系統(tǒng)集成手冊

中北大學

課程設計說明書

學生姓名：學號：

學院：____________________________________

專業(yè)：____________________________________

題目：

2023年7月1日

目錄

1課程設計目的........................錯誤！未定義書簽。

2課程設計內(nèi)容和規(guī)定..................錯誤！未定義書簽。

2.1設計內(nèi)容...................................錯誤！未定義書簽。

2.2設計規(guī)定...................................錯誤！未定義書簽。

3設計方案及實現(xiàn)實狀況況..................錯誤！未定義書簽。

3.1設計方案及論證.............................錯誤！未定義書簽。

3.1.1DC—DC主回路拓撲.......................錯誤！未定義書簽。

3.1.2控制方案選擇...........................錯誤！未定義書簽。

3.2工作原理及框圖.............................錯誤！未定義書簽。

3.2.1Boost升壓主電路.......................錯誤！未定義書簽。

開機保護電路.................................錯誤！未定義書簽。

開關(guān)管保護電路...............................錯誤！未定義書簽。

3.2.4輸出濾波和輸出過流保護................錯誤！未定義書簽。

3.2.5KL26主控電路及采集.................錯誤！未定義書簽。

3.2.6鍵盤輸入及顯示........................錯誤！未定義書簽。

3.3效率分析及計算.............................錯誤！未定義書簽。

3.4硬件電路原理圖.............................錯誤！未定義書簽。

3.5仿真分析...................................錯誤!未定義書簽。

3.6PCB版圖設計.................................錯誤！未定義書簽。

3.7系統(tǒng)測試錯誤!未定義書簽。

測試使用的儀器錯誤!未定義書簽。

測試措施錯誤!未定義書簽。

測試數(shù)據(jù)錯誤!未定義書簽。

3.7.4指標完畢錯誤!未定義書簽。

4課程設計總結(jié)錯誤!未定義書簽。

參照文獻??錯誤!未定義書簽。

1課程設計目的

1.學習操作數(shù)字電路設計試驗開發(fā)系統(tǒng)，掌握開關(guān)電源的工作原理。

2.掌握C語言開發(fā)設計，熟悉單片機日勺工作原理。

3.掌握基于單片機系統(tǒng)日勺開發(fā)設計。

2課程設計內(nèi)容和規(guī)定

2.1設計內(nèi)容

設計并制作一種開關(guān)穩(wěn)壓電源。輸入220V交流電，輸出30V?36V可調(diào)直

流電。通過液晶屏顯示。

2.2設計規(guī)定

基本規(guī)定：(在電阻負載條件下，使電源滿足下述規(guī)定)

1、輸出電壓吐可調(diào)范圍:30V-36V；

2、最大輸出電流加x：2A；

3、〃從15v變到21V時，電壓調(diào)整率SW2%(4=2A)；

4、To從。變到2A時，負載調(diào)整率SW5%(〃=18V)；

5、輸出噪聲紋波電壓峰-峰值“W1V(〃=18V,"=36V,4=2A)；

6、DC-DC變換器的效率270%(?=18V,?=36V,Z)=2A)；

發(fā)揮部分：

1、深入提高電壓調(diào)整率，使SWO.2%(7O=2A)；

2、深入提高負載調(diào)整率，使SIW0.5%(U2=18V)；

3、提高效率，使效率285%(U2=18V,U0=36V,I0=2A)；

4、能對輸出電壓迸行鍵盤設定和步進調(diào)整，同步顯示輸出電壓電流.

3設計方案及實現(xiàn)實狀況況

3.1設計方案及論證

3.1.1DC-DC主回路拓撲

方案一：圖1是間接直流變流電路：構(gòu)造如圖1-1所示，可以實現(xiàn)輸出端與

輸入端口勺隔離，適合于輸入電壓與輸出電壓之比遠不不不大于或遠不不大于1

的情形，但由于采用多次變換，電路中H勺損耗較大，效率較低，并且構(gòu)造較為復

雜。

亙途“逆變電路［突%變壓器至通t整流電路1—?濾波器皂二

圖1間接直流電路

方案二：Boost升壓斬波電路：拓撲構(gòu)造如圖1-2所示。開關(guān)的開通和關(guān)

斷受外部PWM信號控制，電感L將交替地存儲和釋放能量，電感L儲能后使電壓

泵升，而電容C可將輸出電壓保持住，輸出電壓與輸入電壓日勺關(guān)系為

U0=(ton+toff),通過變化PWM控制信號口勺占空比可以對應實現(xiàn)輸出電壓口勺變化。

該電路采用直接直流變流的方式實現(xiàn)升壓，電路構(gòu)造較為簡樸，損耗較小，效率

較高。(如圖2)

圖2boost升壓電路

綜合比較，我們選擇方案二。

3.1.2控制方案選擇

方案一：運用PWM專用芯片產(chǎn)生PMM控制信號。此法較易實現(xiàn)，工作較穩(wěn)定，

但不易實現(xiàn)輸出電壓的鍵盤設定和步進調(diào)整。

方案二：運用KL26單片機產(chǎn)生PWM控制信號。讓單片機根據(jù)反饋信號對PWM

信號做出對應調(diào)整以實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方案實現(xiàn)起來較為靈活，可以通過調(diào)試

針對自身系統(tǒng)做出配套的優(yōu)化。不過系統(tǒng)調(diào)試比較復雜。

我們選擇方案二。

3.2工作原理及框圖

Boost升壓主電路

圖3是Boost升壓電路包括驅(qū)動電路和Boost升壓基本電路。電力晶體管（GTR）耐

壓高、工作頻率較低、開關(guān)損耗大；電力場效應管（PowerMOSFET）開關(guān)損耗小、

工作頻率較高。從工作頻率和減少損耗口勺角度考慮，選擇電力場效應管作為開關(guān)

管IRF540。選擇ESAD85M-009型肖特基二極管，其導通壓降小，通過1A電流

時僅為0.35V,并且恢復時間短。實際使用時為減少導通壓降將兩個肖特基二極

管并聯(lián)。

（1）電感值的計算：

L=U*。-〃加）

其中，m是脈動電流與平均電流之比取為0.25,開關(guān)頻率f=20kHz,輸出電

壓為36V時,L尸527.48uH,取530uH。電感線徑的計算：最大電流h為2.5A,

電流密度J取4A/mm2,線徑為d,則由J*乃（^）2=〃得d=0.892mm,工作頻率

為20kHz，需考慮趨膚效應，制作中采用多線并繞方式，既不過流使用，又防止

了趨膚效應導致漆包線有效面積日勺減小。

(2)電容的參數(shù)計算：

C-

其中，AUo為負載電壓變化量，取20mV,f=20kHz,UO=36VW,CB=1465uF,

取為2023nF,實際電路中用多只電容并聯(lián)實現(xiàn)，減小電容的串聯(lián)等效電阻

(ESR),起到減小輸出電壓紋波日勺作用，更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓。

(3)boost損耗計算：

輸出電流有效值I0_RX1s=\A3xlINxy/D(1-D)

代入數(shù)據(jù)得1^=2.069A

而電容H勺損耗=1xESR/2

等效串聯(lián)電阻ESR取為10mQ,代入得Pm=0.0428W

圖3主回路

開機保護電路

在直流輸入端串聯(lián)一支保險絲(250V,5A),從而實現(xiàn)過流保護，反接保護功

能由二極管和保險絲實現(xiàn)。用NTC電阻實現(xiàn)了對開機浪涌電流日勺克制，當上電

瞬間，電阻很大，從而對其防止浪涌電流產(chǎn)生。（如圖4）

圖4開機保護電路

3.2.3開關(guān)管保護電路

運用IR2302的欠壓保護功能，對其電源電壓進行檢測，當電壓抵達200mv

的時候比較器輸出高電平，使1R2302的SD管角接高電平，從而使場效應管嚴

格工作在非飽和區(qū)或截止區(qū)，防止場效應管進入飽和區(qū)而損壞，為了防止尖峰電

流的產(chǎn)生使芯片誤判，我們采用逐波防鎖電路。（如圖5）

圖5開關(guān)管保護電路

3.2.4輸出濾波和輸出過流保護

我們采用電感和電容進行濾波，效果比只使用電容好，我們通過康銅絲采集

電流。當電流超過2.5A的時候打開繼電器。從而關(guān)閉電源。輸出端串接電流采

樣電阻R網(wǎng)材料選用溫漂小的康銅絲。電壓信號需放大后送給單片機進行A/D

采樣。過流故障解除后，系統(tǒng)將自動恢復正常供電狀態(tài)。為了減少紋波，采用

LC低通濾波器如圖6。取截止頻率￡=200Hz,電容取470uF,由

L二2;

//=2^7ZC

代入得L=215.80MH,取220HH

圖6過流保護電路

3.2.5KL26主控電路及采集

單片機根據(jù)電壓的設定值和電壓反饋信號調(diào)整PWM控制信號日勺占空比，實現(xiàn)

穩(wěn)壓輸出，同步，單片機與采樣電路相結(jié)合，將為系統(tǒng)提供過流保護、過熱保護、

過壓保護等措施，并實現(xiàn)輸出電壓、輸出電流和輸入電壓的測量和顯示。

PWM信號占空比。。一以以;

U。

當U2:15V,UO36V時,UIN=1.2*U2-2V=16V,最大值1)3=0.556；

當U2=21V,UO30V時,UIf(=l.4*U2-2V=27.4V,最小值DMQ0,087

系統(tǒng)對于單片機A/D采樣精度的規(guī)定：題目中最高的精度規(guī)定為0.2斷欲

抵達這一精度，A/D精度要抵達1/500,即至少為9位A/D,MP430內(nèi)置A/D為

12位，只要合理設定測量范圍，完全可以抵達題目的精度規(guī)定。

3.2.6鍵盤輸入及顯示

分別通過鍵盤和LCD實現(xiàn)數(shù)字設定和顯示。鍵盤用來設定和調(diào)整輸出電壓;

輸出電壓、輸出電流和輸入電壓的量值通過LCD顯示。

3.3效率分析及計算(Uz=18V,輸出電壓IV36V,輸出電流I0=2A)

DC-DC電路輸入電壓UIN=L2*U2-2V=19.6V,信號占空比D^l-UIN/Uo=O.456,

輸入電壓有效俏I后L/(1-D)=3.676A,輸出功率PFU,*IF72W

下面計算電路中的損耗P撿耗：

Boost電路中電感的損耗：

2

P1)CR1=IINXDCR\,

其中，DC—為電感的直流電阻,取為50mQ,代入可得PDCREO.68W

Boost電路中開關(guān)管的損耗

開關(guān)損耗：

Psv=0,5*UIN*LN(tr+tf)*f

其中，L是開關(guān)上升時間，為190ns,L是開關(guān)下降時間，為110ns,f是開關(guān)

頻率，為20kHz,代入可得PsFO.2160W

導通損耗

%=D(IIN(RDSONX1.3+RSNP)

其中，導通電阻中后77m。,電流感應電阻R$N3取0.1Q,代入得Pc=L23W

肖特基二極管的損耗

流過二極管的電流值與輸出電流I。相等，則二極管損耗2匕），其中,

L尸2A,取二極管壓降%為0.35V,代入可得P,FO.7W兩只采樣電阻上口勺總損耗

為0.9W,綜上，電路中的總損耗功率P損耗=4.5W

DC-DC變換器的效率Q=Po/（Po+P損耗）=94%

3.4硬件電路原理圖

圖7為整個系統(tǒng)的電路原理圖。

￡

5

1

4

￡!9

(—

=於

=

1

圖7總電路圖

3.5仿真分析

圖8采用multisim對主回路仿真，通過示波器查看輸出電壓，進過比對，和

理論值相近。變化信號源的占空比，輸出電壓發(fā)生變化。

圖8仿真設計

3.6PCB版圖設計

圖9采用ADU進行電路板設計，采用手工布線和自動布線相結(jié)合設計，對

控制信號進行覆銅，防止大電流干擾。

(1)電源線寬和地線寬采用80milo信號線采用18nli1。

(2)對主回路和控制信號分開覆銅。

^W6

r03

a

yB

I6B

Z

3

J

S

M

Mn

nP7nu

uuM

n

M?u

nn

wu

圖9PCB板

3.7系統(tǒng)測試

3.7.1測試使用的儀器

表1列出了測試中所需日勺儀器和數(shù)量。

表1測試使用的儀器設備

序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注

1FLUKE15B萬用表4美國福祿克企業(yè)

2TDGC-2接觸調(diào)壓器(0.5KVA)1上海松特電器有限企業(yè)

3KENWOODCS-4125示波器1帶寬20MHz

3.7.2測試措施

圖10為整個電路系統(tǒng)的測試點。

-------------------/INI。

-QA臺表2

電流表1+

接觸隔離整流DC-DC

(/=220V濾波變換器vUo隊

變壓器一電車表1

調(diào)壓器AC

圖10測試連接圖

3.7.3測試數(shù)據(jù)

(1)電壓調(diào)整率(測試條件:I0=2A,U0=36V)o

U2=15V時，Uo尸35.98V；Uz=21V時，U02=36.13V,壓調(diào)整率SU=(U02-U01)/(01=0.42%)

(2)負載調(diào)整率SI測試(測試條件：U2=18V,UO36V)。

Io=OA時，UO3=36.29V；Io=2A時，U。尸36.04V,載調(diào)整率SL(叱0/U03=0.69%。

(3)C-DC轉(zhuǎn)換器效率n測試(測試條件:10=2A,U0=36V,U2=18V)O

UIN=19.5V,I斡3.88A；UO=36.00V,I0=l.975A,DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率為93.97%O

3.7.4指標完畢

表2為整個系統(tǒng)完畢的狀況。

表2試數(shù)據(jù)與設計指標的比較

測試項目基本規(guī)定發(fā)揮規(guī)定電路測試成果

輸出電壓可調(diào)范30V-36V實現(xiàn)

圍

最大輸出電流2A實現(xiàn)

電壓調(diào)整率W2%W0.2%0.1%

負載調(diào)整率W5%W0.5%0.1%

輸出噪聲電壓峰W1VPP340mVPP

峰值

DC-DC變換器效率270%285%87%

輸出電壓設定和步進IV,測量和顯示實現(xiàn)，步進可達

步進調(diào)整電壓電流0.1VO

4課程設計總結(jié)

本電路構(gòu)造簡樸，功能齊全，性能優(yōu)良，除個別指標外均抵達并超過了題目

規(guī)定。保護電路完善，使用更安全。使用同步采樣技術(shù)和多種抗EMI技術(shù)使得本

電路愈加環(huán)境保護。由于時間緊張，任務較為繁重，本電路尚有局限性之處，如

輸出紋波偏大等。這些都是后來我們努力和改善日勺方向。

改善措施：

（1）用性能更好的器件，如換用導通電阻更小的電力MOS管，采用低阻電容；

（2）使用軟開關(guān)技術(shù)，深入減小電力MOS管的開關(guān)殞耗；

（3）采用同步式開關(guān)電源的方案，用電力MOS管替弋肖特基二極管以減小損耗;

（4）優(yōu)化軟件控制算法，深入減小電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率。

5參照文獻

（1）童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，2023

（2）張建華.數(shù)字電子技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2023

（3）陳汝全.電子技術(shù)常用器件應用手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2023

（4）畢滿清.電工技術(shù)試驗與課程設計.北京：機械工業(yè)出版社，2023

（5）潘永雄.電工線路CAD實用教程.西安：西安電子科技大學出版社，

2023

附件：

源程序：

1、功能實現(xiàn)文獻

#include"common.h"

#include"include.h"

#defineNM5

uint16ad_value[5][NM];

uint16ad_val[5]={0};

uint8var[2]={0};

intl6a;

floatofv,ofc;

volatilefloatlcd_ofv,lcd_ofc;

vint!6out_put;

int32dp0=0,dm0=0,dp1=0,dm1=0;

externfloatnew_val;

voidsource_init()

(

Disablelnterrupts;

NVIC_SetPriorityGrouping(0x3);

NVIC_SetPriority(PITO_TRQn,0);

NVIC_SetPriority(LPTMR_IRQn,1);

LCD」nit();

LCD_P8xl6Str(0,0/set:");

LCD_P8xI6Str(0,2,nout:n);

LCD_P8xl6Str(0,4,noutput_v:n);

LCD_P8x16Str(0,6,"output_c:n);

ftm_pwm_init(FTMO,FTM_CH0,30*1000,0);

key_init(KEY_MAX);

PID_init();

adc_init(ADC0,SE12);

adc_init(ADC0_SE13);

adc_init(ADCl_SEI4);

adc_init(ADC1_SE17);

gpiojnit(PTC9,GPO,0);

pit_init_ms(PIT0,20);

enable_irq(PITO_IRQn);

Enablelnterrupts;

}

pid_tpid;

voidPIDJnitO

{

pid.Voltage=0;

pid.SetVbltage=O.O;

pid.ActualVbltage=().();

pid.err=().();

pid.err_last=().();

pid.err_next=O.();

pid.Kp=26.0;

pid.Ki=5.3;

pid.Kd=O;

)

voiddate_get()

(

int8i,j,k;

uintl6ad_result[51[5]={0};

uintl6temp=O,ad_sum[5]={0},AD_sum[5]={0},ad_result_tmp[5]={0};

for(i=0;i<5;i++)

(

ad_resuk[0][il=adu_ave(ADC0_SE12,ADC_10bilJ5);

ad_result[1lfi]=adc_ave(ADCO_SEl3,ADC」ObitJ5);

ad_result[2][i]=adc_ave(ADCl_SE14,ADC_10bit,l5);

ad_result[3][i]=adc_ave(ADC1_SE17,ADC_10bit,l5);

for(i=();i<5;i++)

for(j=0;j<4;j++)

(

for(k=0:k<4-j;k++)

I

if(ad_resultlijlkj>ad_rcsult[ij[k+lJ)

(

temp=ad_result[i][k+l];

ad_result[ij[k+l]=ad_result[ij[k];

ad_rcsult[ij[kj=temp:

1

1

1

)

for(i=0;i<5;i++)

ad_sum[i]=ad_result[i][l]+ad_result[i][2]+ad_result[i][3];

ad_result_tmp[i]=ad_sum[i]/3;

for(i=0;i<NM-l;i++)

(

ad_value[O][i]=ad_value[O][i+1];

ad_value[l][i]=ad_value[l][i+1];

ad_value[2][il=ad_value[2][i+1];

ad_value(3][i]=ad_value[3][i+1];

ad_value[4][i]=ad_value[4][i+1];

)

for(i=0;i<5;i++)

ad_value[i][NM-1l=ad_resull_tnip(i];

for(i=0;i<NM;i++)

AD_sum[O]+=ad_value[()][i];

AD_sum[l]+=ad_value[I][i];

AD_sum[2]+=ad_value[2][i];

AD_sum[3]+=ad_value[3][i];

AD_sum[4]+=ad_value[4][i];

)

for(i=0;i<5;i++)

(

ad_valli]=AD_sumliJ/NM;

AD_sum[iJ=0;

)

I

voiddate_analyse()

{

dpO=ad_val[0]