本科毕业论文稳压电源设计方案与优化研究.docx
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本科毕业论文稳压电源设计方案与优化研究
XXXXXX大学
本科毕业论文
学号：
XXXXXXXX
稳压电源设计方案与优化研究
学院名称：
XXXXXXXXXXX
专业名称：
XXXXXXXXXX
年级班别：
XXXXXXXXXXX
姓名：
XXXXXX
指导教师：
XXX
2012年5月
稳压电源设计方案与优化研究
摘要
本论文首先介绍了电源的基础知识,包括电源的分类、作用，线性电源和开关电源的区别。
然后对单片机控制进行了介绍，包括它的简单特性及应用，重点介绍了AT89S52单片机，最后给出了如何用AT89S52单片机设计稳压开关电源。
参照有关文献，对其原理进行了研究。
这种开关电源，使得开关稳压电源具有电压输出范围宽，多组电压预设，电流过流设定保护，短路自动恢复等多种功能，实现电压输出的智能化控制。
使用中文液晶显示器显示输出电压及电流等信息，使用键盘操作完成数字化输入控制，使得开关稳压电源读数直观，操作简便，稳定精读高。
关键词：
电源；单片机；液晶显示器；原理
ThedesignproposalandOptimizationResearchofvoltage-stabilizedsource
Abstract
Thisthesisfirstintroducedfoundationknowledgeofliquidpowersource,includingclassifyandfunctionofthepowersources.Then,authorpresentedanintroductionontheMCU,suchasitsordinarytraits,application,especiallyonthepropertyoftheMCUAT89S52.Accordingtosomereferences,theprincipleofSMPSisstudied.Thisswitchpowerhasfunctionsofhavingarangewideoutput,groupthevoltage,currentflowsetprotection,shortcircuitcanbeautomaticrecoveryandsoon,itcanalsorealizetheoutputvoltageoftheintelligentcontrol.UsingChineseLCDmonitorandthekeyboardoperationcanfinishthefunctionsofshowinginformationoftheoutputvoltageandcurrentanddigitalinputcontrol.ThiscanmaketheSMPShaveanintuitivereading,simpleoperationandstablehighintensivereading.
Keyword:
powersource;SCM;LCD;principle
目录
摘要I
AbstractII
前言1
1电源基础知识2
1.1电源的定义及作用2
1.2电源的分类3
1.3直流开关电源的原理及特点3
2单片机控制5
2.1单片机介绍5
2.2单片机指令系统7
2.3AT89S52单片机8
2.4液晶显示器11
3单片机控制开关电源12
3.1原理电路图12
3.2用AT89S52单片机控制开关电源优点12
4结论13
参考文献14
致谢15
前言
随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源[1]，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源（SMPS[2]）化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制[3]IC和MOSFET[4]构成。
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。
目前，开关电源以其高效节能、体积小、重量轻等优点已经在工业领域获得了广泛的应用，成为工业领域重要的基础产品。
2008年工业开关电源市场规模已经达到了11.8亿元人民币。
但由于金融危机对市场造成了比较大的影响，2009年工业开关电源市场规模的增速预计不足7%。
但由于下游应用企业产业升级、新兴行业需求的带动以及国家政策的扶持等因素对大陆电源市场的发展起了积极的推动作用。
因此，随着金融危机的缓解，大陆工业开关电源市场还会呈现较快的发展态势。
本文第一部分对电源的基础知识进行了介绍，包括电源的分类、作用，线性电源和开关电源的区别。
第二部分是对单片机[5]知识的介绍，尤其是对本文中AT89S52单片机进行了重点介绍。
第三部分对用AT89S52单片机[6]控制开关电源的原理进行了研究，是本文的重点部分。
文章在最后对本文所做的研究进行了综述。
1电源基础知识
1.1电源的定义及作用
发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。
发电机、电池本身并不带电，它的两极分别有正负电荷，由正负电荷产生电压（电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的），电荷导体里本来就有，要产生电流只需要加上电压即可，当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去，当电荷散尽时，也就荷尽流（压）消了。
干电池等叫做电源。
通过变压器和整流器[7]，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。
能提供信号的电子设备叫做信号源。
晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。
晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。
整流电源、信号源有时也叫做电源。
电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。
电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。
计算机电源是一种安装在主机箱内的封闭式独立部件，它的作用是将交流电通过一个开关电源变压器换为5V，-5V，+12V，-12V，+3.3V等稳定的直流电，以供应主机箱内系统版，软盘，硬盘驱动及各种适配器扩展卡等系统部件使用。
通俗来讲就是，一个电源坏了，另一个备份电源代替其供电。
可以通过为节点和磁盘提供电池后援来增强硬件的可用性。
HP支持的不间断电源（UPS），如HPPowerTrust，可提防瞬间掉电。
磁盘与供电电路的连接方式应使镜像副本分别连接到不同的电源上。
根磁盘与其相应的节点应由同一电源电路供电。
特别是，群集锁磁盘（当重组群集时用作仲裁器）应该有冗余电源，或者，它能由群集中节点之外的电源供电。
您的HP代表可提供关于群集的电源、磁盘和LAN硬件布局方面的详细信息。
目前许多磁盘阵列和其他架装系统含有多个电源输入，它们应部署为设备上的不同电源输入连接到带有两个或三个电源输入的独立电路设备上，这样，一般情况下，只要出现故障的电路不超过一个，系统就能继续正常运行。
因此，如果群集中的所有硬件有2个或3个电源输入，则要求至少有三个独立的电路，以确保群集的电路设计中没有单点故障。
优质的电源一般具有FCC、美国UL和中国长城等多国认证标志。
这些认证是认证机构根据行业内技术规范对电源制定的专业标准，包括生产流程、电磁干扰、安全保护等，凡是符合一定指标的产品在申报认证通过后，才能在包装和产品表面使用认证标志，具有一定的权威性。
1.2电源的分类
电源可按不同的方式分类。
从其性质上来看，电源体可分为普通电影和特种电源两大类。
普通电源包括开关电源、逆变电源、交流稳压电源、直流稳压电源、DC/DC电源、通信电源、模块电源、变频电源、UPS电源、EPS应急电源、净化电源、PC电源、整流电源、定制电源、加热电源、焊接电源/电弧电源、电镀电源、网络电源、电力操作电源、适配器电源、线性电源、电源控制器/驱动器、功率电源、逆变电源、参数电源、调压电源、变压器电源等。
特种电源包括岸电电源、安防电源、高压电源、医疗电源、军用电源、航空航天电源、激光电源和其他特种电源。
按照电源类型可以将电源分为交流稳压电源和直流稳压电源[8]。
能够提供一个稳定电压和频率的电源称交流稳压电源。
目前国内多数厂家所做的工作是交流电压稳定。
交流稳压电源包含有：
参数调整（谐振）型、自耦（变比）调整型、大功率补偿型——净化型稳压器（含精密型稳压器）以及开关型交流稳压电源。
其中开关型交流稳压电源应用于高频脉宽调制技术，与一般开关电源的区别是它的输出量必须是与输入侧同上频、同相的交流电压。
它的输出电压波型有准方波、梯型波、正弦波等，市场上的不间断电源（UPS）抽掉其中的蓄电源和充电器，就是一台开关型交流稳压电源的稳压性好，控制功能强，易于实现智能化，是非常具有前途的交流稳压电源。
但因其电路复杂，价格较高，所以推广较慢。
直流稳压电源按习惯可分为化学电源，线性稳压电源和开关型稳压电源。
直流开关型稳压电源是本文所要重点讲述的电源。
1.3直流开关电源的原理及特点
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。
线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。
随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。
开关电源的原理电路图是：
开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠；缺点相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO（P-P）,好的可做到十几mV（P-P）或更小）。
它的功率可自几瓦－几千瓦均有产品。
价位为3元－十几万元/瓦，下面就一般习惯分类介绍几种开关电源：
①、AC/DC电源
该类电源也称一次电源——AC是交流，DC是直流，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直流高压，供DC/DC变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦－几千瓦均有产品，用于不同场合。
属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而定通信电源中的一次电源（AC220输入，DC48V或24V输出）也属此类.
②、DC/DC[9，10]电源
在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压，经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
③、通信电源
通信电源其实质上就是DC/DC变换器式电源，只是它一般以直流－48V或－24V供电，并用后备电池作DC供电的备份，将DC的供电电压变换成电路的工作电压，一般它又分中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。
④、电台电源
电台电源输入AC220V/110V，输出DC13.8V,功率由所供电台功率而定,几安几百安均有产品.为防止AC电网断电影响电台工作,而需要有电池组作为备份,所以此类电源除输出一个13.8V直流电压外,还具有对电池充电自动转换功能。
⑤、模块电源[11]
随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电源越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩容，所以越来越被广泛采用。
目前，目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶上国际水平，故障率较高。
DC/DC模块电源目前虽然成本较高，但从产品的漫长的应用周期的整体成本来看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模块还是合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构简单，效率高和输出电压、电流的纹波值接近于零。
⑥、特种电源
高电压小电流电源、大电流电源、400Hz输入的AC/DC电源等，可归于此类，可根据特殊需要选用。
开关电源的价位一般在2-8元/瓦特殊小功率和大功率电源价格稍高，可达11-13元/瓦。
2单片机控制
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
2.1单片机介绍
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例如电子人DZR-01A单片机开发板。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可，用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影，它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？
原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！
对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
2.2单片机指令系统[12]
单片机所以能自动地进行运算和控制，正是由于人把实现计算和控制的步骤一步步地用命令的形式，即一条条指令（Instruction）预先存入到存贮器中，单片机在CPU的控制下，将指令一条条地取出来，并加以翻译和执行。
就以两个数相加这一简单的运算来说，当需要运算的数已存入存贮器后，还需要进行以下几步：
第一步：
把第一个数从它的存贮单元（Location）中取出来，送至运算器。
第二步：
把第二个数从它所在的存贮单元中取出来，送至运算器；第三步：
相加；第四步：
把相加完的结果，送至存贮器中指定的单元。
所有这些取数、送数、相加、存数等等都是一种操作（Operation），我们把要求计算机执行的各种操作用命令的形式写下来，这就是指令。
但是怎样才能辨别和执行这些操作呢？
这是在设计单片机时由设计人员赋予它的指令系统所决定的。
一条指令，对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统（IustructionSet），不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
使用单片机时，事先应当把要解决的问题编成一系列指令。
这些指令必须是选定的单片机能识别和执行的指令。
单片机用户为解决自己的问题所编的指令程序，称为源程序（SourceProgram）。
指令通常分为操作码（Opcode）和操作数（Operand）两大部分。
操作码表示计算机执行什么操作，即指令的功能；操作数表示参加操作的数或操作数所在的地址（即操作数所存放的地方编号）。
因为单片机是一种可编程器件，只“认得”二进码（0、1）。
要单片机运作，单片机系统中的所有指令，都必须以二进制编码的形式来表示。
例如，在Intel公司的MCS－51系列单片机中，从存贮器中取出一数到CPU中的累加器（在运算器中，参与运算、存放运算结果的专用寄存器）的指令代码为74H，累加器内容加立即数的代码为24H，再加上立即数代码，累加器送数到内部RAM存贮器的代码为F6H～F7H等。
这些指令是用十六进制表示二进制的机器码。
MCS－51单片机的字长为8位，有时，要完成某些操作用一个字节尚不能充分表达。
所以，在指令系统中有单字节指令，也有多字节指令。
机器码是由一连串的0和1组成，没有明显的特征，不好记忆，不易理解，易出错。
所以，直接用它来编写程序十分困难。
因而，人们就用一些助记符（Muemonic）——通常是指令功能的英文缩写来代替操作码，如MCS－51中数的传送常用MOV（Move的缩写）、加法用Add（Addition的缩写）来作为助记符。
这样，每条指令有明显的动作特征，易于记忆和理解，也不容易出错。
用助记符来编写的程序称为汇编语言程序。
但是，助记符编写的程序便于人理解，可单片机却只认识二进制机器代码，因此，为了让单片机能“读懂”汇编语言程序必须再转换成由二进制机器码构成的程序，这种转换过程，就称为“汇编”。
汇编可借助于人工查表法来实现，也可借助PC机通过所谓“交叉汇编程序”来完成。
由机器码构成的用户程序一旦“进入”了单片机，再“启动”单片机，就可让它执行输入程序所规定的任务。
2.3AT89S52单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
主要性能有：
1、与MCS-51单片机产品兼容；2、8K字节在系统可编程Flash存储器；3、1000次擦写周期；4、全静态操作：
0Hz-33MHz；5、三级加密程序存储器；6、32个可编程I/O口线；7、三个16位定时器/计数器；8、六个中断源；9、全双工UART串行通道；10、低功耗空闲和掉电模式；11、掉电后中断可唤醒；12、看门狗定时器；13、双数据指针；14、掉电标识符。
引脚图为：
AT89S52引脚图
DIP封装
引脚说明：
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模
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