【文章內(nèi)容簡介】 RC3及單片機(jī)中的ADC為采樣電路。以上器件的選擇確定了主電路，原理圖如31所示。 圖31 BOOST斬波主電路圖 控制電路的分析與計(jì)算控制電路的核心就是51單片機(jī)，選擇一個(gè)合適的單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)控制電路的關(guān)鍵。單片機(jī)的選擇：單片機(jī)根據(jù)電壓的設(shè)定值和電壓反饋信號(hào)調(diào)整PWM控制信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，同時(shí)，單片機(jī)與采樣電路相結(jié)合，將為系統(tǒng)提供各種保護(hù)措施，并實(shí)現(xiàn)輸出電壓、輸出電流的測量和顯示。PWM信號(hào)占空比D≈1UIN/UO 當(dāng)U2=12V，UO=36V時(shí)，UIN=*U22V=， 最大值DMAX=；當(dāng)U2=18V，UO=30V時(shí)，UIN=*U22V=，最小值DMIN=系統(tǒng)對(duì)于單片機(jī)A/D采樣精度有較高的要求，欲達(dá)到這一精度，A/D精度要達(dá)到1/500，即至少為9位A/D，經(jīng)過全面考慮，決定采用高性能、低功耗的單片機(jī)STC15F2K60S2。該單片機(jī)采用STC第八代加密技術(shù)，是新一代8051單片機(jī)，增強(qiáng)型的8051CPU的運(yùn)行速度比普通8051快8到12倍。它不需要外部晶振，內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘，也不需要復(fù)位電路，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路。擁有8路高速的10位A/D轉(zhuǎn)換器，而且內(nèi)部有低功耗掉電喚醒專用定時(shí)器。而且該單片機(jī)在系統(tǒng)可仿真、可編程，無需專用編程器、仿真器，可遠(yuǎn)程升級(jí)。此單片機(jī)具有超低功耗，超低價(jià)，高速，可靠，超強(qiáng)抗靜電，抗干擾等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),功能十分強(qiáng)大，完全符合該設(shè)計(jì)的要求，因此選擇此單片機(jī)作為設(shè)計(jì)的主控制器。引腳圖如32所示。 圖32單片機(jī)引腳 在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，不僅要達(dá)到所需的要求，還要保證產(chǎn)品能夠穩(wěn)定的工作。一個(gè)完整的設(shè)計(jì)就是考慮各方面的因素，讓電子設(shè)備更加實(shí)用。因此，需在系統(tǒng)中加入保護(hù)電路。本設(shè)計(jì)主要采用了過流保護(hù)和電壓保護(hù)。電流比較大，加入過流保護(hù)以免線路燒壞影響工作，電壓通過單片機(jī)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，保護(hù)電壓。這些保護(hù)為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供了有利保障。在輸出濾波處串聯(lián)一個(gè)電流采樣電阻，其實(shí)選用的材料就是溫漂小的康銅絲。保證過流故障后電路的正常運(yùn)行。電流信號(hào)在放大后反饋給單片機(jī)經(jīng)過A/D采樣。過流故障解除后，電路的一切運(yùn)行將恢復(fù)正常。輸出濾波如圖33。 圖33 輸出過流保護(hù)電路逐波過流保護(hù)：由于此電源設(shè)計(jì)要求電流較高，因此需要過流保護(hù)來使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，如圖34所示。此過流保護(hù)是在開關(guān)每個(gè)開斷周期內(nèi)都會(huì)對(duì)電流進(jìn)行檢測，檢測到過流時(shí)便強(qiáng)行關(guān)斷，防止開關(guān)場效應(yīng)管被燒壞。逐波過流保護(hù)如下圖（a）。由于考慮到場效應(yīng)管開通時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰電流，可能會(huì)是逐波過流保護(hù)發(fā)生誤動(dòng)作，因此加入逐波防鎖電路，如下圖（b）。圖34 逐波過流保護(hù) 顯示電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定升壓的效果，為了能夠更清楚的觀看輸出電壓電流的變化，在此加入顯示電路，更好的調(diào)試系統(tǒng)，完成硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)是通過按鍵調(diào)節(jié)占空比來實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)。首先應(yīng)用軟件編程輸入51單片機(jī)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)定，連線簡單、方便，同時(shí)減少了外圍電路，從而有助于整體電路效率與可靠性的提高。顯示電路采用1602顯示器，它是一種顯示數(shù)字、字母、符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶模塊，它可以顯示兩行，在此設(shè)計(jì)中兩行分別顯示電壓和電流，便宜簡潔，但LCD不能顯示漢字，可以用英文表示，高端大氣上檔次，全面顯示所需數(shù)據(jù)。顯示電路如圖35所示。 圖35 單片機(jī)及顯示電路連接 效率的分析及計(jì)算第二章中已指出，提高效率是該設(shè)計(jì)的總體要求，效率的高低決定著該電子設(shè)備的價(jià)值。因此，我們需要分析該效率的高低，確定該系統(tǒng)的價(jià)值及需要改進(jìn)的地方。DCDC電路輸入電壓UIN=*U22V=16V，信號(hào)占空比D≈1UIN/UO=，輸入電流有效值IIN=IO/（1D）=， 輸出功率PO=UO*IO=72 W下面計(jì)算電路中的損耗P損耗：1) Boost電路中電感的損耗其中，DCR1為電感的直流電阻，取為50 mΩ，代入可得PDCR1= W2) Boost電路中開關(guān)管的損耗PSW=*UIN*IIN（tr+tf）*f其中，tr是開關(guān)上升時(shí)間，為190ns,tf是開關(guān)下降時(shí)間，為110ns,f是開關(guān)頻率，為20 kHz,代入可得 PSW= W導(dǎo)通損耗 其中，導(dǎo)通電阻RDSON=77 mΩ， Ω，代入得PC= W3) 肖特基二極管的損耗 流過二極管的電流值與輸出電流I0相等，則二極管損耗其中，IO=2 A, V，代入可得PD= W4) 采樣電阻上的損耗PRTEST2=Io^2*RTEST2其中，Io=2A,RTEST2=，代入可得PRTEST2=5) Boost電路中電容的損耗：輸出電流有效值IORMS=*IIN*[D(1D)]^(1/2)代入數(shù)據(jù)得IORMS=電容的損耗PCO1=IORMS^2*ESR/2等效串聯(lián)電阻ESR取為10 mΩ，代入得PCO1=6) 輸出濾波電路的損耗電容的損耗與PCO1相同PCO2=電感的損耗 PDCR2=IO^2*DCR2其中，DCR2為電感的直流電阻，取為50 mΩ，代入PDCR2=綜上，電路中的總損耗功率P損耗=DCDC變換器的效率η= PO /（PO+P損耗）=% 系統(tǒng)特色該系統(tǒng)采用多種高性能器件完成設(shè)計(jì)，其中突出的優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：1) 采用高性能，低功耗的高效單片機(jī)，不需要外部的晶振及復(fù)位電路，連線簡單，功能齊全，是一款功能十分強(qiáng)大的單片機(jī)，可省掉外部的EEPROM,高速ADC8通道10位，速度可達(dá)30萬次/秒，3路PWM還可當(dāng)3路D/A使用，內(nèi)部具有掉電喚醒功能，具有超強(qiáng)的抗干擾，抗靜電能力。2) 選用各種低功耗器件，提高系統(tǒng)效率，使電路更加簡單明了而且減少運(yùn)行過程中不必要的損耗。采用的升壓二極管恢復(fù)速度快，損耗小，而且還增加了濾波電路，降低了紋波。3) 采用了多重保護(hù)措施，保證了系統(tǒng)的高可靠性。 本章小結(jié)本章分別對(duì)主電路、控制電路，保護(hù)電路和顯示電路各模塊的元件進(jìn)行分析、計(jì)算與選擇，并應(yīng)用軟件畫出相應(yīng)的原理圖。為了達(dá)到高效率這一要求，對(duì)設(shè)計(jì)的電路做了進(jìn)一步的分析，并且為提高系統(tǒng)的效率做了詳細(xì)的分析與計(jì)算。目前，該設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。4 軟件設(shè)計(jì)前面介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，要使系統(tǒng)正常運(yùn)行，還需要加上軟件設(shè)計(jì)，主要通過使用低功耗增強(qiáng)型51單片實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的控制部分，通過總結(jié)主要有以下幾方面的功能：1) 輸出PWM高低電平，驅(qū)動(dòng)IRF1405 場效應(yīng)管，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的開通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)升壓的效果。2) 測試輸出的電流、電壓并顯示結(jié)果。單片機(jī)通過反饋對(duì)輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣，把采集回來的數(shù)值再進(jìn)行處理后將數(shù)據(jù)傳送給1602顯示輸出電壓和電流。3) 設(shè)定輸出電壓值。通過按鍵調(diào)節(jié)把信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過10位D/A將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量送給IRF1405，通過AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電壓反饋，進(jìn)而控制輸出電壓實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的功能。4) ，單片機(jī)就會(huì)啟動(dòng)過流保護(hù)功能，通過控制IRF1405的截止來避免電路損壞。當(dāng)過流故障排除時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。 軟件設(shè)計(jì)思路預(yù)制開機(jī)電壓為30V,中斷初始化之后，通過PWM輸出頻率來控制MOS管的通斷，MOS管連續(xù)的開通與斷開達(dá)到升壓的效果，然后輸出電壓、電流通過A/D轉(zhuǎn)換給單片機(jī)，單片機(jī)反饋給LCD1602，顯示屏上出現(xiàn)輸出電壓電流值。通過按鍵1和按鍵2調(diào)節(jié)PWM占空比的大小，調(diào)整之后反饋給1602，輸出不同的電壓電流值，從而實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)。由此得出流程框圖如41所示。 圖41 軟件設(shè)計(jì)流程 PWM程序本設(shè)計(jì)采用C語言編程，包括主函數(shù)，初始化函數(shù)，輸出PWM,AD轉(zhuǎn)換，1602顯示等程序。具體程序見附錄B。設(shè)置時(shí)鐘頻率，輸出PWM為高低電平，控制MOS管的通斷，輸出PWM的主函數(shù)如下：void pwm0_init(void){ CMOD = 0x0a。 //PWM頻率 = 時(shí)鐘頻率 / 4 /256。 CL = 0x00。 //基本計(jì)數(shù)器低8位清零 CH = 0x00。 //基本計(jì)數(shù)器高8位清零 PCA_PMW2 = 0x00。 //8位PMW，占空比的第九位EPC0L為0 CCAPM2 = 0x42。 //允許比較， CCON = 0x40。 //允許PAC計(jì)數(shù)} 按鍵程序通過兩個(gè)按鍵來調(diào)節(jié)電壓的大小，主要程序如下：includeincludedefine uint unsigned int define uchar unsigned charsbit key_add = P1^4。sbit key_cut = P1^5。uint cp2 = 206。uint ccc。void scan_key(void){ if(key_add == 0) { delay(200)。 if(key_add == 0) { while(key_add == 0)。 cp2 = cp22。 ccc = cp2。 if(cp2 = 163)cp2 = 163。 } } if(key_cut == 0) { delay(200)。 if(key_cut == 0) { while(key_cut == 0)。 cp2 = cp2+2。 ccc = cp2。 if(cp2 = 201)cp2 = 201。 } }} 本章小結(jié)本章首先介紹了單片機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能，包括輸出PWM高低電平、測試輸出電壓電流并顯示結(jié)果、設(shè)定輸出電壓值及過流保護(hù)系統(tǒng)；其次，描述了軟件設(shè)計(jì)思路，并畫出了軟件流程圖；最后對(duì)主要控制程序進(jìn)行分析，編寫完整的程序。程序應(yīng)用于硬件中進(jìn)行調(diào)試。5系統(tǒng)仿真測試 系統(tǒng)仿真本系統(tǒng)主要是以Boost斬波電路為核心，以51單片機(jī)為主控制。單片機(jī)輸出PWM控制開關(guān)管的通斷，開關(guān)管開通，電感儲(chǔ)能，電容放電；開關(guān)管斷開，電感電容儲(chǔ)能，同時(shí)電感電容放電。因此達(dá)到升壓的效果。這是系統(tǒng)的核心部分，這一部分的成功是整個(gè)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵，在此為核心電路做出仿真，為硬件調(diào)試打好基礎(chǔ)。仿真如下圖