摘 要

阐述了用AT89C51单片机输出PWM信号控制BUCK主电路中晶体管开关通断，利用AD模数转换反馈输出电压的采样值于是以此调节PWM占空比实现稳压输出的功能。另外附带3个功能按键和液晶显示。采用15V直流作为BUCK电路的输入电压，输出为3～12V电压值而且步进可调。本设计还通过C语言实现PID算法，程序数字滤波等等一系列计算。总体电路仿真软件为Proteus，C语言编程软件为Keil。

本文最终是希望设计出一款智能简单的可控开关电源，能够实现DC/DC变换器的功能而且输出电压值可调。输出电流不超过2A。因为开关电源的电能转换效率很高在人们的日常生活当中也有普遍使用，所以想利用单片机，按键以及液晶显示等低成本器件使得开关电源让用户体验更加良好。

关键词：开关电源；PWM ；51单片机

Abstract

This paper expounds the use of AT89C51 single chip microcomputer output PWM signal to control the switching of the transistor in the BUCK main circuit, and the use of AD analog-to-digital conversion feedback output voltage sampling value so as to adjust PWM duty ratio to achieve voltage stabilization output function. It also has 3 function keys and LCD display. Using 15V dc as the input voltage of BUCK circuit, the output voltage is 3 ~ 12V and can be adjusted step by step. This design also through C language PID algorithm, program digital filtering and so on a series of calculations. The overall circuit simulation software is Proteus, and the C language programming software is Keil.

Finally, this paper hopes to design an intelligent and simple controllable switching power supply, which can realize the functions of DC/DC converter and the output voltage value can be adjusted. The output current does not exceed 2A. Switching power supply is widely used in People's Daily life because of its high power conversion efficiency. Therefore, we want to make use of low-cost devices such as single-chip microcomputer, keys and liquid crystal display to make switching power supply provide better user experience.

Key words: switching power; PWM 51; SCM

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题目的和意义 1

1.2 课题相关背景 1

1.3 课题基本要求 2

第2章高频开关电源原理及方案选择 3

2.1高频开关电源变换器 3

2.1.1线性变换器 3

2.1.2 Buck变换器 4

2.1.3 Boost变换器 5

2.1.4 Buck-Boost变换器 5

2.2开关电源的驱动方式 6

2.3案的选择 6

第3章硬件电路设计 8

3.1总体框架 8

3.2 BUCK电路参数计算和分析 8

3.3 AT89C52单片机系统 10

3.4电路供电辅助单元 12

3.5电压检测电路 12

3.6 A/D采样电路设计 13

3.7按键电路 14

3.8液晶显示电路 15

3.9小结 15

第4章 软件设计 16

4.1主程序设计 16

4.2按键扫描子程序 16

4.3 LCD1602显示子程序 17

4.4 ADC0832转换子程序 18

4.5 PWM产生子程序 19

4.6 PID子程序 19

第5章系统仿真与调试 21

5.1硬件模块调试 22

5.1.1电路供电辅助单元调试 22

5.1.2 PWM波形调试 22

5.1.3功率开关管的调试 22

5.2电源性能仿真结果 22

5.2.1仿真结果 22

5.2.2最大输出电流的测试 23

5.2.3电压调整率的测试 23

5.2.4纹波电压的测试 24

第6章 小结 25

参考文献 26

致 谢 27

附录 28

第1章 绪论

1.1课题目的和意义

电源已成为各行各业的用电设备所必须的构成部分，电源的好坏会严重影响到各种电子设施和电子仪器的技术指标，工作状态及能否实现可靠安全的工作。因为开关电源更能满足当今电子设施的要求，被各个用电的行业得到使用。

把开关电源的成本和输出功率和线性电源的成本和输出功率二者进行比较，我们会发现输出功率的增加所带来的代价就是二者的成本也增长，但二者价格增长的速度却完全不一致。前者的成本价格被禁锢在在一个恒定的输出功率点上，一旦到了这个恒定的功率点那么很难再提升其输出功率，而且代价愈来愈高，至少和开关电源的代价相比要花费更多。电力电子技术的一天一天的革新和进步，开关电源技术也因为电力电子器件的更新换代而不断前进，开关电源技术逐步从高输出电力端向低输出电力端，现在的小型电源适配器就十分流行，这无疑是给开关电源技术的不断向前提供进步空间和新的发展方向。我们要对开关电源进行深一步的研究由AT89C51单片机进行控制的可调高频开关稳压电源能克服传统稳压电源的缺点。本设计的高频开关电源可以利用AT89C51单片机控制DC/DC变换器输出电压的功能。

1.2 课题相关背景

国外电力电子的器件发展是伴随着可控硅(SCR)出世后开始，硒或氧化亚铜整流器件逐步被轻便而且效率较高的可控硅取代，可控硅整流器当作很多符合条件的电子设备的一次电源被利用。随后不断提高和改进，然而它是相控电源当中的一种，有体积很大的电子器件且电路过于粗糙，功率因数偏小难以满足时代的发展和需求。后来不断改进到后期IGBT的出现并投入市场，大多采取体积小的集成芯片和电子器件等供给各种仪器和设施所需的一次电源。目前电源一方面是对开关电源的驱动电路以及控制电路实现集成化，另一方面是对中小功率开关电源单片集成化如TOPSwitch等系列产品。

因为后来的十年文革动乱，工作有所停滞，生产可控硅整流器作电源使用，并且我国的一批科学家也对可控硅整流器有所研制改良性能。直到后期频率在20kHz 左右的DC/DC变换器被研制和生产，但缺乏像国外那样的电力电子器件，无法从根本上实现变换器的工作指标，无法保证变换器的品质，但是可以用作二次电源因为二次电源对元器件的耐压及电流需求偏低。最近的这几十年以来，成功试制出高频率的开关电源等电子产品。从大局上看，开关电源的发展趋势为向体积偏小型、高频率、高效率、高可靠度、高密度化、低工耗、低噪声、抗干扰能力强和高集成化发展。

1.3 课题基本要求

（1）设计、制作开关电源；

（2）基于单片机作为控制系统的核心，由键盘事先设定输入电压，可把预先设定电压和输出电压通过液晶显示屏进行显示。

（3）学会绘制开关电源的基本电路图，搞清楚开关电源的工作原理和基本设计方法；

（4）学会单片机C语言编程和常用模块的编程方法；

（5）懂得PID控制原理；

第2章高频开关电源原理及方案选择

2.1高频开关电源变换器

开关电源变换器主要能够分为交-直流(AC/DC )、直-直流(DC/DC )、直-交流(DC/AC)变换器，本文所研究的是一种直-直流(DC/DC )变换器。

DC/DC变换可以把一种直流电压数值和相关指标变为另一种直流电压数值和相关指标的过程，也称为斩波器电路，核心组成部分就是DC/DC变化器。

对于开关电源变换器，首先追溯其本源可以看看其前身-线性变换器以及开关电源的几种类型包括比如说BuckDC/DC变换电路；BoostDC/DC变换电路；BuckBoostDC/DC变换电路。

2.1.1线性变换器

线性变换器是最早的电源电路之一，由于其输入电压与输出电压的数学关系是线性的关系，因此常常被作为稳定输出电压的功能进行使用，它的电路结构简单，重点是由一个工作在放大区的晶体管与负载串联组合，晶体管可以被当作一个可变电阻。线性变换器把输出电压的通过分压电压检测采样电路之后的采样值与参考电压通过一个比较器相比，输出的电压通过功率放大器之后驱动功率晶体管完成稳压的作用。它的工作过程为：在输出电压因为输入电压的升高或者是因为输出负载减小而升高时，它与基准电压的之间的差值变小，因此比较器输出的电压减小，则给到晶体管(假设为NPN型)基极电压减小，晶体管的等效电阻值变大，得到输出电压反而降低；相反的情况，在输出电压减小时，它与基准电压的之间的差值变大，因此比较器输出的电压变大，加到晶体管基极电压升高，对应的等效电阻减小，输出电压就会增大。由以上的过程可以看出，输入电压能由串联一个晶体管来进行调整，进而维持输出电压值不变。

a、优点

线性变换电路的耦合方式是直接耦合，所以电路的可靠性高，结构也十分简单；由于电路中没有开关器件，所以各个节点的电流都可以直接预测和计算;电路中没有变压器，同时也就没有引起射频干扰的瞬态尖峰电压或电流；因为晶体管工作的状态一直都不是开关状态，因此不存在晶体管的开关损耗，整个电路的功率损耗只包括电路中各元件的直流损耗。

b、缺点

从电路结构的角度上可以观察到线性变换器只能用于降压，同时输入与输出之间有一个公共端，因此必须用隔离电路使输入与输出隔离；线性变换器输入端的直流电压一般由工频变压器次级整流而来，因为工频变压器重量体积大，效率低下而限制了线性变换器的应用；线性变换串接的晶体管损耗巨大，不适合用于输出电流大于5A的场合。

2.1.2 Buck变换器

这种开关型电源的输入为直流电压并进行供电，由开关电路开关动作输出一个方波，再由电容C进行滤波之后又得到与供电电压的数值有差别的电压。在一般情况下输入电压通常大于输出电压。

开关管一旦饱和导通时，能量就可以通过电感贮存在其中，并且向负载提供能量。开关元件一旦截止时，因为电感上的电流必须缓慢减小不能突变为0，续流二极管导通之后与负载及后续电路等形成回路，先前贮存于电感中的电能不停歇的给负载送电。电容起到削弱电压的脉动，平滑电压的作用。这里面负载和开关管之间的连接形式为串联的连接形式，故也把这种电路叫做串联开关电源。

为方便后续分析，先假设Buck变换器中的晶体管S、二极管D、电感L、电容C均为理想器件，即忽略晶体管的导通和截止延迟时间，并且忽略其压降、漏电流和电路损耗；设电感电流是连续的，也就是说它工作在线性区。

晶体管导通时，此时电路上的电感上的电压就可以看作输入电压；而当晶体管截止时，此时电路上的电压可以看作等于0。

图2.1 BUCK变换器结构图

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