大学生电子设计竞赛-双向 DC-DC 变换器

2015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器（A 题）参赛学生： 戴阳、徐成、李欣学校： 枣庄学院指导教师： 郑桂兴文稿整理老师： 郑桂兴2015年8月15日摘 要摘要：本次所涉及的系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，以Buck Boost电路为双向DCDC变换电路，辅以LM2596模块为单片机辅助电源和LCD显示等电路组成，通过A/D转换实现电流采样、电压采样，通过STC12C5A60S2用PWM控制开关得到成比例的电流。为了避免负载短路时损坏电路，采用单片机控制过流保护，并实现自动恢复功能。本设计较好地实现了题目所要求的基本功能和发挥功能。关键词：STC12C5A60S2、DCDC变换、低功耗、低成本ABSTRACTAbstract: the system USES STC12C5A60S2 involved in the single chip microcomputer as control core, to buck boost circuit for bi-directional DCDC conversion circuit, supplemented by 7805 accessory power supply voltage regulator module for single chip microcomputer and LCD display and the composition of the ADC module circuit, by A/D conversion current sampling, voltage sampling, is obtained by STC12C5A60S2 using PWM control switch is proportional to the current.In order to avoid damage when load short circuit circuit, over-current protection and controlled by single chip microcomputer, and realize the automatic recovery function.This design implements the topic well demanded by the basic function and function.Keywords: STC12C5A60S2, DCDC transformation, low power consumption and low cost目 录一方案论证- 1 -1.1 系统基本方案- 1 -1.2系统各模块的最终选择- 3 -二理论分析与计算- 4 -2.1 DC/DC变换器稳压方法- 4 -2.2过充保护- 5 -三电路设计与程序设计- 6 -3.1 单片机供电电路- 6 -3.2 PWM驱动电路- 6 -3.3 Buck降压模块- 7 -3.4 Boost升压模块- 7 -3.5电流采样电路- 7 -3.5程序设计- 8 -四 检测结果与分析- 9 -五结语- 9 -六参考文献- 10 -附录一 系统总电路原理图- 10 -附录二 主要元器件清单- 10 -附录三 部分源程序- 11 -双向 DC-DC 变换器（A 题）【本科组】一方案论证1.1 系统基本方案直流稳压电源根据题目要求，系统可以划分为：主处理器模块、系统供电电路模块、DCDC模块、电流电压采样模块、显示模块、过流保护模块。本系统的原理方框图如图1.1所示：电流采样电流采样双向DCDC变换电路U2U1电压采样pwm波STC12C5A60S2单片机继电器辅助电源按键显示图1.1可调直流稳压电源系统原理方框图为了实现各模块的功能，分别作出了几种不同的设计方案进项论证。1.1.1 主处理器模块方案一：采用STC89C52单片机作为主控制器。价格低，技术成熟，但I/O少，RAM、ROM容量小，内部资源少，运算速度低，效率低，功耗高。方案二：采用STC12C5A60S2单片机作为该系统的控制核心。I/O口数目较多且可以定义，RAM、ROM容量大，运行速度快，多了两个定时器，带PWM和AD转换功能。综上分析，由于STC12C5A60S2功能更强大，存储容量大，运行速度快，且更适合本题目对于PWM的要求，因此，主处理器模块选择方案二。 1.1.2 系统供电电路模块方案的选择方案一：分别采用输出为5V的稳压电源为主电路、单片机供电。各电路操作独立、能达到各模块的用电要求。 方案二：此系统主电路部分采用组委会提供的直流稳压电源供电，单片机部分采用LM2596模块供电。综上分析，决定采用LM2596模块对单片机供电。1.1.3 DCDC变换方案的选择方案一：采用反激式拓扑结构，能够取的较好的稳压效果和较小的纹波电压。但电路复杂，变压器损耗高，控制繁琐，调试困难，短时间难以实现题目要求。方案二：采用Buck和Boost DCDC变换器，能够取得很好的稳压效果，电路结构简单，体积小。效率高，输出电流大，热量管理好，损耗少，能够满足供电系统高效率输出的要求。因为本设计对供电系统的效率要求比较高，所以比较之后选择第二种方案。1.1.4 电流电压采集模块方案利用LM358做放大器做成的电流检测电路直流电压增益高(约100dB)、电源电压范围宽：(330V)低功耗电流，低输入失调电压和失调电流，共模输入电压范围宽，包括接地，差模输入电压范围宽，等于电源电压范围，输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。1.1.5 显示模块方案的选择方案一：LED数码管显示。气短数码管有七段发光二极管做成，通过将二进制数转换成相应的字模来显示要输出的数字。但是，七段数码管只能显示比较简单的数字和字母，汉字显示等要求无法达到，其适用范围受到很大的限制。方案二：LCD1602液晶显示屏显示。LCD1602有明显的优点：功耗功率小的特点；尺寸小；字迹清晰美观，同时又可显示大量的文字信息和图形，可形成人性化的交互界面。综上所述，方案一未达到题目要求，我们采用方案二。1.1.6 过充保护模块方案一：PTC热敏电阻是一种过流保护中对异常温度及异常电流自动保护、自动恢复的保护元件。方案二：单片机控制过充保护。单片机检测到电压U1=24V时，发出指令将DCDC电路的开关管关断，电流下降恢复正常之后，开关管导通，电路恢复正常。综上所述，我们采用方案二。1.1.7 开关模块采用继电器做为开关使用。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，可受单片机控制，操作简单。1.2系统各模块的最终选择经过仔细分析和论证，系统各模块的最终选择方案如下：（1） 主处理器模块：采用STC12C5A60S2单片机作为该系统的控制核心；（2） 系统供电电路模块：采用直流稳压电源和LM2596稳压模块分别对主电路和单片机供电；（3） DCDC变换方案：采用Buck和Boost DCDC变换器；（4） 电流电压采集模块：采用含LM358芯片的放大电路实现电流采样；（5） 显示模块：采用LCD1602液晶显示屏；（6） 过充保护模块：采用单片机控制。二理论分析与计算2.1 DC/DC变换器稳压方法降压斩波电路：t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大 。数量关系tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比 升压斩波电路：V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。数量关系tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比2.2过充保护本系统能够使用软件实现过充保护，高频AD采样，采的电压值，在软件中判断若U1超过阈值U1=24V，则降低至很小的占空比，直至电流降低到正常范围，再在一定的基础上增加占空比，这种过流保护方法灵敏，效率高。三电路设计与程序设计3.1 单片机供电电路LM2596 单片机供电模块3.2 PWM驱动电路Buck Boost驱动电路3.3 Buck降压模块Buck降压电路3.4 Boost升压模块Boost升压电路3.5电流采样电路3.5程序设计开始 1602显示 充电放电电流步进调节PWM调节PWMBuck降压Boost升压AD采集 U2=30V?U1=240.5V？ N 停止充电 Y Y结束4 检测结果与分析电池充电状态表一 电流控制精度测试（）U2(V)I1(A)I10(A)eic30.0001.0801.0008.000%30.0001.6191.5007.930%30.0002.1602.0008.000%表二 电流变化率测试（）I11（A）I1(A)I12(A)SI12.0092.0001.9970.060%2.0092.0001.9980.055%2.0082.0001.9970.055%表三 DCDC降压器效率测试（）U1(V)I1(A)P1(W)U2(V)I2(A)P2(W)h1h21.9202.00043.84030.0001.58047.40092.400%21.9202.00043.84030.0001.58047.40092.400%21.9402.00043.88030.0001.57047.10193.200%电池放电状态表四 DCDC升压器效率测试（）U1(V)I1(A)P1(W)U2(V)I2(A)P2(W)h2h22.5001.61036.23030.3001.16035.14897.000%22.5001.63036.68030.2001.19035.87097.700%22.4001.42031.81030.4001.03031.30098.400%五结语经过几天的不懈努力，与小组其他成员的共同协作，以及老师的指导，我们完成了此次设计的题目。在设计过程中，我们学到了很多知识，同时也极大地锻炼了我们各方面的能力，虽然期间遇到了许多困难，不过最后通过变通，换种方式实现相同功能解决了这些问题。在我们的齐心协力下，诸多疑难问题迎刃而解，让我们充分认识到了共同协作和团队精神的重要性。同时经过此次电路设计让我们对电路的设计，调试有了进一步的掌握，加深了对开关电源的理解。还大大提高了我们的创新精神和动手能力。由于时间紧迫，加之自身经验和水平有限，作品还有欠缺，今后的学习工作中会加以注意。六参考文献1数字电子技术基础（第五版） 清华大学电子学教研室组 编 阎石 主编2模拟电子技术基础（第四版） 清华大学电子学教研室组 编 华成英 童诗白 主编3电力电子技术（第三版） 胡汉才 编著4单片机原理及其接口技术（第五版） 王兆安 刘进军 主编附录一 系统总电路原理图附录二 主要元器件清单单片机最小系统、LCD1602显示屏模块、直流稳压电源降压模块、运算放大器、继电器、电压比较器、带保护板的18650锂电池。附录三 部分源程序#include#include #define _Nop() _nop_()sbit jdq0=P00;sbit jdq1=P01;sbit jdq2=P02;sbit jdq3=P03;sbit key0=P32;sbit key1=P33;sbit key2=P34;/*1602*/#define GN_ShuJu8 0x30 /功能设置，16*1显示，5*7点阵，8位数据#define GN_HangShu2 0x08 /功能设置，16*2显示，5*7点阵，4位数据#define XS_XianShiK 0x0c /显示设置，显示开，关光标#define GuangBiaoYiDong 0x06 /光标右移一个字符#define QingPing 0x01/清除LCD的显示内容#define GuiWei 0x02/光标，画面归位#define GN_DianZhen10 0x44 /功能设置，16*1显示，5*10点阵，4位数据#define XS_GuangBiaoK 0x0e /显示设置，显示开，光标开#define XS_ShanShuoK 0x0f /显示设置，显示开，光标开,闪烁开#define NOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();/*AD*/#define ADC_POWER 0x80 /ADC功率控制位#define ADC_FLAG 0x10 /ADC完成标志#define ADC_START 0x08 /ADC开始控制位#define ADC_SPEEDLL 0x00 /420 clocks#define ADC_SPEEDL 0x20 /280 clocks#define ADC_SPEEDH 0x40 /140 clocks#define ADC_SPEEDHH 0x60 /70 clocks/*stc12ad*/新一代 1T 8051系列 单片机 ADC 特殊功能寄存器/ 7 6 5 4 3 2 1 0 Reset Valuesfr ADC_CONTR = 0xBC; /A/D 转换控制寄存器 ADC_POWER SPEED1 SPEED0 ADC_FLAG ADC_START CHS2 CHS1 CHS0 0000,0000sfr ADC_RES = 0xBD; /A/D 转换结果高8位 ADCV.9 ADCV.8 ADCV.7 ADCV.6 ADCV.5 ADCV.4 ADCV.3 ADCV.2 0000,0000sfr ADC_RESL = 0xBE; /A/D 转换结果低2位 ADCV.1 ADCV.0 0000,0000sfr P1ASF = 0x9D; /P1模拟特殊函数typedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;/*1602位设置*/sbit lcd_rs=P12;sbit lcd_rw=P11;sbit lcd_en=P10;/*参数设置*/float U ;unsigned int Uout,Iout,U0;/输出电压值，输出电流值，采样电压unsigned char pwm_ZKB=0x80;/占空比初始化为50%unsigned char code dis_vol=Dian Ya: . V ;unsigned char code dis_cur=DianLiu: . A ;unsigned char code number_char=0123456789;/数字字符/*pca/pwm*/sfr CCON = 0xD8; /主成分分析控制寄存器sbit CCF0 = CCON0; /PCA module-0中断标志sbit CCF1 = CCON1; /PCA模块1中断标志sbit CR = CCON6; /PCA计时器运行控制sbit CF = CCON7; /PCA timer overflow flagsfr CMOD = 0xD9; /PCA模式寄存器sfr CL = 0xE9; /PCA基本定时器低sfr CH = 0xF9; /PCA基本定时器高sfr CCAPM0 = 0xDA; /module-0 PCA方式登记册sfr CCAP0L = 0xEA; /PCA module-0捕获寄存器低sfr CCAP0H = 0xFA; /PCA module-0捕获寄存器高sfr CCAPM1 = 0xDB; /module-1 PCA方式登记册sfr CCAP1L = 0xEB; /PCA模块1捕获寄存器低sfr CCAP1H = 0xFB; /PCA模块1捕获寄存器高sfr PCA_PWM0 = 0xf2;sfr PCA_PWM1 = 0xf3;unsigned char pwm_ZKB;void pwm_Init();void lcd1602_Init(); /1602初始化void ADC_Init(); /A/D初始化void lcd_char_write(unsigned char x_pos,y_pos,lcd_dat);WORD GetADCResult(BYTE ch);/A/D转换结果，ch为通道选择void delay(unsigned int t); /延时函数void lcd_background(); /1602固定显示字符void DIS_UIresult(); /AD转换结果显示 void main() pwm_Init();lcd1602_Init();lcd_background();while(1)if(key0=0)jdq0=0;jdq1=1;jdq2=0;jdq3=1;pwm_ZKB=0x80;if(key1=0)jdq0=1;jdq1=0;jdq2=1;jdq3=0;pwm_ZKB=0x60;if(key2=0)jdq0=0;jdq1=0;jdq2=1;jdq3=0;DIS_UIresult();CCAP0H = CCAP0L = pwm_ZKB;void lcd_background() unsigned char i,v; for(v=0;v16;v+) lcd_char_write(v,0,dis_volv);delay(10); for(i=0;i1; lcd_char_write(9,0,Uout/1000+0x30); delay(10); lcd_char_write(10,0,Uout%1000/100+0x30); delay(10); lcd_char_write(12,0,Uout%100/10+0x30); delay(10); lcd_char_write(13,0,Uout%10+0x30); delay(10); U0=GetADCResult(1)*2;/*1602函数设置*/void lcd_delay(int ms) /延时子程序 int i; while(ms-) for(i = 0; i 250; i+) NOP(); bit lcd_busy() bit result; lcd_rs = 0; lcd_rw = 1; lcd_en = 1; NOP(); result = (bit)(P2&0x80); lcd_en = 0; return(result); /*/*写指令数据到LCD */* RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=指令码。 */*/void lcd_wcmd(unsigned char cmd) while(lcd_busy(); lcd_rs = 0; lcd_rw = 0; lcd_en = 0; _nop_(); _nop_(); P2 = cmd; NOP(); lcd_en = 1; NOP(); lcd_en = 0; /*/ /* 写显示数据到LCD */ /* RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据。 */*/void lcd_wdat(unsigned char dat) while(lcd_busy(); lcd_rs = 1; lcd_rw = 0; lcd_en = 0; P2 = dat; NOP(); lcd_en = 1; NOP(); lcd_en = 0; /*- 显示-*/void lcd_char_write(unsigned char x_pos,y_pos,lcd_dat) /*LCD1602 字符写入*/ x_pos &= 0x0f; /* X位置范围 015 */ y_pos &= 0x01; /* Y位置范围 0 1 */ if(y_pos=1) x_pos += 0x40; x_pos += 0x80; lcd_wcmd(x_pos); while(lcd_busy(); lcd_rs = 1; lcd_rw = 0; lcd_en = 0; P