简易数控直流稳压电压

摘 要：主控为STC15W408AS，调节PWM占空比控制BUCK电路的开关管通断，实现不同电压输出。采样反馈电压与设定输出电压通过PID控制器，输出设定电压。采样反馈电流作为过流保护，保护电路。12864液晶显示电压、电流、功率。
关键词： STC15W408AS、BUCK、PID控制、12864液晶

题目要求：
（1）输出电压0~12V，步进0.1V，输出纹波不大于30mV.
（2）输出电流：500mA；
（3）LCD12864显示电压、电流及功率；
（4）由“＋”、“－”两键分别控制输出电压步进增减；
（5）输出电压可预置在0～12V之间的任意一个值；
（6）具有过载保护功能；
一、系统结构图：

（2）BUCK电路：通过BUCK电路的拓扑来改造，通过开关管的通断时间进行斩波来调节降低输出电压，配合上无功元件电感电容储能，续流二极管实现。单片机输出PWM控制NPN 8050三极管通断，R8和R9作用防止单片机上电瞬间有高电平电压突变使得三级管导通。三极管的作用防止电流倒灌损坏单片机管脚。开关管上面需要并联一个电容吸收开关管通断瞬间的浪涌电压。R4和R2作用为了钳住基级的电压，稳定基极导通电压。转换公式Vout=D*Vin

（4）输出电压采样：由于输出电压过大，单片机AD转换引脚只能测量5V以下的电压所以通过电阻分压的缩小电压的方法测量输出电压。单片机ADC管脚采集电压值通过计算得到输出电压，显示输出电压到12864液晶屏幕到上面。计算公式输出电压实际液晶显示电压Vout=((Vin/1024)*5)*3

（6）调试电路：按钮用于步进+10mV和-10mV，LED灯用于开发时调试作用，STC15单片机输出电流可达到20mA，可以驱动LED指示灯，注意整个单片机输出电流不要超过90mA。

（8）烧录接口：USB-TTL串口烧录器接单片机15和16脚，下载程序。

Q为开关管，驱动电压为PWM，信号周期Ts，信号频率f=1/Ts，导通时间为Ton，关断为Toff，Ts=Ton+Toff，占空比Dy=Ton/Ts。

开关管导通，电感激磁，电流线性上升

伏秒平衡：

（3）两种工作模式：CCM和DCM。
CCM模式：重负载电流时出现，电感电流总是由正方向流动，电感电流不会降到0，PWM控制，恒定开关频率工作，改变占空比调节输出。

（4）闭环控制思想
①电流电压双闭环的模式
②首先需要满足电压环路控制，使得输出电压输出稳定设定值，后面再通过调整负载满足电流环控制
③当电路出现故障时，电流环先作用，保护电路，使输出电压较低。

1、位置式PID和增量式PID算法对比区别。
①位置式PID控制的输出与整个过去的状态有关,用到了误差的累加值;而增量式PID的输出只与当前拍和前两拍的误差有关,因此位置式PID控制的累积误差相对更大;

项目需求通过实际采样电压与设定电压来调节占空比，占空比累积值是一个增量的过程。故选用增量式PID。

2、模块软件设计
（1）PWM产生：8位的PWM，最小的分辨率可以达到1/256。可以根据单片机数据操作

（2）ADC电压采集：10位ADC采集外设功能，最小采样分辨率为1/1024。

（3）12864液晶显示：串行通行模式

（4）UART收发数据：串口接收和发送数据触发中断，然后处理收发数据。

（5）EXIT外部中断：按钮触发下降沿中断

（6）PID控制算法：增量式PID算法

四、实验数据
输入电压15V，输出电压可在0~12V可调，电流超过400mA过载保护，可以预设3.3V、5V、8V、12V输出电压，不管负载和输入电压如何变化输出电压还是预设的电压(PID算法调节占空比)。PWM输出频率32KHz。
六、总结
（1）BUCK电路设计上需要注意问题：空载时需要并联2个1k电阻消耗电容能量才能实现降压，采样电流输出经过运放需要滤波，电压采样电阻分压采样后也需要滤波。
（2）PID算法上，使用增量式PID，而不是位置式PID。需要用软件串口调式和示波器观察波形来实现PID三个参数的调节。
附件：
1、原理图

3、电路板

来源：陈有乐