系統(tǒng)集成說明書

中北大學課程設計說明書學生姓名 學號：學院： 專業(yè):題目： 2015年7月1日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1課程設計目的 1\o"CurrentDocument"2課程設計內(nèi)容和要求 1\o"CurrentDocument"2.1設計內(nèi)容 1\o"CurrentDocument"2.2設計要求 1\o"CurrentDocument"3設計方案及實現(xiàn)情況 13.1設計方案及論證 1\o"CurrentDocument"DC-DC主回路拓扌卜 1\o"CurrentDocument"3.1.2控制方案選擇 23.2工作原理及框圖 2\o"CurrentDocument"Boost升壓主電路 2\o"CurrentDocument"3.2.2開機保護電路 4\o"CurrentDocument"3.2.3開關管保護電路 4\o"CurrentDocument"3.2.4輸出濾波和輸出過流保護 4\o"CurrentDocument"KL26主控電路及采集 5\o"CurrentDocument"3.2.6鍵盤輸入及顯示 63.3效率分析及計算 6\o"CurrentDocument"3.4硬件電路原理圖 7\o"CurrentDocument"3.5仿真分析 7\o"CurrentDocument"3.6PCB版圖設計 83.7系統(tǒng)測試 8\o"CurrentDocument"3.7.1測試使用的儀器 83.7.2測試方法 8\o"CurrentDocument"3.7.3測試數(shù)據(jù) 9\o"CurrentDocument"3.7.4指標完成 9\o"CurrentDocument"4課程設計總結 9參考文獻課程設計目的學習操作數(shù)字電路設計實驗開發(fā)系統(tǒng)，掌握開關電源的工作原理。掌握C語言開發(fā)設計，熟悉單片機的工作原理。掌握基于單片機系統(tǒng)的開發(fā)設計。課程設計內(nèi)容和要求設計內(nèi)容設計并制作一個開關穩(wěn)壓電源。輸入220V交流電，輸出30V~36V可調(diào)直流電。通過液晶屏顯示。設計要求基本要求：(在電阻負載條件下，使電源滿足下述要求)1、 輸出電壓U可調(diào)范圍：30V?36V；O2、 最大輸出電流I：2A；Omax3、 U從15V變到21V時，電壓調(diào)整率SW2%(I=2A)；2 U O4、 I從0變到2A時，負載調(diào)整率SW5%(U=18V)；O I 25、 輸出噪聲紋波電壓峰-峰值UW1V(U=18V,U=36V,I=2A)；OPP2OO6、 DC-DC變換器的效率±70%(U=18V,U=36V,I=2A)；2OO發(fā)揮部分：1、 進一步提高電壓調(diào)整率，使S<0.2%(I=2A)；UO2、 進一步提高負載調(diào)整率，使SIW0.5%(U2=18V)；3、 提高效率，使效率±85%(U2=18V,UO=36V,IO=2A)；4、 能對輸出電壓進行鍵盤設定和步進調(diào)整，同時顯示輸出電壓電流。設計方案及實現(xiàn)情況3.1設計方案及論證3.1.1DC-DC主回路拓撲方案一：圖1是間接直流變流電路：結構如圖1-1所示，可以實現(xiàn)輸出端與輸入端的隔離，適合于輸入電壓與輸出電壓之比遠小于或遠大于1的情形，但由于采用多次變換，電路中的損耗較大，效率較低，而且結構較為復雜。

珥I逆變電路」込I珥I逆變電路」込I變壓器I込整流電路＞濾波器直流圖1間接直流電路方案二：Boost升壓斬波電路：拓撲結構如圖1-2所示。開關的開通和關斷受外部PWM信號控制，電感L將交替地存儲和釋放能量，電感L儲能后使電壓泵升，而電容C可將輸出電壓保持住，輸出電壓與輸入電壓的關系為UO=(ton+toff),通過改變PWM控制信號的占空比可以相應實現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采取直接直流變流的方式實現(xiàn)升壓，電路結構較為簡單，損耗較小，效率較高。(如圖2)圖2boost升壓電路綜合比較，我們選擇方案二。3.1.2控制方案選擇方案一：利用PWM專用芯片產(chǎn)生PWM控制信號。此法較易實現(xiàn)，工作較穩(wěn)定，但不易實現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設定和步進調(diào)整。方案二：利用KL26單片機產(chǎn)生PWM控制信號。讓單片機根據(jù)反饋信號對PWM信號做出相應調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方案實現(xiàn)起來較為靈活，可以通過調(diào)試針對本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。但是系統(tǒng)調(diào)試比較復雜。我們選擇方案二。3?2工作原理及框圖3.2.1Boost升壓主電路圖3是Boost升壓電路包括驅(qū)動電路和Boost升壓基本電路。電力晶體管(GTR)耐壓高、工作頻率較低、開關損耗大；電力場效應管(PowerM0SFET)開關損耗小、工作頻率較高。從工作頻率和降低損耗的角度考慮，選擇電力場效應管作為開關管IRF540。選擇ESAD85M-009型肖特基二極管，其導通壓降小，通過1A電流時僅為0.35V,并且恢復時間短。實際使用時為降低導通壓降將兩個肖特基二極管并聯(lián)。

1)1)電感值的計算：U2(j_U)INO INmlfU2OO其中，m是脈動電流與平均電流之比取為0.25,開關頻率f=20kHz,輸出電壓為36V時，L=527.48口H,取530口H。電感線徑的計算：最大電流I為2.5A,BL電流密度J取4A/mm2，線徑為d,則由J*兀(d)2=I得d=0.892mm,工作頻率2L為20kHz,需考慮趨膚效應，制作中采取多線并繞方式，既不過流使用，又避免了趨膚效應導致漆包線有效面積的減小。2)電容的參數(shù)計算：I(U_U)C=OO TNbUfAUOO其中，AU為負載電壓變化量，取20mV,f=20kHz,U=36V時,C=1465口F,O O B取為2000UF，實際電路中用多只電容并聯(lián)實現(xiàn)，減小電容的串聯(lián)等效電阻(ESR),起到減小輸出電壓紋波的作用，更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓。(3)boost損耗計算：輸出電流有效值I =1.13xIx*D(1—D)O_RMS IN代入數(shù)據(jù)得I=2.069AO-RMS而電容的損耗P=I2xESR/2CO1 O_RMS等效串聯(lián)電阻ESR取為10mQ,代入得P=0.0428WCO1圖3主回路開機保護電路在直流輸入端串聯(lián)一支保險絲（250V,5A）,從而實現(xiàn)過流保護，反接保護功能由二極管和保險絲實現(xiàn)。用NTC電阻實現(xiàn)了對開機浪涌電流的抑制，當上電瞬間,電阻很大,從而對其防止浪涌電流產(chǎn)生。（如圖4）圖4開機保護電路3.2.3開關管保護電路利用IR2302的欠壓保護功能，對其電源電壓進行檢測，當電壓達到200mv的時候比較器輸出高電平，使IR2302的SD管角接高電平，從而使場效應管嚴格工作在非飽和區(qū)或截止區(qū)，防止場效應管進入飽和區(qū)而損壞，為了防止尖峰電流的產(chǎn)生使芯片誤判，我們采用逐波防鎖電路。（如圖5）圖5開關管保護電路3.2.4輸出濾波和輸出過流保護我們采用電感和電容進行濾波，效果比只使用電容好，我們通過康銅絲采集電流。當電流超過2.5A的時候打開繼電器。從而關閉電源。輸出端串接電流采

樣電阻R，材料選用溫漂小的康銅絲。電壓信號需放大后送給單片機進行A/DTEST2采樣。過流故障解除后，系統(tǒng)將自動恢復正常供電狀態(tài)。為了降低紋波，采用LC低通濾波器如圖6。取截止頻率f=200Hz,電容取470口F,由LL= -——4兀2f2CLfL--—L2ZLC代入得L=215.80口H,取220口H圖6過流保護電路KL26主控電路及采集單片機根據(jù)電壓的設定值和電壓反饋信號調(diào)整PWM控制信號的占空比，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，同時，單片機與采樣電路相結合，將為系統(tǒng)提供過流保護、過熱保護、過壓保護等措施，并實現(xiàn)輸出電壓、輸出電流和輸入電壓的測量和顯示。PWM信號占空比D?1_升；O當U2=15V,UO=36V時，U=1.2*U-2V=16V, 最大值D=0.556；IN 2 MAX當U2=21V,U0=30V時，U=1.4*U-2V=27.4V，最小值D=0.087IN 2 MIN系統(tǒng)對于單片機A/D采樣精度的要求：題目中最高的精度要求為0.2%，欲達到這一精度，A/D精度要達到1/500,即至少為9位A/D，MP430內(nèi)置A/D為12位，只要合理設定測量范圍，完全可以達到題目的精度要求。鍵盤輸入及顯示分別通過鍵盤和LCD實現(xiàn)數(shù)字設定和顯示。鍵盤用來設定和調(diào)整輸出電壓；輸出電壓、輸出電流和輸入電壓的量值通過LCD顯示。3?3效率分析及計算(U=18V,輸出電壓U=36V,輸出電流I=2A)2OODC-DC電路輸入電壓U=1.2*U-2V=19.6V，信號占空比D~l-U/U=0.456,IN 2 INO輸入電壓有效值I=1/(1-D)=3.676A, 輸出功率P=U*I=72WINO OOO下面計算電路中的損耗P:損耗Boost電路中電感的損耗：P=I2xDCRDCR1 IN 1，其中，DCR為電感的直流電阻，取為50mQ,代入可得P=0.68W1 DCR1Boost電路中開關管的損耗開關損耗：P=0.5*U*I(t+t)*fSW ININrf其中，t是開關上升時間，為190ns,t是開關下降時間，為110ns,f是開關rf頻率，為20kHz,代入可得P=0.2160WSW導通損耗P二D(I(Rx1.3+R))TOC\o"1-5"\h\zC IN DSON SNS其中，導通電阻R=77mQ，電流感應電阻R取0.1Q,代入得P=1.23WDSON SNS C肖特基二極管的損耗流過二極管的電流值與輸出電流I相等，則二極管損耗P二IV，其中，0 DODI=2A,取二極管壓降V為0.35V,代入可得P=0.7W兩只采樣電阻上的總損耗O D D為0.9W,綜上，電路中的總損耗功率P=4.5W損耗dc-dc變換器的效率n=Po/(PO+P損耗)=94%O O損耗

3?4硬件電路原理圖圖7為整個系統(tǒng)的電路原理圖。17“三亠亠主主一_=一匡j-=ej氏.」二7活l￡/?-l士一壬￥圭手芋g?L注-17“三亠亠主主一_=一匡j-=ej氏.」二7活l￡/?-l士一壬￥圭手芋g?L注-r礬込主壬一辛S3.3宀圖7總電路圖3.5仿真分析圖8采用multisim對主回路仿真，通過示波器查看輸出電壓，進過比對，和理論值相近。改變信號源的占空比，輸出電壓發(fā)生變化。?V1--I：*lOlfc：%*呼:::?V1--I：*lOlfc：%*呼:::XSC1XEOJ圖8仿真設計PCB版圖設計圖9米用AD11進行電路板設計，米用手工布線和自動布線相結合設計。對控制信號進行覆銅，防止大電流干擾。（1） 電源線寬和地線寬采用80mil。信號線采用18mil。（2） 對主回路和控制信號分開覆銅。址nu歿-;.-mHynMnuor-可址nu歿-;.-mHynMnuor-可n匚匚2?LI131J—曲「.」gnu圖10測試連接圖圖10測試連接圖^A0U圖9PCB板3?7系統(tǒng)測試3.7.1測試使用的儀器表1列出了測試中所需的儀器和數(shù)量。表1測試使用的儀器設備序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1FLUKE15B萬用表4美國福祿克公司2TDGC-2接觸調(diào)壓器（0.5KVA）1上海松特電器有限公司3KENWOODCS-4125示波器1帶寬20MHz3.7.2測試方法圖10為整個電路系統(tǒng)的測試點。電［流表2\RLJL測試數(shù)據(jù)電壓調(diào)整率(測試條件：IO=2A,UO=36V)。TOC\o"1-5"\h\zU=15V時,U=35.98V；U=21V時,U=36.13V,壓調(diào)整率SU=(U02-U01)/(01=0.42%)2 O1 2 O2負載調(diào)整率SI測試 (測試條件：U2=18V,UO=36V)。I=0A時，U=36.29V；I=2A時，U=36.04V,載調(diào)整率S=(U-U4)/U3=0.69%。O O3 O O4 IO3O OC-DC轉(zhuǎn)換器效率n測試(測試條件：IO=2A,UO=36V,U2=18V)。U=19.5V,I=3.88A；U=36.00V,I=1.975A,DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率為93.97%。IN IN O O指標完成表2為整個系統(tǒng)完成的情況。表2試數(shù)據(jù)與設計指標的比較測試項目基本要求發(fā)揮要求電路測試結果輸出電壓可調(diào)范30V-36V實現(xiàn)圍最大輸出電流2A實現(xiàn)電壓調(diào)整率W2%<0.2%0.1%負載調(diào)整率W5%<0.5%0.1%輸出噪聲電壓峰W1VPP340mVPP峰值DC-DC變換器效率±70%±85%87%輸出電壓設定和步進IV,測里和顯示實現(xiàn),步進可達步進調(diào)整電壓電流0.1V。課程設計總結本電路結構簡單,功能齊全,性能優(yōu)良,除個別指標外均達到并超過了題目要求。保護電路完善，使用更安全。使用同步采樣技術和多種抗EMI技術使得本電路更加環(huán)保。由于時間緊張,任務較為繁重,本電路尚有不足之處,如輸出紋波偏大等。這些都是以后我們努力和改進的方向。改進方法：用性能更好的器件，如換用導通電阻更小的電力MOS管，采用低阻電容；使用軟開關技術，進一步減小電力MOS管的開關損耗；采用同步式開關電源的方案，用電力MOS管代替肖特基二極管以減小損耗；優(yōu)化軟件控制算法,進一步減小電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率。參考文獻(1)童詩白．模擬電子技術基礎．北京：高等教育出版社,2002（2）張建華．數(shù)字電子技術．北京：機械工業(yè)出版社，2004（3）陳汝全．電子技術常用器件應用手冊．北京：機械工業(yè)出版社，2005（4）畢滿清．電子技術實驗與課程設計．北京：機械工業(yè)出版社，2005（5）潘永雄．電子線路CAD實用教程．西安：西安電子科技大學出版社，2002附件：源程序：1、功能實現(xiàn)文件#include"common.h"#include"include.h"#defineNM5uint16ad_value[5][NM];uint16ad_val[5]={0};uint8var[2]={0};int16a;floatofv,ofc;volatilefloatlcd_ofv,lcd_ofc;vint16out_put;int32dp0=0,dm0=0,dp1=0,dm1=0;externfloatnew_val;voidsource_init(){DisableInterrupts;NVIC_SetPriorityGrouping(0x3);NVIC_SetPriority(PIT0_IRQn,0);NVIC_SetPriority(LPTMR_IRQn,1);LCD_Init();LCD_P8x16Str(0,0,"set:");LCD_P8x16Str(0,2,"out:");LCD_P8x16Str(0,4,"output_v:");LCD_P8x16Str(0,6,"output_c:");ftm_pwm_init(FTM0,FTM_CH0,30*1000,0);key_init(KEY_MAX);PID_init();adc_init(ADC0_SE12);adc_init(ADC0_SE13);adc_init(ADC1_SE14);adc_init(ADC1_SE17);gpio_init(PTC9,GPO,0);pit_init_ms(PIT0,20);enable_irq(PIT0_IRQn);EnableInterrupts;}pid_tpid;voidPID_init(){pid.Voltage=0;pid.SetVoltage=0.0;pid.ActualVoltage=0.0;pid.err=0.0;pid.err_last=0.0;pid.err_next=0.0;pid.Kp=26.0;pid.Ki=5.3;pid.Kd=0;}voiddate_get(){int8i,j,k;uint16ad_result[5][5]={0};uint16temp=0,ad_sum[5]={0},AD_sum[5]={0},ad_result_tmp[5]={0};for(i=0;i<5;i++){ad_result[0][i]=adc_ave(ADC0_SE12,ADC_10bit,15);ad_result[1][i]=adc_ave(ADC0_SE13,ADC_10bit,15);ad_result[2][i]=adc_ave(ADC1_SE14,ADC_10bit,15);ad_result[3][i]=adc_ave(ADC1_SE17,ADC_10bit,15);}for(i=0;i<5;i++){for(j=0;j<4;j++){for(k=0;k<4-j;k++){if(ad_result[i][k]>ad_result[i][k+1]){temp=ad_result[i][k+1];ad_result[i][k+1]=ad_result[i][k];ad_result[i][k]=temp;}}for(i=0;i<5;i++){ad_sum[i]=ad_result[i][1]+ad_result[i][2]+ad_result[i][3];ad_result_tmp[i]=ad_sum[i]/3;}for(i=0;i<NM-1;i++){ad_value[0][i]=ad_value[0][i+1];ad_value[1][i]=ad_value[1][i+1];ad_value[2][i]=ad_value[2][i+1];ad_value[3][i]=ad_value[3][i+1];ad_value[4][i]=ad_value[4][i+1];}for(i=0;i<5;i++)ad_value[i][NM-1]=ad_result_tmp[i];for(i=0;i<NM;i++){AD_sum[0]+=ad_value[0][i];AD_sum[1]+=ad_value[1][i];AD_sum[2]+=ad_value[2][i];AD_sum[3]+=ad_value[3][i];AD_sum[4]+=ad_value[4][i];}for(i=0;i<5;i++){ad_val[i]=AD_sum[i]/NM;AD_sum[i]=0;}}voiddate_analyse(){dp0=ad_val[0];dm0=ad_val[1];dp1=ad_val[2];dm1=ad_val[3];ofc=(float)(dm0-dp0)/1024.0*3.23/0.050;ofv=(float)(dm1-dp1)/1024.0*3.23*7.790+17.96;lcd_ofv=ofv;lcd_ofc=ofc;}floatvoltage_pid(floatvol