科技创新优秀设计报告范例－某交通大学DCDC开关电源及其控制系统

1、 姓名班级学号具体负责的工作联系方式*f02034015020349*总体设计、软件编程、实验报告撰写5474*f02034015020349*dc-dc模块和测试模块硬件部分的调试、工艺、实验报告撰写*f02034015020349*控制模块中曲线拟合部分的研究、工艺、实验报告撰写*f02034015020349*控制模块中低通滤波器的设计、工艺、实验报告撰写摘 要：本设计报告包括了dc-dc开关电源及其控制系统的主要功能、系统框图，系统硬件以及软件的设计和实现方法，系统的技术指标，调试分析，针对用户操作的详细说明，对系统中某几个部分的深入扩展研究，心得体会和实物照片等等，包括了与此相关的理

2、论和实践中的各种问题。关键词：dc-dc；开关电源；开环控制；闭环控制abstractthis report includes detailed explanations of inner workings of the dc-dc switching power supply; which includes the designing and implementations of its control systems, major functions, required hardware and software. the design specifications, plus the d

3、ebugging process and testing, as well as user instructions manual are also attached in the report.keywords dc-dc；switch power supply；open-loop control；close-loop control目次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 控制电路子系统22.1.2 测量电路子系统22.2 系统的主要功能23. dc-dc开关电源子系统的硬件设计43.1 主要功能43.2 系统设计指标

4、43.3 设计原理43.4 主要部分设计及参数43.4.1 主要元件tl49443.4.2 外围电路设计53.4.3 元件参数53.4.4 参数选择64. 输出电压控制子系统的硬件设计75. 输出电压测量子系统的硬件设计86. 单片机子系统的软件设计96.1 软件功能96.2 软件总体框架96.3 全局变量说明96.4 主要模块描述116.4.1 定时中断0描述116.4.2 定时中断1描述126.4.3 开环控制功能模块描述126.4.4 开环自动拟合模块描述126.4.5 闭环控制模块描述137. 致谢148. 参考文献159. 附录a 开发环境169.1 硬件开发169.2 软件开发16

5、10. 附录b 软件程序清单1711. 附录c 系统操作说明书1811.1 系统用途1811.2 简要技术指标1811.3 部件名称1811.4 使用前准备1911.5 操作方法和步骤1911.6 注意事项1912. 附录d 测试和分析2012.1 测试项目和方法2012.2 测试的资源2012.3 测试结果及分析2012.3.1 dc-dc部分的测试2012.3.2 开环控制部分测试2012.3.3 闭环控制部分测试2112.4 开环控制与闭环控制的比较分析2113. 附录e 课程学习心得和意见建议2214. 附录f 实物图231. 概述1.1 编写说明此报告为大三上学期科技创新关于单片机控

6、制dc-dc开关电源系统的设计报告。根据第5组具体设计内容编写。供对该系统感兴趣的读者阅读。1.2 名词定义单片机：包括cpu（进行运算、控制）、ram（数据存储）、rom（程序存储）、输入/输出设备（串行口、并行输出口等）的一块集成电路。七段显示数码管:abcdefg七段，通过给某些段加上驱动电压或电流来使这些段发光。低通滤波器：滤波器是指在指定频带内，使有效信号通过，同时抑制无用成分的电路。低通滤波器是滤除指定频率以上的频率成分，保留频率在指定频率之下的波形输出的滤波器。dc-dc:能实现直流电压输入，直流电压输出的电路。pwm信号：脉冲宽度调制信号。脉冲信号的占空比受到调制的一种信号。占

7、空比:在信号的一个周期内,高电平信号所占的时间比例。d/a转换：数模转换，既将一个数字信号转换成一个模拟信号。开环：输出对输入不产生反馈作用的工作方式。闭环：输出对输入施加反馈作用的工作方式，在此方式下，可以使系统输出更稳定。1.3 缩略语dc (direct current) 直流pwm（pulse width modulation）脉冲宽度调制信号lpf(low pass filter) 低通滤波器a(anolog)模拟的d(digital)数字的2. 系统总述2.1 系统组成本系统是由单片机控制的dc-dc电压变换系统，可以根据用户的需要，将20v30v的直流电压转换成5v10v之间的稳

8、定的直流电压输出。本系统主要由dc-dc开关电源及其外围控制电路组成。外围控制电路又分单片机小系统、控制模块和测量模块三个部分组成。系统组成框图如图2.1所示： 图2.1 系统组成框图2.1.1 控制电路子系统控制电路子系统主要由低通滤波器，非线性光电耦合器，和基准电压组成。单片机产生的pwm信号经过低通滤波器滤出直流分量，相当于一个数模转换的过程。系统中的非线性光耦起到将控制电路和dc-dc电路进行电气隔离的作用。而基准电压起到为低通滤波器提供稳定的5v电压的作用。子系统组成框图见图2.2：图2.2 控制电路子系统组成框图2.1.2 测量电路子系统（略编者按）2.2 系统的主要功能本系统的主

9、要功能是根据用户的要求，在单片机的控制下，将20v30v的直流电压转换成5v10v之间的稳定的直流电压输出。（节略编者按）3. dc-dc开关电源子系统的硬件设计3.1 主要功能1) 将输入的不是稳定的直流电压转换成稳定的直流电压输出2) 将输入的较高的直流电压转换成较低的直流电压输出3) 是整个系统的核心部分。3.2 系统设计指标输入电压： 20v30v输出电压： 5v10v电压调整率 :=1%电流调整率 : 1%输出纹波 : 100mv 动态响应 : ms级效率 ：50%70%限流值：1.1a左右3.3 设计原理（节略编者按）该信号控制晶体管t的导通与截止，当t导通时，电容c上的电压即加在

10、负载上的电压逐渐增大，当t截止时，c开始放电，电压逐渐减小。 vl=vi-vo导通时 :ilon=截止时 : vl= vo iloff= i lon=iloffvo= =3.4 主要部分设计及参数3.4.1 主要元件tl494tl494内部结构见图3.3 图3.3 tl494内部结构（摘自tl494 datasheet）3.4.1.1 工作原理（节略编者按）3.4.1.2 主要部分功能:（节略编者按）3.4.1.3 管脚定义：（节略编者按）3.4.2 外围电路设计（节略编者按）3.4.3 元件参数r1=300 r2=100 r3=47k r4=1000 k r5=5.1kr6=5.1kr7=6

11、.2kr8=5.1kr9=150r11= r13=5.1kr12=020 kr14=01 krl=10r15=0.1c1=470fc3=0.001fc4=470fc5=470f +470f =940fl约2.5h3.4.4 参数选择（节略编者按）3、r6、r9、r15用于限流保护限流部分电路见图3.7图3.7 限流电路（摘自designing switdhing voltage regulators with the tl494）限流值设定在1.1a左右, 根据理想运放正负两端电位近似相等的原则，认为v15=v16。由于限流电阻两端的电压不能太大，因此取r15=0.1，则v15=v16=0.1

12、1v。v15、v16是r6、r9对5v进行分压的结果， 因而取r6=5.1k r9=150。1v15、v16的实际值为= 0.14v, 电流为1.4a、c1对输入电压，c4、c5对输出电压进行滤波。取c1=470fc4=470fc5=470f +470f =940f滤波效果较好。4. 输出电压控制子系统的硬件设计（略编者按）5. 输出电压测量子系统的硬件设计（略编者按）6. 单片机子系统的软件设计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，使整个系统设计的重要组成部分。软件的主要功能在于：（1） 进行模式的判断及切换（2） 对于用户按键的判断及响应（3） 控制单片机产生pwm信号

13、（4） 进行单片机内部自动拟合参数的计算（5） 对电压采样值的判断及比较等等6.2 软件总体框架本系统中软件设计的总体框图如图6.16.3 全局变量说明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p3.5管脚，用于输出pwm波sbit p3_5= p35;3、 1s软件定时器计数 unsigned char clock1s;4、1s软件定时器溢出标志，位变量bit clock1s_flag;图6.1 主程序流程图5、 数码管位驱动

14、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;6、 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;7、 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

15、;8、 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 unsigned char xdata digi4;9、记录输出电压的值int v;10、记录占空比，为了提高精度，使用浮点类型float m; 11、记录二次曲线参数float a,b,c12、定时器1初值unsigned char data time_h,time_l;unsigned int idata time;unsigned data vh_t1, vl_t1;13、自动拟和程序中数据测量完毕标志 int ok;14、自动拟和程序中测量的3个数据 int v1,v2,v3;15、ad0804输

16、入的数据unsigned int idata digi_0804; 16、读0804标志 char k;17、当前读到的0804编码 unsigned int idata current;18、记录510v之间各电压值所对应的编码unsigned char vo51;6.4 主要模块描述6.4.1 定时中断0描述6.4.1.1 函数名timer0 ( ) interrupt 1 using 06.4.1.2 功能描述实现5ms秒的硬件定时中断。主要用于：1、 每5ms驱动一次数码管的显示2、 提供1s软定时，用于键盘扫描3、 每隔5ms读一次ad0804，每隔5ms写一次ad08046.4.1

17、.3 定时器初值的设定v_th0=oxeev_tl0=0x00定时时间为5ms。6.4.1.4 数码管的驱动在本系统中采用每5ms间隔对一个数码管进行驱动，20ms一个轮回digi_scaner为数码管扫描指针，它的值从1到4重复变换，控制数码管逐一驱动。其中，第三个数码管的驱动程序较特别：addr_8seg = numtoseg7(digi2)-0x80; 目的是让第三个数码管后的小数点始终亮着。6.4.1.5 1s软件定时的实现由于硬件定时器只能实现短时间的定时功能，最长定时时间为65.536ms。因此要实现长时间的定时功能，就必须利用软件定时实现。本系统中使用clock1s变量进行计数，

18、20个5ms为1s，此时输出1s溢出标志。1s溢出标志由一个位变量clock1s_flag来控制，1s溢出时，clock1s_flag置1，否则为0。 6.4.1.6 ad0804的读写根据硬件连接，ad0804的地址为0x60000x7fff中的任意一个地址，在程序设计中选择端口地址为0x6000由于单片机控制dc-dc电压的输出有一定的延时，频繁的采样ad0804没有太大的意义，只会造成资源的浪费。因此在设计时，将ad0804的读写周期定为10ms，利用5ms的定时中断实现。5ms定时器溢出时，写一次ad0804，再隔5ms定时器再次溢出时读一次ad0804，将ad0804的数据采样进来。

19、在10ms的时间里，硬件有足够的时间完成对dc-dc输出电压的调整及测试。6.4.2 定时中断1描述（节略编者按）6.4.3 开环控制功能模块描述（节略编者按）6.4.4 开环自动拟合模块描述（节略编者按）6.4.5 闭环控制模块描述（节略编者按）7. 致谢略（编者注）8. 参考文献1 赵亮，侯国锐著，单片机c与语言编程与实例，人民邮电出版社，19992 intersil，adc0802, adc0803, ad0804 8-bit, microprocessor-compatible, a/d converters,19973 motorola, tl431 programable prec

20、ise references,19994 patrick griffith from texas instruments , designing switching voltage regulators with the tl494, revised 20045 vishay telefunken, 4n25/ 4n26/ 4n27/ 4n28 optocoupler with phototransistor output, rev. a4, 19996 贺才兴 等，概率论与数理统计，科学出版社，19967 陈怀琛 等，matlab及在电子信息课程中的应用， 电子工业出版社，20019. 附录

21、a 开发环境9.1 硬件开发电源：供电设备电烙铁，镊子，焊锡等焊接工具。信号发生器（调试时使用）示波器，万用表等测试设备9.2 软件开发protel 99se matlabkeil cmicrocontroller isp software（编者注：最好将设备型号、软件版本等，都清楚列明）10. 附录b 软件程序清单略（编者注）11. 附录c 系统操作说明书11.1 系统用途由单片机控制的dc-dc电压变换系统，能够将20v30v的直流电压转换成5v10v之间的稳定的直流电压输出。用户可以根据需要，由单片机控制，在5v10v之间选择输出电压。11.2 简要技术指标输入电压： 20v30v输出电

22、压： 5v10v电压调整率 :=1%电流调整率 : 1%输出纹波 : 100mv 动态响应 : ms级效率 ：50%70%限流值：1.4a11.3 部件名称图14.1为dc-dc直流变换系统的实物图图12.1 dc-dc直流变换系统11.4 使用前准备（节略编者按）11.5 操作方法和步骤（节略编者按）11.6 注意事项（节略编者按）12. 附录d 测试和分析12.1 测试项目和方法（节略编者按）12.2 测试的资源测试设备：1、 电压表2、 示波器及探头3、 稳压电源及电源引线3根，稳压电源要有5v,12v和20v30v的输出12.3 测试结果及分析12.3.1 dc-dc部分的测试 12.3.1.1 测试结果和数据表13.1 dc-dc部分测试结果记录项 目记录输出电压可调范围输出最小值：4.86v输出最大值：11.02v输出纹波80mv左右电