单片机控制的dcdc变换器设计

.单片机控制的DC-DC变换器设计摘 要本设计通过查阅资料，了解DC-DC变换器的发展和应用现状，以及它在生产应用方面的不足.开关电源有其自身存在的缺点，第一个就是使用高频变压器作为传输能量的器件开关电源通常工作在几百KHz以上，因而会产生电磁干扰，所以会影响自身或其它系统正常工作；此外，开关电源也存在着输出电压纹波较大的问题。针对其在应用方面的不足设计出一款新型的基于单片机控制的DC-DC变换器。在系统实现上，单片机由于具有电子计算机的基本组成部分和功能，同时又具备体积小，电路简单、故障率低、可靠性高和成本低廉等优点，而被应用于DC-DC开关变换器PID控制的系统实现。该系统以单片机通过输出PWM信号控制开关三极管的通断，从而达到控制输出电压的目的，而ADC则对输出信号进行转换并反馈给单片机分析处理，形成闭环系统。本设计分模块详细阐述了降压型DC-DC开关电源及其控制、反馈电路的设计，并分为DCDC变换、单片机控制输出电压、单片机闭环参与控制DCDC的输出，三个阶段说明此变换器的实现原理。可实现如同2030V输入510V输出，开/闭环控制误差范围控制在很小以内。本设计采用软硬件相结合组成实际控制系统。设计过程主要分为以下几个部分：结构模型建立，算法确定，电路设计，程序编写，总结。关键词 单片机；开关电源；PWM；ADC；闭环控制The Design of DC-DC Converter Controlled By Single-Chip Microcomputer AbstractBy searching the information, I understood the development of DC-DC converters and application status, and the lack of application in the production of switching power supply. The switching power has its own shortage. The first is to use high-frequency transformer as the energy transmission device. Switching power usually supplies the mission of a few hundreds KHz or more, and they may be electromagnetic interference and will disrupt the work itself or other systems; In addition, the switching power supply output voltage ripple there are larger issues. For deficiencies in its application ,We have to design a new design of DC-DC converter controlled by single-chip microcomputer. In the system implementation, the microcontroller as a computers basic components and functions, but also have small, simple circuit, low failure rate, high reliability and low cost advantages, which were used in DC-DC switching converter PID control system implementation. The system microcontroller PWM signal through the output transistor on-off control switch, so as to achieve the purpose of controlling the output voltage, while the ADC is to convert the output signal analysis and processing, and feedback to the microcontroller to form a closed loop system. The detailed design of the sub-module DC-DC step-down switching power supply and control, feedback circuit, and is divided into DC-DC conversion, the microcontroller controls the output voltage, single chip DC-DC closed-loop involved in controlling the output of the three stages the realization of that principle of this converter. It can achieve 20 30V Input 5 10V output, open / closed loop control error range was within little.This design uses a combination of hardware and software to complete the actual control system. Design process is divided into the following sections: structure modeling, circuit design, programming, hardware and software debugging.Keywords Chip microcomputer; Switching Power Supply; PWM; ADC; Closed-loop control目 录第1章 绪论11.1 设计背景11.2 电源技术的发展与方向21.2.1 线性电源和开关电源21.2.2 电源技术的发展方向31.2.3 DC/DC变换器的应用范围及发展趋势41.3 课题研究内容、目的及意义5第2章 系统的总体设计及算法确定62.1DC-DC变换器基本介绍62.1.1 DC-DC变换器基本工作原理62.1.2 降压斩波和升压斩波72.2 总体方案设计论证72.2.1 系统组成与功能简介82.2.2 当前主要方法和技术分析92.3 PID算法控制92.4 小结11第3章 系统硬件电路设计123.1 控制系统硬件电路总体分析123.2 单片机最小系统设计123.2.1 AT89C51特点及管脚功能介绍123.2.2 最小系统电路设计153.3 系统硬件电路组成163.3.1 控制电路系统设计163.3.2 DC-DC变换电路设计173.3.3 数据采集电路设计183.3.4 人机界面电路的设计203.4 小结21第4章 系统软件部分的设计224.1 系统软件部分的设计224.1.1 软件系统的逻辑控制224.1.2 软件系统的结构224.2 系统主控程序设计224.3 各部分子程序设计234.3.1 PWM信号的单片机控制子程序244.3.2 数码显示子程序244.3.3 数据采集子程序264.3.4 定时中断处理子程序设计264.4 小结27结 论28致 谢29参 考 文 献30附录A 系统PCB 3D生成图和布线图31附录B 系统程序32附录C 译文39可编程控制器介绍39附录D 外文原文48.第1章 绪论1.1 设计背景电源自从人类使用电以来都不可缺少的科技和产业。从日常生活到尖端科技，从电气产品到电子产品，一切工具的使用都离不开电源技术的支持。电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的电源学科是一门综合功率的变换技术、现代电子技术、自动控制等的多学科边缘交叉技术。电源技术的发展已经历了多次变革，从本质上讲电源技术的变革，就是功率转换技术的变革。功率转换技术的变革从最开始的发电机组，变化到半导体功率器件投入产业界的使用，再一步一步到现在流行的使用从不间断工作模式到间断工作模式，即开关模式，即开关电源的整个发展过程。功率变换器件工作在开关状态的电源，称为开关电源SPS(Switching Power Supply)。按照目前习惯，开关电源是指工作在高频开关状态下的电力电子器件所组成的直流电源。随着中国经济的发展和电子行业的兴起，消费电子，特别是便携式电子设备的快速普及，电源管理半导体产品市场近期呈现快速增长趋势，甚至超过了数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)和半导体存储器等产品的增长速度。大部分增长来源于电池供电的便携式电子设备，如手机、数字音乐播放器、数码相机、手持医疗仪器和测试仪器等。而这些设备基本都是通过电源管理芯片对开关电源的控制来实现对其的供电的。所以，正是由于上面的消费电子的兴起，产生了对开关电源的一个巨大的推动力。当然开关电源也有其自身存在的缺点：第一个就是使用高频变压器作为传输能量的器件开关电源通常工作在几百KHz以上，因而会产生电磁干扰，所以会影响自身或其它系统正常工作；此外，开关电源也存在着输出电压纹波较大的问题。但随着电子技术的发展(如-抗干扰技术、软开关技术、半导体技术等)上述缺点已经得到一定程度或是很好的解决，从而使开关电源在其应用中表现出了其强大的生命力。开关电源同线性或相控电源相比，由于其具有诸多的优势，因而一问世就受到广泛关注，随着IC领域工艺的不断的提高，并成为电源技术发展的主流方向。传统的小功率开关电源的主要缺点是：集成度低、稳定性较差和输出电压纹波较大、外围电路复杂等问题。然而随着微电子技术的迅猛发展、IC产业的发展以及生产工艺技术的成熟，单片开关电源集成电路具有高性价比、高集成度、最佳性能指标等优点，自从问世便显示出强大的生命力。在系统实现上，单片机由于具有电子计算机的基本组成部分和功能，同时又具备体积小，电路简单、故障率低、可靠性高和成本低廉等优点，所以这次设计将单片机的控制应用于DC-DC开关变换器PID控制的系统实现。1.2 电源技术的发展与方向1.2.1 线性电源和开关电源线性稳定电源，其特点是:它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出，稳定性高，纹波小，可靠性高，易做成多路、输出连续可调的成品。线性电源的主要问题在于：输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作，但最主要的缺陷还是在体积和重量上。通过输入调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消耗，并使效率更低。线性电源利用率很难达到50%，这些白白消耗掉的功率还带来散热问题。如果要使线性电源在一个通用输入电压范围(85V265VAC)工作，会导致线性电源的效率更低。开关电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它的变压器不工作在工频上，而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。功率开关管工作在饱和区截止区，即工作在开关状态，开关电源因此而得名。开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠。多年来，由于技术上的障碍(高压，大功率)，开关电源集成电路在集成化上一直因一种电流模式PWM开关电源控制器的设计得不到很大的进步。但是最近这几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件。首先是功率MOSFET的问世，导致了中小功率电源向高频化发展，而后绝缘门极双极晶体管的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热保护电路、限流电路、过/欠压保护电路等。通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高，转换效率高，性能可靠。除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。如果把工作频率从工频50Hz提高到20kHz，提高400倍，用电设备的体积重量可以下降至工频设计的5-10%，其主要材料可节约90%或更高。一般说来，开关电源的重量是线性电源的1/4，相应的体积大概是线性电源的1/3。因此，开关电源代替线性电源是大势所趋。1.2.2 电源技术的发展方向随着中国经济的发展和电子行业的兴起，消费电子，特别是便携式电子设备的快速普及，电源管理半导体产品市场近期呈现快速增长趋势，甚至超过了数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)和半导体存储器等产品的增长速度。大部分增长来源于电池供电的便携式电子设备，如手机、数字音乐播放器、数码相机、手持医疗仪器和测试仪器等。而这些设备基本都是通过电源管理芯片对开关电源的控制来实现对其的供电的。所以，正是由于上面的消费电子的兴起，产生了对开关电源的一个巨大的推动力。开关电源产品的技术发展动向是高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化、小型、薄型、轻运化。由于电源轻、小、薄的关键是高频化，因此国外目前都在致力于同步开发新型高智能元器件，特别是改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，并同时采用SMT技术在电路板两面布置元件以确保开关电源的轻、小、薄。（1）高效电源管理从以前的线性设计到当今的开关电源设计，是高效电源发展的一种集中体现。各国积极倡导节能环保而纷纷制定的高效电源规范，也是推动高效节能电源、低待机能耗产品应用的主要动力。尤其是未来越来越多的中国产品将出口到国外，需要满足欧美等国的电源标准，这将促进中国企业对高效电源的需求。对于便携式电源管理，效率尤为重要。（2）低功耗随着各种整机设备市场规模的不断增长和社会对环保问题的日益重视，功耗问题逐渐成为关注热点，电源管理和电源控制市场成为整个半导体产业中最为活跃的领域之一，降低电子产品功耗这一需求，将推动电源管理器件市场的稳步发展。（3）智能化运用电源管理程序实现节电控制也是非常有效而可行的方法，目前大多数笔记本，普遍采用这种智能节电管理技术，它是利用软件的方法对各主要耗电部件的用电状态控制，对暂不工作的部件减少甚至停止供电。（4）高集成便携式应用的空间十分有限，这就迫使电源供应商把更多功能集成到更小的封装内，或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。在日益竞争的时代，提供高效整合体积的解决方案势在必行，且应以整体电源方案为用户降低成本，提升效能与可靠度。（5）多功能2005年，美国国家半导体公司(NS)宣布推出一款可为先进应用及通信处理器提供供电的电源管理产品。它具有可编程的灵活性，可为采用ARM技术的应用及通信处提供稳定的供电。它的电源管理单元Flex PMU是一个单芯片的解决方案，设有一个在一起的供电区。1.2.3 DC/DC变换器的应用范围及发展趋势（1） DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁、列车、电动车的无级变速和控制，同时使上述控制具有加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约2030的电能。直流斩波器不仅能起到调压的作用(开关电源),同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。（2） DC/DC变换器是一种能高效地实现直流到直流功率变换的混合集成功率器件，主要采用了高频功率变换技术，即将直流电压通过功率开关器件变换成高频开关电压，且输入与输出之间完全隔离。该产品主要应用于航空、航天、通信、雷达、以及其他所有采用分布式供电体系的领域。其主要发展方向是：采用多芯片组件技术和新型高导热基板（如AIN金刚石和金属等），进一步提高功率密度（3W/cm3以上）和输出功率（达200W以上），工作频率达1MHZ，效率为90%以上，实现多路智能化混合集成DC/DC变换器组件。（3） 直流-直流变换器（DC/DC）变换器广泛应用于远程及数据通讯、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业。按额定功率的大小来划分，DC/DC可分为750W以上、750W1W和1W以下3大类。进入20世纪90年代，DC/DC变换器在低功率范围内的增长率大幅度提高，其中6W25WDC/DC变换器的增长率最高，这是因为它们大量用于直流测量和测试设备、计算机显示系统、计算机和军事通讯系统。由于微处理器的高速化，DC/DC变换器由低功率向中功率方向发展是必然的趋势，所以251W750W的DC/DC变换器的增长率也是较快的，这主要是它用于服务性的医疗和实验设备、工业控制设备、远程通讯设备、多路通信及发送设备，DC/DC变换器在远程和数字通讯领域有着广阔的应用前景。1.3 课题研究内容、目的及意义本次设计研究通过单片机对PWM型DCDC开关变换器进行控制的方式，以及选用实验电路，设计制作基于单片机的控制硬件,并对实验结果进行分析。本项课题要设计出一种高效实用的DC-DC变换器开关控制系统，该系统应具有算法简单、易于实现、价格低廉、运行稳定、易于普及的优点。按照上述要求，采用PWM控制技术，以PID为控制算法，以AT89C51单片机为核心控制器，配以外围电路，组成一个完整的控制系统。能够具有一定的理论和实用价值。本课题需要用到我在大学里所学到的相关学科的理论知识：如控制系统方面需要用到单片机和自动控制原理，DC-DC开关则需要查阅和理解电力电子的相关知识，外围电路方面还需要用到模拟电路和数字电路的一些内容（诸如二极管，晶闸管）。通过这次的毕业设计不但能加深对书本知识的理解，而且还能结合所学的知识运用到实际的应用当中这是很重要的。不让书本脱离现实，将理论应用到实际，增加自己设计思路的独立性，为今后可能要做的设计打好基础。.第2章 系统的总体设计及算法确定2.1 DC-DC变换器基本介绍系统原理框图如图2-1所示，是一个带键盘输入和显示的闭环测量控制系统。主体思想是通过系统设定信息和测量反馈信息计算输出控制信息。按键AT89C51采样电路DC-DC电路显示器图2-1 系统原理框图2.1.1 DC-DC变换器基本工作原理图2-2直流斩波电路DC-DC变换电路即直流斩波电路。如图2-2是最基本的直流斩波电路，负载为纯电阻R。当开关S闭合时，负载电压U。=U1，并持续时间ton;这T=ton+toff为斩波电路的工作周期。设斩波其的占空比K=ton/T，则由波形图上可得输出电压的平均值为U。=ton/T*U1=Ku1，只要调节K，即可调节负载的平价电压。2.1.2 降压斩波和升压斩波DC-DC变换电路按输入输出电压来分主要分为降压斩波电路和升压斩波电路两种。 降压式开关电源是直流供电，经过开关电路得到单方向方波，再经过滤波后又得到与输入电压不同的稳定的直流。它们的输出电压总是比输入电压低。当开关管饱和导通时，电能储存在电感中，同时也流向负载。当开关元件被控制截止时，由于电感上的电流不能跳变，储存于电感中的能量继续供给负载，此时，续流二极管正向导通，构成闭合回路。电容起到平滑输出的作用。电路中开关管和负载电阻是串联的，所以也称它为串联开关电源.升压式开关电源的输出电压总是高于输入电压Ui，并且极性是相同的。当开关管饱和导通时，电感进行储能。当开关管截止，电感中的电能通过续流二极管供给负载，同时对电容C充电。当负载电压下降时，电容再次放电，这时可获得高于输入的稳定电压。由于开关管和负载是并联的，也称它为并联开关电源。EV+-MRLVDioEMuoiG图2-3 降压斩波电路图2-4 升压斩波电路2.2 总体方案设计论证开关电源具有较快的发展，从而产生了不同的设计思路。开关电源的一般结构框图如图2-5所示，本设计通过对不同的方案的对比得出了最佳方案的设计。图2-5 开关电源的一般框图根据设计任务，调压采用PID控制器，因此设计了一个闭环控制系统。该系统采用控制单片机端口模拟输出PWM调解电压的大小，使电压等于设定值，并且实时显示电压值。通过对设计功能分解，设计方案可以分为：系统结构方案，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案。2.2.1 系统组成与功能简介整个系统以单片机为主控芯片，包括与外界进行数据传输的通信模块，为检测数据而在系统中添加的数据采集模块，对测量结果进行分析而增加的人机界面模块等。通过查阅资料，对运用于这次设计的主控芯片进行多次比对分析之后，选择采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为主控制器。该芯片价格低廉，程序资源丰富，技术比较成熟。根据设计的要求，AT89C51单片机可以完成任务。 在数据采集方面的数模转换器的选型上，通过查阅资料，在大量筛选后由于ADC0809精度非常高且被广泛采用利用于各种设计，有很强的借鉴性，所以选其做为这次设计所使用的模数转换器。而在人机控制方面，这次设计显示部分是使用七段数码晶闸管，优点是美观大方，及显示内容的扩展；按钮方面使用2个按键，进行逐位设置。因为键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段，所以为了有利于人对系统的更好控制，采用键盘显示的方案。2.2.2 当前主要方法和技术分析DC-DC变换器当前的控制方式主要为PWM、 PFM控制和调频调宽混合控制三种。PWM控制即定频调宽控制，这种控制方法是保持斩波周期T不变，只改变斩波器的导通时间ton。其特点为：斩波器的基本频率固定，所以滤除高次谐波的滤波器设计比较容易。PFM控制即定宽调频控制，这种控制方式是保持导通时间ton不变，而改变斩波周期T。其特点为：斩波回路和控制电路变得简单，只有频率是变化的。 这三种控制方式各有各的优点与缺点：DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到对于设定电压相同的输出电压。PFM控制时，当输出电压下降达到在设定电压以上时即停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。但如果输出电压下降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压，PWM控制也是与频率同步进行开关，但它会在达到设定值时，尽量减少流人线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。与PWM相比，PFM的输出电流小，但因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗上午电流就会变得很小。因此消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以设计比较容易，消除噪声也较简单。2.3 PID算法控制PID 调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制,将基本PID 算式离散化可得到位置型PID 控制算法,对位置型PID 进行变换可得到增量型PID 控制算法。对控制精度要求较高的系统一般采用位置型算法,而在以步进电机或多圈电位器做执行器件的系统中,则采用增量型算法。PID是一种工业控制过程中应用较为广泛的一种控制算法，它具有原理简单，易于实现，稳定性好，适用范围广，控制参数易于整定等优点。PID控制不需了解被控对象的数学模型,只要根据经验调整控制器参数 ,便可获得满意的结果。其不足之处是对被控参数的变化比较敏感。但是通过软件编程方法实现PID控制 ,可以灵活地调整参数。尽管近年来出现了很多先进的控制算法，但PID控制仍然以其独有的特点在工业控制过程中具有相当大的比重，且控制效果相当令人满意。连续PID控制器也称比例积分微分控制器，即过程控制是按误差的比例（P-Proportional）、积分（I-Integral）和微分（D-Derivative）对系统进行控制，其系统原理框图如图所示：图2-5 PID原理框图设计原理：采用单片机作为控制器的闭环系统，它是由89C51单片机系统通过A/D电路采集过程变量V，并根据有关的算法控制变量u，通过输出PWM控制脉冲到执行单元，使过程变量稳定在设定的值上。PID调节规律可以通过数字PID增量控制算式：其中：为PID参数，y0为本次采样值，y1为上次采样值，y2为上两次采样值，r为设定值，u为控制量的增量。AD转换采样的电压转换为0到255之间的数字量，设定的值要转换为对应的数字量，本电源在3到12伏可调，那么需要把0到12伏转换为0到255的数字量，转换公式为12*255/12=255，即255对应12V，经转换以后就可以相互比较。开关调整电路89C51单片机A/D转换器图2-6闭环控制系统框图2.4 小结本章主要阐述了设计总体思路，以及DC-DC变换器基本的工作原理。第3章 系统硬件电路设计3.1 控制系统硬件电路总体分析单片机控制算法宽度脉冲发生器驱动器电子开关电动机图3-1 控制系统原理框图本此任务是实现对DC-DC的闭环控制。由按键输入确定的电压值作为基准值并显示在数码管上；DC-DC电路的电压值通过采样电路传给单片机并显示，同时与基准值比较，经单片机运算处理（其中使用PID算法）输出PWM控制DC-DC电路，最终达到采样电路输出电压和基准电压相等（在误差范围内），从而实现闭环控制。3.2 单片机最小系统设计3.2.1 AT89C51特点及管脚功能介绍ATMEL公司推出的AT89Cxx系列兼容C51的单片机，完美地将Flash(非易失闪存技术)EEPROM与80C51内核结合起来，仍采用C51的总体结构和指令系统，Flash的可反擦写程序存储器能有效地降低开发费用，并能使单片机作多次重复使用。所以，C51单片机系列是一个兼容性强，实用性好，并且有广阔发展前景的单片机系列。功能强大AT89C51片机适合于许多较为复杂控制应用场合。89C51单片机的内部结构包含中央处理器、程序存储器、数据存储器、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大模块，同时还包含数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。AT89C51是核心的单片机，其特点如下：(1) 一个8位的 CPU中央处理器；(2) 一个片内的振荡器及时钟电路；(3) 4KB的应用程序存储器，8051为掩膜型(mask)ROM；(4) 128KB的片内数据存储器；(5) 64KB程序存储器可寻址的地址空间；(6) 64KB数据存储器可寻址的地址空间；(7) 两个16位可编程的定时器/计数器；(8) 一个可编程的全双工通用异步接收/发送器UART；(9) 32条可按位寻址的双向I/O线；(10) 两个优先级嵌套，5个中断源的中断结构；(11) 有很强的布尔处理能力，即按位处理能力。各引脚的功能：如图所示AT89C51芯片引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 AT89C51引脚图如图3-1所示图3-1 AT89C51引脚图P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出3.2.2 最小系统电路设计单片机的最小系统包括程序存储器，数据存储器。由于单片机引脚数足够连接各个模块进行信号的输入输出，所以不需要扩展模块。单片机能正常工作必须具备外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平，所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由22UF的电容和1K的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF电容和10K电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF的电容和1K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路.通过该最小系统，我们可以实现对一些外部设备的控制。复位电路和晶振电路如图3-2和图3-3所示。图3-2复位电路图3-3晶振电路3.3 系统硬件电路组成3.3.1 控制电路系统设计系统硬件电路主要是主电路和控制电路两个部分构成，主电路主要是有整流和滤波两部分构成，这次硬件设计主要是针对控制回路一块的设计，而这次设计的单片机控制的DC-DC变换器设计控制回路主要由CPU模块，DC-DC变换模块，人机界面模块，数据采集模块，电源模块构成。硬件电路的设计主要是通过一款名为PROTEL99SE的绘图软件进行操作，随着计算机技术的飞速发展,集成电路被广泛应用,电路越来越复杂,集成度越来越高,加之新型元件层出不穷,使得越来越多的工作已经无法用手工来完成,因此计算机辅助电路板设计已经成为电路板设计制作的必然趋势。Protel 99SE具有丰富的设计功能,能进行原理图的设计、印制电路板的设计、PCB板的设计等功能。这次的设计绘图要求主要是硬件电路设计，包括层次方块图的绘制，子图的原理图设计以及最后网络表引出的PCB布线生成，最终出来的PCB布线图进行3D效果扫描，详细效果请看附录部分。图3-4 CPU控制模块原理图3.3.2 DC-DC变换电路设计功率开关管采用达林顿管，因为具有放大倍数，可获取大的电流输出，对于提高电源的输出功率，有一定的作用。该开关管选择为NPN型，当控制脉冲的低电平时，开关导通，电感存储能量，开关把电路的输入电压变成高频脉冲，当控制脉冲为高电平时，开关截止，电感把所存储的能量释放给负载。为了确保电感电流能在开关转换过程中保持连续，选用肖特基二极管作为续流二极管选用，这种二极管具有较快的导通截止恢复时间，在开关导通变为截止时，能够很快的由截止转换到导通，所以能够确保电感电流连续。为了减少纹波电压，输出端的滤波电容选用低串联等效电阻的优质电容，另外，可以通过并联两个电容来获得低的等效串联电阻，假设输出滤波电容选择为470UF，则可以取大于该数值一半多的电容量的电容来并联，例如，可以取两个250UF的电容，来并联。图3-5 dc-dc变换电路图3.3.3 数据采集电路设计本次设计的数据采集电路选用用ADC0809 A/D转换器作为A/D转换芯片。ADC0809模数转换器常用且上课时有过一定了解 ，它是8 位逐次逼近型A/D转换器。它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。AD0809 的工作原理 IN0IN7：8 条模拟量输入通道 ADC0809 对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。 地址输入和控制线：4条 ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三 条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的 通道的模拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地 址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示。 C B A 选择的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 数字量输出及控制线：11 条 ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。 CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由设计所用的AT89C51提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0809 应用说明 （1） ADC0809 内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。 （2） 初始化时，使ST 和OE信号全为低电平。 （3） 送要转换的哪一通道的地址到A，B，C 端口上。 （4） 在ST 端给出一个至少有100ns 宽的正脉冲信号。 （5） 是否转换完毕，我们根据EOC 信号来判断。（6） 当EOC变为高电平时，这时给OE 为高电平，转换的数据就输出给单片机了。DC-DC电路的电压值通过采样电路传给单片机并显示，同时与基准值比较，经单片机运算处理（其中使用PID算法）输出PWM控制DC-DC电路，最终达到采样电路输出电压和基准电压相等（在误差范围内），从而实现闭环控制。图3-6 数据采集电路3.3.4 人机界面电路的设计单片机应用系统中使用的显示器主要有：发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD。LED配置灵活，接口简单，而且价格低廉，但显示内容有限，不能显示图形；LCD则功耗低、体积小、美观、方便、使用寿命长，且能显示图形，但接口较复杂，成本较高。 这次设计输入使用2个按键，进行逐位设置。通过输入确定的电压值作为基准值并显示在数码管上；DC-DC电路的电压值通过采样电路传给单片机并显示，同时与基准值比较，经单片机运算处理（其中使用PID算法）输出PWM控制DC-DC电路，最终达到采样电路输出电压和基准电压相等（在误差范围内），从而实现闭环控制。单片机中通常使用的是7个发光二极管，即七段LED按“日”字排列成的数码管，七段LED的阳极连在一起称为共阳极接法，而阴极连在一起称为共阴极接法。每段LED的笔画分别称为a、b、c、d、e、f、g，另有一段构成小数点。本次设计能实时显示按键输入确定的电压值即基准值在数码管上即需要显示数码，故选择LED数码管比较方便。LED 显示器有动态扫描与静态显示2 种方式，静态显示器的亮度较高，编程较为简单，但当位数较多时，芯片多，电路复杂，成本也高，因此只适宜位数较少的显示器。综上所述，本设计采用静态显示的方法。由于在大学数电的课程中学过相关的知识，故选用74LS373地址锁存器芯片，74LS138译码器及相应的七段数码管组成显示电路。74LS373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器。74LS138 为3 线8 线译码器。本设计利用74LS373芯片扩展8位LED静态串行显示接口电路。电路如图3-7所示。图3-7人机界面模块3.4 小结本章节主要是介绍这次课题的最小系统设计及其控制电路几个模块的硬件设计。第4章 系统软件部分的设计4.1 系统软件部分的设计软件设计完成的主要功能有三部分：设置输出电压；检测输出电压；显示输出电压。软件流程说明：当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到单片机，再转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有旋钮的旋转，如果高位旋钮被旋转，电压大小步进变化，电压数据加（减）1，相对应输出电压（POWER-OUT引脚）以1V或者0.1V为单位改变大小，如果低位旋钮被旋转按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWER-OUT引脚）以0.001V或者0.01V为单位改变大小，保存设置电压数据。保存该电压编号，读对应电压，并将电压值送到单片机并且用数码管显示。4.1.1 软件系统的逻辑控制从本系统的硬件原理图（见附录）中可以分析出软件系统的逻辑控制方式，软件的设计就是对显示、编码器、PWM、ADC这几个模块的控制。4.1.2 软件系统的结构根据软件系统的逻辑控制方式可以分析出软件系统的总体结构，在主模块的控制下，内部处理模块、数据采集处理模块和用户交互模块共同完成了系统的设计目标。4.2 系统主控程序设计程序设计语言的选择考虑到所要实现的功能较多，虽然汇编语言产生的目标程序简短，占用存储空间较小，实时性强，C语言编程会占用较大的存储空间，而且C语言的实时性较差，但是C语言编程比较简单。本次设计利用C语言作为主程序，分别调用了AD转换子程序，PWM子程序，编码器中断子程序，串口中断子程序，数码管LED显示子程序。开始设定电压值采样显示采样值与设定值是否相等PID调解图4-1软件系统结构4.3 各部分子程序设计单片机控制系统软件设计思路：系统扫描键盘输入，当键盘有输入，系统立即会做出响应，根据采样电压与键盘输入之间的差值，更新脉宽，输出用户期望的电压，随后系统仍扫描键盘，当没有再次输入时，系统调用PID控制算法，控制输出电压稳定。电源额定电压为12v，初始化把设定值设为12.00v，系统扫描键盘时，若与该电压相等，系统调用PID算法，在系统每次调用PID控制算法前，若有键盘输入，系统优先响应键盘输入，更新脉宽。软件子程序包括：（1）PWM信号的单片机控制子程序，（2）ADC0809转换子程序，（3）定时器0中断产生方波子程序，（4）PID控制子程序，（5）定时器中断修改占空比、进行PID控制、数码显示子程序。各部分子程序请参见附录所示。4.3.1 PWM信号的单片机控制子程序定时器0中断将PWM输出端置高电平“1”装入50ms初值设定时器1中断优先级最高中断返回定时器1中断设定时器0中断优先级最高将PWM输出端清零装入PWM信号初值INIT中断返回 图4-2 PWM信号单片机控制子程序流程图理论上，只要PWM脉冲的周期正比于PID控制算法的输出结果结果。具体实现过程中，取u(k)的整数部分（记为：UT）保存，然后用PWM信号的周期值减去UT所得值即为定时器1的初值（记为：INIT）。其程序框图见图4-2。本系统专门采用一片单片机来实现PID算法，就是因为从一开始的设计思路就是尽可能高的提高系统的控制精度。要提高系统的控制精度，在计算过程中仅取整数或定点小数是不够的，所以本设计采用三字节浮点数运算。在一开始的参数赋值程序中，参数是以十进制BCD码浮点数存储的，参数赋值完成后，紧接着就是对参数进行二进制浮点数的归一化处理，以及复合参数q0,q1,q2等的计算。这些工作在系统启动后迅速就完成了，之后PID控制器只进行PID核心控制算法的计算。4.3.2 数码显示子程序为了使得控制精度达到0.01，采用4位数码管，可以显示到小数点后两位，通过键盘，每次增加步长0.01，实现较为精确的控制效果。软件设定4个显示缓冲区，存储个位，十位，小数点后1位，小数点后2位。入口读取有显示的值查表读取段码送段码，并扫描扫描完否返回图4-3 显示子程序流程图常用字符段码即编码表如下：表4-4 常用字符显示编码表显示字符共阴段码共阳段码显示字符共阴段码共阳段码03FHC0HA77H88H106HF9HB7CH83H25BHA4HC39HC6H34FHB0HD5EHA1H466H99HE79H86H56DH92HF71H8EH67DH82H40HBFH707HF8H。80H7FH87FH80H熄灭00HFFH96FH90H4.3.3 数据采集子程序A/D转换流程如图。当接收到锁存器传至地址总线的信号后，ADC0809从选定的IN口接收传感器信号。当接收到从单片机传至START口的信号后,开始A/D转换。由于单片机的时钟周期与ADC0809的转换周期有偏差，可设置延时指令以配合单片机的时钟周期。当转换结束后，将数据传输至CPU。启动A/D转换只需要一条MOVX指令。在此之前，要将P2.0清零并将最低三位与所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针DPTR中。A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。先确认A/D转换是否完成，如果完成则进行传送，因此需要用查询方式确认。A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，知道转换是否完成，并接着进行数据传输。该指令在送出有效口地址的同时，发出有效信号RD，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输出，转换后的数据通过总线送入A累加器中。转换程序入口片选CS=0，选择通道采样数据下降沿到来读取数据返回采满8位？图4-4 数据采集子程序流程图4.3.4 定时中断处理子程序设计89C51系列单片机内部有两个16位的可编程定时器和，分别由和两个8位计数器构成。T0和T1的定时功能是通过对单片机内部计数脉冲的计数实现的。因为每个机器周期产生一个计数脉冲，因此根据单片机的晶振频率就可以计算出定时器的计数频率。这样如果确定了计数值，就能计算出定时时间，而知道了定时时间也可计算出计数器的预置值。定时器控制寄存器(TCON)和工作方式控制寄存器(TMOD)分别控制定时控制定时器的运行和工作方式。计算预置计数值在工作方式1的定时时间计算公式为定时时间(65536计数初值)机器周期为获取高的处理速度，采用24MHz晶振，一个机器周期为0.5u s。设计数初值为x