基于STC12C5A60S2與PID算法的數控電源的設計與實現

呂德深，梁承權

（1.華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006；2.南寧學院 廣西 南寧 530200）

隨著電力電子技術的飛速發展和各行業對用電設備控制要求的提高，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的性能、壽命。以往所采用的電源大多數是旋鈕式電位器進行調節，輸出電壓無法實現精確的步進。數控電源是從上世紀80年代發展起來的，到現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[1]。因此，設計一款高效率、高性能、高精度的數控電源是非常有必要的。

根據實際需要，本設計以輸出電壓可在0～24.0 V范圍內任意設定，精度±0.1 V，最大電流為5 A，紋波優于1%，效率達70%以上為目標。數控電源以STC12C5A60S2單片機做為CPU，通過按鍵設定輸出電壓，單片機給出一定占空比的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。基于PID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，最終系統輸出一個穩定的電壓值。

1 總體設計

該數控電源系統總體結構如圖1所示，主要由STC12C5A60S2單片機最小系統、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。單片機最小系統是數控電源的核心組成部分，負責產生BUCK電路所需的PWM信號；同時實時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[2]。系統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，得到與設定電壓誤差非常小的電壓。

2 系統硬件設計

2.1 STC12C5A60S2單片機最小系統

數控開關穩壓電源工作在開關狀態，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電路在開關穩壓電源中應用非常廣，故本系統選擇BUCK電路進行設計。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

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，本系統采用STC12C5A60S2單片機作為系統的主控制器。

STC12C5A60S2是一款功能強大，性價比高的單片機[3]。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 8051的0～420MHz。內部集成MAX810專用復位電路，使系統更加穩定可靠地運行。內部集成了兩路可編程計數器陣列（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32 MHz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32MHz時，ADC轉換速率約為356 kHz。為了實現數控電源內部高速運算，本系統時鐘采用外部32MHz晶振作為時鐘源。

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

圖2 STC12C5A60S2單片機最小系統Fig.2 STC12C5A60S2 single-chipmicrocomputerminimum system

2.2 變壓整流濾波模塊的設計

為了提高數控電源的效率、輸出電壓、輸出電流，最終輸出穩定的電壓，變壓整流濾波模塊至關重要。變壓器的效率為數控電源效率的關鍵因素之一。如果變壓器功耗大，發熱量大，能量就會白白地浪費變壓器上。基于以上因素考慮，本系統采用效率較高的環牛變壓器。

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、穩壓電路[4]。市電220 V交流電經環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。

圖3 變壓整流濾波電路Fig.3 Transformer rectifier filter circuit

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。

圖4 BUCK電路基本結構Fig.4 Structure diagram of the BUCK circuit

2.4 電壓反饋電路設計

一些開環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，本系統設計一個電壓反饋電路，使系統為閉環系統，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。系統電壓反饋電路如圖7所示。

圖5 導通時的等效電路Fig.5 Equivalent circuitof conduction

圖6 截止時的等效電路Fig.6 Equivalent circuit of cut-off

圖7 電壓反饋電路Fig.7 Voltage feedback circuit

2.5 按鍵控制與顯示電路設計

一個數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碼管顯示。數碼管成本低、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，故本系統選擇使用低功耗、無閃爍、可靠性高的LCD1602液晶。

系統按鍵控制與顯示電路如圖8所示。

圖8 按鍵控制與顯示電路Fig.8 Button control and display circuit

3 系統軟件設計

3.1總體軟件設計

該數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、數據顯示程序。系統總體流程圖如圖9所示。系統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，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采集，與設定值比較得到PID控制的各項參數，經PID算法，調節PWM占空比，最終得到與設定值非常接近的輸出電壓[5]。

圖9 系統軟件設計的流程圖Fig.9 Flow chart the software design

3.2 PID軟件設計

數控電源的PID算法系統組成形式如圖10所示。系統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[6]。

圖10 系統PID算法原理圖Fig.10 diagram of the PID algorithm

4 實驗測試

按鍵設定輸出電壓和實際輸出電壓測試，其結果如表1所示。數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0.1 V。由表2可見，輸出電壓越高，紋波越大，但均小于1%。由此可見，系統有較高的精準度。

表1 數控電源輸出電壓測試結果Tab.1 Test result of output voltage

表2 數控電源紋波電壓測試結果Tab.2 Test result of ripple voltage

5 結論

測試結果表明，文中設計的基于STC12C5A60S2單片機的數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。系統控制精度高、反應速度快、輸出穩定、操作簡單，具有一定的實用價值。

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