学生毕业设计（论文）
题 目作 者院 (系) 专 业指导教师答辩日期
基于51单片机的开关稳压电源设计
榆 林 学 院
毕业设计（论文）诚信责任书
本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。
论文作者签名: 年 月 日
摘 要
摘 要
电源在电视、计算机和移动通信终端等电子设备中占有重要位置，它是一切电路能否正常工作的基础。开关稳压电源由于具有体积小、重量轻、效率高、输出稳压范围宽等优势，被应用于各种电子、电器设备领域。
近年来，随着便携式电子产品的迅速增长，与其配套的电源也具有越来越广泛的市场。由于人们对电子产品的功能及性能的要求不断提高以及对节能环保的重视，高效率及高精度已经成为设计中至关重要的因素，这也是本次设计的主要目的。
本文设计了一个基于51单片机的开关稳压电源。以我国市电电压作为输入，经过变压、整流和滤波得到一个直流15V电压，然后以Boost斩波电路为核心，利用51单片机输出PWM，通过按键调节PWM占空比的大小，使得输出直流电压为30V～36V可调，输出最大电流可以达到2A，电压调整率和负载调整率较低，输出噪声纹波电压峰-峰值较小，DC-DC变换器的效率能够达到80%以上。整个电路采用多种保护功能来实现系统的可靠性，而且具有输出电压、电流的显示功能。
关键词：Boost电路；51单片机；PWM；DC-DC变换器
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基于51单片机的开关稳压电源设计
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ABSTRACT
A swiching power supply based on 51 singlechip SCM
ABSTRACT
Power electronic devices such as televisions, computers and mobile communication terminal occupies an important position, it is the basis of all the circuit works correctly. Switching power supplies due to its small size, light weight, high efficiency, wide range of output voltage and other advantages, are applied in various areas of electronic and electrical equipment.
Especially in recent years, with the rapid growth of portable, and its supporting power also have an increasingly wide range of markets. Because of the functional and performance requirements for electronic products continue to improve, as well as on the importance of energy conservation and environmental protection, high efficiency, and high-precision has become essential aspects of design, which is the main purpose of this design.
Design based on 51 single chip switching power supply. To China mains voltage as entered, after transformer, and rectifier and filtering get a DC 15V voltage, then to Boost chopped wave circuit for core, using 51 single tablets machine output PWM, through press regulation PWM accounted for empty than of size, makes output DC voltage for 30V~36V can adjustable, output maximum current reached 2 a,, voltage adjustment rate and load adjustment rate as low, output noise lines wave voltage peak-peak as small, DC-DC transform device of efficiency can reached 80% above. And using a variety of protective functions to achieve the reliability of the system and the display capabilities of the output voltage and current.
Key words: Boost Chopper,51 single chip microcomputer,PWM,DC-DC converter
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基于51单片机的开关稳压电源设计
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目 录
目 录
摘 要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................... III 1 绪论 .............................................................................................................................. 1
1.1 本设计的意义 .................................................................................................... 1 1.2 国内外发展研究现状 ........................................................................................ 1
1.2.1 国外发展研究现状 .................................................................................. 1 1.2.2 国内发展研究现状 .................................................................................. 2 1.3 本设计主要内容 ................................................................................................ 2 1.4 本章小结 ............................................................................................................ 3 2 方案论证与比较 .......................................................................................................... 5
2.1 主回路拓扑 ........................................................................................................ 5 2.2 控制方法及实现方案 ........................................................................................ 6 2.4 系统的总体框图 ................................................................................................ 6 2.5 系统的总体要求 ................................................................................................ 7 2.6 本章小结 ............................................................................................................ 7 3 硬件设计 ...................................................................................................................... 9
3.1 主电路的设计与计算 ........................................................................................ 9 3.2 控制电路的分析与计算 .................................................................................. 10 3.3保护电路的设计 ................................................................................................ 11 3.4 显示电路的设计 .............................................................................................. 12 3.5 效率的分析及计算 .......................................................................................... 13 3.6 系统特色 .......................................................................................................... 14 3.8 本章小结 .......................................................................................................... 14 4 软件设计 .................................................................................................................... 15
4.1 软件设计思路 .................................................................................................. 15 4.2 PWM程序 ......................................................................................................... 16 4.3 按键程序 .......................................................................................................... 17 4.4 本章小结 .......................................................................................................... 18 5系统仿真测试 ............................................................................................................. 19
5.1 系统仿真 .......................................................................................................... 19 5.2 PCB制作 ........................................................................................................... 20 5.3 测试仪器 .......................................................................................................... 20 5.4 测试方法 .......................................................................................................... 20
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目 录
5.5 实际测试数据 .................................................................................................. 21 5.6 测试结果分析 .................................................................................................. 22
5.6.1 测试数据与设计指标的比较 ................................................................ 22 5.6.2 产生偏差的原因 .................................................................................... 22 5.6.3 系统改进 ................................................................................................ 22 5.7 本章小结 .......................................................................................................... 23 总结 ................................................................................................................................ 25 参考文献 ........................................................................................................................ 27 致 谢 .............................................................................................................................. 29 附 录A ........................................................................................................................ 31 附 录B ........................................................................................................................ 32 附 录C ........................................................................................................................ 40
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1 绪论
1.1 本设计的意义
在当代技术与经济高速发展的过程中，电力电子技术也在不断创新，而电力电子设备都需要电源供电，其供电方式一般都采用的是开关稳压电源。在开关稳压电源领域，正展开一系列的技术更新，例如功率因数的校正、高频电源、单片机控制电源、零电压和零电流转换等。这些改进都可以使开关稳压电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其是在新兴的通信领域大有用武之地。
[1]
1.2 国内外发展研究现状
1.2.1 国外发展研究现状
从20世纪50年代开始，美国宇航局就以小型化重量轻作为发展的目标，为乘载火箭开发第一个开关电源，通过半个多世纪的发展，开关电源逐渐替代了传统技术制做的相控稳压电源，并且广泛的应用在电子的整机设备里。 随着集成电路的进展，开关电源就逐渐向集成化方向发展，趋向于小型化与模块化。近20多年来，集成开关电源一直沿着两个方向发展[2]。第一是向实现集成化开关电源的控制电路方向发展。国外在1977年首先研制成功了脉宽调制控制器的集成电路，美国的Motorola公司、Silicon General公司以及Unitrode公司等先后出现了一系列PWM芯片。随后，国外又相继研制出开关频率达到1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二是向中、小功率的开关电源单片集成化进军。1994年，美国电源集成公司在全世界领先研制成功了三端隔离式PWM型的单片开关电源，它叫做 AC/DC电源变换器。之后又先后推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列的产品。意-法半导体公司随后也开发出了VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小型功率单片电源系列的产品，并且得到了广泛的应用。直到现在，单片开关电源已经形成了几十个系列、达到了数百种产品。自从单片开关电源开发以来，便显示出了强大的生命力，作为一项具有很大的发展前景、颇具影响力的新产品，开关电源在世界上引起了电源界人士的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现在己经成为开发中小型功率开关电源、精密开关电源及开关 电源模块的集成电路。
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1.2.2 国内发展研究现状
国内是从1977年才开始进入电源的初期发展，起步的比较晚、技术也相对比较落后。现在国内的DC/DC模块开关电源市场主要是被国外的品牌所占据，它们覆盖了我国大功率模块电源中的大部分市场和中、小功率模块电源中的一半市场。但是，随着国内技术的不断进步和生产规模的迅速扩大，国外的中小型功率模块电源正在快速的被国产的DC/DC产品所代替。
人们现在使用的开关电源为我们国家节省了许多的铜材、钢材和广阔的占地面积。随着时代的进步，由于开关电源的变换效率有所提高，能耗也就有所减少，进而降低了电源周围环境的温度，改善了广大工作人员的工作环境。在我国，邮电通信部门大部分采用开关电源，而且还推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，电力系统直流操作电源的应用，国家投资4000亿元用于城市网、农村网的供电工程的改变、提高输配电供电质量，它已经开始用开关电源来取代传统的相控电源。我国许多通信公司已相继推出此系列产品，如中兴通讯等。我国目前开关电源自主研发及其生产厂家已达300多家，形成规模的就有十多家。国产开关电源已经占据了相当一部分市场，其中一些大公司自主研发的电源一系列产品已经获得广大群众的认同。因此，在电源市场竞争中具有相当大的优势，并有少量的产品已经开始出口。
目前我国市场上的开关电源中，功率管基本都采用双极型的晶体管，其开关频率可达到几十千赫；如果是MOSFET管的开关电源，转换频率可达到几百千赫。为了有更高的开关频率，就得采用高速的开关器件[3]。谐振电路具有兆赫以上开关频率，它可以迅速地提高开关的速度，理论上开关损耗应该为零，噪声也非常小，这是提高开关电源频率的一种方式。
1.3 本设计主要内容
本设计通过变压、整流和滤波得到一个稳定15V直流电压，然后以Boost斩波电路为核心，采用51单片机输出PWM控制开关管的通断，实现了DC—DC变换。得出适合于设计要求的主电路的结构，并在此基础上设计出具体的驱动电路、控制电路、保护电路。通过按键调节占空比的大小，输出可调电压30V～36V，最大输出电流可以达到2A，电压调整率和负载调整率尽可能低，DC-DC变换器的效率达到80%以上。采用过流保护、 滤波保护等多种保护功能，保证了系统的可靠性。根据设计要求以及主电路的结构，对电路中各参数进行计算。最后对电路进行仿真测试，并根据不足进行改进。
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1.4 本章小结
本章主要介绍了研究开关稳压电源的意义、国内外发展状况及本次设计的主要内容。加深了对开关稳压电源的应用、发展方向及发展前景的了解，明确了本设计的重点以及难点，为设计的研究做好准备，对设计有更深的理解，为完成本设计打下坚实的基础。
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2 方案论证与比较
2.1 主回路拓扑
设计开关稳压电源，首先要确定主电路方案，主电路是整个电路设计的核心，选择一个合适的主电路是设计成功的关键。本设计通过间接直流变流和Boost斩波电路两个方案进行选择。
方案一：采用变压器升压的隔离型PWM直流－交流-直流变换器电路，这种方法制作的电路效率比较低,开关辐射/纹波比较大，电路也比较复杂。如图2-1。
图2-1 间接直流变流电路
方案二：采用以BOOST为核心的升压电路，如图2-2，利用单片机输出PWM驱动MOS管，控制开关管的通断，这种电路输出电压范围宽，而且也相对稳定，单片机低功耗、成本低、抗干扰性强的特点，更好地提高了系统的效率。
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主电路。
LVDC UORL
E图2-2 BOOST斩波电路拓扑结
升压斩波电路的基本原理：分析Boost电路时，首先要假设电感和电容都足够大。当开关处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定不变，同时电容C向负载R供电，因C值很大，基本保持负载电压不变，此阶段L积蓄了一定的能量。当开关处于断态时，E和L共同向C充电，同时向R提供能量。开关的开通和关断受外部PWM信号控制，L将交替的存储和释放能量，L储能后使电压泵升，C将输出电压保持恒定。输出电压与输入电压的关系为U0=(T/toff)*E，可以通过调节占空比来改变输出电压[4]。
升压斩波电路目前一般应用于直流电动机传动；用作单相功率因数校正电路；用于其他交直流电源中等等。在如今这个电子科技不断发展的时代，升压斩波电路也一定会不断发展，有更广泛的发展空间。
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2.2 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30V-36V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。
2.4 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2-3所示。
LEVDC UORL
图2-3系统总体框图
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2.5 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。
2.6 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。
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3 硬件设计
3.1 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/0.8=72W/0.8=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＝C×R＝30mS～50mS，所以，滤波电容C选用4700µF。
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)=0.077Ω。
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(UO-UIN)/(mIOfUO^2)
其中，m是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20 kHz,输出电压为36V时，LB=364.5833μH，取370μH。
电感线径的计算：最大电流IL为2.5A，电流密度J取4 A/mm2，线径为d,则由J*π(d/2)^2=IL得d=0.892 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(UO-UIN)/(UO△U/T)
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其中，ΔUO为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,UO=36V时,CB=2916.227μF,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R2、R3、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3-1所示。
图3-1 BOOST斩波主电路图
3.2 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≈1-UIN/UO
当U2=12V，UO=36V时，UIN=1.2*U2-2V=12.4V， 最大值DMAX=0.656； 当U2=18V，UO=30V时，UIN=1.4*U2-2V=23.2V，最小值DMIN=0.227 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3-2所示。
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图3-2单片机引脚
3.3保护电路的设计
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3-3。
图3-3 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3-4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]。
11
高。
电路如图3-5所示。
3.4 显示电路的设计
变化，在此加入显示电路，更好的调试系统，完成硬件设计。
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
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
片机，单片机的两个接口P2.4和P2.5直接与按键连接，这样就可以实现数字设定，
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
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
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
图3-5 单片机及显示电路连接
图3-4 逐波过流保护
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3.5 效率的分析及计算
第二章中已指出，提高效率是该设计的总体要求，效率的高低决定着该电子设备的价值。因此，我们需要分析该效率的高低，确定该系统的价值及需要改进的地方。
DC-DC电路输入电压UIN=1.2*U2-2V=16V， 信号占空比D≈1-UIN/UO=0.556，
输入电流有效值IIN=IO/（1-D）=4.504A， 输出功率PO=UO*IO=72 W 下面计算电路中的损耗P损耗：
1) Boost电路中电感的损耗PDCR1IINDCR1
其中，DCR1为电感的直流电阻，取为50 mΩ，代入可得PDCR1=1.01 W 2) Boost电路中开关管的损耗PSW=0.5*UIN*IIN（tr+tf）*f
其中，tr是开关上升时间，为190ns,tf是开关下降时间，为110ns,f是开关频率，为20 kHz,代入可得 PSW=0.2161 W
导通损耗P （RDSON1.3RSNS））CD（IIN其中，导通电阻RDSON=77 mΩ，电流感应电阻RSNS取0.1 Ω，代入得PC=2.25 W 3) 肖特基二极管的损耗
流过二极管的电流值与输出电流I0相等，则二极管损耗PDIOVD 其中，IO=2 A,取二极管压降VD为0.35 V，代入可得PD=0.7 W 4) 采样电阻上的损耗PRTEST2=Io^2*RTEST2
其中，Io=2A,RTEST2=0.09Ω，代入可得PRTEST2=0.36W 5) Boost电路中电容的损耗：
输出电流有效值IO-RMS=1.13*IIN*[D(1-D)]^(1/2) 代入数据得IO-RMS=2.524A 电容的损耗PCO1=IO-RMS^2*ESR/2
等效串联电阻ESR取为10 mΩ，代入得PCO1=0.0318W 6) 输出滤波电路的损耗
电容的损耗与PCO1相同PCO2=0.0318W 电感的损耗 PDCR2=IO^2*DCR2
其中，DCR2为电感的直流电阻，取为50 mΩ，代入PDCR2=0.2W 综上，电路中的总损耗功率P损耗=4.5836W
DC-DC变换器的效率η= PO /（PO+P损耗）=94.015%
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3.6 系统特色
该系统采用多种高性能器件完成设计，其中突出的优势有以下几点： 1) 采用高性能，低功耗的高效单片机，不需要外部的晶振及复位电路，连线简单，功能齐全，是一款功能十分强大的单片机，可省掉外部的EEPROM,高速ADC8通道10位，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用，内部具有掉电唤醒功能，具有超强的抗干扰，抗静电能力。
2) 选用各种低功耗器件，提高系统效率，使电路更加简单明了而且减少运行过程中不必要的损耗。采用的升压二极管恢复速度快，损耗小，而且还增加了滤波电路，降低了纹波。
3) 采用了多重保护措施，保证了系统的高可靠性。
3.8 本章小结
本章分别对主电路、控制电路，保护电路和显示电路各模块的元件进行分析、计算与选择，并应用软件画出相应的原理图。为了达到高效率这一要求，对设计的电路做了进一步的分析，并且为提高系统的效率做了详细的分析与计算。目前，该设计硬件设计已经基本完成。
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4 软件设计
前面介绍了该系统的硬件设计，要使系统正常运行，还需要加上软件设计，主要通过使用低功耗增强型51单片实现本设计的控制部分[10]，通过总结主要有以下几方面的功能：
1) 输出PWM高低电平，驱动IRF1405 场效应管，实现开关管的开通与关断，从而实现升压的效果。
2) 测试输出的电流、电压并显示结果。单片机通过反馈对输出的电压和电流进行采样，把采集回来的数值再进行处理后将数据传送给1602显示输出电压和电流。
3) 设定输出电压值。通过按键调节把信号传送给单片机，单片机通过10位D/A将数字量转换成相应的模拟量送给IRF1405，通过AD转换实现电压反馈，进而控制输出电压实现步进的功能。
4) 当输出电流大于2.5A时，单片机就会启动过流保护功能，通过控制IRF1405的截止来避免电路损坏。当过流故障排除时，系统将自动恢复正常的工作状态。
4.1 软件设计思路
预制开机电压为30V,中断初始化之后，通过PWM输出频率来控制MOS管的通断，MOS管连续的开通与断开达到升压的效果，然后输出电压、电流通过A/D转换给单片机，单片机反馈给LCD1602，显示屏上出现输出电压电流值。通过按键1和按键2调节PWM占空比的大小，调整之后反馈给1602，输出不同的电压电流值，从而实现电压可调。由此得出流程框图如4-1所示。
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开始预制开机电压为30V中断初始化通过PWM输出一个频率，控制MOS管的通断输出相应的频率A/D转化LCD1602显示大于按键1输出频率与PWM输出的频率小于按键2调整
图4-1 软件设计流程
4.2 PWM程序
本设计采用C语言编程，包括主函数，初始化函数，输出PWM,AD转换，1602显示等程序。具体程序见附录B。
设置时钟频率，输出PWM为高低电平，控制MOS管的通断，输出PWM的主函数如下：
void pwm0_init(void) {
CMOD = 0x0a; //PWM频率 = 时钟频率 / 4 /256; CL = 0x00; CH = 0x00;
//基本计数器低8位清零 //基本计数器高8位清零
//允许比较，P3.7输出
16
PCA_PMW2 = 0x00; //8位PMW，占空比的第九位EPC0L为0 CCAPM2 = 0x42;
榆林学院本科毕业设计（论文）
}
CCON = 0x40; //允许PAC计数
4.3 按键程序
通过两个按键来调节电压的大小，主要程序如下： #include sbit key_add = P1^4; sbit key_cut = P1^5; uint cp2 = 206; uint ccc; void scan_key(void) { if(key_add == 0) { } if(key_cut == 0) { delay(200); if(key_cut == 0) { delay(200); if(key_add == 0) { } while(key_add == 0); cp2 = cp2-2; ccc = cp2; if(cp2 <= 163)cp2 = 163; 17 基于51单片机的开关稳压电源设计 } } } while(key_cut == 0); cp2 = cp2+2; ccc = cp2; if(cp2 >= 201)cp2 = 201; 4.4 本章小结 本章首先介绍了单片机控制系统的主要功能，包括输出PWM高低电平、测试输出电压电流并显示结果、设定输出电压值及过流保护系统；其次，描述了软件设计思路，并画出了软件流程图；最后对主要控制程序进行分析，编写完整的程序。程序应用于硬件中进行调试。 18 榆林学院本科毕业设计（论文） 5系统仿真测试 5.1 系统仿真 本系统主要是以Boost斩波电路为核心，以51单片机为主控制。单片机输出PWM控制开关管的通断，开关管开通，电感储能，电容放电；开关管断开，电感电容储能，同时电感电容放电。因此达到升压的效果。这是系统的核心部分，这一部分的成功是整个设计成功的关键，在此为核心电路做出仿真，为硬件调试打好基础。仿真如下图所示。 此电路用proteus软件进行仿真[11]，输出电压电流经过采样电路反馈给单片机，单片机将电压电流值输送给显示屏，显示电压值。初始值输出为30V，按键k++可以使电压变大，k--可以使电压变小，步进值为1V。初始输出仿真如图5-1。 图5-1 输出电压30V，电流0.98A 通过按键k++使电压变大，最大电压可达到36V。输出最大电压时如图5-2所示。 图5-2输出电压36V，输出电压2A 19 基于51单片机的开关稳压电源设计 5.2 PCB制作 通过系统仿真，达到预期的结果，更加确定了方案的可行性。随后用Altium Designer8.3绘制PCB[11],并进行PCB 板的制作， PCB的制作可以避免一些不必要的失误，能够快速、准确的完成实物的制作。PCB绘制如下图5-3所示。 图5-3 开关稳压电源PCB 5.3 测试仪器 电路调试过程中需要用到一些仪器，该设计中需要用到的仪器有：万用表，20MHZ示波器，单相交流调压器。 万用表：随时测量各处电压电流，测量所需数据，同时也可检测电路中的故障。 示波器：测量纹波与噪声电压，也可利用示波器方波代替单片机PWM输出。 单相交流调压器：改变输入电压进行测试，计算效率。 5.4 测试方法 在该系统中需要测量的是电压调整率，负载调整率及DC-DC变换器的测量， 以下是需要测量的方法： 电压调整率的测试方法：在输出电流为2A的条件下，调整变压器使隔离变压器的输出在12V到18V之间取几个值然后测量相应的直流输出电压值，根据公式可求得电压调整率。 20 榆林学院本科毕业设计（论文） 负载调整率的测试方法：在隔离变压器输出为15V、输出直流电压36V，分别测量负载电流为0和2A所对应的输出电压值。负载调整率就是输出电压的相对变化量与标准电压的比值。 DC-DC变换器效率的测试方法：在隔离变压器输出为15V, 直流输出电压为36V、输出电流为2A的条件下，测得输入电压Ui和输入电流Ii的直流平均值，效率η＝(Uo•Io/Ui•Ii)╳100％ 。 5.5 实际测试数据 电压调整率，来源于电源在满载时，其输出电压因该电源的供电电压波动引起的变化。负载调整率，来源于电源的输出电压因负载大小的变化（从空载到满载）。电压调整率表征稳压器稳压性能优劣的重要指标，是指在负载和温度恒定的条件下，输出电压的相对变化量与输入变化量的百分比。负载调整率是衡量电源好坏的指标，好的电源输出接负载时电压降小。 1) 电压调整率的测试(IO=2A) 表5-1 电压调整率测试 变压器输出电压（V） 电压调整率SU=（UO2-UO1）/UO1=1.4% 2) 负载调整率的测试(U2=15V、Uo＝36V) 表5-2 负载调整率测试 12 18 36.02 直流稳压电路输出电压（V） 35.52 负载电流（A） 输出电压（V） 2.02 35.54 0 36.27 负载调整率SI=（UO3-UO4）/UO3=2.0 % 3) DC-DC变换器效率的测量(U2=15V、IO=2A、UO=36V) 表5-3 效率测量 输入电压（V） 输入电流（A） 输出电压（V） 输出电流（A） 效率 DC-DC转换器效率η=UOIO/UINIIN=89.81%。 17.8 4.504 36 2 89.81% (4)过流保护：当负载电流超过2.5A时，输出电压降到约0~5V(取决于负载阻抗大小)；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常工作状态。 21 基于51单片机的开关稳压电源设计 （5）纹波与噪声电压测试：U2=15V、Uo=36V、Io=2A，用示波器测量。纹波峰-峰值=1.8VPP。 5.6 测试结果分析 5.6.1 测试数据与设计指标的比较 表5-4数据测试 测试项目 输出电压可调范围 最大输出电流 电压调整率 负载调整率 DC-DC变换器效率 电压电流显示 基本要求 30V-36V 2A ≤2％ ≤5％ ≥85％ 电路测试结果 实现 实现 1.4％ 2.0％ 89.81％ 实现 5.6.2 产生偏差的原因 1）对效率等进行理论分析和计算时，采用的是器件参数的典型值，但实际器件的参数具有明显的离散性，电路性能很可能因此无法达到理论分析值。 2）电路的制作工艺并非理想的，会增加电路中的损耗。 5.6.3 系统改进 1）单片机虽然可以直接连接MOS管，但它的I/O口输出电压低，驱动能力不是很强，为了更稳定的驱动MOS管，我们可以采用专用驱动芯片IR2302。单片机输出的PWM的高低电平，通过专用芯片可以实现MOS管的高速开通和关断。IR2302还具有欠压保护功能。欠压就是低于规定的电压范围，欠压保护就是当被保护线路的电源电压低于一定数值时，保护器切断该线路；当电源电压恢复到正常范围时，保护器自动接通。利用IR2302自身的欠压保护功能，对其电源电压进行检测，使场效应管一直工作在非饱和区或者截止区，防止场效应管进入饱和区后而损坏了。 图5-1 驱动芯片引脚 2）使用性能更好的器件，如换用导通电阻更小的电力MOS管，采用低阻电容。 3）使用软开关技术，进一步减小电力MOS管的开关损耗； 22 榆林学院本科毕业设计（论文） 4）优化软件控制算法，进一步减小电压调整率和负载调整率。 5.7 本章小结 本章对系统进行了仿真，制作了PCB，对测试仪器、测试方法进行介绍，然后对各项结果的测试及效率的分析，进一步对设计进行调试与总结，分析系统产生偏差的原因。并为提高效率，改善系统做了详细的计划，为以后的改进有了明确的目标。 23 基于51单片机的开关稳压电源设计 24 榆林学院本科毕业设计（论文） 总结 拿到本设计的题目后，我首先对题目的理解做了一些资料的查阅，确定设计的方向，然后根据所确定的方向查阅了大量资料，再结合任务书中老师的的要求，对方案有了大体的轮廓，进行了方案论证，确定了设计方案：将系统主要分为主电路模块、控制模块、显示模块三部分。 设计方案与元器件参数确定后，首先用proteus软件进行仿真，由于有些器件在仿真中无法找到，只能找一些相似的元件代替。由于长时间没接触proteus，好多东西都得重新学习，完成仿真的过程中也学到了很多东西，但由于有些元件可能不是该电路中所需要的，所以与理想中的结果会有一些偏差。不过结果还是很可观的，情理中。仿真的成功预示着硬件的成功。 接下来就用所确定的原理图中所需的器件开始采购元器件，进行硬件的焊接。在制作硬件的过程中，采用模块化制作，严谨的做好每一步，一个模块完成后进行调试，确保电路图的正确性，可靠性。硬件制作全部完成后，根据硬件电路图再次核对了元器件的型号，极性，安装是否正确，检查硬件电路连线是否与电路图一致。 硬件电路制作完毕后，开始调试。这个过程相当复杂艰难，出现了很多问题，例如控制芯片工作一会后发烫很厉害，实际输出与理论不符等。遇到这些问题后，首先检测硬件电路，对硬件电路的连接确定无误后若还不对，就要考虑是否参数选择不对，必须重新计算后再选，直到出现所需要的实验结果。 因为要做出开关电源实物，所以设计与调试的过程很辛苦，但我体会更多的是学到知识与能力提高之后的喜悦。大学四年的学习过程中，虽然进行了较多的实验与实习，但多数是是验证性的，很简单，很少有自己的设计。本次设计，从方案论证、参数设计、器件购买、硬件制作所有的过程都是自己一手完成，并将系统实物调试成功。 25 基于51单片机的开关稳压电源设计 26 参考文献 参考文献 [1] 庄渊昭．开关稳压电源设计[J]．电子制作, 2006, (9): 58-61． [2] 谢光希,张华,王川．基于TL494的开关稳压电源设计[J]．中国高新技术企业, 2007, (16): 90-91． [3] 任国海．电力电子技术[M]．杭州: 浙江大学出版社, 2009． [4] 王水平,史俊杰,田庆安．开关稳压电源原理、设计及实用电路[M]．西安:西安电子科技大学 出版社, 2005． [5] 王磊,李建敏,李平．基于PWM的开关稳压电源的设计[J]．电脑知识与技术:学术交流, 2013, 9(2): 922-924． [6] 谭立啸．一种小功率开关稳压电源的设计[J]．黑龙江八一农垦大学学报, 2011, 23(3): 86-88． [7] 徐强．一种开关稳压电源的设计[J]．中国电子商务, 2012, (17): 74-74． [8] 李朝青．单片机原理及接口技术(第3版) [M]．北京: 北京航空航天大学出版社, 2006． [9] 王兆安,黄俊．电力电子技术(第4版) [M]．北京: 机械工业出版社, 2000． [10] 潘永雄,沙河．电子线路CAD实用教程(第4版) [M]．西安: 西安电子科技大学出版社, 2012． [11] 胡仁喜,李瑞．电路设计标准实例教程 [M]．北京: 机械工业出版社, 2012． 27 基于51单片机开关稳压电源设计 28 致 谢 致 谢 至此，我的设计已经完成。我首先要感谢我的指导老师，在他的督促与帮助下，我才能成功的完成本次设计。我还要感谢我的同学们，在平时的学习中给我解惑，在硬件的制作中给我帮忙。 老师严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华，平易近人的人格魅力对我影响深远。在大四这一年中，老师给了我许多帮助。在设计中，他给了我很多宝贵的意见和建议；在生活中，他给我们寻找工作的信息，鼓励我们去寻找美好的未来。总之，它的朴实无华，平易近人深深地感染着我们。认真的完成毕业设计，从未放弃，这和老师的关怀分不开。 我要感谢我的所有同学，在这个团结奋斗、积极向上、充满爱心的集体中，我获得了不断进取的动力。设计期间大家互帮互助，攻克难关，顺利完成毕业设计。 最后我要感谢我的家人和朋友。在家人的鼓励下，我忘记了所有的困难，迎难而上；在朋友的帮助下，我学到了很多大学没有学到的东西。这一年，成长了很多。 四年的大学生活，是家人、老师、朋友、同学点点滴滴的关怀让我成长，让我顺利完成大学的学业。 再次由衷的感谢你们！ 29 基于51单片机的开关稳压电源设计 30 PWM 31 附 录 保护电路 附 录A 附 录 附 录B 主函数 //使用P1.1\\P3.7输出PWM波形， #include code uchar seven_seg[] = {0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; uchar cp1; uint bbb,ddd; uint cp0,cp3,adc_num; float aaa; sbit P3_4 = P3^4; sbit P3_5 = P3^5; sbit P3_6 = P3^6; void display(void) { } void timer0_isr(void) interrupt 1 { TH0 = (65536 - 1000) / 256; //重装初值 TL0 = (65536 - 1000) % 256; //重装初值 cp3++; display(); 32 gotoxy(1,0); display_string(\"Voltage:\"); display_num(cp2); gotoxy(2,0); display_string(\"Electricrty:\"); display_num(bbb); 附 录 } /*********************Timer0初始化函数***********************/ void timer0_init(void) { } void pwm0_init(void) { } void main(void) { timer0_init(); FLCD1602_init(); FLCD1602_clear(); pwm0_init(); while(1) { scan_key(); PCA_PWM2 = 0x00; CCAPM2 = 0x42; CCON = 0x40; //允许PAC计数 //8位PWM，占空比的第九位EPC0L为0 //允许比较，P3.7输出 CMOD = 0x0a; CL = 0x00; CH = 0x00; //PWM频率 = 时钟频率 / 4 /256; //基本计数器低8位清零 //基本计数器高8位清零 TMOD = 0x01; //T0工作方式1 //对机器脉冲计数1000个计满溢出引发中断 //中断1次，变量加1 TH0 = (65536 - 1000) / 256; TL0 = (65536 - 1000) % 256; EA = 1; ET0 = 1; TR0 = 1; //开总中断 //开T0中断 //启动定时器T0 33 附 录 } AD转换函数 #include } if(cp3 >= 1000) { z } if(bbb > ccc) { } if(bbb < ccc) { } ccc--; if(ccc <= cp2 - 5)ccc = cp2; ccc++; if(ccc >= cp2 + 5)ccc = cp2; cp3 = 0; adc_num = get_adc(); adc_num = adc_num * 0.465; aaa = adc_num; bbb = (int)(aaa * (-0.63) + 390.6); ddd = adc_num / 20; if(CL == 0xff) { } CCAP2L = ccc;//PCA模块1捕获寄存器低八位装初值 CCAP2H = ccc;//PCA模块1捕获寄存器高八位装初值 34 附 录 #define nop _nop_() sfr PCON2 = 0x97; uint get_adc(void) { uint i,j; P1ASF = P1ASF | 0x02; PCON2 = PCON2 | 0x20; //设置P1.1为模拟输入端口 //ADRJ = 1; ADC_CONTR = ADC_CONTR | 0x80 | 0x40 | 0x01; //设置A/D电源开启|转换速度设置|输入 端口P1.0； } 按键函数 #include sbit key_add = P1^4; sbit key_cut = P1^5; uint cp2 = 206; return(i); while((ADC_CONTR & 0x10) !=0x10); i = ADC_RES; j = ADC_RESL; i = i << 8; i = i | j; ADC_CONTR = ADC_CONTR & ~0x10; ADC_RES = 0x00; ADC_RESL = 0x00; //清零转换标志位 //等待转换标志置位 nop;nop;//等待电源稳定； ADC_CONTR = ADC_CONTR | 0x08; //开始转换 35 附 录 uint ccc; void scan_key(void) { } LCD1602显示函数 #include //头文件 //宏定义，用uchar代替unsigned char if(key_add == 0) { } if(key_cut == 0) { } delay(200); if(key_cut == 0) { } while(key_cut == 0); cp2 = cp2+2; ccc = cp2; if(cp2 >= 201)cp2 = 201; delay(200); if(key_add == 0) { } while(key_add == 0); cp2 = cp2-2; ccc = cp2; if(cp2 <= 163)cp2 = 163; #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar num[] = \"0123456789\"; //宏定义，用uint代替unsigned int //显示两位数字时使用 36 附 录 sbit RS = P2^0; sbit RW = P2^1; sbit E = P2^2; /*************延时函数***************/ void delay(uint x) { } /***************向LCD1602写一个命令*******************/ void write_command(uchar command) { } /***************向LCD1602写一个数据******************/ void write_data(uchar date) { } /**************初始化LCD1602************************/ RW = 0;RS = 1; P0 = date; E = 1; delay(100); E = 0; RW = 1; //等待接收 RW = 0;RS = 0; P0 = command;E = 1; delay(100); E = 0; RW = 1; //等待接收，省略了读状态操作 while(x--); 37 附 录 void FLCD1602_init(void) { } /**************对LCD1602清屏***********************/ void FLCD1602_clear(void) { } /*************向LCD1602写字符串*******************/ void display_string(uchar *p) { { } /************向LCD1602写数字变量(两位)**********/ void display_num(uint x) { write_data(num[x / 100]); write_data(num[x % 100 / 10] & 0x7f); } write_data(*p); p++; //写字符 while(*p) //字符非空 write_command(0x01); write_command(0x02); write_command(0x38); write_command(0x0f); write_command(0x0C); write_command(0x06); // 两行，每行16字符，每个字符5*7点阵 // 光标显示并闪烁 // 光标不显示 // 光标随字符右移 //数据指针加1 38 附 录 } /********************定位**********************/ write_data(num[x % 10]); void gotoxy(uchar y,uchar x) { if(y == 1) write_command(0x80 + x); else if(y == 2)write_command(0x80 + 0x40 + x); } 39 //第一行 //第二行 附 录 附 录C 40 附 录 41 附 录 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 42 附 录 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 43 附 录 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 44 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容