基于單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計_電源設(shè)計說明

1、課程設(shè)計任務書學 院信息科學與工程學院專 業(yè)自動化學生XXX班級學號XXXXXXXX課程設(shè)計題目基于單片機溫度控制系統(tǒng)設(shè)計-電源設(shè)計實踐教學要求與任務:1） 構(gòu)成單片機溫度控制系統(tǒng)2） 電源設(shè)計3） 實驗調(diào)試4） THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗5） 撰寫實驗報告工作計劃與進度安排:1） 第12天，查閱文獻，構(gòu)成單片機溫度控制系統(tǒng)2） 第34天，電源設(shè)計3） 第56，實驗調(diào)試4） 第79天，THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗5） 第10天，撰寫實驗報告指導教師： 201 年 月 日專業(yè)負責人：201 年 月 日學院教學副院長：201 年 月 日摘要開關(guān)電源就是開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源，它的電路形式

2、要有單端反激式、單端正激式、半橋式、推挽式和全橋式。開關(guān)電源的優(yōu)點是體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠。多年來，由于技術(shù)上的障礙(高壓，大功率)，開關(guān)電源集成電路在集成化上一直因一種電流模式PWM開關(guān)電源控制器的設(shè)計得不到很大的進步。本文中研究的單片機控制開關(guān)電源，可以通過鍵盤預置期望輸出電壓值，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸出電壓進行采樣，由軟件控制單片機輸出相應的脈沖寬度，對開關(guān)電源進行脈寬調(diào)制，輸出預期的電壓。并采用PID算法控制輸出電壓穩(wěn)定，構(gòu)成可輸出3v到12v的可調(diào)電壓，并顯示實時電壓和預置值，通過鍵盤可隨時修改PID參數(shù)以優(yōu)化控制效果，并該系統(tǒng)可以給芯片提供工作電壓，加以擴展可構(gòu)成輸出正負3到12伏的雙

3、極性電源。單片機控制的開關(guān)電源具有設(shè)計彈性好的優(yōu)點，可以按照設(shè)計者的思想靈活的工作。目前電子設(shè)備的日益小型化需要供電電源的小型化，這樣制作小型化電源是未來電源制作的一個趨勢，傳統(tǒng)開關(guān)電源線路一般很復雜體積也較大，如果使用的單片機作為控制核心必將可以大大簡化電源的結(jié)構(gòu)，制作更加小的電源將成為可能，并且使用單片機可以擴展許多功能，如顯示，實時控制調(diào)整電壓，可維護性強，由于目前國有專門的PWM輸出的單片機價格昂貴，普通的單片機I/O口模擬的脈寬頻率較低，速度較慢，遠遠達不到現(xiàn)代電源要求的工作頻率，所以目前單片機控制的電源使用并不廣泛，但是單片機在智能化以與可實現(xiàn)的用戶友好界面，擴展性強等等方面的優(yōu)勢

4、使其成為未來電源重要的發(fā)展方向。因此，我們研究單片機控制的開關(guān)電源，非常有現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：溫度控制系統(tǒng), Proteus, PID,直流穩(wěn)壓電源目 錄摘要2目錄3第一章概述41.1系統(tǒng)背景41.2 電源技術(shù)的發(fā)展與方向41.3 課題相關(guān)背景5第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計62.1 開關(guān)電源工作原理62.2 開關(guān)電源與線性電源的比較72.2.1線性電源的缺點72.2.2開關(guān)電源的優(yōu)點72.3 方案論證82.3.1方案182.3.2方案282.3.3 方案382.3.4方案分析82.3.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計9第三章 硬件電路設(shè)計113.1 電源電路設(shè)計113.1.1整流濾波電路113.1.2開關(guān)變換電路11

5、3.1.3分壓電阻的計算123.1.4保護電路133.2 控制電路設(shè)計133.2.1反饋電路設(shè)計143.2.2四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計15第四章 軟件設(shè)計174.1中斷處理程序設(shè)計174.2 PID控制算法1743數(shù)字濾波18第五章 系統(tǒng)調(diào)試205.1 系統(tǒng)調(diào)試205.2 硬件模塊調(diào)試205.2.1整流濾波電路的調(diào)試205.2.2AD轉(zhuǎn)換的調(diào)試205.2.3脈沖輸出電路的調(diào)試215.3 電源性能指標的測試215.3.1開關(guān)電源的技術(shù)指標215.3.2過流保護的測試21第六章 THFCS-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗23第七章 結(jié)論24參考文獻25第一章 概述1.1系統(tǒng)背景開關(guān)電源已有幾十年的發(fā)展歷史。1

6、955年發(fā)明的自激推挽式晶體管單變壓器直流變換器，率先實現(xiàn)了高頻轉(zhuǎn)換控制功能；1957年發(fā)明的自激推挽式雙變壓器，1964提出的無工頻變壓器式開關(guān)電源設(shè)計方案，有力地推動了開關(guān)電源技術(shù)進步。1977年脈寬調(diào)制（PWM）控制器集成電路的問世，1994年單片開關(guān)電源的問世，為開關(guān)電源的推廣和普與創(chuàng)造了條件。與此同時，開關(guān)電源的頻率也從最初的20KHz提高到幾千赫茲至幾兆赫茲。目前，開關(guān)電源正朝高效節(jié)能，安全環(huán)保、短、小、輕、薄的方向發(fā)展。各種新技術(shù)、新工藝和新器件如雨后春筍，不斷問世，開關(guān)電源的應用也日益普與。1.2 電源技術(shù)的發(fā)展與方向開關(guān)電源產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展動向是高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和

7、實現(xiàn)模塊化、小型、薄型、輕運化。由于電源輕、小、薄的關(guān)鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(fā)新型高智能元器件，特別是改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，并同時采用SMT技術(shù)在電路板兩面布置元件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。（1）高效電源管理從以前的線性設(shè)計到當今的開關(guān)電源設(shè)計，是高效電源發(fā)展的一種集中體現(xiàn)。各國積極倡導節(jié)能環(huán)保而紛紛制定的高效電源規(guī)，也是推動高效節(jié)能電源、低待機能耗產(chǎn)品應用的主要動力。尤其是未來越來越多的中國產(chǎn)品將出口到國外，需要滿足歐美等國的電源標準，這將促進中國企業(yè)對高效電源的需求。對于便攜式電源管理，效率尤為重要。（2）低功耗隨著各種整機設(shè)備市場規(guī)模的不斷增長和社

8、會對環(huán)保問題的日益重視，功耗問題逐漸成為關(guān)注熱點，電源管理和電源控制市場成為整個半導體產(chǎn)業(yè)中最為活躍的領(lǐng)域之一，降低電子產(chǎn)品功耗這一需求，將推動電源管理器件市場的穩(wěn)步發(fā)展。（3）高集成便攜式應用的空間十分有限，這就迫使電源供應商把更多功能集成到更小的封裝，或者把多路電壓轉(zhuǎn)換集成到單芯片封裝。在日益競爭的時代，提供高效整合體積的解決方案勢在必行，且應以整體電源方案為用戶降低成本，提升效能與可靠度。（3）智能化運用電源管理程序?qū)崿F(xiàn)節(jié)電控制也是非常有效而可行的方法，目前大多數(shù)筆記本，普遍采用這種智能節(jié)電管理技術(shù)，它是利用軟件的方法對各主要耗電部件的用電狀態(tài)控制，對暫不工作的部件減少甚至停止供電。1.

9、3 課題相關(guān)背景我國的三極管直流變換器與開關(guān)電源的研制工作開始于60年代初期，到了60年代中期進入了實用階段，緊跟著70年代初開始研制無工頻變壓器開關(guān)電源。1974年研制成功了工作頻率為10千赫茲、輸出電壓為5v的無工頻開關(guān)電源。近30年來，許多研究所、工廠與高校已研制出多種型號的開關(guān)電源，并廣泛的應用于電子計算機、通信、家電等許多方面，取得了很好的效果。工作頻率為100千赫茲-200千赫茲的高頻開關(guān)電源于80年代初期開始研制，90年代初試制成功，目前已經(jīng)是非常成熟的電子產(chǎn)品。按調(diào)制方式劃分可以分為： （1）脈寬調(diào)制型：振蕩頻率保持不變，通過改變脈沖的寬度來改變和調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。通過采樣電

10、路、耦合電路構(gòu)成閉合回路，來穩(wěn)定輸出電壓。縮寫為PWM(Pulse Width Modulation)。 （2）頻率調(diào)制型：占空比保持不變或關(guān)斷時間不變，改變振蕩器的頻率來穩(wěn)定并調(diào)節(jié)輸出電壓幅度。縮寫為PFM（Pulse Frequency modulation）。 （3）混合調(diào)制型：通過調(diào)節(jié)導通時間的振蕩頻率來完成穩(wěn)定并輸出電壓幅度。通常采用的是脈寬調(diào)制型和混合調(diào)制型兩種調(diào)制方式。在脈寬調(diào)制中因為頻率不變，所以無論是對電路中的磁性元件與晶體管的測試和設(shè)計都很方便，而且對射頻干擾的抑制也變得比較容易?；旌险{(diào)制則因其線路簡單，也得到了廣泛的應用。相對而言，頻率調(diào)制較少采用。本文中采用的是脈寬調(diào)制

11、型。第二章 開關(guān)電源方案設(shè)計2.1 開關(guān)電源工作原理開關(guān)電源是指調(diào)整管工作在開關(guān)方式，即導通和截止狀態(tài)的穩(wěn)壓電源，縮寫為SPS（Switching Power Supply）。開關(guān)電源的核心部分是一個直流變換器。利用直流變換器可以把一種直流電壓變成極性、數(shù)值不同的多種直流電壓。開關(guān)電源一般有三種工作模式：頻率、脈沖寬度固定模式，頻率固定、脈沖寬度可變模式，頻率、脈沖寬度可變模式。前一種工作模式多用于DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作模式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。另外，開關(guān)電源輸出電壓也有三種工作方式：直接輸出電壓方式、平均值輸出電壓方式、幅值輸出電壓方式。同樣，前一種工作方式多用于

12、DC/AC逆變電源，或DC/DC電壓變換；后兩種工作方式多用于開關(guān)穩(wěn)壓電源。圖2.1開關(guān)電源原理框圖按電源電路中功率管的工作方式劃分，電源可以分為開關(guān)電源與線性電源兩大類。線性電源是發(fā)展較早的一種電源，其功率管工作在線性放大區(qū)。開關(guān)電源是在線性電源的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，并在很大程度上克服了線性電源的缺陷，但其自身也有一定的不足。2.2 開關(guān)電源與線性電源的比較2.2.1線性電源的缺點（1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；（2）體積大、重量大，不能小型化；（3）必須有較大容量的濾波電容。造成這些缺點的原因是：（1）線性電源中功率晶體管V在整個工作過程中，一直工作在晶體管特征曲線的線性

13、放大區(qū)。功率晶體管本身的功耗與輸出電流成正比。這樣功率晶體管的功耗就會隨電源的輸出功率的增加而增大。為了保證功率晶體管能正常工作，除選用功率大的管子外，還必須給管子加上較大的散熱片。（2）線性電源使用了50赫茲的工頻變壓器，他的效率只有80%-90%。這樣不但增加了電源的體積和重量，而且也大大降低了電源的效率，就必須增大濾波電容的容量。2.2.2開關(guān)電源的優(yōu)點（1）功耗小，效率高。開關(guān)管脈沖信號的控制下，交替工作在導通-截止和截止-導通的開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換速度快，頻率一般在50到200千赫茲。這就使得功率開關(guān)管的損耗較小，電源的效率可以大幅度提高，其效率可以達到80%以上。（2）體積小，重量輕。由

14、于沒有采用大型的工頻變壓器，并且在開關(guān)管上的耗散功率大幅度降低后，又省去較大的散熱片，因此開關(guān)電源的體積和重量都可以得到減小。（3）穩(wěn)壓圍寬。開關(guān)電源的輸出電壓是由控制信號的占空比或者激勵信號的頻率來調(diào)節(jié)的，輸入電壓的變化可以通過變頻或者調(diào)寬來進行補償。在工頻電網(wǎng)電壓有較大變化或負載有較大變化時，它仍能保證有較穩(wěn)定的輸出電壓，所以穩(wěn)壓圍寬、穩(wěn)壓效果好。（4）濾波的效率大為提高，使濾波電容的容量和體積大為減小。例如，若開關(guān)電源的工作頻率為25千赫茲，是線性穩(wěn)壓電源頻率500倍（25000/50赫茲），這使濾波電容的容量可以相應的縮小500倍，這使濾波電路中元件的體積和重量得以減少，同時也節(jié)省了成

15、本。2.3 方案論證單片機控制的開關(guān)電源，從對輸出電壓控制的角度分析，可以有幾種可行的方案。2.3.1方案1方案1：單片機通過數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出一個電壓，用作電源的基準電壓，電源可以通過鍵盤預置輸出電壓，單片機不加入反饋控制，電源仍要使用專門的PWM控制芯片，工作過程為：當通過鍵盤預置電壓時，單片機通過D/A芯片輸出一個電壓作為控制芯片的基準電壓，這個基準電壓可以使得控制芯片按照預置電壓值，來輸出控制脈沖，以輸出期望輸出電壓。2.3.2方案2方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，單片機擴展模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不斷的檢測電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值的差值，調(diào)整后，通過D/A芯片輸出一個基準電壓，控制專門的PW

16、M控制芯片，間接的控制電源工作。2.3.3 方案3方案3：單片機擴展A/D轉(zhuǎn)換器，不斷檢測輸出端的電壓，并根據(jù)電源輸出電壓與鍵盤預置電壓的差值，輸出一個PWM脈沖，直接控制電源的工作。2.3.4方案分析方案1分析：單片機沒有加入反饋控制，只是輸出一個基準電壓，這樣單片機的作用非常的小，而且仍要使用專門的控制芯片，價格比較貴，電源成本增加，削弱了單片機的作用，不宜采用。方案2分析：單片機加入了反饋控制，作用得以利用，但是需要擴展A/D和D/A芯片，而且還是需要專門的PWM控制芯片，成本比方案1更高，更不宜采用。方案3分析：這個方案，單片機不僅加入了反饋控制系統(tǒng)，而且作為控制核心，單片機得以充分利

17、用，而且省去了D/A芯片，成本大大降低，是真正的單片機控制。綜上所述，本設(shè)計選擇第三種控制方案，單片機使用89C51，A/D芯片采用ADC0832，采用4位數(shù)碼管顯示采樣值，鍵盤預置電壓，設(shè)計任務要求輸出可調(diào)，所以設(shè)定值需要從鍵盤輸入，實現(xiàn)輸入不同的電壓，輸出便可以輸出不同的電壓。2.3.5總體結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)工作原理圖如圖2.2所示：市電經(jīng)過整流濾波后，一路電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓得到一個+5v電壓，該電壓作為單片機的工作電源，另外一路電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓。單片機根據(jù)鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的

18、電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。開關(guān)變換器采用磁鐵心電感作為儲能元件，在功率開關(guān)管導通時，電感儲能，在開關(guān)管截止時，電感釋放能量給負載。單片機定時采樣輸出端的電壓，通過ADC0832送進單片機進行處理，單片機根據(jù)處理結(jié)果輸出更新的控制信號，經(jīng)過光電耦合器濾除干擾后輸出控制信號控制功率開關(guān)管工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)需要從鍵盤輸入期望的電壓，單片機會根據(jù)鍵盤輸入與采樣電壓的差值，更新脈寬，使電源輸出相應電壓，更新脈寬后，單片機會馬上調(diào)用PID控制算法，對輸出電壓進行穩(wěn)定控制。 閉環(huán)時，電源自動進行脈寬調(diào)制，當系統(tǒng)讀取到鍵盤預置的電壓變化時，先將鍵盤輸

19、入值和從輸出端的取樣值相比較，假設(shè)當前鍵盤輸入為10v，從輸出端取樣的值為6v，差值為4v，則系統(tǒng)會根據(jù)這個差值，更新脈寬使得輸出端電壓上升為10v；同樣，當鍵盤輸入為6v，輸出端取樣值為10v，差值為-4v，系統(tǒng)會根據(jù)算法，將占空比減小以使輸出電壓變小，這就是系統(tǒng)脈寬調(diào)制過程。同時，電源可以自動穩(wěn)壓，假定在某一正常狀態(tài)下，輸出為V0，反饋電壓問Vf（Vf=V0），用戶設(shè)定電壓為Vs，當V0=Vs時，偏差為0，單片機不進行脈寬更新，當電網(wǎng)波動導致輸出增加時，即V0>Vs時,單片機采樣的電壓也增加，單片機根據(jù)偏差修改占空比使導通時間變小，從而使電壓下降，同樣當電網(wǎng)波動使輸出電壓下降時，即V

20、0<Vs時，單片機修改脈寬使導通時間變長，從而使輸出電壓上升，如此循環(huán)來進行穩(wěn)壓。整流濾波電路開關(guān)變換電路整流濾波電路控制電路輔助電源四位數(shù)碼管取樣電路鍵盤圖2.2 單片機控制開關(guān)電源系統(tǒng)框圖第三章 硬件電路設(shè)計3.1 電源電路設(shè)計開關(guān)電源設(shè)計包括輸入整流濾波電路、開關(guān)變換電路、輸出整流濾波電路、采樣電路，保護電路。3.1.1整流濾波電路市電經(jīng)過變壓器降壓后，變?yōu)?2v，對該電壓整流后一部分電壓直接作為開關(guān)變換電路的輸入電壓，另外將其通過7805得到5v的電壓，給開關(guān)電源控制電路部分的單片機提供工作電源。電路中采用發(fā)光二極管作為電源指示燈，交流220v降壓后經(jīng)過整流橋整流輸出直流電壓作為

21、開關(guān)變換電路的輸入電壓，7805穩(wěn)壓輸出5v給單片機提供電源。圖3.1整流濾波電路3.1.2開關(guān)變換電路功率開關(guān)管采用達林頓管，由于它采用兩個三極管進行級聯(lián)，其放大倍數(shù)是兩個管子放大倍數(shù)的乘積，因而具有很高的放大倍數(shù)，通過級聯(lián)，可獲取大的電流輸出，對于提高電源的輸出功率，有一定的作用。該開關(guān)管選擇為PNP型，當控制脈沖的低電平時，開關(guān)導通，電感存儲能量，開關(guān)把電路的輸入電壓變成高頻脈沖，當控制脈沖為高電平時，開關(guān)截止，電感把所存儲的能量釋放給負載。為了確保電感電流能在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中保持連續(xù)，選用肖特基二極管作為續(xù)流二極管選用，這種二極管具有較快的導通截止恢復時間，在開關(guān)導通變?yōu)榻刂箷r，能夠很快

22、的由截止轉(zhuǎn)換到導通，所以能夠確保電感電流連續(xù)。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質(zhì)電容，另外，可以通過并聯(lián)兩個電容來獲得低的等效串聯(lián)電阻，假設(shè)輸出濾波電容選擇為470UF，則可以取大于該數(shù)值一半多的電容量的電容來并聯(lián)，例如，可以取兩個250UF的電容，來并聯(lián)。圖3.2 開關(guān)電路與輸出整流濾波電路3.1.3分壓電阻的計算開關(guān)控制電路是根據(jù)輸出的變化對開關(guān)電路進行控制的，因此需要設(shè)計分壓器，通過反饋可以使輸出電壓保持穩(wěn)定。反饋分壓電阻的確定：設(shè)檢測電流為1mA，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基準電壓為5v，輸出電壓12v，分壓器的下臂電阻這樣計算：R2=5v/0.001A=5千歐姆，考慮到電阻

23、有一定的誤差，假設(shè)電阻為1%的誤差，即5千歐姆的電阻，其電阻值為4.99千歐姆，則實際的檢測電流就可以計算出來：Is=5v/4.99k=1.002mA,這樣分壓器上臂電阻為：R1=（12-5）/1.002mA=6.99k。這樣分壓器設(shè)計完成，在這里選用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832來采集電壓，并反饋到單片機，該轉(zhuǎn)換器的基準電壓和它的電壓一樣，均為正5伏。3.1.4保護電路如圖3.3所示，在實際應用中常常會出現(xiàn)因為一時疏忽或誤操作而導致的燒壞芯片情況，因此設(shè)計一個優(yōu)秀的產(chǎn)品，應該具有良好的保護功能，過壓保護是一個很好的選擇，在這次設(shè)計中，考慮到成本問題，采用過電流保護。其原工作理為：在電源輸出端，

24、設(shè)置負載電流檢測電阻R0，通過R0將負載電流Io變成過流檢測電壓,三極管作為過流控制管，當開關(guān)電源負載電流時，過流控制三極管導通，電源輸出電壓由過流控制管集電極輸出，觸發(fā)晶閘管導通，將開關(guān)電源負載短路，實現(xiàn)保護。該電路有自鎖功能，一旦負載電流增大的持續(xù)時間超過C1的充電時間，電路觸發(fā)后，即使負載電流恢復正常，也不能解除保護狀態(tài)，必須關(guān)斷電源，排除過流因素，晶閘管才能復位。電路中Ro阻值的選擇根據(jù)負載電流保護閾值而定，一般Ro取電阻值極小，在開關(guān)電源正常負載電流時其壓降不足0.3v。R1和C1構(gòu)成保護啟動延時電路，以免開機瞬間負載電流沖擊造成誤動作。下圖中，電感和輸出端電容之間的部分是保護電路。

25、圖3.3 過流保護電路3.2 控制電路設(shè)計控制電路采用89c51，該芯片有32個可編程的I/O口，在此介紹需要用到的單片機管腳功能。 RST：復位輸入，當振蕩工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不用訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或定時目的。需要注意的是：每當訪問外部存儲器時將跳過一個ALE脈沖。EA/VPP：外部訪問允許。當訪問外部存儲器時，EA必須保持低電平。訪問部存儲器時，EA端接高電平。振蕩電路本次設(shè)計采用的是石英

26、振蕩電路，外接電容C1、C2的容量的大小的取值會影響振蕩頻率的高低、振蕩器的工作穩(wěn)定性、起振的難易程度與溫度穩(wěn)定性，如果使用瓷振蕩器，應選擇容量為3050PF，對于石英晶體，選擇2040PF，這里我們選擇電容為22PF，晶振為24M赫茲。復位電路單片機復位電路有上電復位，按扭脈沖復位，按扭電平復位。上電復位是利用器充電實現(xiàn)。電阻取1k，電容取22uf。本次設(shè)計在調(diào)試過程中使用的是89S51，該單片機與MCS51系列完全兼容，工作頻率0到33M赫茲，支持系統(tǒng)編程，只需要從電腦引出幾根線即可。該燒寫器電路與用戶界面，均可以從網(wǎng)上獲取。3.2.1反饋電路設(shè)計反饋電路使用ADC0832采樣輸出電壓，該

27、器件只能轉(zhuǎn)換0到5伏的電壓，超過了會燒毀芯片，當要采集大的電壓時，可以通過電阻分壓再采樣，在程序中再乘以一個分壓系數(shù)，以代表輸出電壓值。圖3.4 ADC0832管腳圖串行接口8位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832具有串行輸入輸出的A/D轉(zhuǎn)換芯片，與單片機的接口僅用幾根通用I/O，所以接線簡單而得到越來越多的應用，8051單片機由于位操作功能比較強，便于軟件實現(xiàn)串行A/D轉(zhuǎn)換芯片接口程序，大大簡化電路設(shè)計提高可靠性。ADC0832是串行接口8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換芯片，單5V供電且兼作基準電壓，當CLK=500KHz時轉(zhuǎn)換時間為16S，具有2路單端或1路差分輸入。其管腳排列如圖所示。CS為片選信號輸入端

28、，低電平有效，高電平模數(shù)轉(zhuǎn)換停止。每次模數(shù)轉(zhuǎn)換，CS必須由高變低，然后輸入控制字信息。CH0為模擬量輸入通道0；CH1為模擬量輸入通道1；DI為數(shù)據(jù)信號串行輸入端；DO為數(shù)據(jù)信號串行輸出端；CLK為時鐘信號輸入端。數(shù)據(jù)在CLK的上升沿移入，在CLK的下降沿移出；GND為接地端，VCC接+5精密電源，同時也作為轉(zhuǎn)換的參考電壓。 控制字格式為：D0為工作方式選擇位，D0=1；D1為工作方式選擇位，D1=0，選擇差分輸入方式，D1=1，選擇單端輸入方式；D2為通道選擇位，差分輸入方式時，D2=0，選擇CH0-CH1；D2=1，選擇CH1-CH0。圖3.5 ADC0832與單片機的接口電路其中2K電阻

29、是為了保護芯片而設(shè)置的，當電壓突然增大幅度不是很大時，能起到保護作用。單片機的P1.0用于輸出PWM控制脈沖，P1.1用于作為模數(shù)轉(zhuǎn)換的時鐘，P1.2用于讀入數(shù)據(jù)，P1.3作為片選端，低電平有效。3.2.2四位數(shù)碼顯示電路設(shè)計本系統(tǒng)中采用4位數(shù)碼管顯示，動態(tài)掃描，軟件譯碼實現(xiàn)預置電壓、輸出電壓以與PID參數(shù)的實時顯示。LED數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩類。共陰極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極共地，某個發(fā)光二極管的陽極電壓為高電平時，二極管發(fā)光：而此陽極LED數(shù)碼管是發(fā)光二極管的陽極共接，當某個二極管的陰極電壓為低電平時，二極管發(fā)光。圖3.6 四位數(shù)碼顯示電路圖3.6是一個4位動態(tài)LED顯示電路：4

30、位動態(tài)LED顯示電路的段選由單片機的P0口來完成，位選則由單片機的P2口的P2.7、P2.6、P2.5、P2.4來完成。由于所有位的段選碼用同一個Io口控制，因此，要顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即每時刻，只選通一個顯示位，同時段選控制Io 口輸出顯示字符對應的段選碼，使該位顯示相應字符，顯示一定時間后，再選通下一顯示位。如此循環(huán)，且每個顯示器件顯示該位應顯示的字符。通過程序控制，不斷循環(huán)輸出相應地段選碼和位選碼，由于人的視覺暫留效應，就可以獲得視覺穩(wěn)定的顯示狀態(tài)。本次設(shè)計使用的是共陽型數(shù)碼管，測試管腳資料時，為避免電壓過大測試時，燒毀數(shù)碼管，使用穩(wěn)壓電源提供3v電壓，進行測試，。經(jīng)測

31、試得該數(shù)碼管的管腳資料為：1-E、2-D、3-DP（小數(shù)點）、4-C、5-G、6-第4個數(shù)碼管的COM、7-B、8-第3位數(shù)碼管的COM、9-第2位數(shù)碼管的COM、10-F、11-A、12-第1位數(shù)碼管的COM。第四章 軟件設(shè)計4.1中斷處理程序設(shè)計89C51系列單片機部有兩個16位的可編程定時器和，分別由和兩個8位計數(shù)器構(gòu)成。T0和T1的定時功能是通過對單片機部計數(shù)脈沖的計數(shù)實現(xiàn)的。因為每個機器周期產(chǎn)生一個計數(shù)脈沖，因此根據(jù)單片機的晶振頻率就可以計算出定時器的計數(shù)頻率。這樣如果確定了計數(shù)值，就能計算出定時時間，而知道了定時時間也可計算出計數(shù)器的預置值。定時器控制寄存器(TCON)和工作方式控

32、制寄存器(TMOD)分別控制定時控制定時器的運行和工作方式。 計算預置計數(shù)值在工作方式1的定時時間計算公式為定時時間(65536計數(shù)初值)×機器周期 為獲取高的處理速度，采用24MHz晶振，一個機器周期為0.5u s。設(shè)計數(shù)初值為x，則有： TS= (65536x) × 0.5us現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率很高，可以達到300千赫茲，本次設(shè)計開關(guān)電源的工作頻率為25千赫茲，那么控制脈沖的頻率就是25千赫茲，周期為40us，定時時間為周期的一半，即20us，則計數(shù)初值為65536-20x2。#define tim0 65536-40tim0()TH0=tim0>>8;

33、TL0=tim0;PWM=PWM 。4.2 PID控制算法設(shè)計原理：采用單片機作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，它是由89C51單片機系統(tǒng)通過A/D電路采集過程變量V，并根據(jù)有關(guān)的算法控制變量u，通過輸出PWM控制脈沖到執(zhí)行機構(gòu)，使過程變量穩(wěn)定在設(shè)定的值上。PID調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)值公式： 近似計算。其中：為PID參數(shù)，y0為本次采樣值，y1為上次采樣值，y2為上兩次采樣值。，r為設(shè)定值，u為控制量的增量。AD轉(zhuǎn)換采樣的電壓轉(zhuǎn)換為0到255之間的數(shù)字量，設(shè)定的值要轉(zhuǎn)換為對應的數(shù)字量，本電源在3到12伏可調(diào)，那么需要把0到12伏轉(zhuǎn)換為0到255的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換公式為12*255/12=255，即255對應12

34、V，經(jīng)轉(zhuǎn)換以后就可以相互比較。開關(guān)調(diào)整電路89C51單片機A/D轉(zhuǎn)換器圖4.4 單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖43數(shù)字濾波數(shù)字濾波就是把n組采樣值相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次有效的采樣信號，即：y n =1/n å e（j）數(shù)字濾波適用于有隨機干擾的信號的濾波，適合于信號本身在某一數(shù)值圍附近上下波動的情況。由于隨機干擾信號在很多情況下可近似認為是統(tǒng)計平均值為零的白噪聲，因此采用求平均值的方法可以消除隨機干擾，實現(xiàn)對采樣信號的平滑加工。但數(shù)字濾波可提高平滑度，但系統(tǒng)的靈敏度隨之降低。采樣次數(shù)n的取值隨被控對象的不同而不同。對于PID差值，同樣是采用取平均值的方式處理。本采樣程序中，數(shù)字濾波

35、算法為：n+;/采樣次數(shù)值=ADC0832();/采樣值;/采樣值相加if(n>19)n=0; 0=s/20;/求平均值s=0;PID差值的濾波u0=(u0*3+u)/4;/u控制增量，假設(shè)當前控制增量為u0，則取4次平均值第五章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試是利用開發(fā)機系統(tǒng)、基本測試儀器（高精度萬用表、示波器等），通過執(zhí)行開發(fā)系統(tǒng)有關(guān)命令或運行適當?shù)臏y試程序（也可以是與硬件有關(guān)的部分用戶程序段），檢查用戶系統(tǒng)硬件中存在的故障。系統(tǒng)調(diào)試可分靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試兩步進行。1. 靜態(tài)調(diào)試 靜態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)未工作時的一種硬件檢查?？捎玫姆椒ㄓ校耗繙y、萬用表測試、加電檢查等方法。2. 動態(tài)

36、調(diào)試動態(tài)調(diào)試是在用戶系統(tǒng)中的工作的情況下發(fā)現(xiàn)和排除系統(tǒng)硬件中存在的故障、器件間連接邏輯錯誤等的一種硬件檢查。由于單片機與應用系統(tǒng)的硬件動態(tài)調(diào)試是在開發(fā)系統(tǒng)的支持下完成的，故又成為聯(lián)機仿真或聯(lián)機調(diào)試16。動態(tài)調(diào)試借用開發(fā)資源(CPU、存儲器等)來調(diào)試用戶系統(tǒng)中單片機外圍電路，利用開發(fā)系統(tǒng)友好的人機界面，可以有效地對用戶系統(tǒng)的各部分電路進行訪問、控制，使系統(tǒng)在運行中暴露問題，從而發(fā)現(xiàn)問題。5.2 硬件模塊調(diào)試5.2.1整流濾波電路的調(diào)試這一部分可以在面包板上模擬，將電路連接后，接通電源，先測量變壓器的輸出，由交流檔位所測得的電壓為12.96v，再測量整流輸出的電壓，需要注意將整流橋正確的連接，否則

37、會導致整流輸出電壓不正確，甚至燒壞穩(wěn)壓塊。檢查沒有錯誤后，再測量整流輸出電壓為14.9v，和理論值相近，同時所測量穩(wěn)壓塊輸出為5.10v，電路正常工作，可以給單片機供電。5.2.2AD轉(zhuǎn)換的調(diào)試通過穩(wěn)壓電源給轉(zhuǎn)換器一個5伏電壓，改變電壓，觀察數(shù)碼管所顯示數(shù)值可以跟隨電壓變化而變化，用萬用表測量電壓，和顯示值相比較也相近，可見模數(shù)轉(zhuǎn)換是正常工作的。5.2.3脈沖輸出電路的調(diào)試控制脈沖是直接輸入到開關(guān)管的基極的，在制板之前，用面包板模擬脈沖信號是否可以直接控制開關(guān)管的導通和截止，若使用開關(guān)管發(fā)射極輸出型變換電路，在發(fā)射極所輸出的脈沖信號，幅度會很小，效果不好，通常采用集電極輸出型開關(guān)電路。將電路連

38、接好，用示波器觀察基極輸入信號和集電極的輸出信號，觀察發(fā)現(xiàn)，輸入信號幅度較小，但是經(jīng)過開關(guān)后，在集電極的輸出信號，幅度明顯被放大，效果比較好，說明控制脈沖可以直接控制開關(guān)電路，信號穩(wěn)定。5.3 電源性能指標的測試開關(guān)電源的技術(shù)指標有通用事項、包括電源名稱、適用規(guī)格等，首先是安全規(guī)格，有關(guān)開關(guān)電源都有相應的安全規(guī)格，例如，國際規(guī)格為IEC950、IEC65；電氣技術(shù)指標有輸入與輸出條件附屬功能等。機械結(jié)構(gòu)為外形、安裝和冷卻條件等。環(huán)境條件有溫度、濕度、振動和沖擊等。其它條件有噪聲規(guī)定、可靠性等。5.3.1開關(guān)電源的技術(shù)指標（1）輸入技術(shù)指標作為開關(guān)電源的輸入技術(shù)指標有輸入電源相數(shù)、額定輸入電壓與電壓的變化圍、頻率、輸入電流一般為單相2線制和3相3線制，還有單相3線制與3相4線制等。（2）輸出技術(shù)指標輸出端的直流電壓的公稱值稱為額定輸出電壓，對于其公稱電壓規(guī)定有精度與紋波系數(shù)等。額定輸出電流是指輸出端供給負載的最大平均電流。根據(jù)電子設(shè)備的不同，多路輸出電源中某路輸出電流增大，另路輸出電流就得減小，保持總的輸出電流不變。穩(wěn)壓精度也稱為輸出電壓精度或電壓調(diào)整率，輸出電壓變動有多種原因。輸出電壓可調(diào)圍是指在保證電壓穩(wěn)定精度條件下，由外部可能調(diào)整的輸出電壓圍，一般為&#