基于STC12C5A60S2與PID算法的數控電源設計

摘要：基于提高電源效率的目的，設計了采用pID算法的數控電源。系統采用STC12C5A6052自帶的pWM控制BUCK電路，同時對其輸出電路進行采樣，組成了一個高速的閉環控制系統。文中給出了數控電源的接口電路及pID算法的軟件設計。試驗結果聲明：該數控電源具有紋波小、高效率的優勢。

隨著電力電子技術的飛速發展和各行業對用電沒備控制要求的提高，人們對供電的電源要求也越來越高。電源的性能筆直影響著整個電路系統的性能、壽命。以往所采用的電源大多數是旋鈕式電位器進行調節，輸出電壓無法實現精確的步進。數控電源是從上世紀80年代發展起來的，到今朝大多產品的電源仍存在誤差較大、辨別率不高、功率較低、效率低、可靠性較差等缺點。因此，設計一款高效率、高性能、精度的數控電源是非常有必要的。

依據實際需要，本設計以輸出電壓可在0～24.0V范圍內任意設定，精度±0.1V，最大電流為5A，紋波優于1%，效率達70%以上為目標。數控電源以STC12C5A60S2單片機做為CpU，通過按鍵設定輸出電壓，單片機給出一定占字比的pWM信號對BUCK電路中的開關管進行控制，經電感、電容濾波后輸出一電壓。輸出端先采用電阻進行分壓，然后經反饋電路，最后送入單片機ADC口進行采樣。基于pID算法的原理，單片機將輸出值與設定值進行比較，得到偏差，然后利用偏差對pWM信號的占空比進行控制，最終系統輸出一個穩定的電壓值。

1總體設計

該數控電源系統總體結構如圖1所示，主要由STC12C5A60S2單片機最小系統、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。單片機最小系統是數控電源的核心組成部分，負責萌生BUCK電路所需的pWM信號;同時實吋測試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;另一方面經過降壓式變換電路（BUCK電路）后筆直提供給負載。顯示電路主要用于顯示設置電壓和實際輸出的電壓。系統將反饋電壓與按鍵控制電路設置的電壓進行比較，得到pID算法所需的各個變量，進而控制pWM信號的占空比，得到與沒定電壓誤差非常小的電壓。

2系統硬件設計2.1STC12C5A60S2單片機最小系統

數控開關穩壓電源丁作在開關狀態，其能量損失惟有小部分消耗在開關管的導通壓降上，效率高。BUCK電路在開關穩壓電源中使用非常廣，故本系統選擇BUCK電路進行設計。

一方面，BUCK電路工作頻率通常為幾千赫茲到幾兆赫茲，通過定時器來控制一般IO口萌生pWM已無法滿足;另一方面，為了實時對輸出電壓進行測試，這時系統非得具備A/D轉換功能。采用專門的A/D轉換芯片，固然可實現輸出電壓的測試，但電路變得復雜且成本偏高。經綜合考慮，本系統采用STC12C5A60S2單片機作為系統的主控制器。

STC12C5A60S2是一款功能強大，性價比高的單片機。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技加工的1個時鐘/機械周期（1T）的單片機，工作頻率為0～35MHz，相當于傳統8051的0～420MHz。內部集成MAX810專用復位電路，使系統更加穩定可靠地運行。內部集成了兩路可編程計數器陣列（pCA）模塊，用于輸出pWM信號。常溫下，使用內部RC振蕩器作為單片機時鐘時，可輸出14～19kHz的pWM信號;使用外部32MHz晶振作為時鐘時，頻率最高可達125kHz。STC12C5A60S2有8路10位高速ADC，90個時鐘周期轉換一次，CpU工作頻率32MHz時，ADC轉換速率約為356kHz。為了實現數控電源內部高速運算，本系統時鐘采用外部32MHz晶振作為時鐘源。

STC12C5A60S2單片機最小系統由時鐘電路、復位電路組成，其電路如圖2所示。單片機最小系統實現按鍵輸入識別、顯示控制、pID算法等。

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