

9、l display realize the functions of output voltage. the system consists of rectifier filter preliminary regulator of the mcu control of the dac and display components, the power supply can be continuously adjustable stepper, and can be real-time display, made up for the shortcomings of traditional vo

10、ltage regulator power supply. and the buck pwm dc-dc converters, it is a high frequency pwm pulses to control, the report of the road than repeat and off the combination of pwm switching by change of air of pwm than to change the output voltage. be accompanied by the protection circuit, such as the

11、waves against the soft and prevent overpressure, owing to pressure and heat, a flow and short-circuit and lack of equal protection circuit, can effectively ensure switch security in the circuit normal effective operation.key words： mcu; regulated power supply; stepping and adjustable ram；dac目錄引言1第一章

12、 概述2 1.1 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向21.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀31.3 系統(tǒng)研究方向3第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計原理4 2.1 設(shè)計原理42.2 系統(tǒng)框圖5第三章 主要器件介紹6 3.1 at89c51簡介6 3.2 dac0832工作原理73.3 數(shù)碼管顯示原理8第四章 硬件電路114.1 開關(guān)變換電路114.2 整流濾波、初步穩(wěn)壓125.2 at89c51主控部分145.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換dac0832145.4 穩(wěn)壓部分155.5 顯示電路155.6 保護電路16第五章 軟件設(shè)計217.1 軟件流程圖21第六章 系統(tǒng)源程序22結(jié)束語與展望24致謝25參考文獻26附錄一 系統(tǒng)總電路圖一27附錄二 系統(tǒng)

13、總電路圖二28附錄三 外文文獻及譯文29插圖清單圖2.1 直流穩(wěn)壓電源框圖4圖2.2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路4圖2.3 系統(tǒng)框圖5圖3.1 at89c51引腳圖6圖3.2 dac0832原理框圖7圖3.3 dac單極性輸出電路8圖3.4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖8圖4.1 降壓型pwm dcdc轉(zhuǎn)換器11圖4.2 buck變換器原理圖11圖4.3 整流濾波電路12圖4.4 三端穩(wěn)壓電路13圖4.5 at89c51主控電路14圖4.6 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路14圖4.7 穩(wěn)壓電路14圖4.8 數(shù)碼管顯示電路15圖4.9 利用51單片機輸出pwm波15圖4.10 可變脈沖pwm輸出15圖4.11 采用晶閘管和限流電阻組成的軟啟

14、動電路16圖4.12 采用繼電器k1和限流電阻構(gòu)成的軟啟動電路17圖4.13 替代rc的延遲電路17圖4.14 過壓、欠壓、過熱保護電路18圖4.15 三相三線制的缺相保護電路19圖4.16 采用igbt過流時vce增大的原理進行保護20圖5.1 系統(tǒng)軟件流程圖21表格清單表3.5數(shù)碼管字形編碼937引言隨著電力電子技術(shù)的告訴發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，程控交換機、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開

15、關(guān)電源，更促進了開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制ic和mosfet構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一成本反轉(zhuǎn)點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)在不斷地創(chuàng)新，這一電力端移動，這為開關(guān)電源提供了廣泛成本反轉(zhuǎn)點日益向低輸出的發(fā)展空間。開關(guān)穩(wěn)壓電源具有效率高穩(wěn)定性能好保護措施完善等優(yōu)點，但由于控制信號一般通過精密穩(wěn)壓器tl431、光耦等獲得，使得輸出電壓

16、很難做到寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。將單片機系統(tǒng)應(yīng)有于開關(guān)穩(wěn)壓電源中，實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的數(shù)字化，使其保護功能更完善、輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)精度高，可用于取代傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓電源。本文介紹了一種基于單片機的智能穩(wěn)壓電源的設(shè)計方案，其核心技術(shù)是通過單片機控制數(shù)模轉(zhuǎn)換來改變其后的穩(wěn)壓模塊的輸出。該系統(tǒng)由整流濾波初步穩(wěn)壓部分、單片機控制部分、dac和顯示部分組成，該穩(wěn)壓電源能連續(xù)步進可調(diào)，并且可實時顯示，彌補了傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源的不足。第一章 概述1.1直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向1.1.1智能化目前在研制高精度、高性能、多功能的測量控制儀表時，幾乎沒有不考慮采用微處理器的。以微處理器為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，將計

17、算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的所謂“智能化測量控制儀表”。智能儀器解決了許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時還能簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的可靠性，加快產(chǎn)品的開發(fā)速度。直流穩(wěn)壓電源一方面為儀器儀表提供電能量，是儀器儀表的“動力源”，另一面它本身就是儀器儀表，因此，它有可能而且應(yīng)當智能化。具體地說，智能化的直流穩(wěn)壓電源電源應(yīng)當具有以下功能特點: 操作自動化。系統(tǒng)的整個測量過程如鍵盤掃描、量程選擇、開關(guān)啟動閉合、數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理以及顯示打印等都用微控制器來控制操作，實現(xiàn)測量過程的全部自動化。具有自檢測功能，包括自動調(diào)零、自動故障檢測與狀態(tài)檢驗、自動校準、自診斷及量程自動轉(zhuǎn)換等。

18、系統(tǒng)能自動檢測出故障的部位甚至故障的原因。具有友好的人機對話能力。智能化的直流穩(wěn)壓電源使用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中的切換開關(guān)，操作人員只需通過鍵盤輸入命令，就能實現(xiàn)某種測量功能。與此同時，智能直流穩(wěn)壓電源還通過顯示屏將儀器的運行情況、工作狀態(tài)以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果及時告訴操作人員，使系統(tǒng)的操作更加方便直觀。網(wǎng)絡(luò)管理能力。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益普及和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展，直流穩(wěn)壓電源通過rs232接口實現(xiàn)與上位pc機通信，從而使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可以隨時監(jiān)視電源設(shè)備運行狀態(tài)、各項技術(shù)參數(shù);網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員可通過網(wǎng)絡(luò)定時開關(guān)電源，實現(xiàn)遠程開關(guān)機等功能。1.1.2數(shù)字化在傳統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源中，控制部分是按模

19、擬信號來設(shè)計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術(shù)完全是建立在模擬電路基礎(chǔ)上的。但是，現(xiàn)在數(shù)字式信號、數(shù)字電路顯得越來越重要，數(shù)字信號處理技術(shù)日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調(diào)試和遙感遙測遙調(diào)，也便于自診斷、容錯等技術(shù)的植入。1.1.3模塊化電源的模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化;其二是指電源單元的模塊化。模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性大功率的電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高

20、可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯(lián)工作，采用均流技術(shù)，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現(xiàn)單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作量。1.1.4 綠色化電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網(wǎng)產(chǎn)生污染，國際電工委員會(iec對此制定了一系列標準，如工ec555, iec917,ieci000等。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，為21世紀批量生產(chǎn)各種綠色直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)品奠定了

21、基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在我國，以電力電子學為核心技術(shù)的電源產(chǎn)業(yè)，從二十世紀60年代中期開始形成，到了90年代以來，電源產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展時期。一方面， 電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快;另一方面，在國家自然科學基金的資助下或創(chuàng)新意識指導下，我國電力電子技術(shù)的研究從吸收消化和一般跟蹤發(fā)展到前沿跟蹤和基礎(chǔ)創(chuàng)新，電源產(chǎn)業(yè)界涌現(xiàn)了一些技術(shù)難度較大，具有國際先進水平的產(chǎn)品，而且還產(chǎn)生了一大批具有代表性的研究成果和產(chǎn)品;目前國內(nèi)還開展了跟蹤國際多方面前沿性課題的研究或基礎(chǔ)創(chuàng)新研究。但是我國電源產(chǎn)業(yè)與發(fā)達國家相比，存在著很大的差距和不足:在電源產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、開發(fā)投入、生產(chǎn)規(guī)模、工藝水平、先進檢測設(shè)備、智能化

22、、網(wǎng)絡(luò)化、持續(xù)創(chuàng)新能力等方面的差距為10-15年，尤其在實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源的智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面的研究不是很多。目前國內(nèi)在這兩方面研究比較多的是成都電子科技大學和廣州華南理工大學，主要是利用單片機和可編程系統(tǒng)器件(psd)來控制開關(guān)直流穩(wěn)壓電源或數(shù)制化電壓單元達到數(shù)控的目的，但和國外的比較起來，效果不是很理想，還有很大的差距。國內(nèi)廠家生產(chǎn)的直流穩(wěn)壓電源雖然也在向數(shù)字化方向發(fā)展，但多限于對輸出顯示實現(xiàn)數(shù)碼顯示，或?qū)崿F(xiàn)多組數(shù)值預(yù)置?？傮w說來，國內(nèi)直流穩(wěn)壓電源技術(shù)在實現(xiàn)智能化等方面相對落后，面對激烈的國際競爭，是個嚴重的挑戰(zhàn)。1.3 系統(tǒng)研究方向 本系統(tǒng)研究的直流穩(wěn)壓電源主要是符合智能化、數(shù)字化以及模塊

23、化的特點。智能化主要是指系統(tǒng)有可編程模塊可以對系統(tǒng)進行智能控制。數(shù)字化主要是指系統(tǒng)輸出電壓通過7段數(shù)碼管顯示，并且可以通過按鍵對輸出電壓進行連續(xù)步進數(shù)字化調(diào)節(jié)。模塊化是指系統(tǒng)由各個相關(guān)模塊組成，提高了系統(tǒng)的可靠性。 第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計原理2.1設(shè)計原理2.1.1穩(wěn)壓電源基本原理直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器t、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖2.1所示。電網(wǎng)供給的交流電壓u1(220v,50hz) 經(jīng)電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓u2，然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓u3，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓ui。但這樣的直流輸出電

24、壓，還會隨交流電網(wǎng)電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。圖2.1 直流穩(wěn)壓電源框圖2.1.2 穩(wěn)壓電路設(shè)計圖2.2 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路由運放組成的串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，電路如圖2.2。既可實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，而且輸出電壓連續(xù)步進可調(diào)，滿足設(shè)計要求。2.2系統(tǒng)框圖本課題設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源的核心控制器件選用at89c51，直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片dac0832，輸出電壓采用7段數(shù)碼管進行顯示。系統(tǒng)由各個模塊組成，由各個模塊組成的系統(tǒng)框圖如圖所示：圖2.3系統(tǒng)框圖第三章 主要器件介紹3.1 at89c51簡介本課題設(shè)計的直流穩(wěn)壓電源

25、的核心控制器件選用at89c511。at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at8920c51是他的精簡版，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案，引腳圖如圖3.1。 圖3.1 at89c51引腳圖3.2 dac

26、0832工作原理直流穩(wěn)壓電源的數(shù)模轉(zhuǎn)換采用通用芯片dac0832。dac0832的原理框圖如圖4.2所示。dac0832主要由8位輸入寄存器、8位dac寄存器、8位d/a轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8位dac寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制；8位d/a轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成的輸入控制電路來控制2個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。圖3.2 dac0832原理框圖當wr2和xfer同時有效時，8位dac寄存器端為高電平“1”，此時dac寄存器的輸出端q跟隨輸入端d也就是輸入寄存器

27、q端的電平變化；反之，當端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位dac寄存器中，以便第三級8位dac轉(zhuǎn)換器進行d/a轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，使第二級8位dac寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。dac單極性輸出方式如圖 3.3 所示。圖3.3 dac單極性輸出電路3.3數(shù)碼管顯示原理 3.3.1數(shù)碼管結(jié)構(gòu)輸出電壓采用7段數(shù)碼管進行顯示。數(shù)碼管由8個發(fā)光二極管（以下簡稱字段）構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示數(shù)字0 9、字符a f、h、l、p、

28、r、u、y、符號“-”及小數(shù)點“.”。數(shù)碼管的外型結(jié)構(gòu)如圖3.4（a）所示。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，分別如圖3.4（b）和圖3.4（c）所示。圖3.4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖3.3.2數(shù)碼管工作原理 共陽極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陽極（二極管正端）連接在一起，通常，公共陽極接高電平（一般接電源），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端。當某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。共陰極數(shù)碼管的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管負端）連接在一起，通常

29、，公共陰極接低電平（一般接地），其它管腳接段驅(qū)動電路輸出端，當某段驅(qū)動電路的輸出端為高電平時，則該端所連接的字段導通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能提供額定的段導通電流，還需根據(jù)外接電源及額定段導通電流來確定相應(yīng)的限流電阻3.3.3數(shù)碼管字形編碼要使數(shù)碼管顯示出相應(yīng)的數(shù)字或字符必須使段數(shù)據(jù)口輸出相應(yīng)的字形編碼。對照圖3.4（a），字型碼各位定義如下：數(shù)據(jù)線d0與a字段對應(yīng)，d1字段與b字段對應(yīng)，依此類推。如使用數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應(yīng)字段亮。如要顯示“0”，共

30、陽極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：11000000b（即c0h）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：00111111b（即3fh）。依此類推可求得數(shù)碼管字形編碼如表3.5所示。表3.5數(shù)碼管字形編碼顯示字 符字形共陰極共陽極dpgfedcba字型碼dpgfedcba字型碼0011oooooc0h001111113fh1111111001f9h0000011006h2210100100a4h010110115bh3310110000b0h010011114fh441001100199h0110011066h551001001092h011011016dh661000001082h011111017dh7711

31、111000f8h0000011107h881000000080h011111117fh991001000090h011011116fhaa10oo100088h0111011177hbb1000001183h011111007chcc11000110c6h0011100139hdd10100001a1h010111105ehee1000011086h0111100179hff100011108eh0111000171hhh1000100189h0111011076hll11000111c7h0011100038hpp10oo11008ch0111001173hrr11001110ceh001

32、1000131huu11000001c1h001111103ehyy1001000191h011011106eh-10111111bfh0100000040h.011111117fh1000000080h天天11111111ffh0000000000h第四章 硬件電路4.1開關(guān)變換電路4.1.1 pwm dc/dc的含義和組成所謂pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器，它是由半導體器件和儲能元件組成的。通過對其中開關(guān)管的pwm通/斷控制，將一種數(shù)值的直流電壓，轉(zhuǎn)換成所需要的另一種數(shù)值，并控制輸入與負載之間的功率流動，把具有這種功能的轉(zhuǎn)換器叫做pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器。對于小功率pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器，只用

33、一個開關(guān)管、一個開關(guān)二極管、一個電感和一個電容，就可以組成一臺非隔離式dc/dc轉(zhuǎn)換器。而pwm dc/dc中“三端pwm開關(guān)”不同的組合，可以使pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器具有不同的降壓、升壓、和升降壓功能。而本設(shè)計中采用的是降壓型pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器。4.1.2 buck pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器如下圖4.1所示為降壓型pwm dc/dc主電路它的工作原理是在高頻pwm脈沖控制下，以一定的占空比重復(fù)導通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換器中的pwm開關(guān)組合，對直流輸入電壓ui進行斬波，形成高頻脈沖方波電壓，再經(jīng)過濾波器濾波后接入負載。圖4.1降壓型pwm dcdc轉(zhuǎn)換器4.1.2.1buck pwm dc/dc轉(zhuǎn)

34、換器工作原理buck pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器在連續(xù)導電模式的工作原理根據(jù)圖所示可知：在一個周期內(nèi)，開關(guān)管的開關(guān)過程將直流輸入電壓進行斬波，形成脈沖寬度為ton的方波。當開關(guān)管導通時，二極管關(guān)斷，輸入端直流電源ui將功率傳送到負載，并使電感儲能；當開關(guān)管關(guān)斷時，二極管導通連續(xù)，二極管導通續(xù)流，電感上儲存的能量向負載釋放。在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流的平均值等于負載電流io。在穩(wěn)態(tài)工作時，pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器一個周期內(nèi)，開關(guān)管在導通和關(guān)斷時間內(nèi)的伏秒面積平衡，即在一個開關(guān)周期內(nèi)電感承受的電壓對時間的積分為0。 式（4.1）式中-電感承受電壓；-開關(guān)周期； 式（4.2）式中-開關(guān)頻率； -已個開

35、關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管的導通時間和關(guān)斷時間。占空比又稱導通比， 式（4.3）以在連續(xù)導電模式工作下的buck pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器為例，由圖可得t=0-時，； 式（4.4）t=-時，。 式（4.5）和分別為buck pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和輸出電壓。進一步可得： 式（4.6）故得在連續(xù)導電模式下的buck pwm dc/dc轉(zhuǎn)換器輸出/輸入電壓的轉(zhuǎn)換比為 式（4.7）圖4.2 buck變換器原理圖4.2整流濾波、初步穩(wěn)壓整流就是把交流電變成脈動的直流電的過程，整流的基本器件是二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦约纯砂呀涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動的直流電，橋式整流電路如圖4.3所示。 圖4.3 整流濾波

36、電路濾波是為了降低輸出電壓的脈動成分，得到較為平滑的直流電源，常有的濾波電路有電容濾波、rc（lc）型的濾波形式。電容是一個能儲存電荷的元件。有了電荷，兩極板之間就有電壓uc=q/c。在電容量不變時，要改變兩端電壓就必須改變兩端電荷，而電荷改變的速度，取決于充放電時間常數(shù)。時間常數(shù)越大，電荷改變得越慢，則電壓變化也越慢，即交流分量越小，也就“濾除”了交流分量，經(jīng)過濾波后，輸出電壓的紋波減小，直流成分得到提高；固定三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓電路如圖4.4所示，在輸入與公共端之間、輸出端與公共端之間分別接了0.33uf、0.1uf的電容,可以防止自激振蕩。圖4.4 三端穩(wěn)壓電路4.3 at89c51主控部分單

37、片機at89c51是系統(tǒng)的控制核心，主要是通過控制數(shù)摸轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)對穩(wěn)壓電源的調(diào)節(jié)，并且控制顯示電路，電路如圖4.5所示。 圖4.5 at89c51主控電路主控電路中包括at89c51工作的基本電路：復(fù)位電路和晶振電路，還有兩個按鍵：+sw鍵和-sw鍵，這兩個按鍵用于控制輸出電壓的增加與減小。4.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換dac0832dac模塊是整個系統(tǒng)的紐帶，連接著控制部分與穩(wěn)壓部分，電路如圖4.6所示圖4.6 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路該數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用的是dac0832單極性輸出方式，輸出vo=-b*vref/256，其中b的值為d0-d7組成的8位二進制，取值范圍為0-255，vref是參考電壓，該電壓有電阻r2

38、和可變電阻r3分壓所得，通過調(diào)節(jié)可變電阻可以改變參考電壓vref。4.5穩(wěn)壓部分穩(wěn)壓部分是系統(tǒng)的實現(xiàn)核心，dac模塊輸出的模擬信號決定最終的輸出電壓，電路如圖4.7所示。 圖4.7 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路中電阻r7和r8組成取樣電路，對輸出電壓進行取樣，運放tl082構(gòu)成比較電路，對采樣電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出的電壓進行比較以控制調(diào)整電路，三極管q1和q2構(gòu)成調(diào)整電路，調(diào)整電路通過改變?nèi)龢O管的管壓降來調(diào)整輸出電壓。4.6顯示電路顯示電路是對系統(tǒng)輸出電壓進行顯示，使得整個系統(tǒng)更加合理話，由于只顯示輸出的電壓，所以顯示器件采用數(shù)碼管，電路如圖4.8所示； 圖4.8 數(shù)碼管顯示電路4.7 利用51單片機輸出pw

39、m波 51系列單片機無pwm輸出功能，可以采用定時器配合軟輸出的方法輸出其電路圖如下圖4.9所示，采用了高速光隔6n137輸出，并將pwm的信號倒相。圖4.9 利用51單片機輸出pwm波用t0定時器控制pwm的占空比，t1控制脈寬。t0,t1設(shè)置成16位定時器。圖4.10 可變脈沖pwm輸出4.8保護電路4.8.1 引言評價開關(guān)電源的質(zhì)量指標應(yīng)該是以安全性、可靠性為第一原則。在電氣技術(shù)指標滿足正常使用要求的條件下，為使電源在惡劣環(huán)境及突發(fā)故障情況下安全可靠地工作，必須設(shè)計多種保護電路，比如防浪涌的軟啟動，防過壓、欠壓、過熱、過流、短路、缺相等保護電路。4.8.2開關(guān)電源常用的幾種保護電路4.8

40、.3 防浪涌軟啟動電路開關(guān)電源的輸入電路大都采用電容濾波型整流電路，在進線電源合閘瞬間，由于電容器上的初始電壓為零，電容器充電瞬間會形成很大的浪涌電流，特別是大功率開關(guān)電源，采用容量較大的濾波電容器，使浪涌電流達100a以上。在電源接通瞬間如此大的浪涌電流，重者往往會導致輸入熔斷器燒斷或合閘開關(guān)的觸點燒壞，整流橋過流損壞；輕者也會使空氣開關(guān)合不上閘。上述現(xiàn)象均會造成開關(guān)電源無法正常工作，為此幾乎所有的開關(guān)電源都設(shè)置了防止流涌電流的軟啟動電路，以保證電源正常而可靠運行。圖4.11 采用晶閘管和限流電阻組成的軟啟動電路圖4.11是采用晶閘管v和限流電阻r1組成的防浪涌電流電路。在電源接通瞬間，輸入

41、電壓經(jīng)整流橋（d1d4）和限流電阻r1對電容器c充電，限制浪涌電流。當電容器c充電到約80額定電壓時，逆變器正常工作。經(jīng)主變壓器輔助繞組產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管導通并短路限流電阻r1，開關(guān)電源處于正常運行狀態(tài)。圖4.12采用繼電器k1和限流電阻構(gòu)成的軟啟動電路圖4.13 替代rc的延遲電路圖4.12是采用繼電器k1和限流電阻r1構(gòu)成的防浪涌電流電路。電源接通瞬間，輸入電壓經(jīng)整流（d1d4）和限流電阻r1對濾波電容器c1充電，防止接通瞬間的浪涌電流，同時輔助電源vcc經(jīng)電阻r2對并接于繼電器k1線包的電容器c2充電，當c2上的電壓達到繼電器k1的動作電壓時，k1動作，其觸點k1.1閉合而旁

42、路限流電阻r1，電源進入正常運行狀態(tài)。限流的延遲時間取決于時間常數(shù)（r2c2），通常選取為0.30.5s。為了提高延遲時間的準確性及防止繼電器動作抖動振蕩，延遲電路可采用圖4.13所示電路替代rc延遲電路。4.8.4 過壓、欠壓及過熱保護電路進線電源過壓及欠壓對開關(guān)電源造成的危害，主要表現(xiàn)在器件因承受的電壓及電流應(yīng)力超出正常使用的范圍而損壞，同時因電氣性能指標被破壞而不能滿足要求。因此對輸入電源的上限和下限要有所限制，為此采用過壓、欠壓保護以提高電源的可靠性和安全性。溫度是影響電源設(shè)備可靠性的最重要因素。根據(jù)有關(guān)資料分析表明，電子元器件溫度每升高2，可靠性下降10，溫升50時的工作壽命只有溫升

43、25時的1/6，為了避免功率器件過熱造成損壞，在開關(guān)電源中亦需要設(shè)置過熱保護電路。圖4.14過壓、欠壓、過熱保護電路圖4.14是僅用一個4比較器lm339及幾個分立元器件構(gòu)成的過壓、欠壓、過熱保護電路。取樣電壓可以直接從輔助控制電源整流濾波后取得，它反映輸入電源電壓的變化，比較器共用一個基準電壓，n1.1為欠壓比較器，n1.2為過壓比較器，調(diào)整r1可以調(diào)節(jié)過、欠壓的動作閾值。n1.3為過熱比較器，rt為負溫度系數(shù)的熱敏電阻，它與r7構(gòu)成分壓器，緊貼于功率開關(guān)器件igbt的表面，溫度升高時，rt阻值下降，適當選取r7的阻值，使n1.3在設(shè)定的溫度閾值動作。n1.4用于外部故障應(yīng)急關(guān)機，當其正向端

44、輸入低電平時，比較器輸出低電平封鎖pwm驅(qū)動信號。由于4個比較器的輸出端是并聯(lián)的，無論是過壓、欠壓、過熱任何一種故障發(fā)生，比較器輸出低電平，封鎖驅(qū)動信號使電源停止工作，實現(xiàn)保護。如將電路稍加變動，亦可使比較器輸出高電平封鎖驅(qū)動信號。4.7.5 缺相保護電路 由于電網(wǎng)自身原因或電源輸入接線不可靠，開關(guān)電源有時會出現(xiàn)缺相運行的情況，且掉相運行不易被及時發(fā)現(xiàn)。當電源處于缺相運行時，整流橋某一臂無電流，而其它臂會嚴重過流造成損壞，同時使逆變器工作出現(xiàn)異常，因此必須對缺相進行保護。檢測電網(wǎng)缺相通常采用電流互感器或電子缺相檢測電路。由于電流互感器檢測成本高、體積大，故開關(guān)電源中一般采用電子缺相保護電路。圖

45、5是一個簡單的電子缺相保護電路。三相平衡時，r1r3結(jié)點h電位很低，光耦合輸出近似為零電平。當缺相時，h點電位抬高，光耦輸出高電平，經(jīng)比較器進行比較，輸出低電平，封鎖驅(qū)動信號。比較器的基準可調(diào)，以便調(diào)節(jié)缺相動作閾值。該缺相保護適用于三相四線制，而不適用于三相三線制。電路稍加動，亦可用高電平封鎖pwm信號。圖4.15三相三線制的缺相保護電路圖4.15是一種用于三相三線制電源缺相保護電路，a、b、c缺任何一相，光耦器輸出電平低于比較器的反相輸入端的基準電壓，比較器輸出低電平，封鎖pwm驅(qū)動信號，關(guān)閉電源。比較器輸入極性稍加變動，亦可用高電平封鎖pwm信號。這種缺相保護電路采用光耦隔離強電，安全可靠

46、，rp1、rp2用于調(diào)節(jié)缺相保護動作閾值。4.8.5 短路保護開關(guān)電源同其它電子裝置一樣，短路是最嚴重的故障，短路保護是否可靠，是影響開關(guān)電源可靠性的重要因素。igbt（絕緣柵雙極型晶體管）兼有場效應(yīng)晶體管輸入阻抗高、驅(qū)動功率小和雙極型晶體管電壓、電流容量大及管壓降低的特點，是目前中、大功率開關(guān)電源最普遍使用的電力電子開關(guān)器件。igbt能夠承受的短路時間取決于它的飽和壓降和短路電流的大小，一般僅為幾s至幾十s。短路電流過大不僅使短路承受時間縮短，而且使關(guān)斷時電流下降率di/ dt過大，由于漏感及引線電感的存在，導致igbt集電極過電壓，該過電壓可在器件內(nèi)部產(chǎn)生擎住效應(yīng)使igbt鎖定失效，同時高

47、的過電壓會使igbt擊穿。因此，當出現(xiàn)短路過流時，必須采取有效的保護措施。為了實現(xiàn)igbt的短路保護，則必須進行過流檢測。適用igbt過流檢測的方法，通常是采用霍爾電流傳感器直接檢測igbt的電流ic，然后與設(shè)定的閾值比較，用比較器的輸出去控制驅(qū)動信號的關(guān)斷；或者采用間接電壓法，檢測過流時igbt的電壓降vce，因為管壓降含有短路電流信息，過流時vce增大，且基本上為線性關(guān)系，檢測過流時的vce并與設(shè)定的閾值進行比較，比較器的輸出控制驅(qū)動電路的關(guān)斷。在短路電流出現(xiàn)時，為了避免關(guān)斷電流的di/dt過大形成過電壓，導致igbt鎖定無效和損壞，以及為了降低電磁干擾，通常采用軟降柵壓和軟關(guān)斷綜合保護技術(shù)。在檢測到過流信號后首先是進入降柵保護程序，以降低故障電流的幅值，延長igbt的短路承受時間。在降柵動作后，設(shè)定一個固定延遲時間用以判斷故障電流的真實性，