基于STC系列单片机的串联型开关电源设计与实现

单片机及模数综合系统设计课题名称：基于STC12系列单片机的串联型开关电源设计与实现--单片机控制部分一、实验目的：本模拟电路课程设计要求制作开关电源的模拟电路部分，在掌握原理的基础上将其与单片机相结合，完成开关电源的设计。

本报告旨在详述开关电源的原理分析、计算、仿真波形、相关控制方法以及程序展示。

二、总体设计思路本设计由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。

开关电源采用PWM 控制方式，通过给定量与反馈量的比较得到偏差，通过调节器控制PWM 输出，从而控制开关电源的输出。

当键盘输入预置电压后，单片机通过PWM输出一个固定频率的脉冲信号，作用于串联开关电源的二极管和三极管，使三极管以一定的频率导通与断开，然后输出进行AD转化，转化后的结果再给单片机进行输出，进行数码管显示。

系统的基本框图及控制部分如下：控制过程原理分析：单片机所采用的芯片为STC12C5A60S2，该芯片在拥有8051内核的基础上加入了10为AD和PWM发生器。

通过程序，即可控制单片机产生一定占空比的PWM 脉冲，将此脉冲输入到模拟电路部分，在模拟电路的输出端即可产生一定的输出电压，可比较容易的通过程序来实现对输出电压的控制。

但上述的开环控制是无法达到精确的调节电压，因此需要采用闭环控制来精确调制。

即，对输出电压进行AD采样，将其输入回单片机中进行数据处理。

单片机根据处理的结果来对输出电压做出修正，经过这样的逐步调节即可达到闭环的精密输出。

由此原理，可以将整个过程分成一下模块：PWM波形输出模块，模拟电路模块，AD转换模块，数码管显示模块，键盘输入模块。

控制过程基本思路为：首先从键盘输入一个电压值，并把该电压值在数码管上面显示出来，再由A/D转换模块对串联开关电源电路的输出端进行电压采集，将采集到的电压值与键盘输入的电压值进行比较，通过闭环算法，控制PWM的脉宽输出，由此控制串联开关电压电源电路，改变输出的电压值，使得输出值与设定的电压值相等。

三、系统各单元模块电路设计1、键盘输入数据部分分别接到单片机的P2.4,P2.5，P2.6，P2.7。

每路通过电阻进行上拉，可以编程实现控制单片机运行不同程序。

为了判断键盘上面的按键是否有按下的，可以事先对P2.4,P2.5，P2.6，P2.7端口赋值，便可以知道具体是哪个按键被按下了。

例如：P2.4=0，便可知道P2.4对应的按键已经按下了。

键盘输入模块程序如下：void key( ) //键盘扫描函数{if(P2_6== 0){delay(10);//延时去抖动if(P2_6== 0){while(P2_6== 0)if(a<9){a++; }else a=0;}}if(P2_5 == 0){delay(10);//延时去抖动if(P2_5 == 0){while(P2_5== 0);if(b<9){b++; }else(b=0);}if(P2_4 == 0){delay(10);//延时去抖动if(P2_4 == 0){while(P2_4== 0);if(c<5){c++;}else c=0;}}if(P2_7==0){delay(10);if(P2_7==0){while(P2_7==0);P1_5=!P1_5;} }}2、数码管数据显示部分知道了上面在键盘输入的数值后，便要在数码管上面显示出来。

该实验板的8位数码管是共阴极的数码管，使用端口为P0和P2.0-P2.4口，且为动态数码管，因此在同一时间，只有一个数码管是亮着，但由于人眼的视觉残留，使得看上去是全部一起亮着的。

8位分别有段选和位选，段选就是要一个数码管显示的字型，而位选则是由低电平选中所要那一个数码管，该数码管才能亮。

因此要使得数码管亮并显示数字，则必须在位选时该数码管的位选管脚出于低电平，然后再通过段选显示字型。

如下图所示的数码管：数码管显示模块程序为：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=table[0];delay(10);P2_0=1;P2_1=0;P0=gao_table[I];delay(10);P2_1 =1;P2_2=0;P0=table[N];delay(10);P2_2= 1;P2_3=0;P0=table[M];delay(10);P2_3=1；}3、控制PWM输出部分STC12C5A60S2系列单片机集成了两路可编程计数器阵列（PCA）模块，可用于软件定时器，外部脉冲的捕捉，高速输出以及脉宽调制（PWM）输出。

在该实验中主要用到PWM脉宽调制输出，通过对特殊功能寄存器初始化，就可以在P1.3（选择模式0时）或P1.4（选择模式1时）端口输出可调占空比的高速脉冲。

PWM模块程序如下：void PWM_Drv_Init(void){CCON = 0; //初始化PCA控制寄存器CL = 0; //初始化PCA计数器CH = 0;CMOD = 0x08;CR = 1; }void PWM0_Drv_SetDuty(unsigned char DutyValue){CCAP0H = CCAP0L = DutyValue; //设置看空比CCAPM0 = 0x42;CR = 1; }PWM 仿真图为：4、AD转换模块（完成万用表功能，即测量开关电源输出电压）STC12C5A60S2系列单片机自带有8路10位高速A/D转换器，在本实验中只用到其中的一路，故可以通过软件设计选择其中的一路用来测量电压。

在不需作为A/D转换的端口可以继续作为I/O口使用。

AD转换对特殊功能寄存器的初始化主要有ADC_CONTR和A/D转换结果寄存器ADC_RES(用来存放高八位) ﹑ADC_RESL(用来存放低两位)；在ADC_CONTR中包含有ADC电源控制位ADC_POWER,模数转换器转换速度控制位SPEED1 ﹑SPEED0,模数转换器转换结束标志位ADC_FLAG,模数转换器（ADC）转换启动控制位ADC_START,模拟输入通道选择CHS1/CHS2/CHS3。

由于是2套时钟，在设置ADC_CONTR控制寄存器的语句执行之后，要经过4个CPU时钟的延时，其值才能够保证被这只进ADC_CONTR控制寄存器，所以设置ADC_CONTR控制寄存器后，要加4个空操作延时才能正确读到ADC_CONTR寄存器的值。

ADC的结构如下图所示：AD转化模块的程序为：void ADC_Drv_Demo(void){if(ADC_Finish_Flag == TRUE){ADC_Finish_Flag = FALSE;ADC_Drv_StartCh(ADC_channel);m=ADC_Result[ADC_channel]*5.0/1024;}}5、闭环控制算法这部分是整个实验中最重要的部分，该部分主要是通过A/D采集数据控制PWM输出，PWM 控制开关电源输出，以达到稳定，即让开关电源输出电压稳定在键盘输入的电压值。

针对前面的要求，则需要用单片机来完成所有的控制与计算。

在该实验中，作为AD采集的端口为P1.7，PWM输出端口为P1.3,在采集完电压数据的时候把数据存放在ADC之中，而从键盘输入数值时，键盘上显示的是一个小数，但在单片机中存在中间变量temp的是一个整数，为小数的1000倍，因此在引用数码管显示的数值时要将temp除以1000才能得到实际的设置电压数值Vs；另一方面，采集回来的电压ADC要转换成实际的电压数值，则由下面的算法得出：真实值 Vr = ADV*5.0/1024.0在得到这两个数值之后对他们进行比较，要是Vr<Vs,说明采集回来的电压偏低，此时则要降低PWM输出脉冲的占空比；同理，当Vr>Vs时，则要增大PWM输出脉冲的占空比，由此而使得串联开关电路的输出电压与事先所设置的电压值相同。

实际测得的电压与设置的电压对比表格如下：Vs <0.8 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Vr —0.79 0.89 0.98 1.08 1.18 1.28 1.39 1.49 1.59 1.71.8 1.92.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.93.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.94.0 >4. 02.983.12 3.19 3.28 3.39 3.48 3.59 3.68 3.79 3.96 3.98—通过上面的表格可以看出来，虽然实际测出来的电压Vr和设置的电压Vs有一定的误差，但是总体还是在设置的电压附近波动，所能输出地电压范围为0.8v～4.0v。

误差原因分析：（1）单片机电源不够稳定，在接入电脑后给单片机提供的电压小于5V（2）提供给AD转换的参考电压不够精确，使转化存在误差。

四、心得体会通过这次实验让我知道理论需要联合实际，只有将自己所掌握的知识真正应用于实际才算真正的掌握了知识。

在刚开始做的时候我对于单片机的知识理论只是有一些模糊的印象，不能真正掌握单片机的知识，比如用AD采样需要用单片机的哪些管脚，还有数码管需要用哪些管脚控制，并且哪些管脚控制段选，哪些控制位选。

这些我都不太清楚，但通过请教才会用程序写出来。

虽然这次实验做出来了，但是我还是有些知识无法真正掌握，比如定时器中断或定时，所以这次实验我只能用delay延时来写。

通过这次实验我还注意到细节决定一个程序是否能成功运行，比如我在写程序是应用了if……else格式，可是因为在写的过程中括号没对齐，使程序没能成功运行，经过同学帮忙才成功运行。

还有的细节就是关于键盘的防抖动问题。

总体来说，我通过这次课程设计不单单学到了很多单片机和C51编程的的知识，更多的是学会了学习的方法，能够将所学到的知识用到实验上面，可以把知识记得更清楚。

这还更多地提高了在遇到实际问题时该怎样解决实际问题的能力。

更深入地学习C语言，又可以更多地提高自己的逻辑，思考能力，使思维结构更严谨。

希望在以后的学习之中可以更多地接触到这样的实验，那样就可以更好地提高自己的动手能力与对所学知识的运用能力本实验C程序源代码：/******************************************************************************//***文件名：开关稳压电源.c*****************************************************//***功能：设定电压初始值，使得输出电压值与数码管显示值相同*********************//***单片机型号：STC12C5A60S2(带AD转换与PWM脉宽调制输出功能)**************//******************************************************************************//******************************************************************************/#include "stc12c5a60s2.h"#include <intrins.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define TRUE 1#define FALSE 0void delay( uint z);//延时函数声明void display(float m ); //显示函数声明void key( ); //键盘扫描函数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_channel =7; //选中哪一个通道的变量（范围 0 -- 7）uint ADC_Result[8]=0; //保存ADC转换结果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=P2^0;sbit P2_1=P2^1;sbit P2_2=P2^2;sbit P2_3=P2^3;sbit P2_4=P2^4;sbit P2_5=P2^5;sbit P2_6=P2^6;sbit P2_7=P2^7;sbit PWM0=P1^3; //定义PWM0的输出端sbit P1_5=P1^5;bit ADC_Finish_Flag=FALSE; //ADC完成标志 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(m<n){if((m+0.05)>n);else{if(D<=0)D=0;elseD--;}}if(m>n){if((m-0.05)<n);else{if(D>=255)D=255;elseD++;}}if(P1_5)display(m);elsedisplay(n)；}}void delay(uint z) //延时函数{uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}void key( ) //键盘扫描函数 {if(P2_6== 0){delay(10);//延时去抖动if(P2_6== 0){while(P2_6== 0);if(a<9){a++; }else a=0;}}if(P2_5 == 0){delay(10);//延时去抖动if(P2_5 == 0){while(P2_5== 0);if(b<9){b++; }else(b=0);}}if(P2_4 == 0){delay(10);//延时去抖动 if(P2_4 == 0){while(P2_4== 0);if(c<5){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=table[0];delay(10);P2_0=1;P2_1=0;P0=gao_table[I];delay(10);P2_1 =1;P2_2=0;P0=table[N];delay(10);P2_2= 1;P2_3=0;P0=table[M];delay(10);P2_3=1;}void ADC_Drv_InitCh(unsigned char ChNo){P1ASF = P1ASF | (0x01 << ChNo); //初始化相应通道工作在AD模式下}void ADC_Drv_StartCh(uchar ChNo) //转换启动{uint Delay = 0x00;P1ASF = P1ASF | (0x01 << ChNo); //初始化相应通道工作在AD模式下ADC_RES = 0; //Clear previous resultADC_CONTR = ADC_POWER | ADC_SPEEDLL | ADC_START | ChNo; //for(Delay = 0x00;Delay < 500;Delay++); //ADC power-on and delayIE = 0xA0 | IE; //可位寻址中断允许寄存器用于AD中断EA = 1; //单片机CPU总中断}void ADC_Drv_Service(void){ADC_Result[ADC_channel] = ADC_RES;ADC_Result[ADC_channel] = (ADC_Result[ADC_channel] << 2) | ADC_RESL;ADC_Finish_Flag = TRUE;}void ADC_Drv_Demo(void){if(ADC_Finish_Flag == TRUE){ADC_Finish_Flag = FALSE;ADC_Drv_StartCh(ADC_channel);m=ADC_Result[ADC_channel]*5.0/1024;}}void PWM_Drv_Init(void){CCON = 0; //初始化PCA控制寄存器CL = 0; //初始化PCA计数器CH = 0;CMOD = 0x08;CR = 1;}void PWM0_Drv_SetDuty(unsigned char DutyValue) {CCAP0H = CCAP0L = DutyValue; //设置看空比CCAPM0 = 0x42;CR = 1;}。