基于TFT LCD的BOOST DC-DC電源電路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)功能

由TFT LCD液晶屏幕顯示的升壓斬波直流電源轉(zhuǎn)換器BOOST DC-DC電源電路，并完成了鋰電池充放電電路的設(shè)計(jì)和仿真分析。先來看看項(xiàng)目效果演示：

，時(shí)長02:49項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的功能：

1. 全數(shù)字方案；

2. 電路輸入15~26V，輸出15~35V，最大電流5A；

3. 單片機(jī)PWM控制BOOST電路輸出；

4. PID算法構(gòu)成反饋環(huán)；

5. 狀態(tài)機(jī)控制系統(tǒng)的輸出模式；

6. RTOS協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的不同任務(wù)；

7.按鍵交互設(shè)置輸出模式及參數(shù)。

硬件框架及設(shè)計(jì)

先來看看系統(tǒng)的硬件框圖，如下：

整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）在BOOST電路的功率計(jì)設(shè)計(jì)方面，采用了集成度更高，更加小體積的電感，電容和開啟內(nèi)阻極小的功率增強(qiáng)型金屬氧化物場效應(yīng)管MOSFET。2）在BOOST電路的控制系統(tǒng)方面，采用了小封裝體積的STM32單片機(jī)微處理器作為中心處理器件，并采用了霍爾傳感器作為反饋單元。3）在顯示屏的設(shè)計(jì)方面，采用了2.2寸的TFT LCD的RGB全彩屏幕進(jìn)行顯示，并采用SPI通信協(xié)議進(jìn)行控制和寫入。4）在人機(jī)交互方面，采用了5個(gè)功能分明的按鍵，保證了系統(tǒng)的易用性，同時(shí)也沒有對系統(tǒng)的交互性進(jìn)行損失。

最終我們得到了一個(gè)電路上效率較高，顯示性能和交互性也較強(qiáng)的BOOST DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路。

? BOOST功率級(jí)設(shè)計(jì)BOOST電路是一種升壓型DC-DC電源變換器，通過PWM信號(hào)控制電子開關(guān)，促使電感電容不斷傳遞能量從而實(shí)現(xiàn)輸出升壓，它的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下

通過脈寬調(diào)制信號(hào)PWM對三極管的基極進(jìn)行控制，使三極管快速的通斷。

在三極管導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于輸入電壓直接加在電感兩側(cè)，電感電流呈線性增加，儲(chǔ)存能量，同時(shí)二極管反向偏置，防止電容電壓放電；當(dāng)三極管斷開時(shí)，由于電感的電流不會(huì)突變，則電感的電流會(huì)流經(jīng)二極管到電容及負(fù)載上，此時(shí)儲(chǔ)存在電感內(nèi)的能量被釋放，使得電容兩端電壓高于輸入電壓，以此實(shí)現(xiàn)升壓的過程。更改脈寬調(diào)制信號(hào)PWM的占空比，就改變了電感儲(chǔ)存能量的時(shí)間長短，時(shí)間越長，電感的能量就越多，從而關(guān)斷期間釋放的能量也就越大，輸出電壓也就越大。

通過對原理的研究，我們可以得到下面兩個(gè)公式

根據(jù)工作條件：輸入電壓17V，輸出電壓26V，工作頻率114KHz，負(fù)載50Ω，最大允許紋波50mV。計(jì)算電感及電容參數(shù)：

L1=32.45uH，取L1=33uH

C》31.57uF，取C=50uF

在實(shí)際情況中，電路的負(fù)載變化時(shí)，如果保持PWM占空比不變，則輸出電壓會(huì)有所變化。為了保持輸出電壓穩(wěn)定，我們需要反饋調(diào)節(jié)機(jī)制：PID算法，反映了控制器輸出量和誤差之間的閉環(huán)關(guān)系。

將計(jì)算好的L1和C參數(shù)代入SIMULINK仿真，并設(shè)置PID反饋環(huán)：設(shè)置KP=10，KI=1，KD=0

運(yùn)行仿真，可以得到較為穩(wěn)定的電源輸出：

為了實(shí)現(xiàn)電路的反饋，需要電壓電流采樣。電壓采樣使用分壓電阻，電流采樣使用霍爾傳感器ACS712。

由于單片機(jī)PWM輸出的驅(qū)動(dòng)能力有限，故要想控制BOOST電路，需要MOSFET驅(qū)動(dòng)器的輔助，這里使用UCC27511。

系統(tǒng)中其他器件的選型為：

MCU采用STM32F103C8T6；

MOSFET驅(qū)動(dòng)器采用UCC27511；

TFT-LCD采用1.44寸彩屏；

霍爾電流計(jì)采用ACS712-20A；

輔助電源采用K7812-2000；

MOSFET采用CSD18540KTT；

電感采用HSC1770封裝的功率電感；

肖特基二極管采用CLS03；

輸入輸出電容采用2220封裝的鉭電容；

? 單片機(jī)控制級(jí)設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制級(jí)負(fù)責(zé)PWM信號(hào)輸出，電壓電流采樣以及屏幕控制，需要在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引出PWM輸出，ADC采樣和SPI通信引腳。

? 按鍵交互設(shè)計(jì)

五個(gè)按鍵功能分別為：

MENU：停止輸出，模式選擇

UP：選擇恒壓模式，增加設(shè)定值

DOWN：選擇恒流模式，減少設(shè)定值

OK：確認(rèn)該位設(shè)定值，切換下一位

START：開啟電源輸出按鍵采用下降沿觸發(fā)方式輸入單片機(jī)，使用電容進(jìn)行硬件濾波，減小誤觸概率。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件基本架構(gòu)如下圖：

然后在STM32CubeMX內(nèi)，對該框架進(jìn)行一個(gè)使能和初始化。外設(shè)設(shè)置說明：ADC雙路采樣使用DMA循環(huán)模式；5個(gè)按鍵采用下降沿觸發(fā)；SPI通信協(xié)議由于使用GPIO軟件模擬，故設(shè)置成推挽輸出即可；PWM輸出采用高級(jí)定時(shí)器PWM模式；使用ST LINK V2對代碼進(jìn)行燒錄；

高速時(shí)鐘源采用外部8MHz晶體振蕩器，并將APB1總線倍頻到64MHz。

? TFT屏幕通信設(shè)計(jì)

TFT LCD屏幕的底層我們采用GPIO軟件模擬SPI通信協(xié)議，單向只輸出；

從最高位開始，依次移位對要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行發(fā)送。

引腳定義：

PB10：數(shù)據(jù)/命令切換信號(hào)

PB13：時(shí)鐘信號(hào)

PB15：串行數(shù)據(jù)發(fā)送

? RTOS任務(wù)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由三個(gè)RTOS任務(wù)構(gòu)成，分別是：

void State_change_function（void const * argument）;//狀態(tài)切換任務(wù)void tft_show_function（void const * argument）；//屏幕內(nèi)容刷新任務(wù)void drive_sample_function（void const * argument）；//PWM輸出及采樣反饋PID運(yùn)算任務(wù)

其中：

狀態(tài)切換只有在按鍵按下之后才會(huì)觸發(fā)；

屏幕內(nèi)容刷新只有在內(nèi)容需要更改的時(shí)候才會(huì)觸發(fā)，防止系統(tǒng)資源過度占用，并且在實(shí)時(shí)顯示輸出量時(shí)更新頻率為20Hz；

PID運(yùn)算只有在start之后才會(huì)開始進(jìn)行。

? 狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

假設(shè)要操控某一系統(tǒng)，通過按鍵設(shè)定功能，這時(shí)我們可以采用有限狀態(tài)模型，系統(tǒng)擁有有限的一些狀態(tài)，而我們只需指定有限的狀態(tài)切換條件即可，這就是狀態(tài)機(jī)。

通過上述關(guān)系圖的分析，我們可以將有限狀態(tài)模型應(yīng)用到本設(shè)計(jì)的功能設(shè)定和運(yùn)作當(dāng)中，使得系統(tǒng)運(yùn)行邏輯性更強(qiáng)，效率更高。

所有代碼都嚴(yán)格寫在了USER CODE范圍內(nèi)，可以直接用cube更改外設(shè)。