基于STC12系列單片機的串聯(lián)型開關(guān)電源設(shè)計與實現(xiàn)

1、單片機及模數(shù)綜合系統(tǒng)設(shè)計課題名稱：基于STC12系列單片機的串聯(lián)型開關(guān)電源設(shè)計與實現(xiàn)-單片機控制部分一、實驗?zāi)康模罕灸M電路課程設(shè)計要求制作開關(guān)電源的模擬電路部分，在掌握原理的基礎(chǔ)上將其與單片機相結(jié)合，完成開關(guān)電源的設(shè)計。本報告旨在詳述開關(guān)電源的原理分析、計算、仿真波形、相關(guān)控制方法以及程序展示。二、總體設(shè)計思路 本設(shè)計由開關(guān)電源的主電路和控制電路兩部分組成，主電路主要處理電能，控制電路主要處理電信號，采用負反饋構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)。開關(guān)電源采用PWM控制方式，通過給定量與反饋量的比較得到偏差，通過調(diào)節(jié)器控制PWM輸出，從而控制開關(guān)電源的輸出。當(dāng)鍵盤輸入預(yù)置電壓后，單片機通過PWM輸出一個固定

2、頻率的脈沖信號，作用于串聯(lián)開關(guān)電源的二極管和三極管，使三極管以一定的頻率導(dǎo)通與斷開，然后輸出進行AD轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的結(jié)果再給單片機進行輸出，進行數(shù)碼管顯示。 系統(tǒng)的基本框圖及控制部分如下：控制過程原理分析：單片機所采用的芯片為STC12C5A60S2，該芯片在擁有8051內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了10為AD和PWM發(fā)生器。通過程序，即可控制單片機產(chǎn)生一定占空比的PWM脈沖，將此脈沖輸入到模擬電路部分，在模擬電路的輸出端即可產(chǎn)生一定的輸出電壓，可比較容易的通過程序來實現(xiàn)對輸出電壓的控制。但上述的開環(huán)控制是無法達到精確的調(diào)節(jié)電壓，因此需要采用閉環(huán)控制來精確調(diào)制。即，對輸出電壓進行AD采樣，將其輸入回單片機中

3、進行數(shù)據(jù)處理。單片機根據(jù)處理的結(jié)果來對輸出電壓做出修正，經(jīng)過這樣的逐步調(diào)節(jié)即可達到閉環(huán)的精密輸出。由此原理，可以將整個過程分成一下模塊：PWM波形輸出模塊，模擬電路模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，數(shù)碼管顯示模塊，鍵盤輸入模塊?？刂七^程基本思路為：首先從鍵盤輸入一個電壓值，并把該電壓值在數(shù)碼管上面顯示出來，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊對串聯(lián)開關(guān)電源電路的輸出端進行電壓采集，將采集到的電壓值與鍵盤輸入的電壓值進行比較，通過閉環(huán)算法，控制PWM的脈寬輸出，由此控制串聯(lián)開關(guān)電壓電源電路，改變輸出的電壓值，使得輸出值與設(shè)定的電壓值相等。3、 系統(tǒng)各單元模塊電路設(shè)計1、 鍵盤輸入數(shù)據(jù)部分分別接到單片機的P2.4,P2.5，P2

4、.6，P2.7。每路通過電阻進行上拉，可以編程實現(xiàn)控制單片機運行不同程序。為了判斷鍵盤上面的按鍵是否有按下的，可以事先對P2.4,P2.5，P2.6，P2.7端口賦值，便可以知道具體是哪個按鍵被按下了。例如：P2.4=0，便可知道P2.4對應(yīng)的按鍵已經(jīng)按下了。鍵盤輸入模塊程序如下： void key( ) /鍵盤掃描函數(shù) if(P2_6= 0) delay(10);/延時去抖動 if(P2_6= 0) while(P2_6= 0) if(a9)a+; else a=0; if(P2_5 = 0) delay(10);/延時去抖動 if(P2_5 = 0) while(P2_5= 0); if(

5、b9) b+; else(b=0); if(P2_4 = 0) delay(10);/延時去抖動 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、數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示部分知道了上面在鍵盤輸入的數(shù)值后，便要在數(shù)碼管上面顯示出來。該實驗板的8位數(shù)碼管是共陰極的數(shù)碼管，使用端口為P0和P口，且為動態(tài)數(shù)碼管，因此在同一時間，只有一個數(shù)碼管是亮著，但由于人眼的視覺殘留，使得看上去是全部一起亮著的。8位分別有段選和位選，段選就是要一個數(shù)碼

6、管顯示的字型，而位選則是由低電平選中所要那一個數(shù)碼管，該數(shù)碼管才能亮。因此要使得數(shù)碼管亮并顯示數(shù)字，則必須在位選時該數(shù)碼管的位選管腳出于低電平，然后再通過段選顯示字型。如下圖所示的數(shù)碼管： 數(shù)碼管顯示模塊程序為：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=table0; delay(10); P2_0=1; P2_1=0; P0=gao_tableI; delay(10); P2_1 =1; P2_2=0; P0=tableN; delay(1

7、0); P2_2= 1; P2_3=0; P0=tableM; delay(10); P2_3=1；3、控制PWM輸出部分STC12C5A60S2系列單片機集成了兩路可編程計數(shù)器陣列（PCA）模塊，可用于軟件定時器，外部脈沖的捕捉，高速輸出以及脈寬調(diào)制（PWM）輸出。在該實驗中主要用到PWM脈寬調(diào)制輸出，通過對特殊功能寄存器初始化，就可以在P1.3（選擇模式0時） 或P1.4（選擇模式1時）端口輸出可調(diào)占空比的高速脈沖。PWM模塊程序如下： void PWM_Drv_Init(void)CCON = 0;/初始化PCA控制寄存器CL = 0;/初始化PCA計數(shù)器CH = 0;CMOD = 0x

8、08; CR = 1; void PWM0_Drv_SetDuty(unsigned char DutyValue)CCAP0H = CCAP0L = DutyValue;/設(shè)置看空比CCAPM0 = 0x42;CR = 1; PWM 仿真圖為： 4、AD轉(zhuǎn)換模塊（完成萬用表功能，即測量開關(guān)電源輸出電壓） STC12C5A60S2系列單片機自帶有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，在本實驗中只用到其中的一路，故可以通過軟件設(shè)計選擇其中的一路用來測量電壓。在不需作為A/D轉(zhuǎn)換的端口可以繼續(xù)作為I/O口使用。AD轉(zhuǎn)換對特殊功能寄存器的初始化主要有ADC_CONTR和A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器ADC_RES(用來

9、存放高八位) ADC_RESL(用來存放低兩位)；在ADC_CONTR中包含有ADC電源控制位ADC_POWER,模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度控制位SPEED1 SPEED0,模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位ADC_FLAG,模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換啟動控制位ADC_START,模擬輸入通道選擇CHS1/CHS2/CHS3。由于是2套時鐘，在設(shè)置ADC_CONTR控制寄存器的語句執(zhí)行之后，要經(jīng)過4個CPU時鐘的延時，其值才能夠保證被這只進ADC_CONTR控制寄存器，所以設(shè)置ADC_CONTR控制寄存器后，要加4個空操作延時才能正確讀到ADC_CONTR寄存器的值。ADC的結(jié)構(gòu)如下圖所示：AD轉(zhuǎn)化模塊的程序為：

10、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;5、閉環(huán)控制算法這部分是整個實驗中最重要的部分，該部分主要是通過A/D采集數(shù)據(jù)控制PWM輸出，PWM控制開關(guān)電源輸出，以達到穩(wěn)定，即讓開關(guān)電源輸出電壓穩(wěn)定在鍵盤輸入的電壓值。針對前面的要求，則需要用單片機來完成所有的控制與計算。在該實驗中，作為AD采集的端口為P1.7，PWM輸出端口為P1.3,在采集完電壓數(shù)據(jù)的時候把數(shù)據(jù)存放在

11、ADC之中，而從鍵盤輸入數(shù)值時，鍵盤上顯示的是一個小數(shù)，但在單片機中存在中間變量temp的是一個整數(shù)，為小數(shù)的1000倍，因此在引用數(shù)碼管顯示的數(shù)值時要將temp除以1000才能得到實際的設(shè)置電壓數(shù)值Vs；另一方面，采集回來的電壓ADC要轉(zhuǎn)換成實際的電壓數(shù)值，則由下面的算法得出：真實值 Vr = ADV*5.0/1024.0 在得到這兩個數(shù)值之后對他們進行比較，要是VrVs時，則要增大PWM輸出脈沖的占空比，由此而使得串聯(lián)開關(guān)電路的輸出電壓與事先所設(shè)置的電壓值相同。實際測得的電壓與設(shè)置的電壓對比表格如下：Vs4.02.983.123.193.283.393.483.593.683.793.96

12、3.98通過上面的表格可以看出來，雖然實際測出來的電壓Vr和設(shè)置的電壓Vs有一定的誤差，但是總體還是在設(shè)置的電壓附近波動，所能輸出地電壓范圍為0.8v4.0v。誤差原因分析：（1）單片機電源不夠穩(wěn)定，在接入電腦后給單片機提供的電壓小于5V（2）提供給AD轉(zhuǎn)換的參考電壓不夠精確，使轉(zhuǎn)化存在誤差。4、 心得體會通過這次實驗讓我知道理論需要聯(lián)合實際，只有將自己所掌握的知識真正應(yīng)用于實際才算真正的掌握了知識。在剛開始做的時候我對于單片機的知識理論只是有一些模糊的印象，不能真正掌握單片機的知識，比如用AD采樣需要用單片機的哪些管腳，還有數(shù)碼管需要用哪些管腳控制，并且哪些管腳控制段選，哪些控制位選。這些我

13、都不太清楚，但通過請教才會用程序?qū)懗鰜?。雖然這次實驗做出來了，但是我還是有些知識無法真正掌握，比如定時器中斷或定時，所以這次實驗我只能用delay延時來寫。通過這次實驗我還注意到細節(jié)決定一個程序是否能成功運行，比如我在寫程序是應(yīng)用了ifelse格式，可是因為在寫的過程中括號沒對齊，使程序沒能成功運行，經(jīng)過同學(xué)幫忙才成功運行。還有的細節(jié)就是關(guān)于鍵盤的防抖動問題?？傮w來說，我通過這次課程設(shè)計不單單學(xué)到了很多單片機和C51編程的的知識，更多的是學(xué)會了學(xué)習(xí)的方法，能夠?qū)⑺鶎W(xué)到的知識用到實驗上面，可以把知識記得更清楚。這還更多地提高了在遇到實際問題時該怎樣解決實際問題的能力。更深入地學(xué)習(xí)C語言，又可以更

14、多地提高自己的邏輯，思考能力，使思維結(jié)構(gòu)更嚴謹。希望在以后的學(xué)習(xí)之中可以更多地接觸到這樣的實驗，那樣就可以更好地提高自己的動手能力與對所學(xué)知識的運用能力本實驗C程序源代碼：/*/*文件名：開關(guān)穩(wěn)壓電源.c*/*功能：設(shè)定電壓初始值，使得輸出電壓值與數(shù)碼管顯示值相同*/*單片機型號：STC12C5A60S2(帶AD轉(zhuǎn)換與PWM脈寬調(diào)制輸出功能)*/*/*/ #include stc12c5a60s2.h #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define TRUE 1 #define FALSE 0 voi

15、d delay( uint z);/延時函數(shù)聲明 void display(float m ); /顯示函數(shù)聲明 void key( );/鍵盤掃描函數(shù) 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_chan

16、nel =7;/選中哪一個通道的變量（范圍 0 - 7） uint ADC_Result8=0; /保存ADC轉(zhuǎn)換結(jié)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=

17、P26; sbit P2_7=P27; sbit PWM0=P13;/定義PWM0的輸出端 sbit P1_5=P15; bit ADC_Finish_Flag=FALSE;/ADC完成標志 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(mn);

18、 else if(Dn) if(m-0.05)=255) D=255; else D+; if(P1_5) display(m);else display(n)； void delay(uint z) /延時函數(shù)uint x,y; for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-); void key( ) /鍵盤掃描函數(shù) if(P2_6= 0) delay(10);/延時去抖動 if(P2_6= 0) while(P2_6= 0); if(a9)a+; else a=0; if(P2_5 = 0) delay(10);/延時去抖動 if(P2_5 = 0) while(P2_5=

19、0); if(b9) b+; else(b=0); if(P2_4 = 0) delay(10);/延時去抖動 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=100*x/100; N=(100*x-100*I)/10; M=100*x-100*I-10*N; 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);/初始化相應(yīng)通道工作在AD模式下void ADC_Drv_StartCh(uchar ChNo) /轉(zhuǎn)換啟動uint Delay = 0x00;P1ASF = P1ASF | (0x01 ChNo);/初始化相應(yīng)通道工作在AD模式下AD