基于单片机控制的升压型直流变换器设计.docx

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基于单片机控制的升压型直流变换器设计

序号：

07446308

常州大学

毕业设计（论文）

（2011届）

题目基于单片机控制的升压型直流变换器设计

学生陆苏青学号07446308

学院信息科学与工程专业班级电子（怀）071

校内指导教师姚广平专业技术职务研究员级高工

校外指导老师专业技术职务

二○一一年六月

基于单片机控制的升压型直流变换器设计

摘要：

介绍基于单片机为核心控制的升压斩波电路（Boostchopper）.利用Matlab仿真软件仿真和Protel设计软件设计电路。

基于单片机控制的升压型直流变换器设计，由电源电路模块、控制电路模块，驱动电路模块，斩波电路模块，保护电路模块和显示电路模块几个模块组成。

以单片机为控制核心的升压斩波电路，通过单片机生成占空比可变的方波，从而控制驱动电路。

驱动电路驱动主电路中的场效应管，以达到改变管子的开通或关断时刻的目的。

由斩波电路的原理可知开通、关断时刻的不同，输出电压也不同，该设计工作还包括过压，过流保护电路。

过流保护电路由运算放大器组成，过压保护由单片机完成，一旦过了参考值，单片机输出口就输出恒低电平信号，使驱动电路关断，场效应管也随之关断。

以此以达到保护电路的目的。

关键字：

升压斩波;8051;SIMULINK;场效应管。

ThedesignofMicrocomputerControl of Boost DC-DCconverter

Abstract:

Describes thecoreof thecontrol basedonsinglechip boost chopper.UsingMatlabsimulationsoftwareand Protel design .

MicrocomputerControlofBoostDC-DCconverterismadeupbypowersupply circuitmodule,thecontrolcircuit module, drivecircuit module, thechoppercircuitmodule,circuitprotectioncircuitmodule anddisplay module.Thecoreof the microcontroller tocontroltheboostchopper.Microcomputergenerated by thevariable dutycycle squarewavetocontrolthe drivecircuit.

Drivecircuit drives theprimary circuit oftheMOSFET. Inorderto change opening-timeor off-time.Weknow fromthe principleof chopper.Bythedifferentof opening-timeor off-time,theoutputvoltage willbedifferent.Thedesign alsoincludes overvoltage, overcurrentprotection circuit.over-currentprotection circuitconsistsof operational amplifiers.Overvoltageprotection fromthe Microcomputer tocomplete.Oncethe referencevalue,themicrocontrolleroutputtoconstant low-level output signaltodrivecircuit off,MOSFET alsowill turnoff. inorder toachieve thepurposeofprotectioncircuit.

Key:

Boostchopper;8051;SIMULINK;MOSFET.

1引言

随着电力电子技术的迅速进展，高压开关稳压电源已被普遍用于运算机、通信、工业加工和航空航天等领域。

所有动力机装置需要一个稳固的电力输送装置，而外部提供的能源大多为交流，电源设备担负着把交流电源转换为电子设备所需的各类类别直流任务。

但有时那转变的直流电压同所需设备要求人仍不相符，仍需变换，称为DC/DC变换。

直流斩波电路作为将直流电，变成另一种固定电压的DC-DC变换器，在充电蓄电电路、直流传动系统.、电力电子变换装置、开关电源及各类用电设备中取得普遍的应用。

随之出现了诸如升压斩波电路、降压斩波电路、复合斩波电路、起落压斩波电路等多种方式的变换电路。

直流斩波技术，已被普遍运用于直流开关电源和电机推动中，使其控制取得加速光滑、快速响应、加速节能的效果。

直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来取得所需要的输出电压。

PWM控制方式是目前才用最普遍的一种控制方式，它具有良好的调整特性。

随电子技术的进展，最近几年来已进展各类集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以够工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。

该课题是基于单片机，所以设计采用单片机产生占空比可变的方波信号，以达到场效应管开通或关断时刻转变的目的。

电力电子技术的简介

所谓电力电子技术[1]就是应用于电力领域的电子技术。

电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。

具体地说，电力电子技术是利用电力电子装置对电能转化和控制技术。

电力电子技术是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

通常所用的电力有直流（DC）和交流（AC）两大类。

直接从公用电网取得的电力是交流，直接从蓄电池和干电池取得的电力是直流。

从这些电源取得的电力往往不能直接知足设备对电源的要求，需要进行电力变换。

电力变换通常可分为四种类型：

交流变直流（AC-DC）变换：

将交流电转换为直流电。

直流变交流（DC-AC）变换：

将直流电转换为交流电。

交流变交流（AC-AC）变换，将交流电能的参数（幅值或频率）加以变换。

直流变直流（DC-DC）变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。

电力电子技术的进展

电力电子器件的进展，为电力电子技术的进展起着决定性作用。

电力电子技术的进展史是以电力电子器件的进展史为纲。

1957年第一只晶闸管—也称可控硅（SCR）问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时期。

70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件（亦称自关断型器件），如：

门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT/GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

控制电路经历了，从分立元件到集成电路的进展阶段。

此刻已有专为各类控制功能设计的专用集成电路，这使变换器的控制电路大大简化。

设计中就是用了场效应晶体管，来作为主电路的重要组成部份。

电力电子技术的应用

电力电子技术的应用范围十分普遍。

它不仅应用于一般工业，也普遍用于交通运输、电力系统、通信系统、运算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域也有着普遍的应用。

例如：

（1）优化电能利用。

通过对发电力进行电力电子技术处置，使电力的利用配置达到合理、高效和节约，实现最优利用电力能源。

（2）改造传统产业和进展机电一体化等新兴产业。

特别强调的是，电力电子技术采用的是弱电控制强电的媒体，是机电设备与运算机之间的重要接口，这成为发挥运算机作用的保证和基础，这也是为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件。

（3）电力电子技术的进展,高频率的变频技术,，将会使电气设备冲破传统，电源向高频化的方向进展。

（4）电力电子智能化的发展，在必然的程度上将信息处置和功率处置合一，使电力电子技术与微电子技术一体化，电力电子智能化的发展可能引发一些重大的电子技术改革。

2升压斩波电路的设计及其应用

主电路工作原理

工作原理

假设L和C值专门大。

IGBT（V）处于导通状态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

IGBT（V）处于断开状态时，电源E和电感L一路向电容C充电，并向负载提供电能。

图升压斩波电路主电路图

第一假设电感L值专门大，电容C值也超级大。

当V-G（驱动电路与IGBT连接处端口名）为高电平时，IGBT（V）导通，24V电源向L充电，充电大体恒定为

此时电容C上的电压向负载R供电，因C值专门大，能够维持输出电压

为恒值，记为

。

设V处于导通状态的时刻为

，此阶段电感L上积储的能量为

。

当V处于关断状态时E和L一路向电容C充电，并向负载R提供能量。

设V处于段态的时刻为

，则在此时刻内电感释放的能量为

。

当电路工作于稳定状态时，一个周期（T）的时刻内，电感积储的电能与释放的电能相等[2]，即

（）

化简得

（）

上式中的

，输出电压则高于电源电压。

式（1-1）中

为升压比，调节

的大小，即可改变输出电压的大小。

数量关系

设IGBT通态的时刻为t

，此阶段L上积存的能量为：

EI

t

设IGBT断态的时刻为t

，则此段时刻内电感L释放能量为：

（U0-E）I1t

稳态时，一个周期时刻内中L积存的能量与释放的能量相等：

（）T/t

>1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。

T/t

－升压比;升压比的倒数记为β，即β=

。

又因为α+β=1。

所以：

U

=

E=

E（）

电压升高得原因：

电感L储能使电压泵升的作用，电容可将输出电压维持住。

升压斩波电路的典型应用

通常常利用于直流电动机再生制动时把能量回馈给直流电源[3]

图升压斩波电路的典型应用

实际电感值不可能为无穷大，因此有电动机电枢电流持续和断续两种，工作状态电机反电动势相当于图中的电源，现在直流电源相当于图中的负载。

由于直流电源的电压大体是恒定的，因此没必要并联电容器。

基于“分段线性”的思想进行解析IGBT（V）处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式

（）

式中R为电机电枢回路电阻与线路电阻之和。

设i1的初值为I10，解上式得

（）

当IGBT（V）处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：

（）

设i2的初值为I20，解上式得：

（）

用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路波形，如图和图所示。

图电流持续升压斩波电路波形

图电流断续升压斩波电路波形

当电流持续时，从图的电流波形可看出，t=ton时刻i1=I20，t=toff时刻i2=I10，由此可得：

（）

（）

把上面两式用泰勒级数线性近似，得

（）

该式表示了L为无穷大时电枢电流的平均值Io，即

（）

对电流断续工作状态的进一步分析可得出：

电流持续的条件为

（）

按照此式可对电路的工作状态作出判断。

3硬件设计

升压直流变换器电路总设计概述

电源电路产生的稳固24V直流电作为主电路（斩波电路）的输入电源，电源电路产生的稳固的直流+5V电压控制单片机，通过单片机来输出脉冲占空比可变的波，从而使升压斩波电路升压并输出可调的脉冲电压Uo。

把输出电压Uo通过降压后取得的信号Uco反馈给A/D转换电路，再通过比较器判断电压是不是过压，过压则单片机输出恒高电平，是MOSFET关断,因此整个系统组成一个可调的直流升压斩波电陆，而且达到过压保护的目的[3]。

本设计主要由:

电源电路、控制电路、驱动电路、斩波电路和保护电路组成。

控制电路

占空比可调的方波发生电路部份

该电路通过按键控制的89S52产生占空比可调的方波信号，以后将该方波信号送到驱动电路[5]。

说是方波信号其实就是通过按时器计时，在规按时刻内输出的是高电平或是低电平。

单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准的，有条不紊地进行工作。

因现在钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳固性。

常常利用的时钟电路方式有两种：

一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式，这里采用的是内部时钟方式，外接晶振。

时钟电路由片外晶体、微调电容和单片机的内部电路组成。

选取频率为12MHz的晶振（选取此晶振值是方便编程需要，也是适应性选择），微调电容是瓷片电容。

因为单片机的P1口接三个按键所以要注意消除按键抖动的问题，设计通过软件编程实现，即先查验按是不是按下，后挪用一个延时程序，以后再次检测按键是不是按下。

图方波发生电路

89S52的P1口接三个按键[6]，如图，按键控制输出信号的占空比，按S1占空比逐渐增加1，按S2则反之减1，S3则恢复初值。

控制信号是从单片机的口输出信号输送到驱动电路，从而控制主电路。

当输出低电平是场效应管关断，当输出高电平是场效应管导通。

即单片机输出低电平时刻为场效应管的关断时刻

，单片机输出高电平时刻为场效应管的导通时刻

。

按照任务书的要求，输出的方波信号的占空比为60%，但设计时老师增加的要求是占空比可变的功能，所以在控制电路中加了三个按键，控制程序，达到占空比转变的效果。

方波发生器电路芯片简介AT89S52

AT89S52单片机[7]是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。

该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，AT89S52指令与工业标准的80C51指令集兼容。

AT89S52片内程序存储器，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写，允许重复在线编程。

AT89S52成为一个高效的微型运算机是因为它是运用通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上的技术。

AT89S52单片机的应用范围广，它的本钱较低，且可用于解决复杂控制问题。

其结构框图如图所示。

控制电路中利用AT89S52是因为市场上多数采用AT89S52，其本钱低，且可用于解决复杂控制问题，且允许重复在线编程。

AT89S52有看门狗，若是出现死循环，或说PC指针不能回来。

那么按不时刻到后就会使单片机复位。

看门狗,又叫watchdogtimer,是一个按时器电路,一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到单片机的RST端,单片机正常工作的时候,每隔一端时刻输出一个信号到喂狗端,给看门狗清零,若是超过规定的时刻不喂狗,（一般在程序跑飞时）,看门狗按时超过,就回给出一个复位信号到单片机,使单片机复位.避免单片机死机.看门狗的作用就是避免程序发生死循环，或说程序跑飞。

若是不用此功能，可用用程序来关狗，那么用伪指令：

 _CONFIG_WDT_OFF

图AT89S52结构框图

AT89S52的主要特性如下：

1）的工作电源范围

2）兼容MCS51产品

3）全静态工作：

0Hz～24MHz

4）8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存

5）256字节内部RAM

6）3级程序存储器加密

7）32条可编程输入/输出线

8）8个中断源

9）3个16位按时器/计数器

10）UART串行通道

11）灵活的在线编程（字节和页模式）

12）看门狗按时器

13）通过中断终止掉电方式

14）双数据指针

15）低功耗空闲方式和掉电方式

下图是AT89S52封装结构图。

图AT89S52封装引脚图

依照功能，AT89S52的引脚可分为：

主电源、多功能输入/输出口、外接晶体振荡或者振荡器、控制和复位等。

AT89S52共有四个8位的并行I/O口：

P0、P一、P二、P3端口，对应的引脚别离是-，-，-，-，共32根输入/输出线。

每根线能够单独用作输入或输出。

P0口，该口是一个8位漏极开路的双向输入/输出口。

在作为输出口时，每根引脚能够带动8个TTL输入负载。

当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。

当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线。

对Flash存储器，进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；现在需要外加上拉电阻。

P1口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向输入/输出端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口置“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉置高电位，现在可用作输入口。

P1口作为输入口使历时，因为内部是有上拉电阻的，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。

另外，和能够配置成按时/计数器2的外部计数输入端（T2）和按时/计数器2的触发输入端（T2EX），P1口管脚复用功能如表所示。

表P1口管脚复用功能

端口引脚

复用功能

T2（定时器/计算器2的外部输入端）

T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）

MOSI（用于在线编程）

MISO（用于在线编程）

SCK（用于在线编程）

P2口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向输入/输出端口，P2端口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对P2口置“1”时，通过内部的上拉电阻把P2口拉置高电位，现在可用作输入口。

该端口作输入口使历时，因为P2口内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器（）时，P2口送出地址的高8位，在访问8位地址的外部数据存储器（）时，P2端口引脚上的内容，在整个访问期间不会改变。

对Flash编程和程序校验的期间，P2端口也接收地址高位或一些控制信号。

P3口，P3口是带有内部上拉电阻，的8位双向输入/输出端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对P2口置“1”，通过内部的上拉电阻把P2口拉到高电位，现在可用作输入口。

P3端口作输入口使历时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在AT89S52中，一样P3口还用于一些复用功能，如表所列。

在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。

表P3端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用功能

RXD（串行输入口）

TXD（串行输出口）

INT0（外部中断0）

INT1（外部中断1）

T0（定时器0的外部输入）

T1（定时器1的外部输入）

WR（外部数据存储器写选通）

RD（外部数据存储器读选通）

RST复位输入端。

在振荡器运行时，在此脚上出现两个机械周期的高电平将使其单片机复位。

看门狗按时器（Watchdog）溢出后，该引脚会维持98个振荡周期的高电平。

在SFRAUXR（地址8EH）寄放器中的DISRTO位能够用于屏蔽这种功能。

DISRTO位的默许状态，是复位高电平输出功能使能。

ALE/PROG地址锁存允许信号。

在存取外部存储器时，那个输出信号用于锁存低字节地址。

在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。

一般情形下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部按时或时钟。

可是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。

在需要时，能够把地址8EH中的SFR寄放器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。

在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并非起作用。

PSEN程序存储器允许信号。

它用于读外部程序存储器。

当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机械周期PSEN被激活2次。

在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。

EA/Vpp外部存取允许信号。

为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。

可是，若是锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。

当执行内部程序时，EA应接到Vcc。

在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。

XTAL1振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。

XTAL2振荡器的反相放大器输出。

驱动电路

下图给出了电力MOSFET一种驱动电路，它包括电气隔离和晶体管放大电路两部份。

当无输入信号时高速放大器输出负电平，Q2导通输出负驱动电压，从而场效应管关断，当有输入信号时放大器输出正电平，Q1导通输出正驱动电压，从而场效应管导通。

图驱动电路电路图

电力MOSFET的栅源极之间有数千皮法的极间电容使电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10V至15V，关断时施加必然幅值的负驱动，一般取-5V至-15V,有利于减小关断时刻和关断损耗，在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）能够减小寄生振荡。

该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。

所以图中，正驱动电压为+15V，负驱动电压为-15V，Q1的型号是D44H8，Q2的型号是D45H8。

D44H8与D45H8的Uce最大值为60V，因为该驱动电路中的驱动电压为-15V，+15V，Q一、Q2选择上述型号较为安全。

图中的uA741的输入电阻20k置15M。

这里取50k。

常见的专为驱动电力MOSEFT而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L,其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。

斩波电路

本设计为直流升压斩波（boostchopper）电路，该电路是本系统的核心。

原理图如下图所示。

图斩波电路原理图

原理分析：

第一假设电感L值专门大，电容C值也专门大。

当V-G为高电平时，Q1导通，24V（由电源模块产生，图中的DY1与DY2别离主电路电源的正、负极）电源向L2充电，充电大体恒定为

同时电容C上的电压向负载R供电，因C值专门大，大体维持输出电压

为恒值，记为

。

设V处于通态的时刻为

，此阶段电感L上积储的能量为

。

当V处于段态时E和L一路向电容C充电，并向负载R提供能量。

设V处于段态的时刻为

，则在此期间电感L释放的能量为

。

当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积储的能量于释放的能量相等，等量关系在第2章工作原理中已经计算。

图的R1=90Ω，由P=U20/R,U0=60V，P=40W，所以R=90Ω。

图后的R二、R3是用于分压的，如图所示电阻比为29:

1，所以取样电压最大为2V,因为ADC0809的输入电压为0V置5V，所以这里取样电压最大为2V较适合。

储能电感L的选择

电感电流包括直流平均植和纹波分量两部份[4]，其电流平均值如下肯定。

假定忽略电路的内部损耗，电路中开关f设为1KHz，则Vi*Ii=Vo*Io,其中Ii是从电源Vi掏出平均电流,也是流入电感的平均电流IL,以下中Vi=E=24V，V0=U0=60V,P0=40W,I0=

Vo=Vi*T/toff,

故有Ii=Vo*Io/Vi=Io*T/toff

选择ΔI=Vi*ton/L=，

则电感L为L=Vi*ton/ton=T*（Vo-Vi）/Vo=（Vo-Vi）f*V0

假定忽略内部的损耗，则

Vi*Ii=Vo*I0

故有Ii=Vo*Io/VI

因此L=Vi*ton/=Vi²*（Vo-Vi）/*Vo²*I0

已知输出电压Vo、输出电流Io、