基于STC系列单片机的串联型开关电源设计与实现.docx
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基于STC系列单片机的串联型开关电源设计与实现
单片机及模数综合系统设计
课题名称:
基于STC12系列单片机的串联型开关电源设计与实现
--单片机控制部分
一、实验目的:
本模拟电路课程设计要求制作开关电源的模拟电路部分,在掌握原理的基础上将其与单片机相结合,完成开关电源的设计。
本报告旨在详述开
关电源的原理分析、计算、仿真波形、相关控制方法以及程序展示。
二、总体设计思路
本设计由开关电源的主电路和控制电路两部分组成,主电路主要处理电能,控制电路主要处理电信号,采用负反馈构成一个自动控制系统。
开关电源采用PWM控制方式,通过给定量与反馈量的比较得到偏差,通过调节器控制PWM输出,从而控制开关电源的输出。
当键盘输入预置电压后,单片机通过PWM输出一个固定频率的脉冲信号,作用于串联开关电源的二极管和三极管,使三极管以一定的频率导通与断开,然后输出进行AD转化,转化后的结果再给单片机进行输出,进行数码管显示。
系统的基本框图及控制部分如下:
控制过程原理分析:
单片机所采用的芯片为STC12C5A60S2,该芯片在拥有8051内核的基础上加入了10为AD和PWM发生器。
通过程序,即可控制单片机产生一定占空比的PWM脉冲,将此脉冲输入到模拟电路部分,在模拟电路的输出端即可产生一定的输出电压,可比较容易的通过程序来实现对输出电压的控制。
但上述的开环控制是无法达到精确的调节电压,因此需要采用闭环控制来精确调制。
即,对输出电压进行AD采样,将其输入回单片机中进行数据处理。
单片机根据处理的结果来对输出电压做出修正,经过这样的逐步调节即可达到闭环的精密输出。
由此原理,可以将整个过程分成一下模块:
PWM波形输出模块,模拟电路模块,AD转换模块,数码管显示模块,键盘输入模块。
控制过程基本思路为:
首先从键盘输入一个电压值,并把该电压值在数码管上面显示出来,再由A/D转换模块对串联开关电源电路的输出端进行电压采集,将采集到的电压值与键盘输入的电压值进行比较,通过闭环算法,控制PWM的脉宽输出,由此控制串联开关电压电源电路,改变输出的电压值,使得输出值与设定的电压值相等。
3、系统各单元模块电路设计
1、键盘输入数据部分
分别接到单片机的P2.4,P2.5,P2.6,P2.7。
每路通过电阻进行上拉,可以编程实现控制单片机运行不同程序。
为了判断键盘上面的按键是否有按下的,可以事先对P2.4,P2.5,P2.6,P2.7端口赋值,便可以知道具体是哪个按键被按下了。
例如:
P2.4=0,便可知道P2.4对应的按键已经按下了。
键盘输入模块程序如下:
voidkey()//键盘扫描函数
{
if(P2_6==0)
{
delay(10);//延时去抖动
if(P2_6==0)
{
while(P2_6==0)
if(a<9)
{a++;}
elsea=0;}
}
if(P2_5==0)
{
delay(10);//延时去抖动
if(P2_5==0)
{
while(P2_5==0);
if(b<9)
{b++;}
else(b=0);}
if(P2_4==0)
{
delay(10);//延时去抖动
if(P2_4==0)
{
while(P2_4==0);
if(c<5)
{c++;}
elsec=0;}}
if(P2_7==0)
{
delay(10);
if(P2_7==0)
{
while(P2_7==0);
P1_5=!
P1_5;
}}}
2、数码管数据显示部分
知道了上面在键盘输入的数值后,便要在数码管上面显示出来。
该实验板的8位数码管是共阴极的数码管,使用端口为P0和P2.0-P2.4口,且为动态数码管,因此在同一时间,只有一个数码管是亮着,但由于人眼的视觉残留,使得看上去是全部一起亮着的。
8位分别有段选和位选,段选就是要一个数码管显示的字型,而位选则是由低电平选中所要那一个数码管,该数码管才能亮。
因此要使得数码管亮并显示数字,则必须在位选时该数码管的位选管脚出于低电平,然后再通过段选显示字型。
如下图所示的数码管:
数码管显示模块程序为:
voiddisplay(floatx)
{
uintM,N,I;
I=100*x/100;
N=(100*x-100*I)/10;
M=100*x-100*I-10*N;
P2_0=0;
P0=table[0];
delay(10);
P2_0=1;
P2_1=0;
P0=gao_table[I];
delay(10);
P2_1=1;
P2_2=0;
P0=table[N];
delay(10);
P2_2=1;
P2_3=0;
P0=table[M];
delay(10);
P2_3=1;}
3、控制PWM输出部分
STC12C5A60S2系列单片机集成了两路可编程计数器阵列(PCA)模块,可用于软件定时器,外部脉冲的捕捉,高速输出以及脉宽调制(PWM)输出。
在该实验中主要用到PWM脉宽调制输出,通过对特殊功能寄存器初始化,就可以在P1.3(选择模式0时)或P1.4(选择模式1时)端口输出可调占空比的高速脉冲。
PWM模块程序如下:
voidPWM_Drv_Init(void)
{
CCON=0;//初始化PCA控制寄存器
CL=0;//初始化PCA计数器
CH=0;
CMOD=0x08;
CR=1;}
voidPWM0_Drv_SetDuty(unsignedcharDutyValue)
{
CCAP0H=CCAP0L=DutyValue;//设置看空比
CCAPM0=0x42;
CR=1;}
PWM仿真图为:
4、AD转换模块(完成万用表功能,即测量开关电源输出电压)
STC12C5A60S2系列单片机自带有8路10位高速A/D转换器,在本实验中只用到其中的一路,故可以通过软件设计选择其中的一路用来测量电压。
在不需作为A/D转换的端口可以继续作为I/O口使用。
AD转换对特殊功能寄存器的初始化主要有ADC_CONTR和A/D转换结果寄存器ADC_RES(用来存放高八位)﹑ADC_RESL(用来存放低两位);在ADC_CONTR中包含有ADC电源控制位ADC_POWER,模数转换器转换速度控制位SPEED1﹑SPEED0,模数转换器转换结束标志位ADC_FLAG,模数转换器(ADC)转换启动控制位ADC_START,模拟输入通道选择CHS1/CHS2/CHS3。
由于是2套时钟,在设置ADC_CONTR控制寄存器的语句执行之后,要经过4个CPU时钟的延时,其值才能够保证被这只进ADC_CONTR控制寄存器,所以设置ADC_CONTR控制寄存器后,要加4个空操作延时才能正确读到ADC_CONTR寄存器的值。
ADC的结构如下图所示:
AD转化模块的程序为:
voidADC_Drv_Demo(void)
{
if(ADC_Finish_Flag==TRUE)
{
ADC_Finish_Flag=FALSE;
ADC_Drv_StartCh(ADC_channel);
m=ADC_Result[ADC_channel]*5.0/1024;
}}
5、闭环控制算法
这部分是整个实验中最重要的部分,该部分主要是通过A/D采集数据控制PWM输出,PWM控制开关电源输出,以达到稳定,即让开关电源输出电压稳定在键盘输入的电压值。
针对前面的要求,则需要用单片机来完成所有的控制与计算。
在该实验中,作为AD采集的端口为P1.7,PWM输出端口为P1.3,在采集完电压数据的时候把数据存放在ADC之中,而从键盘输入数值时,键盘上显示的是一个小数,但在单片机中存在中间变量temp的是一个整数,为小数的1000倍,因此在引用数码管显示的数值时要将temp除以1000才能得到实际的设置电压数值Vs;另一方面,采集回来的电压ADC要转换成实际的电压数值,则由下面的算法得出:
真实值Vr=ADV*5.0/1024.0
在得到这两个数值之后对他们进行比较,要是Vr
实际测得的电压与设置的电压对比表格如下:
Vs
<0.8
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
Vr
—
0.79
0.89
0.98
1.08
1.18
1.28
1.39
1.49
1.59
1.7
1.8
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
1.78
1.88
2.02
2.08
2.17
2.28
2.38
2.51
2.58
2.68
2.78
2.91
3.0
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
4.0
>4.0
2.98
3.12
3.19
3.28
3.39
3.48
3.59
3.68
3.79
3.96
3.98
—
通过上面的表格可以看出来,虽然实际测出来的电压Vr和设置的电压Vs有一定的误差,但是总体还是在设置的电压附近波动,所能输出地电压范围为0.8v~4.0v。
误差原因分析:
(1)单片机电源不够稳定,在接入电脑后给单片机提供的电压小于5V
(2)提供给AD转换的参考电压不够精确,使转化存在误差。
4、心得体会
通过这次实验让我知道理论需要联合实际,只有将自己所掌握的知识真正应用于实际才算真正的掌握了知识。
在刚开始做的时候我对于单片机的知识理论只是有一些模糊的印象,不能真正掌握单片机的知识,比如用AD采样需要用单片机的哪些管脚,还有数码管需要用哪些管脚控制,并且哪些管脚控制段选,哪些控制位选。
这些我都不太清楚,但通过请教才会用程序写出来。
虽然这次实验做出来了,但是我还是有些知识无法真正掌握,比如定时器中断或定时,所以这次实验我只能用delay延时来写。
通过这次实验我还注意到细节决定一个程序是否能成功运行,比如我在写程序是应用了if……else格式,可是因为在写的过程中括号没对齐,使程序没能成功运行,经过同学帮忙才成功运行。
还有的细节就是关于键盘的防抖动问题。
总体来说,我通过这次课程设计不单单学到了很多单片机和C51编程的的知识,更多的是学会了学习的方法,能够将所学到的知识用到实验上面,可以把知识记得更清楚。
这还更多地提高了在遇到实际问题时该怎样解决实际问题的能力。
更深入地学习C语言,又可以更多地提高自己的逻辑,思考能力,使思维结构更严谨。
希望在以后的学习之中可以更多地接触到这样的实验,那样就可以更好地提高自己的动手能力与对所学知识的运用能力
本实验C程序源代码:
/******************************************************************************/
/***文件名:
开关稳压电源.c*****************************************************/
/***功能:
设定电压初始值,使得输出电压值与数码管显示值相同*********************/
/***单片机型号:
STC12C5A60S2(带AD转换与PWM脉宽调制输出功能)**************/
/******************************************************************************/
/******************************************************************************/
#include"stc12c5a60s2.h"
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineTRUE1
#defineFALSE0
voiddelay(uintz);//延时函数声明
voiddisplay(floatm);//显示函数声明
voidkey();//键盘扫描函数
voidADC_Drv_InitCh(unsignedcharChNo);
voidADC_Drv_StartCh(unsignedcharChNo);
voidADC_Drv_Service(void);
voidADC_Drv_Demo(void);
voidPWM_Drv_Init(void);
voidPWM0_Drv_SetDuty(unsignedcharDutyValue);
ucharADC_channel=7;//选中哪一个通道的变量(范围0--7)
uintADC_Result[8]=0;//保存ADC转换结果
floatm,n;
ucharD;
ucharcodetable[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
ucharcodegao_table[]={0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12};
sbitP2_0=P2^0;
sbitP2_1=P2^1;
sbitP2_2=P2^2;
sbitP2_3=P2^3;
sbitP2_4=P2^4;
sbitP2_5=P2^5;
sbitP2_6=P2^6;
sbitP2_7=P2^7;
sbitPWM0=P1^3;//定义PWM0的输出端
sbitP1_5=P1^5;
bitADC_Finish_Flag=FALSE;//ADC完成标志
uinta,b,c;
voidmain()
{
a=0,b=0,c=0,D=100;
P1_5=0;
ADC_Drv_InitCh(7);
ADC_Drv_StartCh(7);
PWM_Drv_Init();
while
(1)
{
key();
n=c+0.1*b+0.01*a;
ADC_Drv_Service();
ADC_Drv_Demo();
PWM0_Drv_SetDuty(D);
if(m { if((m+0.05)>n); else { if(D<=0) D=0; else D--; } } if(m>n) { if((m-0.05) else { if(D>=255) D=255; else D++; } } if(P1_5) display(m); else display(n); } } voiddelay(uintz)//延时函数 { uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--); } voidkey()//键盘扫描函数 { if(P2_6==0) { delay(10);//延时去抖动 if(P2_6==0) { while(P2_6==0); if(a<9) {a++;} elsea=0; } } if(P2_5==0) { delay(10);//延时去抖动 if(P2_5==0) { while(P2_5==0); if(b<9) {b++;} else(b=0); } } if(P2_4==0) { delay(10);//延时去抖动 if(P2_4==0) { while(P2_4==0); if(c<5) {c++;} elsec=0; } } if(P2_7==0) { delay(10); if(P2_7==0) { while(P2_7==0); P1_5=! P1_5; } } } voiddisplay(floatx) { uintM,N,I; I=100*x/100; N=(100*x-100*I)/10; M=100*x-100*I-10*N; P2_0=0; P0=table[0]; delay(10); P2_0=1; P2_1=0; P0=gao_table[I]; delay(10); P2_1=1; P2_2=0; P0=table[N]; delay(10); P2_2=1; P2_3=0; P0=table[M]; delay(10); P2_3=1; } voidADC_Drv_InitCh(unsignedcharChNo) { P1ASF=P1ASF|(0x01< } voidADC_Drv_StartCh(ucharChNo)//转换启动 { uintDelay=0x00; P1ASF=P1ASF|(0x01< ADC_RES=0;//Clearpreviousresult ADC_CONTR=ADC_POWER|ADC_SPEEDLL|ADC_START|ChNo;// for(Delay=0x00;Delay<500;Delay++);//ADCpower-onanddelay IE=0xA0|IE;//可位寻址中断允许寄存器用于AD中断 EA=1;//单片机CPU总中断 } voidADC_Drv_Service(void) { ADC_Result[ADC_channel]=ADC_RES; ADC_Result[ADC_channel]=(ADC_Result[ADC_channel]<<2)|ADC_RESL; ADC_Finish_Flag=TRUE; } voidADC_Drv_Demo(void) { if(ADC_Finish_Flag==TRUE) { ADC_Finish_Flag=FALSE; ADC_Drv_StartCh(ADC_channel); m=ADC_Result[ADC_channel]*5.0/1024; } } voidPWM_Drv_Init(void) { CCON=0;//初始化PCA控制寄存器 CL=0;//初始化PCA计数器 CH=0; CMOD=0x08; CR=1; } voidPWM0_Drv_SetDuty(unsignedcharDutyValue) { CCAP0H=CCAP0L=DutyValue;//设置看空比 CCAPM0=0x42; CR=1; }
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- 基于 STC 系列 单片机 串联 开关电源 设计 实现