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（a〈9）
｛a++； ｝
else a=0;｝
}
if(P2_5 == 0)
{
delay（10)；//延时去抖动
if（P2_5 == 0)
{
while(P2_5== 0）；
if（b〈9)
｛b++; }
else(b=0）；}
if（P2_4 == 0）
｛
delay（10）；//延时去抖动
if(P2_4 == 0）
｛
while（P2_4== 0)；
if（c〈5)
｛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P2.0—P2。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=100＊x/100；
N=(100＊x-100＊I）/10;
M=100＊x—100*I—10＊N;
P2_0=0；
P0=table[0]；
delay(10）；
P2_0=1；
P2_1=0;
P0=gao_table［I］；
delay（10）;
P2_1 =1；
P2_2=0;
P0=table[N］；
delay（10)；
P2_2= 1；
P2_3=0；
P0=table[M];
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_Result[ADC_channel]＊5.0/1024；
｝}
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Vr<Vs,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Vr〉Vs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
<0.8
0.8
0。9
1。0
1。1
1。2
1.3
1。4
1。5
1.6
1.7
Vr
-
0。79
0.89
0.98
1。08
1。18
1。28
1。39
1。49
1。59
1。7
1.8
1。9
2.0
2。1
2。2
2。3
2.4
2.5
2。6
2。7
2。8
2.9
1.78
1。88
2.02
2。08
2。17
2。28
2.38
2.51
2.58
2。68
2.78
2。91
3.0
3。1
3。2
3。3
3。4
3。5
3。6
3。7
3.8
3。9
4.0
〉4.0
2。98
3。12
3.19
3。28
3。39
3。48
3.59
3。68
3。79
3。96
3.98
-
通过上面的表格可以看出来，虽然实际测出来的电压Vr和设置的电压Vs有一定的误差,但是总体还是在设置的电压附近波动，所能输出地电压范围为0。8v～4。0v。
误差原因分析：(1)单片机电源不够稳定,在接入电脑后给单片机提供的电压小于5V（2）提供给AD转换的参考电压不够精确，使转化存在误差。
四、 心得体会
通过这次实验让我知道理论需要联合实际，只有将自己所掌握的知识真正应用于实际才算真正的掌握了知识。在刚开始做的时候我对于单片机的知识理论只是有一些模糊的印象，不能真正掌握单片机的知识，比如用AD采样需要用单片机的哪些管脚,还有数码管需要用哪些管脚控制,并且哪些管脚控制段选，哪些控制位选.这些我都不太清楚，但通过请教才会用程序写出来。虽然这次实验做出来了，但是我还是有些知识无法真正掌握，比如定时器中断或定时，所以这次实验我只能用delay延时来写。
通过这次实验我还注意到细节决定一个程序是否能成功运行，比如我在写程序是应用了if……else格式,可是因为在写的过程中括号没对齐,使程序没能成功运行，经过同学帮忙才成功运行。还有的细节就是关于键盘的防抖动问题。
总体来说，我通过这次课程设计不单单学到了很多单片机和C51编程的的知识，更多的是学会了学习的方法，能够将所学到的知识用到实验上面,可以把知识记得更清楚。这还更多地提高了在遇到实际问题时该怎样解决实际问题的能力。更深入地学习C语言，又可以更多地提高自己的逻辑，思考能力，使思维结构更严谨。希望在以后的学习之中可以更多地接触到这样的实验,那样就可以更好地提高自己的动手能力与对所学知识的运用能力
本实验C程序源代码:
/**＊*＊＊**＊＊*＊*＊**＊＊＊＊*＊＊＊＊＊＊*＊*******＊*＊＊＊*＊***＊**＊＊＊*＊＊**＊＊*＊＊＊＊**＊*＊＊＊*＊*＊＊＊*/
/＊**文件名:开关稳压电源.c*＊＊＊＊**＊*＊＊*＊***＊＊＊*＊＊＊＊＊**＊＊＊＊*＊＊*＊＊＊＊＊＊**＊＊＊*＊*＊＊＊＊/
/**＊功能：设定电压初始值，使得输出电压值与数码管显示值相同**＊**＊＊*＊＊**＊＊＊******/
/＊＊＊单片机型号：STC12C5A60S2（带AD转换与PWM脉宽调制输出功能)**＊**＊＊＊＊＊＊＊＊*/
/＊＊**＊＊*＊＊*＊**＊＊*＊*＊***＊****＊＊**＊*＊*＊＊＊*＊＊*＊＊****＊*＊＊＊＊＊＊**＊**＊＊＊＊＊*＊＊*＊＊＊**＊＊＊/
/＊＊＊*****＊＊**＊＊*＊＊＊＊＊＊＊＊**＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊**＊＊＊＊＊**＊＊＊*＊＊**＊**＊＊＊*＊＊***＊*＊＊＊**＊*＊/
#include ”stc12c5a60s2。h"
＃include 〈intrins。h>
#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_Result［8］=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=P2^0；
sbit P2_1=P2^1;
sbit P2_2=P2^2；
sbit P2_3=P2^3;
sbit P2_4=P2^4;
sbit P2_5=P2^5;
sbit P2_6=P2^6；
sbit P2_7=P2^7；
sbit PWM0=P1^3；//定义PWM0的输出端
sbit P1_5=P1^5;
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。1＊b+0。01＊a；
ADC_Drv_Service（)；
ADC_Drv_Demo（）；
PWM0_Drv_SetDuty（D）;
if（m〈n）
{
if（(m+0.05）>n）；
else
｛
if（D〈=0)
D=0；
else
D——；
｝
｝
if（m〉n)
｛
if（（m—0.05）〈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；x>0；x—-）
for（y=110；y>0；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（a<9）
｛a++； }
else a=0；
}
｝
if(P2_5 == 0）
{
delay（10）；//延时去抖动
if（P2_5 == 0）
｛
while（P2_5== 0);
if(b<9)
｛b++； ｝
else(b=0)；
｝
}
if（P2_4 == 0)
｛
delay(10）；//延时去抖动
if(P2_4 == 0）
｛
while(P2_4== 0）;
if（c〈5）
｛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=100＊x/100；
N=（100＊x—100＊I）/10;
M=100*x-100*I—10＊N；
P2_0=0;
P0=table［0];
delay（10）；
P2_0=1；
P2_1=0；
P0=gao_table［I]；
delay（10）；
P2_1 =1；
P2_2=0；
P0=table[N]；
delay（10）；
P2_2= 1;
P2_3=0;
P0=table［M］；
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 result
ADC_CONTR = ADC_POWER ｜ ADC_SPEEDLL ｜ ADC_START ｜ ChNo; //
for（Delay = 0x00；Delay 〈 500;Delay++)；//ADC power—on and delay
IE = 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_Result[ADC_channel］ = ADC_RES；
ADC_Result［ADC_channel] = (ADC_Result［ADC_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_Result[ADC_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；
}