科技创新5-第38组组长设计报告

FFFF摘要：DC-DC开关电源的控制电路、反馈电路和软件的设计，实现20~30V5~10V输出，精度为开、闭环控制误差范围均在±0.05V以内。单片机输出的可调占空比的波通过相应的滤波和耦合电路，接入开关电路构成输出电压可调的供电系统；通过A/D转换和单片机软件控制实现闭环控制。本文档包含了系统整体设计及各个组成部分的详细说明、：开关电源，单片机，闭环控制，低通滤波器，模数 presentsthedesignofvoltage-decreaseswitchmodeDC-DCconvertorwithitscontrolandfeedbackcircuitsandsoftware.Itrealizesaninputof20~30Vandanoutputof5~10V,ofwhichtheerrorsoftheopened-loopandclosed-loopcontrolarebothrestrictedwithin±0.05V.Thedutycycle wave,generatedbyanMCU,goesthroughtherelatingLPFaswellascouplingcircuits,andthroughthiswayitisconnectedtotheswitchcircuitstoformanoutputvoltagecontrollablepowersupplysystem.Closed-loopcontrolisimplementedbyADconverterandthesoftwarecontroloftheMCU.Thispaperalsoincludesschematicdesignofthesystem,detailedinformationofeachcomponent,softwarecodesandproblemsoccurredduringtheprocessofdesignandtest.SwitchModePowerSupply,MCS,Closed-LoopControl,LPF, 概 编写说 名词定 缩略 系统总 系统组 DC-DC开关电源子系 电压测量子系统 单片机子系统 电压控制子系统 系统的主要功 DC-DC开关电源子系统的硬件设 降压型DC-DC开关电源子系 主要功能与设计指 基本设计原 主要电路和参数设 专项讨 电压控制子系统的硬件设 主要功能与设计指 主要功 设计指 基本设计原 主要电路和参数设 元件参数列 基准电源模 整型模 有源低通滤波模 信号变换模 电压测量子系统的硬件设 主要功能与设计指 主要功 设计指 基本设计原 主要电路和参数设 元件参数列 ADC0804介绍 元件参数设 单片机子系统及软件设 重要的全局变 流程逻辑描 功能描 模块框 输入输出项描 其它说 功能描 模块框 输入输出项描 避免浮点数计算的小数计算实 根据占空比计算重装 功能描 模块框 输入输出项描 其它说 AD转换部分源代码片 功能描 模块框 输入输出项描 其它说 源代码片 致 参考文 附录 开发环 硬件开 软件开 附录 软件程序......................................................................................附录 系统操作说明 按键控制说 附录 测试和分 测试项目和方 降压型DC-DC电路模 开环控制功 闭环控制功 测试的资 及分 降压型DC-DC电路模 开环控制功 闭环控制功 附录 课程学习心得和意见建 系统总20-DC输

5-10V可调1ADC输

变换变换

A-整整

2.1本次实验内容包括降压型DC-DC开关电源两部分，他们分别由开关电源、电压控制、电压测4n254n25与开关电源子系统连接，它降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定20~30V直流电压转换为5~10V稳定可调的直流电压输出。该子系统以TL494为元件，三极管Tip42为开关，通过开5~10V的输出。电压测量子系统分为基准电源、信号变换、A/D转换三个模块，分别以TL431、4N25对应的占空比，输出相应的AD0809进行采样，并转换成对应的数字信号与标准值比较，然后电压控制子系统通过对单片机输出的波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气元件与开关电源子系统连接，实现将单片机输出的波转化为可变电压，从而对输出电压进行控制。该子系统由整形、有源低通滤波、信号变换与基准电源4个电路模20~30V5~10V稳定的直流电压。开环控制电压输出：在系统工作状态一定的条件下，在输入电压20~30V范围内，输出用户通5~10V电压。闭环控制电压输出：在输入电压20~30V范围内，系统根据反馈电压值，自动调节控制信号，5~10V电压。DC-DC开关电源子系统的硬件设降压型DC-DC开关电源子系统的主要功能为将输入的不稳定20~30V5~10V系统连接，实现开环、闭环功能。单独工作时，用户可以通过调节电压采样支滑动变阻器的<0.53.1DC-DC该子系统的等效电路如图3.1所示。系统通过波控制三极管的通断，使电路处于导通和断路两种工作状态。TL494产生的 ，其波形如图3.2所示：ττT图3.2TL494输出的波当信号为高电平时，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。当信号为低电平时中的电能不断减小，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Amplifier1），1IN+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过恒流源放电，从而VA的电压不断下降。而VA的变化会引起 决门限的改变，使得比较器输出占空比动态改变的波。图3.3TL494的内部结构图1Dead-Time2，2IN+1类似。LL L工作频率的确定（C3、开关电源的工作频率（波的频率，即三极管开、关的频率）是由TL4945号管脚上C36R7决定的，其关系为：f C311f C3

适当增加与三极管基极相连的电阻R1、R2的阻值，可降低开关管饱和导通深度，降低开关状态的是R1、R2的增大会导致系统效率的下降。因此应该综合考虑毛刺以及效率两方面因素来确定R1、R2的取值。试验中，只能通过多次尝试决定。图3.5误差放大器1电路分析3.5VoutR11、R12、R13R14组成的串联分压网络分压后，从误差Vr

R5

Vout8

R11误差放大器反馈网络的参数中，R4决定误差放大器的增益倍数，从而对电压调整率造成影响，C2R3组成的串联支路可抑制高频增益，防止误差放大器产生自激振荡。关于参数的计算并没图3.6I

R6R9其中I=1.1A，R10=0.1Ω，计算可得R6，R9的电阻值值。但若三极管开关过于频繁，因为频率和效率是一对，就会使得效率显著下降，TL494减小开关管饱和导通深度。适当增大R1，可以降低饱和导通深度，但也会降低效率增大滤波电容C5，但是效果不明显，不太适合由上述分析可知，效率与频率是一对相互制约的量，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电压控制子系统通过对单片机输出的波进行整形滤波，将占空比的变化转化为电压的变化，并通过电气元件与开关电源子系统连接，将单片机输出的波转化可变电压。它作为该子系统由基准电源、整形、有源低通滤波与信号变换4个模块组成。其关系如图4.1所将单片机输出的不稳定的信号整型，有源低通滤波模块将起转化为与占空比成正比的直流电流，通过信号变换模块与DC-DC开关电源子系统连接，达到控制的目的。4.14.2TL431原理图4.2可知，TL4312.5V基准源，接在运放的反相输入端。由运放的特性可知，R2.5VK端电流在1~100mAVKA2.5~36V范围内为佳。4.3基准电压模块设计图2.54

R4R54.4整型模块设计图CD40114V电压为工作电源，对输入信号进行整型。R1、R2电阻网络对单片机子系统P1.6引脚输出的信号进行分压，使高电平电压降至4V，故满足关系式： R1 因此本次实验采用了有源滤波器。图4.5为SallenKey二阶滤波器的典型电路，其截止频率为50Hz 信号频率为500Hz，远大于截止频率，故CD4011输出的稳定 该滤波器之后只剩下直流分量，其值约为波高电平和占空比的乘积。如图4.5R1、R2、C1及C2决定了滤波器的截至频率，一般取R1＝R2，C1＝C2，可由下式求1

信号变换模图4.6信号变换模块该模块以光电耦合器4N25为元件，它相当于一个流控电流源，实现了电压控制子系统与DC-DC4.6，4N25Vin传递到左侧负载电R12上流过的电流进行了分流，从而改变输出电压，同时，右侧电压控制子系统的工作不受左侧负载阻抗变化的影响，实现了电气。该系统通过对DC-DC开关电源子系统的输出电压进行采样，并转化为数字信号，与既定值比5~10V电压，实现系统的闭环控制。与开环控制相比，闭环控制可适应DC-DC开关电源子系统工作状态在一定程度内的变化，如可调电电压测量子系统分为基准电源、信号变换及ADC三个模块，分别以TL431、4N25ADC0804为。电压信号通过信号变换模块的处理，输出给ADC模块进行模数转换，而准电源模块则提供给ADC模块稳定的参考电压，使其能保持固定的转换关系。其中基准电源以及信号变换模块与4.3.2节与4.3.5节相同，在此不再赘述。5.15.2ADC0804开始转换时序图5.3ADC0804数据输出时序图锁存器，同时INTR引脚自动变为低电平，可用于通知CPU转换结束。从图5.3中可以看出，当CSRDRD高电平到来后三态门又恢复高为能尽量大的利用ADC的编码范围，应对电路做如下调试[8]（Vin(+)∈[VAmin取R1、R2，使Vin(+)动态范围比较R6、R7VinR8、R9(VAmaxVinVref<≈R2

4Vin()40.653.35k

当4N25的输入电压为5~10V时，输出电压为0.65~3.4V。因此令Vin(-)0.3V

()4.16

0.65VR6由于(VAmax-VinVref<≈1Vref>≈3.4-0.65=2.75VVref/2=1.38伏特。由于Vref/2不等于R8、R9的分压，所以无法通过计算确定，但可由分压式估算大致取值范围。单片机子系统及软件设IDC26是单片机与ADC0806的接口，共有26个引脚，以扁平电缆相连。AD0~AD7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6.16.1IDC2674HC37386.274HC373结构图6.374HC02结构图6.4MM74HC138结构图ADADDC-DC3个方面，分别是用户操作输出相应占空比的波。闭环采样及电压调整控制中单片机完成了两个任务，即控实现以上功能的软件部分主要由4个模块构成，分别是初始化部分、主循环、中断服务126.4~6.7中分别详细说明。unsignedunsigned1unsignedunsignedunsignedunsignedunsignedunsignedunsignedADunsignedADunsignedADunsignedunsignedunsignedcharunsigned55N YAD YN YNY Y YNYAD N Y 2务，其断服务程序1的优先级较低，使用定时器0触发，每5毫秒运行一次；中断服务程序的优先级较高，使用定时器1触发，运行间隔一次的服务程序2中设定。在定时器溢出触发中主循环的逻辑流程如图（图6.6中主程序框图）所示。先根据按键标志判断有无按键按下，若执行显示或占空比刷新。闭环控制程序先判断是否AD的数据完毕，如是则设置启动下一次ADAD数据的平均值计算测量电压的大小；之后根据当前测量电压和设置电压的关系抖的服务程序。在闭环模式下，根据AD标志以5毫秒的间隔AD转换的输出值，并保存在相应变量中。该中断服务程序的优先级不如服务程序2高，故只能服务程序2之外的中断。中断服务程序2的逻辑流程如图（图6.6断服务程序2），根据状态标志来设定重装值。VoltPropIE、IP、TMOD等CLC_flag、AD_flay等多项式系数数组，如coefficient[3]AD_coefficient[4]021的影响，从而使输出波不稳定。2个任务。一是根据设定的电压值计算输出占空比，并且响应按键，实现相应的操作。二是在闭环模式下，控制AD转换器的工作，将到的数据转AD coefficient[3]、AD_coefficient[4] key1_flag、key2_flag、key3_flag、key4_flag 电压-占空比函数和AD-测量电压函数的系数均为小数，需要实现小数的计算。但是由于51系SMPL_Volt //结 {{ //乘以AD的i}SMPL_Volt } 波500Hz，则单个周期内，51NFoscillator12

的重装值为V_L65536(N)，低电压的重装值为V_L65536(N 再用除以256和对256取模得到和低位/* #define /12/hilv_time=65536-(TOTAL_TIME*Prop/1000); hilv_th= //计算和低hilv_tl=lolv_th= //计算和低lolv_tl=AD标志以5毫秒的间隔AD转换的输出值，并保存在相应变量中。AD输入项： AD输出项： AD AD AD AD转换部分源代码片 //如果已经启动转换，则{AD_data[AD_ptrADDR_0804 // //AD计数器自AD_flag //置位标 }波输出。 Y /*PMW21提供的中断*/Generator()interrupt3using1{ //改变标}{}

//改变标 }致这次科技创新[5]课程是我们参加过的科创课程中最具有性的，实验过程绝非一帆风顺，意想不到的问题接连出现，如果没有科创各位指导教师和助教的帮助和指导，我们是不可能在短时间内解决这些问题的。这里我们特别感谢老师开设的科创讲座对于我们实验的指导意参考文[1]田作华等，工程控制基础，[3]交大电子工程系，科技创新[5]讲座2：（降压型）DC-DC部分的设计[I][4]交大电子工程系，科技创新[5]讲座4：电压控制部分的设计TL431CD4011ADC080474HC37374HC02MM74HC138附录 开发环220V220V31KeiluVisionWindowsWindows WindowsPro99WindowsOriginWindowsWindows附录 软件程序#include<absacc.h>#include<reg51h>#include<intrins.h> 常量定 /**/#definecrystal11059#defineV_T10xfd/*SCOM9600baud,!notice:crystal11.0592MHz*/#defineTotal0xF8CC#defineV_TH00xee/*~5ms,!notice:crystal11.0592MHz*/#defineV_TL00x00#defineN#defineUpper#defineLower//#defineTotalTime2/* unsignedintstate,Step;unsignedlonglongxdataA0=1266,A1=-23863,A2=193010,A3=-unsignedintHilv_th,Hilv_tl,Lwlv_th,Lwlv_tl,DutyCycle,TotalTime=2;unsignedintrange_h,range_l;unsignedintunsignedintxdata/*1s软件定时器溢出值，200个5ms*/#defineV_T1s /*数码管段驱动寄存器地址#defineADDR_8SEG/*AD080C#defineADDR_0804/*数码管位驱动和指示灯驱动寄存器地址*/#defineADDR_SEL #defineDELAY_VALUE#defineDATAPORTXBYTE[0xfffd]/*PB*/#definePAXBYTE[0xfffc]#definePC#definePCONTROLXBYTE[0xffff]#defineBUSY0x80/*按键sbitKEY1=P1^0;sbitKEY2=P1^1;sbitKEY3=P1^2;sbitKEY4=sbitOutput=P1^4;//intunsignedunsignedcharMode,AdjustTime;unsignedinti,Ans,Sum,d_ptr,OutputNum;unsignedchard[N];bit 变量定 /*1s软件定时器计unsignedchar/*倍数//unsignedchar/*1s软件定时器溢出标志，位变量*/bitkey_flag;unsignedcharbdataoutput_sel;sbitled_1=output_sel^5;sbitled_2=output_sel^6;sbitled_3=output_sel^7;sbitled_4=/*数码管扫描驱动指针，为测试外部器（U36264），特使用xdata类型*/unsignedcharxdatadigi_scaner;/*测试用计数器，为测试外部器（U36264），特使用xdata类型*/unsignedintxdatatest_counter;/*测试用计数值十进制表示，为测试外部器（U36264），特使用xdata类型*/unsignedintxdatadigi[4]; 函数定 /****7段数码显示译码DATA返回值7段译码结果D7~0PGFEDCBAunsignedcharNUMTOSEG7(unsignedchar{unsignedcharAA;switch(DATA)case0AA=0xC0;break*0’*/case1:AA=0xF9;break;/*‘1’*/case2:AA=0xa4;break;/*‘2’*/case3:AA=0xb0;break;/*‘3’*/case4:AA=0x99;break;/*‘4’*/case5:AA=0x92;break;/*‘5’*/case6:AA=0x82;break;/*‘6’*/case7:AA=0xf8;break;/*‘7’*/case8:AA=0x80;break;/*‘8’*/case9:AA=0x90;break;/*‘9’*/caseAA=0xff;break;*消隐*/default:AA=0xff;}}unsignedcharNUMTOSEG71(unsignedchar{unsignedcharAA1;switch(DATA){case0:AA1=0x40;break;/*‘0’*/case1:AA1=0x79;break;/*}}voidCalTime()//usedtocalculatethetimer{}void{{}{}}/****T0时钟中断服务程timer0()interrupt1using{output_sel0xf0*初值，令数码管驱动位无效，指示灯全灭if(Mode==1){{

ADDR_0804=for(i=0;i<200;i++);d[d_ptr++]=ADDR_0804;if(d_ptr>=N)d_ptr=0;forif{}}}ifKEY1==PREKEY1^1&&PREKEY1^1==PREKEY1^2 {if(KEY1==0&&{ led_1=if{}elseif{if(range_h>Upper) }elseif{}}if(KEY1==1&&RKEY1==1)}if(KEY2==PREKEY2^1&&{if(KEY2==0&&{ led_2=if{}elseif{Vol-}elseif{Vol-}}if(KEY2==1&&RKEY2==1)}if(KEY3==PREKEY3^1&&{if(KEY3==0&&{ led_3=if{if(Step==10000)Step=1; }if{}}if(KEY3==1&&RKEY3==1)}if(KEY4==PREKEY4^1&&{if(KEY4==0&&{if(Mode==1){}if(Mode>2)}if(KEY4==1&&RKEY4==1)}/*数码管扫描驱动指针值从1到4重复变换，每5ms间隔对一个数码管进行驱动，20ms一个*/if(++digi_scaner>=5){digi_scaner=} switch{case1驱动第一个数码output_sel|=0x01;led_1=flash;ADDR_8SEGNUMTOSEG7(digi[0U5（在电路图中找case2驱动第二个数码output_sel|=0x02;led_2=flash;ADDR_8SEGNUMTOSEG7(digi[1])-0x80输出到锁存器U5case3驱动第三个数码output_sel|=0x04;led_3=flash;ADDR_8SEGNUMTOSEG7(digi[2U5case4驱动第四个数码output_sel|=0x08;led_4=flash;ADDR_8SEGNUMTOSEG7(digi[3U5}ADDR_SEL=output_sel; }timer1()interrupt3using{{}{

}{/*单片机系统初始*/P1=0X0Fusep1^5,6,7Input/**中断工作寄存器初始化**/ /**定时器工作寄存器初始化**//**串行通信口工作初始化，注：本例中虽未使用到串行通信口，但本段程序无妨保留**/ /*SCOMMODE1(8BITUARTVARBR)*//*8255A//PCONTROL=0x81;_nop_();_nop_();/*OutputAllportsecceptPC/**全局变量赋初值////clock1s_flag=0;PREKEY1=0xff;PREKEY2=0xff;PREKEY3=0xff;PREKEY4=0xff;RKEY1=0;RKEY2=0;RKEY3=0;RKEY4=0;CurSeg=4;// /**开定时器，定时器0,1中断允许**//*InterruptEnable*/ EA=1;//interupton/*主循环，本例中，在T0中断服务程*/{//ifkey_flag)/*检查1秒定时是否到每秒加1的数码管十进制显示计if(Mode==0)OutputNum=DutyCycle;//Changedelseif(Mode==1)OutputNum=Vol elseif(Mode==2) {digi[0]=digi[1]=(OutputNum-digi[2]=(OutputNum-digi[0]*1000-digi[1]*100)/10;digi[3]=OutputNum%10;}}}附录 系统操作说明11.11按键按键123选中位数的顺序是小数点后两位、小数附录 测试和分输出电压可调范围分最低输出上下限之一不达标，扣2分；