2022年基于单片机温度控制系统方案设计书-----电源方案设计书.docx

《2022年基于单片机温度控制系统方案设计书-----电源方案设计书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年基于单片机温度控制系统方案设计书-----电源方案设计书.docx（21页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精品学习资源课程设计任务书学 院信息科学与工程学院专 业自动化同学姓名XXX班级学号XXXXXXXX课程设计题目 基于单片机温度掌握系统设计 -电源设计实践教案要求与任务 :1） 构成单片机温度掌握系统2） 电源设计3） 试验调试4） THFCS-1现场总线掌握系统试验5） 撰写试验报告工作方案与进度支配 :1） 第 12 天，查阅文献，构成单片机温度掌握系统2） 第 34 天，电源设计3） 第 56，试验调试4） 第 79 天， THFCS-1现场总线掌握系统试验5） 第 10 天，撰写试验报告欢迎下载精品学习资源指导老师：201年 月 日专业负责人：201年 月 日学院教案副院长：201年

2、 月 日欢迎下载精品学习资源摘要开关电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式；开关电源的优点是体积小，重量轻，稳固牢靠；多年来，由于技术上的障碍 高压，大功率 ，开关电源集成电路在集成化上始终因一种电流模式 PWM开关电源掌握器的设计得不到很大的进步；本文中讨论的单片机掌握开关电源，可以通过键盘预置期望输出电压值， 模/ 数转换器对输出电压进行采样，由软件掌握单片机输出相应的脉冲宽度，对开关电源进行脉宽调制，输出预期的电压；并采纳PID 算法掌握输出电压稳固，构成可输出 3v 到 12v 的可调电压，并显示实时电压和预置值，通过键盘可随时修改

3、PID 参数以优化掌握成效，并该系统可以给芯片供应工作电压，加以扩展可构成输出正负 3 到 12 伏的双极性电源；单片机掌握的开关电源具有设计弹性好的优点，可以依据设计者的思想敏捷的工作；目前电子设备的日益小型化需要供电电源的小型化，这样制作小型化电源是将来电源制作的一个趋势，传统开关电源线路一般很复杂体积也较 大，假如使用的单片机作为掌握核心必将可以大大简化电源的结构，制作更加小的电源将成为可能，并且使用单片机可以扩展很多功能，如显示，实时掌握调整电压，可爱护性强，由于目前国内有特地的PWM输出的单片机价格昂贵， 一般的单片机I/O口模拟的脉宽频率较低，速度较慢，远远达不到现代电源要 求的工

4、作频率，所以目前单片机掌握的电源使用并不广泛，但是单片机在智能化以及可实现的用户友好界面，扩展性强等等方面的优势使其成为将来电源重要的进展方向；因此，我们讨论单片机掌握的开关电源，特别有现实意义；关键词：温度掌握系统 , Proteus, PID,直流稳压电源目录摘要 2欢迎下载精品学习资源目录 2第一章概述 41.1 系统背景 41.2 电源技术的进展与方向 41.3 课题相关背景 5其次章开关电源方案设计 52.1 开关电源工作原理 52.2 开关电源与线性电源的比较 62.2.1 线性电源的缺点 62.2.2 开关电源的优点 72.3 方案论证 72.3.1 方案 172.3.2 方案

5、282.3.3 方案 382.3.4 方案分析 82.3.5 总体结构设计 8第三章硬件电路设计 103.1 电源电路设计 103.1.1 整流滤波电路 103.1.2 开关变换电路 103.1.3 分压电阻的运算 113.1.4 爱护电路 123.2 掌握电路设计 123.2.1 反馈电路设计 133.2.2 四位数码显示电路设计14第四章软件设计 154.1 中断处理程序设计 154.2 PID掌握算法 164.3 3 数字滤波 17第五章系统调试 185.1 系统调试 185.2 硬件模块调试 185.2.1 整流滤波电路的调试 18 5.2.2AD 转换的调试 195.2.3脉冲输出电

6、路的调试 195.3 电源性能指标的测试 195.3.1 开关电源的技术指标 195.3.2 过流爱护的测试 20第六章 THFCS-1现场总线掌握系统试验20第七章结论 21参考文献 21欢迎下载精品学习资源第一章 概述1.1 系统背景开关电源已有几十年的进展历史； 1955 年创造的自激推挽式晶体管单变压器直流变换器，领先实现了高频转换掌握功能；1957 年创造的自激推挽式双变压器， 1964 提出的无工频变压器式开关电源设计方案，有力地推动了开关电源技术进步； 1977 年脉宽调制（ PWM）掌握器集成电路的问世， 1994 年单片开关电源的问世，为开关电源的推广和普及制造了条件；与此同

7、时，开关电源的频率也从最初的20KHz 提高到几千赫兹至几兆赫兹；目前，开关电源正朝高效节能，安全环保、短、小、轻、薄的方向进展；各种新技术、新工艺和新器件如 雨后春笋，不断问世，开关电源的应用也日益普及；1.2 电源技术的进展与方向开关电源产品的技术进展动向是高牢靠、高稳固、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化；由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特殊是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采纳 SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄；（1） 高效电源治理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源进展的

8、一种集中表达；各国积极提倡节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力；特殊是将来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满意欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求；对于便携式电源治理，效率尤为重要；（2） 低功耗随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐步成为关注热点，电源治理和电源掌握市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源治理器件市场的稳步进展；（3） 高集成便携式应用的空间特别有限，这就迫使电源供应商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内；

9、在日益竞争的时代，提欢迎下载精品学习资源供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本， 提升效能与牢靠度；（ 3）智能化运用电源治理程序实现节电掌握也是特别有效而可行的方法，目前大多数笔记本，普遍采纳这种智能节电治理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态掌握，对暂不工作的部件削减甚至停止供电；1.3 课题相关背景我国的三极管直流变换器及开关电源的研制工作开头于60 岁月初期，到了60 岁月中期进入了有用阶段，紧跟着70 岁月初开头研制无工频变压器开关电源；1974 年研制胜利了工作频率为 10 千赫兹、输出电压为5v 的无工频开关电源；近 30 年来，很多讨论

10、所、工厂及高校已研制出多种型号的开关电源，并广泛的应用于电子运算机、通信、家电等很多方面，取得了很好的成效；工作频率为 100 千赫兹 -200 千赫兹的高频开关电源于 80 岁月初期开头研制， 90 岁月初试制胜利，目前已经是特别成熟的电子产品；按调制方式划分可以分为：（1） ）脉宽调制型：振荡频率保持不变，通过转变脉冲的宽度来转变和调剂输出电压的大小；通过采样电路、耦合电路构成闭合回路，来稳固输出电压；缩写为 PWMPulse Width Modulation ；（2） ）频率调制型：占空比保持不变或关断时间不变，转变振荡器的频率来稳固并调剂输出电压幅度；缩写为PFM（ Pulse Fre

11、quency modulation）；（3） ）混合调制型：通过调剂导通时间的振荡频率来完成稳固并输出电压幅度；通常采纳的是脉宽调制型和混合调制型两种调制方式；在脉宽调制中由于频率不变，所以无论是对电路中的磁性元件及晶体管的测试和设计都很便利， 而且对射频干扰的抑制也变得比较简洁；混合调制就因其线路简洁，也得到了广泛的应用；相对而言，频率调制较少采纳；本文中采纳的是脉宽调制型；其次章 开关电源方案设计2.1 开关电源工作原理开关电源是指调整管工作在开关方式，即导通和截止状态的稳压电源，缩欢迎下载精品学习资源写为 SPS（ Switching Power Supply）；开关电源的核心部分是一个

12、直流变换器；利用直流变换器可以把一种直流电压变成极性、数值不同的多种直流电压；开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式；前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或 DC/DC电压变换；后两种工作模式多用于开关稳压电源；另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式；同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源；图 2.1 开关电源原理框图按电源电路中功率管的工作方式划分，电源可以分为开关电源与线性电源两大类；线性电源是进展较早的一

13、种电源，其功率管工作在线性放大区；开关电源是在线性电源的基础之上进展起来的，并在很大程度上克服了线性电源的缺陷，但其自身也有肯定的不足；2.2 开关电源与线性电源的比较2.2.1 线性电源的缺点（ 1）功耗大，效率低，效率一般只有35%-45%；（ 2）体积大、重量大，不能小型化；（ 3）必需有较大容量的滤波电容；欢迎下载精品学习资源造成这些缺点的缘由是：（ 1）线性电源中功率晶体管V 在整个工作过程中，始终工作在晶体管特点曲线的线性放大区；功率晶体管本身的功耗与输出电流成正比；这样功率晶体管的功耗就会随电源的输出功率的增加而增大；为了保证功率晶体管能正常工作，除选用功率大的管子外，仍必需给管

14、子加上较大的散热片；（ 2）线性电源使用了 50 赫兹的工频变压器，他的效率只有80%- 90%；这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率，就必须增大滤波电容的容量；2.2.2 开关电源的优点（1） ）功耗小，效率高；开关管脉冲信号的掌握下，交替工作在导通- 截止和截止- 导通的开关状态，转换速度快，频率一般在50 到 200 千赫兹；这就使得功率开关管的损耗较小，电源的效率可以大幅度提高，其效率可以达到80%以上；（2） ）体积小，重量轻；由于没有采纳大型的工频变压器，并且在开关管上的耗散功率大幅度降低后，又省去较大的散热片，因此开关电源的体积和重量都可以得到减小；（3）

15、）稳压范畴宽；开关电源的输出电压是由掌握信号的占空比或者鼓励信号的频率来调剂的，输入电压的变化可以通过变频或者调宽来进行补偿；在工频电网电压有较大变化或负载有较大变化时，它仍能保证有较稳固的输出电压， 所以稳压范畴宽、稳压成效好；（4） ）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小；例如，如开关电源的工作频率为25 千赫兹，是线性稳压电源频率500 倍（ 25000/50赫兹），这使滤波电容的容量可以相应的缩小500 倍，这使滤波电路中元件的体积和重量得以削减，同时也节约了成本；2.3 方案论证单片机掌握的开关电源，从对输出电压掌握的角度分析，可以有几种可行的方案；2.3.1 方案 1

16、方案 1：单片机通过数模转换输出一个电压，用作电源的基准电压，电源欢迎下载精品学习资源可以通过键盘预置输出电压，单片机不加入反馈掌握，电源仍要使用特地的PWM掌握芯片，工作过程为：当通过键盘预置电压时，单片机通过D/A 芯片输出一个电压作为掌握芯片的基准电压，这个基准电压可以使得掌握芯片依据预置电压值，来输出掌握脉冲，以输出期望输出电压；2.3.2 方案 2方案 2：在方案 1 的基础上，单片机扩展模数转换器，不断的检测电源的输出电压，依据电源输出电压与设定值的差值，调整后，通过D/A 芯片输出一个基准电压，掌握特地的 PWM掌握芯片，间接的掌握电源工作；2.3.3 方案 3方案 3：单片机扩

17、展 A/D 转换器，不断检测输出端的电压，并依据电源输出电压与键盘预置电压的差值，输出一个PWM脉冲，直接掌握电源的工作；2.3.4 方案分析方案 1 分析：单片机没有加入反馈掌握，只是输出一个基准电压，这样单片机的作用特别的小，而且仍要使用特地的掌握芯片，价格比较贵，电源成本增加，减弱了单片机的作用，不宜采纳；方案 2 分析：单片机加入了反馈掌握，作用得以利用，但是需要扩展A/D 和 D/A 芯片，而且仍是需要特地的PWM掌握芯片，成本比方案 1 更高，更不宜采纳；方案 3 分析：这个方案，单片机不仅加入了反馈掌握系统，而且作为掌握核心，单片机得以充分利用，而且省去了D/A 芯片，成本大大降

18、低，是真正的单片机掌握；综上所述，本设计挑选第三种掌握方案，单片机使用89C51，A/D 芯片采纳ADC083，2 采纳 4 位数码管显示采样值，键盘预置电压，设计任务要求输出可调，所以设定值需要从键盘输入，实现输入不同的电压，输出便可以输出不同的电压；2.3.5 总体结构设计系统工作原理图如图 2.2 所示：市电经过整流滤波后，一路电压经过7805稳压得到一个 +5v 电压，该电压作为单片机的工作电源，另外一路电压直接作欢迎下载精品学习资源为开关变换电路的输入电压；单片机依据键盘输入值和取样值之间的差值，修改脉冲占空比，并输出掌握功率开关管，以便得到期望的输出电压值，并依据模/ 数转换器所采

19、样的电压和键盘输入比较，依据差值调用PID 算法再次修改脉宽使输出电压稳固；开关变换器采纳磁铁心电感作为储能元件，在功率开关管导通时，电感储能，在开关管截止时，电感释放能量给负载；单片机定时采样输出端的电压，通过 ADC0832送进单片机进行处理，单片机依据处理结果输出更新的掌握信号，经过光电耦合器滤除干扰后输出掌握信号掌握功率开关管工作状态；在本系统中，用户可以依据需要从键盘输入期望的电压，单片机会依据键盘输入与采样电压的差值，更新脉宽，使电源输出相应电压，更新脉宽 后，单片机会立刻调用PID 掌握算法，对输出电压进行稳固掌握；闭环时，电源自动进行脉宽调制，当系统读取到键盘预置的电压变化时，

20、先将键盘输入值和从输出端的取样值相比较，假设当前键盘输入为10v，从输出端取样的值为 6v，差值为 4v，就系统会依据这个差值，更新脉宽使得输出端电压上升为 10v；同样，当键盘输入为 6v，输出端取样值为 10v，差值为 -4v ， 系统会依据算法，将占空比减小以使输出电压变小，这就是系统脉宽调制过程；同时，电源可以自动稳压，假定在某一正常状态下，输出为V0，反馈电压问 Vf （Vf =V0），用户设定电压为 Vs，当 V0=Vs 时，偏差为 0，单片机不进行脉宽更新，当电网波动导致输出增加时，即V0Vs时, 单片机采样的电压也增加， 单片机依据偏差修改占空比使导通时间变小，从而使电压下降，

21、同样当电网波动使输出电压下降时，即 V08；TL0=tim0；PWM=PWM；4.2 PID掌握算法设计原理：采纳单片机作为掌握器的闭环系统，它是由89C51 单片机系统通过 A/D 电路采集过程变量 V，并依据有关的算法掌握变量 u，通过输出 PWM掌握脉冲到执行机构，使过程变量稳固在设定的值上；PID 调剂规律可以通过数值公式：欢迎下载精品学习资源ukiry0kp y1y0kd y22 y1y0近似运算；欢迎下载精品学习资源其中：kp, ki ,kd为 PID 参数， y0 为本次采样值， y1 为上次采样值， y2 为上欢迎下载精品学习资源两次采样值；， r 为设定值， u 为掌握量的增

22、量；AD转换采样的电压转换为0 到 255 之间的数字量，设定的值要转换为对应的数字量，本电源在 3 到 12 伏可调，那么需要把 0 到 12 伏转换为 0 到 255 的数字量，转换公式为12*255/12=255 ，即 255 对应 12V，经转换以后就可以相互比较；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源开关调整电路89C51单片机A/D 转换器欢迎下载精品学习资源图 4.4单片机闭环掌握系统框图4 3 数字滤波数字滤波就是把 n 组采样值相加，然后取其算术平均值作为本次有效的采样信号，即：y n =1/ne （ j ）数字滤波适用于有随机干扰的信号的滤波，适合于信号本身在某一数值范畴

23、邻近上下波动的情形；由于随机干扰信号在很多情形下可近似认为是统计平均值为零的白噪声，因此采纳求平均值的方法可以排除随机干扰，实现对采样信号的平滑加工；但数字滤波可提高平滑度，但系统的灵敏度随之降低；采样次数n 的取值随被控对象的不同而不同；对于PID 差值，同样是采纳取平均值的方式处理；本采样程序中，数字滤波算法为：n+；/ 采样次数值adc =ADC0832；/ 采样值ssadc ；/ 采样值相加ifn19n=0 ；para 0=s/20；/ 求平均值s=0；欢迎下载精品学习资源PID 差值的滤波u0=u0*3+u/4 ；/u掌握增量，假设当前掌握增量为u0，就取 4 次平均值第五章 系统调

24、试5.1 系统调试系统调试是利用开发机系统、基本测试仪器（高精度万用表、示波器 等），通过执行开发系统有关命令或运行适当的测试程序（也可以是与硬件有关的部分用户程序段），检查用户系统硬件中存在的故障；系统调试可分静态调试和动态调试两步进行；1. 静态调试静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检查；可用的方法有：目测、万用表测试、加电检查等方法；2. 动态调试16动态调试是在用户系统中的工作的情形下发觉和排除系统硬件中存在的故障、器件间连接规律错误等的一种硬件检查；由于单片机及应用系统的硬件动态调试是在开发系统的支持下完成的，故又成为联机仿真或联机调试 ；动态调试借用开发资源 CPU、储备器等

25、来调试用户系统中单片机外围电路，利用开发系统友好的人机界面，可以有效地对用户系统的各部分电路进行 拜访、掌握，使系统在运行中暴露问题，从而发觉问题；5.2 硬件模块调试5.2.1 整流滤波电路的调试这一部分可以在面包板上模拟，将电路连接后，接通电源，先测量变压器的输出，由沟通档位所测得的电压为12.96v ，再测量整流输出的电压， 需要留意将整流桥正确的连接，否就会导致整流输出电压不正确，甚至烧坏稳压块；检查没有错误后，再测量整流输出电压为14.9v ，和理论值相近，同时所测量稳压块输出为 5.10v ，电路正常工作，可以给单片机供电；欢迎下载精品学习资源5.2.2 AD 转换的调试通过稳压电

26、源给转换器一个5 伏电压，转变电压，观看数码管所显示数值可以跟随电压变化而变化，用万用表测量电压，和显示值相比较也相近，可见 模数转换是正常工作的；5.2.3 脉冲输出电路的调试掌握脉冲是直接输入到开关管的基极的，在制板之前，用面包板模拟脉冲 信号是否可以直接掌握开关管的导通和截止，如使用开关管发射极输出型变换电路，在发射极所输出的脉冲信号，幅度会很小，成效不好，通常采纳集电极输出型开关电路；将电路连接好，用示波器观看基极输入信号和集电极的输出信号，观看发觉，输入信号幅度较小，但是经过开关后，在集电极的输出信 号，幅度明显被放大，成效比较好，说明掌握脉冲可以直接掌握开关电路，信号稳固；5.3

27、电源性能指标的测试开关电源的技术指标有通用事项、包括电源名称、适用规格等，第一是安全规格，有关开关电源都有相应的安全规格，例如，国际规格为IEC950、IEC65；电气技术指标有输入与输出条件附属功能等；机械结构为形状、安装和冷却条件等；环境条件有温度、湿度、振动和冲击等；其它条件有噪声规定、牢靠性等；5.3.1 开关电源的技术指标（1） ）输入技术指标作为开关电源的输入技术指标有输入电源相数、额定输入电压及电压的变化范畴、频率、输入电流一般为单相2 线制和 3 相 3 线制，仍有单相 3 线制及3 相 4 线制等；（2） ）输出技术指标输出端的直流电压的公称值称为额定输出电压，对于其公称电压

28、规定有精度与纹波系数等；额定输出电流是指输出端供应负载的最大平均电流；依据电子设备的不同，多路输出电源中某路输出电流增大，另路输出电流就得减小，保持总的输出电流不变；欢迎下载精品学习资源稳压精度也称为输出电压精度或电压调整率，输出电压变动有多种缘由；输出电压可调范畴是指在保证电压稳固精度条件下，由外部可能调整的输出电压范畴，一般为 5%或 10%；条件是输入电压的下限时输出电压的最大值，以及输入电压的上限时输出电压的最小值；5.3.2 过流爱护的测试测试电路仍采纳图 5.1 ，测试步骤：调剂沟通调压器，使电源电路的输入电压为 220v，使用滑动变电阻器，取得适当的负载电阻值，调剂变阻器，分别测

29、量输出电压为最大值、中间值、最小值三个点，调剂变阻器，使与负载电阻RL 串接的电流表指示值略大于最大输出电流值2A，调剂后显示值为 2.2A ，当电流到达此值时，所测得的输出电压为0v，说明过流爱护电路在电流超过规定 值时，将输出端短路，同理，当调剂变阻器使输出电流小于2A 时，电源输出电压正常；第六章 THFCS-1现场总线掌握系统试验现场总线技术是当今自动化领域技术进展热点之一，被誉为自动化领域的运算机局域网，它的显现标志着自动化掌握技术又一个新时代的开头；现场总线是连接设置在掌握现场的外表与设置在掌握室内的掌握设备的数字化、串 行、多站通信的网络；其关键标志是能支持双向、多节点、总线式的

30、全数字通信；现场总线技术的显现使传统的掌握系统结构产生了革命性的变化，使自控 系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的 网络集成式全分布式掌握系统- 现场总线掌握系统FCS（ Fieldbus Control System）；现场总线实现了微机化测量掌握设备之间实现双向串行多节点数字通信，由于其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性；所以可以很便利地与因特网（ Internet）、企业内部网（ Interanet）相连；随着近年来现场总线掌握技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经特别普遍，如何把这种能表达现代掌握主流的技术应用到教案试验装置，是本套试验装置所要解决的问题；本套现场总线掌握系统，是在原有传统过程掌握试验装置基础上，通过欢迎下载精品学习资源PROFIBUS协议进行数据传输和交换的现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，采纳工业以太网与上位机进行通讯和远程掌握，从而使整个掌握系统实现网络化和数字化；第七章 结论本文设计利用单片机实现对开关电源的智能掌握，实现智能化开关电源的制作；通过键盘预置电压，掌握单片机进行脉宽调制，使输出电压在大范畴内可调；应用这个结论，采纳工作频率更高，位数更高的单片机可以制作性能更加优越，工作频率更高的、智能化程度更高的开关电源，比如说，利用单片机， 可以掌握当电源长时间不使用