本科毕业论文
设计题目：基于单片机控制的DC-DC变换器研究
学生姓名：
学号：
专业：电气工程及其自动化
指导教师：
学院：电气工程学院
基于单片机控制的DC-DC变换器设计
专业：电气工程及其自动化姓名：指导老师：
摘要本毕业设计通过网上和图书馆获取资料，在查询了DC-DC 变换器的特点和发展状况后，了解了它在实际生产应用方面的不足。第一，能量传输由高频变压器来完成是DC-DC变换器会有的一些不足，开关电源一般工作在几百KHz以上，因此会产生电磁干扰，故可能会影响其自身或其它系统的正常工作；除此以外，开关电源也存在输出电压纹波较大的问题。设计一种基于单片机控制的DC-DC变换器可以弥补它在应用方面的不足。于系统的实现上，单片机因具有计算机的基本组成部分与功能，又具备体积小，电路精简、故障概率低、可靠性高及成本低等优点，因而被应用于DC-DC变换器PID控制系统的实现。本系统通过输出PWM信号由单片机控制三极管的通断，达到控制电压的输出，模数转换器则转换输出信号并反馈给单片机分析和处理，使系统变为闭环。本设计分模块详细地阐述了升降压型DC-DC开关电源以及其控制、反馈电路的设计，分为单片机控制输出电压、DC-DC变换、单片机闭环参和控制DC-DC的输出，三个阶段说明此变换器的实现原理。
本设计应用软硬件相结合组成的实际控制系统。设计过程主要分成以下几个部分：算法确定，程序编写，结构模型建立，电路设计，总结。
关键词开关电源，单片机，PWM，闭环控制，ADC
Abstract
The graduation project by querying the data, the development and application of DC-DC converter, know the lack of production applications. DC-DC converter has its own shortcomings, one of which is the application of high-frequency transformer for energy transmission device. Switching power supplies typically operate at more than a few hundred KHz, produce electromagnetic interference, it may affect their own or other system to work properly; addition, the switching power supply output voltage ripple larger issues. Designed for the deficiencies in the application of a new microcontroller-based control DC-DC converter. In the implementation of the system, the microcontroller basic components and functions of a computer, but also with small, streamlined circuit, low failure probability, high reliability and low cost, which is applied to the DC-DC converter PID control system is achieved. The system adopted by the microcontroller output PWM signal to control switching transistor off, thus achieving the purpose of controlling the output voltage, the ADC is to convert the output signal and the feedback to the microcontroller analysis and processing, to form a closed-loop system. The sub-module of the design detailed description of the design of the buck-boost DC-DC switching power supply and control, the feedback circuit, divided into single-chip control the output voltage, DC-DC conversion, single-chip closed-loop parameters and control the output of the DC-DC the stages of this converter realization of the principle.
Design and Application of the actual control system consisting of a combination of hardware and software. The design process is divided into the following sections:
algorithm to determine the procedures for the preparation, structure modeling, circuit design, summed up.
Keywords:Switching Power Supply; Microcontroller; PWM; Closed-loop Control; ADC
目录
1.1 设计背景 (1)
1.2 电源技术的发展与方向 (2)
1.2.1 开关电源和线性电源 (2)
1.2.2 电源技术的发展方向 (3)
1.3 课题研究内容、目的及意义 (3)
第2章系统的总体设计及算法确定 (4)
2.1 DC-DC变换器基本介绍 (4)
2.1.1 DC-DC变换器基本工作原理 (5)
2.2 总体方案设计论证 (6)
2.2.1 系统功能与组成简介 (7)
2.2.2 主要方法和技术分析 (8)
2.3 PID算法控制 (8)
第3章系统硬件电路设计 (10)
3.1 总体分析控制系统的硬件电路 (10)
3.2 设计单片机最小系统 (11)
3.2.1 A T89C51管脚功能及特点介绍 (11)
3.2.2 设计最小的系统电路 (13)
3.3 组成系统的硬件电路 (15)
3.3.1 设计控制电路系统 (15)
3.3.2 设计DC-DC变换电路 (16)
3.3.3 设计数据采集电路 (16)
3.3.4 设计人机界面电路的 (18)
第4章设计系统软件部分 (19)
4.1 设计系统软件部分 (19)
4.1.1 软件系统的逻辑控制 (19)
4.1.2 软件系统的结构 (19)
4.2 系统主控程序设计 (20)
4.3 设计各部分子程序 (20)
4.3.2 数码显示子程序 (22)
4.3.3 数据采集子程序 (22)
4.3.4 定时中断处理子程序设计 (24)
结论 (25)
致谢 (26)
参考文献 (26)
第1章绪论
1.1 设计背景
电源是自人类使用电以来都不可或缺的科学技术。从日常应用到高新科技，从电气机械到电子产品，所有工具的使用都与电源技术不可分割。电源技术也正是在这种历史背景中一天天发展过来的。DC-DC变换器是多种学科混合技术，包括功率的变换技术，常用的电子技术，自动控制技术等。DC-DC变换器的发展经历了多次革新，因而从本质上讲是变换器的革新，即功率转换的革新。发电机组就是功率转换技术革新的开端，半导体功率器件应用于生产则是其变革的开始，不间断/间断工作模式就是其发展到现在的革新成果，以上就是DC-DC变换器的发展经历。开关电源即运行于开关状态的功率变换器件。当前，DC-DC变换器是指开关在高速变换下运行的电子器件所组成的DC电源。
我国电子业兴起和经济进步的同时，日常使用的电子商品的快速普及，电源控制半导体商品行业表现出快速增长的趋势，隐隐有赶超半导体存储器和数字信号处理器(DSP)等产品的势头。DC-DC变换器的增长主要来源于电池供电的便携式电子设备，如影音播放器、平板电脑、手机、机械测量工具和手持医疗仪器等。这些设备大多是由管理芯片对DC-DC变换器的主导来实现对设备的提供电力的。所以，正是由于这些电子产品的大量涌现，对开关电源的发展产生了很大的正面作用。当然开关电源也存在缺点：其一，就是使用高频变压器作为
传输能量的电子器件，开关电源一般工作在几百KHz以上，必然会产生电磁干扰，所以会影响产品自身或另外部分的正常运行，其二，开关电源也存在输出电压纹波的问题。不过由于电子产业的进步，以上不足已经得到很好的改善，进而使DC-DC变换器在使用中体现出了其优越的性能。随着微电子技术的快速发展，生产技术的成熟以及IC 行业的发展，单片机开关电源集成电路具有物有所值、很好的集合到模块上等优点，一经出现就显示出很好的适应力。
1.2 电源技术的发展与方向
1.2.1 开关电源和线性电源
线性稳定电源的特点是:它的电子设备运行在线性区，由控制电子设备间的电压变化来稳定输出。线性电源也有它一定的缺点，主要包括：输出精度低、效率不高、降温方面不足和不易工作在常见电压的输入大小内，但更严重的不足仍然是份量和体型过大。由输入控制器能够使输出的准确性提高，不过这更增加了能源的损耗，并使效率更低。DC-DC变换器很难达到49%的实际有效使用，其浪费掉的功率同时产生降温问题。若可以让线性电源运行于常见的输入电压范围，将可能出现很差的线性电源效率。
开关型直流稳压电源就是DC-DC变换器。开关电源和线性电源的根本区别是它的变压器不运行在工频上，而是运行在几十千赫兹到几兆赫兹频率上。电力电子设备运行于截止区饱和区，因此叫做开关电源。由于技术上的不足，DC-DC变换器的电路因一种PWM开关电源控制器在集成化上的研究没有取得令人满意的进展。不过近来，
大型号和超大型号集成电路技术的很快进步，产生了很多新型的全控型电力电子元件。首先是功率MOS管的出现，中小功率电源从而向高频化发展，接着绝缘门极双极晶体管的问世，又推动大中型功率电源向高频发展。所以当前为了再次增加开关电源的可靠性和功能可通过集成复杂的功能电路。
根据上面的分析可以得出，开关电源的效率很高，而且性能完美。此外，开关电源还有一个优势是在于它可以极大地缩小变压器的重量和体积，原因是开关电源中的变压器是在50KHz~1MHz这样的高频状态下工作，这一点跟线性电源不同，线性电源的变压器是在50Hz 的低频状态下工作的，如此一来就很好的优化了变压器的重量和体积，整个系统也就同时得到优化。所以，以后的发展势头将是开关电源代替线性电源。
1.2.2 电源技术的发展方向
（1）智能化
（2）高效
（3）低功耗
（4）高集成
（5）多功能
1.3 课题研究内容、目的及意义
本次设计通过单片机对开关电源进行指挥调节的方式，以及所使用的外部电路，设计基于AT89C51的控制电路。
本次课程设计要设计出一种高效实用的DC-DC变换器开关电源
系统。根据这些功能，以单片机为唯一控制器，加上一些必要的硬件电路，采用脉宽调制控制技术，集合成一个完整的控制系统，能够获得一定的实际应用和理论价值。
本次设计用到了我在学校里获得的科目知识：系统方面需要用到控制原理和单片机接口等方面的内容，DC-DC 电路则需要与电力电子的相关知识，外围电路还需用到模电和数电的一些内容（诸如晶闸管，二极管）。通过这次的毕业设计让我对所学的知识有了进一步的认识，而且加深了我对书本知识的认识并应用于实践中，这对我来说是很有意义的。将抽象的知识应用到现实，优化自己的想象能力和设计的能力。
第2章 系统总体设计
2.1
变换器基本介绍
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
直流斩波电路就是DC-DC变换电路，如上图是直流斩波电路（负载为纯电阻R）。
2.1.2 升降压斩波
升压式开关电路的输出电压高于输入电压Ui，并且极性是一致的。当开关管导通时，电感开始储能；当开关管关断时，电感中蓄积的电能通过续流二极管供给负载，并对电容C充电。当负载电压降低时，电容开始放电，这时可得到高于输入的稳定电压。由于负载和开关管是并联的，所以它也叫做并联开关电源。
降压式开关电源是直流供电，经过开关电路和滤波后获得不同于输入电压的稳定直流。它们的输入电压比输出电压高。当开关管饱和导通时，电能流向负载，同时也储存在电感中。当开关管截止时，由于电流不能在电感上跳变，电感中储存的能量继续供给负载，此时，由于续流二极管正向导通，因此构成闭合回路。电容的作用是使电流平滑输出。电路中负载电阻和开关管是串联的，所以它也叫做串联开关电源.
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
由于开关电源较快的发展，因此出现了不同的设计思路。开关电源的一般结构框图如下图所示，本次设计由对不同的方案的对比得出了最优方案的设计。
直流电压
20kHz~1MHz
50Hz 直流电压
图2-5 开关电源的一般框图
E M
根据设计目标，调压采用PID控制器，由此需要设计一个闭环控制系统。该系统由控制单片机端口模拟输出PWM调解的电压，来使电压等于设定值，并且显示实时电压值。
2.2.1 系统功能与组成简介
整个系统以单片机作为控制主导，包括与外界进行信息传输的通信模块，为检测数据而添加的数据采集模块，对为进行分析测量结果而增加的人机界面模块等。
通过查询相关资料，对这次设计的主控芯片进行比对分析后，选择采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为主控核心。该芯片技术比较成熟，程序资源丰富，价格低廉。由设计需求可知，AT89C51可以完成控制任务。在数模转换器的数据采集方面的选型上，通过查阅相关资料，在大量比对后因ADC0809被广泛采用利用于各种设计且精度非常高，有很强的实用性，因此模数转换器使用其做这次设计。在人机控制方面，本设计使用七段数码晶闸管作为显示部分，优点是显示内容的扩展，及美观大方；按钮方面使用两个按键，进行设置。键盘在单片机应用系统中，可实现传送指令和输入数据的功能，所以为了人对系统更好的控制，采用键盘显示的方案。
2.2.2 主要方法和技术分析
当前的DC-DC变换器控制方式主要为PFM、PWM控制和调频调宽混合控制三种。
PFM控制的特点为：控制电路以及斩波回路一定会变得容易辨识，仅仅频率是改变的。PWM控制就是定频调宽控制，该控制方法是只改变斩波器的导通时间Ton，保持斩波周期T不变。
2.3 PID算法控制
PID调节就是根据输入的偏差值，按一系列的函数关系，经过推理证明，最后将基本PID算式通过变换，离散最终可得到增量型PID 的控制算法。
PID是工业控制过程中普遍使用的一种方法，它具有稳定功能好，便于做出实体，可应用的行业广等优点。PID控制只要调整控制器参数，被控对象的数学模型并不是很重要，就能得到期望的结果。其缺点是对被控参数的改变过于灵敏。不过若实现PID控制由软件编程来完成，参数可以方便地改变。虽然很多先进的控制算法在近年纷纷出现，但PID控制仍然工业控制过程中占很大一部分，且控制效果仍然令人十分满足。
比例－积分－微分控制器就是连续PID 控制器，其系统框图如2-5图所示。
图2-5 PID 原理框图
设计原理：闭环系统以单片机作为控制器，它是过程变量V 由89C51单片机系统通过A/D 电路采集，并控制变量u 以相关的算法，通过输出PWM 控制脉冲到执行单元，使稳定在设定值上的过程变量更稳定。
PID 调节的规律可以由数字PID 增量控制算式：
))2()1(2)(())1()(e ()(1-+--*+--*+*=-=-k e k e k e kd k e k kp k e ki u u u k k △)0122()01()0(y y y kd y y kp y r ki u +*-*+-*+-*=△
其中：PID 参数为kd ki kp ,,，本次采样值为y0，上次采样值为y1，上两次采样值为y2，设定值为r ，控制量的增量为△u 。
AD 转换采样的电压转换为0到255之间的数字量，对应的数字量要由设定的值转换得出，开关电源在3~12伏可调，那么需要把
0~12V电压转换为0~255的数字量，转换以后就可以对过程电压相互比较。
图2-6闭环控制系统框图
第3章系统硬件电路设计
3.1 总体分析系统的外围电路
图3-1 控制系统原理框图
本设计的任务是实现对DC-DC开关电源的闭环控制。基准值是由按键输入确定的电压值，并显示在数码管上；DC-DC电路通过采样电路把其电压值传给单片机并显示，并与基准值进行比较，经单片机使用PID算法运算处理后，输出PWM控制DC-DC开关电路，最
终达到基准电压和采样电路输出电压相等（误差范围内），从而实现对DC-DC开关电源的闭环控制。
3.2 设计单片机最小系统
3.2.1 AT89C51管脚功能及特点介绍
ATMEL公司推出的AT89C51，完美地将80C51的内核与闪存技术合起来，指令系统和总体结构依然是和C51一样，Flash的特点使得我们能多次重复使用单片机。所以，51单片机系列是一个实用性好，兼容功能强，并且发展前景很乐观的单片机系列。
AT89C51是核心的单片机，其特点如下：
(1)有很强的按位处理能力（布尔处理能力）。
(2)32条可按位寻址的双向I/O线；
(3)128KB的片内数据存储器；
(4)64千字节数据存储器的可寻址的地址空间；
(5)一个8位的CPU中央处理器；
(6)2个优先级嵌套，五个中断源的中断结构；
(7)一个时钟电路和一个片内的振荡器；
(8)4KB的应用程序存储器，8051为掩膜型ROM；
(9)64KB程序存储器可寻址的地址空间；
(10)两个16位可编程的定时器/计数器；
(11)一个可编程的全双工通用异步接收/发送器；
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。
P1口：P1口是一个8位双向输入输出口，每脚可以接收或者输出4TTL门电流。
C51单片机的引脚图如下图所示
图3-1 AT89C51引脚图
P2口：P2口为一个8位双向输入输出口，每脚可以接收或者输出4TTL门电流。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向输入输出口，可接收或者输出4TTL门电流。
P3口也可当做AT89C51的若干特殊功能口，功能为下列所示：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
P3.7 /RD
RST：复位输入。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。
XTAL1：反向振荡放大器及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：是由反向振荡器输出的
/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）。
3.2.2 设计最小的系统电路
因为单片机的引脚数足够进行信号的输入输出，所以不用添加扩展模块。单片机应该具备必要的元件才能进行工作，一般分为复位和时钟电路，本设计使用的是单片机AT89C51作为主控芯片，它内部自带的是四千字节的闪烁程序存储器。通常，这4K的存储空间足够设计的使用，所以将高电平固定接AT89C51芯片的第31脚，只使用其内部的4K程序存储器。单片机所使用的时钟电路是由2个三十pF 的电容和一个十二兆的晶振组成，它们使得单片机工作时的时间精度
达到1us。复位电路是由1K的电阻和22uF的电容及IN4148二极管组共同构成，以前课本上常推荐用10K电阻和10uF电容组成复位电路，本次设计选用1K的电阻和22uF的电容，其好处是在降低了复位引脚的对地阻抗的同时满足单片机的可靠复位，而且明显提高了单片机复位电路抗干扰的能力。添加二极管的主要目的是为了快速释放电容里面所存储的电量，目的是在短时间内可以完成多次复位。一般来说，51单片机的最小系统应该包括:晶振电路、单片机、复位电路。
人们可以由这个最小系统，来完成对一些外部设备的指挥。
晶振电路以及复位电路如下两图所示。
图3-2晶振电路
图3-3复位电路
3.3 组成系统的硬件电路
3.3.1 设计控制电路系统
控制电路和主电路是系统硬件电路主要的两个部分构成，主电路通常是由滤波和整流构成，本设计的硬件主要是针对控制回路的设计，而本设计的DC-DC变换器由单片机控制的控制回路主要由CPU 模块，电源模块，DC-DC变换模块，数据采集模块，人机界面模块构成。硬件电路的设计是通过Protel99SE的绘图软件来操作设计的，由于计算机技术的飞速发展，集成电路开始广泛应用于各行各业，集成度越来越高，电路越来越复杂，而且新型元件不断出现，使得很多工作已经很难用手工来制作，所以电路板设计制作的必然趋势就是以计算机辅助电路板的设计。Protel99SE在具有多种的设计电路功能。本设计的绘图要求是硬件电路的设计，包括子图的原理图设计，层次方块图的绘制以及网络表引出的PCB布线生成。
图3-4 CPU控制模块原理图