简易数控直流稳压电压

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本文介绍了一种使用STC15W408AS单片机控制的数控直流稳压电源设计，通过BUCK电路实现0-12V、500mA的输出，并采用PID控制保持电压稳定性。12864液晶显示器显示电压、电流和功率。设计中包含过载保护功能，以及“+”、“-”按键控制电压增减。

摘要：主控为STC15W408AS，调节PWM占空比控制BUCK电路的开关管通断，实现不同电压输出。采样反馈电压与设定输出电压通过PID控制器，输出设定电压。采样反馈电流作为过流保护，保护电路。12864液晶显示电压、电流、功率。
关键词： STC15W408AS、BUCK、PID控制、12864液晶

题目要求：
（1）输出电压0~12V，步进0.1V，输出纹波不大于30mV.
（2）输出电流：500mA；
（3）LCD12864显示电压、电流及功率；
（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；
（5）输出电压可预置在0～12V之间的任意一个值；
（6）具有过载保护功能；
一、系统结构图：
在这里插入图片描述
二、硬件电路设计：
1、BUCK电路和LDO线性电路方案对比
（1）、共同点：降压型电路
LDO与Buck电路都属于降压型电路，因为都是输入电压大于输出电压，因此都是降压型电路。
（2）、不同点：工作区域
LDO的串联管工作放大区（线性区），而Buck电路中的串联管工作饱和与截止区。
（3）、工作效率：DCDC电路效率高
LDO的输入电流与输出电流基本相同，效率=(输出电压输出电流)/(输入电压输电流)，效率等于输出电压与输入电压的比值，当串联管之间的压差较大时，效率较低，消耗的能量以热能散出去。Buck电路的效率相对来说较高，较高达90%，是因为管子处于饱和和截止区时，此时电流很小，几乎是mA级的。DCDC电路输出电压可随意在一个范围内调节，可以输出0~12V。
结论：BUCK电路效率高、输入电压范围宽、输出电压可调、驱动能力强、静态电流小，故BUCK电路满足该项目需求。

2、STM32F103单片机、AT89C51单片机和STC15W408AS单片机方案对比
方案一：stm32是32位ARM内核的主控器，Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种外设功能，价格较贵，但是项目需求只用到PWM和ADC外设功能，性价比不高。
方案二：AT89C51是8位51内核的单片机，有串口、定时器等外设功能，价格较低，但是没有ADC采样外设，不适合项目需求。
方案三：STC15W408AS也是8位51内核的单片机，有串口、定时器、ADC、PCA、SPI等外设功能，价格时钟，复合项目需求。

（1）电源供电电路：输入电压15~24V，通过LM7805稳压到5V，给MCU、运算放大器、12864液晶显示屏供电。输入端串联二极管1N4007防止正负极接反，烧坏电路。输入端输出端接电容稳定LM7805内部放大器的工作状态。输出端接红色LED指示灯，方便观察上电情况。
在这里插入图片描述

（2）BUCK电路：通过BUCK电路的拓扑来改造，通过开关管的通断时间进行斩波来调节降低输出电压，配合上无功元件电感电容储能，续流二极管实现。单片机输出PWM控制NPN 8050三极管通断，R8和R9作用防止单片机上电瞬间有高电平电压突变使得三级管导通。三极管的作用防止电流倒灌损坏单片机管脚。开关管上面需要并联一个电容吸收开关管通断瞬间的浪涌电压。R4和R2作用为了钳住基级的电压，稳定基极导通电压。转换公式Vout=D*Vin
在这里插入图片描述

（3）电流采样电路：由于输出电流过小，通过0.1欧姆采样电阻，把电流转换为电压，再经过反比例运算放大器放大10倍给单片机ADC管脚读取显示，用作过载保护。计算公式采样电流I=-R12/R13*Vin
在这里插入图片描述

（4）输出电压采样：由于输出电压过大，单片机AD转换引脚只能测量5V以下的电压所以通过电阻分压的缩小电压的方法测量输出电压。单片机ADC管脚采集电压值通过计算得到输出电压，显示输出电压到12864液晶屏幕到上面。计算公式输出电压实际液晶显示电压Vout=((Vin/1024)*5)*3
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（5）12864液晶显示模块：由于单片机引脚过少，使用串行通讯模式与液晶屏通讯。功能作用显示电压电流功率。
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（6）调试电路：按钮用于步进+10mV和-10mV，LED灯用于开发时调试作用，STC15单片机输出电流可达到20mA，可以驱动LED指示灯，注意整个单片机输出电流不要超过90mA。

（7）主控MCU：供电由LM7805提供5V，内部有35MHz的内部晶振，有上电自动复位功能，所以该单片机最小系统，只需要有电源供电即可工作。
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（8）烧录接口：USB-TTL串口烧录器接单片机15和16脚，下载程序。
在这里插入图片描述
三、BUCK电路原理分析
1、BUCK变换器
（1）降压式变换器，输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。

Q为开关管，驱动电压为PWM，信号周期Ts，信号频率f=1/Ts，导通时间为Ton，关断为Toff，Ts=Ton+Toff，占空比Dy=Ton/Ts。

开关管导通，电感激磁，电流线性上升在这里插入图片描述

开关管关断，电感去磁，电流线性下降
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伏秒平衡：在这里插入图片描述
（2）波形图：

（3）两种工作模式：CCM和DCM。
CCM模式：重负载电流时出现，电感电流总是由正方向流动，电感电流不会降到0，PWM控制，恒定开关频率工作，改变占空比调节输出。

DCM模式：轻负载电流时出现，电感电流完全，电感电流不放电到0，在电流降到0时刻，二极管自然关断，阻挡电感电流的反向流动，输出由电容提供,纹波大，开关频率及输出电压和负载电流相关。
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（4）闭环控制思想
①电流电压双闭环的模式
②首先需要满足电压环路控制，使得输出电压输出稳定设定值，后面再通过调整负载满足电流环控制
③当电路出现故障时，电流环先作用，保护电路，使输出电压较低。
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四、软件程序设计
程序结构流程图：

1、位置式PID和增量式PID算法对比区别。
①位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关,用到了误差的累加值;而增量式PID的输出只与当前拍和前两拍的误差有关,因此位置式PID控制的累积误差相对更大;
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②增量式PID控制输出的是控制量增量,并无积分作用,因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象,如步进电机等,而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象,如电液伺服阀。
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项目需求通过实际采样电压与设定电压来调节占空比，占空比累积值是一个增量的过程。故选用增量式PID。

2、模块软件设计
（1）PWM产生：8位的PWM，最小的分辨率可以达到1/256。可以根据单片机数据操作

void Pwm_Init(void);//PWM寄存器初始化设置。
void pwm_Set(u8 value);//PWM占空比设定。

（2）ADC电压采集：10位ADC采集外设功能，最小采样分辨率为1/1024。

  	void Adc_Init();//ADC电压采样
    float code Get_Adc_Average(u8 ch,u8 times);//获取数据ADC

（3）12864液晶显示：串行通行模式

  void Lcd_Init(void);						//12864液晶初始化
  void LCD_Display_Words(u8 x,u8 y,u8*str);//显示字符串
  void SendByte(u8 byte)  ;					//发送一个字节数据
  void Lcd_WriteCmd(u8 Cmd )   ;				//写指令函数
  void Lcd_WriteData(u8 Dat ) ;				//写数据函数

（4）UART收发数据：串口接收和发送数据触发中断，然后处理收发数据。

void uart_init();							//串口初始化函数
char putchar(char c );						//方便调试
void Uart() interrupt 4	using 2;				//串口中断函数
void SendString(char *s);					//串口发送字符串
void RecData();							//串口接收数据

（5）EXIT外部中断：按钮触发下降沿中断

void exit_init();							//KEY0、KEY1外部中断
void key1_exit1() interrupt 2;				//外部中断1服务程序 每次加10mV
void key0_exit0() interrupt 0;				//外部中断0服务程序 每次减10mV

（6）PID控制算法：增量式PID算法

void  pid_init(void);						//PID控制算法初始化
float pid_realize(void);						//PID增量计算

四、实验数据
输入电压15V，输出电压可在0~12V可调，电流超过400mA过载保护，可以预设3.3V、5V、8V、12V输出电压，不管负载和输入电压如何变化输出电压还是预设的电压(PID算法调节占空比)。PWM输出频率32KHz。
六、总结
（1）BUCK电路设计上需要注意问题：空载时需要并联2个1k电阻消耗电容能量才能实现降压，采样电流输出经过运放需要滤波，电压采样电阻分压采样后也需要滤波。
（2）PID算法上，使用增量式PID，而不是位置式PID。需要用软件串口调式和示波器观察波形来实现PID三个参数的调节。
附件：
1、原理图
在这里插入图片描述
2、PCB

3、电路板

#include "stc15.h"
#include "lcd.h"
#include "adc.h"
#include "pwm.h"
#include "uart.h"
//#include "exit.h"
#include <stdio.h> //printf用
#include "pid.h"

void delay_ms(unsigned int time);     //延时函数
void main()
{   
 u8 res=20;
 u8 value=0;
 float pwm=0;
 P1=0;
 P2=0;
 //P3=0;//开启之后串口1传输不了数据
 
 Lcd_Init();
 Pwm_init();
 Adc_Init();
 uart_init();
 exit_init();//外部中断
 pwm_Set(128);
 pid_init();
 //time2_init();
 while(1)
 {
   //KEY_JZ();
   showVolSet();//串口接收设定电压，显示设定目标电压值，传设定值给PID
   readADC();//采样实际电压值
    
   pwm=pid_realize(); //接收实际值和设定值，PID调节之后输出PWM占空比
   Set_Vol(pwm); //调节占空比 输出PWM


   showADC(); //显示输出电压和输出电流和功率   
 }
}

void delay_ms(unsigned int time)     //延时函数  
{
	unsigned int x,y;
	for(x=time;x>0;x--)
	{
		for(y=70;y>0;y--);
	}
}