基于单片机的开关电源设计【字数：8349】
摘 要电源设备随着电子器件的发展，开始向小型高效靠齐，逐步取代传统电路，开始应用在各个场景例如军事，交通和通信方面。本论文设计的是一款基于STC12C5A60S2单片机的开关电源，分析了BUCK电路的原理，根据系统要求设计电路。单片机发出PWM方波信号，PWM信号经过IR2104电路进行信号放大，IR2104被MOS管驱动，用来控制后面的BUCK电路。此单片机内部自带10位ADC，通过ADC,电压检测电路把电压实时反馈，电流检测电路把电流实时反馈。根据反馈的数值来调整PWM的占空比。按键能让电压控制在0-24V，液晶屏能显示此时的输出电压和电流。此次设计的电源有小巧便携，电压稳定，方便上手调节，电压稳定，功率稳定等优点，符合设计要求。
Key Words: buck chopper ;PWM; Switching Mode Power Supply ; IR2104 目录
1.绪论 1
1.1项目来源 1
1.2开关电源的发展和研究意义 1
1.3 PWM概念与背景 2
1.4课题研究的主要内容 4
2.系统总体设计 5
2.1 设计目标 5
2.2设计方案 5
3.硬件设计 7
3.1整流电路 7
3.2滤波电路 7
3.3稳压电路 8
3.4单片机 8
3.5 半桥驱动电路 9
3.6 BUCK电路 11
3.7检测电路 12
3.7.1电流检测电路 12
3.7.2电压检测电路 13
3.8按键电路 14
3.9显示模块 14
4.软件程序设计 16
4.1主函数设计 16
4.2按键程序设计 17
4.3中断程序设计 18
5. 系统调试和测试 21
5.1系统软件调试 21
5.2系统硬件调试 21
5.3系统测试 21
5.3.1稳定性测试 22
5.3.2负载调整率测试 22
5.3.3电路效率测试 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
/> 6.设计总结 25
参考文献 26
1.绪论
1.1项目来源
电源技术随着真空管在电子线路中的面世以来，已经有过100年来的历史。电源作为大家所使用的各种电子设备的动力源，是自动化控制系统中相当重要组成部分，其中直流稳压电源应用的最多。八十年代以来，随着技术的发展，直流稳压电源成本的降低，用处也越来越广。最近几十年，人们对电源的要求越来越高，这就使得学者们去寻求工作频率高的直流稳压电源。各个领域也都在渐渐涉及直流稳压电源的应用及发展，将它向高频化发展。
直流稳压电源有两大分类，分别是线性稳压电源和开关稳压电源。电子线路发展至今，经历过从真空管到晶体管再到集成电路，所以供电方式也随之变化。
在真空管时代，并不需要供电电源电压的稳定和现在严格的滤波。而随着晶体管的问世，因为其相较于真空管功耗更低，体积更小，低廉的成本和灵活的连接方式，被广泛使用，而因此带来的是晶体管电路对电源的高要求，于是线性稳压电源开始普遍出现在这些电路中，至今仍有很多场景使用线性稳压电源。线性电源的效率比较低，一般只有30%40%。
随着集成电路不断提高的集成度以及微型计算机的不断减小，航空数据通信，交通，邮电等业务的快速发展，线性稳压电源在一些场景不再适用，而开关稳压电源更加推动微型计算机的微型化[1]。
1.2开关电源的发展和研究意义
上个世纪50年代初就出现了第一台开关电源，是美国宇航局为火箭所开发的。19世纪末，爱迪生用直流电点亮电灯泡，之后尼古拉斯发明了交流电，取代了直流输电。因为交流电能够方便通过变压器进行降压和升压，然后远距离传输。之后交流电被广泛使用。
由于我国的发展开关电源的时间相对较晚，因此中国仍是以一个小功率单端变换器为研究对象，技术相较于其他国家不够成熟。并且，制作直流稳压电源的一些关键材料，国内研究发展的还不够，尤其是在控制集成化及功率半导体器件方面就比其他国家弱了好多，所以，这就极大地限制了国内直流电源的研制。
而正常使用还需要将交流电精确转换成自己所需要的直流电，开关稳压电源的主要是调整半导体功率开关器件导通和关断之间的时间，即PWM占空比，使得输出电压趋向于稳定的一种电源。所以上个世纪80年代，计算机就实现了全面的开关电源化。
开关电源相比线性电源具有不少优势：
1.效率高：由于漏电流量在开关电源中最小，因此其功耗小而且拥有80%90%的效率。
2.稳定性好：即使在高温下长期工作，元件也不会损坏，而且开关电源会设置辅助电路来自我保护。所以不会成为整个机器寿命的短板。并且开关电源是使用脉冲来调制直流电压，所以电压即使有很大的波动，稳定性依然很好。
3.小巧：开关电源由于体积小重量轻，不需要电力变压器，所以时至今日所有的笔记本电脑的电源适配器都是采用开关电源的结构。
然而开关电源也有着一些缺点。由于变换电路中的高频电压不可避免，所以或多或少对产品有着一定的干扰。
目前，对于开关电源的主要研究集中在使它更加高频化。现在开关电源装置趋于小型化，使开关电源可以深入到更广泛的领域，因此开关电源频率的开发和应用在节能和环保方面会带来好处。电源将往开发的集成化方向发展，以及功率密度会随之变高。电源的制作水平也影响着着电源的性能等等的指标，所以还需要提高制作工艺的水平来提升电源的性能。随着半导体器件和磁性材料也在各个方面得到发展，一些比较先进的技术能够应用于电源的开发及制作上来。所以目前如何提高开关电源的效率和减轻其重量作为技术创新的重点。电源技术随着科技的发展和进步, 现在需要更高的精确度, 更加出色的稳压性能,更广的调节范围, 更大的输出功率，尤其是在研究领域。单片机是数控电源在未来的发展方向之一[2]。
因为以上的原因，所以本次设计一款被广泛应用的以单片机为基础的开关电源。
1.3 PWM概念与背景
PWM叫做脉冲宽度调制。脉冲宽度调制使用的是微处理器，通过该处理器数字输出来，然后对模拟电路进行有效的控制。因此被广泛应用在测量、通信到功率控制与变换的很多领域中[3]。脉宽调制是一种模拟控制模式但相对简单，应用变化的负载来进行调制基极的偏置或晶体管栅极的偏置，使得开关稳压电源输出晶体管和其导通的时间发生了转变。电源输出电压在工作条件下将不变，采用微处理器，可以控制模拟电路。这较多地应用于测量，通信等许多领域。
Key Words: buck chopper ;PWM; Switching Mode Power Supply ; IR2104 目录
1.绪论 1
1.1项目来源 1
1.2开关电源的发展和研究意义 1
1.3 PWM概念与背景 2
1.4课题研究的主要内容 4
2.系统总体设计 5
2.1 设计目标 5
2.2设计方案 5
3.硬件设计 7
3.1整流电路 7
3.2滤波电路 7
3.3稳压电路 8
3.4单片机 8
3.5 半桥驱动电路 9
3.6 BUCK电路 11
3.7检测电路 12
3.7.1电流检测电路 12
3.7.2电压检测电路 13
3.8按键电路 14
3.9显示模块 14
4.软件程序设计 16
4.1主函数设计 16
4.2按键程序设计 17
4.3中断程序设计 18
5. 系统调试和测试 21
5.1系统软件调试 21
5.2系统硬件调试 21
5.3系统测试 21
5.3.1稳定性测试 22
5.3.2负载调整率测试 22
5.3.3电路效率测试 23
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
/> 6.设计总结 25
参考文献 26
1.绪论
1.1项目来源
电源技术随着真空管在电子线路中的面世以来，已经有过100年来的历史。电源作为大家所使用的各种电子设备的动力源，是自动化控制系统中相当重要组成部分，其中直流稳压电源应用的最多。八十年代以来，随着技术的发展，直流稳压电源成本的降低，用处也越来越广。最近几十年，人们对电源的要求越来越高，这就使得学者们去寻求工作频率高的直流稳压电源。各个领域也都在渐渐涉及直流稳压电源的应用及发展，将它向高频化发展。
直流稳压电源有两大分类，分别是线性稳压电源和开关稳压电源。电子线路发展至今，经历过从真空管到晶体管再到集成电路，所以供电方式也随之变化。
在真空管时代，并不需要供电电源电压的稳定和现在严格的滤波。而随着晶体管的问世，因为其相较于真空管功耗更低，体积更小，低廉的成本和灵活的连接方式，被广泛使用，而因此带来的是晶体管电路对电源的高要求，于是线性稳压电源开始普遍出现在这些电路中，至今仍有很多场景使用线性稳压电源。线性电源的效率比较低，一般只有30%40%。
随着集成电路不断提高的集成度以及微型计算机的不断减小，航空数据通信，交通，邮电等业务的快速发展，线性稳压电源在一些场景不再适用，而开关稳压电源更加推动微型计算机的微型化[1]。
1.2开关电源的发展和研究意义
上个世纪50年代初就出现了第一台开关电源，是美国宇航局为火箭所开发的。19世纪末，爱迪生用直流电点亮电灯泡，之后尼古拉斯发明了交流电，取代了直流输电。因为交流电能够方便通过变压器进行降压和升压，然后远距离传输。之后交流电被广泛使用。
由于我国的发展开关电源的时间相对较晚，因此中国仍是以一个小功率单端变换器为研究对象，技术相较于其他国家不够成熟。并且，制作直流稳压电源的一些关键材料，国内研究发展的还不够，尤其是在控制集成化及功率半导体器件方面就比其他国家弱了好多，所以，这就极大地限制了国内直流电源的研制。
而正常使用还需要将交流电精确转换成自己所需要的直流电，开关稳压电源的主要是调整半导体功率开关器件导通和关断之间的时间，即PWM占空比，使得输出电压趋向于稳定的一种电源。所以上个世纪80年代，计算机就实现了全面的开关电源化。
开关电源相比线性电源具有不少优势：
1.效率高：由于漏电流量在开关电源中最小，因此其功耗小而且拥有80%90%的效率。
2.稳定性好：即使在高温下长期工作，元件也不会损坏，而且开关电源会设置辅助电路来自我保护。所以不会成为整个机器寿命的短板。并且开关电源是使用脉冲来调制直流电压，所以电压即使有很大的波动，稳定性依然很好。
3.小巧：开关电源由于体积小重量轻，不需要电力变压器，所以时至今日所有的笔记本电脑的电源适配器都是采用开关电源的结构。
然而开关电源也有着一些缺点。由于变换电路中的高频电压不可避免，所以或多或少对产品有着一定的干扰。
目前，对于开关电源的主要研究集中在使它更加高频化。现在开关电源装置趋于小型化，使开关电源可以深入到更广泛的领域，因此开关电源频率的开发和应用在节能和环保方面会带来好处。电源将往开发的集成化方向发展，以及功率密度会随之变高。电源的制作水平也影响着着电源的性能等等的指标，所以还需要提高制作工艺的水平来提升电源的性能。随着半导体器件和磁性材料也在各个方面得到发展，一些比较先进的技术能够应用于电源的开发及制作上来。所以目前如何提高开关电源的效率和减轻其重量作为技术创新的重点。电源技术随着科技的发展和进步, 现在需要更高的精确度, 更加出色的稳压性能,更广的调节范围, 更大的输出功率，尤其是在研究领域。单片机是数控电源在未来的发展方向之一[2]。
因为以上的原因，所以本次设计一款被广泛应用的以单片机为基础的开关电源。
1.3 PWM概念与背景
PWM叫做脉冲宽度调制。脉冲宽度调制使用的是微处理器，通过该处理器数字输出来，然后对模拟电路进行有效的控制。因此被广泛应用在测量、通信到功率控制与变换的很多领域中[3]。脉宽调制是一种模拟控制模式但相对简单，应用变化的负载来进行调制基极的偏置或晶体管栅极的偏置，使得开关稳压电源输出晶体管和其导通的时间发生了转变。电源输出电压在工作条件下将不变，采用微处理器，可以控制模拟电路。这较多地应用于测量，通信等许多领域。
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