开关电源并联供电系统毕业设计.docx

中北大学2016届毕业设计说明书毕业设计说明书开关电源并联供电系统开关电源并联供电系统摘要：伴随着电力电子技术近年来迅猛的发展，各个产业对于电子装置的需求量都在日益增加。同时因为各种电子装置都在不断地更新换代，往多元化以及集成化的方向发展，其对电源功率、电流的要求也在不断提高。但是由于受到构成电源的各个模块中所包含的器件、材料等的影响，单个开关电源模块在功率、电流、电压等各个方面都往往无法满足电子装置的要求，更何况因为近年来新能源的发展，光伏产业发展也十分迅速，单个电源完全无法满足使用的需求。因此，开关电源并联供电系统就随之而产生了。本系统由恒流源模块、恒压源模块、单片机系统控制模块、辅助电源模块与显示模块五部分组成。在电源模块上本系统使用的是LM2596模块，并且依靠它来实现降压，同时采用了STC12C5A60S2单片机作为控制核心，配合使用IN282作为放大器进行50倍放大来采集信号。在比较器上，选择的是LM358,并且使用主从均流法来对采集的两路信号，通过软件算法来实现分配误差，以此来对电源模块的电流进行自动调整。在本系统中，使用的是LCD1602显示屏来呈现采集的数据。最后，在系统中设置了过流保护电路，一旦负载的电流超过了设定的值，将会自动启动中断，并在一段时间后恢复。经过测试，本设计已经完成了设计任务的要求，实现了两模块电流的分配。关键词：开关电源，并联供电，单片机Switching Power Supply Parallel Power Supply SystemAbstract：Along with the rapid development of power electronics technology in recent years, the demand for electronic devices in various industries is increasing. At the same time, because all kinds of electronic devices are constantly upgrading, to a diversified and integrated direction, the power of the power supply, the current requirements are also constantly improving. But due to the power of each module contains devices and materials influence, a single switching power supply module in all aspects of power, current, voltage, etc. are often unable to satisfy requirements of the electronic device, not to mention because in recent years the development of new energy, photovoltaic industry development is very rapid, single power supply completely unable to meet demand. Therefore, the parallel power supply system of switching power supply is produced.The system is composed of five parts, which are constant current source module, constant pressure source module, single chip microcomputer system control module, auxiliary power module and display module. The system used in the power supply module is lm2596 module, and rely on it to realize buck, also uses STC12C5A60S2 microcontroller as the control core, with the use of IN282 as an amplifier for 50 times amplification signal acquisition. In the comparator, the choice is LM358, and the use of the slave flow method to collect the two signals, through the software algorithm to achieve distribution errors, in order to automatically adjust the current power module. In this system, the use of LCD1602 display to show the data collected. Finally, an over current protection circuit is set up in the system. Once the current of the load exceeds the set value, it will automatically start the interrupt and resume after a period of time. After testing, the design has completed the requirements of the design task, the realization of the distribution of the two module current.Keywords: switching power supply, parallel power supply, single chip microcomputer目 录1 绪论11.1 选题的目的及意义11.2 国内外研究现状21.2.1 国内外现状简介21.2.2 改进的常用均流控制法31.2.3 新型的均流控制法31.3 分布式电源系统的发展51.4 设计任务62 整体方案设计72.1 设计思路72.2 方案选择82.2.1 恒压源与恒流源模块的设计方案选择82.2.2 分流方案选择82.2.3 过流保护方案选择92.2.4 辅助电源电路方案的选择103 硬件电路设计113.1 恒压源与恒流源模块的设计113.1.1 恒流源模块113.1.2 恒压源模块133.2 单片机系统控制模块的设计143.3 显示模块的设计143.4 辅助电源模块的设计154 系统软件设计174.1 Keil C51集成开发环境的介绍174.1.1 Keil C51集成开发平台的介绍174.1.2 并口下载软件的使用174.2 程序流程图185 系统测试205.1 测试仪器205.2 测试结果20附录A 开关电源并联供电系统原理图21附录B 开关电源并联供电系统相关程序24参考文献34致谢35第II 页 共 II 页1 绪论1.1 选题的目的及意义随着电力电子技术的迅速发展，电源技术被广泛应用于工业仪器仪表、计算机、航天、军事等各个领域，同时也渗透进了国民经济的各行各业，影响到了我们生活中的各个角落1。同时，各种电子装置对于电源的功率的要求日益提高，对电流的要求也逐渐增大，因此，开关电源不断地向着更大的功率方向发展。如何研制出各式各样的大功率、高性能的开关电源成为了当今的发展趋势。但是受到了构成电源模块的磁性材料以及半导体器件等各种各样的自身性能的影响，单个开关电源模块的最大输出功率往往只有不过几千瓦，根本无法满足实际应用中所需的几百千瓦以上的开关电源功率要求2。所以，大功率的电源系统要求使用若干台并联运行的开关电源，以满足其所需的负载功率的需求。同时，考虑到分布式电源系统在实际应用中相比于集中式电源系统所具有的诸多优点，我们选择并采取了分布式电源系统供电。因为采取分布式的电源系统供电方法，每个变换器仅仅需要处理较小的功率，就能够达到降低应力的效果。与此同时，我们还可以使用冗余技术，以此来提高系统整体结构的稳定性，并且这项技术使用的场合不会受到限制，可以根据需要来组合，既方便又灵活，其容量可以自由地扩展。与此同时，我们可以将模块的开关频率提高到兆赫级，以此来提高模块的功率密度，并且使电源系统的重量与体积降低。在当今大功率电源负载需求日益增加的大背景下，由于分布式电源系统的不断发展，开关电源并联技术也在电源技术中占据了越来越重要的地位。并且，在当今这个迅速发展的社会中，我们更加提倡新能源的发展，因为新能源具有洁净无污染、数量巨大并且取之不竭等各方面的优势3。风力发电、太阳能发电等就是新能源利用的典型例子。光伏产业在这样的大背景下发展十分迅速，以太阳能为例子，由于当今技术上的限制，我们使用太阳能时候的转化效率依然十分低下，因此，每个电池板得到的能量都十分微小。理所当然的，单个太阳能电池板电源并不能满足人们日常生活中的各种用电需求。因此，开关电源并联供电系统的技术不但可以使其能够提供我们所需的电流，并且还能形成一种N+m的冗余结构，在满足我们用电需求的同时，帮助提高了整个开关电源并联供电系统的稳定性，可谓是一举两得。但是，在电源模块并联运行的同时，因为各个电源模块参数具有一定的分散性，它们输出的电流也无法做到完全一致，这会导致一些模块的负荷过轻，而另外一些模块的负荷变得过重。这些问题会导致系统稳定性的降低，在我们日常的生产生活中出现一些无法预料的严重后果。即使不出现重大的问题，电源模块其本身的寿命也会因此而大大地减短4。在国外，有资料表明，在工作的环境温度超过50摄氏度的情况下，电子元器件的寿命是其在常温（25摄氏度）时的六分之一左右。因此我们能够了解到，如何能够做到平均地分配各个并联在一起的电源模块的输出电流，是目前想要提高电源并联供电系统的稳定性的一个亟待解决的难题。此次开关电源并联供电系统的设计涉及到了单片机原理及应用、电子测量技术以及模拟/数字信号处理等多门学科以及技术知识的综合应用。通过此次开关电源并联供电系统的设计，我相信我能够提高自己对各门专业学科知识的掌握以及运用的能力，使之前学到的知识并不仅限于理论知识，更涉及到了实践与创新。与此同时，通过实物的制作，我相信自己的动手能力必会有所提高，同时也增加了自己对于设计的系统性、科学性以及全面性的理解。同时，此次开关电源并联供电系统的设计不仅涉及到了硬件电路的设计，更是使用到了软件编程，我相信我能够通过此次开关电源并联供电系统的设计进一步了解到程序编写方面的知识。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内外现状简介目前，在我国的通信、家电、信息以及国防等各个领域的电源使用中普遍采用的高频开关电源技术、相控电源技术逐渐在被淘汰5。在我国，开关电源技术基本起源于二十世纪七十年代末和八十年代初，经过了二十多年不断的发展，我国的开关电源技术相较于以前有了长足的进步与重大的突破。在新型变压器和新型磁性材料的成功开发，专用集成控制芯片的成功研制以及EMI滤波器技术和新型电容器的进步中，开关电源完成了小型化的目标，并且其EMC性能得到了极大的提高。与此同时，微处理器监控技术的应用不仅提高了开关电源的整体的可靠性，同时也能达到市场对于其智能化的严格要求。总而言之，若回顾一下开关电源技术一直以来的发展过程，我们可以清楚地看到，小型化、智能化、集成化、高效率以及高可靠性是当今开关电源技术的发展潮流，同时也是今后所要研究的一个重要的方向。顺着这几年光伏产业以及电子产品的迅猛发展潮流，开关电源并联供电系统也普遍被应用到各个有电需求的领域。逆变焊机、电动自行车、电镀金以及一些需求大功率电源的供电场合都应用到了这项技术6。同时，单片机的应用以及创新也是未来的一个重要发展方向，在此次开关电源并联供电系统的设计中，我们使用单片机进行控制，相较于其他相似的设计，这将会有许多的优点。同时，对于一项电子产品而言，我们往往十分在意它在系统稳定性方面的系数，而电源技术对此的要求更为突出。在开关电源并联供电系统中，想要提高其稳定性，那就必须要解决各个并联的模块的输出电流平均分配的问题，这也是一直以来国内外对于开关电源并联供电系统研究的一项重要项目。目前，在国内外都比较流行的是几种并联均流方案，例如下垂法、自动均流法、最大电流法、主从电源法以及外部控制器法等等。其中，主从均流法是目前在国家级别上使用的较多的并联均流方案，而同时，美国的Unitrode公司则开发出了以最大均流法为基础的UC3907芯片。UC3907芯片由于拥有着结构简单、功能强大等十分突出的优点，得到了各个领域在芯片选择上的广泛使用。在当今单片机技术以及DSP技术迅速发展的大背景下，使用它们来控制并联的电源模块的均流能够取得比较出色的效果。但是，由于其具有成本偏高，并且自身的A/D以及D/A精度不够等比较重大的缺陷，UC3907芯片还没有得到广泛的普及。我们此次开关电源并联供电系统的设计将通过主从均流法配合单片机来完成。1.2.2 改进的常用均流控制法在理论分析上，在并联的Boost变换器均流控制系统中运用改进的自动均流法，可以在低频域里面将Boost变换器的外部环路系统由二阶系统改变为一阶系统。这能够在确保其动态响应得到良好保证的前提下，简化Boost变换器的控制回路。能够分析并给出平均电流模式下的自动均流控制系统的方法，给出其控制回路的设计原则，并且在理论上能够不限模块数量地使用该控制方法来进行多个模块的并联。并使外部环路由二阶系统降为一阶系统来更有效地提高动态的均流效果，并且更加具有实用性。而另外一种则是通过与模块中的故障检测端结合得到的自动均流电路。这种平均电流均流法是通过实时监测的电源状态来控制继电器的开关。若在整个系统中的任意一个电源模块出现故障，无法继续正常工作时，这种自动均流法会降低母线的电压，而该种改进的方法能够得以有效的解决。1.2.3 新型的均流控制法从简化系统的结构，扩展系统并改善其性能，提高系统的精度，提高系统的可靠性以及减少系统的成本等几方面出发，提出了无主从模块，无主模块，无运放，无模数转换器，无传感器等多种通过简化系统来进行的均流控制方案7。（1） 交互的变换器并联跟随均流控制方法该方法能够在实现无主从模块的控制策略的同时实现N+1冗余，并且因为各变换器之间的信息交换为数字信息，具有抗干扰，高可靠性以及成本较低的优点。（2） 无主模块的多项DC-DC变换器均流方法该方法能够通过控制基于数字总线通讯的DC-DC变换器并联系统来扩展简化系统结构，提高可靠性和降低成本。同时，任意数量相位都具有可测性。（3） 无传感器的数字均流方法 在现今的均流技术中，大多是依靠传感器的检测来比较各相的电流大小，要使用这种方法就会十分依赖传感器的精确程度，然而我们并无法很好地掌握传感器的精度，因为传感器的精度是受到其老化程度和寄生参数等各种因素的影响。因此，我们往往需要增加更多的电路来减少或者消除传感器误差的影响。虽然传感器的精度问题并不是无法解决，但是往往因此，系统的优化会变差，并且电源转换效率也会减少。结合以上的多方面考虑，人们研究出了一种无传感器的均流方法，这种方法很好地规避了传感器的精度带给整个系统的负面影响，同时因为其不需要离线和在线的校正，转换电路的效率将会提高许多。（4） 无均流线的均流控制方法 该方法是将每个电源模块直接进行并联，使每个电源模块的控制电路独立出来，不通过连接线来连接，同时叠加高频交流信号在输出端上来传递输出电流的信息来达到均流的目的。使用该方法来进行开关电源并联供电系统的均流能够很好地提高开关电源并联供电系统的可靠性。（5） 对数多相变换器的均流控制方法 该方法是通过改善不均衡的变换器效率来实现均流。将变换器中的各相都变成以二为权重的恒流源，可以通过二的对数方式来排列。在不同的系统组成和不同的频率下，针对给定电流选择各相的开关状态来获得最有效的工作点来提高动态响应的速度和减少系统的规模。因为使用此方法进行电流测量时可以不通过模数变换器，因此很适合低功率高频率的变换器，提高了系统的效率，并且具有很好的动态特性。（6） 无运放的均流控制方法 该方法是通过低通滤波器加上比较器来产生电流的误差信号而不是通过运放来产生，这会使电路的工作状态变得十分可靠。电流均分母线上的电压决定了每个电源模块的输出电流，因为各个并联模块之间的均流电路是依靠电流均分母线连接的。1.3 分布式电源系统的发展 早在二十世纪的七十年代，分布式电源系统的概念就已经被学者提出，它原本是为计算机系统以及通信系统提供电源的。在分布式电源系统得以应用之前，若想要提高计算机系统以及通信系统工作的可靠性，人们通常是使用对电源设备进行备份的方法。这样就会导致成本的攀升，往往人们无法做到同时考虑经济性与可靠性。相比于集中式供电系统，使用电源技术使一个个较小的电源模块组合成功率较大的电源系统不但能够降低成本，更能提高其整体系统的可靠性，因此此项分布式电源系统在供电系统中得到了迅速的广泛应用8。随着分布式电源系统变得越来越成熟，人们开始使用更多的电源模块来并联成一个完整的供电电源系统。如图1.1所示为了提高系统的稳定性，常用的方法是降低每个电源模块的容量。并且由小功率的电源模块并联而成的大功率电源系统具有灵活且较易制作具有冗余模式的开关电源系统的优点。模块1模块2输入 输出模块n图1.1 分布式电源并联结构图同时，因为若可以通过开关电源模块来组成大功率的开关电源并联供电系统，并且对组成的开关电源模块进行标准化，那么在实际的生产中，使用同一标准生产能够减少电源种类，并降低生产、设计的成本和周期。所以若想要得到同时具有可靠性高和容量大的优点的电源系统，我们完全可以通过生产标准化的电源模块，并将它们并联组合来实现。若有需要，在后期容量的扩展和维修的过程中，分布式电源系统也具有十分重要的意义，因此它的普及并非偶然9。1.4 设计任务设计并制作一个由两个额定输出功率均为16W的8VDC/DC模块组成的开关并联供电系统，并需要达到以下要求：（1）调整负载的电阻，使其达到额定输出功率的工作状态，保证从供电系统输出的直流输出电压UO=8.00.4V。（2）当负载电阻处于额定输出功率的工作状态下，需要保证供电系统工作时的效率不能够低于60% 。（3）调整处于工作状态下的负载电阻，保持系统的输出电压为UO=8.00.4V，同时使两个电源模块的输出电流之和为IO =1.0A，并且按照I1:I2=1:1的模式来自动分配电流，需要保证每个模块的输出电流的相对误差的绝对值小于或者等于5%。（4）调整处于工作状态下的负载电阻，保持系统的输出电压为UO=8.00.4V，同时使两个电源模块的输出电流之和为IO =1.5A，并且按照I1:I2=1:2的模式来自动分配电流，需要保证每个模块输出电流的相对误差的绝对值小于或者等于5%。（5）在该系统设计中，应增加适当的人机交互界面，令使用者能够在使用中实时地切换各种模式以及能够观察每路的电源信息。2 整体方案的设计2.1 设计思路设计任务的要求是制作一个开关并联系统，并且该系统是由两个额定输出均为16W的8VDC/DC模块组成的，其中，要求两个模块的电流能够自行根据负载的改变而进行自动分配。LM2596模块是一个集成的开关电压调节器，它的外部电路十分简单，合理地设计简单的外部电路就能够得到输出额定功率为16W，电压为8V的DC/DC模块。但是因为我们要实现输出电流的自动分配，因此，简单的并联使不能够使整个开关电源供电系统可靠稳定地运行的，我们必须对电流和电压进行检测，并使用均流的方法对两个模块的电流进行实时的控制。我在此次开关电源并联供电系统的设计中，准备将整个系统分为以下五个模块：恒压源模块、恒流源模块、单片机系统控制模块、显示模块和辅助电源模块。恒流源模块恒压源模块整个系统采用的是STC12C5A60S2作为主控器，同时采用开关电源LM2596芯片来对输入电压进行降压控制。系统框图如图2.1所示。负载+24V直流输入辅助电源电压采集电流采集PWM波反馈 STC12C5A60S2单片机控制模块LCD1602显示按键扫描 图2.1 系统框图2.2 方案选择2.2.1 恒压源与恒流源模块的设计方案选择根据设计任务的要求，恒压源与恒流源模块必须采用DC/DC降压变换电路，即Buck电路，来实现8V的直流稳压输出。Buck电路经筛选，可以从以下几个方案中选出。方案一：采用TI公司生产的PWM控制芯片TL494来驱动P沟道的MOS管IRF9630。TL494的内部集成两个误差放大器，通过反馈来调节PWM信号的占空比，使用TL494能够对输出电压进行精确的控制。方案二：采用PWM来控制的高频开关变压器来实现。如图2.2所示，Tr导通时，变压积能量，Tr截止时输出能量。反激式的优点是结构相对简单，外围的元件较少。输出电压公式如下：（2-1）由于其是由一个PWM控制器同时来控制两路，电容因为两路开关管在高频下始终保持导通和关断而始终保持充电和放电，因此，在并联的时候，两路的电流能够始终保持相等。但是缺点也很明显，变压器存在漏感，有可能击穿开关器件，同时其电源的效率低，负载调整率差，能量由变压器T储存，体积相对较大10。图2.2 反激式DC/DC电路方案三：采用LM2596来实现。LM2596具有非常好的负载调节特性和线性，并且能够输出3A的驱动电流。其最大的优势在于需外接的元件少，使用起来非常方便。从以上三种方案中，我选择了方案三，因为LM2596作为恒压源和恒流源模块的主要器件，具有非常可靠和稳定的性能，并且能够通过改变外部电阻来较容易地控制。2.2.2 分流方案选择当下使用的均流法有很多种，常用的有最大电流法、外部控制器法、外特性下垂法等等，我从各种分流方案中大致筛选出了以下四种方案供此次开关电源并联供电系统的设计。方案一：主从均流法。主从均流法是通过在并联供电系统中，将其中一个模块指定为主模块，直接连接到均流的母线上，剩下的模块为从模块的方式来实现的11。主模块工作于电压源，从母线上获取均流的信号，从模块的误差电压放大器接成跟随器，工作于电流源。因为系统能够统一通过误差电压调整，因此不管负载如何变化，各模块电流总是相等。这种均流方法具有控制简单，精度高，连线少等多个优点，但是缺点也十分明显，我们必须保证主模块正常运行，否则整个系统都会故障。方案二：采用两片TL494分别为两路电源提供PWM，当两路进行并联使用其中的一片TL494的内部误差放大器进行电压调节，使其输出电压稳定在8V。使用INA133来进行两路电源电流的采样，将采样电压分别送入TL494的其中一个内部误差放大器的正负输入端，同时进行电压电流的负反馈来进行稳压均流。但是使用此方案时，由于TL494内部的误差放大器放大倍数不高，因此并不能确保其精度。方案三：最大电流法。本方案使用负载共享器UCC29002来实现。当恒压源模块与恒流源模块正常工作时，连接两路UCC29002的均流母线，UCC29002会自动选出电流大的一路作为主电源，并且通过减小从电源与主电源之间的电压差来提高改路的输出，以此达到均流的目的。该方案可以通过简单的电路完成并联均流。方案四：采用STC单片机来实现分流，利用算法来分配电流，此方案硬件电路设计较为简单，全由单片机来控制。因为主从均流法的结构较为简单，精度相对较高，速度也比较快，控制结构简单，因此我最终选择了方案一。2.2.3 过流保护方案选择方案一：采用软件来完成过流保护。检测到的电流值超过4.5A时，使用单片机来控制继电器断开，设定一段延时之后再控制继电器吸合。方案二：采用硬件来完成过流保护。当检测到的电流值超过4.5A时，通过比较器输出高电平来使继电器断开，当检测到的电流值低于4.5A时，继电器可以吸合来恢复电路的工作。但是因为我们需要避免继电器过于频繁的切换，因此必须设定一定的延时时间，这就使硬件电路复杂化了。我们选择方案一，因为延时时间若由软件来设定会十分简单，我们可以通过算法来设定我们想要的延时时间，这增加了过流保护控制的灵活性。2.2.4 辅助电源电路方案的选择方案一：通过LM2596来实现。我们将用LM2596输出+5V的固定电压来作为辅助电源来为整个系统中的芯片供电。LM2596的降压电路所需要连接的外围器件比较少，并且不需要独立的开关管驱动电路和变压器，具有调试方便与结构较为简单的优点。方案二：采用反激电路来实现。一路反激电路能够同时输出+12V和+5V，但是反激电路需要变压器，效率相对较低，且结构较为复杂。因为LM2596具有很好的负载调节特性和线性，因此输出电压的误差相对比较小，外围电路十分简单，且已经拥有了自我保护的功能。因此我选择方案一，通过LM2596来设计辅助电源。3 硬件电路设计3.1 恒压源与恒流源模块的设计3.1.1 恒流源模块INA282系列包括了INA282，INA283，INA284，INA285和INA286等器件。它们的作用是电压输出电流的并联监控器，不论电压电源是多少，共模电压上的-14V到+80V的压降都能被这种监控器能够感测到。电流感测因为零漂移架构的低漂移而在整个分流器上的最大压降低到10mV的满量程。这个电流分流监控器需要由+2.7V到+18V电源供电来运行，使用900A的电源电流。它在-40摄氏度至+125摄氏度的扩展的额定温度下运行，并且采用小外形尺寸的集成电路（SOIC）-8封装。在本次开关电源并联供电系统的设计中，我们使用INA282作为放大器来进行50倍的电压放大。因为在本次开关电源并联供电系统的设计中，我们使用的分流方法为主从均流法，因此我们需要将一个电源模块作为恒流源，并将另一个电源模块作为恒压源13。恒流源模块必须作限压保护，否则输出电压会突破恒压源电压，无法实现8V的恒压。并且在设计中有一点需要注意，恒流源的限压必须要略高于恒压源电压。所以该电路就需要有一个电流环路来控制电流的大小，同时我们需要一个电压限制，使电压不能超过8.5V。如图3.1恒流源模块原理图所示，首先我们需要对主路的电流进行采样，然后通过串联一个采样电阻来采集电压差，即U=I*R，但是采集的电压会过小，因此，我在这里使用了INA282来将电压进行50倍的放大，这时候输出电压为：（3-1）U=50*I*R将电压送给单片机，通过算法计算来显示输出电流。同时，将该输出电压送给比较器LM358正极同相端。LM358的作用是通过电路的反馈，使3脚的电压与2脚的电压趋近相同，以此来实现控制电流的大小。其中：（3-2）U2=U3=50*I*R即（3-3）I=U250R图3.1 恒流源模块原理图3.1.2 恒压源模块如图3.2恒压源模块原理图所示，恒压源模块与恒流源模块的电路PCB是几乎相同的，区别就在于恒压源模块中少了比较器LM358。图3.2 恒压源模块原理图3.2 单片机系统控制模块的设计单片机的系统控制模块如图3.3单片机模块原理图所示，在本次开关电源并联供电系统的设计中，我们采用了STC12C5A60S2作为单片机系统控制模块的核心。STC12C5A60S2具有单片机最小系统简单，算数功能强，容易制作PCB，软件编程比较灵活等优点，因为它可以通过串口的方式将程序快速地下载到芯片中，所以其程序更新相对方便，自由度大，可以比较好地发挥C语言的灵活性，来实现在系统中的各种算法和逻辑的控制14。并且因为STC12C5A60S2系列的单片机工作电压为2.0V3.8V，正常的工作电流小于2.7mA，空闲模式的电流小于1.3mA，掉电模式电流为0.1A，因此使用它作为单片机系统控制模块的核心能够使整个系统功耗较低、体积变小、成本较低。并且因为其技术已经比较成熟，所以在使用中可供参考与查询的资料非常多，这也是使用STC12C5A60S2单片机的优点之一。图3.3 单片机模块原理图3.3 显示模块的设计如图3.4显示模块原理图所示，在本次设计中，我采用的是LCD1602液晶显示器来显示检测到的电压值以及检测到的电流值还有两个模块的输出电流比。通过LCD1602，我们可以清楚地看到两路的电流值、输出电压值以及我们所调整的两个模块的输出电流比。图3.4 显示模块原理图3.4 辅助电源模块的设计在辅助电源模块中，我使用的是LM7812芯片，它是指三端稳压集成电路IC芯片元器件，它适用于各种电源的稳压电路，具有输出稳定性好、输出过流、使用方便、过热自动保护的优点。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有负电压输出的lm79系列和正电压输出的lm78系列。由其名字可以看出，三端IC指的就是这种用来稳压的集成电路，它一共只有三条引脚输出，分别是接地端、输入端和输出端。它的样子与普通的三极管非常相似，一般为TO- 220的标准封装，不过也有类似lm9013样子的TO-92封装。不过LM7812有其很大的缺点，例如体积较大，不易装配，电流不能过高，否则会引起元件过热等问题。但是因为在此次设计中，辅助电源的设计中使用LM7812并不会引起这一系列的问题，并且它的输出稳定性好、使用方便等特性已经足够满足我们的要求，所以我使用LM7812来进行辅助电源的设计。图3.5 辅助电源模块原理图4 系统软件设计4.1 Keil C51集成开发环境的介绍4.1.1 Keil C51集成开发平台的介绍Keil C51是美国Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统15。C语言与汇编相比，在功能上、可读性、结构性、可维护性上等各个方面都具有明显的优势，所以相对比较容易学习和使用。Keil同时提供了包含连接器、C编译器、库管理、宏的汇编和一个功能非常强大的仿真调试器等各种模块在内的一套完整的开发方案，并且通过一个集成开发环境，即uVision，把这些部分都组合在一起。当我们使用一个单片机应用系统时，如果已经将其硬件电路设计完成，剩下的就是软件的编写以及仿真调试等工作。我们先简单介绍一下Keil C51集成开发环境软件和并口下载软件STC-ISP的使用。使用Keil C51集成开发环境进行软件开发的步骤为：1. 建立一个新的工程项目，选择你所用的芯片，确定选项。2. 根据你所使用的语言，建立C源文件或者汇编源文件。3. 用项目管理器生成各种需要使用的应用文件。4. 检查源文件中是否存在错误，如果有，进行修改。5. 编译连接通过之后进行软件的模拟仿真或者硬件的在线仿真。6. 进行编程操作。7. 应用到系统中去。4.1.2 并口下载软件的使用我们如果使用Keil C51软件编译完成之后，结果会显示在输出窗口中，其中会出现通过或者错误的提示，如果通过了之后，将会生成“HEX”格式的目标文件，我们将用这个文件进行仿真和烧录。当我们已经生成HEX软件之后，就需要将得到的HEX文件写入单片机中，使单片机能够按算法来运行。要将HEX文件写入单片机中，我们常用的方法有两种，一种是采用通用编程器将HEX文件烧写到目标芯片中去，然后将芯片插到板子上，而另外一种是通过PC机来实现，我们通过PC机的并口、串口或者USB接口，使用下载器向目标板子上的芯片直接下载HEX软件。我在此次设计中使用的就是并口下载软件中的其中一款叫做STC-ISP的下载软件，因为我使用的是STC12C5A60S2单片机作为系统的控制核心，使用这个软件来进行烧录非常方便。如图4.1为STC-ISP操作界面。图4.1 STC-ISP操作界面4.2 程序流程图在此次设计中，我使用的是C语言来进行程序编写，在此程序中，我需要做到以下几点：1 进行ADC采集。2 在LCD1602上分别显示恒压源模块与恒流源模块的电流、电流比以及总电压。3 可以选择电流比例，并按比例对电流进行调节。4 实现过流保护功能。程序流程图如图4.2程序流程图所示，单片机在通电之后控制AD来不断地采样负载电流，如果负载电流超过了4.5A，单片机将自动进行过流保护，经过一段时间延迟之后，恢复并重新启用电路，如果检测到电流并没有超过4.5A，单片机将按照扫描按键的比例来对采集的电流进行处理，然后显示结果到LCD1602液晶屏上。开始YN继续循环？N按键扫描计算比例Y电流4.5？显示执行ADC采集打开中断初始化结束图4.2 程序流程图5 系统测试5.1测试仪器在本次系统测试过程中，我们使用的仪器如表5.1所示。仪器名称型号直流稳压电源WYK-323B2万用表NJTY T-33五位半台式数字万用表VICTOR VC9806+和VICTOR VC890D表5.1 系统测试仪器5.2测试结果1，调整负载电阻至额定输出功率工作状态，即I0=4A的时候，测得供电系统的直流输出电压为U0=8.03V，满足设计任务的要求。2， 额定输出功率工作状态下，经过测试得到输入电压UIN=24V、输入电流IIN=2.10A、输出电压U0=8.0V，输出电流为I0=3.98A，则根据公式（5-1）得到供电系统的效率为63%，满足设计任务的要求。（5-1）供电效率=Uo*Io/UIN*IIN3、4两个设计任