系統(tǒng)集成說明書

1、精品中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書學(xué)生姓名:學(xué) 號(hào)：學(xué)院 :專業(yè) :題目 :welcome精品2015年7月1日welcome精品目錄1 課程設(shè)計(jì)目的 ································12 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 ····

2、;·························12.1設(shè)計(jì)內(nèi)容 ·······················&#

3、183;·············12.2設(shè)計(jì)要求 ···································

4、;··13 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)情況 ·····························23.1設(shè)計(jì)方案及論證 ··············

5、3;···················23.1.1 DC-DC主回路拓?fù)?···························

6、3;·23.1.2控制方案選擇································23.2工作原理及框圖 ············

7、3;·····················33.2.1 Boost升壓主電路 ·························

8、3;····33.2.2 開機(jī)保護(hù)電路 ································43.2.3 開關(guān)管保護(hù)電路 ·········

9、;·······················53.2.4輸出濾波和輸出過流保護(hù)························

10、···53.2.5 KL26主控電路及采集····························63.2.6鍵盤輸入及顯示 ·············

11、3;·················73.3效率分析及計(jì)算 ······························

12、3;···73.4硬件電路原理圖 ··································83.5仿真分析 ·········&

13、#183;···························93.6 PCB 版圖設(shè)計(jì) ····················

14、;···············9welcome精品3.7系統(tǒng)測試 ································

15、;·····103.7.1 測試使用的儀器 ································103.7.2 測試方法 ········

16、··························103.7.3 測試數(shù)據(jù) ······················

17、;············113.7.4指標(biāo)完成 ····································

18、;114課程設(shè)計(jì)總結(jié) ·······························12參考文獻(xiàn) ················

19、···················12welcome精品1 課程設(shè)計(jì)目的1.學(xué)習(xí)操作數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，掌握開關(guān)電源的工作原理。2.掌握 C 語言開發(fā)設(shè)計(jì)，熟悉單片機(jī)的工作原理。3.掌握基于單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)。2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)并制作一個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓電源。輸入220V 交流電，輸出 30V36V可調(diào)直流電。通過液晶屏顯示。2.2設(shè)計(jì)要求基本要求：（在電阻負(fù)載條件下，使電源滿足下

20、述要求）1、輸出電壓 U O 可調(diào)范圍： 30V 36V ；2、最大輸出電流IOmax ：2A ；3、 U2 從 15V 變到 21V 時(shí)，電壓調(diào)整率SU2% （ IO =2A ）；4、 IO 從 0 變到 2A 時(shí)，負(fù)載調(diào)整率 SI5% （U2 =18V ）；5、輸出噪聲紋波電壓峰 - 峰值 UOPP 1V （ U 2=18V, UO =36V, IO=2A ）；6、 DC-DC 變換器的效率 70% （U2 =18V, U O =36V, IO =2A ）；發(fā)揮部分：1、進(jìn)一步提高電壓調(diào)整率，使SU0.2% （IO =2A ）；2、進(jìn)一步提高負(fù)載調(diào)整率，使SI0.5% （U2=18V ）；

21、3、提高效率，使效率 85% （U2=18V,UO=36V,IO=2A）；4、能對(duì)輸出電壓進(jìn)行鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整，同時(shí)顯示輸出電壓電流。welcome精品3 設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)情況3.1設(shè)計(jì)方案及論證3.1.1 DC-DC 主回路拓?fù)浞桨敢唬簣D 1 是間接直流變流電路：結(jié)構(gòu)如圖1-1 所示，可以實(shí)現(xiàn)輸出端與輸入端的隔離， 適合于輸入電壓與輸出電壓之比遠(yuǎn)小于或遠(yuǎn)大于1 的情形，但由于采用多次變換，電路中的損耗較大，效率較低，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖 1 間接直流電路方案二：Boost 升壓斬波電路：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1-2 所示。開關(guān)的開通和關(guān)斷受外部 PWM信號(hào)控制，電感L 將交替地存儲(chǔ)和釋放能量，電感L

22、儲(chǔ)能后使電壓泵升，而電容C 可將輸出電壓保持住，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為UO=(ton+toff)，通過改變PWM控制信號(hào)的占空比可以相應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化。該電路采取直接直流變流的方式實(shí)現(xiàn)升壓，電路結(jié)構(gòu)較為簡單， 損耗較小，效率較高。（如圖 2 ）LVDECUORL圖 2 boost 升壓電路綜合比較，我們選擇方案二。3.1.2控制方案選擇方案一：利用PWM 專用芯片產(chǎn)生PWM 控制信號(hào)。此法較易實(shí)現(xiàn)，工作welcome精品較穩(wěn)定，但不易實(shí)現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設(shè)定和步進(jìn)調(diào)整。方案二：利用 KL26 單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 控制信號(hào)。讓單片機(jī)根據(jù)反饋信號(hào)對(duì)PWM 信號(hào)做出相應(yīng)調(diào)整以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種

23、方案實(shí)現(xiàn)起來較為靈活，可以通過調(diào)試針對(duì)本身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。但是系統(tǒng)調(diào)試比較復(fù)雜。我們選擇方案二。3.2工作原理及框圖3.2.1 Boost升壓主電路圖 3 是 Boost升壓電路包括驅(qū)動(dòng)電路和Boost升壓基本電路。電力晶體管（ GTR）耐壓高、工作頻率較低、開關(guān)損耗大；電力場效應(yīng)管（PowerMOSFET ）開關(guān)損耗小、工作頻率較高。 從工作頻率和降低損耗的角度考慮，選擇電力場效應(yīng)管作為開關(guān)管 IRF540 。選擇 ESAD85M-009型肖特基二極管，其導(dǎo)通壓降小，通過 1 A 電流時(shí)僅為 0.35V ，并且恢復(fù)時(shí)間短。 實(shí)際使用時(shí)為降低導(dǎo)通壓降將兩個(gè)肖特基二極管并聯(lián)。（1） 電感值的

24、計(jì)算：UIN2UINLBUOmI OfU O2其中，m 是脈動(dòng)電流與平均電流之比取為0.25 ，開關(guān)頻率 f=20 kHz, 輸出電壓為 36V 時(shí)，LB=527.48 H，取 530 H 。電感線徑的計(jì)算： 最大電流 IL 為 2.5A ，電流密度 J 取 4 A/mm 2 ，線徑為 d, 則由 J *d 2I L 得 d=0.892 mm, 工作頻（ ）2率為 20kHz, 需考慮趨膚效應(yīng)，制作中采取多線并繞方式，既不過流使用，又避免了趨膚效應(yīng)導(dǎo)致漆包線有效面積的減小。（2 ）電容的參數(shù)計(jì)算：welcome精品I （ UOUIN）OCBUOf UO其中， U O 為負(fù)載電壓變化量，取 20

25、mV,f=20kHz,U O =36V 時(shí),CB=1465F,取為 2000 F，實(shí)際電路中用多只電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，減小電容的串聯(lián)等效電阻（ ESR），起到減小輸出電壓紋波的作用，更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。（3 ）boost 損耗計(jì)算：輸出電流有效值 I O RMS 1.13I IND（1D ）代入數(shù)據(jù)得IO-RMS =2.069 A而電容的損耗2ESR/ 2PCO1I O RMS等效串聯(lián)電阻ESR 取為 10 m ，代入得 PCO1 =0.0428 W圖3主回路3.2.2 開機(jī)保護(hù)電路在直流輸入端串聯(lián)一支保險(xiǎn)絲（250V ， 5A ），從而實(shí)現(xiàn)過流保護(hù),反接保護(hù)功能由二極管和保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)。用NTC 電阻實(shí)現(xiàn)

26、了對(duì)開機(jī)浪涌電流的抑制，當(dāng)上電瞬間，電阻很大，從而對(duì)其防止浪涌電流產(chǎn)生。（如圖 4）welcome精品圖 4 開機(jī)保護(hù)電路3.2.3 開關(guān)管保護(hù)電路利用 IR2302 的欠壓保護(hù)功能， 對(duì)其電源電壓進(jìn)行檢測， 當(dāng)電壓達(dá)到 200mv的時(shí)候比較器輸出高電平，使IR2302 的 SD 管角接高電平，從而使場效應(yīng)管嚴(yán)格工作在非飽和區(qū)或截止區(qū)， 防止場效應(yīng)管進(jìn)入飽和區(qū)而損壞，為了防止尖峰電流的產(chǎn)生使芯片誤判，我們采用逐波防鎖電路。（如圖 5 ）圖 5 開關(guān)管保護(hù)電路3.2.4輸出濾波和輸出過流保護(hù)我們采用電感和電容進(jìn)行濾波，效果比只使用電容好，我們通過康銅絲采集電流。當(dāng)電流超過2.5A 的時(shí)候打開繼電

27、器。從而關(guān)閉電源。輸出端串接電流采welcome精品樣電阻RTEST2，材料選用溫漂小的康銅絲。電壓信號(hào)需放大后送給單片機(jī)進(jìn)行A/D采樣。過流故障解除后，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)正常供電狀態(tài)。為了降低紋波，采用 LC 低通濾波器如圖6。取截止頻率 fL=200 Hz ，電容取 470 F，由L1224f L C1f L2LC代入得 L=215.80H ，取 220 H圖 6 過流保護(hù)電路3.2.5 KL26主控電路及采集單片機(jī)根據(jù)電壓的設(shè)定值和電壓反饋信號(hào)調(diào)整PWM控制信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，同時(shí)，單片機(jī)與采樣電路相結(jié)合，將為系統(tǒng)提供過流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)等措施，并實(shí)現(xiàn)輸出電壓、輸出電流和輸入

28、電壓的測量和顯示。PWM 信號(hào)占空比 D1UUIN；O當(dāng) U2=15V ，UO=36V時(shí)，UIN =1.2*U 2 -2V=16V ，最大值 D MAX =0.556 ；當(dāng) U2=21V ，UO=30V時(shí)， UIN =1.4*U 2-2V=27.4V ，最小值 D MIN =0.087welcome精品系統(tǒng)對(duì)于單片機(jī) A/D 采樣精度的要求： 題目中最高的精度要求為0.2% ，欲達(dá)到這一精度， A/D 精度要達(dá)到 1/500 ，即至少為 9 位 A/D ，MP430 內(nèi)置 A/D為 12 位，只要合理設(shè)定測量范圍，完全可以達(dá)到題目的精度要求。3.2.6鍵盤輸入及顯示分別通過鍵盤和LCD 實(shí)現(xiàn)數(shù)

29、字設(shè)定和顯示。鍵盤用來設(shè)定和調(diào)整輸出電壓；輸出電壓、輸出電流和輸入電壓的量值通過LCD 顯示。3.3效率分析及計(jì)算 （U2 =18V, 輸出電壓 UO =36V, 輸出電流 IO =2A ）DC-DC電 路 輸 入 電 壓UIN =1.2*U 2-2V=19.6V， 信 號(hào) 占 空 比D 1-U IN /U O =0.456 ，輸入電壓有效值IIN =I O / （1-D ）=3.676A ，輸出功率 PO =U O *I O=72 W下面計(jì)算電路中的損耗P 損耗：Boost 電路中電感的損耗：P 1I2DCRDCRIN1，其中， DCR1 為電感的直流電阻，取為50 m ，代入可得 PDCR

30、1 =0.68 WBoost 電路中開關(guān)管的損耗開關(guān)損耗：P=0.5*UIN*IIN（t+t）*fSWrf其中， t r 是開關(guān)上升時(shí)間，為190ns,t f是開關(guān)下降時(shí)間，為 110ns,f是開關(guān)頻率，為 20 kHz, 代入可得 P=0.2160 WSW導(dǎo)通損耗PC21.3 RSNS）D （ I IN（ RDSONwelcome精品其中，導(dǎo)通電阻RDSON =77m ，電流感應(yīng)電阻RSNS 取 0.1 ，代入得PC=1.23 W肖特基二極管的損耗流過二極管的電流值與輸出電流I0 相等，則二極管損耗PDI O VD ，其中，IO=2 A, 取二極管壓降 VD 為 0.35 V ，代入可得 P

31、D =0.7 W兩只采樣電阻上的總損耗為 0.9 W，綜上，電路中的總損耗功率P 損耗 =4.5WDC-DC 變換器的效率 = P O / （PO +P 損耗 ）=94%3.4硬件電路原理圖圖 7 為整個(gè)系統(tǒng)的電路原理圖。圖 7 總電路圖welcome精品3.5仿真分析圖 8 采用 multisim對(duì)主回路仿真，通過示波器查看輸出電壓，進(jìn)過比對(duì)，和理論值相近。改變信號(hào)源的占空比，輸出電壓發(fā)生變化。圖 8 仿真設(shè)計(jì)3.6 PCB 版圖設(shè)計(jì)圖 9 采用 AD11 進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)， 采用手工布線和自動(dòng)布線相結(jié)合設(shè)計(jì)。對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行覆銅，防止大電流干擾。（1） 電源線寬和地線寬采用80mil 。信號(hào)線

32、采用18mil 。（2） 對(duì)主回路和控制信號(hào)分開覆銅。welcome精品圖 9PCB 板3.7系統(tǒng)測試3.7.1 測試使用的儀器表 1 列出了測試中所需的儀器和數(shù)量。表 1 測試使用的儀器設(shè)備序 號(hào)名稱、型號(hào)、規(guī)格數(shù)量備注1FLUKE 15B 萬用表4美國福祿克公司2TDGC-2 接觸調(diào)壓器（0.5KVA ）1上海松特電器有限公司3KENWOOD CS-4125示波器1帶寬 20MHz3.7.2 測試方法圖 10為整個(gè)電路系統(tǒng)的測試點(diǎn)。I IN接觸隔離整流A電流表 1U1= 220V變壓器濾波UV調(diào)壓器ACIN電壓表 1DC-DC變換器I OA電流表2VUORL電壓表 2圖 10測試連接圖we

33、lcome精品3.7.3 測試數(shù)據(jù)（1 ）電壓調(diào)整率（測試條件：IO=2A ， UO=36V ）。U2 =15V 時(shí)， U O1 =35.98V ；U2=21V 時(shí)， U O2 =36.13V ，壓調(diào)整率 SU=（ UO2-UO1 ）/ （O1=0.42% ）（2 ）負(fù)載調(diào)整率 SI 測試（測試條件： U2=18V ，UO=36V ）。IO=0A 時(shí)， UO3 =36.29V ；IO=2A 時(shí)，UO4 =36.04V ，載調(diào)整率 SI =（ UO3 -U O 4 ）/U O3=0.69% 。（3 ）C-DC 轉(zhuǎn)換器效率測試（測試條件： IO=2A ，UO=36V ，U2=18V ）。U IN

34、=19.5V ，IIN =3.88A ；UO =36.00V ，IO =1.975A ，DC-DC 轉(zhuǎn)換器的效率為 93.97% 。3.7.4指標(biāo)完成表 2 為整個(gè)系統(tǒng)完成的情況。表 2 試數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)的比較測試項(xiàng)目基本要求發(fā)揮要求電路測試結(jié)果輸出電壓可調(diào)范30V-36V實(shí)現(xiàn)圍最大輸出電流2A實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)整率20.2%0.1%負(fù)載調(diào)整率50.5%0.1%輸出噪聲電壓峰1VPP340mVPP峰值DC-DC 變換器效70%85%87%率輸出電壓設(shè)定和步進(jìn) 1V ，測量和顯示實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)可達(dá)步進(jìn)調(diào)整電壓電流0.1V 。welcome精品4 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本電路結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，性能優(yōu)良，除個(gè)別指標(biāo)外均

35、達(dá)到并超過了題目要求。保護(hù)電路完善，使用更安全。使用同步采樣技術(shù)和多種抗EMI 技術(shù)使得本電路更加環(huán)保。由于時(shí)間緊張，任務(wù)較為繁重，本電路尚有不足之處，如輸出紋波偏大等。這些都是以后我們努力和改進(jìn)的方向。改進(jìn)方法：(1) 用性能更好的器件，如換用導(dǎo)通電阻更小的電力MOS 管，采用低阻電容；(2) 使用軟開關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步減小電力MOS 管的開關(guān)損耗；(3) 采用同步式開關(guān)電源的方案，用電力MOS 管代替肖特基二極管以減小損耗；(4) 優(yōu)化軟件控制算法，進(jìn)一步減小電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率。5 參考文獻(xiàn)（1 ）童詩白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)北京：高等教育出版社，2002（2 ）張建華數(shù)字電子技術(shù)北京：機(jī)械工業(yè)

36、出版社，2004（3 ）陳汝全電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005（4 ）畢滿清電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005（5 ）潘永雄電子線路CAD 實(shí)用教程西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002附件：源程序：1、功能實(shí)現(xiàn)文件#include "common.h"#include "include.h"#define NM 5uint16 ad_value5NM;welcome精品uint16 ad_val5=0;uint8 var2=0;int16 a;float ofv,ofc;volatile float lcd_of

37、v,lcd_ofc;vint16 out_put;int32 dp0=0,dm0=0,dp1=0,dm1=0;extern float new_val;void source_init()DisableInterrupts;NVIC_SetPriorityGrouping(0x3);NVIC_SetPriority(PIT0_IRQn, 0);NVIC_SetPriority(LPTMR_IRQn, 1);LCD_Init();LCD_P8x16Str(0,0,"set:");LCD_P8x16Str(0,2,"out:");LCD_P8x16Str(0

38、,4,"output_v:");LCD_P8x16Str(0,6,"output_c:");ftm_pwm_init(FTM0, FTM_CH0,30*1000,0);key_init(KEY_MAX);PID_init();adc_init (ADC0_SE12 );adc_init (ADC0_SE13 );adc_init (ADC1_SE14 );adc_init (ADC1_SE17 );gpio_init (PTC9, GPO,0);pit_init_ms(PIT0,20);enable_irq(PIT0_IRQn);welcome精品Ena

39、bleInterrupts;pid_t pid;void PID_init()pid.Voltage=0;pid.SetVoltage=0.0;pid.ActualVoltage=0.0;pid.err=0.0;pid.err_last=0.0;pid.err_next=0.0;pid.Kp=26.0;pid.Ki=5.3;pid.Kd=0;void date_get()int8 i,j,k;uint16 ad_result55=0;uint16 temp=0,ad_sum5=0,AD_sum5=0,ad_result_tmp5=0;for(i=0;i<5;i+)ad_result0i=

40、adc_ave(ADC0_SE12,ADC_10bit,15); ad_result1i=adc_ave(ADC0_SE13,ADC_10bit,15); ad_result2i=adc_ave(ADC1_SE14,ADC_10bit,15); ad_result3i=adc_ave(ADC1_SE17,ADC_10bit,15);for(i=0;i<5;i+)welcome精品for(j=0;j<4;j+)for(k=0;k<4-j;k+)if(ad_resultik > ad_resultik+1)temp = ad_resultik+1;ad_resultik+1

41、 = ad_resultik;ad_resultik = temp;for(i=0;i<5;i+)ad_sumi = ad_resulti1 + ad_resulti2 + ad_resulti3; ad_result_tmpi = ad_sumi / 3;for(i = 0;i < NM-1;i +)ad_value0i = ad_value0i + 1;ad_value1i = ad_value1i + 1;ad_value2i = ad_value2i + 1;ad_value3i = ad_value3i + 1;ad_value4i = ad_value4i + 1;for(i=0;i<5;i+)ad_valueiNM-1=ad_result_tmpi;welcome精品for(i = 0;i < NM