基于STC12C5A60S2與PID算法的數(shù)控電源的設(shè)計與實現(xiàn)

呂德深，梁承權(quán)

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

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和各行業(yè)對用電設(shè)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(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出電壓無法實現(xiàn)精確的步進(jìn)。數(shù)控電源是從上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，到現(xiàn)在大多產(chǎn)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(shè)計一款高效率、高性能、高精度的數(shù)控電源是非常有必要的。

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

1 總體設(shè)計

該數(shù)控電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)產(chǎn)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(jīng)過降壓式變換電路 （BUCK電路）后直接提供給負(fù)載。顯示電路主要用于顯示設(shè)置電壓和實際輸出的電壓[2]。系統(tǒng)將反饋電壓與按鍵控制電路設(shè)置的電壓進(jìn)行比較，得到PID算法所需的各個變量，進(jìn)而控制PWM信號的占空比，得到與設(shè)定電壓誤差非常小的電壓。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)

數(shù)控開關(guān)穩(wěn)壓電源工作在開關(guān)狀態(tài)，其能量損失只有小部分消耗在開關(guān)管的導(dǎo)通壓降上，效率高。BUCK電路在開關(guān)穩(wěn)壓電源中應(yīng)用非常廣，故本系統(tǒng)選擇BUCK電路進(jìn)行設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(chǎn)生PWM已無法滿足；另一方面，為了實時對輸出電壓進(jìn)行檢測，這時系統(tǒng)必須具備A/D轉(zhuǎn)換功能。采用專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片，固然可實現(xiàn)輸出電壓的檢測，但電路變得復(fù)雜且成本偏高。經(jīng)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[3]。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的1個時鐘/機械周期（1T）的單片機，工作頻率為 0～35 MHz，相當(dāng)于傳統(tǒng) 8051的0～420MHz。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠地運行。內(nèi)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(nèi)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(dá)125 kHz。STC12C5A60S2有8路10位高速ADC，90個時鐘周期轉(zhuǎn)換一次，CPU工作頻率32MHz時，ADC轉(zhuǎn)換速率約為356 kHz。為了實現(xiàn)數(shù)控電源內(nèi)部高速運算，本系統(tǒng)時鐘采用外部32MHz晶振作為時鐘源。

STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)由時鐘電路、復(fù)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。

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

2.2 變壓整流濾波模塊的設(shè)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(guān)重要。變壓器的效率為數(shù)控電源效率的關(guān)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[4]。市電220 V交流電經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(shè)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(yīng)用于各類電源中。BUCK電路基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，本系統(tǒng)使用N溝道的MOS管。當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of the BUCK circuit

2.4 電壓反饋電路設(shè)計

一些開環(huán)式電源容易受負(fù)載的影響，當(dāng)負(fù)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(shè)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(jīng)分壓電阻后得到適合單片機采集的電壓，經(jīng)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(nèi)置的ADC對輸出電壓進(jìn)行實時測量，以調(diào)整PWM信號的占空比。系統(tǒng)電壓反饋電路如圖7所示。

圖5 導(dǎo)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(shè)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(shè)置電壓，系統(tǒng)采用4個輕觸開關(guān)作為控制按鍵。按鍵功能分別為：步進(jìn)增加、步進(jìn)減小、輸出增加、輸出減小。

本系統(tǒng)要進(jìn)行設(shè)置電壓、步進(jìn)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)碼管成本低、壽命長，但顯示內(nèi)容過少、線路復(fù)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。

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1總體軟件設(shè)計

該數(shù)控電源軟件設(shè)計主要包括：PWM信號產(chǎn)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(jìn)入初始化程序，包括LCD1602初始化、PID程序初始化、PWM相關(guān)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(diào)用按鍵控制程序，輸出一定占空比的PWM，并將設(shè)定的電壓值顯示于LCD1602。另外，單片機對經(jīng)BUCK電路輸出的電壓進(jìn)行ADC采集，與設(shè)定值比較得到PID控制的各項參數(shù)，經(jīng)PID算法，調(diào)節(jié)PWM占空比，最終得到與設(shè)定值非常接近的輸出電壓[5]。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計的流程圖Fig.9 Flow chart the software design

3.2 PID軟件設(shè)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(shè)定一定的電壓值r后，給出相應(yīng)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(zhǔn)確的被控量y[6]。

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

4 實驗測試

按鍵設(shè)定輸出電壓和實際輸出電壓測試，其結(jié)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0.1 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(tǒng)有較高的精準(zhǔn)度。

表1 數(shù)控電源輸出電壓測試結(jié)果Tab.1 Test result of output voltage

表2 數(shù)控電源紋波電壓測試結(jié)果Tab.2 Test result of ripple voltage

5 結(jié)論

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

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