工程实践与科技创新3a-第104组设计报告

FFF摘要：DC-DC20~30V5~10V可控输出直流稳压的直流稳压电源。本设计报告主要详细阐述了这种稳压电源的实现过程，包括DC-DC开关电源子系统的硬系统利用单片机子系统改变波的占空比，来控制输出直流电压，达到开环控制的效果：DC-DC稳压电源，开环控制，闭环控制，波，占空比ThisdesignreportamplyillustratesthedesigninganddebuggingprocessofbuckDC-DCanditscontrollingpart.ItincludesthehardwaredesignofDC-DCswitchpowerandvoltage-controlledsubsystems,andthesoftwaredesignofsinglechipsubsystem.Atthesametime,theseriesofproblemswemetintheprocessofdesigninganddebuggingarealsomentionedinthisreport.Also,therearedetailedexnationsaboutthevariesofproblemsconcernedinthedesigningsuchasthesystemflowchart,thedesigningandrealizationofbothsystemhardwaresandsoftwares,thetechnicalindex,theysisofdebugging,andtheexnationconcerningthemanipulationofusers. 概 编写说 名词定 硬件开发环 软件开发环 缩略 系统总 系统组 电压控制子系 电压测量子系 单片机子系 系统的主要功 降压功 单片机控制输出电压功 自动检测功 单片机开闭环切换功 占空比自动刷新功 DC-DC开关稳压电源模块的设 开关电源子系统系统功能与设计目 实现功 主要指 开关电源子系统设计原 开关电源子系统主要组成部分与参数说 TL494生 波的工作原 开关三极管TIP42在电路中的作 TL494电路设 开关电源子系统参数说 开关电源子系统设计原 电压控制子系统的硬件设 主要功能与设计目 系统的主要功 整形电 单有源低通滤波器 信号变换与....................................................................................光电偶控 电压测量模块的硬件设 主要功能和设计指 电压测量子系统的设计原 主要电路与参数设 ADC输入方 测量处理主电 单片机小系统及软件设 单片机子系统的简要介 功能特性的概 系统板与本设计相关部 单片机软件程序描 主程序流 重要的全局变量与常 主要模块描 致 参考文 附录 系统操作说明 系统功能叙 性能指 按键操 附录 测试和分 测试项目和方 测试的资 及分 附录 课程学习心得和意见建 附录 软件程序.......................................................................................概本文是基于《工程实践与科技创新ⅢADC-DC稳压电源控制系统的报告。DC-DC稳压电源系统主要实现了将不稳定直流电压转化为稳定直流电压输出的功能。该系统应用范围报告中主要阐述了该系统的组成和结构、设计思路与原理、软硬件开发和检测数据结果等方信号：包括CPU（进行运算、控制）、RAM（数据）、ROM（程序）、输入/输出设备（串七段显示数码管Windows Windows WindowsWindows（pulsewidthmodulation）：脉冲宽度调制信号LPF(lowpassfilter)：低通滤波器DCdirectcurrent)AD(anolog,digital)：模拟-系统总述DCDC20~30V直流电，经过处理后，输出5~10V可调的稳定直流电。整个系统主要由四部分构成：DC-DC开关电源，电压控制子系统，电压测量子系统和单片机子系统。系统组成框图如图2.1所示：20-DC

5-10V可调/1ADC输

A-

变换

整2.1系统组成框图该系统主要由开关三极管 波，控制开关三极管TIP42的通该系统主要由整流电路、低通滤波器、信号转换与电路三部分构成。整流电路主要以4011和TL431构成，有源低通滤波器主要由运算放大器构成，信号转换与电路主要由4N25构成。输入为单片机产生的波，输出为电压。主要实现通过调节单片机输出的占空比可调信号控制电压输出，进行开环控制。电压控制子系统组成框图如图2.3所示：A/D102进制编框图如图2.4所示。产生波，对开环进行控制；根据电压测量系统的反馈回的10位二进制编码，进行对波的修正，从而使输出值达到精确。如图2.5所示。输入为20～30伏的不稳定直流电压，输出为5～10伏的稳定直流电压。输出性能指标能达到：纹波约为40mv，效率大于65％，电压调整率小于0.2％。电压输出可调。用户可跳过DC-DC板，直接通过调节单片机按键来控制输出的直流电压值，单片机数码管上显示了当前输出电压值，达到偏差小于0.05V的性能指标。这能使得系统更容易操作，也方便标电压±0.1V范围内。DC-DC开关稳压电源模块的设计动态响应：ms级限流值：1.1A左右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，产生的波来控制开关三极管TIP42的通断，从而储能电感可以进行充放电，来达到输出电压的稳定。电压反馈分压网络输出端电压按比例得到反馈电压信号TL494，将反馈电压与其中的差分TL494中生成的高频锯齿波进行比较，生成一定占空比的控制信号信号驱动开关三极管的导通与截止。当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小，三级管导通，此时，输入电源电压经由三级管通路对储能电感进行充电；当控制信号处在高电平时，加在DC-DCDC-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。TL494是DC-DC部分的器件，因而需要对其内部电路进行详细了解，并弄懂其工作原理。TL494内部结构如图3.2所示。3.2TL494内部结构电路图 脚同样外接一个分压电路。2R5R8对基准电压分压得到。R3C2的作用是抑制高频增益，防止自激。如图3.4所示。TL494生成3.5所示，5、6两脚分别接电容电阻，而在TL494内部，5、6两脚连着一个振荡器。设V1为采样电压，V2V1>V2VAV1<V2时，VA放电。当VA波幅值大于锯齿波时，比较器输出为低；当VA波幅值小于锯齿波时，比 发射极两端的压降小，则三极管截止。如图3.6所示。振荡电路：C3和R3与TL494的5、6管脚相连组成TL494波的频率选择电路，决定R1、R2、TIP42TL4948、11、128号管脚输出的为高点平时开关三极管截止，则输入输出级断开，反之闭合。R11—R14构成输出电压Vo采样分压网络，形成Vs送入1号比较器1管脚与（4）电路一起构成Vo稳压调节电路。0—0—L增大电压控制子系统的硬件设计通过单片机编程，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控制信号，但是这个波的高电平分量，由于占空比不同的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子系统输出不压值的目的。整个原理流程可以分成四个部分：(1)单片机产生波（2）整形电路（3）有源LPF（4）信号变换与。系统过程流程图如图4.1所示。主要参数如表4.1。整形电路的主要目的是将单片机输出的不稳定波（见前一章节）转化为稳定的波401140114.3整流电路图电压控制子系统的关键是有源低通滤波器，它的作用是把波中的直流分量滤掉。有源低通滤波器由运放及其外部电路组成，电路图如图4.4所示。 1fc 14.5LM741管脚图对于低频的输入信号，C1，C2可以看作开路，此时信号直接输入集成运算放大器的正向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。4.64N25原理图 4.74N25控制电路电压测量模块的硬件设计过光耦4N25将输出电压进来，经过模数转换器的量化编码，输入给单片机。单片机通过软件编程，不断地将读入编码所对应的电压值与要求达到的电压值进行比较，并控制输出本系统信号变换用的是ATmega16中的ADC功能。DC-DC开关电源子系统的输出电压经应到Va的编码值，对于输出占空比进行微调，实现对于电压的更精确的控制。

，由 CVa1024可知，V的变动aa

围受限，约有一半的编码空间未使用，等效为9位ADC。而ADC差分输入利用ADC1作为参考电入实现方式。模块设计图如图5.2所示。0~2.5VADC，差分处理电路图如图5.3所示。其中，参数设置为：101010TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任Verf（2.5V）36V5.4所示。VKAR1R2的其中Vref=2.5V5.4TL431电路2.5VDC-DC电源输出电压进行差分运算，传入单片机系统中。因此，这里设置R1短路，即R1=0VKA=2.5V5.5所示。运算放大器差分电路如图1右半部分电路所示。VinDC-DC电压源输出电压，Vout为单片5.5TL431电路单片机小系统及软件设计ATmega16AVRRISC8CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega161MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功ATmega16有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，USART，有起始条件检测器的通用串行接口，810位具有可选差分输入级可编程增(TQFP)ADCSPI串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时CPU停止工作，而USART、两线接口、A/DSRAMT/CSPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时ADCI/OADCStandby模式下只有晶体或力；扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。封装图和内部电路方块图分别如图6.1封装图A8I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。D8I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。TCNT1OCR1A/BICR116数据来定义。在模式下用OCR1ATOPOCR1A寄存器不能用作输出。但OCR1ATOPTOP值时可以使用ICR1寄存器，从而释放OCR1A来用作的输出。开环工作模式：识别用户通过按键输入的期望电压数值，将数值在数码管上显示；且触发内部算法，根据一定的函数关系，产生一定占空比的波，使输出电压与数码管显示值致。闭环工作模式：识别用户通过按键输入的期望电压数值，将数值在数码管上显示；ADC电路的反馈所转换的数字信号，并根据此信号调整输出的矩形的占空比，使电路输出的电压值#definebtimeunsignedcharunsignedcharunsignedcharunsignedcharvolatileunsignedcharunsignedcharunsignedintunsignedcharvolatileunsignedintunsignedintLED_Volt;unsignedintLED_Volt_ans;unsignedlongintLED_Volt_all;unsignedintd[25];unsignedintunsignedintunsignedintunsignedintunsignedint()//回if(++digi_scaner>=5)digi_scaner=1;switch(digi_scaner){output_sel+=output_sel+=output_sel+=output_sel+=}{led1=if{}}

led1={led2=if{}}led2={led3=if{}}led3={led4=if{}}{

led4=1;{else}}按下sw1输出电压+0.1，按下sw2输出电压-0.1,按下sw3输出电压重置为5.0V，按下sw4将在sw4将会将闭环调整过各个电压的占空比数组刷新开环所用的占digi[0] digi[1]test_counter-digi[0]*1000)/100;//digi[2]=(test_counter-digi[0]*1000-digi[1]*100)/10; digi[3]=mode;//查询方式ADC0LED_Volt=(unsignedint)(temp32/1024); ADC20次的转换值存到数组d[]中，取其平均，然后与要求电压比较。功能实现OCR1A来改写占空{elseelse}占空比了之后，若检测到mode=1，即闭环模式，则将ADC转换得到值与事先测出的标准进行比ADC数组模{returnADC;}DC-DC5-10V0-2.5V，通过单端输入PA0口，之后此电压通过中的ADC模块转换成10位2进制序列，在此程序中被。致感谢在中一同努力的，在缺少工具时，在测量电感Q值时，在调试遇到问题时，参考文献A通过本系统，可以将20～30V不稳定的直流电压转换为5～10V稳定的直流电压，可以通过LED显示电压大小，并通过按键进行调节，且有开环、闭环两种模式可以选择，用户可根据精度需1：输出电压增加0.1V2：输出电压减少0.1V按键3：定位到5V按键输出电压最低5V，到5V时再减少电压系统将不做反应。输出电压最高10V，到10V时再增加电附录 测试和分输出电压可调范围（5分5.0V；最高输出10.0V上下限之一不达标，扣分输出纹波（5分小于等于2分；每高过限值20mV，多扣1分探头X10，Y20或50mV档效率（低于限值扣2测量输入电压、输入电流、输出电压，负载以10计。电压调整率（5超过限值扣210.0V±0.1V20.满分要求：在各项指标良好的前提下，焊点匀称可靠，元件装列整齐，电感绕制做特色记录（指标特别优限值0.05V，多扣1分开环控制精度（10分）限值0.05V，多扣1分定3限值0.05V，多扣1分]限值0.05V，多扣1分闭环控制绝对精度（10限值0.05V，多扣1分开始测试时，任意指定3个电压分别作为3个限值0.05V，多扣1分输出=V1限值0.05V，多扣1分电压自动调（10分调偏R14，重做指定调偏后系统输出应在输出=V2限值0.05V，多扣1分输出限值0.05V，多扣1分测试环境：科创10.4开环10.5闭环附录 课程学习心得和意见建这次科创3A相比于之前的科创课程，难度提高了不少，具体在于：软件包括了多个模块的描3A的过程可以说是一波三折，一开始的时候比较顺利，DC-DC板子特性比较不错，510V这样有些松懈了，接下来几个星期都没有什么进展，不仅如此，还发现了DC-DC板子上本来就有的一些问题。后来随着时间的推进，我们克服了焦躁，通过查阅器件的资料以及课程PPT，并且通过向同学求助解决了软件上和硬件上的一系列问题。虽说如此，但此时已经12月，期末的压力日渐增大，我们内心深处还是有些急躁。后来在测试DC-DC的特性时发现输出的纹波有100多mv，而且怎么调节也没有下降。经过一番心理之后，我们决定重新焊一块DC-DC板子，终于汗。此外就是问题，曾经又一次DC-DC板子借走，拿回来的时候发现不能输出正常电压，在检查了几十分钟后，换了一块TL494便解决了问题。我们本来的程序开环和闭环是使用不同的程序进试的，后来我们看到有认识的同学的小组会丢失，而此时由于DC-DC板子已经烧热，开环控制的精度便会大大降低。结果在检测的时候便虽说最后的结果有些让人遗憾，但我们也获得了宝贵的经验，克服了自身的不成熟。我们明附录 软件程序//AVRapplicationbuilder:2010-04-06//Target://Crystal:#include<avr/ioh>#include<avr/delayh>#include<avr/signal.h> 常量定 //1s软件定时器溢出值，200个5ms#defineV_T1s #defineVref#definein_Single0//PA0(ADC0)#definein_Diff_P3//PA3(ADC3)#definein_Diff_N2//PA2(ADC2)#definebtime30 变量定 unsignedcharunsignedcharunsignedcharunsignedcharunsignedcharunsignedintunsignedcharvolatileunsignedintLED_Volt变换后的电压mVunsignedintLED_Volt_ans;unsignedintd[25];unsignedintICRlist[53];unsignedintLEDlist[53];unsignedintOCRlist[53];unsignedchar 函数定 // {unsignedcharAA;switch(DATA){case0:AA=0xc0;break;//case1:AA=0xf9;break;//case2:AA=0xa4;break;//case3:AA=0xb0;break;//case4:AA=0x99;break;//case5:AA=0x92;break;//case6:AA=0x82;break;//case7:AA=0xf8;break;//case8:AA=0x80;break;//case9:AA=0x90;break;//‘9’case10:AA=0x88;break;//‘A’case11:AA=0x83;break;//‘B’case12:AA=0xc6;break;//‘C’case13:AA=0xa1;break;//‘D’case14:AA=0x86;break;//‘E’case15:AA=0x8e;break;//‘F’caseAA=0xdf;break破折号case'':AA=0xff;break;//消隐default:AA=0xff;}}void{DDRD|=(1<<PD4)|1<<PD5);//OC1A、OC1BTCCR1B=OCR1B=ICR1=TCCR1A=TCCR1B=}{((returnADC;}{PORTA&= //PA7=0;for{if((sel&0x80)==0)//最送U2SERPORTA&=~(1<<PA5);//PORTA|=(1<<PA5);//PORTA&= PORTA| sel }for(i=0;i<8;i++){if((seg&0x80)==0)//最送U2SERPORTA&=~(1<<PA5);PORTA|=(1<<PA5);PORTA&= PORTA| seg }PORTA|= //PA7=1;PO