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交通大学 电子信息与电气工程学院地 址： 邮 编：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

4、的硬件设计43.1 主要功能43.2 系统设计指标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

5、发环境169.1 硬件开发169.2 软件开发1610. 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23第25页 交通

6、大学 电子信息与电气工程学院1. 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

7、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

8、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

9、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

10、.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=

11、300 r2=100 r3=47k r4=1000 k r5=5.1kr6=5.1kr7=6.2kr8=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v

12、15=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=0.11v。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：

13、（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（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

14、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 62

15、64），特使用xdata类型 unsigned int xdata test_counter;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 in

16、t ok;14、自动拟和程序中测量的3个数据 int v1,v2,v3;15、ad0804输入的数据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

17、定时，用于键盘扫描3、 每隔5ms读一次ad0804，每隔5ms写一次ad08046.4.1.3 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。

18、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，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

19、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。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 con

20、verters,19973 motorola, tl431 programable precise 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，199

21、67 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

22、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80m