基于STC12系列单片机的串联型开关电源设计与实现.doc

单片机及模数综合系统设计课题名称:基于STC12系列单片机的串联型开关电源设计与实现-单片机控制部分一、实验目的：本模拟电路课程设计要求制作开关电源的模拟电路部分，在掌握原理的基础上将其与单片机相结合，完成开关电源的设计。本报告旨在详述开关电源的原理分析、计算、仿真波形、相关控制方法以及程序展示。二、总体设计思路 本设计由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM控制方式，通过给定量与反馈量的比较得到偏差，通过调节器控制PWM输出,从而控制开关电源的输出.当键盘输入预置电压后，单片机通过PWM输出一个固定频率的脉冲信号,作用于串联开关电源的二极管和三极管，使三极管以一定的频率导通与断开，然后输出进行AD转化，转化后的结果再给单片机进行输出，进行数码管显示。系统的基本框图及控制部分如下：控制过程原理分析：单片机所采用的芯片为STC12C5A60S2,该芯片在拥有8051内核的基础上加入了10为AD和PWM发生器.通过程序，即可控制单片机产生一定占空比的PWM脉冲，将此脉冲输入到模拟电路部分，在模拟电路的输出端即可产生一定的输出电压，可比较容易的通过程序来实现对输出电压的控制。但上述的开环控制是无法达到精确的调节电压,因此需要采用闭环控制来精确调制.即，对输出电压进行AD采样，将其输入回单片机中进行数据处理。单片机根据处理的结果来对输出电压做出修正，经过这样的逐步调节即可达到闭环的精密输出。由此原理,可以将整个过程分成一下模块:PWM波形输出模块，模拟电路模块，AD转换模块,数码管显示模块，键盘输入模块.控制过程基本思路为：首先从键盘输入一个电压值，并把该电压值在数码管上面显示出来，再由A/D转换模块对串联开关电源电路的输出端进行电压采集,将采集到的电压值与键盘输入的电压值进行比较，通过闭环算法，控制PWM的脉宽输出，由此控制串联开关电压电源电路，改变输出的电压值，使得输出值与设定的电压值相等。三、 系统各单元模块电路设计1、 键盘输入数据部分分别接到单片机的P2。4,P2。5,P2。6，P2。7。每路通过电阻进行上拉，可以编程实现控制单片机运行不同程序。为了判断键盘上面的按键是否有按下的,可以事先对P2.4，P2.5，P2.6，P2.7端口赋值，便可以知道具体是哪个按键被按下了。例如：P2。4=0，便可知道P2。4对应的按键已经按下了。键盘输入模块程序如下： void key（ ） /键盘扫描函数 if(P2_6= 0) delay(10）；/延时去抖动 if(P2_6= 0) while(P2_6= 0） if（a9）a+； else a=0; if(P2_5 = 0) delay（10)；/延时去抖动 if（P2_5 = 0) while(P2_5= 0）； if（b9) b+; else(b=0）； if（P2_4 = 0） delay（10）；/延时去抖动 if(P2_4 = 0） while（P2_4= 0)； if（c5) c+； else c=0； if（P2_7=0） delay(10); if（P2_7=0） while（P2_7=0）； P1_5=！P1_5； 2、数码管数据显示部分知道了上面在键盘输入的数值后，便要在数码管上面显示出来.该实验板的8位数码管是共阴极的数码管，使用端口为P0和P2.0P2。4口，且为动态数码管，因此在同一时间,只有一个数码管是亮着，但由于人眼的视觉残留,使得看上去是全部一起亮着的。8位分别有段选和位选，段选就是要一个数码管显示的字型，而位选则是由低电平选中所要那一个数码管，该数码管才能亮.因此要使得数码管亮并显示数字，则必须在位选时该数码管的位选管脚出于低电平，然后再通过段选显示字型.如下图所示的数码管：数码管显示模块程序为：void display（float x） uint M，N，I； I=100x/100； N=(100x-100I）/10; M=100x100*I10N; P2_0=0； P0=table0； delay(10）； P2_0=1； P2_1=0; P0=gao_tableI； delay（10）; P2_1 =1； P2_2=0; P0=tableN； delay（10)； P2_2= 1； P2_3=0； P0=tableM; delay（10)； P2_3=1;3、控制PWM输出部分STC12C5A60S2系列单片机集成了两路可编程计数器阵列（PCA)模块，可用于软件定时器，外部脉冲的捕捉，高速输出以及脉宽调制（PWM)输出。在该实验中主要用到PWM脉宽调制输出，通过对特殊功能寄存器初始化，就可以在P1。3(选择模式0时） 或P1。4(选择模式1时）端口输出可调占空比的高速脉冲.PWM模块程序如下: void PWM_Drv_Init（void）CCON = 0；/初始化PCA控制寄存器CL = 0;/初始化PCA计数器CH = 0;CMOD = 0x08;CR = 1； void PWM0_Drv_SetDuty（unsigned char DutyValue)CCAP0H = CCAP0L = DutyValue；/设置看空比CCAPM0 = 0x42;CR = 1； PWM 仿真图为：4、AD转换模块（完成万用表功能，即测量开关电源输出电压）STC12C5A60S2系列单片机自带有8路10位高速A/D转换器，在本实验中只用到其中的一路,故可以通过软件设计选择其中的一路用来测量电压。在不需作为A/D转换的端口可以继续作为I/O口使用。AD转换对特殊功能寄存器的初始化主要有ADC_CONTR和A/D转换结果寄存器ADC_RES(用来存放高八位） ADC_RESL(用来存放低两位);在ADC_CONTR中包含有ADC电源控制位ADC_POWER，模数转换器转换速度控制位SPEED1 SPEED0，模数转换器转换结束标志位ADC_FLAG，模数转换器（ADC)转换启动控制位ADC_START，模拟输入通道选择CHS1/CHS2/CHS3。由于是2套时钟，在设置ADC_CONTR控制寄存器的语句执行之后，要经过4个CPU时钟的延时,其值才能够保证被这只进ADC_CONTR控制寄存器,所以设置ADC_CONTR控制寄存器后，要加4个空操作延时才能正确读到ADC_CONTR寄存器的值。ADC的结构如下图所示:AD转化模块的程序为：void ADC_Drv_Demo(void)if(ADC_Finish_Flag = TRUE)ADC_Finish_Flag = FALSE；ADC_Drv_StartCh（ADC_channel)；m=ADC_ResultADC_channel5.0/1024；5、闭环控制算法这部分是整个实验中最重要的部分,该部分主要是通过A/D采集数据控制PWM输出，PWM控制开关电源输出，以达到稳定,即让开关电源输出电压稳定在键盘输入的电压值。针对前面的要求，则需要用单片机来完成所有的控制与计算。在该实验中，作为AD采集的端口为P1.7,PWM输出端口为P1.3，在采集完电压数据的时候把数据存放在ADC之中,而从键盘输入数值时,键盘上显示的是一个小数，但在单片机中存在中间变量temp的是一个整数，为小数的1000倍，因此在引用数码管显示的数值时要将temp除以1000才能得到实际的设置电压数值Vs；另一方面，采集回来的电压ADC要转换成实际的电压数值，则由下面的算法得出:真实值 Vr = ADV*5.0/1024。0 在得到这两个数值之后对他们进行比较,要是VrVs,说明采集回来的电压偏低,此时则要降低PWM输出脉冲的占空比；同理，当VrVs时，则要增大PWM输出脉冲的占空比，由此而使得串联开关电路的输出电压与事先所设置的电压值相同。实际测得的电压与设置的电压对比表格如下：Vs #define uint unsigned int define uchar unsigned char define TRUE 1 #define FALSE 0 void delay( uint z);/延时函数声明 void display（float m )； /显示函数声明 void key( );/键盘扫描函数 void ADC_Drv_InitCh(unsigned char ChNo)； void ADC_Drv_StartCh(unsigned char ChNo)； void ADC_Drv_Service(void）; void ADC_Drv_Demo（void）； void PWM_Drv_Init（void）； void PWM0_Drv_SetDuty(unsigned char DutyValue）； uchar ADC_channel =7；/选中哪一个通道的变量（范围 0 7） uint ADC_Result8=0; /保存ADC转换结果 float m，n; uchar D； uchar code table=0xc0，0xf9，0xa4,0xb0，0x99,0x92，0x82，0xf8，0x80，0x90； uchar code gao_table=0x40，0x79,0x24，0x30,0x19，0x12； sbit P2_0=P20； sbit P2_1=P21; sbit P2_2=P22； sbit P2_3=P23; sbit P2_4=P24; sbit P2_5=P25; sbit P2_6=P26； sbit P2_7=P27； sbit PWM0=P13；/定义PWM0的输出端 sbit P1_5=P15; bit ADC_Finish_Flag=FALSE;/ADC完成标志 uint a，b,c；void main（ ） a=0，b=0，c=0，D=100; P1_5=0; ADC_Drv_InitCh（7）； ADC_Drv_StartCh（7）; PWM_Drv_Init( );while（1) key（ ）； n=c+0。1b+0。01a； ADC_Drv_Service（)； ADC_Drv_Demo（）；PWM0_Drv_SetDuty（D）; if（mn） if（(m+0.05）n）； else if（D=0) D=0； else D； if（mn) if（m0.05）n)； else if（D=255） D=255; else D+； if（P1_5) display(m);else display(n); void delay（uint z） /延时函数uint x，y; for(x=z；x0；x-）for（y=110；y0；y）； void key（ ） /键盘扫描函数 if(P2_6= 0) delay（10）；/延时去抖动 if(P2_6= 0） while(P2_6= 0）； if（a9）a+； else a=0； if(P2_5 = 0） delay（10）；/延时去抖动 if（P2_5 = 0） while（P2_5= 0); if(b9) b+； else(b=0)； if（P2_4 = 0) delay(10）；/延时去抖动 if(P2_4 = 0） while(P2_4= 0）; if（c5） c+； else c=0; if(P2_7=0) delay（10）； if（P2_7=0） while(P2_7=0）; P1_5=！P1_5; void display（float x) uint M,N，I； I=100x/100； N=（100x100I）/10; M=100*x-100*I10N； P2_0=0; P0=table0; delay（10）； P2_0=1； P2_1=0； P0=gao_tableI； delay（10）； P2_1 =1； P2_2=0； P0=tableN； delay（10）； P2_2= 1; P2_3=0; P0=tableM； delay（10)； P2_3=1； void ADC_Drv_InitCh(unsigned char ChNo）P1ASF = P1ASF （0x01 ChNo);/初始化相应通道工作在AD模式下void ADC_Drv_StartCh（uchar ChNo) /转换启动uint Delay = 0x00;P1ASF = P1ASF （0x01 ChNo）；/初始化相应通道工作在AD模式下ADC_RES = 0;/Clear previous resultADC_CONTR = ADC_POWER ADC_SPEEDLL ADC_START ChNo; /for（Delay = 0x00；Delay 500;Delay+)；/ADC poweron and delayIE = 0xA0 | IE； /可位寻址中断允许寄存器用于AD中断EA = 1;/单片机CPU总中断void ADC_Drv_Service（void)ADC_ResultADC_channel = ADC_RES；ADC_ResultADC_channel = (ADC_ResultADC_channel 2) | ADC_RESL；ADC_Finish_Flag = TRUE;void ADC_Drv_Demo（void)if（ADC_Finish_Flag = TRUE）ADC_Finish_Flag = FALSE；ADC_Drv_StartCh（ADC_channel);m=ADC_ResultADC_channel*5。0/1024; void PWM_Drv_Init（void）CCON = 0；/初始化PCA控制寄存器CL = 0；/初始化PCA计数器CH = 0；CMOD = 0x08;CR = 1; void PWM0_Drv_SetDuty（unsigned char DutyValue)CCAP0H = CCAP0L = DutyValue；/设置看空比CCAPM0 = 0x42;CR = 1；