工程实践与科技创新3第104组尹晨光设计报告

1、技术文件完成时间：2011 年 12 月 20 日项目名称： DC- DC 开关电源模块及其设计小组编号： 104 系统设计小组：尹晨光( 组长)、褚夫峰、李硕上海交通大学 电子信息与电气工程实践与科技创新3A 设计报告上海交通大学 电子信息与电气地 址：东川路 800 号邮 编：200240班级学号具体负责的工作方式尹晨光F09030195090309503编程实现，报告纂写510732658.com褚夫峰F09030195090309505电路焊接，报告纂写chufufeng李硕F09030195090309506电路设计，报告纂写478138233.com摘 要：降压型 DC-DC 稳压

2、电源是一种将 2030V 直流电压转化为 510V 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件设计，电压子系统的硬件设计，电压测量子系统的硬件设计，单片机子系统的软件设计。同时描述了设计与调试过程中遇到的一系列问题及其解决方案。系统利用单片机子系统改变 PWM 波的占空比，来输出直流电压，达到开环的效果；同时又通过反馈电路检测输出电压，将值差分处理后输入单片机子系统，达到闭环的效果。此外，报告中还阐述了系统框图，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，和用户操作的说明书等一系列具体方面。：DC-DC

3、 稳压电源，开环ABSTRACT，闭环，PWM 波，占空比This design report amply illustrates the designing and debugging process of buck DC-DC and its controlling part.It includes the hardware design of DC-DC switch power and voltage-controlled subsystems,and the software design of singlechip subsystem.At the same time , the

4、series of problems we met in the process of designing and debugging are also mentioned in this report. Also, there are detailed explanations about the varies of problems concerned in the designing such as the system flow chart, the designing and realization of both system hardwares and softwares, th

5、e technical index, the analysis of debugging,and the explanation concerning the manipulation of users.KEYWORDSDC-DC voltage-stabilized source, Open-loop Control, Close-loop Control, Pulse-Width Modulation上海交通大学 电子信息与电气地 址：东川路 800 号邮 编：200240目录1. 概述11.1 编写说明11.2 名词定义11.3 硬件开发环境21.4 软件开发环境21.5 缩略语22.

6、系统总述32.1 系统组成32.1.1 DC-DC 开关电源子系统32.1.2 电压子系统42.1.3 电压测量子系统42.1.4 单片机子系统42.2 系统的主要功能52.2.1 降压功能52.2.2 单片机输出电压功能52.2.3 自动检测功能52.2.4 单片机开闭环切换功能52.2.5 占空比自动刷新功能53. DC-DC 开关稳压电源模块的设计63.1 开关电源子系统系统功能与设计目标63.1.1 实现功能63.1.2 主要指标63.2 开关电源子系统设计原理63.3 开关电源子系统主要组成部分与参数说明63.3.1 TL49463.3.2 输出电压与基准电压查分放大电路的工作原理9

7、3.3.3 TL494 生成PWM 波的工作原理9第1页上海交通大学 电子信息与电气3.3.4 开关三极管TIP42 在电路中的作用103.3.5 TL494电路设计103.4 开关电源子系统参数说明113.5 开关电源子系统设计原理124. 电压子系统的硬件设计134.1 主要功能与设计目标134.2 系统的主要功能134.2.1 整形电路144.2.2 单有源低通滤波器LPF154.2.3 信号变换与. 164.2.4 光电偶165. 电压测量模块的硬件设计175.1 主要功能和设计指标175.2 电压测量子系统的设计原理175.3 主要电路与参数设计185.3.1 ADC 输入方式185

8、.3.2 测量处理主电路196. 单片机小系统及软件设计216.1 单片机子系统的简要介绍216.1.1 功能特性的概述216.1.2 系统板与本设计相关部件236.2 单片机软件程序描述236.2.1 主程序流程236.2.2 重要的全局变量与常量246.2.3 主要模块描述257. 致谢318. 参考文献329. 附录 A系统操作说明书339.1 系统功能叙述33第2页上海交通大学 电子信息与电气9.2 性能指标339.3 按键操作3310. 附录 B测试和分析3410.1 测试项目和方法3410.2 测试的. 3610.3 测试结果及分析3611. 附录 C12. 附录 D课程学习心得和

9、意见建议38软件程序. 39第3页上海交通大学 电子信息与电气1. 概述1.1 编写说明本文是基于工程实践与科技创新A的关于降压型 DC-DC 稳压电源系统的报告。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。该系统应用范围广阔，既能应用于小型电子设备（如）中，又能应用于大型设备（如局用交换机）中。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面，并着重展现了我们团队分析问题和解决问题的过程，充分展示了团队协作能力和对理论与实际间、系统整体与局部间对立统一的关系的把握能力。的主要目的有：及时总结科技创新A课程实践中的经验与教训

10、；方便读者学编写会使用该系统，以便该系统能得到实际的应用；方便和对本次实践提出宝贵意见和指导。适合有一定电路和单片机理论基础的读者阅读。1.2 名词定义DC-DC:能实现直流电压输入，直流电压输出的电路。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，系统输出可以更稳定。PWM 信号：脉冲宽度调制信号。单片机：包括 CPU（进行运算、）、RAM（数据）、ROM（程序）、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，使有效频率信号通过，

11、同时抑制无用频率成分的电路。低通滤波器是滤除截止频率以上的高频成分，而只保留低频成分的滤波器。光电：电的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行。A/D 转换：第1页上海交通大学 电子信息与电气模数转换，既将一个模拟信号转换成一个数字信号。1.3 硬件开发环境表 1.1 硬件开发环境1.4 软件开发环境表 1.2 软件开发环境1.5 缩略语PWM（pulse width modulation）：脉冲宽度调制信号LPF(low pass filter) ：低通滤波器DC (direct current) ：直流AD(anolog,digital) ：模拟-数字第2页上海交通大学 电子

12、信息与电气软件开发工具运行环境AVRstudioWindows XPProtel 99SEWindows XPISPLAYWindows XPMultisimWindows 7主要仪器、设备与工具运行环境直流稳压电源220V 交流电示波器220V 交流电数字万用表电烙铁220V 交流电螺丝刀、镊子、剪刀、钳子等2. 系统总述2.1 系统组成本系统实现的是降压型 DC 输入 DC 输出功能。具体来说，系统输入 2030V 直流电，经过处理后，输出 510V 可调的稳定直流电。整个系统主要由四部分：DC-DC 开关电源，电压子系统，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

13、-30VDC 输入5-10V 可调/ 1ADC 输出A-D信号调理DC-DC开关电源子系统电压检测子系统单片机子系统变换 耦合LPF电压子系统图 2.1 系统组成框图1图 2.2 DC-DC 开关电源组成图12.1.1 DC-DC 开关电源子系统该系统主要由开关三极管 TIP412，储能电感，TL494，水泥电阻加上一些电容、电阻以及滑动变阻器，主要实现 DC-DC 降压的功，并能通过其中一个滑动变阻器调节输出电压。TL494第3页上海交通大学 电子信息与电气整形通过对输出电压进行采样和基准电压之间进行比较，产生 PWM 波，断，最后通过储能电感的充放电来达到使输出电压稳定的目的。开关三极管

14、TIP42 的通开关电源组成图如图 2.2 所示。2.1.2 电压子系统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。整流电路主要以 4011和 TL431电路主要由 4N25，有源低通滤波器主要由运算放大器，信号转换与。输入为单片机产生的 PWM 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 PWM 信号电压输出，进行开环。电压子系统组成框图如图 2.3 所示：图 2.3 电压子系统组成框图12.1.3 电压测量子系统电压测量子系统主要由 A/D 转换电路组成。输入为检测到的电压信号，输出为 10 位 2 进制编码，可以将检测到的电压信号模拟量转为数字量传给单片机，反馈系

15、统。电压测量子系统组成框图如图 2.4 所示。图 2.4 电压测量子系统组成框图12.1.4 单片机子系统产生 PWM 波，对开环进行；根据电压测量系统的反馈回的 10 位二进制编码，进行对PWM 波的修正，从而使输出值达到精确。如图 2.5 所示。第4页上海交通大学 电子信息与电气图 2.5 单片机小系统示意图12.2 系统的主要功能2.2.1 降压功能输入为 2030 伏的不稳定直流电压，输出为 510 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。2.2.2 单片机输出电压功能用户可跳过 DC-DC 板，直接通过调节单片机

16、按键来输出的直流电压值，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，也方便用户使用。但由于温漂影响，有时开环不理想。2.2.3 自动检测功能反馈系统可以检测当前电压值，进而作出自动调整，使得当前输出电压更加稳定。误差范围进一步被缩小，并且能克服温漂的影响，性能得到进一步提高。闭环可以保证输出电压稳定在目标电压±0.1V 范围内。2.2.4 单片机开闭环切换功能通过切换单片机按键，进行开环与闭环之间的切换。2.2.5 占空比自动刷新功能闭环得到的占空比数据，可以通过单片机按键刷新到开环程序里，以减小温漂对开环的影响。第5页上海交通大

17、学 电子信息与电气3. DC-DC 开关稳压电源模块的设计3.1 开关电源子系统系统功能与设计目标3.1.1 实现功能1. 将 2030V 直流电源转换为 510V 直流电源；2. 将不稳定的直流电源转换为稳定的直流电源。3.1.2 主要指标输出电压可调范围：5.010.0V（输出 20.0±0.130.0±0.1V）； 电压调整率：1%输出纹波：<100mV（输入为 30.0±0.1V，输出为 10±0.1V 时） 动态响应：ms 级效率：大于 65%（输入 30.0±0.1V 时，输出 5.0V，电流小于 0.13A）限流值：1.1A

18、 左右3.2 开关电源子系统设计原理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 PWM 波来开关三极管 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放大器的基准参考电压进行电压的差分放大得到的信号与 TL494 中生成的高频锯齿波进行比较，生成一定占空比的 PWM信号 PWM 信号驱动开关三极管的导通与截止。当 PWM信号处在低电，加在开关三级管基极与发射极两端的压降级管导通，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 PWM信号处在高

19、电，加在开关三级管基极与发射极两端的压降大，则三级管截止，此时，储能电感充当暂时电源，通过负载和二极管回路进行放电。PWM信号的占空比能够DC-DC 开关电源子系统的输出电压值。通过分压网络与 DC-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逼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。3.3 开关电源子系统主要组成部分与参数说明3.3.1 TL494TL494 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。第6页上海交通大学 电子信息与电气图 3.1 DC-

20、DC 开关仙缘子系统简明电路图1图 3.2 TL494 内部结构电路图1TL494 的管脚图见图 3.3。具体管脚说明：第7页上海交通大学 电子信息与电气图 3.3 TL494 外部管脚图21)2)3)4)5)6)7)8)9)10)11)12)13)14)15)16)1IN+第一个运放的正输入端1IN第一个运放的负输入端FEEDBACK运放的反馈端DTC死区时间端CT内部振荡器接电容端RT内部振荡器接电阻端GND接地端C1E1E2C2Vcc第一个输出三极管的集电极第一个输出三极管的发射极第二个输出三极管的发射极第二个输出三极管的集电极工作电源输入端OUTPUT CTRL输出REF基准电压输出端

21、端2IN-第二个运放的正输入端2IN+第二个运放的负输入端2第8页上海交通大学 电子信息与电气3.3.2 输出电压与基准电压查分放大电路的工作原理1 脚外接电路主要由一个分压电路，主要目的是使 TL494 的 1 脚电压与输出电压成正比。2脚同样外接一个分压电路。2 脚的电压由 R5 和 R8 对基准电压分压得到。R3 和 C2 的作用是抑制高频增益，防止自激。如图 3.4 所示。图 3.4 差分放大电路图13.3.3 TL494 生成 PWM 波的工作原理如图 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，V2 为基准电压，

22、当 V1>V2 时，二极管道童，这时对 VA 充电；当 V1<V2 时，VA 放电。当 VA 波幅值大于锯齿波时，PWM 比较器输出为低；当 VA 波幅值小于锯齿波时，PWM 比较器输出为高。第9页上海交通大学 电子信息与电气图 3.5 TL494 内部产生 PWM 波的电路图13.3.4 开关三极管 TIP42 在电路中的作用开关三极管（Tip42）的工作原理：当 PWM发射极两端的压降小，则三极管截止。如图 3.6 所示。信号处在低电，加载开关三极管基极与图 3.6 TIP42 的电路图13.3.5 TL494电路设计电路如图 3.7 所示，电路分析如下：（1）振荡电路：C3和

23、R3与TL494 的5、6 管脚相连组成TL494PWM 波的频率选择电路，决定了开关电路的频率，根据fosc=1/(RT*CT)，即可得到C3（CT）、RT（R7）与振荡频率fosc的关系。（2）R1、R2、TIP42 与 TL494 的 8、11 、12 管脚输入与输出开关电路，当 8 号管脚输出的 PWM 为高点开关三极管截止，则输入输出级断开，反之闭合。（3）R3、R4、C2防自激网络，抑制高频增益。（4）R5、R8、TL494 的 2、14 管脚确定 TL494 的 1 号比较器（2 管脚）的 Vref。TL494 的 14第10页上海交通大学 电子信息与电气号管脚输出恒定的约5.0

24、V 的参考电压Vref，经R5、R8 分压后形成Vref1（约2.5V）送入2 号管脚。图 3.7 开关电源子系统电路设计1（5）R11R14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Vo 稳压调节电路。（6）R6、R9 与 15、16 号管脚可调限流网络。3.4 开关电源子系统参数说明表 3.1 开关电源系统参数说明第11页上海交通大学 电子信息与电气R1390R12022kR251R135.1kR347kR1401kR41MR150.1R55.1kRL10R65,1kC1470R76.2kC3500pR85.1kC4470R9120C5470R115.1

25、kL约 1mH33.5 开关电源子系统设计原理纹波成分分析：（1）（2）（3）开关频率纹波：开关脉冲蒸整流后的波动；开关瞬间噪声：储能电感的漏感在三极管开关切换的瞬间产生涡流；工频纹波：50Hz 交流电源蒸馏后的波动。减小纹波的方法及其优缺点：（1）（2）（3）（4）提高开关频率，即减小 R7*C3，这种方是效率有所降低；增大 R1：降低开关饱和导通深度，降低开关状态切换速率，也会降低效率；增大储能电杆的电感值，但需要反复拆卸电路板，很难实现；增大滤波电容 C5 的电容值：受工艺条件限制，不，还可能影响系统上电稳定时间。在实践过程中，若过度实施措施 1 和 2，片 main 降低纹波，会使开关

26、功耗上升，系统效率下降非常严重。开关管功耗过大还会令三极管易损，同时经常引起负载电阻或 TL494 连锁损坏。第12页上海交通大学 电子信息与电气4. 电压子系统的硬件设计4.1 主要功能与设计目标主要功能：通过单片机调节电压值，然后单片机DC-DC 的输出电压。设计指标：数码管显示输出电压，DC-DC 输出稳定的直流电压，误差不得超过 0.05V。4.2 系统的主要功能通过单片机编程，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 PWM信号，但是这个 PWM 波的高电平电压不稳定，所以需要接一个整形电路来使电平稳定。之

27、后信号经过有源低通滤波器，取出其直流分量，由于占空比不同的 PWM 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 PWM 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。图 4.1 电压子系统原理流程图1整体的电路图如图 4.2 所示。主要参数如表 4.1。表 4.1 电压模块主要参数第13页上海交通大学 电子信息与电气R15.1kR8100kR220.51k

28、R9100kR3100R103.9kR410kC11FR515kC21FR630kC3300pFR730k图 4.2 电压模块设计图14.2.1 整形电路整形电路的主要目的是将单片机输出的不稳定 PWM 波（见前一章节）转化为稳定的 PWM 波输出。主要利用反相器4011 来实现该功能。反相器 4011 需要工作在稳定电压下，所以设计如图4.3 所示。图 4.3 整流电路图1第14页上海交通大学 电子信息与电气4.2.2 单有源低通滤波器 LPF电压子系统的关键是有源低通滤波器，它的作用是把 PWM 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。图 4.4

29、 低通滤波电路图1电路是一个二阶低通滤波器，根据设计单片机输出的PWM 信号的频率是500Hz ，但是我们设计的滤波器有一定的过渡带宽，所以设计的滤波器的截止频率应该尽量的小，一般取R1R2，C1C2，可由下式求得：1f = 50HzcR R C C6 7 1 2此电路的器件是 LM741，LM741 管脚图见图 4.5。图 4.5 LM 741 管脚图2采用的是 SALLEN-KEY 结构滤波器，其工作过程如下：（1）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输入端，而直接从输出端输出。（2） 对于高频的输入信号（信号频率远大于滤波器截止频率），C1，

30、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。（3） 对于频率接近截止频率的信号，C2 引入的正反馈可以决定信号的增益。而采用有源滤波器的优势有两个，一为输出阻抗小，可以带比较大的负载，其二为可以有增益。第15页上海交通大学 电子信息与电气4.2.3 信号变换与主要是由一 4N25完成。内部结构及电路见图 4.6。图 4.6 4N25 原理图2管脚定义：1)2)3)4)5)6)ANDOE阳极CATHODE阴极N.C.悬空端EMITTER发射极COLLECTORBASE基极集电极4.2.4 光电偶电压信号通过发光二极管转成光信号，另一端的接收二极管再把光信号转成电阻值

31、并与 R12 并联，从而完成整个电压系统。电路1图 4.7 4N25第16页上海交通大学 电子信息与电气5. 电压测量模块的硬件设计5.1 主要功能和设计指标主要功能：在有输出电压测量子系统时，整个系统就工作在闭环方式。它的设计思想是通过光耦 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。单片机通过输出 PWM 波软件编程，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，并的占空比的大小，使得实际电压逐步接近所需要的电压，以实现单片机对输出电压的闭环测量、实时。设计指标：数码管显示输出电压，DC-DC 输出稳定的直流电压，两者之差不得超过 0.05V。5.2 电压测

32、量子系统的设计原理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过信号变换输入到单片机中，对于输入信号进行量化、编码，单片机根据程序中已有的输出电压对应到 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。图 5.1 电压测量模块设计图1第17页上海交通大学 电子信息与电气5.3 主要电路与参数设计5.3.1 ADC 输入方式对于 ATmega16 单片机可以有两种 ADC 输入方式，即 ADC 单端输入和 ADC 差分输入。其中ADC 单端输入利用单片机内部的 2.56V 电压作为 V ，由其公式C = Va ´102

33、4 可知，V 的变动范refaVref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 作为参考电压输入，从而可以编码空间的使用效率，用足 10 位 ADC。但实际操作中我们还是选择单端输入实现方式。模块设计图如图 5.2 所示。图 5.2 ADC 单端输入示意图1图 5.3 差分处理电路图第18页上海交通大学 电子信息与电气5.3.2 测量处理主电路开关电源子系统的输出电压为 5V 到 10V，而 ADC 的 Vref=2.56V，所以在输入 ADC 之前必须进行一定的处理。我们采取的方案是将电压取半后通过减法器处理变为 02.5V 输入 ADC，

34、差分处理电路图如图 5.3 所示。其中，参数设置为：表 5.1 参数设置说明 TL431 电路TL431 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意的设置到从 Verf（2.5V）到 36V 范围内的任何值。其典型电路如图 5.4 所示。VKA 与 R1 和 R2 的关系为：其中 Vref =2.5V。图 5.4 TL431 电路（1）在本电路中，我们需要得到 2.5V 的参考电压，与经过处理的 DC-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=0，得到 VKA=2.5V，如图 5.5 所示。5.3.

35、2.2 运算放大器差分电路运算放大器差分电路如图 1 右半部分电路所示。Vin 为 DC-DC 电压源输出电压，Vout 为单片机系统的单端输入电压。根据电路结构，有第19页上海交通大学 电子信息与电气R110 kR410 kR2100R510 kR310kR630K其中，Vk 为 TL431 电路产生的参考电压。根据设定阻值，可得到即将 Vin（5V-10V）转化为 Vout（0-2.5V），传递给单片机。图 5.5TL431 电路（2）第20页上海交通大学 电子信息与电气6. 单片机小系统及软件设计6.1 单片机子系统的简要介绍ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗

36、 8 位 CMOS 微器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的。6.1.1 功能特性的概述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， 可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分

37、输入级可编程增益 (TQFP 封装 ) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 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/D 转换器、 SRAM、 T/C、 SPI 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，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态；ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下

38、只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则6.1 和 6.2 所示。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图 6.1 封装图2第21页上海交通大学 电子信息与电气图 6.2 内部电路方块图2第22页上海交通大学 电子信息与电气6.1.2 系统板与本设计相关部件 I/O 端口端口 A 作为 A/D 转换器的模拟输入端。端口 A 为 8 位双向 I/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， 可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口

39、被外部电路拉低时将输出电流。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。端口 D 为 8 位双向 I/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， 可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。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。 定时/计数器定时器 / 计数器 TCNT1、输出比较寄存器 OCR1A/B 与输入捕捉寄存器 ICR1 均为 16 位寄存器。在某些操作模式下， TOP 值或 T/C 的最大值可由 OCR1A 寄存器、 ICR1 寄存器，或一些固定数据来定义。在

40、 PWM 模式下用 OCR1A 作为 TOP 值时， OCR1A 寄存器不能用作 PWM 输出。但此时 OCR1A 是双向缓冲的， TOP 值可在运行过程中得到改变。当需要一个固定的 TOP 值时可以使用 ICR1 寄存器，从而OCR1A 来用作 PWM 的输出。6.2 单片机软件程序描述6.2.1 主程序流程软件设计分为开环和闭环两个基本方式，我们组将两者合并在一个程序里实现，通过按键实现转换并用标志位显示在数码管上。要完成的主要功能有：（1）通过按键实现工作模式的切换和识别。（2）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

41、生一定占空比的 PWM 波，使输出电压与数码管显示值一致。（3）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与期望值相当。并可将闭环调整过的占空比用于开环。第23页上海交通大学 电子信息与电气开始PWM波输出返回返回图 6.3 单片机软件主流程图6.2.2 重要的全局变量与常量1)按钮防抖延迟时间（也即在中断中的次数，每次有 5ms）#define btime 302)数码管位和指示灯显示数据变量unsigned char output_sel;3)数码管段显示数据变量unsi

42、gned char output_8seg;4)1s 软件定时器计数unsigned char clock1s;5)1s 软件定时器溢出标志unsigned char volatile clock1s_flag;第24页上海交通大学 电子信息与电气读入AD转换值， 改变占空比写入占空比数组写入占空比数组模式1 闭环模式0 开环工作模式若长按SW4， 则刷新占空比数组检查按键， 改变参数， 数码管显示定时器0溢出中断变量初始化定时器1 溢出中断6)指示灯驱动信号输出缓存unsigned char led1,led2,led3,led4;7)数码管扫描驱动指针unsigned char digi_

43、scaner;8)测试用计数器unsigned int test_counter;9)测试用计数值十进制表示unsigned char volatile digi4;10)单端输入的 ADC 值unsigned int ADC_SingleEnded;11)变换后的电压 mV 及变换过程中用到的变量unsigned int LED_Volt; unsigned int LED_Volt_ans; unsigned long int LED_Volt_all; unsigned int d25;unsigned int i,j,k,l,s;12)模式选择，0 为开环，1 为闭环unsigned

44、int mode=0;13)开环用到的占空比数据unsigned int ICRlist53;14)闭环用到的 ADC 校准值unsigned int LEDlist53;15)经过闭环调整过的占空比数据unsigned int OCRlist53;16)按钮防抖使用变量 */unsigned char key1_t,key2_t,key3_t,key4_t。6.2.3 主要模块描述 主程序模块功能实现：（1） 初始化单片机参数（2） 全局变量赋初值（3） 在中断未发生的空闲时间中主循环不断运行调用函数第25页上海交通大学 电子信息与电气init_devices( )，初始化所有

45、器件，包括定义端口输入输出的 port_init()函数，初始化定时器 0 的timer0_init()和初始化定时器 1 的 timer1_init() 定时器中断 0功能实现：1)数码管扫描显示模块主要程序：/ 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 一个轮回if (+digi_scaner>=5) digi_scaner = 1; output_sel=led1*16+led2*32+led3*64+led4*128; /四个发光管送高四位switch (digi_scaner)case 1: / 取第一个数码管显

46、示数据output_sel += 1;output_8seg = NUMTOSEG7(digi0); break;case 2: / 取第二个数码管显示数据output_sel += 2;output_8seg = NUMTOSEG7(digi1); break;case 3: / 取第三个数码管显示数据output_sel += 4;output_8seg = NUMTOSEG7(digi2); break;case 4: / 取第四个数码管显示数据output_sel += 8;output_8seg = NUMTOSEG7(digi3); break;display_led(output

47、_8seg,output_sel); /串转并输出按键检测模块2)第26页上海交通大学 电子信息与电气模块主要程序：/ * 检测到按键被按下（0）时，相应的指示灯亮（输出信号 0 使灯亮）*/检测 SW1if (PINC&(1<<PC4)=0) /PC4,C 口第 4 位led1 = 0;if (key1_t+>btime)&(test_counter<10100)test_counter+=100; key1_t=0;elseled1 = 1;/检测 SW2if (PINC&(1<<PC5)=0) /PC5,C 口第 5 位led2

48、 = 0;if (key2_t+>btime)&(test_counter>4900)test_counter-=100; key2_t=0;elseled2 = 1;/检测 SW3if (PINC&(1<<PC6)=0) /PC6,C 口第 6 位led3 = 0;if (key3_t+>btime) 第27页上海交通大学 电子信息与电气test_counter=5000;key3_t=0;elseled3 = 1;/检测 SW4if (PINC&(1<<PC7)=0) /PC7,C 口第 7 位led4 = 0;if (ke

49、y4_t+>150)for(s=0;s<53;s+) ICRlists=OCRlists;key4_t=0;elseled4 = 1; if(key4_t+>btime)if(mode=1)mode=0;else mode=1;key4_t=0;功能实现：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 将在开环模式和闭环模式间切换，长按 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空比数组的值，使开环更精确。输出项：digi0 = test_counter/1000;/计算千位数第28页上海

50、交通大学 电子信息与电气digi1 = (test_counter-digi0*1000)/100; /计算百位数digi2 = (test_counter-digi0*1000-digi1*100)/10; digi3 = mode;说明：digi0到 digi3在数码管上显示/计算十位数3)ADC 数值处理模块模块主要程序：ADC_SingleEnded=read_adc(0x00);/方式ADC0temp32=(long)ADC_SingleEnded*Vref;LED_Volt=(unsigned int)(temp32/1024);LED_Volt=LED_Volt*2 di+=LE

51、D_Volt; if(i>19)i=0; for(j=0;j<20;j+)LED_Volt_all+=dj;LED_Volt_ans=LED_Volt_all/20;功能实现：ADC 数值之后将其转成对应的估计的电压值，然后不断循环，将最近 20 次的转换值存到数组 d中，取其平均，然后与要求电压比较。4)开环模块模块主要程序：l=k;k=(test_counter-4900)/100; if(k!=l) OCR1A=ICRlistk;功能实现:若要求的电压值发生改变，则从预先的占空比数组中提取相应的数来改写 OCR1A 来改写占空比，使输出电压接近要求电压。5)闭环模块模块主要程序：if(mode=1)if(LED_Volt_ans<LEDlistk-500)OCR1A+=50;else if(LED_Volt_ans<LEDlistk)&(LED_Volt_ans>LEDlistk-500)第29页上海