吉林省大学生电子设计竞赛论文-程控直流电源

xx年吉林省大学生电子设计竞赛论文 xx年吉林省大学生电子设计竞赛 程控直流电源 【1Cxx年9月14日 1 摘要 直流电源被广泛地应用到各种工业场合。按照电路中调整管工作方式的不同，直流电源可以分为线性电源和开关电源。线性电源精度高，但效率低，开关电源体积小，效率高。课题要求设计输入直流20-30V，输出06-12V可调，输出电流不小于2A，考虑功率较大，故选用效率高的开关电源。 根据比赛要求，设计选用PWM方式对输入进行斩波调压，控制开关管占空比的PWM单片机产生。为了使输出电压稳定，对输出电压进行测量，通过软件调节算法得到PWM的占空比，输出给功率MOS管，形成闭环控制。为了防止负载电流过大对电源造成损坏，检测输出电流，并设置了过流保护。电路还扩展了显示屏和保护电路，输出电压和电流可以实时显示和调整。通过软硬件相结合，完成了数字程控直流电源的设计。 2 目录 1系统方案 . 2 显示模块的论证与选择 . 2 单片机模块的论证与选择 . 2 测试采样与反馈模块的论证与选择 . 3 降压模块的论证与选择 . 3 高频开关模块的论证与选择 . 3 综合以上二种方案，选择方案一。 . 4 控制系统的论证与选择 . 4 2系统理论分析与计算 . 5 系统理论分析 . 5 降压控制电路的分析 . 5 开关电源原理的分析 . 5 斩波降压电路的计算 . 5 斩波电路的输入输出关系 . 5 3电路与程序设计 . 6 电路的设计 . 6 系统总体框图 . 6 电源 . 9 程序的设计 . 9 程序功能描述与设计思路 . 9 程序流程图 . 9 4测试方案与测试结果 . 10 测试方案 . 10 测试条件与仪器 . 11 测试结果及分析 . 11 测试结果(数据) . 11 测试分析与结论 . 11 附录1：电路原理图 . 13 附录2：源程序 . 14 1 程控直流电源 【1C20220303组】 1系统方案 本系统主要显示模块、单片机模块、测试采样与反馈模块、降压模块、按键模块、高频开关模块、驱动模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 显示模块的论证与选择 方案一：LCM12864液晶显示屏。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字可以显示84行1616点阵的汉字，也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性:、低电源电压、显示分辨率:12864点、内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字、内置 128个168点阵字符、2MHZ时钟频率、通讯方式：串行、并口可选、内置DC-DC转换电路，无需外加负压、无需片选信号，简化软件设计。 方案二：液晶断码显示器。液晶段码显示器作为低功耗显示器件广泛应用各类仪器、仪表当中。于液晶显示机理是吸光型，各段需加交流电压驱动，使得驱动电路复杂。 方案三：LCD1602液晶显示屏。1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。LCD液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用。 综合以上三种方案，选择方案一。 单片机模块的论证与选择 方案一：MSP430F169。MSP430F169片内增加了8路快速12 位ADC模数转换模块，2路12 位DAC数模转换模块，两个通用连续同步/异步通信接口(USART)模块，I2C模块，DMA数据传送模块和硬件乘法器模块等。外围模块：经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。时钟模块可外接两个晶振，低速选用32768Hz晶振，高速晶振最高可到8MHz。其功能性强，结构简单，体积小，造价低，可靠性高，周期短运行速度快。 方案二：单片机51。其优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位 2 进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。但于频繁的数据交换，特别是数据块的搬运和比较，数据指针非常吃紧，它需要不断地实施现场保护与还原，不光编程变得复杂，而且运行速度也减慢。综合以上两种方案，选择方案一。 测试采样与反馈模块的论证与选择 方案一：回路电流测量部分欧姆精密电阻两端的电压为负值且数值很小，于单片机不能对负电压进行AD采样，故对其进行反相比例放大后test1点输出供单片机采样，测量回路电流。 反馈调节部分 单片机通过对test2点电压进行AD采样计算出负载两端的电压Uo，并与设定值相比较，从而来调整PWM信号的占空比，形成输出电压的闭环控制。 降压模块的论证与选择 方案一：降压斩波电路的基本原理 当PWM信号为高电平时，开关管IRF9540导通，VDD向负载供电，负载电压uo= VDD，负载电流按指数曲线上升；当PWM信号为低电平时，开关管IRF9540关断，二极管续流导通，负载电压近似为零，负载电流按指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。 降压斩波电路的数量关系：设连续电流为Io，根据能量守恒定律，一个周期输出能量为 tonIoE，负载和蓄电池吸收能量为(ton+toff)IoUo，得： Uo?tontE?onE?Eton?toffT 其中，tonV通的时间；toffV断的时间；a导通占空比。A小于等于1，可将降压 斩波器看作直流降压变压器。负载电流平均值： Io?Uo-EMR 按键模块的论证与选择 方案一：选择一：普通独立式键盘，焊接方便，编程简单。 选择二：4*4矩阵式键盘，焊接不便，编程困难，占用版面较大。 在满足题目要求的前提下以最简、最易为原则选择普通独立式键盘.因此综合以上两种方案，选择方案一。 高频开关模块的论证与选择 方案一：IGBT作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，驱动功率小而饱和压降低，非常适合用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、照明电路等。 3 方案二：场效应管它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点， 综上IGBT与场效应管的优缺点，结合设计题目的实际情况，我们选择540场效应管作为整个系统的高频开关。 综合以上二种方案，选择方案一。 驱动模块的论证与选择 方案一：NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况，只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 方案二：PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC时的情况。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电压高于一定的值，就可以了。这个很容易做到，但是我们还需要速度。在MOS管的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电 容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。第二注意的是，普遍用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。因此选用方案一NMOS场效应管，驱动电路采用光耦驱动，起到模拟电路与数字电路的隔离作用。 控制系统的论证与选择 方案一：1. 单片机系统电路MSP430F149芯片、复位电路、低速时钟电路、 高速时钟电路、按键和LCD1602液晶显示器构成.。 :PID调节器实际是一个放大系数可自动调节的放大器，动态时，放大系数较低，可以防止系统出现超调与振荡；静态时，放大系数较高，可以蒱捉到小误差信号，提高控制精度。PID控制器是把比例、积分和微分作用结合起来，以利用其各自的优点，通过线性组合作为控制器的输出量，作用于被控对象。PID控制器内各环节作用如下所述：比例环节实时地按照一定比例反映系统的偏差量 ，即一旦偏差出现，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例系数KP越大，系统的调整时间就越短，稳态误差也越小，但KP过大，会造成超调量过大，引起系统不稳定。积分环节消除系统的稳 4 态误差，提高系统的无差度。积分系数KI越大，积分作用越强，稳态误差越小，调整时间越短，但KI大，会造成稳定性变差。微分环节能及时地反映偏差量的变化趋势和变化率，有效改善系统的动态性能。通常，微分系数KD大，系统超调量减小，但KD大，也会造成系统稳定性下降。 2系统理论分析与计算 系统理论分析 降压控制电路的分析 设计出一种为便携式设备应用的高效率，固定频率操作的降压型DC-DC转换器控制电路。采用峰值电压模PWM控制方式对开关管通断情况进行控制的设计思想，提供了一种在允许输入电压范围内进行降压转换的功能。将控制电路与控制开关集成在一起，这样可以减小外部元件数目，也可以抑制电磁干扰再加以简单的外围电路，构成了完整的 DC-DC 转换器系统。主要设计控制电路部分，分七个模块，显示模块、单片机模块、测试采样与反馈模块、降压模块、按键模块、高频开关模块、驱动模块组成电路。 电压控制模式的分析 电压 控制模式控制电路过程中电感电流未参与控制，是独立变量。开关转换器为二阶系统，有两个状态变量，即输出滤波电容的电压和输出的滤波的电感的电流。二阶系统是一个有条件的稳定系统，只有对电路进行精心的设计和计算，满足一定得条件，方能使闭环系统稳定工作。电压控制的优势：三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；2.占空比调节不受限制；3.对于多路输出电源，他们之间的交互调节效应较好；4.单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；5.对输出负载的变化有较好的响应调节。 开关电源原理的分析 电源是一切电子设备的能量来源，其性能的优势直接关联整个系统的安全性和可靠性指标。电源可分为线性电源和开关电源两种。开关电源的优点是效率高，体积小。DC-DC开关电源的需求量越来越大，性能要求也越来越高。 斩波降压电路的计算 斩波电路的输入输出关系 如下： tonton?Uo=toffE=T?tonE=1?E 5 公式可知，输出电压Uo与输入电压E和占空?比有关，当知道输入电压E时，通过计算可得出占空比?，通过单片机改变占空比?的值，可以调节输出电压使输出电压为6-12V。 3电路与程序设计 电路的设计 本设计采用MSP430F169单片机作为系统控制单元，按键设置功能，LCM12864点阵显示器显示测量参数。 系统总体框图 系统总体框图如图1所示 LCM12864 按键设MSP430F169单测试与反馈系统 MOSFET驱动电路 降压型斩波电路 图1 系统总体框图 6 图2降压型DC-DC变换电路 7 图3单片机系统电路图 8 电源 电源变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供 5V或者 15V电 压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。 程序的设计 程序功能描述与设计思路 当IGBT处于导通状态时，-L1-IGBT回路和C1-IGBT-L2回路同时导电，L1和L2贮能。IGBT处于断开状态时，Uo-L1-C1-二极管-负载回路及L2-二极管-负载回路同时导电，此阶段Uo和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在IGBT处于导通状态时向L2转移。 输入输出关系：Uo=2、程序设计思路 ton?tonE=E=E T?ton1?toff用定时器中断产生PWM信号。用T0产生PWM的周期，用T1控制PWM的占空比，T0中断时让一个IO口输出高电平，且启动定时器T1， T1让IO口输出低电平3，这样改变定时器T0的初值可以改变频率，改变定时器T1的初值就可以改变占空比，用定时器实现了PWM功能。 PWM计算：对于8M晶振， PWM输出频率为5KHZ，这样定时中断次数设定为C=1600，即1/1600ms中断一次，则TH0=FF,TL0=F6;于设定中断时间为,这样可以设定占空比可从1-1600变化。 程序流程图 1、主程序流程图 主程序入口看门狗定时器初始化主时钟初始化定时器A初始化使能A/D通道关CPU低功耗等待 9 2、看门狗中断程序流程图 看门狗中断程序入口读按键启动转换读取数据显示电流值中断返回 3、定时器A程序流程图 定时器A中断程序入口启动转换读取数据进行闭环调节调整输出电压显示电压值中断返回 4测试方案与测试结果 测试方案 1、硬件测试 分别对每个模块的硬件电路做想用的测试。 2、硬件软件联调 通过软件调试，电路的参数将会变化，通过改变单片机PWM波的占空比，最终来电 10 压稳定在612V。 测试条件与仪器 测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。 测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。 测试结果及分析 测试结果(数据) 当输入电压UIN在2030V之间变化时，测出输出电压UO的值的大小 UIN 20 22 24 26 28 30 UO当输入电压UIN在2030V之间变化时，测出输出电压和电压调整率的大小 U1N IO=2A 测试分析与结论 根据上述测试数据，可以得出以下结论： U2NSU11 1、系统可以较好的完成设计的基本要求和发挥部分。 2、系统的输出电压稳定性比较好 3、当输入交流电压为24V，输出直流电流为2A时，能够稳定在6-12V。 综上所述，本设计达到设计要求。 12 附录1：电路原理图 13 附录2：源程序 14 xx年吉林省大学生电子设计竞赛 程控直流电源 【1Cxx年9月14日 1 摘要 直流电源被广泛地应用到各种工业场合。按照电路中调整管工作方式的不同，直流电源可以分为线性电源和开关电源。线性电源精度高，但效率低，开关电源体积小，效率高。课题要求设计输入直流20-30V，输出06-12V可调，输出电流不小于2A，考虑功率较大，故选用效率高的开关电源。 根据比赛要求，设计选用PWM方式对输入进行斩波调压，控制开关管占空比的PWM单片机产生。为了使输出电压稳定，对输出电压进行测量，通过软件调节算法得到PWM的占空比，输出给功率MOS管，形成闭环控制。为了防止负载电流过大对电源造成损坏，检测输出电流，并设置了过流保护。电路还扩展了显示屏和保护电路，输出电压和电流可以实时显示和调整。通过软硬件相结合，完成了数字程控直流电源的设计。 2 目录 1系统方案 . 2 显示模块的论证与选择 . 2 单片机模块的论证与选择 . 2 测试采样与反馈模块的论证与选择 . 3 降压模块的论证与选择 . 3 高频开关模块的论证与选择 . 3 综合以上二种方案，选择方案一。 . 4 控制系统的论证与选择 . 4 2系统理论分析与计算 . 5 系统理论分析 . 5 降压控制电路的分析 . 5 开关电源原理的分析 . 5 斩波降压电路的计算 . 5 斩波电路的输入输出关系 . 5 3电路与程序设计 . 6 电路的设计 . 6 系统总体框图 . 6 电源 . 9 程序的设计 . 9 程序功能描述与设计思路 . 9 程序流程图 . 9 4测试方案与测试结果 . 10 测试方案 . 10 测试条件与仪器 . 11 测试结果及分析 . 11 测试结果(数据) . 11 测试分析与结论 . 11 附录1：电路原理图 . 13 附录2：源程序 . 14 1 程控直流电源 【1C20220303组】 1系统方案 本系统主要显示模块、单片机模块、测试采样与反馈模块、降压模块、按键模块、高频开关模块、驱动模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 显示模块的论证与选择 方案一：LCM12864液晶显示屏。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字可以显示84行1616点阵的汉字，也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性:、低电源电压、显示分辨率:12864点、内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字、内置 128个168点阵字符、2MHZ时钟频率、通讯方式：串行、并口可选、内置DC-DC转换电路，无需外加负压、无需片选信号，简化软件设计。 方案二：液晶断码显示器。液晶段码显示器作为低功耗显示器件广泛应用各类仪器、仪表当中。于液晶显示机理是吸光型，各段需加交流电压驱动，使得驱动电路复杂。 方案三：LCD1602液晶显示屏。1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。LCD液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用。 综合以上三种方案，选择方案一。 单片机模块的论证与选择 方案一：MSP430F169。MSP430F169片内增加了8路快速12 位ADC模数转换模块，2路12 位DAC数模转换模块，两个通用连续同步/异步通信接口(USART)模块，I2C模块，DMA数据传送模块和硬件乘法器模块等。外围模块：经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。时钟模块可外接两个晶振，低速选用32768Hz晶振，高速晶振最高可到8MHz。其功能性强，结构简单，体积小，造价低，可靠性高，周期短运行速度快。 方案二：单片机51。其优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位 2 进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。但于频繁的数据交换，特别是数据块的搬运和比较，数据指针非常吃紧，它需要不断地实施现场保护与还原，