基于51系列單片機控制的數(shù)控電源

前言電源技術(shù)是電子領(lǐng)域中不可缺少的設(shè)備，尤其是在當下電子產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，愈發(fā)先進的生產(chǎn)設(shè)備極大地提高了社會生產(chǎn)力，豐富了人們的生活。但是隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，過去的產(chǎn)物漸漸失去了原本的適應能力，已逐漸遭到淘汰或是改革。電源技術(shù)作為必備的電子產(chǎn)品，它的更新迭代在發(fā)展的潮流中顯得頗為重要。美國通用電氣公司在上個世紀的六十年代，研制出世界上第一支晶閘管，電力電子技術(shù)由此誕生，并開始了蓬勃的發(fā)展。以電子學為核心的電源技術(shù)，從此進入了快速發(fā)展的時期，后隨著智能化的進步，該產(chǎn)業(yè)逐步走向了智能化的方向，各國家業(yè)大力支持電源產(chǎn)業(yè)，并紛紛提出了相應的精度標準。只有滿足標準才能受到消費者的認可。數(shù)控電源是從80年代開始真正的發(fā)展開來，已經(jīng)發(fā)展的電力電子技術(shù)為數(shù)控電源提供了良好的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源在過去一段歷史發(fā)揮了重要作用，但其輸出穩(wěn)定性差、調(diào)控精度低、不易于控制等弊端也嚴重阻礙了當代先進設(shè)備的日常工作。針對傳統(tǒng)電源的這些不足之處，本篇文章意設(shè)計出一款基于單片機為核心的數(shù)顯反饋直流穩(wěn)壓電源，電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、操縱便捷、精準度突出等優(yōu)點，可以很好的解決傳統(tǒng)電源的不足之處，極大地提高了生產(chǎn)效率。1緒論單片機是一種可通過編程控制的微處理器，憑借其功能的強大以及方便易操作的特點，逐漸成為了各種電子設(shè)備不可或缺的核心部分。本文設(shè)計的數(shù)控電源就是利用單片機強大的可操作性來控制電源的輸出，單片機可以對電源信息進行采集并反饋處理，實時調(diào)整以達到最佳的輸出。通過編程控制有關(guān)的電壓調(diào)節(jié)，使得輸出穩(wěn)定，提高了設(shè)備工作的可靠穩(wěn)定。1.1課題研究意義上世紀80年代以來，誕生了開關(guān)式穩(wěn)壓電源的第一代產(chǎn)品，基本原理是利用了半導體元件，通過調(diào)整開關(guān)的占空比大小實現(xiàn)對電壓輸出的調(diào)整。調(diào)整管工作時處于開關(guān)狀態(tài)，內(nèi)部發(fā)生的功耗非常小，并且還有很高的轉(zhuǎn)換效率。開關(guān)電源發(fā)展到當代已經(jīng)有了很多的形式，依照分類標準的選擇不同可以劃分成多種開關(guān)穩(wěn)壓電源。按照電源輸出和調(diào)整管連接方式的不同，可以分為串聯(lián)型和并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電源，按采用穩(wěn)壓的方式不同可以分成脈沖寬度調(diào)制型、脈沖頻率調(diào)制型（PFM）以及混合調(diào)制型[1]。穩(wěn)壓方式中以脈沖寬度調(diào)制型穩(wěn)壓方式最常見，PWM型電壓在穩(wěn)壓方面優(yōu)勢很大，但是在電壓的輸出精度上略有欠缺，依靠旋鈕來調(diào)節(jié)PWM的輸出，這種調(diào)節(jié)方式遠遠達不到工業(yè)生產(chǎn)的需求，因此誕生了調(diào)節(jié)精度更好的數(shù)控技術(shù)，數(shù)控技術(shù)為電源行業(yè)帶來了新的活力，逐漸成為電源產(chǎn)業(yè)未來的新趨勢。上世紀80年代開始，數(shù)控技術(shù)開始發(fā)展起來，與此同時電力電子理論也開始建立起系統(tǒng)研究。電力電子技術(shù)的發(fā)展為數(shù)控技術(shù)提供了技術(shù)支持保障，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展有了良好的進程，但是這些進步趕不上整個社會工業(yè)的發(fā)展速度。當數(shù)控技術(shù)真正運用于制造中時，它的精度、可靠性以及功率密度距離使用要求還差的很多。所以在此之后，數(shù)控電源技術(shù)的發(fā)展就開始針對這些缺點突破，不斷進行加工完善。單片機技術(shù)的出現(xiàn)給了數(shù)控電源技術(shù)很大的改善，新的變換技術(shù)和控制方法為數(shù)控電源的精度提供了有利的條件，上世紀90年代市面上已經(jīng)出現(xiàn)了精度高達0.05V的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源[2]?；趩纹瑱C制作的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源，可以做到每次上調(diào)或下調(diào)0.1V，輸出的范圍也可以通過改變電路參數(shù)進行調(diào)整，電流的輸出一般情況下可以達到2A，具體數(shù)值根據(jù)實際情況而定。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展以51系列的單片機為控制中心電路，并逐漸拓展。數(shù)字化是控制行業(yè)發(fā)展的非常重要的一個方向，隨著科技的突飛猛進，對數(shù)控電源的發(fā)展起到了很大的作用。未來的數(shù)控電源會有更高的精度，更高的穩(wěn)定性，更好的環(huán)保，更高的智能等。1.2研究現(xiàn)狀近半個世紀以來，國內(nèi)外的學者對于開關(guān)電源進行了很多的研究，同時也取得了豐厚的成果。1.2.1國外研究現(xiàn)狀開關(guān)電源誕生于上個世紀50年代美國，用在火箭的內(nèi)部電路中，這種開關(guān)電源非常輕巧。自此以后，開關(guān)電源技術(shù)走向成熟，開關(guān)電源與傳統(tǒng)的電源相比性能更好、功耗低、體型小易安裝等優(yōu)勢，從而慢慢取代了傳統(tǒng)電源，廣泛應用于各種電子設(shè)備。80年代完成了大部分電子產(chǎn)品的電源替代。開關(guān)電源發(fā)展到今天，在技術(shù)層面上已經(jīng)取得了重大的突破發(fā)展。新興的技術(shù)將開關(guān)電源帶入了新的發(fā)展時期，推動了新一批高新技術(shù)的發(fā)展，使得開關(guān)電源的優(yōu)勢更加突出。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀隨著開關(guān)電源的誕生，我國國內(nèi)一些學者也開始將目光轉(zhuǎn)向開關(guān)電源這一部分。60年代初期，我國開始進行對穩(wěn)壓電源的研發(fā)設(shè)計。在這樣的基礎(chǔ)之上，到了70年代初期，才開始首次進行無工頻降壓變換器研究設(shè)計，并開始開關(guān)穩(wěn)壓電源進行適配工作。到了1974年的時候，研究取得了初步的進展，基于工頻降壓變壓器式的第一臺開關(guān)電源問世，可以輸出5V的電壓，工作頻率為10KHz。隨著國內(nèi)開關(guān)電源的進步發(fā)展，國內(nèi)許多的研究所、廠家也紛紛制造出了基于無工頻降壓變壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電源，這些穩(wěn)壓電源的工作頻率基本都在20KHz左右，輸出功率1000W以下。好在型號和用途很多，可投入電子、電視、通信等領(lǐng)域普遍使用。但是，隨著時代發(fā)展，我國的半導體水平被拉下很多，跟不上同時期的水平，使得自己的生產(chǎn)研發(fā)所需要的關(guān)鍵元器件要從國外進口，進一步導致我國當前的開關(guān)電源水平和發(fā)達國家相比有很大的落后。1.2.3已知存在問題結(jié)合上面所述，當下國內(nèi)外對開關(guān)電源的研究大多存在以下幾個方面的問題：控制方式不夠智能化；電源實況顯示不足；輸出電壓值固定，可調(diào)靈活性差；無法直接得到預設(shè)電壓輸出。1.3設(shè)計內(nèi)容方式本文檔主要內(nèi)容是設(shè)計一款基于51系列單片機控制的數(shù)控電源，采用PWM輸出和BUCK電路設(shè)計一款可調(diào)穩(wěn)壓源，通過調(diào)整PWM波的占空比達到調(diào)整輸出電壓的目標[3]。本次設(shè)計需要要達到的預期目標是：系統(tǒng)設(shè)定預期的電壓之后，能夠迅速將輸出電壓穩(wěn)定至預設(shè)值，同時可以通過按鍵實時調(diào)整輸出電壓，其步進精度為0.1V，輸出的電壓范圍為0V~12V，輸出電流最大為1mA。液晶模塊可以實時顯示當前輸入輸出電壓和輸出電流，使得整個系統(tǒng)的可視化以及人機交互更加完善。1.首先介紹對于數(shù)控電源的研究背景意義，和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2.對于本次設(shè)計所用元器件的選型對比和方案確立。3.硬件選型設(shè)計，輸入電路設(shè)計、整流穩(wěn)壓電路、PWM發(fā)生電路、驅(qū)動電路、按鍵電路以及顯示模塊電路等。4.軟件流程設(shè)計。5.程序調(diào)試和結(jié)果分析。6.設(shè)計體會總結(jié)。2系統(tǒng)分析2.1系統(tǒng)論述直流/直流（DC/DCConverter）包括直接直流變流電路和間接直流變流電路（在直流變流電路中增加了交流環(huán)節(jié)，也稱為直-交-直電路）[4]。本文設(shè)計是對將市網(wǎng)交流電整流后得到的直流電進行調(diào)整，故不涉及間接直流變流電路。直接直流變流電路又稱為直流斬波電路，其功能是將固定的直流電壓通過電路變換轉(zhuǎn)換成另一數(shù)值的直流電壓或者是可調(diào)直流電壓。2.2BUCK電路原理在目前的知識體系當中，斬波電路主要有降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路等。本文設(shè)計采用BUCK電路（降壓斬波電路）作為整流模塊，它突出的特點是輸出的電壓要低于輸入的電壓[5]。BUCK電路如下圖所示：圖2-1BUCK電路圖Fig.2-1Thediagramofbuckcircuit假設(shè)上圖中所有器件均為理想元件，通電一段時間之后，電容C的電壓能完全與輸入電壓Ui相等。根據(jù)所學知識，可以對BUCK電路的工作原理分解為電感充電和放電這兩個階段來詳細說明。2.2.1BUCK電路電感充電理想情況下，當電路中三極管V導通的時候，三極管相當于一根導線，由于二極管D反接，相當于開路，在電路中并不起到作用，使得電流直接通過三極管（導線）流向電感，此時相當于給電感充電。輸入的直流電通過電感發(fā)出的電流按比例上升，上升值與電感的感抗值大小有關(guān)，電感這個時候充當了恒流源的作用，主要用來傳遞能量，而電容相當于是一個恒壓源，對輸出電壓起濾波功能。圖2-2BUCK電路充電階段等效圖Fig.2-2ThediagramofBUCKcircuitchargingphaseequivalent2.2.2BUCK電路電感放電上述充電過程完成后，電感中儲存了大量的電能，這個時候我們把三極管導通條件破壞掉，使之在電路中變成開路狀態(tài)。根據(jù)“電路改變瞬間，電感的電流和電容的電壓不變”的原理可以知道，電感上的電流不會突然消失，而是慢慢的將充電時存儲的電荷慢慢釋放，直到完全釋放完畢電流值下降為零。這個時候電路中的三極管已經(jīng)被拿掉，電感、電容和二極管D這三個原件刺客又構(gòu)成了新的回路，二極管這個時候起到了續(xù)流的作用，即續(xù)流二極管，電流緩緩流入電容對電容充電，由此實現(xiàn)了對負載不間斷供電的功能。圖2-3BUCK電路放電階段等效圖Fig.2-3ThediagramofBUCKcircuitdischargephaseequivalent根據(jù)上述原理可知，BUCK電路工作的主要過程就是電感不斷接收電流和釋放電流。當電流流進電感，即充電過程中電感通過自身特性不斷存儲能量；放電過程中，電容兩端向外部輸出電流，如若電流連續(xù)不間斷，對電容容量的要求就會相對提高?？偟膩碚f，BUCK電路實現(xiàn)的原理就是不斷重復充放電過程，使得電容兩端輸出的電壓值低于電路的輸入電壓[6]。2.3BUCK波形分析查資料可知，Buck電路的波形圖如下圖所示：圖2-4BUCK波形圖Fig.2-4ThediagramofBUCKwaveformt=0時刻驅(qū)動MOS管導通，電源向負載供電，負載電壓，負載電流呈指數(shù)曲線上升。t=t1時控制MOS管關(guān)斷，二極管D續(xù)流，負載電壓近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。2.4BUCK穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓電路分為串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓電路和并聯(lián)型穩(wěn)壓電路。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路是最簡單的穩(wěn)壓電路，主要應用于對穩(wěn)壓要求不高的場合，有時候也可以用于基準電壓源。并聯(lián)型穩(wěn)壓電路又稱為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓基本電路如下圖所示：圖2-5并聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖Fig.2-5Thediagramofparallelregulatorcircuit并聯(lián)型穩(wěn)壓電路電流輸出小、輸出電壓不可調(diào)，因而應用較少，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路克服了這些缺點，從而在各種電子設(shè)備中得到了廣泛的應用。本文采用串聯(lián)反饋型穩(wěn)壓設(shè)計。電路啟動時，MOS管導通，電流流經(jīng)電感L1轉(zhuǎn)換成了磁能存儲在電感中，電流流過電容C1時，部分電電流轉(zhuǎn)化成了電荷存儲在電容之中。同樣地，當MOS管關(guān)閉導通時，電感L1產(chǎn)生逆反電動勢，與二極管和電容形成新的回路，并將電容中存儲的電荷重新轉(zhuǎn)換成電流向負載供電，保證電壓輸出。通過對MOS管的門極操作使之周期性關(guān)閉，在輸出口產(chǎn)生脈動電壓，經(jīng)過電感電容濾波后轉(zhuǎn)化成比較穩(wěn)定的直流電壓，而輸出的電壓值的大小取決于一個周期內(nèi)MOS管導通的時間有關(guān)，即占空比。當外部負載在運行過程中發(fā)生波動時，單片機通過A/D模塊采集當前輸出電壓值和電流，運行計算后將誤差輸送給PWM，實時調(diào)整PWM波的占空比，從而實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制電路，使得輸出電壓迅速穩(wěn)定在預設(shè)值。穩(wěn)壓原理圖如下所示：圖2-6開關(guān)電源模塊穩(wěn)壓原理圖Fig.2-6Thediagramofswitchingpowersupplymodulevoltageregulation2.5濾波電路電感電容參數(shù)計算對以一個開關(guān)電源的設(shè)計來說，電流紋波比k在數(shù)值上的選擇至關(guān)重要。它關(guān)系到了其他所有參數(shù)的選擇，應該在設(shè)計電路之前就確定好此項數(shù)值。通常情況下，k的取值與流過電感的電流平均值以及交流電在電感上產(chǎn)生交流紋波數(shù)值大小有關(guān)。在開關(guān)頻率一定的情況下，電流紋波取值不當，可能會超過電容的最大允許值，從而導致電容的燒毀，適當?shù)娜≈凳沟媒涣鞣至吭陔娙萆虾纳?，從而是電路平穩(wěn)運行。這里我們?nèi)值為0.4，這適用于任何頻率的電路和拓撲結(jié)構(gòu)。按照本文設(shè)計要求，計算需要要用到的參數(shù)部分如下：輸入電壓Ui設(shè)置為20V，輸出電壓范圍為0~12V，計算時取峰值12V，交流紋波△I，設(shè)計電流紋波比k值為0.4，PWM波的重要參數(shù)占空比D，單片機輸出的PWM最高頻率f為47KHz，為肖特基二極管的電壓降（假設(shè)為理想情況0），輸出電流取最大1A。根據(jù)電流公式 （2-1）電感L參數(shù)計算公式， （2-2）根據(jù)伏秒法則可知， （2-3）因而求得PWM占空比D， （2-4）帶入數(shù)值計算，得到電感量L為， （2-5）計算得到255uH電感，考慮到一定的余量這里采用這個數(shù)值附近的330uH的繞線電感。電容的計算過程如式（2-7）所示，式中C是電容的容量、為電源電路的輸出電流、△Up為輸出紋波電壓，T為PWM的一個周期， （2-6）設(shè)定輸出紋波電壓為1mV,把各個參數(shù)代入式子（2-8），其結(jié)果為： （2-7）根據(jù)計算結(jié)果，本文設(shè)計采用兩個820uF的高頻電容進行并聯(lián)來濾除紋波，使電路工作更加完善。3硬件電路設(shè)計3.1總體框架基于單片機數(shù)顯反饋控制型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，總體包括單片機、BUCK電路、整流濾波穩(wěn)壓電路、按鍵電路、LCD液晶顯示電路和反饋電路等組成。如圖3-1所示：圖3-1總體設(shè)計框圖Fig.3-1Thediagramofoveralldesignblock3.2各部分電路選擇3.2.1單片機的選型和最小系統(tǒng)的設(shè)計方案一：選用AT89C52芯片作為控制核心，它與ATC89C51單片機的指令和引腳完全兼容。芯片采用FlashROM，256字節(jié)的RAM，具有看門狗定時器和時鐘電路。其工作電壓范圍比51要寬，可以在4～5.5V電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。且具有在線編程可擦除技術(shù)，在進行程序修訂或者重新燒錄時不需要要對芯片進行重新拔插，幾乎不會對芯片造成損害。方案二：選用STC12C5A60S2單片機作為控制核心。STC12C5A60S2系列單片機是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機?？稍?.5V-3.3V的電壓范圍穩(wěn)定工作。是新一代8051系列的單片機，指令代碼與傳統(tǒng)8051系列單片機完全兼容,同樣的晶振條件下運行速度相對而言要快上8-12倍。內(nèi)部含有專用的復位電路，不需要再額外添加,2路的PWM輸出,8路的高速10位A/D轉(zhuǎn)換(速率可達250K/S)。在市面上大部分的51系列單片機中，國內(nèi)的這家晶宏生產(chǎn)的1T系列的更具有競爭力。STC12C5A60S2雖然同樣是8051系列單片機，但是相對于普通的51，STC12C5A60S2本身包含的東西要多的多。最明顯的差異，也是本文設(shè)計需要要用到的模塊，即內(nèi)部自帶A/D和PWM波輸出。考慮到本文設(shè)計需要用到PWM和AD采集，方案三可很大程度上簡化硬件電路的設(shè)計，所以選擇方案二。圖3-2STC12C5A60S2引腳圖Fig.3-2ThediagramofSTC12C5A60S2pin單片機的最小系統(tǒng)，又可以稱為最小應用系統(tǒng)，是指運用最少的元件組成的電路，就可以讓單片機正常工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：電源、單片機、晶振電路和復位電路。電源：電源的性能好壞決定了這個電子系統(tǒng)能否正常運行，好的電源對于電子設(shè)計的意義至關(guān)重要。一般情況下，單片機采用+5V直流電源供電。復位電路：主要由電容和電阻構(gòu)成，根據(jù)“電容電壓、電感電流不突變”的原理可知道，當系統(tǒng)上電時，RST腳將會被置為高電平，而且這個高電平持續(xù)的時間是電路中的電阻和電容的取值來決定。典型的51單片機，當RST腳的高電平能夠持續(xù)兩個機器周期以上就會復位，因此，適當組合這兩者的取值就可以保證電路的復位。書中推薦電容取值10uF，電阻取值8.2k。實際上不用這么刻板，原則上讓電阻電容的取值組合滿足在RST引腳上產(chǎn)生2個機周期以上的高電平即可。晶振電路：典型的晶振取11.0592MHz。圖3-3單片機最小系統(tǒng)圖Fig.3-3ThediagramofMCUminimumsystem3.2.2整流電路直流穩(wěn)壓電源是將交流電轉(zhuǎn)化為可調(diào)的穩(wěn)定直流電呀的設(shè)備。目前國際統(tǒng)一使用交流電，因此在設(shè)計電路時首先要將市網(wǎng)220V交流電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電。這就需用用到課本上所學習的整流知識。整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦?，將呈正弦波型的交流電壓轉(zhuǎn)化為單向脈動電壓。常見的整流有單項整流電路、三相整流電路以及橋式整流電路。本文設(shè)計采用橋式整流電路。橋式整流電路是對二極管半波整流的一種改進。半波整流時，輸出只在輸入交流電正弦波的正半部分的電壓，而舍棄了負半部分，損耗較大。而橋式整流電路增加了兩只二極管連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，具有全波整流的優(yōu)點。圖3-4整流電路圖Fig.3-4ThediagramofrectifiercircuitU2為正半周期時，電流從D1和D3流過，D1、D3導通，對D2和D4施加反向電壓，D2和D4截止，在負載上形成上正下負的半波整流電壓；U2為負半周期時，對于D1和D3施加反向電壓，D1和D3截止；電流從D2和D4流過，D2和D4導通，同樣在負載上形成上正下負的半波整流電壓。如此重復下去，結(jié)果就是在負載上得到全波整流電壓，其波形圖與全波整流得到的波形圖是一樣的?？梢灾溃娐份敵鲭妷旱钠骄涤嬎闳缦旅孢@個公式： （3-1）直流電流： （3-2）二極管承受正向平均電壓： （3-3）二極管承受最大反向電壓： （3-4）橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓值高，紋波電壓小，二極管承受的最反向電壓較低，同時因為正負周期的輸入電壓都得到了利用，使得輸入電源利用率變高。正因如此橋式整流電路得到了廣泛的應用。但缺點是使用了較多的二極管。市場上有許多品種的橋式整流電路模塊，且價格便宜，使用方便。為了保證濾波效果，本文采用兩個1000uF的電容，足夠保證電路正常運行。3.2.3濾波電路濾波電路的作用是濾除整流電路中產(chǎn)生的紋波。常見的濾波電路有電容濾波、電感濾波、復式濾波和有源濾波等。電容濾波是最簡單的濾波器，即在整流電路的負載并聯(lián)一個電解電容，利用電容的充放電濾除掉交流分量，使得輸出電壓波形平穩(wěn)。濾波電容越大，負載的電阻就越大，電容放電時間就會變得緩慢，使得輸出電壓平滑，效果越好。但是電容濾波的帶負載能力不強，適合用于小電流，負載變動不大的電子設(shè)備中。3.2.4IR2104驅(qū)動電路IR2104芯片是由美國國際整流公司生產(chǎn)出的一款用于高壓、高速功率型場效應管（POWERMOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的帶高、低端參考輸出通道的驅(qū)動器件。該芯片采用被動式泵荷升壓原理，電路導通時，電流流經(jīng)二極管D，繼而流向電容，電容將流過的電流存儲起來，使得電容上端電位逐漸升高，在某一時刻電壓數(shù)值上升超過電源電壓后，這時將電容的負極端導通，構(gòu)成新的回路，電流流向電容負極，使得負極的電位也逐漸升高，很快接近于電源電壓。當電容負極接近電壓電壓時，正極的電位已遠遠高于電源，電流由高電位流向低電位，但是由于二極管的單向?qū)щ娦?，電流不會向電源回流，而是流進了芯片的高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路，使電容的端電壓高于電源電壓，上述過程不斷重復，電容就會不停地向高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路供電，從而使高壓側(cè)懸浮驅(qū)動電路電壓高于S極。使用該芯片作為驅(qū)動電路，大大降低了電路的復雜程度，電容選取恰當數(shù)值，就可以保障電路的穩(wěn)定運行。圖3-5IR2104應用電路圖Fig.3-5ThediagramofIR2104applicationcircuit3.2.5供電電源選型選用7805三端固定式繼承穩(wěn)壓模塊。該模塊有三個端子，分別是輸入端、輸出端和接地端。內(nèi)部具有采樣、基準、放大、調(diào)整和保護電路。電路經(jīng)過整流濾波之后接入7805的輸入端口，負載接輸出端。正常工作時，7805的輸入輸出壓差為2~3V，前端電容起穩(wěn)定作用，用于減小紋波、消振、抑制高頻和脈沖干擾的作用，取值一般為0.1~1uF。輸出端電容用于改善負載的瞬態(tài)響應，取值一般為1uF。通常情況下使用三端穩(wěn)壓器需要加散熱器，防止因為過熱而無法達到額定工作電流。圖3-6供電電源電路圖Fig.3-6Thediagramofpowersupplycircuit3.2.6采集模塊選型單片機內(nèi)部運行為數(shù)字量，如果要采集模擬信號的話必須在輸入到單片機之前將要采集的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，這樣才能被單片機所識別，就用到了我們常說的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，又叫A/D（AnalogtoDigital）芯片。在A/D轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上來說是連續(xù)的，但是我們知道，數(shù)字量信息在時間上來說是離散的，所以A/D轉(zhuǎn)換器在工作的時候，必須先把練習用的模擬量信息通過編碼轉(zhuǎn)化成單片機可識別的離散的數(shù)字量信息，然后再把這些轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信息表示出來進行分析運算。通常情況下，A/D轉(zhuǎn)換是這樣一個流程：采樣保持、量化和編碼。第一步對需要采集模擬量信息進行采樣處理，采樣完成后第二步進入保持工作模式，在保持工作時限內(nèi)將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，根據(jù)已經(jīng)規(guī)定的編碼給出轉(zhuǎn)換結(jié)果信息，然后進行下一次的采樣，重復以上流程?？梢宰C明，為了準確的采集模擬量信息，必須滿足采樣定理： （3-5）式中，是索要采樣的信息頻率，是采樣輸入信號的最高頻率分量的頻率。式3-5就是所謂的香農(nóng)定理。A/D轉(zhuǎn)換器的工作頻率必須要高于式（3-5）所規(guī)定的頻率。隨著采樣頻率的提高，每次留給A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣轉(zhuǎn)換的運算時間就會隨之相應縮短，因此對電路的要求就會更加苛刻，電路必須能在短暫的時間內(nèi)進行大量的運算。但是，不能隨意提高采樣頻率，太高了反而有不好的效果，通常取已經(jīng)可以足夠滿足要求。A/D的運行速度是有限的，每次的轉(zhuǎn)換都需要一段時間進行處理，在每次采樣結(jié)束以后，須把采樣電壓保持一定的時間。由此可見，進行A/D轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓，實際上是每次采樣結(jié)束時的輸入電壓值。我們知道，數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且數(shù)值上的變化也不是連續(xù)的。這就是說，任何一個數(shù)字量的大小，都是以某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來表示的。因此再用數(shù)字量表示采樣電壓的時候，也必須把它化成最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個轉(zhuǎn)化過程就是量化[7]。STC12C5A60S2單片機的內(nèi)部本身就涵括了一個8路的10位告訴A/D轉(zhuǎn)換器，速度可以達到250K/S，即每秒鐘運算25萬次，這個速度對于本文設(shè)計足以。即便不夠，該單片機可以再用定時器實現(xiàn)多串口，進一步提高速度。用單品機A/D可以滿足我們本次設(shè)計，這樣既簡化了元器件的選型，簡化了設(shè)計電路，同時避免了額外連接A/D采集模塊，節(jié)省了了設(shè)計成本。3.2.7電流檢測回路方案一：采用霍爾電流傳感器?；魻栯娏鱾鞲衅魇且环N半導體材料做成的磁電轉(zhuǎn)換原件，基于平衡式霍爾原理，當電流流進霍爾元件時，會在霍爾線的方向感應出磁場B，根據(jù)左手定則可知，在垂直于電流和磁場方向會產(chǎn)生一個霍爾電動勢V，數(shù)值上與電流和B的乘積成正比。比例系數(shù)由霍爾元件決定，這樣可以來測量mA級別的電流[8]。方案二：通過電阻將電流轉(zhuǎn)換成流過電阻兩端的電壓，再進行采集。在采集端口之前串聯(lián)采樣電阻，電流流經(jīng)電阻時會在電阻兩端產(chǎn)生電壓降，通過檢測電壓進而來確定電流值。這種方法對于電路和編寫程序都比較簡潔，且節(jié)省成本。若要體現(xiàn)出對電壓反饋控制，需要對電壓電流進行實時采樣反饋處理。本文采用如下的電流檢測，分壓電阻兩端的電壓通過由LM358進行放大后被單片機ADC采集。LM358是雙運算放大器，內(nèi)部有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)倪\放，適用于電壓波動大的電路，在市場上使用比較常見。圖3-7LM358引腳圖Fig.3-7ThediagramofLM358pin為保證電路安全，設(shè)定最大允許電流為1A。單片機的供電電源電路為5V，因此單片機內(nèi)部檢測到的電壓最高也是5V。采用電阻分壓對輸出電壓進行檢測時，檢測電壓最高不能超過單片機電壓，否則會對單片機造成破壞。電流檢測回路如下圖所示：圖3-8電流檢測回路圖Fig.3-8ThediagramofCurrentdetectionloop一般情況下，LM358的輸入和輸出之間的壓差在0~1.5V之間，這里取1.2V，所以電路用5V電壓供電，可以輸出的最大電壓值為3.8V，1A電流經(jīng)過0.02Ω得到的電壓為0.02V，由于數(shù)值過小，單片機難以采集，因此將電壓放大些許倍數(shù)方便單片機識別，放大倍數(shù)應當小于 （3-6）選擇R4和R1分別為33k和1k，放大的倍數(shù)為 （3-7）計算可知符合設(shè)計要求。即當電流為1A時，運放電壓輸出為 （3-8）3.2.8電壓檢測回路設(shè)計輸出電壓最大為12V，單片機ADC采集模塊最高可接受5V電壓，所以采樣電阻比例應該小于 （3-9）R1、R2分別取值100k和10k，滿足條件。當電源輸出12V電壓時，單片機采集到的電壓為， （3-10）電路如下圖所示：圖3-9電壓采集回路圖Fig.3-9Thediagramofvoltageacquisitionloop3.2.9顯示電路的選擇方案一：采用四位共陰極數(shù)碼管顯示。所謂的“共陰”，其實就是把這8個數(shù)碼管的陰極接在一起并與地項鏈，陽極獨立接線。當我們給陽極一個高電平的時候，由于陰極接地，就形成了電壓降，這個二極管就被點亮。數(shù)碼管是分段顯示的。最簡單的例子，如果想讓數(shù)碼管顯示數(shù)字8，且右下角的小數(shù)點也發(fā)光，就把數(shù)碼管的各段的陽極統(tǒng)統(tǒng)接上高電平，這樣就能吧數(shù)字顯示出來。為了方便大家在寫程序的方便，節(jié)省時間，可以與先把各個數(shù)字的編碼列出來做成一個表格，需要用的時候就可以直接使用。數(shù)碼管的孝穆晨胡扯可分為動態(tài)顯示和靜態(tài)顯示，動態(tài)顯示即每時每刻只有一個數(shù)碼管被點亮，但是由于程序運行速度很快，人的眼睛遠遠跟不上數(shù)碼管的變化，使得多個數(shù)碼管可以同時發(fā)亮；但是顯示的靈活性以及調(diào)整性較差，尤其是對于需要漢字顯示的電路數(shù)碼管不能做到完美編譯顯示。并且動態(tài)現(xiàn)實的亮度不如靜態(tài)顯示的時候亮度高，而且靜態(tài)顯示的時候限流電阻需要每個數(shù)碼管單獨接線，而不是8個數(shù)碼管共用一個限流電阻，如果共用一個限流電阻的話，不同的數(shù)字顯示的時候，會使得數(shù)碼管亮度不均勻，破壞顯示效果。應用靜態(tài)顯示的話，硬件電路較多，對電流的要求也較高，當數(shù)碼管的數(shù)量增加時，對電源的要求也隨之增高，并且非常浪費接口資源，51系列IO口有限，不能隨意占用[9]。表3-1共陰極數(shù)碼管編碼表Tab.3-1TableofCommoncathodedigitaltubecoding符號編碼符號編碼00x3f80x7f10x0690x6f20x5bA0x7730x4fb0x7c40x66C0x3950x6dd0x5e60x7dE0x7970x07F0x71方案二：采用液晶顯示LCD屏。液晶顯示在當下主要運用于家電、工業(yè)等產(chǎn)品上，尤其在輕薄顯示器上應用頗多。1602是一種專門顯示字母符號等的點陣液晶模塊，因為1602顯示面板十分脆弱，出廠時廠家已經(jīng)把LCD控制器、驅(qū)動器、RAM等用PCB連接在了一起，稱之為液晶顯示模塊，消費者只用購買現(xiàn)成的液晶顯示模塊即可。使用時單片機只用對液晶進行初始化、送顯示位置指令和顯示內(nèi)容數(shù)據(jù)指令即可完成顯示。LCD1602的工作電壓在4.5-5.5V之間，常用的工作電壓是5V，工作電流為2mA。有14引腳的和16引腳，主要區(qū)別在于有無背光。用1602顯示字符只用向其數(shù)據(jù)RAM寫入相應的ASCII碼即可，具體可以在芯片使用手冊查詢?？紤]到本文的設(shè)計產(chǎn)品使用環(huán)境為室溫場所，決定選用LCD1602顯示液晶，顯示方便清晰，可調(diào)性也十分方便，電路結(jié)構(gòu)與單片機的連接也相對較簡單，程序設(shè)計靈活，逐漸成為單片機輸出顯示電路的首選。其成本的不斷降低，模塊化程度不斷升高，應用領(lǐng)域日益增多。綜上所述本文選擇方案二。表3-21602液晶接口信號說明表Tab.3-2Tableof1602LCDinterfacesignaldescription編號符號引腳說明編號符號引腳說明1電源地9D2數(shù)據(jù)口2電源正極10D3數(shù)據(jù)口3VO顯示對比度調(diào)節(jié)端11D2數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端12D3數(shù)據(jù)口5讀寫選擇端13D4數(shù)據(jù)口6E使能信號14D5數(shù)據(jù)口7D1數(shù)據(jù)口15BLA背光電源正極8D2數(shù)據(jù)口16BLK背光電源負極圖3-101602液晶接線圖Fig.3-10Thediagramof1602LCDwiring接口說明如下：接口1和2分別是液晶顯示器的供電電源，液晶顯示器的背光顯示電路十分靈敏，因此設(shè)計電路時一般加上限流電阻用于保護顯示。接口3是液晶對比度調(diào)節(jié)器，就是通過調(diào)節(jié)字體亮度和背光使得顯示內(nèi)容更加清晰可見，通常用電位器接地來調(diào)整，首次使用調(diào)整至顯示出黑色小格子即可。接口4是單片機操作液晶顯示器寫數(shù)據(jù)或?qū)懨畹倪x擇接口，即控制顯示位置和顯示內(nèi)容。接口5為液晶的讀/寫控制端口，我們要做的就是通過單片機向液晶寫入數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容，因此讀的功能不需要，直接低電平接地即可接口6為操作使能口。3.2.10鍵盤電路方案一：采用4*4鍵盤。將16個按鍵排列成四行四列，每一列按鍵的其中一端連在一起，接到單片機的一個接口上作為行線；同理將按鍵另一端接在一起構(gòu)成列線。連接完成后共有8根線與單片機的接口相連，可以通過掃描式判斷哪個按鍵被摁下。4*4的按鍵排布除了可以模擬數(shù)字小鍵盤外還能額外多出幾個按鍵，可以額外增設(shè)其他功能，例如選擇菜單，光標移動等等，對于交互方面十分方便。但是與此同時，8根接線就要占用單片機8個接口，對于有限的單片機接口來說是非常浪費的行為，而且這樣布線更加繁瑣，鍵盤掃描程序也更加復雜，為設(shè)計帶來了很多不便[10]。方案二：采用3個獨立按鍵。獨立按鍵較于編碼式鍵盤優(yōu)點在于使用方便且線路簡潔[11]。本文設(shè)計采用3個獨立按鍵，分別于單片機的P2.1、P2.2和P2.3連接。第二個按鍵通過控制IR2104驅(qū)動電路的開啟關(guān)閉來控制整體電路輸出開關(guān)，第一個按鍵為電壓增加，第三個案件為電壓減小，每次增加或減小0.1V。這樣只占用了3個IO口，節(jié)約了資源，同時使得PCB的面積也進一步減小。圖3-11按鍵電路圖Fig.3-11Thediagramofbuttoncircuit綜上，本文選擇用方案二的鍵盤電路。3.3小結(jié)綜上所述，本文基于單片機數(shù)顯反饋控制型直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計采用STC12C5A60S2單片機為核心控制，通過輸出PWM波，經(jīng)過IR2104芯片驅(qū)動晶閘管導通關(guān)閉實現(xiàn)對整個BUCK電路的控制。單片機內(nèi)部自帶的A/D采集模塊通過實時檢測電流電壓數(shù)值反饋給單片機，適時調(diào)整PWM的占空比形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)?？傮w電路圖如下所示：圖3-12設(shè)計總電路圖Fig.3-12Thediagramofdesigntotalcircuit4軟件設(shè)計51系列單片機命令有匯編語言和C語言，匯編語言優(yōu)點是運行速度更快，但是編寫繁瑣，可移植性差；初學者建議使用C語言，理解起來相對簡單，且程序源代碼移植方便。本文采用C語言編寫程序，用keil作為開發(fā)環(huán)境[12]。軟件設(shè)計主要包括以下幾塊：主程序設(shè)計，鍵盤子程序設(shè)計和ADC數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計。4.1主程序設(shè)計每個C程序都會有一個函數(shù)，即主函數(shù)main，而其他的模塊所需要的功能都放在一個被稱作子函數(shù)函數(shù)中，然后在主函數(shù)中共同構(gòu)成完整的程序。代碼在編程過程中可以放到不同的函數(shù)中。代碼劃分到函數(shù)中的標準是由程序設(shè)計者來決定的，但從邏輯上來說，化分主要是根據(jù)成需要實現(xiàn)的功能以及設(shè)計要求等因素所決定。在編程過程中，對于需要用到的子程序一般有兩種方法，一種是放在主函數(shù)之前，另一種是放在主函數(shù)之后，對于放在主函數(shù)之后的在編寫時需要聲明。在C的庫文件里面，默認已經(jīng)包含用戶編寫時可以直接調(diào)用的子函數(shù)。例如，函數(shù)strcat用來連接兩個字符串，函數(shù)memcpy用來復制內(nèi)存到另一個位置。函數(shù)還有很多叫法，比如方法、子例程或程序等等,對程序設(shè)計者而言，編寫時必須認真設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作步驟，即算法[13]。為了準確的顯示當前的電壓、電流值，對這些數(shù)據(jù)采用了數(shù)字平均濾波算法，每次采集50個數(shù)據(jù)，然后計算取平均值，使數(shù)據(jù)更加接近真實水平。在編寫程序的時候，可以用傳統(tǒng)的流程圖或結(jié)構(gòu)化流程圖。利用圖像可以直觀地反應程序運行過程和編寫順序，對于流程比較復雜的程序，往往采用偽代碼表示算法。主程序主要內(nèi)容包含了對于處理時間要求不高的數(shù)據(jù)處理，如按鍵檢測、電壓顯示等。函數(shù)是一組一起執(zhí)行一個任務的語句。本文設(shè)計的主程序流程圖如下所示：圖4-1主程序流程圖Fig.4-1Thediagramofmainprogramflow4.2按鍵模塊程序設(shè)計按照預期設(shè)計，一共有三個獨立按鍵。功能分別是電壓增加、輸出開關(guān)和電壓減小。在編寫按鍵程序時，一般會涉及“消抖”這一步。理想情況下，按鍵按下的波形像是矩形一樣，但實際情況往往會出現(xiàn)不規(guī)則的鋸齒波，抖動時間的長短取決于按鍵本身的機械特性。通常情況下使用單片機檢測按鍵都要加上“消抖”操作。目前的方案分為硬件消抖和軟件消抖。硬件方面有專門的消抖電路或芯片，而軟件就主要通過延時處理來解決。為了簡化設(shè)計電路，本文采用軟件消抖。圖4-2按鍵檢測流程圖Fig.4-2Thediagramofbuttondetectionprocess其程序如下：voidKey_3_(){ if(Out_voltage0_temp<3)Out_voltage0_temp=3; Out_voltage0_temp=Out_voltage0_temp-3;}voidKey_2_(){ if(K) {SD_1=0; lock=1; CCAP1L=CCAP1H=254; hz_lcdDis(0,11,"Stop!");} else {PWM_temp_0=254;SD_1=1; lock=0; hz_lcdDis(0,11,"Start");} K=~K; }voidKey_1_(){ if(Out_voltage0_temp>720)Out_voltage0_temp=720; Out_voltage0_temp=Out_voltage0_temp+3; }4.3采樣程序設(shè)計ADC在系統(tǒng)中用來采集電壓、電流信息，共有三組數(shù)據(jù)，因此在編寫程序時采用通道輪流詢問的方式進行操作。除此之外，若要實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制調(diào)整，即當負載發(fā)生波動時，ADC檢測到數(shù)值變化自動處理后發(fā)送給PWM輸出，PWM相應的對這個變化做出調(diào)整，因此在編寫ADC程序時，還需要加入PWM的沖轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)語句。ADC模塊的程序流程圖如下所示：圖4-3ADC程序流程圖Fig.4-3ThediagramofADCprogramflow其程序如下：voidADC_interrupt()interrupt5 //ADC轉(zhuǎn)換完后ADC_FLAG由硬件自動置位，由軟件清零{ uintADC_value; //ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果 10位 ADC_CONTR&=!ADC_FLAG; //清除ADC標志位 ADC_value=(ADC_RES<<2)+ADC_RESL; //ADC_value=ADC_RES; switch(channel) { case0: In_voltage=ADC_value; //輸入電壓采集 channel=1; break; case1:Out0_current=ADC_value;//輸出電流采集 channel=2; break; case2: Out0_voltage=ADC_value;//輸入電壓采集 if(!lock) { if(Out0_voltage<Out_voltage0_temp)//比較采樣電壓與預設(shè)電壓 { PWM_temp_0--; if(PWM_temp_0<10)PWM_temp_0=10; } else { PWM_temp_0++; if(PWM_temp_0>254)PWM_temp_0=254; } CCAP1H=CCAP1L=PWM_temp_0; } channel=0; break; default:break; } ADC_CONTR=0xe8|channel; ADC_ready=1; }以上，STC12C5A60S2單片機通過自帶PWM輸出控制buck電路導通與關(guān)閉，內(nèi)部的8路高速10位ADC采集當前電壓電流數(shù)據(jù)，并反饋給單片機，根據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)整PWM的占空比，使得電源輸出盡可能保持穩(wěn)定，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得設(shè)計合乎要求。采用獨立分布按鍵可實現(xiàn)輸出電壓從0-12V輸出，步進精度位0.1V，液晶顯示屏可以實