基于AT89C51的boost升压电路的设计更改ok打印版副本.docx
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基于AT89C51的boost升压电路的设计更改ok打印版副本
电气与电子信息工程学院
《单片机》课程设计报告
题目:
基于AT89C51单片机的Boost电路开环控制系统
专业班级:
学 号:
姓名:
同组人:
指导教师:
胡蔷黄磊
设计时间:
2014年12月22日—2014年12月26日
设计地点:
K2-407单片机、微机原理实验室
2014年10月
课程设计任务书
2014~2015学年第1学期
一、课程设计题目:
(基于AT89C51单片机的Boost电路开环控制统)
二、课程设计要求
1.根据具体设计课题的技术指标和给定条件,以单片机为核心器件,能独立而正确地进行方案论证和电路设计,完成仿真操作。
要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整;
2.熟悉、掌握各种外围接口电路芯片的工作原理和控制方法;
3.熟练使用单片机汇编语言或C51进行软件设计;
4.熟练使用Proteus、Keil软件进行仿真电路测试;
5.熟练使用Protel软件设计印刷电路板;
6.学会查阅有关参考资料和手册,并能正确选择有关元器件和参数;
7.编写设计报告,参考毕业设计论文格式。
(1)根据课题要求确定系统设计方案;
(2)绘制系统框图、系统仿真原理图(印刷电路板图),列出元器件明细表;
(3)计算电路参数和选择元器件,画出软件流程图(列出程序清单);
(4)打印仿真结果,根据测试结果进行误差分析与修改调整;
(5)对设计进行全面总结。
三、课程设计内容(含技术指标)
本次课程设计是基于AT89C51单片机为控制核心,boost升压电路为主电路的拓扑结构,实现能量的转换;PCF8591芯片作为AD采集芯片,通过
总线来采集输出电压;IR2106芯片作为驱动芯片,用于驱动主电路中的开关管;差分电路用于采集输出的电压值;LCD1602液晶显示,用于显示输出电压值。
技术指标:
1、能采集输出电压的大小。
2、能显示输出电压的大小。
3、电路拓扑结构正常工作。
4、用单片机控制主电路的工作状态。
基于AT89C51单片机的Boost电路开环控制系统
摘要:
本设计是以AT89C51为控制核心,以PCF8591A/D转换芯片采样输出电压值的大小、LCD1602作为人机交换界面、IR2106电路作为MOSFET开关管的驱动电路,实现了对Boost升压电路的开环控制。
关键词:
AT89C51A/D转换芯片IR2106Boost升压电路
Abstract:
ThedesignisbasedonAT89C51asthecontrolcenter,InPCF8591ADconversionchipsampledoutputvoltagemagnitude,Astheman-machineinterfaceLCD1602exchange,IR2106MOSFETswitchcircuitasadrivingcircuit,Boostboostcircuitrealizestheopen-loopcontrol.
Keywords:
AT89C51A/DconverterchipIR2106BoostChopper
1总体系统框图
本系统采用AT89C51单片机作为系统控制核心,LCD1602作为数据显示,PCF8591作为Boost升压电路输出电压的AD数据采集芯片,通过I/O口控制MOSFET的开通和关断来控制Boost电路输出电压。
图1为系统总体框图。
图1总体系统框图
2硬件电路
2.1方案论证
2.1.1显示模块
方案一:
采用LED数码管显示,控制比较简单,但占用较多的I/O口,不能实现资源的有效利用,而且只能显示一些简单的字符,显示信息量有限。
方案二:
采用LCD液晶显示,优点是功耗低、字迹清晰、、视觉舒服,因此具有友好的人机交流显示界面,显示的信息量大。
通过以上分析,故选择方案二。
2.1.2AD采集模块
方案一:
采用ADC0809。
ADC0809是一款8位、8个通道模拟开关、低价格A/D转换器,主要特点是,模数转换时间大约100us。
分辨率较低,转换时间较长,占用大的I/O口资源较多。
方案二:
采用PCF8591,.PCF8591是一种具有
总线接口的8位A/DD/A转换芯片,在与CPU的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现。
总线是Philips(飞利浦)公司推出的串行总线,它与传统的通信方式相比具有读写方便,结构简单,可维护性好,易实现系统扩展,易实现模块化标准化设计,可靠性高等优点。
综上所述分析,采用方案二。
2.2电路模块设计
2.2.1IR2106驱动电路
IR2106作为一个驱动功率放大电路,用于驱动开关管。
开关管的驱东电压为+10V~+20V之间,而单片机输出的电压为+5V,且驱动功率小,不足以驱动开关管开通,所以需通过功率放大电路来实现。
IR2106的外围电路为一个自举电路,自举电路由一个自举二极管和一个自举电容构成。
自举电容只在高端器件关断,Vs被拉到地时才被充电。
因此低端器件开通时间(或高端器件关断时间)应足够长,以保证被高端驱动电路吸收掉的自举电容上的电荷被完全补充,因此对低端器件的开通时间(或高端器件的关断时间)有最小要求。
在该电路中使用的是PWM1B的驱动接口。
其电路图如图2所示。
图2IR2106驱动电路
2.2.2Boost升压主电路
Boost升压电路的拓扑如图3所示。
Boost升压电路的原理为:
当开关管开通后,输入电源为开始为电感充电,当开关管关断后,输入直流电源和储能电感一起向负载提供能量,以达到升压的效果。
图3Boost升压主电路图
2.2.3差分采样电路
为了获得较高电压的模拟信号,同时为了防止AD芯片损坏,故在AD采集的之前采用一个差分采样电路,这样既可以采集较高电压的模拟信号,又可以因为电压过高而损坏芯片。
在boost升压电路的输出端并联四个差分采样电阻,用于衰减电压,采样的信号通过差分电阻后,接入有LM324构成的差分运算放大电路进行同比例的放大,然后在经过一个跟随电路,将采样的电压信号传送到AD采集芯片接口处,进行AD转换。
跟随电路在这里起隔离、增加输入阻抗和减小输出阻抗的作用。
电路图如图4和图5所示。
图4差分采样电阻
图5差分采样电路
3理论分析与计算
3.1Boost升压电路理论分析与计算
当开关管处于导通时,电源E向电感L充电,充电电流基本恒定为I1,同时电容C上的电压向负载R供电。
输出电压为uo。
设V处于导通状态的时间为
,此阶段电感L上积蓄的能量为
,当开光管断开时,E和电感L共同向电容C充电并向负载R提供能量。
设开关管处于断开的时间为
,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积蓄的能量与释放的能量相等,即
(1)
化简可得
(2)
上式中,
,所以输出电压高于电源电压。
4PCF8591芯片
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行
总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程,允许在同个
总线上接入8个PCF8591器件,而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向
总线以串行的方式进行传输。
4.1PCF8591功能描述
PCF8591为单一电源供电典型值为5V,CMOS工艺PCF8591有4路8位A/D输入,属逐次比较型,内含采样保持电路;1路8位D/A输出,内含有DAC的数据寄存器A/DD/A的最大转换速率由
总线的最大速率决定。
4.2PCF8591外围电路
PCF8591中有两条
总线,一条是SCL时钟线,另一条是SDA数据线。
总线各器件都采用的是漏极开路结构与总线相连,因此SCL和SDA均需接上拉电阻,所以在PCF8591的外围电路上的9、10引脚上各接了一个上拉电阻。
12号引脚是EXT引脚作为内部、外部时钟选择线,在本电路中采用内部时钟,故EXT引脚接地。
芯片的基准电源由外部供电,所以
14号引脚接电源。
由于硬件电路确定了,故在该电路中采用的AIN3作为AD的采集输入口。
PCF8591的外围电路图如图6所示。
图6PCF8591外围电路图
4.3片内可编程功能设置
在PCF8591内部的可编程功能控制字有两个,一个为地址选择字,另一个为转换控制字PCF8591采用典型的I2C总线接口的器件寻址方法,即总线地址由器件地址引脚地址和方向位组成Philips(飞利浦)公司规定A/D器件高四位地址为1001,低三位地址为引脚地址A0A1A2,由硬件电路决定,地址选择字格式具体描述如表1所示因此I2C系统中最多可接23=8个具有总线接口的A/D器件地址的最后一位为方向位R/W,当主控器对A/D器件进行读操作时为1,进行写操作时为0总线。
操作时,由器件地址引脚地址和方向位组成的从地址为主控器发送的第一字节。
表1地址选择字格式描述
D0为读写控制位,对转换器件进行读操作时为1,进行写操作时为0。
D1、D2、D3为引脚硬件地址设置位,由硬件电路设定该PCF8591的物理地址。
D7、D6、D5、D4为器件地址位固定为1001。
PCF8591的转换控制字存放在控制寄存器中,用于实现器件的各种功能总线操作时为主控器发送的第二字节转换控制字的格式功能具体描述如表2所示,
表2转换控制字格式描述
D0,D1为通道选择位。
00:
通道0;01:
通道1;10:
通道2;11:
通道3。
D2:
自动增量允许位,为1时,每对一个通道转换后自动切换到下一通道进行转换,为0时不自动进行通道转换,可通过软件修改进行通道转换D3:
特征位,固定位0。
D4,D5:
模拟量输入方式选择位。
00:
输入方式0,四路单端输入;01:
输入方式1,三路差分输入;10:
输入方式2,二路单端输入,一路差分输入;11:
输入方式3,两路差分输入。
D6:
模拟输出允许位,A/D转换时设置为(地址选择字D0位此时设置为1),D/A转换时设置为1。
D7:
特征位,固定为0。
4.4PCF8591的A/D转换
PCF8591的A/D转换为逐次比较型,在A/D转换周期中借用DAC及高增益比较器对PCF8591进行写读操作后便立即启动A/D转换,并读出A/D转换结果在每个应答信号的后沿触发转换周期,采样模拟电压并读出前一次转换后的结果。
A/D转换中,一旦A/D采样周期被触发,所选择通道的采样电压便保存在采样,保持电路中,并转换成8位二进制码(单端输入)或二进制补码(差分输入)存放在ADC数据寄存器中等待器件读出。
如果控制字节中自动增量选择位置1,则一次A/D转换完毕后自动选择下一通道。
读周期中读出的第一个字节为前一个周期的转换结果。
上电复位后读出的第一字节为80H。
PCF8591的A/D转换亦使用的是I2C总线的读方式操作完成的。
其数据操作格式如图7所示。
图7A/D转换数据操作格式
其中data0~datan为A/D的转换结果,分别对应于前一个数据读取期间所采样的模拟电压。
A/D转换结束后,先发送一个非应答信号位A再发送结束信号位P。
灰底位由主机发出,白底位是由PCF8591产生。
上电复位后控制字节状态为00H,在A/D转换时须设置控制字,即须在读操作之前进行控制字节的写入操作。
逻辑操作波形时序图如图8所示。
图8A/D转换逻辑操作波形时序图
5程序设计流程图
本系统采用AT89C51作为系统控制器,PCF8591作为AD采样芯片,LCD1602作为显示。
其程序流程图如图9所示。
图9程序流程图
6实物图
图10LCD1602显示图
图11IR2106驱动电路
图12Boost升压电路
图13差分采样电路
图14总体调试图
7总结
通过本次课程设计较深入的了解了单片机的相关功能,学习了PCF8591AD/DA转换芯片的工作原理和I2C串行总线的大致工作情况。
当然在本次课程设计还应改进的地方,如可以加入按键实现对占空比的控制,从而来实现对输出电压的控制,加上算法实现对输出电压的闭环控制,在后面时间可以对其进行改进。
在这一次的课程设计当中收获很多,学习了自己以前没有去学习的东西,锻炼了自己对问题的分析和处理能力。
其实很多东西只要自己愿意去花时间,就一定可以学得很好的。
不管怎么说只要自己付出了,就一定会有收获的。
8参考文献
[1]谭浩强.C程序设计(第四版)[M].清华大学出版社,2010.
[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程(第三版)[M].高等教育出版社,2005.
[3]胡蔷.王祥瑞.微机原理及接口技术[M].机械工业出版社,2013.
[4]王兆安.刘进军.电力电子技术(第五版)[M].机械工业出版社,2009.
[5]邱关源电路.第四版.北京:
高等教育出版社,1999.
[6]康华光电子技术基础(数字部分).第五版.北京:
高等教育出版社,2006.
单片机课程设计成绩评定表
设计题目:
基于AT89C51单片机的Boost开环控制系统
答辩记录:
1、
总线的优点是什么?
答:
总线的优点是外围器件的连接仅需2条I/O口线(SDA线和SCL线)极大的简化器件间的连接,进而提高了可靠性。
串行接口器件体积小,因而占用的电路板控件小,仅为并行接口器件的10%,明显减小了电路板空间和成本。
在标准
普通模式下,其工作电压宽,抗干扰能力强,功耗低,数据不易丢失等优点。
2、Boost升压电路的工作原理?
答:
Boost升压电路的工作原理为:
当开关管开通后直流电源给电感传送能量,负载上的电压通过电容进行供电;当开关管关断后,输出电压由直流电源和电感提供,所以输出电压大于等于直流电源电压,输出电压的大小由开关管的开关时间决定。
成绩评定
考勤(10%)
答辩(20%)
仿真或实物测试(20%)
设计报告(50%)
总分
(百分制)
成绩
评语:
指导教师签字:
2014年12月日
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