89C51单片机控制的开关电源

８Ｃ １ ９ ５ 单片机控制的开关电源
王 小双
（ 西安通信学院二系， 陕西 西安 ７００ ） １１６
摘要： 在简单介绍高频开关屯源的工作原理基础上， 文中 以通信用一 ８ ４Ｖ 开关电源为功率转换部 分， Ｃ １ ８ ５ 单片机为控制核心， ９ 对开关电源的控制部分进行优化设计， 详细阐述了其工作原理， 并通
和电流的采样， 通过系统软件实现了过压、 过流保护 及限流功能。同时采用双闭环控制系统， 开关电源 工作时， 采用电压反馈由 Ｐ ＷＭ控制实现对输出电 压的稳压功能， 控制闭环为电压环或电流环； 在电池 充电 或过载时采用电流信号作为反馈， 控制电池的 充放电电流并实现过载保护的功能。为了精确控制 开关电 路的电压输出， 把单片机的高频脉冲信号分 频后变成适宜的开关脉冲信号， ８Ｃ １ 作为 ９ ５ 的计数 脉冲和门控信号。 单片机把给定值与传感器采集的 信号进行比 产生误差信号。根据电压控制算法 较， 设置 ８Ｃ １ ９ ５ 产生不同占空比（ －９％） ０ ０ 的方波信 号， 经过光电藕合器控制开关调整电路电压输出。 输出端与开关电路进行光电隔离， 从而避免了来 自 开关电源电路的骚扰信号对单片机系统正常工作的 影响。鉴于受控的开关电路输出电压的高精度和快 速调整特性， 可采用改进的 ＰＤ控制算法， Ｉ 该算法 具有电压调整快 、 超调量小 、 性能稳定等优点。键盘 与显示部分装在仪器操作面板上， 位 Ｌ Ｄ数码 由８ Ｅ 管，个Ｌ Ｄ指示灯以及 １ 个键构成， ３ Ｅ ６ 其中４ 位数 码管显示电源电压， 位数码管显示电流， 个 Ｌ Ｄ ４ ３ Ｅ 指示灯作为报警显示。
（ 上接第 ３ ２页）
仁 Ｃｉ ｎ ａａｏａ ＢＥｔ ａｎ ｔ Ｓ ｔｏＣ ａ ｅ 划 ｈ Ｊ ｉｍ ｈ ． ｔｇ ｔｅ ｈ ｇ ， Ｖ ｒ ｎ ｓｍ ｉ ｈ ａ ｆ ｒ ｉ ｅ ｏａ ｔ ［ Ａ Ｒ Ｔ Ｃ Ｆ ２０， ３ ｙ ． Ｅ Ｃ Ｎ Ｒ Ｎ ．０３ ２６－ ｆ ａｅ Ｃ Ｍ Ｂｔｒ Ｏ Ｏ ８
作者简介： 王小双（９０ ，男， １８ 一） 陕西偷林人， 毕业于重庆 通信学院， 现任西安通信学院讲师， 主要研究方向： 电力电
子技术及其 自 动化研 究
市电经整流滤波和功率因数校正后得到高压直 流电， 然后通过 Ｄ ／ （变换电路得到所需要的直 ＣＤ一 流电压。 控制回路从输出 端取样并与 设定基准进行 比 然后去控制逆变器， 较， 改变功率开关管的导通频 率或导通／ 截止时间进行输出稳定； 另一方面， 根据 检测电路提供的数据， 经保护电路鉴别， 利用控制电 路对整机进行各种保护和蓄电池的充放电 控制。 控制电路是整个开关电源的核心部分 ， 一般开 关电源的控制电路主要有检测比较放大电路、 电压 一脉冲宽度转换电路（ 或电压一频率转化电路）时 、 钟振荡器（ 或恒脉宽发生器）基极驱动电路、 、 过压过
通过键盘设定开关电源输出的电压值及最大输出电 流值， 单片机系统 自动对电源输出电压和电流进行 数据采样， 并与用户给定数据进行比较， 然后根据设 置的调整算法控制开关调整电路， 使电源输出电压
符合给定值。 单片机在调整电 源输出电压的同时还 要检测电 路的输出电流， 当输出电流超过给定值时， 就启动保护电路， 实现保护功能。为了使智能开关 电源能可靠、 安全地工作， 本系统设置了多重监测和 保护系统， 主要包括过流保护和短路保护。单片机 系统通过电流传感器检测开关功率管的输出电流， 当电流超过给定值， 单片机系统切断开关激励信号 并发出声光报警， 并对电池工作状况实施检测。
图如图 ２所示 。
图 ３ 控制电路原理结构图
图 ２ 单片机控制电源结构图
本智能开关电源利用通信用开关电源的基础电 路， 以高性能单片机 ８Ｃ １为控制核心， ９５ 组成数据
处理电路， 在检测与控制软件支持下， 通过对开关电 源输出电流、 电压进行数据采样与给定数据比较， 从 而调整和控制开关功率管的工作状态， 同时监测输 出电流大小， 进行电流控制。其电 路的工作原理为： 市电经整流滤波、 功率校正电路 Ｐ Ｃ Ｐｗｒ ｔ Ｆ （ｏ ｅＦｃ ｒ ａｏ Ｃｒ ｃ 变成直流电送人功率变换电路（ＣＤ ） ｏｅ ） ｒｔ Ｄ ／Ｃ ， 功率变换电路在脉冲宽度调制电路（ＷＭ） Ｐ 和单片 机的控制下输出稳定的直流电压。用户可根据需要
２６ ． ８８
［］ ｎ ＳＦｒｌ ，ｕ ａｈ Ｂｔｒｓｔｏｃａ ｅ ２ ａｇ ａｅ Ｊ Ｊ ｂｒ Ｍ． ｔ ｅ ｆｈｒ Ｐ ， ｒｌ ， Ｄ ｔ ａｅ ｔ －－ ｇ ｙ ａ ｅｉａｏ［］Ｐ ｃ ｄ ｇ ｏｔ ｍ ｒａ ｏｔｌ － Ｃ ． ｅ ｉ ｓ ｈ Ａ ｅｃ Ｃｎｒ Ｃｎ ｓｍ ｔｎ ｔ ｉ ｒ ｅｎ ｆ ｏ ｅ ｉｎ ｏ ｏ
３ 系统软件设计
２ 控制电路
控制电 Ａ Ｍ Ｌ 路采用 Ｔ Ｅ 公司的８Ｃ １ ９５ 单片机， 扩展了 Ａ Ｄ Ｄ Ａ 键盘显示、Ｓ３ 通讯 口电路。 ／ ，／ ， Ｒ ２２ 原理结构如图３ 所示。 控制系统通过 １ ／ Ｏ输入端口经 Ｄ Ａ转换控制 ／ 功率转换的开关的导通与关断时间， 完成对输出电
２０ 年 ８月 ２ ０４ ５日
第２ 卷 第４ １ 期
Ｔ ｌｏ Ｐｗ ｒ ｈｏ ｇｓ ｅ ｃｍ ｅ Ｔ ｃｎｌ ｉ ｅ ｏ ｅ ｏｅ
通 魂 电袜 找 术
Ａ ｇ２ ｕ． ５
Ｖｏ ． ｌ２ １
２４ Ｎ ０ ｏ ０ ． ４
文章编号：０ ９３６ （０４０ － ３ － １０ －６４２０ ）４ ０ １ ２ ０ ０
万方数据
泣 性 电冰 Ｉ Ｌ术
流保护电路以及辅助电源等电路组成。 存在着电路 复杂， 功耗大， 灵敏度差， 不能实现很好的控制等缺
点。
第２卷 １
采用单片机８Ｃ１ ９５ 模块组成的控制电路， 它具 有可编程、 功能强、 控制简单、 集成度高等诸多优点， 并对原来的电路存在的不足进行改进， 其原理方框
过软件编程实现了对开关电源的智能控制。 关键词： 开关电源； 机； 单片 软件编程 中图分类号：Ｐ １ Ｔ ８ Ｔ ２７ Ｎ ６ 文献标识码： Ａ
Ｓ ｉ ｈｎ Ｍｏｅ ｗ ｒ ｐｙ ｎｒｌ ｄ ｗｔ ｉｇ ｄ Ｐ ｅ Ｓｐ ｌ Ｃ ｔ ｌ ｂ ｃ ｏ ｕ ｏ ｏｅ ｙ Ｓ ｇ Ｃ ｉ Ｍｉ ｏｏ ｐ ｔ ８Ｃ １ ｉ ｌ ｈｐ ｃ ｃｍ ｕｅ ９ ５ ｎ ｅ ｒ ｒ
万方数据
诬 性 电稼 ｒ 不 ｋ
２ 结 论
第２ 卷 １
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综上所述， 修正的 Ｔ ｅｅｉ 等效电池模型具有 ｈｖｎ ｎ 一定的动态性 ， 能在一定程度上反映出电池内部的
变化及５ ￡的大小， 但该方法在推导过程中是假设
电流是时变的， 若电池在一个较长时间段内恒流放
是， 这些算法必须知道电池的５ 二 父 初值。因为要实 时计算显示Ｓ ｃ ￡的值， 这是需要时间的。模型越复 杂， Ｓ（ 计算 ｏ一 所需时间也越多。Ｓｃ的预测方法很 ｏ 多， 但要达到较高的精度， 在电池建模及 Ｓｃ预测 ｏ 方法方面还有大量的工作可做。
能主要包括对运行中的开关电源进行检测、 自动显 示电源状态； 可以通过按键进行编程控制； 可以进行
图 １ 开关电谭结构图
故障自 诊断， 源功率部分实现自 对电 动监测； 对 可以 电源进行过压、 过流保护； 可以对电池充放电进行实
时 制，１ 控〔 一 ３
收稿 日 ： ０４０－ 期 ２０－ ２ ３５
参考文献 ：
电， 则会大大降低Ｓｃ预测的准确性。基于状态空 ｏ
间的 模型 Ｓ 反应物的动态变化建立模型， 动态 ［以 ］ 以
测量的电流和电压作为输人量计算 ＳＣ 同时考虑 ｏ， 了 活性物质的扩散现象， 以此提高 Ｓ ｃ 〔的精度， 是 一种较好的方法； 但由于电池模型阶数较高， 计算比 较困难， 模型的建立需要确定相当多的经验参数， 给 应用带来较大麻烦。基于能量模型的Ｓｃ定义修 ｏ 正了原来 Ｓ ｃ ￡模型的不足， 考虑到电池的可恢复 性， 综合了电流、 压、 电 电阻判断， 在一定程度上提高 了Ｓｃ的判断精度， ｏ 但它没考虑温度的影响， 需要 大量试验数据。由于电池是密封的， 所以外部可测 参数只有电流和电压， Ｒｎｅ－ｒ ｌ 电池模 采用 ａｄｓ ｓｅ ｌＥ ｈ ｒ 型对电池建模， 并通过精确的安时积分估算 Ｓｃ 同 ｏ， 时进行容量老化补偿、 温度补偿、 放电补偿及放电 自 率补偿， 也不失为一种可行的方法。 上述方法能够在一定程度上反映剩余电量的多 少， 适用于电动车用电池 ＳＣ的预测， ｏ 但是这些模 型参数确定需要许多反复的迭代步骤， 并且重要的
压的稳定 ， 通过 Ａ 转换完成对开关电源输出电压 江）
本软件主要完成对信号采样， 各种数据处理、 以 及对功率转换部分的控制等。本系统软件主要包括 键开关扫描程序、 故障判别子程序、 均充及浮充子程 序、 断检测子程序和通信子程序等。主程序流程 中 图如图４ 所示。 在初始化过程中， 先是将 ８Ｃ １ ９５ 各个输人端口 复位， 然后从 Ｅ Ｒ Ｍ 中读出上次关机前存人的数 ＥＯ 据， 控制开关电路， 并进行显示。初始化完成后， 开 中 断程序。 若有中断请求则响应， 否则进行数据采 样并读取给定值， 然后进行数据处理； 若有短路或过 流情况发生， 则调用报警保护子程序； 若要对电 池浮 （ 下转第３ ６页）
ＷＡＮ Ｘａ ｓｕｎ Ｇ ｉ ｈ ａｇ － ｏ
（ ｉ ｎ ｍｍｕｉ ｔ ｎ ｔｕｅ Ｖ ａ ７００ ， ｎ） Ｘ＇ Ｃ ａ ｏ ｎ ａｉ Ｉｓｔｔ， ｎ １６Ｃ ｉ ｃ ｏ ｎｉ １ ｈａ
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１ 引 言 ）
开关电源是利用现代电力电子技术控制功率开 关管（ Ｏ Ｆ Ｔ ＩＢ ） Ｍ Ｓ Ｅ ， Ｔ 开通和关断的时间比率来稳 Ｇ 定输出电压的一种新型稳压电源。 从上世纪 ９ 年 ０ 代以来开关电源相继进人各种电子、 电器设备领域， 计算机、 程控交换机、 通讯、 电子检测设备电 控制 源、
１ 开关电源的系统结构
通信用 一 Ｖ ８ ４ 开关电源结构图如图 １ 所示 ：
换１ ｉ ｄ ＰＪ 」变 尸＿霎 ａ ＩＡ 电路 Ｅ｝ Ｆ刃 － Ｍ Ｃ Ｎ ａ
设备电源等都已广泛地使用了开关电源仁。利用 ‘ 〕 单片机控制的开关电源， 可使开关电源具备更加完 善的功能， 智能化进一步提高， 便于实时监控。 其功