开关电源模块并联供电系统 设计报告.docx
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开关电源模块并联供电系统设计报告
2011年“瑞萨杯”
全国大学生电子设计竞赛设计报告
题目:
开关电源模块并联供电系统(A题)
学校:
曲阜师范大学
参赛队员姓名:
李广林闫秀宝盛国栋
指导老师:
闫绍敏
2011年9月
摘要
本系统以两片STC12C5A60S2单片机作为中心控制器。
单片机Ⅰ控制两个DC/DC模块,通过在输出端采样电压,反馈到单片机,使得输出端电压稳定在8.0V。
单片机Ⅱ调节PWM(脉冲宽度调制)的占空比,从而控制CMOS门的开关状态,使DC/DC模块1上的电流在外接电阻上产生相应比例的消耗,使得两个模块输出的电流达到预定比例;同时接收检测电路中霍尔传感器传输来的电流模拟信号,经过A/D转换后将电流值显示到液晶上。
通过手动控制滑动变阻器来调整总电流,最终使得输出电压稳定在8V,并且可以键控使得两个DC/DC模块的输出电流按指定比例自动分配。
关键词:
STC12C5A60S2DC/DC模块PWM霍尔传感器A/D转换
ABSTRACT
ThesystemtotwoSTC12C5A60S2microcontrollerasthecentralcontroller. Asingle-chipcontroloftwoDC/DCmodulesbysamplingtheoutputvoltagefeedbacktothemicrocontroller,makingtheoutputvoltageat8.0V. SCMBregulationPWM(pulsewidthmodulation)hasadutytocontroltheCMOSgatesswitchstates,sothatDC/DCmodule1onthecurrentinanexternalresistortogeneratethecorrespondingproportionofconsumption,makingthetwomodulesintendedoutputcurrent ratio;whilereceivingdetectioncircuittothecurrentHallsensoranalogsignaltransmissionthroughA/DconversionafterthecurrentvalueisdisplayedontheLCD. Bymanualcontrolrheostattoadjustthetotalcurrentslide,andultimatelytheoutputvoltagestableat8V,andcanbekeyedmakestwoDC/DCmodule'soutputcurrentisautomaticallyassignedbythespecifiedratio.
Keywords:
STC12C5A60S2DC/DC module PWMHallsensor
A/Dconverter
目录
第一章方案选择与论证3
方案描述3
1.1主控制器的比较与选择4
1.2电源模块的比较与选择5
1.3电压检测模块的比较与选择5
1.4显示电路方案比较与选择6
第二章电路设计、理论分析与计算6
2.1主要电路模块的分析计算与设计6
2.1.1DC/DC模块电路6
2.1.2控制电路7
2.1.3显示电路8
2.2软件设计9
2.2.1单片机甲的程序流程图9
第三章测试结果与数据分析9
3.1题目要求的测试9
3.1.1输出电流范围测试结果10
3.1.2系统对题目完成情况10
3.2结果分析10
总结与体会11
参考文献11
第一章方案选择与论证
方案描述
根据题目的设计要求,本设计主要实现输出一个8V的稳定电压,并能是两个DC/DC模块的输出电流按指定比例分配。
其系统方案框图如下图所示,
图1系统模块框图
为实现各模块功能,提出了几种设计方案并进行论证。
1.1主控制器的比较与选择
方案一:
采用通用的STC89C51单片机作为主控器,完成数据处理,键盘扫描,显示部分的控制等。
但该单片机没有AD转换,需要外接AD芯片来转换采集到的电压信号,使电路的硬件连接、软件编程变得复杂,产生许多不必要的误差。
并且PWM的输出程序较为繁琐。
方案二:
采用STC12C5A60S2单片机。
该单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机。
其速度是传统单片机的8-12倍,内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,有着强抗干扰功能。
本系统需要多路A/D转换,对信号发生器的抗干扰能力要求较高,所以我们选择方案二。
1.2电源模块的比较与选择
方案一:
利用干电池串联的方式,构成所需要的各种电压的电源。
但是干电池的使用寿命较短,随着使用时间的增加,其输出的电压也有所下降,输出不稳定。
而且本系统所需要的电压较大,消耗的电池数目较多,即增加负重,又污染环境。
方案二:
利用变压器、稳压芯片等各种电子器件,自制直流电源。
本系统需要+24V、+12V、+5V三种直流电源供电,所需的器件较多,且连接复杂,会造成电压输出误差大,并会出现较多杂波,对系统影响较大,不利于电路分析和数据采集。
而且输入端是220V的家庭用电,操作不慎,极易触电或出现短路现象,威胁人身安全。
方案三:
使用成品的直流电源对系统进行供电。
成品的直流电源所输出的电压较为稳定,内部电路连接完好且安全。
与前两者相比,购买价格也相差不大。
综合安全、环保、稳定、低功耗、价格等性价比因素,我们选择方案三。
1.3电压检测模块的比较与选择
方案一:
利用差分放大电路采集电压电流信号,反馈到单片机再通过AD的转换将电压或电流的实际数值输出。
。
该电路的硬件连接比较复杂,采集的信号还需要连接必要的放大电路,整个模块产生的误差较大,而且会对输出波形造成较大的影响。
方案二:
采用霍尔传感器对电压电流信号进行采集反馈到单片机再通过AD的转换将电压或电流的实际数值输出。
该器件只需将其底部三个引脚进行连接即可输送较为准确的电压信号,硬件连接简单,误差小。
为了获得较为准确的电压信号,我们选择方案二。
1.4显示电路方案比较与选择
方案一:
采用数码管显示,成本低,亮度高,醒目。
但在显示较多的项目时,硬件电路复杂,功耗大。
方案二:
采用12864液晶屏,该屏自带字库,驱动程序简单,引脚连接简单,并且可以显示4行8列汉字(或4行16列字母,数字)。
显示信息量大,外形美观。
试题中需要同时显示多个电压,电流的设定值和输出值等,要求显示内容丰富。
比较上述2种方案,方案二电路简单、显示信息量大、能很好的满足题目要求,我们采用方案二。
第二章电路设计、理论分析与计算
2.1主要电路模块的分析计算与设计
2.1.1DC/DC模块电路
这部分电路是整个电路的核心部分,主要由DC转换电路、恒压调整电路、检测电路组成。
控制电路输送来的数字信号由DC转换得到基准电压,输出端取样电阻上取得取样电压信号送到控制器,与基准电压比较,比较结果由控制器的输出端反馈到IR2117,控制CMOS的导通状态。
STC12C5A60S2单片机(内含A/D转换)以及取样电阻组成电压检测电路。
采样电阻将输出电压的取样信号送单片机内部的A/D电路进行转换,转换得到的数字信号由单片机处理,并由LCD显示器显示测量值。
霍尔传感器以及STC12C5A60S2单片机(内含A/D转换)组成电流检测电路。
霍尔传感器的取样信号送单片机内部的A/D电路进行转换,转换得到的数字信号由单片机处理,并由LCD显示器显示测量值。
图2DC/DC模块电路图
图3CMOS驱动模块
2.1.2控制电路
控制电路主要由单片机及外围电路、键盘电路等组成。
单片机接收检测电路传输来的信号,经过A/D转换后将电压和电流值显示到液晶上。
该电路能够通过按键设定电流输出比值,通过控制D/A芯片的设定值实现控制输出电流比值。
并根据检测实际输出的电流(压)值与设定值比较后,调整D/A芯片的设定值,使得电源的输出稳定、可靠。
图4STC12C5A60S2最小系统图
2.1.3显示电路
显示电路采用4行8列的汉字液晶屏显示实际的设定电流值、设定电压值、实际输出的电流值、实际输出电压值。
电压分辨率0.1V。
电流分辨率1mA。
液晶屏能够在设定时显示设定的电压和电流值。
图5LCD显示电路原理图
2.2软件设计
2.2.1单片机系统的程序流程图
图五单片机系统的程序流程图
第三章测试结果与数据分析
本题目制作完成后,对整体电路的主要指标进行了实际测试。
测试情况如下:
3.1题目要求的测试
根据题目基本要求和发挥部分的要求,我们按要求条件反复作了多次测试,记录了测试结果,并对测试结果做了分析、对比。
3.1.1输出电流范围测试结果
预置电压
实际电压
Uo
Uo=8±0.4V
7.96
3.1.2系统对题目完成情况
基
本
要
求
要求
实现
输出直流电压8V
输出直流电压V
输出电流Io=I1+I2
I1:
I2=1:
1
Uo=8±0.4V
输出电流Io=I1+I2
I1:
I2=1:
1
Uo=7.94V
输出电流Io=I1+I2
I1:
I2=1:
2
Uo=8±0.4V
Io=I1+I2
I1:
I2=1:
2
Uo=8V
发
挥
部
分
额定输出功率工作状态下,进一步提高供电系统效率。
可以达到此要求
具有负载短路保护及自动恢复功能,保护阈值电流为4.5A
可以达到此要求
Uo=8.0±0.4V
1.5V Uo=8.3V 1.5V 可按指定的比例自动分配 Uo=8.0±0.4V Io=4.0A I1: I2=1: 1 Uo=8.1V Io=4.1A I1: I2=1: 1,符合要求 3.2结果分析 将上述测试结果与题目要求进行了比较、分析,本作品设计、制作完成后,对其主要指标进行了实际测试,并将测试结果与题目要求进行了比较、分析。 测试、分析结果: 本设计主要指标全部满足了题目基本要求和发挥部分的要求。 总结与体会 经过此次电子设计竞赛,我们在电路的设计、调试方面得到了很好锻炼,不但动手实践能力得到了很大的提高,而且对以前书本上所学的知识有了更加深刻的理解,真正做到了理论联系实际。 同时也深刻的体会到: 实践是理论运用的最好检验,懂得了共同协作和团队精神的重要性,提高了我们分析问题、解决问题的能力。 在参赛过程中,我们遇到了各种困难和许多没有预想到情况,比如知识的盲区、元件的购买、电路系统的调试,但通过团队的协作和努力,我们终于克服了困难、解决了问题。 由于我们自身水平有限和时间紧张等因素,本作品在设计上还存在许多值得改进的地方。 总之,我们在大赛中获得了人生的一笔难忘而又宝贵的财富。 参考文献: 【1】《电子设计从零开始》,杨欣等,清华大学出版社,2005.10 【2】《全国大学生电子设计竞赛常用电路模块制作》,黄智伟,北京航空航天大学出版社,2011.01 【3】《电子技术基础模拟部分(第五版)》,康光华,高等教育出版社,2006.1 【4】《单片机原理及应用: 基于Proteus和keilC》,林立等,电子工业出版社,2009.7 【5】《C程序设计(第三版)》,谭浩强,清华大学出版社,2005.7 【6】《实用电子电路手册(模拟分册)》,孙肖子,高等教育出版社,1992
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