2014年吉林省大学生电子设计竞赛论文--模板(1)DOC

2014年吉林省大学生电子设计竞赛

程控直流电源（C题） 【1C20220303组】

2014年9月14日

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摘 要

直流电源被广泛地应用到各种工业场合。按照电路中调整管工作方式的不同，直流电源可以分为线性电源和开关电源。线性电源精度高，但效率低，开关电源体积小，效率高。课题要求设计输入直流20-30V，输出06-12V可调，输出电流不小于2A，考虑功率较大，故选用效率高的开关电源。

根据比赛要求，设计选用PWM方式对输入进行斩波调压，控制开关管占空比的PWM由单片机产生。为了使输出电压稳定，对输出电压进行测量，通过软件调节算法得到PWM的占空比，输出给功率MOS管，形成闭环控制。为了防止负载电流过大对电源造成损坏，检测输出电流，并设置了过流保护。电路还扩展了显示屏和保护电路，输出电压和电流可以实时显示和调整。通过软硬件相结合，完成了数字程控直流电源的设计。

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目 录

1系统方案 ................................................................... 2

1.1 显示模块的论证与选择 .................................................................................................................. 2 1.2单片机模块的论证与选择 ............................................................................................................... 2 1.3 测试采样与反馈模块的论证与选择 .............................................................................................. 3 1.4 降压模块的论证与选择 .................................................................................................................. 3 1.6 高频开关模块的论证与选择 .......................................................................................................... 3 综合以上二种方案，选择方案一。 ..................................................................................................... 4 1.8 控制系统的论证与选择 .................................................................................................................. 4 2系统理论分析与计算 ......................................................... 5

2.1 系统理论分析 .............................................................................................................................. 5

2.1.1 降压控制电路的分析 ......................................................................................................... 5 2.1.3 开关电源原理的分析 ........................................................................................................... 5

2.2 斩波降压电路的计算 ...................................................................................................................... 5

2.2.1 斩波电路的输入输出关系 ................................................................................................... 5

3电路与程序设计 ............................................................. 6

3.1电路的设计 ....................................................................................................................................... 6

3.1.1系统总体框图 ........................................................................................................................ 6 3.1.4电源 ........................................................................................................................................ 9 3.2程序的设计 ....................................................................................................................................... 9

3.2.1程序功能描述与设计思路 .................................................................................................... 9 3.2.2程序流程图 ............................................................................................................................ 9

4测试方案与测试结果 ........................................................ 10

4.1测试方案 ......................................................................................................................................... 10 4.2 测试条件与仪器 ............................................................................................................................ 11

4.3 测试结果及分析 ............................................................................................................................ 11

4.3.1测试结果(数据) ................................................................................................................... 11 4.3.2测试分析与结论 .................................................................................................................. 11

附录1：电路原理图 .......................................................... 13 附录2：源程序 .............................................................. 14

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程控直流电源（C题）

【1C20220303组】

1系统方案

本系统主要由显示模块、单片机模块、测试采样与反馈模块、降压模块、按键模块、高频开关模块、驱动模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 显示模块的论证与选择

方案一：LCM12864液晶显示屏。带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。 基本特性:（1）、低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）（2）、显示分辨率:128×64点（3）、内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（4）、内置 128个16×8点阵字符（5）、2MHZ时钟频率（6）、通讯方式：串行、并口可选（7）、内置DC-DC转换电路，无需外加负压（8）、无需片选信号，简化软件设计。

方案二：液晶断码显示器。液晶段码显示器（又称为LCD）作为低功耗显示器件广泛应用各类仪器、仪表当中。由于液晶显示机理是吸光型，各段需加交流电压驱动，使得驱动电路复杂。

方案三：LCD1602液晶显示屏。1602是字符型液晶，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。LCD液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用。

综合以上三种方案，选择方案一。

1.2单片机模块的论证与选择

方案一：MSP430F169。MSP430F169片内增加了8路快速12 位ADC模数转换模块，2路12 位DAC数模转换模块，两个通用连续同步/异步通信接口(USART)模块，I2C模块，DMA数据传送模块和硬件乘法器模块等。外围模块（片内外设）：经过MAB、MDB、中断服务及请求线与CPU相连。时钟模块可外接两个晶振，低速选用32768Hz晶振，高速晶振最高可到8MHz。其功能性强，结构简单，体积小，造价低，可靠性高，周期短运行速度快。 方案二：单片机51。其优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位

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进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。但由于频繁的数据交换，特别是数据块的搬运和比较，数据指针非常吃紧，它需要不断地实施现场保护与还原，不光编程变得复杂，而且运行速度也减慢。 综合以上两种方案，选择方案一。

1.3 测试采样与反馈模块的论证与选择

方案一：回路电流测量部分欧姆精密电阻两端的电压为负值且数值很小，由于单片机不能对负电压进行AD采样，故对其进行反相比例放大后由test1点输出供单片机采样，测量回路电流。 反馈调节部分

单片机通过对test2点电压进行AD采样计算出负载两端的电压Uo，并与设定值相比较，从而来调整PWM信号的占空比，形成输出电压的闭环控制。

1.4 降压模块的论证与选择

方案一：降压斩波电路的基本原理

当PWM信号为高电平时，开关管IRF9540导通，VDD向负载供电，负载电压uo= VDD，负载电流按指数曲线上升；当PWM信号为低电平时，开关管IRF9540关断，二极管续流导通，负载电压近似为零，负载电流按指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。

降压斩波电路的数量关系：设连续电流为Io，根据能量守恒定律，一个周期输出能量为

tonIoE，负载和蓄电池吸收能量为(ton+toff)IoUo，得：

Uo?tontE?onE??Eton?toffT

其中，ton—V通的时间；toff—V断的时间；a—导通占空比。A小于等于1，可将降压 斩波器看作直流降压变压器。负载电流平均值：

Io?Uo-EMR

1.5 按键模块的论证与选择

方案一：选择一：普通独立式键盘，焊接方便，编程简单。 选择二：4*4矩阵式键盘，焊接不便，编程困难，占用版面较大。 在满足题目要求的前提下以最简、最易为原则选择普通独立式键盘.因此综合以上两种方案，选择方案一。

1.6 高频开关模块的论证与选择

方案一：IGBT（绝缘栅双极晶体管）作为新型电力半导体场控自关断器件，集功率MOSFET的高速性能与双极性器件的低电阻于一体，具有输入阻抗高，电压控制功耗低，控制电路简单，耐高压，承受电流大等特性，驱动功率小而饱和压降低，非常适合用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、照明电路等。

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