毕业设计（论文）-降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计.doc

降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计摘 要：本文分模块详细阐述了降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计，可实现2030V输入510V输出，开/闭环控制误差范围均在0.05V以内。该系统以TL494为核心，单片机通过输出PWM信号控制开关三极管的通断，从而达到控制输出电压的目的，而ADC则对输出信号进行转换并反馈给单片机分析处理，形成闭环系统。关键词：开关电源，单片机，闭环控制，自动拟合，低通滤波器， 模数转换ABSTRACTThis Paper particularly presents the design of each module of voltage-decrease switch mode DC-DC convertor with its control and feedback circuits. It has an input voltage of 2030V and an output of 510V, while the errors of the opened-loop and closed-loop control are both restricted within 0.05V. This type of power supply uses TL494 as its core element. The MCS dominates the connection and disconnection of the switch audion through the output of PWM signal, in order to control the output voltage. Moreover, the ADC converts the output signal and feeds back to MCS, which can then analyse and deal with it. KEYWORDSSwitch Mode Power Supply, MCS, Closed-Loop Control, Automatic Fit, LPF, ADC上海交通大学 电子信息与电气工程学院地 址：东川路800号邮 编：200240目录1. 概述11.1 编写说明11.2 名词定义11.3 缩略语12. 系统总述22.1 系统组成22.1.1 DC-DC开关电源子系统22.1.2 电压控制子系统32.1.3 电压检测子系统32.1.4 单片机子系统32.2 系统的主要功能43. DC-DC开关电源子系统的硬件设计53.1 开关电源子系统的主要功能和设计指标53.2 开关电源子系统的具体工作原理63.3 开关电源子系统的参数说明83.4 专项问题的探讨93.4.1 纹波的抑制93.4.2 效率的提高93.4.3 电感的绕制94. 电压控制子系统的硬件设计104.1 主要功能和设计指标104.2 电压控制系统的一般原理和逻辑框图104.3 电压控制子系统的具体工作原理105. 电压测量子系统的硬件设计175.1 主要功能和设计指标175.2 方案的一般原理和逻辑框图175.3 设计设计方案中主要部分和参数的说明176. 单片机子系统及软件设计216.1 软件功能216.2 软件总体框架216.3 实验相关元件216.4 程序设计236.4.1 重要的全局变量236.4.2 程序流程图246.4.3 程序内各重要部分256.4.4 程序内各重要部分方案267. 致谢278. 参考文献289. 附录A 开发环境299.1 硬件开发299.2 软件开发2910. 附录B 软件程序清单3011. 附录C 系统操作说明书3812. 附录D 测试和分析4012.1 测试项目和方法4012.1.1 降压DC-DC开关电源子系统的测试4012.1.2 电压控制子系统（开环）的测试4012.1.3 电压测量子系统（闭环）的测试4112.2 测试的资源4212.3 测试结果及分析4212.3.1 降压型DC-DC电路模块4212.3.2 开环控制功能4212.3.3 闭环控制功能4313. 附录E 课程学习心得和意见建议44第43页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院1. 概述1.1 编写说明本篇报告为上海交通大学06级电子信息与电气工程学院电子系学生大三第一学期科技创新课程的设计报告，其中详细阐述了有关DC-DC开关电源的硬件与软件设计、开发环境、功能指标以及测试分析方法，旨在全面记录本实验小组的设计思路和操作过程，总结经验与心得体会，供指导老师在检查评分时参考，亦可作为与同学交流沟通的书面材料。本文适合电子相关专业人士以及有一定理论基础的业余电子设计爱好者阅读。1.2 名词定义l 开关式稳压电源：采用开关三极管控制的直流稳压电源，可通过调节占空比控制电压输出。l 单片机小系统：单片机即单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器、输入输出适配器集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电子计算机中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外置硬盘硬体）和节约成本。它与其外围扩展电路的总和称为单片机小系统。l 开环控制：被控制量（输出量）对控制量（输入量）没有影响，即被控制量只能受控于控制量，而对控制量无反作用。 1l 闭环控制： 基于负反馈（输入量与反馈量相减）基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，也称反馈控制。1l 标定占空比：自动拟合模式下，以电压为基准点，系统对应该电压值输出PWM波的占空比。l 电气隔离： 两部分支路无电气上的直接联系，使相互间的干扰降到最小。l 模数转换：将模拟信号转化为数字信号。l 占空比：方波信号一个周期内高电平所占的比例。l 过流保护：设定系统电流上限，防止功耗过大，导致元件损坏。l 开关频率：开关电源中，开关管导通的频率。l 电压调整率：输入电压变化时，输出电压变化幅度与输入电压变化幅度的比值。l 纹波：叠加在直流信号上的幅度远远小于直流分量的交流信号。1.3 缩略语DC(direct current)：直流 LPF(low pass filter) 低通滤波器PWM(Pulse-Width Modulation)：脉宽调制 ADC(analog digital)：模拟-数字转换LPF(low-pass filter)：低通滤波器2. 系统总述2.1 系统组成图2.1 系统组成示意图4如图2.1所示，本次实验设计的开关电源由4个部分组成，分别是实现DC-DC开关电源部分、电压控制部分、电压检测部分和控制系统工作的单片机部分。四部分之间的关系如图所示，单片机输出占空比可调的PWM波来控制电压控制模块；电压控制模块对获得的PWM波进行滤波和稳伏之后，通过光电耦合器件4n25来控制开关电源的输出电压；电压检测模块用AD转换器采集开关电源模块的输出电压，转换成数字量的数据输出给单片机；单片机读取数模转换的数据，将其转换成采样电压，比较之后用调整PWM波占空比的方式实现闭环控制。2.1.1 DC-DC开关电源子系统DC-DC开关电源子系统的主要功能是将一输入不稳定的直流电压（2030V）变换为输出稳定的直流电压（510V，可调）。该DC-DC开关电源子系统采用TL494作为核心元件，三极管Tip42作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出任一给定的稳幅电压。如图2.2所示：图2.2 DC-DC开关电源组成示意图42.1.2 电压控制子系统电压控制子系统主要实现的功能为将单片机输出的可调占空比PWM波转化为提供给DC-DC子系统的可变电压，从而实现电压的控制。该模块通过对单片机输出的PWM波进行整形、取直流分量得方式将占空比的变化转化为电压的变化；最后为了对控制系统和供电系统进行电器隔离，让系统的输出通过光耦芯片来完成和DC-DC部分的连接。电压控制子系统由4个主要的模块构成，分别是波形整形电路、低通滤波器、信号隔离变换和TL431稳压电路（其中TL431电路主要是给4011芯片提供稳定的4V电压）。如图2.3所示： 图2.3 电压控制子系统示意图42.1.3 电压检测子系统电压测量子系统分成三个模块，分别是稳压电路、信号隔离和变化模块、A/D转换模块。这三个电路分别以光电耦合器4N25芯片，A/D转换芯片ADC0804以及TL431芯片为核心辅以一定的外围电路构成。其中TL431稳压电路的主要作用是为光电耦合器4N25芯片和A/D转换芯片ADC0804提供4V基准电压。如图2.4所示： 图2.4 电压测量子系统示意图42.1.4 单片机子系统本次用于DC-DC开关电源的控制用单片机实现的功能主要是3个方面，分别是用户操作界面、开环电压控制、闭环采样及电压调整控制。用户界面功能主要是提供人机交互的控制功能，数码管显示系统的工作状态，按键控制电源的工作状态、设置电压。开环电压控制中单片机的主要任务是计算设置电压对应的占空比，输出相应占空比的PWM波。闭环采样及电压调整控制中单片机完成了两个任务，即控制AD0809采样并转换成相应的采样电压和根据采样电压调整占空比实现闭环控制。如图2.5所示： 图2.5 单片机子系统示意图42.2 系统的主要功能本次实验的系统实现了降压型可控开关式DC-DC稳压电源，系统由分成开环控制的基本功能和闭环控制的拓展功能两部分，其主要功能和参数简述如下：（1）开关式DC-DC稳压电源：实现直流-直流变换的稳压电源，在输入电压的范围为20V30V的范围内，输出5V10V的稳定直流电压，输出电压分辨率为0.1V，误差小于等于0.05V，电压调整率小于0.1%。（2）键盘与显示：通过单片机小系统上的按键来控制系统的输出电压和工作方式（开环/闭环）；通过单片机小系统上的数码管来显示输出电压和工作方式的信息。 （3）开环控制： 通过单片机输出的占空比可调的PWM波来控制输出电压，利用拟合的到的数据计算输出电压相应的占空比，通过电压控制部分调整波形，输出到光电耦合来实现开环控制。开环控制的精度为电压输出误差小于0.05V。（4）闭环控制：利用电压测量模块来测量输出电压，将其转换成数据量输出到单片机，单片机读取数模转换的数据，将其转换成采样电压，比较之后用调整PWM波占空比的方式实现闭环控制。闭环控制的精度为电压输出误差小于0.05伏，调整时间小于1秒。3. DC-DC开关电源子系统的硬件设计3.1 开关电源子系统的主要功能和设计指标该部分系统的主要功能是：A) 当2030伏不稳定的输入直流电压，输出为510伏的稳定的直流电压B) 当输入电压发生变化时，输出电压稳定 设计指标：表3.1 降压型DC-DC开关电源子系统设计指标4项目指标输入直流电压20V30V输出直流电压5V10V额定输出电流1A限流值1.1A电压调整率0.5 %电流调整率1%输出电压纹波100mVp-p效率65%截止电流值1.2A开关电源子系统的一般原理和逻辑框图该子系统的工作原理是，通过TL494由比较基准参考电压和输出反馈电压，产生的PWM波来控制开关三极管TIP42的通断，当PWM信号为高电平时，三极管导通，电源电压Vin对储能电感L充电，此时由于二极管两端为反向电压，因此处于截止状态，从而导致负载电阻RL两端电压上升。当PWM信号为低电平时，三极管断开，此时二极管两端变为正向电压，处于导通状态，从而电感通过二极管放电。使得电感中的电能不断减小，RL两端电压逐渐下降。当三极管的导通频率足够高时，就能够使负载电阻RL两端输出电压的纹波幅度满足设计要求，从而保持输出电压的稳定。PWM控制信号的占空比能够控制DC-DC开关电源子系统的输出电压值。通过分压网络与DC-DC开关电源子系统的输出电压值呈线性关系反馈电压信号不断逼近差分放大器的基准参考电压，达到了子系统输出电压稳定的目的。简明电路图如图3.1所示： 图3.1 DC-DC开关电源子系统简明示意图43.2 开关电源子系统的具体工作原理3.2.1 输出电压与基准电压差分放大电路的工作原理 1脚外接电路主要由一个分压电路构成，主要目的是使TL494的1脚电压与输出电压成正比。2脚同样外接一个分压电路，2脚电压由R5和R8对基准电压分压得到。如图3.2所示，R4和R构成一个负反馈电路，反馈系数F= 。R3和C2的作用是抑制高频增益，防止自激。 图3.2 差分放大电路图4 3.2.2 TL494的工作原理TL494的内部结构与工作原理如图3.3所示。Vref经分压后从1IN-端输入误差放大器1（Error Amplifier 1），输出电压的采样值从1IN+端输入。误差放大器1将两者进行比较，当采样电压大于基准电压时，其输出端对VA进行充电，使VA的电压不断升高；当采样电压小于基准电压时，VA通过恒流源放电，从而VA的电压不断下降。而VA的变化会引起PWM比较器（PWM Comparator）判决门限的改变，使得PWM比较器输出占空比动态改变的PWM波。图图3.3 TL494的内部结构图43.2.3 开关三极管TIP42在电路中的作用 开关三极管（Tip42C）的工作原理：当PWM控制信号处在低电平时，加在开关三级管基极与发射极两端的压降大，三级管导通。当PWM控制信号处在高电平时，加在开关三级管基极与发射极两端的压降小，则三级管截止。如图3.4所示： 图3.4 TIP42的电路图53.2.4外围电路设计如图3.5所示：图3.5降压型DC-DC开关电源子系统电路图43.3 开关电源子系统的参数说明 表3.2 DC-DC电路主要元件参数元件元件参数元件元件参数元件元件参数C1470uFR41MR12022kC20.1uFR55.1kR135.1kC3500pFR65.1kR1401kC4470uFR76.2kR10C5470uFR85.1kL1.1mHR11kR91kTL494-R2200R100.1二极管1N5822R347kR115.1kPNP三极管Tip423.4 专项问题的探讨3.4.1 纹波的抑制根据科创课程上的学习，我们知道有以下几种方案可以减小纹波4：1) 提高开关频率，减小 R7 * C3 ， 此方法在一定程度上可以使三极管开关切换更加频繁，从而显著降低纹波峰峰值。但若三极管开关过于频繁，因为频率和效率是一对矛盾，就会使得效率显著下降，TL494放出大量热量。 2) 增大R1 - 降低开关管饱和导通深度；降低开关状态切换速率3) 增大储能电感值。该方法效果不明显，因为电感的取值范围较小，且增大电感值易产生磁饱和现象。4) 增大滤波电容。此方法效果不明显，且电容占用大量空间，是非常不经济的做法。3.4.2 效率的提高由上述分析可知，效率与频率是一对相互制约的矛盾量，因此抑制纹波的元件参数在对效率的调节也起着至关重要的作用。将3.1.4.1节所述措施(1)、(2)、(3)的相关参数向相反的方向调节就可提高效率。3.4.3 电感的绕制经过理论分析可得，电感L的值越大，输出电压的纹波越小。然而电感L的值并不是越大越好的，这是因为因磁性材料的问题，B总是有限的，即电感感量是有极限的，当B达到最大时，即出现磁饱和现象，而当匝数N越大时，恰好发生磁饱和的 I临界 越小。因此在电路中，电感中通有一定的电流，电感极有可能达到磁饱和而使得电感的感量急剧减小从而使纹波变大，可见在绕制电感的时候并不是电感越大越好的。在实验中，我们第一次绕制的电感偏大，当电感接入系统中时输出电压的纹波由于电感达到磁饱和而变大，为此，我们减小了电感的匝数，重新绕制了一个电感量相对较小的电感，但在电路中受电流的影响该电感仍达到了磁饱和，为了减小纹波，我们在电感的两磁芯间垫入了一张纸片，从而防止了磁饱和现象的发生，有效地减小了纹波。4. 电压控制子系统的硬件设计4.1 主要功能和设计指标主要功能：该系统通过对单片机输出的PWM波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气隔离元件与开关电源子系统连接，将单片机输出的PWM波转化可变电压。它作为单片机控制输出电压的桥梁，代替了手动调节可变电阻的过程，实现了开环控制。设计指标：数码管显示输入电压，DC-DC输出稳定的直流电压，误差不得超过0.05V。4.2 电压控制系统的一般原理和逻辑框图通过单片机编程，改变单片机系统板上的按键来输入设定要求的DC-DC开关电源输出电压，通过单片机进行计算，输出具有其所对应的占空比的PWM控制信号，但是这个PWM波的高电平电压不稳定，所以需要接一个整形电路来使电平稳定。之后信号经过有源低通滤波器，取出其直流分量，由于占空比不同的PWM波所含的直流分量是不同的，此直流信号经由非线性光耦4N25，相当于控制一个可变电阻，耦合入DC-DC开关电源子系统的电压反馈比例控制网络，可以改变电压反馈比例，达到DC-DC子系统输出不同电压值的目的。系统过程流图如图4.1所示：图4.1 单片机小系统原理框图44.3 电压控制子系统的具体工作原理整个原理流程可以分成四个部分：(1)单片机产生PWM波（2）整形电路（3）有源LPF（4）信号变换与隔离（5）TL431稳压电路（其中TL431电路主要是给4011芯片提供稳定的4V电压）。从信号的角度说，该子系统使单片机输出的PWM波通过4011芯片为核心器件的整形电路，转化成稳定的PWM波，该波形通过有源低通滤波器，转化为同PWM波占空比成反比的直流电压，该电压通过4n25光耦芯片向DC-DC子系统中的差放输入可控的电压，从而实现电压的控制。4.3.1 单片机产生PWM波 单片机产生PWM波，参见单片机子系统部分。4.3.2 整形电路 整形电路的主要目的是将单片机输出的不稳定PWM波转化为稳定的PWM波输出。主要利用反向器（4011）来实现这一功能。而反向器4011需要一个稳定的工作电压，所以有了以下的电路设计，如图4.2 ： 图4.2 整流电路图44.3.3基于TL431的基准电压电路通过研究TL431的DATASHEET,我们发现TL431的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。见图4.3：图4.3 TL431的工作特性图5由此，我们可以得到基准电压的电路图（如图4.4所示）：图4.4 基准电压电路图5Ik不能过小！所以接输入的电阻不能太大，最后取到100欧姆。而Iref值很小，可以忽略。所以，在图4.4所示的电路连接方法下，输出电压的表达式为：VKA=VRef (1+R1/R2)；因为VRef=2.5V（TL431内部决定），要求输出电压VO=4V左右，所以取R1：R2=3：5.阻值取值：R1取3K，R2取5.1K。最终VO=4.01V。TL431的管脚图如下，图4.5： 图4.5 TL431管脚图54.3.4有源LPF电压控制子系统的关键是有源低通滤波器，它的作用是把PWM波中的直流分量给滤出来。有源低通滤波器采用运放及其外部电路组成，电路图如图4.6所示。图4.6 低通滤波电路图4采用的是SALLEN-KEY结构滤波器，其工作过程如下4：1. 对于低频的输入信号，C1，C1可以看作开路，此时信号直接输入集成运算放大器的正向输入端，而直接从输出端输出。2. 对于高频的输入信号（信号频率远大于滤波器截止频率），C1，C2可以看作短路此时高频信号直接从C1流入接地线，而不在输出端出现。3. 对于频率接近截止频率的信号，C2引入的正反馈可以决定信号的增益。有源滤波器相对于RC无源滤波的优势有两个，一为输出阻抗小，可以带比较大的负载，其二为可以有增益。关于LPF的电路具体分析：如图4.6所示电路，我们取R1=R2=R，C1=C2=C，用S域分析法，对该电路进行计算分析。首先由M点的节点电流可以得到方程： 在由P点的节点电流可以得到方程：由方程（1），（2）消去，令s=jw，即可解得：令分母的模为，就可求得截止频率和电路的本振频率之间的关系。所以，于是解得：，其中，fp为截止频率。于是，我们确定了电阻电容的取值，最后通过示波器测出的截止频率为9.7Hz，比较符合要求。接下来要探讨的是直流分量的问题。要最终能够得到直流分量，因此，我们必须把输入的PWM信号进行傅立叶级数展开分析，具体如下：设PWM信号的方程为，由傅立叶级数展开公式：于是，可以基本算出Vctl Vh r（r为占空比，Vh为PWM波的峰值）。其中LM741管脚图如下（图4.7）：图4.7 LM741内部结构及管脚定义图5 在本模块中，工作在双电源模式。 VCC为正电源，接5V。 VEE为负电源，接5V。 4.3.5信号变换与隔离主要是由一4N25芯片完成。芯片内部结构见图4.8，图4.8 4N25内部结构及管脚图5管脚定义：ANDOE阳极：CATHODE阴极：N.C.悬空端：EMITTER 发射极：COLLECTOR集电极：BASE基极光电耦控制图4.8 4N25控制电路图4电压信号通过发光二极管转成光信号，另一端的接收二极管再把光信号转成电阻值与R12并联，从而最终完成整个电压控制系统。4.3.6 CD4011内部结构和参数CD4011为四路二输入与非门，其内部结构及管脚定义如图4.9所示。芯片工作时，逻辑高电平输出等于VDD。本模块就是利用其此特性，将信号反向后整流。 图4.9 CD4011内部结构图及管脚定义6问题说明在把整个电压控制子系统借好后，在调试时可能会遇到这样的电压控制达不到510V的范围，可以调电位器R12来解决此问题。或更换R11和R13，抬升或降低整个输出电压，也可以减小Rctrl从而使光耦工作范围更大。5. 电压测量子系统的硬件设计5.1 主要功能和设计指标主要功能：对DC-DC输出电压进行测量，并将测量结果通过0804进行AD转换，将AD转换的结果反馈给单片机控制系统；单片机把AD反馈给他的数与系统内储存的标准值比较，进而对DC-DC输出电压进行精确调节设计指标：数码管显示输入电压，DC-DC输出稳定的直流电压（范围为510V），两者之差不超过0.05V，并且调整R14后数码管显示电压值与之前显示值之差不超过0.05V。5.2 方案的一般原理和逻辑框图电压测量子系统主要由光耦合芯片4N25，A/D转换芯片ADC0804，基准源芯片TL431组成。首先4N25在该系统中完成信号变换和隔离的作用，将Vo的变化转换成Va的变化，4N25输出的电压动态范围应尽量大，以提高编码精度。然后利用A/D转换芯片ADC0804对DC-DC电源的输出进行采样，并对采集到的电压进行模数转换，然后将转换结果8位二进制编码输入到单片机子系统，进行比较并调整输出，完成闭环反馈功能。三端可调分流基准源芯片TL431则负责提供稳定的基准电压。该子系统图如下（图5.1）：图5.1电压测量子系统框图75.3 设计设计方案中主要部分和参数的说明这部分队对上述提到的各个小模块分别进行详细阐述。稳压电路：为ADC0804转换提供稳定电压，并提供稳定的参考电压。其原理与“4.3.3基于TL431的基准电压电路”一致，电路设计也同电压控制子系统中一致。信号变换电路：与开环系统中提到功能类似，只是要求有所改变。4N25输出的电压动态范围应尽量大，以提高编码精度，我组动态范围为1.15V3.34V（主要靠调节R1、R2值来实现，建议将这两个换为变阻器以便于调节）。同时4N25也需要一个稳定的基准电压，同样考虑用TL431来产生此稳定的基准电压，原理如上，不再赘述。电路图如下：Vo4N25基准电压VAR2R1图5.2 光耦图4A/D转换电路：通过使用ADC0804，将Va转化成编码。AD的引脚图以及部分外部电路图如下。4脚、19脚以及 8脚、10脚的连接如图5.3所示。图5.3 A/D芯片引脚图以及部分外部电路5图5.4 A/D外部电路4图5.4中，VA为信号转换电路产生的输入电压。图中所示基准电压也是由TL431产生的，我组的基准电压值为4.05V。R3与R4分基准电压给0804的VIN（-）端一个稳定的内部编码起始电压，R5与R6分基准电压给0804的Vref/2端一个内部编码的终止电压，即0804的内部电压编码范围为Vin（-）Vref。基于此工作原理，为了尽量利用0804的编码资源，设 VA VAmin , VAmax，定义 K = ( VIN(+) VIN(-) ) / Vref ，则电阻取值须满足以下几条4：a）取R3、R4，使VIN(-) 0； b）取R5、R6，使 ( VAmax VIN(-) ) / Vref 1， 即 Kmax 1。值得注意的是(Vref / 2) (基准电压在R5、R6的分压)(因为0804内部结构影响)AD的与单片机连接的电路如图5.5所示。ADC0804DB0.DB7/ RD/ WR/CS/ INTRAD0.AD7/ RD/ CS3P3.3. /WR图5.5 AD和单片机连接图4单片机的接口的引脚如图5.6 所示图5.6 单片机的引脚图46. 单片机子系统及软件设计6.1 软件功能在本系统中，软件的设计起到至关重要的作用，是整个系统设计的重要组成部分。软件的主要功能有：（1） 模式的判断及切换（2） 用户按键的判断及响应（3） 控制单片机产生PWM信号（4） 手动与自动调整开环输出（5） 电压采样的比较及判断等等6.2 软件总体框架本系统中软件设计的总体框图如图6.1图6.1 主程序流程图6.3 实验相关元件6.3.1.1 IDC26 IDC26是单片机与ADC0806的接口，共有26个引脚，以扁平电缆相连。AD0AD7接ADC0806输出的8位编码，RD，WR，CS3分别接ADC0806的RD，WR，CS端。IDC26的引脚定义如图6.2所示。图6.2 IDC26引脚定义6.3.1.2 74HC37374HC373是含有8个逻辑单元的三态锁存器，主要用于三态地址、数据锁存，其结构如图6.3所示：图6.3 74HC373结构图86.3.1.3 74HC0274HC02由四个2输入或非门组成，常用做地址选通器，其结构图如图6.4所示：图6.4 74HC02结构图86.3.1.4 MM74HC138MM74HC138是常用的3-8译码器，通常作为单片机小系统的地址译码器使用，其结构如图6.5所示：图6.5 MM74HC138结构图86.3.1.5 AT89S52AT89S52是现今最常用的单片机，是单片机小系统的核心，具有运算、存储等功能。6.4 程序设计6.4.1 重要的全局变量程序主要定义了以下的全局变量：1、按键定义：单片机小系统中的四个按键分别使用了P1口的四个引脚sbit KEY1=P10;sbit KEY2=P11;sbit KEY3=P12;sbit KEY4=P13;2、输出端口定义：在本系统中只用到P1.5管脚，用于输出PWM波sbit out= P15;3、PWM波电平状态，位变量bit state;4、 数码管位驱动信号输出缓存，定义了一个可位寻址的变量unsigned char bdata output_sel;5、 数码管扫描驱动指针unsigned char xdata digi_scaner;6、 数码管显示值十进制表示 unsigned char xdata digi4;7、记录输出电压的值unsigned int v; 8、记录各电压值所对应的占空比unsigned int xdata pwmv51;9、记录各电压值所对应的AD0804读入数据unsigned int xdata table51;6.4.2 程序流程图图6.2主程序（main）流程图76.4.3 程序内各重要部分占空比控制的实现：先给T1定时器输入高电平所需保持的时间TH1，在T1到时溢出后，置入低电平所需保持的时间TL1,脉冲周期TH1+TL1为一定值，这样，只要给TH1及TL1赋不同的值就能实现占空比的控制。以下为T1中实现控制占空比的程序：if(state) out=1;TH1=hh;TL1=hl;state=0;elseout=0;TH1=lh;TL1=ll;state=1;计数器初值的赋值：设置T1中断计数器的初值程序如下，其中TOTAL_TIME=1000。aa表示低电平的时间，而bb表示高电平的时间。lh和hh表示给计数器初值高八位的数值，ll和hl表示给计数器初值低八位的数值。这样，计数器从“lh”“ll”开始计数一直计到0xffff，然后溢出，产生一个中断，在计数的时候，输出始终是高电平或者始终是低电平。这样，只要改变计数器的初值，就能改变PWM波的占空比。而在程序中，就是改变pwm的值，使aa和bb发生变化，从而改变高电平和低电平的时间，从而改变占空比。而如下程序取值的计数器初值，可以使PWM波的周期恒定。因为执行一次高电平加上执行一次低电平的总时间为0xffff-aa+0xffff-bb，也就等于TOTAL_TIME。而pwm是一个0到1000的整数，也就是说这段程序可以0.1%的步长来改变占空比。当pwm增加1时，占空比增加0.1%，从而可以很精确的实现控制。aa=0xffff-TOTAL_TIME+pwm; bb=0xffff-pwm;lh=aa/256;ll=aa-lh*256;hh=bb/256;hl=bb-hh*256;人机界面：用户通过前两个按键来控制七段码显示器上的电压值，同时单片机对应到相应的占空比输出。此时系统的输出电压即为显示器上的电压值。系统的按键设计为触发式按键，即用户每按一下电压值增加/减少0.1V。而第三个按键则是改变显示方式，有两个选择，显示电压值或者显示占空比。第四个按键是改变模式：开环、闭环以及升压型开环。以下为单个按键触发程序：old_k1=keydown1;if (KEY1=0) led_1 = 0;keydown1=1;elsekeydown1=0;if(!old_k1)&keydown1)trig1=1;elsetrig1=0;6.4.4 程序内各重要部分方案单片机与A/D转换器的通信：在此系统中，单片机与A/D转换器的通信主要是单片机读A/D转换器输出的8位电压编码。将A/D转换器看成是一个存储单元，单片机通过地址来访问。单片机先给出一个使能信号，启动一次AD转换：ADDR_0804 = 0;在一定的延时（此系统中为5ms）后，单片机读取A/D的转换结果： AD_data = ADDR_0804。由于Vo上叠加有随机干扰, ADC0804有随机误差（一般可以认为）这些随机干扰误差是均值为零的、平稳的、各态遍历的随机过程。对Vo足够多个取样值的平均，随机误差的影响可接近于零。由此构造 1个低通特性“ 数字滤波器”，采集N个样值的同时，产生有N次计算结果，相当于“滑动平均”。本程序中采取了20个平均值。电压编码表的测定：在闭环控制的程序内，必须先预存一张与A/D转换器向适应的电压编码表，已备程序查询使用。首先必须对这张表的值进行测定。在测定过程中，改变占空比，使系统输出指定的电压值，并获得此时A/D转换器输出的8位二进制编码，即为此时电压对应的编码，改变电压值，再一次获得编码，这样测定多次不同电压的编码，即能组成一张电压编码表。占空比控制的实现：与开环控制时相同。先给T1定时器输入高电平所需保持的时间TH，在T1到时溢出后，置入低电平所需保持的时间Tl,脉冲周期TH+TL为一定值，这样，只要给TH及TL赋不同的值就能实现占空比的控制。电压的快速稳定方案：在闭环控制过程中，必须使系统输出电压迅速地稳定到需要的电压值。为此，在比较A/D输入的编码与电压编码表中的编码后，如果发现两编码的差比较大时，说明此时电压偏差比较大，需要大幅度调整，此时可以对占空比做大幅度的调整。如果发现两编码的差小于某一值时，说明此时电压偏差比较小，此时占空比应缓慢的小幅度的调整。人机界面：与开环控制时相同。用户通过两个按键来控制七段码显示器上的电压值，同时单片机对应到相应的占空比输出。此时系统的输出电压即为显示器上的电压值。系统的按键设计为触发式按键，即用户每按一下电压值增加/减少0.1V，而第三个按键则是改变显示方式，有两个选择，显示电压值或者显示占空比。第四个按键是改变模式：开环、闭环。7. 致谢感谢每周四给我们上课讲解实验内容并每周发邮件给我们提供通知的袁炎老师，也感谢每天在实验室值班的助教，还要感谢那些常常出现在实验室并帮助我们解决一些问题的老师们，最后还要感谢那些帮助过我们的各位学长学姐和同学。8. 参考文献1 马忠梅等，单片机的C语言应用程序设计，北京航空航天大学出版社，19982 陈章龙等，嵌入式技术与系统Inter XScale结构与开发，北京航空航天大学出版社，20043 ATMEL，8 BIT MICROCONTROLLER WITH 8K BYTES IN-SYSTEM PROGRAMMABLE FLASH AT89S52，20014 上海交大电子工程系，科技创新5 课程任务要求，20075上海交大电子工程系，科技创新5 器件资料6CD4011 DataSheet. From Texas Instruments, 20057 上届学长的优秀报告8上海交大电子工程系，科技创新5 单片机小系统资料9. 附录A 开发环境9.1 硬件开发开发工具功能运行环境电烙铁，焊锡等及镊子、老虎钳、剪刀等焊接及辅助焊接正常室内条件220v交流电压直流稳压源提供单片机工作电压5v；提供运算放大器工作电压+5v,-5v；提供降压电路工作的2030V；读取输入电流值正常室内条件220v交流电压4位显示数字式万用表测量输入输出电压准确值以及各电阻元件电阻值正常室内条件示波器显示PWM波形以及输出纹波正常室内条件220v交流电压电脑供参阅资料并烧入程序正常室内条件220v交流电压9.2 软件开发表9.2 软件开发工具及运行环境软件名称运行环境Keil uVision 2Windows XPProteus6.7Windows XPISPLAYWindows XPProtel 99 SEWindows XPMicrosoft ExcelWindows XP10. 附录B 软件程序清单#include #include #include /*/*/*/ 常量定 /*/*/*/* 定时器初值 */#define V_TH0 0xee /* 5ms , ! notice: crystal 11.0592MHz */#define V_TL0 0x00#define TOTAL_TIME1000/* 1s软件定时器溢出值，200个5ms */#define V_TCK4#define V_CLK2 200#define V_CLK2_f 20#define V_C3_f 20/* 数码管段驱动寄存器地址 */#define ADDR_8SEGXBYTE0x2000/* 数码管位驱动和指示灯驱动寄存器地址 */#define ADDR_SELXBYTE0x4000/AD转换器#define ADDR_0804 XBYTE0x6000/* 按键 */sbit KEY1=P10;sbit KEY2=P11;sbit KEY3=P12;sbit KEY4=P13;/*/*/*/变量定义 /*/*/*/* 软件定时器计数 */unsigned char clk2_f,clk3_f;/* 软件定时器溢出标志，位变量 */* 数码管位驱动和指示灯驱动信号输出缓存，定义了一个可位寻址的变量 */unsigned char bdata output_sel;sbit led_1 = output_sel5;sbit led_2 = output_sel6;sbit led_3 = output_sel7;sbit led_4 = output_sel4;/* 数码管扫描驱动指针，为测试外部存储器（U3 6264），特使用xdata类型 */unsigned char xdata digi_scaner;/* 测试用计数器，为测试外部存储器（U3 6264），特使用xdata类型 */unsigned int xdata test_counter;/* 测试用计数值十进制表示，为测试外部存储器（U3 6264），特使用xdata类型 */signed char xdata digi4;sbit out= P15;bit keydown1,keydown2,old_k1,old_k2,keydown3,keydown4,old_k3,old_k4;bit trig1,trig2,trig3,trig4;bit state;unsigned int mode,test,test1,s;unsigned int i,hh,hl,ll,lh,aa,bb;unsigned int pwm,v,tt;unsigned char dt080420;/AD编码unsigned char xdata table51= 0xB8, 0xB6,0xB4,0xB2,0xB0,0xAE,0xAC,0xAA,0xA8,0xA6,0xA4,0xA1,0x9F,0x9C,0x9A,0x97,0x95,0x93,0x91,0x8F,0x8C,0x89,0x87,0x85,0x82,0x7F,0x7D,0x7A,0x76,0x74,0x71,0x6D,0x6A,0x67,0x64,0x60,0x5C,0x59,0x55,0x52,0x4E,0x4A,0x46,0x43,0x40,0x3D,0x3A,0x39,0x38,0x