直流稳压电源的设计毕业设计论文.doc

河南机电高等专科学校

课程设计报告

课程名称： 《电力电子应用技术》
题 目： 直流稳压电源的设计
专业班级：
姓 名：
学 号：
成 绩：

2014年 06 月 22 日
目录
摘要 1
一 设计目的 2
二、实验所需挂件及附件 2
三、 原理说明 3
3.1线路原理图 3
3.2半桥型开关稳压电源总体设计方案及主电路的结构框图 4
3.3逆变电路 5
3.4控制与驱动电路 6
3.5 元器件型号选择 7
3.5.1.输入整流二极管的选择 7
3.5.2.变压器的设计 7
3.5.3.输出滤波电感的设计 9
3.5.4.输出滤波电容的设计 10
3.5.5.功率管的选择 10
3.5.6.变压器二次侧整流二极管的设计 11
四、实验内容及试验方法 11
4.1控制与驱动电路的测试 11
4.2主电路开环特性的测试 11
4.3闭环特性测试 12
五、实验报告 12
5.1整理实验记录的波形 12
5.2分析开环与闭环时电源电压变化对直流电源输出电压的影响 16
5.3注意事项 16
六、课程设计总结 17

参考文献

简易直流稳压电源
摘要
本次设计主要是为实验室电子设备提供24V稳压范围宽、大功率直流电源，以取代低效率的线性稳压电源。 电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。它的效率可达85％以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。并对开关电源提出了小型轻量要求，此外要求开关电源效率要更高、性能更好、可靠性更高等。当前，各国正在努力开新器件、新材料以及改进装连方法，进一步提高效率，缩小体积，降低价格，以解决开关电源面临的课题。随着电力电子技术的不断创新，开关电源产业会有更广阔的发展前景本文介绍了一种采用半桥电路的开关电源，其输入电压为单相170 ~ 260V，输出电压为直流24V恒定，最大功率250W。从主电路的原理与主电路图的设计、控制电路器件的选取、保护电路方案的确定等方面的研究。
关键词：半桥变换器；功率MOS管；脉宽调制；稳压电源

1

河南机电高等专科学校课程设计报告
一 设计目的
1.熟悉典型开关电源主电路的结构，元器件和工作原理。
2.了解PWM控制与驱动电路的原理和常用的集成电路。
3.了解反馈控制对电源稳压性能的影响。
4.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。包括：根据设计任务和指标初选电路；调查研究和设计计算确定电路方案；选择元件、安装电路、调试改进；分析实验结果、写出设计总结报告。
5.学会直流稳压电源的设计方法和性能指标测试方法。
6.培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
7.学会选择变压器整流二极管、滤波电容及集成稳压器来设计直流稳压源。
二、实验所需挂件及附件
序号
型 号
备 注
1
DJK01 电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2
DJK09 单相调压与可调负载

3
DKJ19 半桥型开关稳压电源

4
双踪示波器
自备
5
万用表
自备

三、 原理说明
3.1线路原理图
半桥式开关电源主电路如图3-1所示。图中开关管S1, S2选用MO SFET, 因为它是电压驱动全控型器件,具有驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快及安全工作区大等优点。半桥式逆变电路一个桥臂由开关管S1,S2组成, 另一个桥臂由电容C1, C2组成。高频变压器初级一端接在C1, C2的中点, 另一端接在S1, S2的公共连接端，C1, C2中点的电压等于整流后直流电压的一半, 在半桥式逆变电路中，变压器一次侧的两端分别连接在电容C1,C2的中点和 开关S1, S2中点。电容C1,C2的中点电压为Ui 2 。S1与S2交替导通，使变压 器一次侧形成幅值为Ui 2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧 整流电压Ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。逆变电路采用的电力电子器件为美国IR公司生产的全控型电力MOSFET管，其型号为IRFP450,主要参数为：额定电流16A,额定耐压500V，通态电阻0.4Ω。两只MOSFET管与 两只电容C1、C2组成一个逆变桥，在两路PWM信号的控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调的交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为26KHz、占空比可调的矩形脉冲电压。然后通过降压、整流、滤波后获得可调的直流电源电压输出。该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控制PWM输出信号的占空比，以维持电源的输出直流电压在一定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。
半桥型开关直流稳压电源的电路结构原理和各元器件均已画在PE-18挂箱的面板上，并有相应的输入与输出接口和必要的测试点。
.

图3-1线路原理图

3.2半桥型开关稳压电源总体设计方案及主电路的结构框图
开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电供负载使用。整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，该电路结构简单、工作可靠、成本低，效率也比较高。
首先，电源流入输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成 分的直流电，然后通过输入滤波电容将脉动直流电变为较平滑的直流电。其次， 功率开关桥由控制电路提供触发脉冲把滤波得到的直流电变换为高频 的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需的直流电压或电流。主电路采用先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、在整流滤波的方法，该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控 制 PWM 输出信号的占空比， 以维持电源的输出直流电压在一定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。其设计方案如图2.1所示。
主电路的结构框图如3-2所示

图3-2 线路结构框图
3.3逆变电路
逆变电路采用的电力电子器件为美国IR公司生产的全控型电力MOSFET管，其型号为IRFP450,主要参数为：额定电流16A,额定耐压500V，通态电阻0.4Ω。两只MOSFET管与两只电容C1、C2组成一个逆变桥，在两路PWM信号的控制下实现了逆变，将直流电压变换为脉宽可调的交流电压，并在桥臂两端输出开关频率约为26KHz、占空比可调的矩形脉冲电压。然后通过变压器降压、整流、滤波后获得可调的直流电源电压输出。该电源在开环时，它的负载特性较差，只有加入反馈，构成闭环控制后，当外加电源电压或负载变化时，均能自动控制PWM输出信号的占空比，以维持电源的输出直流电压在一定的范围内保持不变，达到了稳压的效果。
3.4控制与驱动电路
控制与驱动电路：控制电路以SG3525为核心构成，SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路，其内部电路结构及各引脚功能如图6-8所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。

图3-3 SG3525芯片的内部结构与所需的外部元件

3.5 元器件型号选择
半桥式变压器开关电源的两个控制开关K1、K2的占空比必须要小于0.5；故选取占空比为0. 5进行参数计算。
3.5.1.输入整流二极管的选择
设输入交流电压为：
则经过桥式整流后的平均电压为：

二极管两端承受的最大反相电压为：

所以根据实际情况即可选择整流二极管：IN4007
3.5.2.变压器的设计
1) 设定开关频率
开关频率对电源的体积、重量等影响很大。开关频率越高, 变压器磁芯就会选得更小, 输出滤波电感和电容体积也会减小, 但开关损耗增加, 效率下降, 散热器体积加大。综合考虑两方面, 设定其工作频率为。
2) 选磁芯
磁芯选用R2KB 软磁铁氧体材料, 其饱和磁感应强度B s = 4700 Gs, 考虑到高温时B s 会下降, 同时为防止合闸瞬间变压器饱和, 设定最大工作磁密
B m = B s/3=1500 Gs。对半桥变换器, 当脉冲波形近似为方波时, 可按式(1)来确定磁芯的大小。

（1）
式中: A p 为磁芯的面积乘积, ; A e 为磁芯的截面积,; A w 为磁芯的窗口面积, ; P o 为输出功率,W; 为变压器效率, 一般可取80%; f s 为变
换器工作频率,Hz; B m 为磁芯最大工作磁密, Gs; J 为导线的电流密体, 一般取2～ 3;取K c= 1 K u 为窗口的铜填充系数, 一般K u= 0.2～0.4。本设计选用PC40EI60-Z 型铁氧体磁芯, 由手册知其参数为: A e = 247, A w = 109 , 则A e ×A w = 26900,大于A p 的计算值。
3) 计算原边匝数
按最低输入电压和满载输出的极端情况来计算。已知最小输入交流电压为170V , 减去20V 的直流纹波电压和整流器的压降, 最小直流电压为=170×1.4- 20= 218 V。半桥式电路变压器原边绕组所加电压等于输入电压的一半, 即 = 109 V。
则原边绕组匝数
(2)

式中:U 1 为变压器原边电压,V。由(2) 式计算得N 1= 28.6 匝, 经实验实际取值为34匝。
4) 核算最大输入交流电压时的最大磁密B m
利用计算出来的变压器初级匝数, 核算变压器在最大输入交流电压
时的B m , 看磁芯是否饱和。由于= 260×1.4= 364 V。故半桥式电路变压器原边绕组所加电压 = 182 V , 由式(2) 变形可得

计算可知, 在输入交流电压最大时B m < B s/2, 所以, 原边绕组匝数N 1= 34 匝的选择是合适的。
5) 计算副边匝数
副边电路采用带有中间抽头的全波整流滤波电路,
副边匝数为

6) 计算原边最大工作电流
在最低交流输入电压为170V 时, 变压器原边通过的电流一定是最大可能的工作电流, 由经验公式可得,原边最大工作电流为

7) 选择导线
由于变压器的工作频率为50 kHz, 在此频率下铜导线的穿透深度= 0.2956 mm , 考虑到趋肤效应的影响, 一般所选的导线铜芯直径要小于2, 即导线直径要小于0.5914mm。另外, 考虑铜线的电流密度可取3～ 6, 由原、副边最大工作电流就可确定出各自所需导线的截面积, 进而选择合适的导线。这里原边采用铜芯直径为0.53mm 的漆包线进行2 股并绕, 副边采用16股线径为0.21 mm 的漆包线, 绞结成4 根并绕。
3.5.3.输出滤波电感的设计
ΔI为允许的电感电流最大纹波峰峰值，取最大输出电流的20%即2A。根据公式电感量为

选定电感铁心：I1=10+10*20%*0.5=11A

3.5.4.输出滤波电容的设计
根据标准，输出电压的峰峰值ΔVopp<200mV，考虑到功率开关管开关和输出整流二极管开关时造成的电压尖峰以及直流电压残留的100HZ纹波，可令输出电压的交流纹波为ΔVopp=50mV，ΔU=2V，根据公式

根据具体情况可以选择一个270μF/25V铝电解电容并联使用。
3.5.5.功率管的选择
考虑到功率器件的开关速度和驱动电路的简洁，本电源拟选用MOSFET作为功率开关管来构成半桥电路。
整流滤波后的最大电压值为368V，功率开关管的额定电压一般要求高于直流电压的两倍，则功率开关管的额定电压选为800V。
输出滤波电感电流的最大值为11A，那么变压器原边电流最大值为11A/6=1.8A，这也是功率开关管中流过的最大电流。考虑到2倍余量2*1.8A=3.6A。
根据实际情况选择IRFBE30，其参数为800V/4.1A。
3.5.6.变压器二次侧整流二极管的设计
（1）额定电压
变压器副边是双半波整流电路，加在整流二极管上的反相电压为

在整流管开关时，有一定的电压震荡，因此要考虑2倍余量，可以选用2*172V=344V的整流管。
四、实验内容及试验方法
4.1控制与驱动电路的测试
①开启PE-18控制电路电源开关；
②将SG3525的第一脚与第九脚短接（接通开关K），使系统处于开环状态，并将10 脚接地(将10脚与12脚相接)；
③SG3525各引出脚信号的观测：调节PWM脉宽调节电位器，用示波器观测各测试点信号的变化规律，然后调定在一个较典型的位置上，记录各测试点的波形参数（包括波形类型、幅度A、频率f和脉宽t）,并填入下表。
④用双踪示波器的两个探头同时观测11脚和14脚的输出波形，调节PWM脉宽调节电位器，观测两路输出的PWM信号，找出占空比随Ur的变化规律，并测量两路PWM信号之间的“死区”时间tdead= 。
⑤用双踪示波器观测加到两只MOSFET管栅源之间的波形，记录之，并与A、B两端的波形作比较；同时判断加到两MOSFET管栅源之间的控制信号极性（即变压器同名端的接法）是否正确。
⑦先断开10脚与12脚的连线, 然后用导线连接16脚与10脚，观测A、B两端的输出信号的变化，该有何结论？
4.2主电路开环特性的测试
①按面板上主电路的要求在逆变输出端装入220V/25W的白炽灯，在直流输出两端接入负载电阻，并将主电路的输入接至控制屏上的单相交流调压器的输出端。
②逐渐将输入电压Ui从0调到约50V左右，使白炽灯有一定的亮度。调节占空比，用示波器的一个探头分别观测两只MOSFET管的栅源电压和直流输出电压的波形。用双踪示波器的两个探头同时观测变压器副边输出及两个二极管两端的波形，改变脉宽，观察这些波形的变化规律。
③将输入交流电压Ui调到200V，用示波器的一个探头分别观测逆变桥的输出变压器副边和直流输出的波形，记录波形参数及输出电压U0中的纹波；
④在直流电压输出侧接入直流电压表和电流表。在Ui=200 V时,在一定的脉宽下,作电源的负载特性测试，即调节可变电阻负载R，测定直流电源输出端的伏安特性：Uo=f(I)；
令Ur= V (参考值为2.2 V)
⑤在一定的脉宽下，保持负载不变，使输入电压Ui在200V左右调节，测量直流输出电压Uo，测定电源电压变化对输出的影响。
⑥上述各实验步骤完毕后，将输入电压Ui调回零位。
4.3闭环特性测试
①准备工作：
A、断开控制与驱动电路中的开关K；
B、将主电路的反馈信号Uf接至控制电路的Uf端，使系统处于闭环控制状态。
②重复主电路开环特性测试的各实验步骤。
五、实验报告
5.1整理实验记录的波形

图5-1-1 11脚和14脚的输出波形

图5-1-2 0至50V直流波形

图5-1-3 146V直流输出波形

图5-1-4 复变波形

图5-1-5 加到两只MOSFET管栅源之间的波形
图5-1-6 变压器副边波形

图5-1-7 50V波形
5.2分析开环与闭环时电源电压变化对直流电源输出电压的影响
在稳压电源的功率范围内。电压与负载是没有关系的。比如说稳压电源是12V10A 那么负载在10A内变化是不会给电压造成什么影响的。如果超过10A的话就会使电源电源下降。直到电源过载保护。
5.3注意事项
双踪示波器有两个探头，可同时测量两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将示波器两个探头的地线接于此处，两个探头的信号端接两个被测信号。
六 课程设计总结
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行，始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。今天认真进行的课程设计，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
本文介绍了研制电力电子技术实验装置的半桥型开关电源电路部分的情况，介绍了半桥型开关电源电路的工作原理、装置的控制电路和驱动电路设计,给出了实验结果。 直流稳压电源是工农业设备、仪器仪表、实验室广泛应用的一种电源，研制高效率、稳定性好的稳压电源是人们一直追求的目标。近年来由于全控型、高频电力电子半导体器件和PWM 控制技术已发展到非常高水平, 从而实现开关稳压电源小型化、轻量化、高效率、高精度等优势, 并在很多方面取代传统的调整式直流稳压电源。高频开关稳压电源的变换电路形式有单端正激、单端反激、全桥和半桥等形式。
本文设计的半桥型开关稳压电源采用性能稳定的常用PWM 芯片SG3525来进行反馈调整, 电路具有开关管承受的耐压低, 开关器件少, 驱动电路简单等优点。变压器初级在整个周期中都流过电流, 磁芯利用得更充分，它克服了推挽式电路的缺点, 所使用的功率半导体器件耐压要求低、功率半导体器件饱和压降减少到最小、对输入滤波电容使用电压要求也较低。成全电路理论设计、绘制电路图。 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用仪器、仪表；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，掌握了可调直流稳压电源构造及原理。

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河南机电高等专科学校课程设计报告

参考文献
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3. MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究
4. 基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制
5. 基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究
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8. 基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现
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10. 基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究
11. 基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究
12. 基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发
13. 基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制
14. 基于单片机的自动找平控制系统研究
15. 基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发
16. 基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发
17. 模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现
18. 一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制
19. 基于双单片机冲床数控系统的研究
20. 基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制
21. 基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制
22. 基于单片机的软起动器的研究和设计
23. 基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究
24. 基于单片机的机电产品控制系统开发
25. 基于PIC单片机的智能手机充电器
26. 基于单片机的实时内核设计及其应用研究
27. 基于单片机的远程抄表系统的设计与研究
28. 基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制
29. 基于微型光谱仪的单片机系统
30. 单片机系统软件构件开发的技术研究
31. 基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制
32. 基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制
33. 基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用
34. 基于单片机的光纤光栅解调仪的研制
35. 气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制
36. 基于单片机的数字磁通门传感器
37. 基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究
38. 基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究
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40. 基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪
41. 基于单片机的电机运动控制系统设计
42. Pico专用单片机核的可测性设计研究
43. 基于MCS-51单片机的热量计
44. 基于双单片机的智能遥测微型气象站
45. MCS-51单片机构建机器人的实践研究
46. 基于单片机的轮轨力检测
47. 基于单片机的GPS定位仪的研究与实现
48. 基于单片机的电液伺服控制系统
49. 用于单片机系统的MMC卡文件系统研制
50. 基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究
51. 基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究
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53. 提升高职学生单片机应用能力的探究
54. 基于单片机控制的自动低频减载装置研究
55. 基于单片机控制的水下焊接电源的研究
56. 基于单片机的多通道数据采集系统
57. 基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制
58. 基于单片机的红外测油仪的研究
59. 96系列单片机仿真器研究与设计
60. 基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造
61. 基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现
62. 基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制
63. 基于单片机的气体测漏仪的研究
64. 基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器
65. 基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究
66. 基于单片机的膛壁温度报警系统设计
67. 基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计
68. 基于单片机船舶电力推进电机监测系统
69. 基于单片机网络的振动信号的采集系统
70. 基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究
71. 基于单片机的叠图机研究与教学方法实践
72. 基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现
73. 基于AT89S52单片机的通用数据采集系统
74. 基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究
75. 机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统
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77. 基于单片机系统的网络通信研究与应用
78. 基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究
79. 基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究
80. 基于双单片机冲床数控系统的研究与开发
81. 基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究
82. 基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究
83. 基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现
84. 变频调速液压电梯单片机控制器的研究
85. 基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现
86. 基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现
87. 单片机嵌入式以太网防盗报警系统
88. 基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现
89. 单片机监测系统在挤压机上的应用
90. MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用
91. 基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用
92. 单片机在高楼恒压供水系统中的应用
93. 基于ATmega16单片机的流量控制器的开发
94. 基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计
95. 基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计
96. 基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发
97. 锅炉的单片机控制系统
98. 基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计
99. 基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的研制
100. 一种RISC结构8位单片机的设计与实现
101. 基于单片机的公寓用电智能管理系统设计
102. 基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的设计与实现
103. 基于MSP430单片机的数字化超声电源的研制
104. 基于ADμC841单片机的防爆软起动综合控制器的研究
105. 基于单片机控制的井下低爆综合保护系统的设计
106. 基于单片机的空调器故障诊断系统的设计研究
107. 单片机实现的寻呼机编码器
108. 单片机实现的鲁棒MRACS及其在液压系统中的应用研究
109. 自适应控制的单片机实现方法及基上隅角瓦斯积聚处理中的应用研究
110. 基于单片机的锅炉智能控制器的设计与研究
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