科技创新5-第33组组长设计报告

FFFF摘要降压型DC-DC稳压电源是一种将20~30V直流电压转化为5~10V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：DC-DC稳压电源，开环控制，闭环控制，波，占空ThisdesignreportamplyillustratesthedesigninganddebuggingprocessofbuckDC-DCanditscontrollingpart.ItincludesthehardwaredesignofDC-DCswitchpowerandvoltage-controlledsubsystems,andthesoftwaredesignofsinglechipsubsystem.Atthesametime,theseriesofproblemswemetintheprocessofdesigninganddebuggingarealsomentionedinthisreport.Also,therearedetailedexnationsaboutthevariesofproblemsconcernedinthedesigningsuchasthesystemflowchart,thedesigningandrealizationofbothsystemhardwaresandsoftwares,thetechnicalindex,theysisofdebugging,andtheexnationconcerningthemanipulationofusers.DC-DCvoltage-stabilizedsource,Open-loopControl,Close-loopControl,Pulse-WidthModulation 概 编写说 名词定 缩略 系统总 系统组 DC-DC开关电源子系 电压控制子系 电压测量系 单片机子系 系统的主要功 DC-DC开关电源子系统的硬件设 开关电源子系统的主要功能和设计指 开关电源子系统的一般原理和逻辑框 开关电源子系统的具体工作原 开关电源子系统的参数说 专项问题的探 纹波的抑 电压调整率与负反馈参数的关 电压控制子系统的硬件设 主要功能和设计指 电压控制系统的一般原理和逻辑框 电压控制子系统的具体工作原 问题说 电压测量子系统的硬件设 主要功能和设计指 方案的一般原理和逻辑框 设计设计方案中主要部分和参数的说 拓展DC-DC升压部分的硬件设 单片机子系统及软件设 单片机开环控 单片机闭环控 功能概 单片机程序方 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 附录 测试和分 测试项目和方 DC-DC降压开关电源子系统的测 电压控制子系统（开环）的测 电压测量子系统（闭环）的测 DC-DC升压开关电源子系统的测 测试的资 及分 DC-DC开关电源子系统的电压控制子系统的电压测量子系统的测 升压型电路的测 电压控制子系统的附录 课程学习心得和意见建 概编写说本文是基于《科技创新[5]DC-DC稳压电源控制系统的报告。DC-DC（数学模型）与实际（电路）名词定信号：脉冲宽度调制信号。（串行口、并行输出口等）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缩略（pulsewidthmodulation）脉冲宽度调制信号LPF(lowpassfilter)低通滤波器DC(directcurrent)AD(anolog,digital)模拟-数系统总系统组DCinput-DCoutput20～30伏特的不5～10伏可调的稳定直流电压。整个系统主要由四部分构成，分别为：DC-DC开关电源，电压控制子系统，电压测量子系统和2.1所示。20-DC输

5-10V可调1ADC输

变换变换

A-整整

2.1系统组成示意图DC-DC开关电源子TIP42，储能电感，TL494，水泥电阻加上一些电容和电阻构成，主要实现DC-DC降压功能。TL494通过对输出电压的采样和基准电压之间的比较，产生波，2.2所示：图 该系统主要由整流电路、低通滤波电路、信号转换与电路三部分构成。整流电路主要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 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：2.3电压控制子系统示意图电压测量子系统主要由光电转换与电路（4N25）和A/D转换电路（ADC0804）组成。输822.42.4电压测量子系统示意图 波的修正，从而使输出值达到精确。如图2.5所示：2.4单片机子系统示意图系统的主要60mv750.5％。电压输出可调。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。这能使实现占空比对应电压输出功能。通过切换单片机按键，可以看到波占空比与输出电压的一一对应关系，在单片机数码管上有显示。为有于了解本系统的用户提供方便。DC-DC开关电源子系统的硬件设当20～30伏不稳定的输入直流电压，输出为5～10伏的稳定的直流电3.10.5开关电源子系统的一般原理和逻辑TL494由比较基准参考电压和输出反馈电压，产生的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，生成一定占空比的控制信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； 控制信号处在高电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近差分放大器的基准参考3.1所示：图 开关电源子系统的具体在分析具体前，极有必要先了解下本系统的－TL4943.2TL4943.3TL494输出电压与基准电压差分放大电路的工作1TL4941脚电压与输出电压成正比。2脚同样外接一个分压电路，2R5R83.4所示，R4RRF=R

。R3C23.4TL494生 波的工作原如图3.6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。通过电阻和电容的取值，可以确定开关频率，应使锯齿振荡波频率较高。如图3.5，为Vcc=15伏时，C,RC=0.001μF，R=47KΩ。3.53.6V1为采样电压，V2V1>V2VA（见图3.6，红线表示）；当V1<V2时，对VA放电,3.6中蓝线表示当VA波伏值大于锯齿波时，比较器输出为低；当VA波伏值小于锯齿波时，比较TL49411脚（即开关三极管的基极）可得到所满足要求的波。图3.6TL494内部产 开关三极管TIP42在电路中的开关三极管（Tip42C）的工作原理：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大，三级管导通。当控制信号处在高电平时，加在开关三级管基极与发射3.7所示：3.7TIP42开关电源子系统的参数R4=1000KΩR11=R13=5.1KΩR14=0~1KΩL专项问题的提高开关频率，减小R7*C3增大R1-降低开关管饱和导通深度；降低开关状态切换速增大储能电感值80mV,70%电压调整率与负反馈参数的关电压控制子系统的硬件设主要功能和主要功能：通过单片机输入电压值，然后单片机控制DC-DC的输出此电压设计指标：数码管显示输入电压，DC-DC输出稳定的直流电压，误差不得超过0.05V电压控制系统的一般原理和逻辑框通过单片机编程，改变单片机系统板上的按键来输入设定要求的CC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，但是这个波的高电电压不稳定，所以需要接一个整形电路来使电平稳定。之后信号经过有源低通滤波器，取出其直流分量，由于占空比不同的波所含的直流分量是不同的，此直信号经由非线性光耦4N25，相当于控制一个可变电阻，耦合入CC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CC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。系统过程流图如图4.1所示：4.1电压控制子系统的具体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。单片机产 单片机产生波，参见单片机子系统部分整形电整形电路的主要目的是将单片机输出的不稳定波转化为稳定的波输出。主要利反向器（4011）来实现这能。而反向器4011需要一个稳定的工作电压，所以有了以下的电图 整流电路图基于TL431的基准电压电TL431DATASHEET,我们发现TL431的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到Vref（2.5V）36V4.3：4.3TL431的工作特性图由此，我们可以得到基准电压的电路图（4.4所示 4.4基准电压电路图Ik不能过小！所以接输入的电阻不能太大，最后取到100欧姆。而Iref值很小，可以忽略。4.4所示的电路连接方法下，输出电压的表达式为：VKA=VRef(1+R1/R2)；因为VRef=2.5V（TL431内部决定），要求输出电压VO=4V左右，所以取阻值取值：R13K，R25.1K。最终VO=4.93V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给滤出来4.5所示。4.5低通滤波电路图[4]SALLEN-KEY结构滤波器，其工作过程如下：对于低频的输入信号，C1，C1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。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LPF的电路具体分析：4.6低通滤波分析电路图[4]M点的节点电流可以得到方程：Ui(s)UBR

UB

Uo(s)UB1

Uo(s)PUBUo(s)Uo(s)

由方程（1），（2）消去UBs=jw22

1

0.6442R20

0，其中，fp为截止频率fp0.644

0.644

10

R10k，C接下来要探讨的是直流分量的问题。要最终能够得到直流分量，因此，须把输入的信号进行级数展开分析，具体如下： 信号的方程为f(t)

a0

ncos(

t

T2 级数展 ：an2

T

fb

T2/T

于是，可以基本算出Vctl≈Vh×r（r为占空比，Vh 波的峰值）信号变换与主要是由一4N25完成。内部结构及电路见图4.74N25原理图 光电耦控图 R12并联，问题说5~10V的范围，可以调电位器R12来解决此问题。或调节R5和R8，抬升或降低整个输出电压，也可以减小Rctrl从电压测量子系统的硬件设主要功能和设计指主要功能：实时检测DC-DC子系统的输出电压并把模拟量转化成数字量传给单片机，单片机DC-DC子系统的输出电压设计指标：数码管显示输入电压，DC-DC输出稳定的直流电压，两者之差不得超过0.05V方案的一般原理和逻辑电压测量子系统主要由光耦合4N25，A/D转换ADC0804，基准源TL431组成。首先4N25在该系统中完成信号变换和的作用，将Vo的变化转换成Va的变化，4N25输出的电压动态范围应尽量大，以提高编码精度。然后利用A/D转换ADC0804对DC-DC电源的输出进行采样，并对到的电压进行模数转换，然后将转换结果8位二进制编码输入到单片机子系统，进行比较并调整输出，完成闭环反馈功能。三端可调分流基准源TL431则负责提供稳定的5.1电压测量子系统框图设计设计方案中主要部分和参数的说稳压电路：为ADC0804转换提供稳定电压，并提供稳定的参考电压。其原理与开环电路中的信号变换电路：与开环系统中提到功能类似，只是要求有所改变。4N25输出的电压动态范围应0.844V~3.02V4N25也需要一个稳定的基准电压，TL431来产生此稳定的基准电压，原理如上，不再赘述。电路图如下：基基5.2光耦图A/D转换电路：ADC0804Va转化成编码。AD的引脚图以及部分外部电路图如下。4脚、198脚、105.3所示。图5.3A/D引脚图以及部分外部电路VIN(-基5.4A/D外部电路Vi=VINVIN，为了使编码范围最大，应满Vi=0=>Vi=Vref/2=> =>0xff图中，VATL431产生的，我组的R5与R6分基准电压给0804的Vref/2端一个内部编码的终止电压，即0804的内部电压编码范围为Vin（-）~Vref0804VA[VAmin,VAmax]，KVINVINVref，则电阻取值须满足以下几条aR3、R4，使VIN(VAminKmin0bR5、R6VAmaxVIN(Vref<1Kmax1值得注意的是(Vref/2)(基准电压在R5、R6的分压），Vref/2该引脚上电压，不仅只随“基准电压”有变化，ADC0804的电源电压有变化时，在该引脚上也会引起电压的小幅变动。如果希望Vo→8bitcode关系能尽量保持恒定的话，则这种变动是有害的。22图 A/D外部电路的改良接法0804的电源输入引脚（5V），Vref/2引脚电压受AD5.6..//..///...5.6AD和单片机连接图[4]5.7所示5.7单片机的引脚图拓展DC-DC升压部分的硬件设DC-DC升压子系统的主要功能和设9141520伏的稳定6.10.5DC-DC升压子系统的6.1T1LT1转为截止期L将感生出图示中εVin极性相同，叠加后的VoVin大。所以，可以实现升压输出的效果。电容的储能有限，持续供给时间不能太长。所以，T1的开关频率不能过低（周期不能过长），（导--ε6.1升压电路的拓扑电路图6.2DC-DCTL494，比较反馈电压值与基准电压值的关系，产生一个波，从而进行对输出电压进行控制，使得输出电压稳定。DC-DC子系统。使用的开关三极管TIP41为NPN型：为保证（导通）占空比不致太大，TL494的OC（pin13）接逻辑高电平(Vref)，且只使用了E1（pin9）作为开关控制，使占空比最大不会超过6.2DC-DC电路图R15短路：6.3负反馈电路图[4]实现单片该部分主要原理也同降压型的开环控制一样，通过单片机改变波来改变控制子系统的输R12上的电阻，达到控制升压系统输出的功能。具体见下面单片机子系统单片机子系统及软件设单片机开环控功能概整有源信号变换整有源信号变换电压控制部7.1电压控制部分框图5V脉冲波形（波）。容易得到脉冲中含有一个直流分量，其值整形、低通滤波等成为硬件部分的一个电压控制信号，以此信号来系统输出电压的大小。7.2单片机程序方案在此程序中，主要用到了两个中断：T0T1高优先级中断。T1中的中断服务程序的功能是产生指定占空比的脉冲波形。为了使占空比尽可能的精确，T1他任何功能，并且把T1设为高优先级中断。即T1可以在T0执行过程断T0，执行T1中断T0占空比控制的实现：先给T1定时器输入高电平所需保持的时间TH1，在T1到时溢出后，置入低电平所需保持的时间TL1,脉冲周期TH1+TL1为一定值，这样，只要给TH1及TL1赋不同的值就T1中实现控制占空比的程序：}

计数器初值的赋值：T1TOTAL_TIME=1000。aa表示bb表示高电平的时间。lhhh表示给计数器初值高八位的数值，llhl表示给计数器初值低八位的数值。这样，计数器从“lh”“ll”开始计数一直计到0xffff，然后溢出，产生就能改变波的占空比。而在程序中，就是改变的值，使aa和bb发生变化，从而改变电平和低电平的时间，从而改变占空比。而如下程序取值的计数器初值，可以使波的周期恒定。因为执行一次高电平加上执行一次低电平的总时间为0xffff-aa+0xffff-bb，也就等于 是一个0到1000的整数，也就是说这段程序可以0.1%的步长来改变占空 增加1时，占空比增加0.1%，从而可以很精确的实现控制。 T1中 Y奇偶数数次次T1中7.3设置占空比按一下电压值增加/减少0.1V。而第三个按键则是改变显示方式，有两个选择，显示电压值或者显if(KEY1==0){led_1=0;keydown1=1;}else{keydown1=0;}B单片机闭环控功能概DA电压检测部DA电压检测部信号变换整电压控制部DC-开关电信号变换7.4闭环控制部分示意图体由起信号变换及作用的光耦以及A/D转换器组成。A/D转换器将输入的模拟电压值转换为8单片机与AD转换器的通信：在此系统中，单片机与A/D转换器的通信主要是单片机读A/D转换器输出的8位电压编码。将A/D转换器看成是一个单元，单片机通过地址来。单片机D转换：ADR_08040;（5ms）的转换结果：A_da=ADR_0804。由于o上叠加有随机干扰,AC0804有随误差（一般可以认为）这些随机干扰误差是均值为零的、平稳的、各态遍历的随机过程。对o足够多个取样值的平均，随机误差的影响可接近于零。由此构造1个通特性“数滤波器”，N次计算结果，相当于“滑动平均”20电压—编码表的测定：A/D转换器向适应的电压——占空比控制的实现：与开环控制时相同。先给T1定时器输入高电平所需保持的时间TH，在T1到时溢出后，置入低电平所需保持的时间Tl,脉冲周期TH+TL为一定值，这样，只要给TH及TL赋A/D输入的编码与电压——编码表中的编码后，如果发现两编码的差比较大时，说明此时电压偏差比较大，需要大幅度调整，此时可以对占空比做大幅度的调整。如果发现两编码的差式按键，即用户每按一下电压值增加/减少0.1V，而第三个按键则是改变显示方式，有两个选择，B致参考文[1]等，MCS-51系列单片机系统及其应用，高等教育[2]龙等，嵌入式技术与系统——InterXScale结构与开发，航空航天大学[3]ATMEL，8BITMICROCONTROLLERWITH8KBYTESIN-SYSTEMPROGRBLEFLASHAT89S52，2001[4]交大电子工程系，科技创新[5]课程任务要求及科技创新课程的Philips公司的4011器件Intersil公司的ADC0804器件的Hitachi公司的741器件的RECTRON公司的TIP42器件的Motorola公司的TL431器件的TI公司的TL494器件的附录 开发环型号或名数备21111K电位120K电位11N5822二极1TIP41三极1带31TIP413814N25光电耦合1IC插座814N251IC插座161TL494EI-22(R2K)铁氧体磁1EI-22骨10.6922红1黑10.820.52软件开编程工具：Keilversionu2工具：ATMELMicrocontrollerISP。开发环境：WindowsXP。附录 软件程#include<absacc.h>#include<reg51h>#include<math.h> 常量 /*#defineV_TH00xee/*~5ms,!notice:crystal11.0592MHz*/#defineV_TL00x00#defineTOTAL_TIME/*1s软件定时器溢出值，200个5ms*/#defineV_TCK #defineV_CLK2#define #define /*#defineADDR_8SEG/*数码管位驱动和指示灯驱动寄存器地址*/#defineADDR_SEL //AD转换#defineADDR_0804/*sbitKEY1=P1^0;sbitKEY2=P1^1;sbitKEY3=P1^2;sbitKEY4=/*/变量定 /**/unsignedcharclk2_f,clk3_f;/*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unsignedintxdata/*测试用计数值十进制表示，为测试外部器（U36264），特使用xdata类型*/signedcharxdatadigi[4];sbitout=bitkeydown1,keydown2,old_k1,old_k2,keydown3,keydown4,old_k3,old_k4;bittrig1,trig2,trig3,trig4;bitunsignedintmode,test,test1,s;unsignedinti,hh,hl,ll,lh,aa,bb;unsignedint,v,tt;unsignedchar //AD编unsignedcharxdatatable[51]={0xf6,0xf2,0xed,0xea,0xe5,0xe1,0xdd,0xd9,0xd4,0xd0,0x3d,0x39,0x33,0x2d,0x29,0x24,0x1f,0x19,0x14,0x0e,0x09};//电压--编码表unsignedxdatav[51]={124,130,139,145,155,162,171,181,190,198,506,517,530,543,557,571,586,602,618,638,658};//电压--占空比表unsignedxdataw[51]={575,576,577,578,579,580,581,582,584,585, bit/*/函数定 /****7段数码显示译码DATA7D7~0PGFEDCBAunsignedcharNUMTOSEG7(unsignedchar{unsignedcharAA;switch(DATA){case0:AA=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’*/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’*/case:AA=0xbf;break/*破折号*/case'_':AA=0xf7;break/*下划线*/case'':AA=0xff;break;/*消隐*/default:AA=0xff;}}/****T05mstimer0()interrupt1using{//ET0=0;/*关中断output_sel0xf0;*初值，令数码管驱动位无效，指示灯全灭*/if(KEY1==0){led_1=0;keydown1=1;}else{keydown1=0;}if(KEY2==0){led_2=0;keydown2=1;}else{keydown2=0;}if(KEY3==0){led_3=0;keydown3=1;}else{keydown3=0;}if(KEY4==0){led_4= 模式0开{ 1，电压增加} 按键2，电压减少if(v<=50){v=100;}else{v--} //-------------按键3，改变现实方式和电if(s==1){} 按键4，改变到模式1，开环控elsetest_counter==v[v- //设置的占空} 模式1，闭{} //编码，取20个点的平均} // 1，电压增加} 2，电压减少if(v<=50){v=100;}else{v--} //---------进行占空比调整。设置的占空if(tt>(table[v-if((tt-table[v- ++; 差距比较大，快速增加占空else}if(tt<(table[v-50]-if((table[v-50])<20)-- 差距比较大，快速减少占空else-}} //-------------按键3，改变现实方式和电{if(s==0){} 按键4，改变到模式2，拓展的开环控elsetest_counter=} 模式{ //设置初始占{ 1，电压增加{if(v==200)else 2，电压减少{if(v==150)elsev-- //-------------按键3，改变现实方式和电{if(s==0){ 按键4，改变到模式0，开环控elsetest_counter==w[v- //设置的占空}aa=0xffff-TOTAL_TIME+;//设置T1中断计数器的初值，从而改变占空/*1digi[0]mode;*显示工作模式digi[1] /*计算百位数digi[2]test_counter-digi[1]*100)/10;/*计算十位数digi[3]test_counter-digi[1]*100-digi[2]*10);/*计算个位数/*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=1;switch{case1/*output_sel|=ADDR_8SEGNUMTOSEG7(digi[0]);*输出到锁存器U5*/case2/*output_sel|=ADDR_8SEGNUMTOSEG7(digi[1]);*输出到锁存器U5*/case3/*output_sel|=0x04;ADDR_8SEG=NUMTOSEG7(digi[2])&0x7f;/*输出到锁存器

ADDR_8SEG=case4/*output_sel|=ADDR_8SEGNUMTOSEG7(digi[3]);*输出到锁存器U5*/}ADDR_SEL=output_sel; /*输出到锁存器U6*/ET0=1;/*开中断*/}timer1()interrupt3using{ET1=0;/*关中断 }

ET1=1;/*开中断}/****主程序{/**//****//****//**/**0**//*T0*/{ }}附录 系统操作说明11.1DC-DC降压型开关电源子系统的具体操降压型DC-DC降压型开关电源子系统如图11.2所示。在输入端V