基于單片機(jī)控制的升壓型直流變換器設(shè)計

1、 序號： 07446308 常 州 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）（2011屆）題 目 基于單片機(jī)控制的升壓型直流變換器設(shè)計 學(xué) 生 陸蘇青 學(xué) 號 07446308 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程 專業(yè)班級 電子（懷）071 校內(nèi)指導(dǎo)教師 姚廣平 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 研究員級高工校外指導(dǎo)老師 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 二一一年六月基于單片機(jī)控制的升壓型直流變換器設(shè)計摘 要：介紹基于單片機(jī)為核心控制的升壓斬波電路（boost chopper）.利用matlab仿真軟件仿真和protel設(shè)計軟件設(shè)計電路?；趩纹瑱C(jī)控制的升壓型直流變換器設(shè)計，由電源電路模塊、控制電路模塊，驅(qū)動電路模塊，斬波電路模塊，保護(hù)電路模塊和顯示電路模塊幾個

2、模塊組成。以單片機(jī)為控制核心的升壓斬波電路，通過單片機(jī)生成占空比可變的方波，從而控制驅(qū)動電路。驅(qū)動電路驅(qū)動主電路中的場效應(yīng)管，以達(dá)到改變管子的開通或關(guān)斷時間的目的。由斬波電路的原理可知開通、關(guān)斷時間的不同，輸出電壓也不同，該設(shè)計工作還包括過壓，過流保護(hù)電路。過流保護(hù)電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成，過壓保護(hù)由單片機(jī)完成，一旦過了參考值，單片機(jī)輸出口就輸出恒低電平信號，使驅(qū)動電路關(guān)斷，場效應(yīng)管也隨之關(guān)斷。以此以達(dá)到保護(hù)電路的目的。關(guān)鍵字：升壓斬波;8051;simulink ; 場效應(yīng)管。the design of microcomputer controlofboostdc-dc converterabs

3、tract: describesthe core ofthe controlbased on single chipboostchopper. using matlab simulation software andproteldesign. microcomputer control of boost dc-dc converter is made up by power supplycircuit module, the control circuitmodule,drive circuitmodule,the chopper circuit module, circuit protect

4、ion circuit moduleand displaymodule. the core ofthemicrocontrollerto control the boost chopper. microcomputer generatedbythe variableduty cyclesquare wave to control thedrive circuit. drive circuitdrivesthe primarycircuitof the mosfet.in order tochangeopening-time oroff-time. we knowfrom theprincipl

5、e ofchopper. by the different of opening-time oroff-time, the output voltagewill be different. the designalso includesovervoltage,over current protectioncircuit. over-current protectioncircuit consists ofoperationalamplifiers. overvoltage protectionfrom themicrocomputerto complete. once thereference

6、 value, the microcontroller output to constantlow-leveloutputsignal to drive circuitoff, mosfetalso willturn off.in orderto achievethe purpose of protection circuit.key: boost chopper;8051; simulink ;mosfet.目 錄摘要i目錄iii1 引言11.1 電力電子技術(shù)的簡介11.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展11.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用22 升壓斬波電路的設(shè)計及其應(yīng)用32.1 主電路工作原理32.1.1 工

7、作原理32.1.2 數(shù)量關(guān)系32.2 升壓斬波電路的典型應(yīng)用43 硬件設(shè)計73.1 升壓直流變換器電路總設(shè)計概述73.2 控制電路73.2.1 占空比可調(diào)的方波發(fā)生電路部分73.2.2 方波發(fā)生器電路芯片簡介at89s5283.3 驅(qū)動電路113.4 斬波電路123.4.1 儲能電感l(wèi)的選擇133.4.2 輸出濾波電容的選擇133.4.3 光耦芯片的介紹143.4.4 開關(guān)晶體管的選擇153.4.5 二極管153.5 保護(hù)電路153.5.1 保護(hù)電路原理介紹153.5.2 保護(hù)電路的芯片介紹183.6 穩(wěn)壓電路223.6.1 串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路223.6.2 穩(wěn)壓原理233.7 電源電路243

8、.7.1電源電路電路圖243.7.2電源電路原理254 軟件設(shè)計274.1 軟件主要實現(xiàn)的功能根據(jù)該電路的需求274.2 主流程圖274.3 控制電路274.4 電壓顯示325 matlab仿真實驗355.1 仿真模型355.2 仿真結(jié)果，負(fù)載波形365.3 仿真實驗結(jié)論386 結(jié)論39參考文獻(xiàn)40致謝41iv常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）1 引 言隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源已被廣泛用于計算機(jī)、通信、工業(yè)加工和航空航天等領(lǐng)域。所有動力機(jī)裝置需要一個穩(wěn)定的電力輸送裝置，而外部提供的能源大多為交流，電源設(shè)備擔(dān)負(fù)著把交流電源轉(zhuǎn)換為電子設(shè)備所需的各種類別直流任務(wù)。但有時那轉(zhuǎn)變的直流電

9、壓同所需設(shè)備要求人仍不相符，仍需變換，稱為dc/dc變換。直流斬波電路作為將直流電，變成另一種固定電壓的dc-dc變換器，在充電蓄電電路、直流傳動系統(tǒng).、電力電子變換裝置、開關(guān)電源及各種用電設(shè)備中得到普遍的應(yīng)用。隨之出現(xiàn)了諸如升壓斬波電路、降壓斬波電路、復(fù)合斬波電路、升降壓斬波電路等多種方式的變換電路。直流斬波技術(shù)，已被廣泛運(yùn)用于直流開關(guān)電源和電機(jī)推動中，使其控制獲得加速平滑、快速響應(yīng)、加快節(jié)能的效果。直流斬波電路實際上采用的就是pwm技術(shù)，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。pwm控制方式是目前才用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的

10、發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設(shè)計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點(diǎn)。該課題是基于單片機(jī)，所以設(shè)計采用單片機(jī)產(chǎn)生占空比可變的方波信號，以達(dá)到場效應(yīng)管開通或關(guān)斷時間變化的目的。1.1 電力電子技術(shù)的簡介所謂電力電子技術(shù)1就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。具體地說，電力電子技術(shù)是使用電力電子裝置對電能轉(zhuǎn)化和控制技術(shù)。電力電子技術(shù)是橫跨“電子”、“電力”和“控制”三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學(xué)科。通常所用的電力有直流(dc)和交流(ac)兩大類。直接從公用電網(wǎng)得到的電力是交流，直接從蓄電池和干電池得

11、到的電力是直流。從這些電源得到的電力往往不能直接滿足設(shè)備對電源的要求，需要進(jìn)行電力變換。電力變換通?？煞譃樗姆N類型：交流變直流(ac-dc)變換：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。直流變交流(dc-ac)變換：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。交流變交流(ac-ac)變換，將交流電能的參數(shù)(幅值或頻率)加以變換。直流變直流(dc-dc)變換，將恒定直流變成斷續(xù)脈沖輸出，以改變其平均值。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展電力電子器件的發(fā)展，為電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性作用。電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱。1957年第一只晶閘管也稱可控硅(scr)問世后，因此,自20世紀(jì)60年代開始進(jìn)入了晶閘管時代。70年代

12、以后，出現(xiàn)了通和斷或開和關(guān)都能控制的全控型電力電子器件(亦稱自關(guān)斷型器件)，如：門極可關(guān)斷晶閘管(gto)、雙極型功率晶體管(bjt/ gtr)、功率場效應(yīng)晶體管(p-mosfet)、絕緣柵雙極型晶體管(igbt)等。控制電路經(jīng)歷了，從分立元件到集成電路的發(fā)展階段?，F(xiàn)在已有專為各種控制功能設(shè)計的專用集成電路，這使變換器的控制電路大大簡化。設(shè)計中就是用了場效應(yīng)晶體管，來作為主電路的重要組成部分。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅應(yīng)用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。例如：(

13、1) 優(yōu)化電能使用。通過對發(fā)電力進(jìn)行電力電子技術(shù)處理，使電力的使用配置達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)最優(yōu)使用電力能源。(2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。特別強(qiáng)調(diào)的是，電力電子技術(shù)采用的是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計算機(jī)之間的重要接口，這成為發(fā)揮計算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)，這也是為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件。(3) 電力電子技術(shù)的發(fā)展,高頻率的變頻技術(shù),，將會使電氣設(shè)備突破傳統(tǒng)，電源向高頻化的方向發(fā)展。 (4) 電力電子智能化的發(fā)展，在一定的程度上將信息處理和功率處理合一，使電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)一體化，電力電子智能化的發(fā)展可能引起一些重大的電子技術(shù)改革。2 升壓斬

14、波電路的設(shè)計及其應(yīng)用2.1 主電路工作原理2.1.1 工作原理假設(shè)l和c值很大。igbt(v)處于導(dǎo)通狀態(tài)時，電源e向電感l(wèi)充電，電流恒定i1，電容c向負(fù)載r供電，輸出電壓uo恒定。igbt(v)處于斷開狀態(tài)時，電源e和電感l(wèi)一起向電容c充電，并向負(fù)載提供電能。圖1.1 升壓斬波電路主電路圖首先假設(shè)電感l(wèi)值很大，電容c值也非常大。當(dāng)v-g（驅(qū)動電路與igbt連接處端口名）為高電平時，igbt(v)導(dǎo)通，24v電源向l充電，充電基本恒定為,此時電容c上的電壓向負(fù)載r供電，因c值很大，可以保持輸出電壓為恒值，記為。設(shè)v處于導(dǎo)通狀態(tài)的時間為，此階段電感l(wèi)上積儲的能量為。當(dāng)v處于關(guān)斷狀態(tài)時e和l共同向

15、電容c充電，并向負(fù)載r提供能量。設(shè)v處于段態(tài)的時間為，則在此時間內(nèi)電感釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)定狀態(tài)時，一個周期（t）的時間內(nèi)，電感積儲的電能與釋放的電能相等2，即 （1.1）化簡得 （1.2）上式中的，輸出電壓則高于電源電壓。式（1-1）中 為升壓比，調(diào)節(jié)的大小，即可改變輸出電壓的大小。2.1.2 數(shù)量關(guān)系設(shè)igbt通態(tài)的時間為t，此階段l上積存的能量為：eit設(shè)igbt斷態(tài)的時間為t，則此段時間內(nèi)電感l(wèi)釋放能量為：（u0-e）i1t穩(wěn)態(tài)時，一個周期時間內(nèi)中l(wèi)積存的能量與釋放的能量相等： （1.3）t/t1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。t/t升壓比;升壓比的倒數(shù)記為，即=。又

16、因為+=1。所以： u=e=e （1.4）電壓升高得原因：電感l(wèi)儲能使電壓泵升的作用，電容可將輸出電壓保持住。2.2 升壓斬波電路的典型應(yīng)用通常用于直流電動機(jī)再生制動時把能量回饋給直流電源3圖2.1 升壓斬波電路的典型應(yīng)用實際電感值不可能為無窮大，因此有電動機(jī)電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種，工作狀態(tài)電機(jī)反電動勢相當(dāng)于圖2.1中的電源，此時直流電源相當(dāng)于圖2.1中的負(fù)載。由于直流電源的電壓基本是恒定的，因此不必并聯(lián)電容器?；凇胺侄尉€性”的思想進(jìn)行解析igbt(v)處于通態(tài)時，設(shè)電動機(jī)電樞電流為i1，得下式 （2.1）式中r為電機(jī)電樞回路電阻與線路電阻之和。設(shè)i1的初值為i10，解上式得 （2.2）當(dāng)i

17、gbt(v)處于斷態(tài)時，設(shè)電動機(jī)電樞電流為i2，得下式： （2.3）設(shè)i2的初值為i20，解上式得： （2.4）用于直流電動機(jī)回饋能量的升壓斬波電路波形，如圖2.2和圖2.3所示。圖2.2 電流連續(xù)升壓斬波電路波形 圖2.3 電流斷續(xù)升壓斬波電路波形當(dāng)電流連續(xù)時，從圖2.3的電流波形可看出，t=ton時刻i1=i20，t=toff時刻i2=i10，由此可得： （2.5） （2.6） 把上面兩式用泰勒級數(shù)線性近似，得 （2.7） 該式表示了l為無窮大時電樞電流的平均值io，即 （2.8） 對電流斷續(xù)工作狀態(tài)的進(jìn)一步分析可得出：電流連續(xù)的條件為 （2.9） 根據(jù)此式可對電路的工作狀態(tài)作出判斷。3

18、硬件設(shè)計3.1 升壓直流變換器電路總設(shè)計概述電源電路產(chǎn)生的穩(wěn)定24v直流電作為主電路（斬波電路）的輸入電源，電源電路產(chǎn)生的穩(wěn)定的直流+5v電壓控制單片機(jī)，通過單片機(jī)來輸出脈沖占空比可變的波，從而使升壓斬波電路升壓并輸出可調(diào)的脈沖電壓uo。把輸出電壓uo通過降壓后得到的信號uco反饋給a/d轉(zhuǎn)換電路，再通過比較器判斷電壓是否過壓，過壓則單片機(jī)輸出恒高電平，是mosfet關(guān)斷,因此整個系統(tǒng)構(gòu)成一個可調(diào)的直流升壓斬波電陸，并且達(dá)到過壓保護(hù)的目的3。本設(shè)計主要由:電源電路、控制電路、驅(qū)動電路、斬波電路和保護(hù)電路組成。3.2 控制電路3.2.1 占空比可調(diào)的方波發(fā)生電路部分該電路通過按鍵控制的89s52

19、產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波信號，之后將該方波信號送到驅(qū)動電路5。說是方波信號其實就是通過定時器計時，在規(guī)定時間內(nèi)輸出的是高電平或是低電平。單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)的，有條不紊地進(jìn)行工作。因而時鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路方式有兩種：一種是內(nèi)部時鐘方式，一種是外部時鐘方式，這里采用的是內(nèi)部時鐘方式，外接晶振。時鐘電路由片外晶體、微調(diào)電容和單片機(jī)的內(nèi)部電路組成。選取頻率為12mhz的晶振（選取此晶振值是方便編程需要，也是習(xí)慣性選擇），微調(diào)電容是瓷片電容。因為單片機(jī)的p1口接三個按鍵所以要注意消除按鍵抖動的問題，設(shè)計通過軟件編程實

20、現(xiàn)，即先檢驗按是否按下，后調(diào)用一個延時程序，之后再次檢測按鍵是否按下。圖3.1 方波發(fā)生電路89s52的p1口接三個按鍵6，如圖3.1，按鍵控制輸出信號的占空比，按s1占空比逐漸增加1，按s2則反之減1，s3則恢復(fù)初值?？刂菩盘柺菑膯纹瑱C(jī)的p1.5口輸出信號輸送到驅(qū)動電路，從而控制主電路。當(dāng)p1.5輸出低電平是場效應(yīng)管關(guān)斷，當(dāng)p1.5輸出高電平是場效應(yīng)管導(dǎo)通。即單片機(jī)輸出低電平時間為場效應(yīng)管的關(guān)斷時間，單片機(jī)輸出高電平時間為場效應(yīng)管的導(dǎo)通時間。根據(jù)任務(wù)書的要求，輸出的方波信號的占空比為60%，但設(shè)計時老師增加的要求是占空比可變的功能，所以在控制電路中加了三個按鍵，控制程序，達(dá)到占空比變化的效果

21、。3.2.2 方波發(fā)生器電路芯片簡介at89s52at89s52單片機(jī)7是一種低功耗高性能的cmos8位微控制器，內(nèi)置8kb可在線編程閃存。該器件采用atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，at89s52指令與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80c51指令集兼容。at89s52片內(nèi)程序存儲器，允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)通過spi串行口改寫或用同用的非易失性存儲器改寫，允許重復(fù)在線編程。at89s52成為一個高效的微型計算機(jī)是因為它是運(yùn)用通過把通用的8位cpu與可在線下載的flash集成在一個芯片上的技術(shù)。at89s52單片機(jī)的應(yīng)用范圍廣，它的成本較低，且可用于解決復(fù)雜控制問題。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2所示?？刂齐娐分惺?/p>

22、用at89s52是因為市場上多數(shù)采用at89s52，其成本低，且可用于解決復(fù)雜控制問題，且允許重復(fù)在線編程。at89s52有看門狗，如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說pc指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗,又叫 watchdog timer,是一個定時器電路, 一般有一個輸入,叫喂狗,一個輸出到單片機(jī)的rst端, 單片機(jī)正常工作的時候,每隔一端時間輸出一個信號到喂狗端,給看門狗清零,如果超過規(guī)定的時間不喂狗,(一般在程序跑飛時), 看門狗定時超過,就回給出一個復(fù)位信號到單片機(jī),使單片機(jī)復(fù)位. 防止單片機(jī)死機(jī). 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。如果不用此功能，可用用程

23、序來關(guān)狗，那么用偽指令： _config_wdt_off圖3.2 at89s52結(jié)構(gòu)框圖at89s52的主要特性如下：1）4v-5.5v的工作電源范圍2）兼容mcs51產(chǎn)品3）全靜態(tài)工作：0hz 24mhz4）8k字節(jié)可擦寫1000次的在線可編程isp 閃存5）256字節(jié)內(nèi)部ram6）3級程序存儲器加密7）32條可編程輸入/輸出線8）8個中斷源9）3個16位定時器/計數(shù)器10）uart串行通道11）靈活的在線編程（字節(jié)和頁模式）12）看門狗定時器13）通過中斷終止掉電方式14）雙數(shù)據(jù)指針15）低功耗空閑方式和掉電方式下圖3.3是at89s52封裝結(jié)構(gòu)圖。圖3.3 at89s52封裝引腳圖按照功

24、能，at89s52的引腳可分為：主電源、多功能輸入/輸出口、外接晶體振蕩或者振蕩器、控制和復(fù)位等。at89s52共有四個8位的并行i/o口：p0、p1、p2、p3端口，對應(yīng)的引腳分別是p0.0 - p0.7，p1.0 - p1.7，p2.0 - p2.7，p3.0 - p3.7，共32根輸入/輸出線。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。p0口，該口是一個8位漏極開路的雙向輸入/輸出口。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動8個ttl輸入負(fù)載。當(dāng)把“1”寫入p0時，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當(dāng)對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，p0可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線。對flash存儲器，進(jìn)行編程時，p0用

25、于接收代碼字節(jié)；在校驗時，則輸出代碼字節(jié)；此時需要外加上拉電阻。p1口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向輸入/輸出端口，p1口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口置“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉置高電位，此時可用作輸入口。p1口作為輸入口使用時，因為內(nèi)部是有上拉電阻的，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。對flash編程和程序校驗時，p1口接收低8位地址。另外，p1.0和p1.1可以配置成定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入端（p1.0/t2）和定時/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入端（p1.1/t2ex），p1口管腳復(fù)用功能如表3.1所示。表3.1 p1口管腳復(fù)用功能端口引腳復(fù)

26、用功能p1.0t2（定時器/計算器2的外部輸入端）p1.1t2ex（定時器/計算器2的外部觸發(fā)端和雙向控制）p1.5mosi（用于在線編程）p1.6miso（用于在線編程）p1.7sck（用于在線編程） p2口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向輸入/輸出端口，p2端口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對p2口置“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把p2口拉置高電位，此時可用作輸入口。該端口作輸入口使用時，因為p2口內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movx dptr指令）時，p2口送出地址的高8位，在訪問8

27、位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movx ri指令）時，p2端口引腳上的內(nèi)容，在整個訪問期間不會改變。對flash編程和程序校驗的期間，p2端口也接收地址高位或一些控制信號。 p3口，p3口是帶有內(nèi)部上拉電阻，的8位雙向輸入/輸出端口，p3口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個ttl輸入。對p2口置“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把p2口拉到高電位，此時可用作輸入口。p3端口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在at89s52中，同樣p3口還用于一些復(fù)用功能，如表3.2所列。在對flash編程和程序校驗期間，p3口還接收一些控制信號。表3.2 p3端口

28、引腳與復(fù)用功能表端口引腳復(fù)用功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2int0（外部中斷0）p3.3int1（外部中斷1）p3.4t0（定時器0的外部輸入）p3.5t1（定時器1的外部輸入）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）rst 復(fù)位輸入端。在振蕩器運(yùn)行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使其單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗定時器（watchdog）溢出后，該引腳會保持98個振蕩周期的高電平。在sfr auxr（地址8eh）寄存器中的disrto位可以用于屏蔽這種功能。disrto位的默認(rèn)狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能。ale/prog 地

29、址鎖存允許信號。在存取外部存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低字節(jié)地址。在對flash存儲器編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖prog。一般情況下，ale是振蕩器頻率的6分頻信號，可用于外部定時或時鐘。但是，在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中，會跳過一個ale脈沖。在需要時，可以把地址8eh中的sfr寄存器的0位置為“1”，從而屏蔽ale的工作；而只有在movx或movc指令執(zhí)行時ale才被激活。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時，對ale屏蔽位置“1”并不起作用。psen 程序存儲器允許信號。它用于讀外部程序存儲器。當(dāng)at89s52在執(zhí)行來自外部存儲器的指令時，每一個機(jī)器周期psen被激活2次。在對外部數(shù)據(jù)存儲

30、器的每次存取中，psen的2次激活會被跳過。ea/vpp 外部存取允許信號。為了確保單片機(jī)從地址為0000hffffh的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把ea接到gnd端，即地端。但是，如果鎖定位1被編程，則ea在復(fù)位時被鎖存。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時，ea應(yīng)接到vcc。在對flash存儲器編程時，這條引腳接收12v編程電壓vpp。xtal1 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。xtal2 振蕩器的反相放大器輸出。3.3 驅(qū)動電路 下圖3.4給出了電力mosfet一種驅(qū)動電路，它包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當(dāng)無輸入信號時高速放大器輸出負(fù)電平，q2導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓，從而場效應(yīng)管關(guān)斷，

31、當(dāng)有輸入信號時放大器輸出正電平，q1導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓，從而場效應(yīng)管導(dǎo)通。圖3.4 驅(qū)動電路電路圖電力mosfet的柵源極之間有數(shù)千皮法的極間電容使電力mosfet開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取10v至15v，關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動，一般取-5v至-15v,有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩。該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。所以圖3.4中，正驅(qū)動電壓為+15v，負(fù)驅(qū)動電壓為-15v，q1的型號是d44h8，q2的型號是d45h8。d44h8與d45h8的uce最大值為60v，因為該驅(qū)動電路中的驅(qū)動電壓為-15v，+15v，q1、

32、q2選擇上述型號較為安全。圖3.4中的ua741的輸入電阻20k置15m。這里取50k。常見的專為驅(qū)動電力moseft而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的m57918l,其輸入信號電流幅值為16ma，輸出最大脈沖電流為+2a和-3a，輸出驅(qū)動電壓+15v和-10v。3.4 斬波電路本設(shè)計為直流升壓斬波（boost chopper）電路，該電路是本系統(tǒng)的核心。原理圖如下圖3.5所示。圖3.5 斬波電路原理圖原理分析：首先假設(shè)電感l(wèi)值很大，電容c值也很大。當(dāng)v-g為高電平時，q1導(dǎo)通，24v（由電源模塊產(chǎn)生，圖3.5中的dy1與dy2分別主電路電源的正、負(fù)極）電源向l2充電，充電基本恒定為,同時電容c

33、上的電壓向負(fù)載r供電，因c值很大，基本保持輸出電壓為恒值，記為。設(shè)v處于通態(tài)的時間為，此階段電感l(wèi)上積儲的能量為。當(dāng)v處于段態(tài)時e和l共同向電容c充電，并向負(fù)載r提供能量。設(shè)v處于段態(tài)的時間為，則在此期間電感l(wèi)釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期t中電感l(wèi)積儲的能量于釋放的能量相等，等量關(guān)系在第2章工作原理中已經(jīng)計算。圖3.5的r1=90，由p= u20/r,u0=60v，p=40w，所以r=90。圖3.5后的r2、r3是用于分壓的，如圖所示電阻比為29:1，所以取樣電壓最大為2v,因為adc0809的輸入電壓為0v置5v，所以這里取樣電壓最大為2v較合適。3.4.1 儲能電感l(wèi)的選擇電

34、感電流包括直流平均植和紋波分量兩部分4，其電流平均值如下確定。假定忽略電路的內(nèi)部損耗，電路中開關(guān)f設(shè)為1khz，則vi*ii=vo*io,其中ii是從電源vi取出平均電流,也是流入電感的平均電流il,以下中vi=e=24v，v0=u0=60v,p0=40w,i0=0.67avo= vi*t/toff, (3.1) 故有 ii= vo*io/ vi=io*t/toff (3.2)選擇 i=vi*ton/l=1.4ii， (3.3)則電感l(wèi)為 l= vi*ton/1.4ii (3.4) ton=t*( vo- vi)/ vo=(vo-vi)f*v0 (3.5)假定忽略內(nèi)部的損耗，則vi*ii=vo

35、*i0 (3.6)故有 ii= vo*io/ vi (3.7) 因此 l= vi*ton/1.4ii= vi*（vo- vi）/1.4f * vo*i0 (3.8)已知輸出電壓vo、輸出電流io、輸入電壓vi和開關(guān)頻率f，就可求出電感值。則： l24（60-24）/1.4*1000*60*0.67=0.00617h (3.9)因此l的規(guī)格選為lgc0410 其電感量為0.15uh 56uh 額定電流范圍為1.85a 300ma。3.4.2 輸出濾波電容的選擇假如輸出濾波電容c必須在v開啟的ton期間供給全部負(fù)載電流，設(shè)在ton期間，c上的電壓降紋波電壓vo，由式得 c=io*(ton/vo)

36、(3.10)由式，求得ton=t*(vo-vi)/vo (3.11)故有 c= t*io*(vo-vi)/vo*vo = io*(vo-vi)/f*vo*vo (3.12) vo24*10%=2.4v (3.13) c10*(60-24)/1000*2.4*60=0.000167f (3.14)以上的計算值均為理論上理想值在本電路中，電容作濾波作用，要求耐壓值要較高,可以選擇高壓瓷介電容,瓷介電容耐熱能好.容量穩(wěn)定性好,因陶瓷材料絕緣性能好,使瓷介電容耐壓高,而且?guī)缀跖c頻率無關(guān),具備適用于高頻電路的優(yōu)勢.建議電容的參數(shù)選擇如表3.3，可選電容2a823，其電容量為82*103=82000pf，

37、額定電壓為1.0*102=100v。表3.3 建議電容的參數(shù)表 額定電壓(v) 標(biāo)稱容量(uf) 大于或等于 100 小于1673.4.3 光耦芯片的介紹光電耦合器是以光電轉(zhuǎn)換原理來傳輸信息的，由于光耦兩側(cè)是電絕緣的性能，所以對地電位差干擾，具有很強(qiáng)的抑制能力，同時光耦對電磁干擾也具有很強(qiáng)的抑制能力。1. 光耦結(jié)構(gòu)如圖3.6。 圖3.6 光耦結(jié)構(gòu)圖當(dāng)發(fā)光二極管流過電流if時發(fā)出紅外光，光敏三極管受光激發(fā)后導(dǎo)通，并在外電路作用下產(chǎn)生電流ic。2. 光耦特點(diǎn)如下：a.光耦合器的干擾的來源內(nèi)阻大，輸入阻抗內(nèi)部阻力小，因而分配給光耦輸入噪聲是非常小的 b.光耦是在目前電流狀態(tài)下工作的，干擾源即使有一個

38、很高的電壓范圍，但由于不能提供足夠的電流，干擾電壓就被抑制掉了；c.光耦是在密封的條件下工作的，因此來自外界的光無法干擾光耦的工作；d.光耦的輸入和輸出回路之間分布電容值極小，而絕緣電阻阻值很大，所以回路一邊的干擾，非常難的通過光耦饋送到另一邊應(yīng)用電路。建議光耦的參數(shù)選擇如表3.4。表3.4 建議光耦參數(shù)表型號正向壓降vf(v)最大正向電流ifmax(ma)電流傳輸比ctr()輸出飽和壓降vce(v)反向擊穿電壓vceo(v)輸入與輸出絕緣電壓bvs (v)tlp-521 1.15(if=10ma) 50100(if=5ma vce=5v)0.4(if=8 maic=2.4ma) 55 250

39、0 3.4.4 開關(guān)晶體管的選擇mosfet的核心：金屬氧化層半導(dǎo)體電容 金屬氧化層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)mosfet在結(jié)構(gòu)上以一個金屬氧化層半導(dǎo)體的電容為核心（如前所述，今日的mosfet多半以多晶硅取代金屬作為其柵極材料），氧化層的材料多半是二氧化硅，其下是作為基極的硅，而其上則是作為柵極的多晶硅。這樣子的結(jié)構(gòu)正好等于一個電容器，氧化層扮演電容器中介電質(zhì)（dielectric material）的角色，而電容值由氧化層的厚度與二氧化硅的介電常數(shù)（dielectric constant）來決定。柵極多晶硅與基極的硅則成為mos電容的兩個端點(diǎn)。圖3.5中的場效應(yīng)管選用型號為ao4462l，其vds為100

40、v,vgs為25v,漏極電流ids為6.5a至8a。主電路的e=24v，u0=60v，p0=40w，得i0=0.67a，ii=1.67a，根據(jù)仿真結(jié)果，管子在剛剛導(dǎo)通時，會有較高的電壓脈沖，選管子時要留有裕量，所以選用ao4462l最合適 3.4.5 二極管在場效應(yīng)管導(dǎo)通間,二極管截止,這時上承受的電壓為u0 (忽略場效應(yīng)管的正向飽和壓降)。在場效應(yīng)管截止期間，二極管導(dǎo)通，二極管中流過的電流為輸出電流io與電容c充電電流之和，也就是toff期間電感l(wèi)中流過的電流，即輸入電流ii= io（uo/ e）。自然在選擇管子的電壓、電流額定值時，都應(yīng)該考慮安全因素，留有一定的余量。ii=0.67a*（6

41、0/24）=1.675a ；耐壓要180v以上在升壓斬波電路中，二極管是起整流的作用，因為此電源是一個高頻開關(guān)電源，建議二極管參數(shù)選擇如表3.5，建議選用in5402，其最大反向電壓為200v，最大半波整流為3a。 表3.5 建議二極管參數(shù)表反向恢復(fù)時間 （ us ）平均整流電流 （a）反向擊穿電壓 （v）峰值電流（a）0.03532002.83.5 保護(hù)電路3.5.1 保護(hù)電路原理介紹試驗方案中還設(shè)計了保護(hù)電路8，如下圖3.7和圖3.8，分別是過流保護(hù)與過壓保護(hù)，下圖3.7是過流保護(hù)電路圖。圖3.7 過流保護(hù)電路圖3.7中r7是100k ，串聯(lián)在負(fù)載管兩邊，r7的一邊連接地，另一邊輸入運(yùn)算放

42、大器的負(fù)（即引腳2），引腳3接滑動變阻器r4，r4取值10 ，因為斬波電路的輸出電壓u0為60v，輸出功率40w，即i0為0.67a，所以設(shè)保護(hù)電流參數(shù)為1.5a（r4接電壓15v，r4為10，即參考電流為1.5a），將反饋電流與的保護(hù)電流參數(shù)值相互比較，如果大于限定值則使單片機(jī)8051的p2.1腳置低電平，使單片機(jī)89s52的輸出引腳p1.5輸出恒為低，從而光耦驅(qū)動停止，驅(qū)動電路產(chǎn)生負(fù)驅(qū)動電壓，從而關(guān)斷mosfet管，以達(dá)到保護(hù)電路的作用。同時，將p1.4置高電平，使發(fā)光二極管發(fā)光。從而達(dá)到報警功能9.。下列步驟實現(xiàn)，過壓保護(hù)：最大電壓為60v，通過電阻分壓，得電壓2v，因為0809的輸入電

43、壓為0-5v。所以這里取2v，經(jīng)0809的in0口輸入，在8051中判斷電壓值是否大于2.02v，如大于2.02v，則8051的p1.1口輸出恒高電平，與89s52的p2.0相接，這時89s52的p1.5口輸出恒為低的電平，從而光耦區(qū)動停止，驅(qū)動電路產(chǎn)生負(fù)驅(qū)動電壓，關(guān)斷mosfet管，以達(dá)到保護(hù)電路的作用10。將該電壓信號傳給adc0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，后由led顯示，電路設(shè)計如下圖3.8示。圖3.8 過流保護(hù)和電壓顯示電路圖adc0809時鐘信號的確定：adc0809時鐘信號由8051的ale信號提供，8051的ale引腳通常是每個機(jī)器周期出現(xiàn)兩次，故它的頻率是單片機(jī)時鐘頻率的1/6。若8

44、051的主頻是12mhz，則ale信號頻率是2mhz，若使ale上信號二分頻后接adc0809的clk端，則可獲得1mhz的a/d轉(zhuǎn)換脈沖。又因為adc0809的clk應(yīng)該小于等于640khz,圖3.6中8051的晶振為12mhz,所以ale信號頻率是2mhz，要先4分頻后接adc0809的clk端，則可獲得500khz的a/d轉(zhuǎn)換脈沖,如圖3.8所示。4分頻電路由74ls74構(gòu)成，74hls74是集成維持-阻塞邊沿d觸發(fā)器，其引腳連接如圖3.8的右上角的分頻模塊所示，分頻器的工作原理：分頻器的引腳1置高，q為高電平，q為低電平，引腳5即d為低電平，時鐘第一個上升沿來時，d在此時刻前一時刻狀態(tài)

45、為低電平，所以q輸出低電平，q為高電平。這樣d為高電平，直到下一個時鐘脈沖上升沿的到來，由于在此之前的前一時刻，d的狀態(tài)為高，所以q輸出高電平，q輸出低電平，以下依次類推，實現(xiàn)第一次分頻，即輸出的頻率為原來的1/2，在將此輸出頻率接到下一個d觸發(fā)器的clk端，原理同上，輸出的頻率為原來時鐘頻率的1/4。a/d轉(zhuǎn)換滿足以下條件：在啟動a/d轉(zhuǎn)換之前，需在ale端產(chǎn)生一個正跳變，將地址鎖存起來，使得在a/d轉(zhuǎn)換期間，比較器內(nèi)部輸入始終是選中的模擬通道輸入信號。在start端需產(chǎn)生一個正脈沖，上升沿復(fù)位adc0809，下降沿啟動a/d轉(zhuǎn)換。在a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，在start端和ale端不能再次出現(xiàn)正

46、脈沖信號。因此，需要接一個地址鎖存器，圖3.8中的74als273就是起到鎖存器的作用。將單片機(jī)的wr信號取反后，送至adc0809的start端和ale端，可滿足條件和將wr與僅在訪問adc0809時變低的p2.4（通過軟件設(shè)p2.4的值）處理后可進(jìn)一步滿足，所以adc0809的oe經(jīng)或非門與單片機(jī)的rd和p2.4相連，adc0809的start和 ale經(jīng)或非門與單片機(jī)的p2.4和wr相連。3.5.2 保護(hù)電路的芯片介紹保護(hù)電路中使用的單片機(jī)是8051，設(shè)計中使用兩個單片機(jī)芯片會增加成本，不過由于編程的原因，所以采用與控制電路不同的單片機(jī)芯片8051，8051單片微型計算機(jī)11簡稱單片機(jī)，

47、與89s52的引腳功能相似，請參照章節(jié)3.6.7。080911是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的cmos工藝8通道，8位逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器。它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，是因為其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)。是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用a/d芯片 1）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?2）8路輸入通道，8位a/d轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 3）轉(zhuǎn)換時間為100s(時鐘為640khz時)，130s（時鐘為500khz時） 4）不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)，模擬輸入電壓范圍0+5v。5）單個+5v電源供電6）工作溫度范圍為-40+85攝氏度 7）低功耗，約15mw。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 0809是cmos單片型逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)

48、換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.11所示。 外部引腳：adc0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.10所示。下面說明各引腳功能。 in0in7：8路模擬量輸入端，其輸入范圍是0-5v。2.12.8：8位數(shù)字量輸出端。 adda、addb、addc：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 ale：地址鎖存允許信號，高電平有效，是輸入口。 start： a/d轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動a/d轉(zhuǎn)換）。 eoc：此引腳為 a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，是輸出端，當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時，同時此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）

49、。 oe：此引腳為數(shù)據(jù)輸出允許信號，是輸入端，為高電平有效。當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此時該端口輸入一個高電平時，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 clk：此引腳為時鐘脈沖輸入端。時鐘頻率應(yīng)該小于等于640khz。 ref（+）、ref（-）：基準(zhǔn)電壓。 vcc：電源，接+5v。 gnd：接地。 adc0809工作過程首先輸入3位地址，并使ale=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。start上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動 a/d轉(zhuǎn)換，之后eoc輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到a/d轉(zhuǎn)換完成，eoc變?yōu)楦唠娖剑甘綼/d轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這

50、個信號可用作中斷申請。當(dāng)oe輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送 a/d轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)據(jù)應(yīng)及時傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)a/d轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認(rèn)完成后，才能進(jìn)行傳送。為此可采用下述三種方式。 （1）定時傳送方式 對于一種a/d轉(zhuǎn)換其來說，轉(zhuǎn)換時間作為一項技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如adc0809轉(zhuǎn)換時間為128s，相當(dāng)于6mhz的mcs-51單片機(jī)共64個機(jī)器周期。可據(jù)此設(shè)計一個延時子程序，a/d轉(zhuǎn)換啟動后即調(diào)用此子程序，延遲時間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。本設(shè)計中只有in0作為輸入口，所以直接采用

51、此種方法進(jìn)行編程。 （2）查詢方式 （3）中斷方式 不管使用上述哪種方式，只要一旦確定轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。首先送出口地址并以信號有效時，oe信號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接受。adc0809引腳參照下圖，如圖3.10所示圖3.10 adc0809引腳圖adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3.11所示。圖3.11 adc0809內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖中多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用一個a/d轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟(jì)的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對 a、b、c 3個地址位進(jìn)行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存

52、器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，表3.6為通道選擇表。表3.6 0809通道選擇表cba被選擇的通道000in0001in1010in2011in3100in4101in5110in6111in7 對adc0809主要信號引腳的功能說明如下：in7in0模擬量輸入通道 ale地址鎖存允許信號。對應(yīng)ale上跳沿，a、b、c地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。start轉(zhuǎn)換啟動信號。start上升沿時，復(fù)位adc0809；start下降沿時啟動芯片，開始進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換；在a/d轉(zhuǎn)換期間，start 應(yīng)保持 低電平。本信號有時簡寫為st.a、b、c地址線。 通道端口選擇線，a為低地址，c為高地址，引腳圖中為adda，addb和addc。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見