基于stc单片机的直流电压电流源的设计

基于stc单片机的直流电压电流源的设计内容摘要：

膻濯昀莛缋唪澜洵 综合整个系统的功能和各种控制之间的关系。 本设计选择了宏晶科技的 STC 系列的12C5410AD 单片机，该型号单片机为 8051 单片机的改进增强型，为 1 时钟 /机器周期的8051 单片机，其最快速度是普通 8051 的 12 倍，并且其内部集成了高精度的 8 路高速10 位 ADC 转换器和 4 路 8 位的 PWM，内部集成 MAX810 专用复位电路，有速度快、低功耗、超强的抗干扰能力等特点，其指令代码完全兼容传统的 8051 指令系统。 伽綦眷戳蓥柝钦蔻竟苄竞 STC12C5410AD 单片机主要特性如下： 据胛猞佣东 岖且巢浏诶癔 1) 高速： 1 个时钟 /机器周期，增强型 8051 内核，速度比普通 8051 快 8~12 倍； 坍待哺缋局嫉吓蛮碉档累 2) 宽电压： ~； 麂稃蛀陆饵鹭蔑菏吝汰旮 3) 低功耗设计：空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）； 懵椰温沂莹撼辣尢技共位 4) 工作频率： 0~35MHz，相当于普通 8051： 0~420MHz。 谵酿市勋美怒颛怪槿狗鲈 5) 时钟：外部晶体或内部 RC 振荡可选，在 ISP 下载编程用户程序时设置； 翰萨翘茁刂殿啷馗缵洛怄 6) 10KB 片内 Flash 程序存储器，擦写次数 10 万次以上； 龛瓞嘲逼餍丹鲚攻制弹叁 7) 512B 片内 RAM 数据存储器； 馑咔篑衡舄裸霓捺沟仨佴 8) ISP/IAP，在系统可编程 /在应用可编程，无需编程器 /仿真器； 艴示饕耙夯滤榆持小木昴 9) 8 通道 10 位 ADC， 4 路 PWM 还可以当 4 路 D/A 使用； 饫嶙敢玄寞驴除蜻忾邛嫫 10) 4 通道（ PWM/PCA/CCU）； 钽潋脂鸣厨作阆窀奘邂俪 11) 两个硬件 16 位定时器，兼容普通 8051 的定时器； 杆拟奥庇婆寝呜镭鲵丰坍 12) 硬件看门狗（ WDT）； 晒撼橙础穰波缋籍草嗷懔 13) 高速 SPI 通信端口； 录教莅崛丘狄吐碡扛桊张 14) 全双工异步串行口（ UART）； 童酴醑虍导咛喹鹞淑哽狨 15) 23 个通用 I/O 口。 匕 尹炕洞剩围盔岙猕坤狷 艄城苜仲豳漭棣庚讠擞搐 功率因数校正 管理 IC 仗汔美歼踺诵肖烙嫩逭瑷 L6561 是 SGSThomson 公司 的 一款高性能高效率的小功率电源功率因数校正管理控制 芯片， L6561 是标准电源功率因数校正器 L6560 的改良版本， 与标准版本完全兼容， 它内置一个高性能高精度的乘法器，使器件能够工作在极宽的输入电压范围内（ 85V~265V）并有出色 的总谐波失真，它采用了简单的 DIP8/SO8 封装， 大大简化了外围电路的设计难度，很适合用于设计较小功率的开关电源，其具体 功能和特点 如下 ： 粝绁馇韬诃怏峄皋 绣吵惰 1) 非常精确的可调输出过压保护 蚋蔷仓携畹亓颐认骑切玮 2) 超低的启动电流（ 50uA）和工作电流 (4mA)懊癞甫翘已旅淹久房禧餐 3) 内置启动定时期 诣养戈磴溘桶愎杀猢睡黝 4) 内置电流感应滤波器 趵筘忡昝麦蚧谎尼区米矛 5) 芯片使能功能 陕酵剧徭昌貊钟悄衬就午 6) 内置 1%高精度的电压比较器 竣鳢杪徙茚枧疹狐呆笫仗 7) 工 作在不连续电流模式 靠盖揣脂矸饱蕉黎鳅龚群 8) 图腾柱输出电流达177。 400mA 杏澜鼓涠檐髅抢袒狗魅解 L6561 内部结构图： 溥铵渺孳敝轴胎瞠埕堆下 艄城苜仲豳漭棣庚讠擞搐 杞逭黢粹婊登枭固霁蜮疯 图 1 L6561 内部结构图 际恁笆凰痈涑绡蒿息窗房 其应用电路图如下： 趣沽委茚官押郧弯仨袤岖 蹑友堵浆阕翌莩咳瑗泛叫 图 2 L6561 应用电路图 弗塞睬愍弹咿哝怅咻揍鲨 设计开发环境 逻喝哆荛犍倔谯垄夺搅炉 硬件开发环境 森缚堡芪搔转烟埒炸轮惋 电源的硬件开发环境为 Protel DXP 开发软件， Protel DXP 是 Altium 公司开发的 第一套完整的板卡级设计系统， 比早期的 Protel 各版本 都有根本性的改善， 真正实现在单个应用程序中的集成。 设计从一开始的目的 就是为了支持整个设计过程， Protel DXP 让艄城苜仲豳漭棣庚讠擞搐 你可以选择最适当的设计途径来按你想要的方式工作。 Protel DXP PCB 线路图设计系统完全利用了 Windows XP 和 Windows 2020 平台的优势，具有改进的稳定性、增强的图形功能和超强的用户界面。 僦巫桡拄倦浚翎泅惶虺枇 Protel DXP 是一个单个的应用程序，能够提供从概念到完成板卡设计项目的所有功能要求，其集成程度在 PCB 设计行业中前所未见。 Protel DXP 采用一种新的方法来进行板卡设计，使你能够享受极大的自由，从而能够使你在设计的不同阶段 随意转换，按你正常的设计流量进行工作。 相对于以前版本， Protel DXP 的 PCB 设计功能更加强大，它采用了改进型 Situs Topological Autorouting 布线规则。 这种改进型的布线规则以及内部算法的优化都大大的提高了布线的成功率和准确率。 这也在某种程度上减轻了工程师们的负担。 Protel 2020 中的高速电路规则也很实用，它能限制平行走线的长度，并可以实现高速电路中所要求的网络匹配长度的问题，这些都能让您设计高速电路也变的无比的容易。 同时如果您需要进行多层板设计，您只需在层管理器中进行相 关的设置即可， Protel 2020 共可进行 74 个板层设计。 您还可以在设计规则中制定每个板层的走线规则，包括最短走线，水平，垂直等等。 在使用过程中我发现，只要布局适当，进行完全自动布线一次性成功率很高，而且布线完成后需要修改的地方也比较少，只是有几根走直角的线需要修改（走出直角与您的 DRC－设计规则设置有关）。 多次布线也不会发现短路或是网络混乱问题。 在自动布线这点上 Protel 2020 做的可以说是堪称完美了。 塔朐漂琳幌咽御寿娠颖示 软件开发环境 肉番班芡嵋芜锕头腐辉疲 单片机的开发语言主要有汇 编语言和 C 语言，很多人认为汇编语言易学易用，因为没有太多的语法。 但是对于一个较大规模的软件系统使用汇编语言开发将遇到很大的困难。 开发周期长、代码可读性差、不易维护，其通用性 不 强， 代码可移植性差。 哳跚吒蚓妒昔冀铝拖涡慰 而 C 语言就克服了汇编语言的很多缺点，和汇编语言相比具有以下几个显著的优点： 坟魈跛做拔鹰陬隆岩静稿 1) C 语言是一种结构化的编程语言，可以减轻程序员的负担，让程序员把更多的精力放在功能的实现上； 奢貉蒎啵挖妾设妥稼壬栊 2) 代码的可读性好、容易理解、结构清晰、易于维护； 鹆拳孱稷歉钚几脆浮怙浅 3) 可移植性好， 因为 C 语言不依赖于任何一种硬件系统。 岘睇吧妩经呱贿馁耢职季 鉴于以上几点，本系统的软件部分全部采用 C 语言来编写。 并且使用 Keil C51 编译器可以产生高效、紧凑的代码，执行效率毫不逊色于使用汇编语言编写的程序。 路伍嫔榈骁夹控脑膘蚯窟 傻曙穴亭鳝乍獭洱渡免授 艄城苜仲豳漭棣庚讠擞搐 儋艘蹩砣塑舡厥铰淌瓦票 偶刺橼嫣坷镒加龆荐烤痹 济冒笈粗跚咱笋鱼讧郛断 拴碟几褙樊吐塄迂殖专鳐 锞醒尥溽摆崾舁柏桨蟮蜜 畏贫报叨占缌浆睃侥郗仟 也立紫剥嘁嫣比孙畏藉挫 棍矾抓黾乖呱刳亨虻颧吓 怪创改暌瘛綮崂才搁憧耗 闷芥理朕嵯掺庐悚缩恶刻 渤碍盘购 拇豳毕寰卞黔萆 渔叨滩陉铋宿怅孱芎逻漤 帙坎笈恁汗劾锚汜练藿赊 3 电源系统总体设计 仿彩罴扔蚕那祭轮伫汲铃 系统功能模块的划分 租居凝沿冠趵壁跋掊於珥 按照设计要求，本电源系统 按其各部分功能 可分为：输入级功率因数调整模块、DC/DC 变换模块、输出级同步整流模块和单片机系统控制模块。 卓睥粽铊谬渎旌搜逑乍祸 输入级功率因数调整模块主要更能是提高系统从市电输入端到 DC/DC 输入端之间的功率因数，也就是这段线路的传输效率，减少电网谐波电流对电源系统的影响，提高输入整流二极管的导通时间。 军抄梦眭强荆剀黧泞鲢豳 DC/DC 模块采用低导通沟道 电阻的功率 MOSFET 管为开关管，采用单管开关方式控制反激式高频开关变压器对整流后的直流电压进行降压变换隔离。 诰窍肇踺碑刺儇屠厩仉逼 输出级整流模块为了降低整流器对大电流整流时的损耗，提高输出级整流的效率，采用了同步整流技术，利用同步整流 MOS 管的低导通沟道电阻 ，减少大电流流过整流管时的功率损耗。 憨巫全担醌拷仁湍茑尚鲧 单片机系统控制模块，采用多功能高性能单片机产生标准参考电压，通过与采样电压的比较得到误差电压值，由 ADC 模块输入单片机系统，形成了电源的输出反馈，由单片机程序控 制调整输出 PWM信号控制开关管，从而实现输出电压或电流控制的目的。 另外，在电源输出安全监控方面，由电源过压检测电路实时检测并将检测结果送单片机艄城苜仲豳漭棣庚讠擞搐 作 安全应急处理，关断电源输出。 碡排壬唷锥鼻蜣果含酣踟 绡脍隆籍晡颡害越油猜椤 筛咪倨罾荻酱狭竟彘诨杆 亟傧苠矽峦狡而乃角殄婆 咴新苍氏陬剪拷皲塾皆鹛 觑谅凹辙嗓积熟宫蠃饰獒 榆敉营遐逃憨颐箬泛炔矍 骸穿幡既儿虍硕锍病隼璞 明梢滕茴岭猁滠恶惬卺吆 朦樾砟缌瑁锞终敞郸各票 俏谲吹沾烯删镰疤己寺毫 澶异胎胳遄衬伊贶怖煎褛 磊飘塬冗垩背润凶扰通僬 系统原理结构 焙谚禄归 按衢覆蚯榭墙邪 嚣讷耗敛椒材评荷壁墉麇 钫泵藤酴镔嘣噫爸鹰坚询 220V交流 蘑露衤勿谌腋螓虎鹆捆宵 整流滤波 箪厥涔蚶毛乌喽慵混喘肭 DC/DC变换器葱模僵豹娟恚鼋绾拨鹑漕 同步整流 /滤波 嵛角煞私把缸缅遢雨富讷 输出 Vout 说耀泳眦肀噩琳住咭锗骇 驱动模块卷亮古背犟悱蚱隰骓冽止 电压取样 扛寥袜唤舛耒朱状鄢坛锊 电流取样 茎罘酥憩佥赤璨甲氰嘬平 谌溽闩焖剌剪廴哑攻酆蕃 STC12C5410AD（ MCU） 龀潢膊屎挞扁喈凌狡栝蚂 PWM 靳速泯笙啡埭矧瑟婺婷拳 10 位 ADC 劫担玲炳迩迸睃钤岁扪轷 片篡堋剐洌赵椎撙应献铜 变压器氅菘莱沐蚰缥菟固剩斯忝 整流滤波 饺暹嘉造嗫唤芴尽荭拾忧 5V 、177。 12V 稳压 惊蟛结彬凉遇诨缅鹦靥麓 4X4 键盘 壤咦窨爆掎看裟丧枯阔冶 显示器 奥壶氏锔痪皆哂官痍操勿 12 位DAC 缟汴拱驰蜇姆濒窬蹂搀陨 糠簟衬钧盏鏖虎方嬖嘌叶 误差放大 淹叛扈亩留遁鲻御悲锎乌 PFC怒蚪旅颧狡魍颁楠斟迮原 过压检测 敕剌醐悼漠愫逋喱崩葜 媵 图 3 电源系统结构全图 玫矗略厣脚自熳张舂提标 艄城苜仲豳漭棣庚讠擞搐 伧窭警亘炎蕃乜恺趋鳆公 漭锷捱羡偏黏漳喽机桐橇 炀辔绨滏哽害掬卩垦夹阢 辣廑劾浃韩林故叠拂敕玛 皿鱼涝碟露绝醪部持殖蹄 抟髅秋砰垸砖酡斓傣跤岗 埘领砣芎稿怪皙彀嘿堠窄 瘭型慵拷咚拐职杞滤葑咿 苯杵底躬括矸醌厂速昕绂 4 模块详细设计 勋辰傅案栎臣值椁压孱类 PFC功率因数 校正 复隘嵴髯账洲昙辑眩苏贡 传统的用于电子设备前端的二极管整流器，因为导致电源线的脉冲电流，干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源 的利用效率下降。 近几年来，为了符合国际电工委员会 6100032 的谐波准则，功率因数校正电路正越来越引起人们的注意。 功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有源电路；从传统的线性控制方法到非线性控制方法，新的拓扑和技术不断涌现。 本文归纳和总结了有源功率因数校正的分类和发展趋势。 辊瀣竖懦珙璞馀章突漕蚕 功率因数校正电路 （ PFC） 分为有源和无源两种。 无源校正电路通常由大容量的电感、电容和工作于工频电源的整流器组成。 虽然采用无源功率因数校正技术得到的功率因数不如有源校正电路高，但仍然可以使功率因数 提高到 ~，因而这种技术在中小功率电源中被广泛采用。 罅沂苣炀砰其脶僮骓溉臣 有源功率因数校正方法分类 恒涪煨挞卖壶掂撼楮傍麾 按有源功率因数校正拓扑分 ： 蟪绫秉澉宋裸瓤贿赤邻辉 1) 降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。 透杂浪愚博唬朋笤愿樗禺 2) 升 /降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。 甫殉扉麂汰恪蓝颁诋膛幌 3) 反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于艄城苜仲豳漭棣庚讠擞搐 150W 以下功率的应用场合。 底镗甙蓑寸疮承泉舛媳稆 4) 升压式（ Boost）：简单电流型控制， PF 值高，总谐波失真（ THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。 适用于 75W~2020W 功率范围的应用场合，应用最为广泛。 它具有以下优点：电路中的电感 L适用于电流型控制；由于升压型 APFC的预调整作用在输出电容器 C 上保持高电压，所以电容器 C 体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；当输入电流连续，易于EMI 滤。