基于STC12C5A60S2與PID算法的數(shù)控電源設計 - 全文

　　摘要：基于提高電源效率的目的，設計了采用PID算法的數(shù)控電源。系統(tǒng)采用STC12C5A6052自帶的PWM控制BUCK電路，同時對其輸出電路進行采樣，組成了一個高速的閉環(huán)控制系統(tǒng)。文中給出了數(shù)控電源的接口電路及PID算法的軟件設計。實驗結果表明：該數(shù)控電源具有紋波小、高效率的優(yōu)點。

　　隨著電力電子技術的飛速發(fā)展和各行業(yè)對用電沒備控制要求的提高，人們對供電的電源要求也越來越高。電源的性能直接影響著整個電路系統(tǒng)的性能、壽命。以往所采用的電源大多數(shù)是旋鈕式電位器進行調節(jié)，輸出電壓無法實現(xiàn)精確的步進。數(shù)控電源是從上世紀80年代發(fā)展起來的，到現(xiàn)在大多產品的電源仍存在誤差較大、分辨率不高、功率較低、效率低、可靠性較差等缺點。因此，設計一款高效率、高性能、精度的數(shù)控電源是非常有必要的。

　　根據(jù)實際需要，本設計以輸出電壓可在0～24.0V范圍內任意設定，精度±0.1 V，最大電流為5 A，紋波優(yōu)于1%，效率達70%以上為目標。數(shù)控電源以STC12C5A60S2單片機做為CPU，通過按鍵設定輸出電壓，單片機給出一定占字比的PWM信號對BUCK電路中的開關管進行控制，經電感、電容濾波后輸出一電壓。輸出端先采用電阻進行分壓，然后經反饋電路，最后送入單片機ADC口進行采樣?；赑ID算法的原理，單片機將輸出值與設定值進行比較，得到偏差，然后利用偏差對PWM信號的占空比進行控制，最終系統(tǒng)輸出一個穩(wěn)定的電壓值。

　　1 總體設計

　　該數(shù)控電源系統(tǒng)總體結構如圖1所示，主要由STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)、變壓整流濾波模塊、BUCK電路、電壓反饋電路、顯示電路、按鍵控制電路等組成。單片機最小系統(tǒng)是數(shù)控電源的核心組成部分，負責產生BUCK電路所需的PWM信號;同時實吋檢測電壓反饋電路的電壓。變壓整流濾波模塊一方面提供單片機、電壓反饋電路、顯示模塊等所需的電源;另一方面經過降壓式變換電路（BUCK電路）后直接提供給負載。顯示電路主要用于顯示設置電壓和實際輸出的電壓。系統(tǒng)將反饋電壓與按鍵控制電路設置的電壓進行比較，得到PID算法所需的各個變量，進而控制PWM信號的占空比，得到與沒定電壓誤差非常小的電壓。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)

　　數(shù)控開關穩(wěn)壓電源丁作在開關狀態(tài)，其能量損失只有小部分消耗在開關管的導通壓降上，效率高。BUCK電路在開關穩(wěn)壓電源中應用非常廣，故本系統(tǒng)選擇BUCK電路進行設計。

　　一方面，BUCK電路工作頻率通常為幾千赫茲到幾兆赫茲，通過定時器來控制普通IO口產生PWM已無法滿足;另一方面，為了實時對輸出電壓進行檢測，這時系統(tǒng)必須具備A/D轉換功能。采用專門的A/D轉換芯片，固然可實現(xiàn)輸出電壓的檢測，但電路變得復雜且成本偏高。經綜合考慮，本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機作為系統(tǒng)的主控制器。

　　STC12C5A60S2是一款功能強大，性價比高的單片機。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的1個時鐘/機械周期（1T）的單片機，工作頻率為0～35 MHz，相當于傳統(tǒng)8051的0～420 MHz。內部集成MAX810專用復位電路，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠地運行。內部集成了兩路可編程計數(shù)器陣列（PCA）模塊，用于輸出PWM信號。常溫下，使用內部RC振蕩器作為單片機時鐘時，可輸出14～19 kHz的PWM信號;使用外部32MHz晶振作為時鐘時，頻率最高可達125 kHz。STC12C5A60S2有8路10位高速ADC，90個時鐘周期轉換一次，CPU工作頻率32 MHz時，ADC轉換速率約為356kHz。為了實現(xiàn)數(shù)控電源內部高速運算，本系統(tǒng)時鐘采用外部32 MHz晶振作為時鐘源。

　　STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路組成，其電路如圖2所示。單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)按鍵輸入識別、顯示控制、PID算法等。

　　2.2 變壓整流濾波模塊的設計

　　為了提高數(shù)控電源的效率、輸出電壓、輸出電流，最終輸出穩(wěn)定的電壓，變壓整流濾波模塊至關重要。變壓器的效率為數(shù)控電源效率的關鍵因素之一。如果變壓器功耗大，發(fā)熱量大，能量就會白白地浪費變壓器上?；谝陨弦蛩乜紤]，本系統(tǒng)采用效率較高的環(huán)牛變壓器。

　　變壓整流濾波模塊電路如圖3所示，其中包含降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路。市電220 V交流電經環(huán)牛變壓器后得到兩路的交流電。電壓、功率較低的一路可經過整流、濾波、穩(wěn)壓電路供給單片機、顯示模塊、反饋電路等;電壓、功率較大的一路經整流、濾波電路后直接送入BUCK電路。

　　2.3 BUCK電路設計

　　BUCK電路是一種壓降式DC—DC變換電路。其功耗小、效率高、體積小等優(yōu)勢而被廣泛應用于各類電源中。BUCK電路基本結構如圖4所示，本系統(tǒng)使用N溝道的MOS管。當開關管Q導通時，通過電感的電流增加，電感L、C電容儲能，其電路等效如圖5所示;當Q斷開時，通過電感的電流減小，電感L、C電容釋放能量，其電路等效如圖6所示;當Q的G極為一個高低電平交替變換的PWM信號，要求PWM信號頻率比電感L、電容C儲能和釋放能量的頻率高，此時充電速度比放電速度快，輸出端就會得到一定的電壓。PWM信號的占空比改變時輸出的電壓隨之改變。

　　2.4 電壓反饋電路設計

　　一些開環(huán)式電源容易受負載的影響，當負載變化時，輸出電壓波動較大。為了解決這個問題，本系統(tǒng)設計一個電壓反饋電路，使系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)，即：輸出電壓經分壓電阻后得到適合單片機采集的電壓，經電壓跟隨器后輸入到STC12C5A60S2單片機的ADC0腳。系統(tǒng)利用單片機內置的ADC對輸出電壓進行實時測量，以調整PWM信號的占空比。系統(tǒng)電壓反饋電路如圖7所示。

　　2.5 按鍵控制與顯示電路設計

　　一個數(shù)控電源人機交互界面是必不可少的，它包括按鍵控制電路和顯示電路。

　　為了簡單便捷地輸入設置電壓，系統(tǒng)采用4個輕觸開關作為控制按鍵。按鍵功能分別為：步進增加、步進減小、輸出增加、輸出減小。

　　本系統(tǒng)要進行設置電壓、步進電壓的顯示，顯示電路通常有液晶顯示或數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管成奉低、壽命長，但顯示內容過少、線路復雜且亮度受供電電源影響較大，故本系統(tǒng)選擇使用低功耗、無閃爍、可靠性高的LCD1602液晶。

　　系統(tǒng)按鍵控制與顯示電路如圖8所示。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 總體軟件設計

　　該數(shù)控電源軟件設計主要包括：PWM信號產生程序、ADC采樣程序、PID控制算法程序、按鍵處理程序、數(shù)據(jù)顯示程序。系統(tǒng)總體流程圖如圖9所示。系統(tǒng)開始進入初始化程序，包括LCD1602初始化、PID程序初始化、PWM相關寄存器初始化等。單片機處于按鍵檢測狀態(tài)，有按鍵輸入時，調用按鍵控制程序，輸出一定占空比的PWM，并將設定的電壓值顯示于LCD1602。另外，單片機對經BUCK電路輸出的電壓進行ADC釆集，與設定值比較得到PID控制的各項參數(shù)，經PID算法，調節(jié)PWM占空比，最終得到與設定值非常接近的輸出電壓。

　　3.2 PID軟件設計

　　數(shù)控電源的PID算法系統(tǒng)組成形式如圖10所示。系統(tǒng)通過按鍵設定一定的電壓值r后，給出相應占空比值，同時單片機通過ADC采集輸出電壓，得到測量值z，與給定值對比得到偏差e，計算出PID算法中所需的P、I、D變量值，最終得到準確的被控量y。

　　4 實驗測試

　　按鍵沒定輸出電壓和實際輸出電壓測試，其結果如表1所示。數(shù)控電源輸出的紋波測試如表2所示。由表1可見，輸出電壓值越低，偏差越小;輸出電壓值越高，偏差越大，但均不大于0.1V。由表2可見，輸出電壓越高，紋波越大，但均小于1%。由此可見，系統(tǒng)有較高的精準度。

　　5 結論

　　測試結果表明，文中設計的基于STC12C5A60S2單片機的數(shù)控電源能夠較精確地輸出設定的電壓值，通過運用PWM技術和PID算法對輸出的電壓進行快速地調整，得到較精確的電壓值。系統(tǒng)控制精度高、反應速度快、輸出穩(wěn)定、操作簡單，具有一定的實用價值。