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基于单片机的±5V数字电压表设计

news 2025/10/11 14:02:44

基于单片机的Boost升压斩波电源电路设计

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1. 系统功能概述

本系统以单片机为核心控制单元，设计并实现了一种Boost升压型斩波电源电路。系统能够实现输入5V电压，通过Boost电路升压至可调的20V输出范围。用户可通过按键设置目标输出电压，液晶LCD模块实时显示当前输出电压与设定电压，形成完整的闭环控制系统。

系统采用PWM控制技术与DA（数模转换）调压方式相结合，通过检测实际输出电压并与设定电压进行比较，实现反馈调节。该设计不仅能够保持输出电压的稳定性，还能够在一定程度上克服负载变化或输入波动带来的影响。

本设计具有以下主要功能：

输出电压可调节：用户可通过按键自由设置目标输出电压，范围为5V至20V之间。
液晶显示界面：LCD显示当前电压值与目标设定值，便于实时监测。
Boost升压斩波控制：利用PWM调制实现电感储能与释放过程，完成直流电压升压。
自动反馈调节：通过A/D采样实时检测输出电压，自动调节PWM占空比，实现精确控制。
仿真安全性：由于Boost电路工作频率较高，为防止仿真文件损坏，建议在运行前进行项目备份。

该系统广泛适用于嵌入式电源管理、电力电子教学实验、可调直流电源设计等领域，为学生与工程师提供了一个良好的实验平台。

2. 系统电路设计

系统整体电路主要由以下几个部分组成：

2.1 单片机最小系统模块
2.2 Boost升压主电路
2.3 电压采样与A/D转换模块
2.4 按键输入控制模块
2.5 LCD显示模块
2.6 DA输出与PWM调制控制模块

以下将对各个模块进行详细说明。

2.1 单片机最小系统模块

系统采用 STC89C52单片机 作为主控核心。该芯片为经典的51系列单片机，具有丰富的IO口资源、硬件定时器和PWM输出能力，能够实现对Boost电路的高频控制。

单片机主要负责以下任务：

采集电压传感器反馈信号；
根据目标电压与实际电压的误差，动态计算PWM占空比；
通过DA模块或PWM输出控制MOSFET的导通时间；
驱动LCD显示模块；
接收按键信号并更新设定参数。

为确保系统可靠运行，单片机最小系统包含晶振电路、复位电路、电源滤波电路等，确保在高频斩波状态下仍具备抗干扰能力。

2.2 Boost升压主电路

Boost升压电路是系统的核心功率部分，其原理是通过电感储能与释放实现直流电压升高。

工作原理如下：

当PWM信号控制MOSFET导通时，电感开始储能，电流逐渐增大；
当MOSFET关断时，电感中的电流无法立即消失，能量通过二极管释放到负载侧，从而实现电压叠加；
通过调节MOSFET导通时间（即PWM占空比），可改变电感充能时间，从而控制输出电压大小。

主要组成元件包括：

L：Boost升压电感，用于储能；
D：肖特基二极管，用于防止能量回流；
C：输出滤波电容，平滑电压；
MOSFET：主功率开关器件，由单片机PWM信号驱动；
电流检测电阻：可用于电流监测，防止过流。

Boost电路的输出电压理论公式为：

[
V_{out} = \frac{V_{in}}{1 - D}
]

其中，D为PWM信号占空比。占空比越大，输出电压越高。

2.3 电压采样与A/D转换模块

为了实现闭环控制，系统需要实时检测输出电压。通过一个电阻分压电路将输出电压降低至单片机可采样范围（0~5V），然后输入至A/D转换接口。

单片机内部或外接的A/D转换模块（如PCF8591）将模拟电压信号转换为数字信号。采样结果用于与用户设定值进行比较，以调整PWM输出。

采样公式为：

[
V_{real} = \frac{ADC_value}{255} \times 5 \times 分压比
]

系统通过连续采样与滤波算法，减少采样误差与电磁干扰影响。

2.4 按键输入控制模块

按键模块用于用户输入控制命令，包括：

增加电压设定值；
减少电压设定值；
模式切换（如自动/手动）；
系统复位。

按键信号通过单片机IO口采集，采用软件消抖算法处理，防止机械抖动导致的误触发。

2.5 LCD显示模块

系统选用 1602 或 12864 液晶显示模块，用于实时显示系统工作状态。显示内容包括：

当前输出电压；
目标设定电压；
PWM占空比；
工作模式（自动调节/手动调节）。

LCD模块通过并行或串行接口与单片机通信。显示内容实时更新，方便用户了解电源状态。

2.6 DA输出与PWM调制模块

在本系统中，PWM波形用于控制MOSFET的导通时间，而DA模块（或PWM滤波后信号）用于调整基准电压或辅助调压。

PWM输出频率设置在几十kHz以上，以确保输出波纹较小、响应速度快。通过调节占空比，单片机动态控制输出电压稳定在设定值附近。

部分系统采用DA+PWM混合控制方式，即：

DA控制输出基准；
PWM负责主功率调节。

这种方式可提升系统线性度与控制精度。

3. 系统程序设计

系统软件采用模块化设计思想，主要包括：

主程序模块
电压采样模块
PWM控制模块
按键输入模块
LCD显示模块
闭环调节算法模块

以下将对各部分程序逻辑进行详细说明。

3.1 主程序模块

主程序负责系统的初始化与主循环控制。程序启动后完成时钟、LCD、按键及PWM初始化，并进入循环任务，实现数据采样、判断与控制输出。

示例代码如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd.h"
#include "adc.h"
#include "pwm.h"
#include "key.h"float Vset = 12.0;
float Vout = 0.0;void main()
{LCD_Init();ADC_Init();PWM_Init();Key_Init();while(1){Vout = ADC_Read();     // 采样当前电压Key_Scan();            // 检测按键输入Control_PWM(Vset, Vout);  // 调整PWM占空比LCD_Show(Vset, Vout);  // 显示电压信息}
}

该主循环逻辑简洁明了，确保系统在实时采样与输出控制间形成稳定闭环。

3.2 电压采样模块

电压采样模块通过A/D转换获取输出电压数据，并进行数值滤波处理，以减小干扰误差。

float ADC_Read()
{unsigned char val = Read_ADC(0);float voltage = (val / 255.0) * 5.0 * 4.0; // 分压比为4return voltage;
}

此外，可采用移动平均法或中值滤波法优化采样精度。

3.3 PWM控制模块

PWM模块通过定时器实现可调占空比信号输出，用于驱动MOSFET。

void Control_PWM(float Vset, float Vout)
{float error = Vset - Vout;static float duty = 0.5;duty += 0.01 * error; // 比例调节if(duty > 0.95) duty = 0.95;if(duty < 0.05) duty = 0.05;Set_PWM_Duty(duty);
}

该算法为比例调节（P控制），可扩展为PID算法以增强控制稳定性与响应速度。

3.4 按键输入模块

按键模块主要用于用户输入目标电压设定。为防止抖动，采用软件延时消抖方式。

void Key_Scan()
{if(Key_Up_Pressed())Vset += 0.5;if(Key_Down_Pressed())Vset -= 0.5;if(Vset > 20) Vset = 20;if(Vset < 5)  Vset = 5;
}

3.5 LCD显示模块

LCD显示模块周期性更新显示内容，实时显示系统工作参数。

void LCD_Show(float Vset, float Vout)
{LCD_SetCursor(0,0);LCD_Print("Set: ");LCD_PrintFloat(Vset);LCD_SetCursor(1,0);LCD_Print("Out: ");LCD_PrintFloat(Vout);
}

该模块增强了系统的交互性与可视化特征，使得用户能够直观了解系统运行状态。

3.6 闭环调节算法模块

系统采用PWM闭环反馈控制。通过比较设定电压与实际输出电压，实现误差调节。为提高稳定性，控制算法中可引入积分项：

void PID_Control(float set, float out)
{static float error_last = 0;static float integral = 0;float error = set - out;float kp = 0.1, ki = 0.01;integral += error;float duty = kp*error + ki*integral;Set_PWM_Duty(duty);error_last = error;
}

PID算法能有效改善稳态误差与动态响应，使系统输出更加平稳。