2015年全国大学生电子设计竞赛A题论文.pdf

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1、2015年全国大学生电子设计竞赛双向 DC-DC 变换器（A 题）2015 年 8 月 15 日I摘要本系统以 STM32 单片机为主控制器，以非隔离式Buck-Boost型电路为核心，设计并制作用于电池储能装置的双向DC-DC 变换器，实现可按键设定亦可自动转换电池充放电模式的功能。系统由STM32 内部寄存器及扩展口功能，加上按键模块、集成运放模块、LCD 液晶显示模块、双向DC-DC 变换电路组成。提高了电源效率，有效的保护了电路，经测试，系统能够实现基础部分所有要求。关键词：DC-DC 变换器；高效率；STM32；电流控制精度Bbstract This system is given

2、priority to with STM32 MCU controller,with the isolation type Buck-Boost circuit as the core,the design and construction of double DC-DC converter for battery energy storage device,implement key setting can be automatically switched to the battery charging and discharging mode function.System of STM

3、32 internal registers and extension mouth function,and key module,integrated operational amplifier module,LCD liquid crystal display module,two-way DC-DC conversion circuit.Improve the efficiency of the power,the effective protection circuit,after the test,the system can realize all basic requiremen

4、ts.Keywords:DC-DCconverter;Highefficiency;STM32;Current control accuracy II目录一、系统设计 1 1.1 设计思路 1 1.2 方案论证与选择 1 1.2.1DC/DC 的论证与选择 1 1.2.2 电路过流保护方式的论证与选择 1 1.2.3 控制系统的论证与选择 1 二、系统理论分析与计算 2 2.1 双向 DC/DC 输入输出计算 2 2.2 电流精度及变化率计算 2 三、电路设计 3 3.1 电路的设计 3 四、程序设计 3 4.1 程序功能描述 3 4.2 程序流程图 3 五、系统测试 4 5.1 测试条件与仪

5、器 4 5.2 测试结果及分析 4 5.2.1 电流误差及变化率测试 4 5.2.2 充电电流变化率测试 4 5.2.3 变换器的效率测试 4 5.3 测试分析与结论 5 六、参考文献 5 附录一电路原理图 6 附录二主要程序 6 1一、系统设计1.1 设计思路以 STM32 单片机为控制器，通过键盘设置电池充放电功能模式，该模式采用 STM32内部 3 个 12bit、18 通道 AD 快速采集 DC/DC 模块双向输入、输出值，并通过STM32内部 D/A 输出及集成运放模块控制DC/DC 模块实现恒流恒压，从而能够实现对电池组的充放电，电流步进值精准可调，变换效率大大提高。1.2 方案论

6、证与选择1.2.1DC/DC 的论证与选择方案一：采用传统升降压拓扑结构LM2596 输出电压 1.2V37V 可调，输出最高电流可达3A，输出线性好，负载可调，系统效率高，可以用仅 80A 的待机电流，实现外部断电，具有过流保护功能；XL6009是一款 4A 开关电流的高性能升压（BOOST）模块，输入电压 3V32V 输出电压 5V35V，经初步调试后完全可实现题目的基本要求。方案二：采用 LM317 稳压可调电路LM17 是可调节 3 端正电压稳压器，在输出电压范围 1.2伏到 37 伏时能够提供超过1.5 安的电流，此稳压器非常易于使用稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大；LM25

7、77 是一款具有过流保护、低电压锁定和过热保护功能的升压模块，输入电压范围为 3.5V40V，输出最高电流达 3A。综合以上两种方案，选择方案一。1.2.2电路过流保护方式的论证与选择方案一：软件控制方法。通过采样电阻两端的电压计算出Io 值，经 A/D 转换模块将电流反馈给单片机，当检测电流值超过预先设置值时，通过D/A 及 LM358 集成运放使输出电流减少。方案二：光耦驱动法。通过采样电阻两端的电压计算出Io 值，经 A/D 转换模块将电流反馈给单片机，当检测电流值超过预先设置值时，通过光耦驱动继电器电路，从而迅速使输出电流断开，有效保护电路。综合以上三种方案，选择方案一。1.2.3控制

8、系统的论证与选择方案一：以 STM32F130VCT6 单片机作为主控制系统电压、电流的采集是整个系统的核心部分，关系到整个系统的测量精度，系统否到达额定的指标。本电源电压输出能力为0 到 30V，电流输出能力为 0-3A，电压最小步进值为10mV，电流最小步进值为1mA。满足此测量要求时，需要AD精度大于30000/10=3000，故 AD 的采样位数应大于12bit。为降低成本，系统在单片机选型时采用内置 3 个 12bit、18 通道 AD 的 STM32F130VCT6 单片机。方案二：以 STC12C5A60S2单片机作为主控制系统STC12C5A60S2是 STC 生产的单时钟/机

9、器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051 单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 转换，针对电机控制，强干扰场合。但相对STM32 单片机来说，仍需加D/A 转换电路，且采集相对较慢。2综合考虑采用方案一。二、系统理论分析与计算2.1 双向 DC/DC 输入输出计算（1）LM2596 输出电压值计算：)1(V12outRRVref条件：VOUT 为可调节的输出电压，VIN（max）为最大直流输入电压，ILOAD（max）为最大负载电流，F=开关频率（为固定值 15

10、0KHz)图 1（2）1XL6009 输出电压值计算：)1(*25.1V12outRR条件：VOUT 为可调节的输出电压，VIN（max）为最大直流输入电压，ILOAD（max）为最大负载电流，F=开关频率（为固定值 150KHz 图 2 2.2 电流精度及变化率计算电流控制精度定义为%100e10101icIII其中1I为实际电流，10I为设定值。3STM32 单片机内置 12 位 ADC 和 12 位 DAC，基准电压源为内部3.3V，电压精度可以达到 0.81mv，远远小于 0.4V，同时，AD 采集偏差 0.81mv 最大会导致 2.48mA 电流误差，而 题目 基本要求 电流相 对误

11、差 绝对值 不大于2%，即允许 电流误 差最小为0.5A*2%=4mA，满足题目对电流精度及变化率的要求。三、电路设计综合上述方案的论证与选择本系统以STM32 单片机为主控制器，以非隔离式Buck-Boost 型电路为核心，设计并制作用于电池储能装置的双向DC-DC 变换器，实现可按键设定亦可自动转换电池充放电模式的功能。系统由STM32 内部寄存器及扩展口功能，加上按键模块、集成运放模块、LCD 液晶显示模块、双向 DC-DC 变换电路组成。3.1 电路的设计（1）系统总体框图图 3 系统总体框图（2）双向 DC-DC 变换电路原理图（见附录1 图 A）（3）集成运放模块电路原理图（见附录

12、1 图 B）四、程序设计4.1 程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。（1）键盘实现功能：设置电流、电压值以及设置充放电模式。（2）显示部分：显示电流、电压值。4.2 程序流程图（见附录 2 图 A）4.3 主要主程序（见附录 2 图 B）4五、系统测试5.1 测试条件与仪器（1）测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。（2）测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。5.2 测试结果及分析5.2.1电流误差及变化率测试表 1 U2=30V 条件下 12A 步进可调（A）实 际 电 流

13、值1I设置 电 流 值10I显 示 电 流值11I实际 电 流 值1I 与 设置 电流值10I的误差实 际 电 流值1I 与 设 置电流值11I的误差1.0 1.006 1.0 1.005 5.12%6.8 1.1 1.104 1.1 1.105 4.6%7.0 1.2 1.198 1.2 1.201 5.2 4.6 1.3 1.302 1.3 1.298 6.2 5.2 1.4 1.401 1.4 1.400 4.2 6.2 1.5 1.501 1.5 1.488 5.3 6.3 1.6 1.604 1.6 1.612 5.5 7.1 1.7 1.701 1.7 1.711 6.2 3.6

14、1.8 1.802 1.8 1.891 7.2 4.5 1.9 1.899 1.9 1.902 8.2 5.2 2.0 2.001 2.0 2.002 6.2 6.2 测试结果分析：U2=30V 条件下，实现对电池恒流充电。充电电流I1 在 12A 范围内步进值不大于 0.1A，电流控制精度不低于5%。5.2.2充电电流变化率测试表 2 在1I=2A、24V36V 条件下（V）充电电流值1I（A）充电电流变化率1IS24.0 2.002 2.002%30.0 1.960 1.982%36.0 1.856 2.112%5.2.3变换器的效率测试设定 I1=2A，在 U2=30V 条件下，DC-D

15、C 变换器效率?1=%100PP12，5?2=%100PP12，其中222111IUPIUP，则变换器的效率?1 为：第一次测试：?1=85%第二次测试：?1=86%第三次测试：?1=84%（4）过充保护功能测试：表 3 I1=2A，阈值U1th=24 0.5V 1U电池充电状态1 23.82 停止2 23.88 停止3 24.02 停止4 24.05 停止5 23.87 停止测试结果分析：设定I1=2A，当 U1 超过阈值U1th=240.5V 时，停止充电。5.3 测试分析与结论通过一系列功能测试，本系统以 STM32 单片机为主控制器，以非隔离式 Buck-Boost型电路为核心，设计并

16、制作用于电池储能装置的双向DC-DC 变换器，实现可按键设定亦可自动转换电池充放电模式的功能。经测试，系统能够实现基础部分所有要求。以从而提高电源效率达到85%以上，手动调节和自动调节时能够实现基本要求的5%，有效的保护了电路，经测试，系统除了基本要求2%的电流精度要求最大可以做到接近外，其他基本要求和发挥部分均能部分实现。六、参考文献1 张乃国.电子电源技术与应用M.北京：机械工业出版社，2007.4.2 刘胜利.现代高频开关电源实用技术M.北京：电子工业出版社，2001.3 美 玛尼克塔拉（Maniktala S.）著;王志强,郑俊杰等译.开关电源设计与优化M.电子工业出版社，2006.1

17、2.01 4 赵同贺.开关电源设计技术与应用实例/电能变换与应用丛书M.人民邮电出版社，2007.5 郭业才,黄友锐.模拟电子技术第一版M.北京：清华大学出版社，2011.6 郭天祥.新概念 51C 语言教程 M.北京：电子工业出版社，2014.6附录一电路原理图附录二主要程序图 B 7主要主程序：int main(void)u8 key;u16 adc1;u16 adc2;u16 adc3;u16 dac1;u16 dac2;u16 dacval1=288;/DAC1 PA4 初始输出 0.23V u16 dacval2=1;/DAC2 PA5 初始输出 0V float xianshi_a

18、dc1;SystemInit();delay_init();LED_Init();/led 初始化LCD_init();/5110 LCD 初始化TIM4_Int_Init();/定时器中断 4 初始化TIM3_Int_Init();/定时器中断 3 LCD_draw_bmp_pixel(0,0,Snut_bmp,84,48);/显示队伍图片delay_ms(1500);delay_ms(1500);LCD_clear();/清屏LCD_Write_String(0,2,系统初始化中);Adc_Init();/初始化 ADC Dac1_Init();/初始化 DAC KeyBoard_Init

19、();/初始化矩阵键盘DAC_SetChannel1Data(DAC_Align_12b_R,1);/DAC1 初始DAC_SetChannel2Data(DAC_Align_12b_R,1);/DAC2 初始LCD_clear();delay_ms(1000);LCD_Write_String(0,0,KEY:);LCD_Write_String(0,1,PA0:.v);LCD_Write_String(0,2,PA1:.v);LCD_Write_String(0,3,PA3:.v);8LCD_Write_String(0,4,A4 set:.);LCD_Write_String(0,5,A

20、5 set:.);EN_dianliu=1;/PA6 EN_dianya=0;/PA7 while(1)if(TIM4_flag=1)/定时器 4 中断标志位 key=Read_KeyValue();/读取矩阵键盘LCD_Write_Num(24,0,key,2);if(key)/键盘读取操作 switch(key)case 1:dacval1+=13;/DAC1+0.01V break;case 2:dacval1-=13;/DAC1-0.01V break;case 3:dacval2+=12;/DAC2+break;case 4:dacval2-=12;/DAC2-break;case 5:dacval1+=125;/DAC1+break;case 6:dacval1-=125;/DAC1-break;case 7:dacval2+=125;/DAC2+break;case 8:dacval2-=125;/DAC2-Break；case 13:break;