车载笔记本电源适配器的设计毕业设计Word下载.docx
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同时系统应便于维护，尽可能的降低系统的运行和维护费用。
（4）具有高性能价格比，能够做到物有所值，追求物超所值。
2.2电源适配器总体方案选择
2.2.1主电路方案选择
系统的整体设计方案如图2-1所示，本电路主要由主控电路，电源电路，保护电路，故障报警电路等部分组成。
图2-1系统整体设计方案
方案一：
选用传统DC-AC-DC方案。
采用直流12V电压转换成交流220V/50Hz的一般逆变器加工频变压器的方案体积大、效率低.
方案二：
采用DC-DC升压方式。
将汽车点烟器输出的12V直流电源直接转换为可供绝大多数型号笔记本使用的19V电压，可调整的范围在±
0．5V。
输入电压的范围在10V～15V。
即使输入电压有较大的波动，输出电压也有较好的调节能力。
具有体积小、效率高、结构简单、稳定性好、性价比高等优点。
经过综合考虑,采用高频链的方案来实现无工频变压器的逆变电路,可以很好地解决传统车载电源存在的问题,所以我们采用DC-DC升压方式。
2.2.2监测电路方案选择
采用全模拟器件实现。
使用模拟器件，系统复杂，稳定度小，干扰性大；
选用单片机系统结构简单，稳定性高，抗干扰能力强，性价比高。
由于系统配置需求不高，所以选用AT89C2051单片机。
第3章系统硬件设计
3.1系统工作原理
本车载笔记本电源适配器主要由DC-DC升压转换电路，AT89C2051单片机，电压显示电路，故障保护报警电路等组成。
如图3-1所示。
图3-1车载笔记本电源适配器的系统原理图
系统工作原理：
主电路部分主要完成将蓄电池12V输出转变成笔记本所需的19V电源电压，辅助电路部分主要负责系统故障的检测报警等，电源输入端采用功率管对其进行能量耗尽保护，当蓄电池输出电压小于9V时，关断输出，其蓄电池输出端和适配器输出端通过ADC0832对其进行电压采样，由其采样结果判断系统输入输出等工作状态，并且显示输入输出工作电压，若遇故障发出报警指示。
3.2电源保护电路
为了提高汽车蓄电池的寿命。
当蓄电池电源耗尽时，系统自动对其进行保护，此系统中采用单片机对其进行保护控制，当其电压低于9V时，单片机控制端将输出低电平加至功率管Q2基极，切断功率管Q2，即适配器电源切断[11]。
当蓄电池电压大于9V时，单片机发出高电平，使Q2导通，适配器正常工作。
电源保护电路如图3-2所示。
图3-2电源保护电路
3.3PWM模块
3.3.1UC3842简介
UC3842是高性能固定频率电流模式控制器专为离线和直流至直流变换器应用而设计，为设计人员提供只需最少外部元件就能获得成本效益高的解决方案。
这些集成电路具有可微调的振荡器、能进行精确的占空比控制、温度补偿的参考、高增益误差放大器[7]。
电流取样比较器和大电流图腾柱式输出，是驱动功率MOSFET的理想器件。
其它的保护特性包括输入和参考欠压锁定，各有滞后、逐周电流限制、可编程输出静区时间和单个脉冲测量锁存。
UC3842A是专为低压应用设计的，低压锁定门限为8.5伏（通）和7.6V（断）。
特点:
微调的振荡器放电电流，可精确控制占空比；
电流模式工作到500KHZ；
自动前馈补偿；
锁存脉宽调制，可逐周限流；
内部微调的参考电压，带欠压锁定；
大电流图腾柱输出；
欠压锁定，带滞后；
低启动和工作电流；
直接与安森美半导体的SENSEFET产品接口；
图3-3UC3842的内部结构
图3-4UC3842的引脚图
表3-1UC3842引脚功能表
引脚
功能
引脚功能说明
8管脚
14管脚
1
补偿
该管脚为误差放大器输出，并可用于环路补偿。
2
3
电压反馈
该管脚是误差放大器的反相输入端，通常通过一个电阻分压器连至开关电源输出。
5
电流取样
一个正比于电感器电流的电压接至此输入。
脉宽调制器使用此信息中止输出开关的导通。
4
7
RT/CT
通过将电阻RT连接至Vref以及电容CT连接至地，使振荡器频率和最大输出占空比可调。
工作频率可达500HZ.
-
地
该管脚是控制电路和电源的公共地（仅对8管脚封装如此。
6
10
输出
该输出直接驱动功率MOSFET的栅极，高达1.OA的峰值电流经此管脚拉和灌。
12
VCC
该管脚是控制集成电路的正电源。
8
14
Vref
该管脚为参考输出，它通过电阻RT向电容CT提供充电电流。
电源地
该管脚是一个连回至电源的分离电源地板回端（仅14管脚封装如此），用于减少控制电路中开关瞬态噪声的影响。
11
VC
输出高态（VOH）由加到此管脚（仅14管脚封装如此）的电压设定。
通过分离的电源连接，可以减少开关瞬态噪声对控制电路的影响。
9
该管脚是控制电路地返回端（仅，4管脚封装如此），并被连回到电源地。
2，4，6，13
空脚
无连接（仅14管脚封装如此）。
这些管脚没有内部连接。
3.3.2PWM的设计
图3-5PWM电路
本设计PWM控制电路主要由UC3842和一些基本元件组成，经过UC3842调整及稳压滤波后得到一个稳定的19V的工作电压。
当开关管V出现过电流时，电阻R404上测得的过电流信号，输送到电流测定比较器的同相输入端，只要R404的电压达到1V，电流测定比较器动作，通过PWM锁存器使开关管关断，实现过流保护功能[16]。
电路图如3-5所示：
3.4升压转换电路的设计
3.4.1升压转换器的工作原理
汽车点烟器输出的直流电压为12V，即使在发动机运行时也不超过13.8V，低于笔记本电脑通常所需的19V电压[2]。
利用升压转换器来完成电压的转换，基本电路如图3-6所示，它由电源开关T、二极管D、储能电感L和滤波电容C组成。
电感不断充放电，感应电压加到电源电压上由此产生的输出电压就高于汽车点烟器所提供的电压。
图3-6升压转换器转换电路图
升压转换电路可看作受两个开关控制，电源开关T和二极管D。
在任何特定时间内只允许其中一个开关闭合，电路的两种工作状态如图3-7所示。
（1）T导通，D截止时：
输入直流电源Vin经电感线圈L和开关T形成Iin电流通路。
直流电源向电感充电，电感L的电流线性增加，电能以磁能形式存储在线圈中。
此时，二极管D反偏，输出负载电流Iout由原来存储在电容C上的能量来提供，如图3-7（a）所示。
（2）T截止，D导通时：
由于电感L中的电流不能跃变，将在线圈中感应出如图3-7（b）所示的反极性感生电压。
因此，感生电压的极性为左负右正。
此时的二极管D进入正向导通状态，原来在S导通期间存储在电感线圈中的能量通过二极管D提供给电容C和负载RL。
C在此阶段充电的能量在下一个T截止的期间提供给负载RL。
令电源开关T占空比为D1，二极管D占空比为D2。
由于在任何时刻只有一个开关导通，则：
（3-1）
（a）On-State；
T导通，D截止
（b）Off-State；
T截止，D导通
图3.7升压转换器的原理：
接通阶段（a）和关闭阶段（b）
输入电压记为Vin输出电压记为Vout。
若S导通，输入电源电压将被电感吸收，在T上不会产生压降。
如果D导通时间足够长，电感L可看作短路，也不会有压降。
忽略二极管正向导通压降，Vin和Vout的关系推导如下：
（3-2）
（3-3）
（3-4）
由于D1<
1。
因此，输出电压大于输入电压。
另外，两个开关还能调节输出电压。
若输出电压高于19V，则必须迫使输出电压下降。
T导通，D截止使得电容和负载脱离电路的其它部分。
此时，电容充当负载的电源。
放电使得电容两端的电压降低，即降低了输出电压。
若输出电压低于19V，那么必须提高输出电压。
使T截止，D导通，电流流经二极管D、电容C和负载RL形成回路。
由于电流向电容充电，使得电容两端的电压增加，使输出电压也增加。
3.4.2DC-DC升压电路
DC-DC升压电路电路图如图3-8所示。
图3-8DC-DC升压电路电路图
DC-DC升压电路是指直流/直流转换电路。
主要的目的是进行电压的变换，因为直流不能直接通过变压器升、降压，所以先将直流通过开关电路变成交流，频率一般是几百K，这时的交流波形没有交流电正弦波那样好。
变成交流后通过变压器进行变压，输出的交流通过整流、滤波、稳压等电路变回直流。
当然变压器的磁芯一般是锰锌铁氧体的，不能用硅钢片的。
现在电器的电源内部基本都是这样的，台式机、电视机、笔记本、手机充电器等等的电源、基本都是这样原理，只不过它们还多一部分，就是先将输入的220伏的交流电整流、滤波变成直流，然后再进行DC/DC转换。
这样做的目的是交流的频率高。
3.5AD转换电路设计
3.5.1数模转换芯片ADC0832简介
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。
学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。
ADC0832具有以下特点：
·
8位分辨率；
双通道A/D转换；
输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
一般功耗仅为15mW；
8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
商用级芯片温宽为0°
C~+70°
C，工业级芯片温宽为−40°
C~+85°
C；
ADC0832引脚图如图3-9所示。
图3-9ADC0832引脚图
芯片接口说明：
CS_片选使能，低电平芯片使能。
CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
GND芯片参考0电位（地）。
DI数据信号输入，选择通道控制。
DO数据信号输出，转换数据输出。
CLK芯片时钟输入。
Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
3.5.2AD转换电路接口设计
AD转换电路用于对蓄电池的输入电压，即适配器电压输出进行适时监控，确保适配器处于正常工作状态，此处采用ADC0832进行采样，ADC0832是串行接口，其始终输入接单片机的AT89C2051的P3.5口，片选
端接单片机的P3.2口，通道选择DI端接单片机的P3.1口，数据输出DOUT端接单片机的P3.0口，模拟信号输入CH1端对蓄电池输入端进行采样，模拟输入CH2端对适配器输出电压进行采样。
AD转换电路接口如图3-10所示。
图3-10AD转换电路接口
3.6MCU电源电路
MCU电源电路如图3-11所示。
图3-11MCU电源电路
要保证控制器能够正常稳定工作，必须提供稳定的电源电压，AT89C2051工作在5V电压下，此处采用ASM1117-5.0为其提供5V电压，其电压输入取至蓄电池12V输出，该电路中C7,C8,C2,C3均起稳压滤波作用，LED为电源指示，R1为限流电阻[9]。
3.7复位及时钟电路
复位对于一个系统正常运行来说很重要，各个单元要进入正常工作状态，需要可靠的复位。
所有的微控制器都有一个复位逻辑，它将微控制器初始化某个确定状态，这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作，一些微控制器在上电时刻会自动产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号，这个信号的稳定性和可靠性对系统的影响非常的大。
一般情况下，有上电复位和手动复位。
复位电路可以采用简单的阻容复位，这个电路成本低廉。
其电路如图3-12所示。
图3-12复位电路
时钟电路如图3-13所示。
XIN和XOUT分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XOUT应不接。
图3-13时钟电路
3.8主控电路设计
3.8.1AT89C2051简介
AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。
AT89C2051提供以下标准功能：
2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。
空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。
AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。
AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统:
1、由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。
调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。
但是做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。
2、将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。
图3-14AT89C2051芯片引脚图
AT89C2051的引脚图如图3-14所示。
1、VCC：
电源电压。
2、GND：
地。
3、P1口：
P1口是一个8位双向I/O口。
口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（ANI0）和反相输入（AIN1）。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P!
口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。
当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。
4、P3口：
P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3品缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时，被外部时拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。
P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能，如3-2表所列：
表3-2P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能
引脚口
P3.0
RXD串行输入端口
P3.1
TXD串行输入端口
P3.2
INT0外中断0
P3.3
INT1外中断1
P3.4
T0定时器0外部输入
P3.5
T1定时器1外部输入
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5、RST：
复位输入。
RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6、XTAL1：
作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。
7、XTAL2：
作为振荡器反相放大器的输出。
AT89C2051的主要性能如下：
1、和MCS-51产品兼容；
2、2KB可重编程FLASH存储器（10000次）；
3、2.7-6V电压范围；
4、全静态工作：
0Hz-24MHz；
5、2级程序存储器保密锁定；
6、128*8位内部RAM；
7、15条可编程I/O线；
8、两个16位定时器/计数器；
9、6个中断源；
10、可编程串行通道；
11、高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）；
12、直接驱动LED的输出端口。
3.8.2主控单元电路
主控电路主要用于AD转换和LCD液晶显示控制，由于AT89C2051的P1.0,P1.1口没有内部上拉，所以R5，R6为两端口添加的上拉电阻，电路图如图3-15所示。
图3-15主控单元电路
3.9过压欠压报警显示电路设计
过压欠压报警显示电路如图3-16所示，当输出电压小于9.5V时，单片机P3.4口输出低电平，三极管QF导通，蜂鸣器和LED发出报警指示，提示用户蓄电池电量即将耗尽。
图3-16过压欠压报警显示电路
3.10液晶显示电路
3.10.1LCD液晶显示器引脚说明
LCD1602液晶显示器引脚排列如表3-3所示：
表3-3LCD1602液晶显示器引脚排列
编号
符号
引脚说明
VSS
电源地
D2
数据
VDD
电源正极
D3
VL
液晶显示偏压
D4
RS
数据/命令选择
D5
R/W
读/写选择
13
D6
E
使能信号
D7
D0
15
BLA
背光源正极
D1
16
BLK
背光源负极
引脚功能说明如下：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平
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