程控电流源设计毕业设计

1、武汉纺织大学毕业设计（论文）任务书课题名称：程控直流电流源的设计完成期限： 2016 年2月28日至 2016年5月20日院系名称：机械工程与自动化 指导教师：薛勇 专业班级：自动化11201 指导教师职称：副教授 学生姓名： 周星星 院系毕业设计（论文）工作领导小组组长签字 一、课题训练内容1与开关电源、电力电子相关技术资料的收集、查询以及文献综述，完成开题报告；2.学习程控直流电流源的背景知识，了解其应用领域、发展趋势，并训练用电力电子技术以及控制理论解决实际控制系统的能力；3.训练程控直流电流源系统的技术方案的选择和比较的能力；4.训练程控直流电流源系统的理论分析能力；5.训练程控直流电

2、流源系统的设计以及调试系统的能力；6.训练论文的撰写能力、电脑办公软件的应用能力、外文阅读以及翻译的能力。二、设计（论文）任务和要求（包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求）1.了解开关电源的结构、工作原理以及工作方式；2.设计BUCK同步整流主电路，运用单片机等相关技术对主电路实现程控恒流输出；3.运用Altium Designer设计绘制电路原理图，运用keil软件编写单片机程序；4. 按照学校统一要求，完成开题报告和毕业设计论文等要求。三、毕业设计（论文）主要参数及主要参考资料1. 毕业设计主要参数恒流源输出功率：<100W系统做工作效率：>85%

3、输出电流：小于1A，其大小且其持续时间可程序控制2. 毕业设计主要参考资料1 王兆安，刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，2012.72 罗维平，李德俊.单片机原理及其应用M.武汉：华中科技大学出版社，2012.53 侯振义.直流开关电源技术及应用M.北京：电子工业出版社,2006.44 张占松，蔡宣三著.开关电源的原理与设计 M.北京：电子工业出版社，2005.105 周志敏，周纪海，纪爱华著现代开关电源控制电路设计及应用M北京：人民邮电出版社，2005,5.6 薛易.一种精密程控恒流源设计 J .自动化仪表, 2009(4):63 -65.7 白泽生.基于AT89C52的数控电流

4、源 J .仪表技术与传感器, 2007(9):76 -78.四、毕业设计（论文）进度表武汉纺织大学毕业设计（论文）进度表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查人签名检查日期1234567注：1.本任务书一式两份，一份院（系）留存，一份发给学生，任务完成后附在说明书内。2.“实际完成情况”和“检查人签名”由教师用笔填写，其余各项均要求打印，打印字体和字号按照武汉纺织大学毕业设计（论文）规范执行。武汉纺织大学毕业设计（论文）开题报告课题名称程控直流电流源的设计院系名称机械工程与自动化专 业自动化班 级自动化11201班学生姓名周星星（内容包括：课题的意义，所属领域的发展状况，本课题的研究内容、研

5、究方法、研究手段和研究步骤以及参考书目等。）一、课题的意义随着时代的进步和科技的发展，社会工业化、农业机械化已是大势所趋，电子设备早已融入我们生活中，给我们带来了极大的方便，而电源是每个电子设备运行所必须的组成部分。电源作为电路工作的动力源泉扮演着不可或缺的角色，电源的性能直接影响到电路的稳定性、安全性。随着人们生活水平的日益提高，人们对电子设备的要求也越来越高，电源作为电子设备的一部分，也必须在精度、体积、稳定等各方面突破以满足设计需求。在电子电路中，通常都需要稳定的直流电流源来供电。而整个恒流过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。传统的直流电流源一直普遍存在功能简单、不好控制、

6、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高等一系列的问题。普通的直流电流源品种有很多, 但均存在以下问题：输出电流是通过粗调及细调（电位器）来调节。这样, 当需要精确输出电流, 或需要在一个小范围内改变时,就比较难以实现。另外, 随着使用时间的增加, 会影响波段开关及电位器的机械性能，难免会有接触不良的问题出现, 从而对输出也会产生一定的影响。直流电流源是电子技术中常用的仪器设备，是实验和科研不可缺少的仪器。程控直流电流源属于开关电源领域，开关电源电路具有性能优良、故障率低、使用寿命长等优点，而且还具有具有效率高、稳压范围宽体积小重量轻安全可靠等传统开关电源难以达到的优势。开关电源技术是一门实

7、践性很强的工程技术，要求有电力电子技术、电路设计等理论与设计基础，而且也需要单片机技术、模拟电子技术等多学科知识的综合应用。单片机技术的发展和AD、DA芯片的普及使得程控电源得以实现，使得电源的可操作性、数字化可视性、智能化得到突破性发展，无论在控制精度还是在发展前景上，与传统电源相比都有不可比拟的优势。二、所属领域的发展状况 20世纪70年代末期我国电源行业开始发展,到20世纪80年代中期,开关电源产品开始推广应用。经过数十年的发展，目前,我国已成为开关电源最主要的生产国和消费国。随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。电源作为当今人们生活中普遍存在的电子

8、商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展，在现有电源系统中加入嵌入式电源智能控制系统，是直流/直流电源行业正面临着问题。现代生活的日益智能化,势必要求开关电源朝着高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化智能方向发展。新型、节能、环保、智能化产品是开关电源发展的必然趋势。实现高频化、智能化,质量轻、体积小、厚度薄是主要发展方向。目前各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件。SMT贴片技术的广泛应用使得开关电源取有了新的进展,电子元器件可以布置在电路板的上下两

9、面,以确保开关电源更轻、更小、更薄。开关电源的向高频发展的趋势对传统的PWM开关技术也提出新的挑战, 开关电源的主流技术是如何实现ZVS、ZCS的软开关技术,这些技术不仅会大幅提高开关电源的工作效率,也会大大增强产品的可靠性。当然开关电源的高频化势必会增大噪声，引入高次谐波。最近几年来，些著名的芯片生产商又竞相研发了一大批单片开关电源的集成电路，为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的基础。此外，随着单片机技术的发展和控制理论的普及应用，开关电源的数字化控制也从比较简单的控制器加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。目前开关电源的发展方向主要

10、朝着更高的智能化、变换效率更高、产品特性更好、环保性能更突出、可靠性更强等方面发展。一、 本课题的研究内容、研究方法、研究手段和研究步骤主要内容：1 研究开关直流电流源的拓扑结构和原理2 设计开关直流电源的电路方案3 开关电源电力电子器件选型 、参数计算，实现硬件电路的设计4 实现单片机控制主电路电流按设定输出研究方法及手段：1. 将市电通过整流滤波电路得到直流电源作为输入电源2. 利用BUCk同步整流电路提高电路效率3. 采用TI公司的UC3842芯片结合IR2111作为开关管驱动芯片4. 采用stm32单片机以及数模转换器对主电路输出实现程控研究步骤：1. 准备阶段:主要任务是搜集与课题相

11、关的资料，了解开关电源的发展状况，了解开关电源的结构及其原理以及开关电源的相关技术。2. 设计阶段:本阶段主要完成电路图的设计与绘制，电路参数的计算，硬件电路的调试以及相关程序的编写。3. 论文撰写阶段：本阶段主要是对设计阶段的现象描述、测试结果展现和结论总结，以及论文的整理、修改、完善。二、 参考书目1 王兆安,刘进军.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2012.72 Sanjaya Maniktala.精通开关电源M.北京:人民邮电出版社,2008.103 罗维平,李德俊.单片机原理及其应用M.武汉:华中科技大学出版社，2012.54 侯振义.直流开关电源技术及应用M.北京:电子工业出

12、版社,2006.45 张占松,蔡宣三著.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社，2005.106 周志敏，周纪海，纪爱华著现代开关电源控制电路设计及应用M北京：人民邮电出版社,2005.5 开题报告符合要求，同意开题！指导教师签名： （薛勇）2015年2月 日摘 要本程控直流电流源由BUCk主电路、驱动电路、单片机控制电路三大部分组成。为了提高系统的输出效率，主电路采用同步整流技术，用开关管替代续流二极管以降低系统的内部损耗；PWM控制电路采用uc3842结合IR2111相结合作为主电路的驱动芯片，从而实现对主电路两个开关管的驱动；单片机控制电路以32位单片机stm32作为整个系统的控制

13、器，通过蓝牙使单片机和手机进行无线通讯，可以在手机上输入预期值，从而实现主电路电流按设定输出，另外外接键盘可以实现对输出电流的步进调节，采用模数转换芯片实现对主电路输出电流的采样，并结合TFT液晶显示屏实现实时电流输出显示。关键词：BUCK电路； 同步整流； uc3842； stm32； 程控； 恒流ABSTRACTThe system of program-controlled DC current source is composed of BUCK main circuit, drive circuit and single chip microcomputer control circ

14、uit. In order to improve the efficiency of system,the main circuit takes the way of synchronous rectifier which replaced the free-wheeling diode with switch tube to reduce the loss of the system.The PWM drive circuit combines uc3842 with IR2110 as the driver of main circuit so as to drive the two sw

15、itch tubes in the main circuit.The single-chip microcomputer control circuit is based on the stm32 as the control core of the whole system which can communicates with cellphone via blueteeth,and displays the real-time output current on TFT LCD which take samples by A/D conversion chip.Keywords:BUCK

16、main circuit; synchronous rectifier; uc3842; stm32; program-controlled; current source目 录1 绪论 11.1 程控直流电流源所属领域的发展现状11.2 程控直流电流源研究的意义 21.3 本课题研究的主要内容32 设计任务及设计方案32.1 任务要求32.2 设计思路分析 32.3 方案论证42.4 系统方案设计 53 硬件系统设计 63.1 电源模块63.1.1 输入电源 63.1.2 自制电源模块 73.2 主电路的设计 73.2.1 BUCK电路的工作原理83.2.2 同步整流原理 93.2.3 器件

17、选择及参数计算 103.3 PWM电路的设计123.4 单片机系统的设计 163.4.1 单片机的选择163.4.2 D/A、A/D转换183.4.3 蓝牙模块193.5 反馈网络的设计204 软件系统的设计224.1单片机内部资源224.2 软件设计 234.2.1 程序框图设计234.2.2 蓝牙及按键操作 244.2.3 A/D、D/A转换265 系统测试 295.1 测试结果 295.2 结果分析及误差分析306 结论30参考文献32附录33致谢35武汉纺织大学2012届毕业设计论文1 绪论1.1 程控直流电流源所属领域的发展现状20世纪70年代末期我国电源行业开始发展,到20世纪80

18、年代中期,开关电源产品开始推广应用。经过数十年的发展，目前,我国已成为开关电源最主要的生产国和消费国。随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。电源作为当今人们生活中普遍存在的电子商品，从上世纪九十年代末起便迅速发展。随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展，在现有电源系统中加入嵌入式电源智能控制系统，是直流/直流电源行业正面临着问题。现代生活的日益智能化,势必要求开关电源朝着高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化智能方向发展。新型、节能、环保、智能化产品是开关电源发展的

19、必然趋势。实现高频化、智能化,质量轻、体积小、厚度薄是主要发展方向。目前各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件。SMT贴片技术的广泛应用使得开关电源取有了新的进展,电子元器件可以布置在电路板的上下两面,以确保开关电源更轻、更小、更薄。开关电源的向高频发展的趋势对传统的PWM开关技术也提出新的挑战, 开关电源的主流技术是如何实现ZVS、ZCS的软开关技术,这些技术不仅会大幅提高开关电源的工作效率,也会大大增强产品的可靠性。当然开关电源的高频化势必会增大噪声，引入高次谐波。最近几年来，些著名的芯片生产商又竞相研发了一大批单片开关电源的集成电路，为新型开关电源的推广与普及奠定了良好的

20、基础。此外，随着单片机技术的发展和控制理论的普及应用，开关电源的数字化控制也从比较简单的控制器加电源芯片的控制结构发展到利用高性能DSP及FPGA进行PWM、通信、监控的全数字化控制结构。目前开关电源的发展方向主要朝着更高的智能化、变换效率更高、产品特性更好、环保性能更突出、可靠性更强等方面发展。1.2 程控直流电流源研究的意义随着时代的进步和科技的发展，社会工业化、农业机械化已是大势所趋，电子设备早已融入我们生活中，给我们带来了极大的方便，而电源是每个电子设备运行所必须的组成部分。电源作为电路工作的动力源泉扮演着不可或缺的角色，电源的性能直接影响到电路的稳定性、安全性。随着人们生活水平的日益

21、提高，人们对电子设备的要求也越来越高，电源作为电子设备的一部分，也必须在精度、体积、稳定等各方面突破以满足设计需求。在电子电路中，通常都需要稳定的直流电流源来供电。而整个恒流过程是由电源变压器、整流、滤波、稳压等四部分组成。传统的直流电流源一直普遍存在功能简单、不好控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高等一系列的问题。普通的直流电流源品种有很多, 但均存在以下问题：输出电流是通过粗调及细调（电位器）来调节。这样, 当需要精确输出电流, 或需要在一个小范围内改变时,就比较难以实现。另外, 随着使用时间的增加, 会影响波段开关及电位器的机械性能，难免会有接触不良的问题出现, 从而对输出也

22、会产生一定的影响。直流电流源是电子技术中常用的仪器设备，是实验和科研不可缺少的仪器。程控直流电流源属于开关电源领域，开关电源电路具有性能优良、故障率低、使用寿命长等优点，而且还具有具有效率高、稳压范围宽体积小重量轻安全可靠等传统开关电源难以达到的优势。开关电源技术是一门实践性很强的工程技术，要求有电力电子技术、电路设计等理论与设计基础，而且也需要单片机技术、模拟电子技术等多学科知识的综合应用。单片机技术的发展和AD、DA芯片的普及使得程控电源得以实现，使得电源的可操作性、数字化可视性、智能化得到突破性发展，无论在控制精度还是在发展前景上，与传统电源相比都有不可比拟的优势。1.3 本课题研究的主

23、要内容本次研究的课题所设计的系统包含整流滤波、主电路设计、驱动电路设计、单片机控制系统设计以及电流采样并LCD显示等五个大的模块，主要涉及到电力电子技术、单片机技术、控制理论等多学科知识的交叉应用，对理论知识和实际操作实验能力都有较高的要求。程控电流源的实现方法有很多，但是根据不同的功能如何选择设计方案是最关键的，本次研究的是与电力电子相关的开关电源和单片机控制相结合的课题，主要问题是如何利用单片机控制主电路的输出以及使主电路按单片机的设定进行输出。该系统的控制核心是单片机，替代了传统直流电流源利用硬件如滑动变阻器或可机械调整的电阻，结合数模转换器D/A实现对主电路的控制从而来改变电路输出，使

24、得整个系统输出能够连续可调并且可以按设定输出，因此使整个系统变得更灵活与安全，在控制精度、工作效率、操作方式等各个方面具有非常大的优势。2 设计任务及设计方案2.1 任务要求根据所研究的课题和实际情况，制定如下任务要求：(1) 恒流输出，输出电流小于或等于1A，输出功率小于100W(2) 具有步进调节输出电流并且显示实时输出电流的功能，其持续时间也可程序控制(3) 系统的整体效率大于85%2.2 设计方案分析根据任务要求，设计思路如图2-1所示。以交流市电作为供电来源，经过整流滤波电路得到直流电源，以此作为主电路的输入电源。对主电路输出电流经采样电阻转化成电压进行采样，此电压一般较小，放大后经

25、过反馈网络形成环控制电路以实现主电路电路的恒流输出，同时单片机控制ADC对输出电流进行采样，然后通过显示屏或者数码管实时显示电流大小。此外，用键盘控制单片机改变反馈网络实现程控从而使主电路达到新的稳态，使电流可以按照程序给定输出。因此，主要问题就是对主电路的设计以及如何实现控制主电路的输出，难度在于如何使输出电流与设定电流达到一致。此外，如何消除干扰、误差以及提高系统效率等问题也是在设计方案时索要考虑和注意的问题。 图2-1 设计框图2.3 方案论证对于程控直流电流源，实现方案较多，现简单分析：方案一：采用反馈比较实现恒流如图2-2，利用采样电阻得到电流信号（代表电流大小的电压信号），通过OP

26、07与输入电压比较并放大，控制输出电流的大小。当一定时，运算放大器的，且有, (2-1)因而能实现恒流。原理图如图2-3所示，图中, (2-2)当足够大时，,即实现恒流。该方案的优点是电流稳定性好，三极管值引起的电流变化，可以通过反馈自动补偿实现稳流，而且容易实现程控。方案二：采用BUCK降压电路实现恒流输出如图3所示DC-DC主电路采用BUCK电路。该方法是在输出端与负载串联精密电阻取样得到反馈电压，将反馈电压Vf和单片机控制模数转换器输出的电压运算之后的电压与高精度的参考电压比较得到误差电压，此误差电压经PWM芯片放大后输出改变开关管驱动芯片的占空比从而调整开关管的导通程度，使预设电流值和

27、实际电流值的逐步逼近，直至相等，从而达到恒流输出的目的。图2-2 设计方案一图2-3 设计方案二图2-4 系统方案设计2.4 系统方案设计比较上述两种方案，方案一通过运算放大器比较反馈电压和给定电压来控制三极管的关断进而使电路达到恒流输出的目的，电路结构比较简单，也很容易实现程控，但是调试起来比较麻烦，而且三极管会因为持续通过的电流而产生大量热量，而三极管的稳定性受温度的影响较大，从而影响整个系统的稳定性与可靠性。方案二采用BUCK电路作为主电路，利用电力电子器件功率MOSFET的开关特性，通过具有一定占空比的开关信号来控制开关管的导通与关断，从而控制电路的输出，在输出采集反馈电压，与给定电压

28、相比较，进而调节开关信号的占空比，使输出达到期望值，此方案整个系统形成闭环，稳定性很高，并且效率也可大大提升。目前市场上产生PWM的开关管驱动芯片种类很多，价格便宜，运用方便，不过此方案电路设计较复杂，而且对电路的调试能力有一定的要求。通过对比两种方案，再结合本次课题的具体要求，方案二更为合适。整体方案如图2-4，整个系统包括整流滤波、BUCK主电路、PWM电路、单片机控制系统、AD采样等主要部分构成，具体各个模块设计将在下一章节讨论。 3 硬件系统设计3.1 输入电源的设计3.1.1 输入电源整个系统的供电包括主电路输入、各种芯片的供电、单片机供电，为方便使用，从市电引入220V、50Hz的

29、交流电。由于主电路的输入要求是直流，功率在100W以内，所以必须使用变压器先将市电降压。避免自己手工绕接的变压器不合标准而产生安全隐患，因此直接从市场上购买了AC220V-AC18V的变压器，如图3-1所示，得到了AC18V的低压电压。图3-1 输入电源设计对于主电路的输入要求是直流，所以还必须将得到的AC18V转化成直流电。整流桥整流是常用的方法。整流桥就是将整流管封在一个壳内了，分为全桥和半桥。全桥内部是将四个二极管连接成桥式整流电路封装在一起。，用两个半桥可组成一个全桥式整流电路，一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路，选择整流桥要考虑整流电路和工作电压。根据变压器AC18V的

30、输出和主电路不小于1A的电流的输入，选择扁型全桥整流桥RS507进行桥式全波整流，RS507能承受的最大反向电压高达1000V，最大平均输出电流为6A，满足系统设计的要求。此外，为保证系统安全，在主干路上安装了一个保险管来防止电路电流过大，如图3-2。图3-2 整流电路3.1.2 自制电源模块本系统需要多个电源，单片机使用+5V稳压电源，运放等需要±15V稳压电源。电源虽简单，但在高精度的系统中，稳压电源有着非常重要的作用。因此采用广泛使用且稳定性很好的78系列和79系列稳压芯片，其中78系列是正电压稳定芯片，79系列是负电压稳定芯片，以LM7805为例介绍。LM 7805系列为三端

31、正稳压芯片,在输入电压大于5V时，输出脚能输出+5V固定电压，输出电流可达 1A，普遍应用在各种场合。此外其内部含有过流、过热和过载等保护电路来确保工作安全。 图3-3 自制电源本电源先通过变压器电压变换降压到AC18V，然后通过桥式全波整流后进行电容滤波得到直流电压27V，再通过三端固定输出集成稳压器产生稳定电压+15V，-15V，+5V，-5V。为了改善纹波特性和改善负载的瞬态响应，在输入端和输出端加接电容。采用三端集成稳压器LM7805、LM7905、LM7815、LM7915分别得到±5V、±15V的稳定电压，可以提供1000mA的上限电流。利用该方法实现的电源电路

32、简单，工作稳定可靠，可实现给各种芯片供电。实现电路原理图如图3-3.3.2 主电路的设计3.2.1 BUCK电路的工作原理BUCK变换器是开关电源基本拓扑结构中的一种，BUCK变换器又称降压变换器，是一种对输入输出电压进行降压变换的直流斩波器，即输出电压低于输入电压，由于其具有优越的变压功能，因此可以直接用于需要直接降压的地方。开关稳压电源已广泛运用于基础直流电源、交流电源、各种工业电源，通信电源、通信电源、逆变电源、计算机电源等，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。降压斩波电路主电路原理图如图3-4所示。可以看出基本的BUCK电路由开关管Q、续流二极管D、电感L、电容C等主要器件构成，将

33、快速通断的晶体管置于输入与输出之间，通过调节通断比例（占空比）来控制输出直流电压的平均值。该平均电压由可调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。图3-4 BUCK电路原理图当Q1导通，输入端电源通过开关管Q及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电。电感相当于一个恒流源，起传递能量作用，电容相当于恒压源，在电路里起到滤波的作用。当Q1关断，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。3.2.2 同步整流原理目前,同步整流技术在DC/ DC模块电源领域得到了广泛的应用。随着MOSFET 设计工业技术的进步,使当今的MOSFET

34、 的性能大大提高。同步整流技术几乎可以应用到各种电路拓扑结构,并且可以结合其它技术,从而形成了形式多样的同步整流技术。同步整流电路是采用通态电阻极低的功率MOSFET来取代整流二极管，因此能大大降低整流器的损耗，提高DC/DC变换器的效率，满足低压、大电流整流的需要。功率MOS 管是一个可以双向导通的器件, 如图3-5所示其完整的漏源伏安特性应包括第一象限即我们最常用到的特性，以及第三象限即同步整流所用到的特性，两个象限的特性是对称的。其中第一象限表示MOSFET 的正向导电特性, 第三象限表示MOSFET的反向导电特性; 同步整流技术正是利用了MOSFET的这种双向导电特性来达到提高整流效率

35、的目的。近年来随着电源技术的发展，同步整流技术正在向低电压、大电流输出方向快速发展，并在各种DC-DC变换器中迅速普及应用。DC/DC变换器的内部损耗损耗一般主要由以下几部分组成：功率MOS管的损耗，高频变压器的损耗，输出端整流管的损耗。在低电压、大电流输出的情况下，整流二极管的导通压降较高，输出端整流管的损耗尤为突出。快恢复二极管（FRD）或超快恢复二极管（SRD）可达1.01.2V，即使采用低压降的肖特基二极管（SBD），也会产生大约0.6V的压降，这就导致转换电路本身损耗增大，使电源的转换效率变低。而功率MOSFET的导通压降比较小，一般导通后压降仅0.06V左右，可以极大的减少损耗，很

36、好的提高电路效率。因此作为整流、续流用的同步MOS管必须具有低导通电阻、体二极管反向恢复电荷小、栅极电阻小和开关特性好等特点，才能达到以上效果。图3-5 MOSFET的伏安特性曲线因此，为了减小系统损耗，提高电路的工作效率，主电路采用BUCK电路结合同步整流技术，如图3-6，其中MOSFET1作为主开关管，MOSFET2作为续流开关管。需要注意的是，在控制驱动两个开关管时，使两管交替导通，要保证两管不能同时导通，避免引起短路，其控制方法将在后面讨论。图3-6 BUCK主电路3.2.3 器件选择及参数计算对于主电路主要有两个MOS管、电感和电容四个元器件。基于电路的输入和输出电流电压的要求以及市

37、场上的普遍程度，MOS管选择IRFP460，IRFP460是N沟道的功率MOSFET，其漏源极承受电压VDS高达500V，漏极导通最大电流ID最高20A，并且具有较低的导通电阻RDS(on)0.27，是较理想的选择。图3-7 IRFP460外观图以及结构图在Buck电路中，电感L和电容C是一个低通滤波器，此滤波器的设计原则是，尽可能只让使输出电压的直流分量可以通过，最大限度地抑制输出电压的开关频率及其产生的谐波分量通过。但是，需要声明的是，不可能完全滤除开关频率及其谐波分量，因此构建一个只让直流分量通过完美的滤波器是不可能的，所以，在输出中无法避免的存在一小部分杂波是由于开关产生的高频谐波。对

38、于电感，根据BUCK电路的工作原理及工作方式推导出电感的计算公式为（其中Ui为BUCK电路输入电压，D为MOS管占空比，k为常系数一般取值0.05-0.1，f为MOS管的开关频率，Imax为主电路输出的最大电流），因为开关频率f对DC-DC电路变换的效率影响非常大，如果f太高，可以使充电电感和滤波电容体积减小，但是充电电感的涡流损耗，磁滞损耗及其其他元件的分别参数的影响加大造成的其他元件损耗加大。如果f太低，充电电感，滤波电容的体积太大，在保证充电电感量的前提下，线圈匝数增多，铜损耗加大。综合考虑各种因素，这里设计开关管的开关频率为f=38.298KHz，则根据UC3842技术说明f=1.8/

39、(CT*RT),对于占空比，参考UC3842技术说明，选择D max=50%，因为负载可变，输出电压也是可变的，所以这里选取UC3843的最大占空比，是负载可变范围加大，而最大输出电流Imax=1.0A，k=0.05，Ui=24V，从而可以得到L=1.18 mH。关于滤波电容的选择，电容需要滤掉主要的开关纹波，选择容量大、阻抗小的电容，目的是使开关频率很高时的电容值阻抗相对于负载阻抗R来说非常小，从而电容吸收几乎所有的电感上进过的电流纹波，电容电流波形近似为电感电流波形去掉直流成分后的交流成分，而流经负载电阻R上的纹波就变得非常小。输出滤波电容的选取决定了输出纹波电压，纹波电压与电容的等效的串

40、联电阻ESR有关，电容的纹波电流要大于电路中的纹波电流。这里选取四个2200uf/35V的电容并联以降低电容的等效串联电阻。3.3 PWM电路的设计驱动电路即是用开关管驱动芯片产生PWM来控制开关管导通和关断，从而控制电路的输出。本系统主电路采用的是BUCK同步整流电路，用到了两个开关管，因此，必须要有两路驱动信号，且两路信号要使两个开关管交替导通。因而想到采用半桥驱动芯片IR2111，IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成电路，可用来驱动工作在母线电压高达600V的电路中的沟道功率MOS器件。采用一片IR2111可完成两个功率元件的驱动任务，其内部采用自举技术，使得功率元件

41、的驱动电路仅需一个输入级直流电源；可实现对功率MOSFET和IGBT的最优驱动，还具有完善的保护功能。IR2111是高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT的适用于半桥驱动的驱动芯片，一路输入信号，可产生两路相位相反的输出信号，驱动输出电压10-20V，高端承受电压高达600V，且内置700ns死区时间使开关管延时短暂的时间导通或者关断以防止两管同时导通导致电路出现短路而产生不良后果，其效果如图3-8。IR2111的内部结构图如图3-9，引脚功能说明见表3-1 。IN脚是控制信号的输入端，此脚的具有很高的等效输入电阻，单片机、光耦或其它控制器发出的控制信号可直接连接此脚。逻辑输入信号与CMO

42、S电平兼容，在VCC是15V时，当IN输入电压在06V时为低电平信号，此时输出端HO为低电平输出，即为逻辑0，LO为高电平输出，可以驱动下管导通；当输入电压为6.415时为高电平，此时HO输出端电压为逻辑1，可以驱动上管导通，LO端的电压为010。 图3-8 IR2111开关时序图图3-9 IR2111内部结构图表3-1 引脚功能说明IR2111的典型应用电路图如图3-10 。其中需要注意的是由于IR2111的高端输出是采用自举电路使高端驱动HO工作，图16中的二极管和自举电容组成自举电路，供电电源VCC直接为低端驱动LO提供电源，VB通过自举电路获得高于VCC电压的电压，从而使高端MOSFE

43、T的门极电压高于源极电压，即Vgs>0；使开关管导通，因此自举二极管和自举电容必须接入才能使芯片正常工作，根据IR2111的技术说明，该电容取值为0.1uF。自举二极管在高端器件开通时，必须能够阻止高压，并且应是快恢复二极管，以减小从自举电容向电源VCC的回馈电荷，其反向耐压应大于功率端电压，此外，其恢复时间不应大于100ns9。自举电容图3-10 IR2111的应用电路从上面的分析看，IR2111芯片可以很好地解决双管驱动的问题，但是可以发现，IR2111的输入脚要求以一定占空比的PWM信号输入，主电路输出产生的反馈信号是一个固定大小的模拟量，因此IR2111不能直接接收反馈电压，单独

44、使用它不能使整个电路形成闭环，也达不到期望的要求。基于以上情况，必须还需要一种可以根据反馈信号自动调节占空比的芯片，使这个PWM信号作为IR2111的输入，这正好解决了不能形成闭环的问题。这里选择美国德州仪器公司生产的uc3842芯片。uc3842本身也是一款开关电源中MOS管的驱动芯片。UC3842 是一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，具有管脚数量少、外围电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，可直接驱动双极型晶体管、MOSFEF 和IGBT 等功率型半导体器件，广泛应用于计算机、显示器等系统电路中作开关电源驱动器件8。UC3842内部结构和引脚如图3-11，UC3842采用

45、固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，内部主要由5. 0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET的大电流推挽输出电路等构成。1脚为COMP端，是误差放大器的输出端；2端为反馈端，此脚用来产生误差电压，控制脉冲宽度; 3端为电流测定端; 4端为定时端，外接Rt、Ct 确定锯齿波频率；5端接地；6端为推挽输出端,有拉、灌电流的能力；7端为集成块工作电源电压端,可以工作在840V；8端为内部供外用的基准电压5V,有50mA的负载能力。图3-11 uc3842内部结构图UC3842的引脚及功能说明如表3-2。表

46、3-2 UC3842引脚说明3.4 单片机系统的设计3.4.1 单片机的选择首先来了解本次课题设计的系统跟单片机相关的部分。从图3-12的单片机控制系统设计可以看出，按键、蓝牙模块、AD采样模块、DA转换模块、液晶显示模块都要受到单片机的控制和信号处理，所以单片机处于控制的核心地位。先从引脚数量上来看，液晶显示模块采用的是16位并行的数据口，加上液晶显示屏的其他引脚，所以整个模块至少占用单片机的30个I/O口，如果是片外的AD芯片和DA芯片，则都要单片机提供时序，一般至少有时钟位、片选位、数据口等接口，才外还需要单片机具有与蓝牙进行通讯的串口功能，对外接键盘的定时扫描。因此可以看出，单片机需要

47、处理的信息非常多。图3-12 单片机控制系统51系列的单片机作为基础入门的单片机，广泛应用工业测控系统之中，51单片机具有4组共32个I/O口，内部有2个可编程定时器/计数器，5个中断源，一个全双工的串口通讯口，对于一般的小型控制系统来说，51系列单片机也足以胜任。不过51系列单片机是8位单片机，即每次只能处理8位数据，而且其外部晶振的最高频率只能达到33M，因此在处理速度方面，51单片机表现欠佳，如果还要和TFT液晶屏配合使用的话，液晶的刷新频率也会比较低，会使整个系统反应比较慢。此外，根据上面的分析，51系列单片机只有32个I/O口，对于本系统而言，并不能满足设计要求。因此，本次系统需要一

48、款处理速度快、有大量接口的单片机来作为我们整个系统的控制器。基于高科技的快速发展和单片机技术的普及，一些高性能的单片机以低价格在社会上被普遍使用，STM32就是其中之一。图3-13 STM32的引脚图STM32系列单片机是由意法半导体公司（STMicroelectronics）生产，基于高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的ARM Cortex-M3内核，Cortex-M3处理器拥有32位CPU，并行总线结构，拥有嵌套中断向量控制单元，调试系统以及标准的存储映射。嵌套中断向量控制器（Nested Vector Interrupt Controller,简称NVIC）是Cortex-M3

49、处理器中一个比较关键的组件，它为基于Cortex-M3的微控制器提供了标准的中断架构和优秀的中断响应能力，为超过240个中断源提供专门的中断入口，而且可以赋予每个中断源单独的优先级。，STM32都会配备常见外设，诸如多通道ADC,多个通用定时器，I2C总线接口，SPI总线接口，CAN总线接口，USB控制器，实时时钟RTC等。但是，它的每一个外部设备都具有独特之处。例如，12位分辨率的ADC具备多种转换模式，并带有一个内部温度传感器，带有双ADC的STM32器件，还可以使两个ADC同时工作，从而衍生出了更为高级的9种转换模式；STM32的每一个定时器都具备4个捕获比较单元，而且每个定时器都可以和

50、另外的定时器联合工作以生成更为精密的时序。本次选择型号为STM32F103ZET6的单片机，其属于“增强型”系列单片机，拥有以上全部功能，其外部引脚总共有144个，如图3-13。由上分析可见，采用stm32单片机可远远满足系统需求。3.4.2 D/A、A/D转换Stm32内部有多达18个ADC输入通道，可测量16个外部和2个内部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。内部ADC是一种12位逐次逼近型模拟数字转换器，其结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。参考电压Vref为3.3V，因此可得到此ADC的分辨率为1/4095*Vref=0.8mV，内部ADC的转

51、换速度非常快，在时钟为56MHz时为1s，在时钟为72MHz为1.17s。其转换时序图如图3-14， ADC在开始精确转换前需要一个稳定时间tSTAB，SET ADON被置一个短暂的高电平，在下一个时钟的下降沿ADC转换开始，持续12个时钟周期，在开始ADC转换和14个时钟周期后，转换完成标志位EOC标志被设置，必须由软件清除，转换的结果包含于16位的ADC数据寄存器。然后同理准备进行下一次转换。图3-14 内部ADC转换时序Stm32的数字/模拟转换模块(DAC)是12位数字输入，输出电压值的数字/模拟转换器。DAC可以配置为12位模式，并且可以与DMA控制器配合使用。DAC工作在12位模式

52、时，数据可以设置成左对齐或右对齐。DAC模块有2个输出通道，每个通道都有单独的转换器。在双DAC模式下，2个通道可以独立地进行转换，也可以同时进行转换并同步地更新2个通道的输出。DAC可以通过引脚输入参考电压VREF+以获得更精确的转换结果。数字输入经过DAC被线性地转换为模拟电压输出，其范围为0到VREF+。 任一DAC通道引脚上的输出电压满足下面的关系：Vout = VREF x (DOR / 4095) (3-1) DAC的其时序如图3-15。图3-15 带软件触发的DAC转换时序3.4.3 蓝牙模块Stm32具有USART功能，USART即通用同步异步收发器，接口通过三个引脚与其他设备

53、连接在一起。任何USART双向通信至少需要两个脚：接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。 RX：接收数据串行输。通过过采样技术来区别数据和噪音，从而恢复数据。 TX：发送数据输出。当发送器被禁止时，输出引脚恢复到它的I/O端口配置。当发送器被激活，并且不发送数据时，TX引脚处于高电平。在单线和智能卡模式里，此I/O口被同时用于数据的发送和接收。蓝牙模块HC05，是一款高性能主从一体蓝牙串口模块，可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等智能终端配对，该模块支持非常宽的波特率范围：48001382400，并且模块兼容5V或3.3V单片机系统，可以很方便与用户产品进行连接。使用非常灵活、方便。另外，模块自带了一个状态指示灯：STA。该灯有3种状态，分别为：（1）在模块上电的同时（也可以是之前），将KEY设置为高电平（接VCC），此时STA慢闪（1秒亮1次），模块进入AT状态，且此时波特率固定为38400。（2）在模块上电的时候，将KEY悬空或接GND，此时STA快闪（1秒2次），表示模块进入可配对状态。如果此时将KEY再拉高，模块也会进入AT状态，但是STA依旧保持快闪。（3）模块配对成功，此时STA双闪（一次闪2下，2秒闪一次）。有了STA指示灯，我们就可以很方便的判断模块的当前状态，方便用户使用。将HC05的RXD与s