开关稳压电源的设计
摘 要由于近些年来人们对于电子产品的研发水平的提高，人们对于电子产品的电源要求越来越严格。本课题结合设计指标要求根据实际情况来完成的基于单片机的整流器的设计，在设计AC-DC电流转换的过程中，采用单片机AT89C51作为控制系统的核心，经过PWM电路的整流滤波后输出稳定的直流电压，从而完成电路的电压转换过程。本课题能使输出直流电压为30V～36V之间可调，最大输出电流可以达到2A，功率因数的测量以及误差值的控制符合设计的要求标准，同时能实现负载过流保护，以及显示输出电压，电流的功能。
目 录
引言 1
一、方案论证 1
（一）升压方式的比较与选择 1
（二） 比较功率因数调整方案以及选择 2
（三） 控制方法及实现方案 2
（四）设计原理及方法 2
二、硬件电路设计 3
（一）单片机介绍 3
（二）复位电路和晶振电路 4
（三）显示电路 6
（四）按键电路 6
（五）BOOST升压斩波电路 7
（六）保护电路 7
三、系统软件设计 8
（一）编程语言的介绍 8
（二） 软件设计思路 8
四、软件仿真 9
（一）软件仿真 9
（二）硬件调试 11
总结 12
参考文献 13
致谢 14
附录一 原理图 15
附录二 实物图 16
附录三 源程序 17
引言
单片机自诞生以来，应用便十分广泛。本课题采用AT89C51单片机，来设计开关稳压电源。在我国，开关稳压电源应用十分广泛。随着开关稳压电源的变换效率的提高，能够降低耗材的损耗，从而节省资源。此开关稳压电源实现的具体系统如下：
（1）实现稳定升压的功能。通过按键使输出的直流电压在3036V之间可调。
（2）实现负载过流保护的功能。在输出滤波处串联一个由温漂小的康铜丝作成电流采样电阻，从而使过流故障后，电路仍能够正常运行。
（3）具有输出电压，电流的功能。通过显示电路，使LCD上能显示输
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出电压，电流。
一 、方案论证
（一）升压方式的比较与选择
在ACDC变换电路中，为了得到直流电压，第一要先将交流电压进行整流滤波，然后用DCDC升压对直流电压进行变换。因此首先选择DCDC升压方式。如图1所示。
图1 间接直流变流电路
方案一：全桥加DCDC变换方式。将两只开关管和两个对称线圈接成对称关系，使其轮流通断，这就是脉冲变压器原边的组成。输出功率大，电源电压利用率高、能实现较大的升压比、输入输出隔离，两管基极均为低电平，驱动电路简单，这些都是推挽式电源电压的优点。主要缺点：全桥加DCDC变换方式的变压器绕组比电源电压利用率要低、其对开关管的耐压要求很高。
方案二：全桥加滤波器变换方式。推挽结构的原边绕组和开关管耐压均是电桥结构驱动脉冲变压器原边的两倍。主要缺点：全桥加滤波器变换方式使用的开关管数量多，驱动电路较复杂。
方案三：全桥和PFC以及DCDC变换方式。开关管的通断是用PWM波形来控制的，PWM波形由控制芯片输出。开关管的通断时间是由主电路上的电感电容值来控制的，主电路上的电感电容值应设计合理，这是为了升压。全桥和PFC以及DCDC变换方式具有的优点是使用的外部原件相对较少、调试相对容易、成本相对低、效率相对高。缺点：全桥和PFC以及DCDC变换方式的负载侧电流波动大。
综合考虑，我们选择方案三。
（二） 比较功率因数调整方案以及选择
方案一：有源功率因数校正电路。其工作时的状态是高频开关，有源功率因数校正电路具有重量轻，体积小，效率高的优点。
方案二：无源有源功率因数校正电路。无源有源功率因数校正电路目前只适用于小功率电源，其原因在于得到的功率因数比较低，功率因数最多提高到0.7至0.8。
综合考虑，我们选择方案一。
（三） 控制方法及实现方案
系统能否正常工作，不仅仅是需要主电路，它还需要控制电路。控制电路是
为了辅助主电路完成整个运行。所以，我们选择的控制实现方案必须合理可行。
方案一：为了产生脉冲宽度调制控制信号则用脉冲宽度调制专用芯片。这种办法不易实现键盘输出电压的设置和步长调整，虽然它易实现且工作相对稳定，因此配合主电路完成整个运行这一要求很难实现。
方案二：利用单片机输出PWM控制信号，通过按键调节PWM占空比的大小从而使输出电压在3036V可调。在调试过程中，需要有耐心的设计人员，是因为系统调试比较复杂。
由于，方案二更快，更简便地就能实现题目的要求，所以控制电路的设计方案为二。
（四）设计原理及方法
1．直流稳压电源设计思路
（1）为了获得幅值稳定，几十安以下的输出电流，需由频率为50Hz，有效值为220V的单项交流电压转换。为了能够获得低压直流输出，需采用电源变压器，再对交流电压进行处理。
（2）为了输出稳定直流电压，需将滤波后的直流电压，通过稳压电路稳压，最后供给负载RL。此直流电压基本不受外界影响。
2．直流稳压电源原理
显示电路显示输出的电压和电流值，保护电路使系统更安全，通过按键调节占空比是输出电压可调。如图2所示。
图2 原理框图
二 、硬件电路设计
（一）单片机介绍
1. AT89C51单片机的组成
AT89C51单片机的片内只读存储器为4KFlash，其为8位单片机。
AT89C51单片机性能相稳定，价格相对便宜，而且编程相对容易，因此其十分受欢迎。它有4组输入输出端口，片内RAM有512字节和16位T0，T1组成的计数器。其有4组32位输入输出端口，在扩展的时候，由于P1，P2，P3都有上拉电阻，P0没有所以P0作为低8位地址。
2. AT89C51单片机引脚图
P1，P2，P3口内部都有上拉电阻的8位双I/O口，如图3 所示 AT89C51单片机引脚。
P3口既能作为输入输出端口，还能接收一些控制信号，如表1所示 AT89C51 P3端口的特殊功能。
图3 单片机引脚说明
表1 AT89C51 P3端口的功能
（二）复位电路和晶振电路
1．复位电路
所谓的复位，从字面的意思上就不难理解，就是为了防止出现“死机”的出现。单片机能否可靠地工作，有一部分原因就在于复位电路，所以复位电路的存在也十分的必要。单片机在正常工作时，RST引脚为低电平。而当单片机复位时，RST引脚则为高电平，一般情况下， RST引脚保持为5ms时，单片机就会复位。上电自动复位和手动按键复位，都能达到复位的要求。上电自动复位和手动按键复位的不同就在于手动按键复位需要用按钮开关操作，图6 显示了复位电路的原理图组成。
目 录
引言 1
一、方案论证 1
（一）升压方式的比较与选择 1
（二） 比较功率因数调整方案以及选择 2
（三） 控制方法及实现方案 2
（四）设计原理及方法 2
二、硬件电路设计 3
（一）单片机介绍 3
（二）复位电路和晶振电路 4
（三）显示电路 6
（四）按键电路 6
（五）BOOST升压斩波电路 7
（六）保护电路 7
三、系统软件设计 8
（一）编程语言的介绍 8
（二） 软件设计思路 8
四、软件仿真 9
（一）软件仿真 9
（二）硬件调试 11
总结 12
参考文献 13
致谢 14
附录一 原理图 15
附录二 实物图 16
附录三 源程序 17
引言
单片机自诞生以来，应用便十分广泛。本课题采用AT89C51单片机，来设计开关稳压电源。在我国，开关稳压电源应用十分广泛。随着开关稳压电源的变换效率的提高，能够降低耗材的损耗，从而节省资源。此开关稳压电源实现的具体系统如下：
（1）实现稳定升压的功能。通过按键使输出的直流电压在3036V之间可调。
（2）实现负载过流保护的功能。在输出滤波处串联一个由温漂小的康铜丝作成电流采样电阻，从而使过流故障后，电路仍能够正常运行。
（3）具有输出电压，电流的功能。通过显示电路，使LCD上能显示输
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出电压，电流。
一 、方案论证
（一）升压方式的比较与选择
在ACDC变换电路中，为了得到直流电压，第一要先将交流电压进行整流滤波，然后用DCDC升压对直流电压进行变换。因此首先选择DCDC升压方式。如图1所示。
图1 间接直流变流电路
方案一：全桥加DCDC变换方式。将两只开关管和两个对称线圈接成对称关系，使其轮流通断，这就是脉冲变压器原边的组成。输出功率大，电源电压利用率高、能实现较大的升压比、输入输出隔离，两管基极均为低电平，驱动电路简单，这些都是推挽式电源电压的优点。主要缺点：全桥加DCDC变换方式的变压器绕组比电源电压利用率要低、其对开关管的耐压要求很高。
方案二：全桥加滤波器变换方式。推挽结构的原边绕组和开关管耐压均是电桥结构驱动脉冲变压器原边的两倍。主要缺点：全桥加滤波器变换方式使用的开关管数量多，驱动电路较复杂。
方案三：全桥和PFC以及DCDC变换方式。开关管的通断是用PWM波形来控制的，PWM波形由控制芯片输出。开关管的通断时间是由主电路上的电感电容值来控制的，主电路上的电感电容值应设计合理，这是为了升压。全桥和PFC以及DCDC变换方式具有的优点是使用的外部原件相对较少、调试相对容易、成本相对低、效率相对高。缺点：全桥和PFC以及DCDC变换方式的负载侧电流波动大。
综合考虑，我们选择方案三。
（二） 比较功率因数调整方案以及选择
方案一：有源功率因数校正电路。其工作时的状态是高频开关，有源功率因数校正电路具有重量轻，体积小，效率高的优点。
方案二：无源有源功率因数校正电路。无源有源功率因数校正电路目前只适用于小功率电源，其原因在于得到的功率因数比较低，功率因数最多提高到0.7至0.8。
综合考虑，我们选择方案一。
（三） 控制方法及实现方案
系统能否正常工作，不仅仅是需要主电路，它还需要控制电路。控制电路是
为了辅助主电路完成整个运行。所以，我们选择的控制实现方案必须合理可行。
方案一：为了产生脉冲宽度调制控制信号则用脉冲宽度调制专用芯片。这种办法不易实现键盘输出电压的设置和步长调整，虽然它易实现且工作相对稳定，因此配合主电路完成整个运行这一要求很难实现。
方案二：利用单片机输出PWM控制信号，通过按键调节PWM占空比的大小从而使输出电压在3036V可调。在调试过程中，需要有耐心的设计人员，是因为系统调试比较复杂。
由于，方案二更快，更简便地就能实现题目的要求，所以控制电路的设计方案为二。
（四）设计原理及方法
1．直流稳压电源设计思路
（1）为了获得幅值稳定，几十安以下的输出电流，需由频率为50Hz，有效值为220V的单项交流电压转换。为了能够获得低压直流输出，需采用电源变压器，再对交流电压进行处理。
（2）为了输出稳定直流电压，需将滤波后的直流电压，通过稳压电路稳压，最后供给负载RL。此直流电压基本不受外界影响。
2．直流稳压电源原理
显示电路显示输出的电压和电流值，保护电路使系统更安全，通过按键调节占空比是输出电压可调。如图2所示。
图2 原理框图
二 、硬件电路设计
（一）单片机介绍
1. AT89C51单片机的组成
AT89C51单片机的片内只读存储器为4KFlash，其为8位单片机。
AT89C51单片机性能相稳定，价格相对便宜，而且编程相对容易，因此其十分受欢迎。它有4组输入输出端口，片内RAM有512字节和16位T0，T1组成的计数器。其有4组32位输入输出端口，在扩展的时候，由于P1，P2，P3都有上拉电阻，P0没有所以P0作为低8位地址。
2. AT89C51单片机引脚图
P1，P2，P3口内部都有上拉电阻的8位双I/O口，如图3 所示 AT89C51单片机引脚。
P3口既能作为输入输出端口，还能接收一些控制信号，如表1所示 AT89C51 P3端口的特殊功能。
图3 单片机引脚说明
表1 AT89C51 P3端口的功能
（二）复位电路和晶振电路
1．复位电路
所谓的复位，从字面的意思上就不难理解，就是为了防止出现“死机”的出现。单片机能否可靠地工作，有一部分原因就在于复位电路，所以复位电路的存在也十分的必要。单片机在正常工作时，RST引脚为低电平。而当单片机复位时，RST引脚则为高电平，一般情况下， RST引脚保持为5ms时，单片机就会复位。上电自动复位和手动按键复位，都能达到复位的要求。上电自动复位和手动按键复位的不同就在于手动按键复位需要用按钮开关操作，图6 显示了复位电路的原理图组成。
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