基于STC12C5410AD数字稳压电源开发技术报告.docx
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基于STC12C5410AD数字稳压电源开发技术报告
前言
电源是各种电子、电器设备工作的动力，是自动化不可或缺的组成部分，直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。
自第一台开关电源问世以来，开关电源在世界各国迅速发展，直流稳压电源也顺势而生，但在初期价格较高，直到八十年代，随着元件工艺的成熟，直流稳压电源的价格也日益下降，应用也变的日益广泛。
近几年随着科技的发展。
现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域，对此的研究开始向高频方面发展。
直流稳压电源通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。
线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作于线性放大区的一种直流稳压电源，是发展最早、应用最广泛的一种电源。
但其体积大，效率低，可靠性差，操作使用不方便，自我保护功能不够。
近年来，随着微机，中小型计算机的普及和航空航天数据通信，交通邮电等事业的讯速发展，以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要，当代对电源的需要不仅日益增大，而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。
对于这些要求，传统的线性稳压电源无法实现，和线性稳压电源相比，开关稳压电源具有以下的一些优越性
第一章：
PWM的了解
1.1：
PWM有哪几种
1、电压型控制器：
只有电压反馈控制，可满足稳定输出电压的需求。
2、电流型控制器：
增加了电流反馈控制，
（1）稳定输出电压，
（2）当流过开关管的电流达到给定值时，开关管将自动关断，实现逐周限流。
1.2：
PWM的含义
PWM（PulseWidthModulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
1.3：
单片机与PWM的实现
（1）与PWM有关的特殊功能寄存器
CMOD–PCA控制寄存器（地址：
D9H）
位
7
6
5
4
3
2
1
0
符号
CIDL
-
-
-
-
CPS1
CPS0
ECF
CMOD寄存器的具体描述
位
符号
描述
7
CIDL
计数器阵列空闲控制：
CIDL=0,空闲模式下PCA继续工作。
6-3
-
保留为将来之用
2-1
CPS1-CPS0
PCA计数脉冲选择
0
ECF
PCA计数溢出中断使能：
ECF=1,使能寄存器CCONCF的中断。
CCON–PCA工作模式寄存器（地址：
D8H）
位
7
6
5
4
3
2
1
0
符号
CF
CR
-
-
-
-
CCF1
CCF0
CCON寄存器的具体描述
位
符号
描述
7
CF
PCA计数器阵列溢出标志
6
CR
PCA计数器阵列运行控制位
5-2
-
保留为将来之用
1
CCF1
PCA模块1中断标志
0
CCF0
PCA模块0中断标志
CCAPMn–PCA模块工作模式寄存器（CCAPM0地址：
DAH,CCAPM1地址：
DBH）
位
7
6
5
4
3
2
1
0
符号
-
ECOMn
CAPPn
CAPNn
MATn
TOGn
PWMn
ECCFn
位
符号
描述
7
-
保留将来之用
6
ECOMn
使能比较器：
ECOMn=1使能比较可以工作
5
CAPPn
正捕获。
上升沿有效
4
CAPNn
负捕获。
下降沿有效
3
MATn
匹配
2
T0Gn
翻转
1
PWMn
脉宽调制模式。
0
ECCFn
使能CCFn中断
（2）STC12C5410AD单片机实现PWM的原理
当CLSFR的值小于{EPCnL,CCAPnL}时，输出为低。
当PCACLSFR的值大于或等于{EPCnL,CCAPnL}时，输出为高。
当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH,CCAPnH}的内容装载到{EPCnL,CCAPnL}中。
这样就可以实现无干扰地更新PWM，要使用PWM模式，模块CCAPMn寄存器PWMn和ECOMn位必须复位。
1.4：
PWM的技术应用
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。
到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下8类方法。
相电压控制PWM
1.1 等脉宽PWM法
VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置在早期是采用PAM（PulseAmplitudeModulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。
等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。
它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。
1.2 随机PWM
在上世纪70年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。
为求得改善，随机PWM方法应运而生。
其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。
正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。
1.3 SPWM法
SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。
前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
该方法的实现有以下几种方案。
1.3.1 等面积法
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。
由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。
1.3.2 硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。
通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。
但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。
1.3.3 软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。
软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。
1.3.3.1 自然采样法
以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。
其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。
1.3.3.2 规则采样法
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。
其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。
当三角波只在其顶点（或底点）位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（即采样周期）内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。
当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（此时为采样周期的两倍）内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。
1.5：
PWM的扩展
用PWM实现DAC的原理
1基本原理
PWM信号是一种具有固定周期（T）不定占空比（
）的数字信号，如图1所示。
如果PWM信号的占空比随时间变化，那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号。
因此通过控制PWM信号的占空比，就可以产生不同的模拟信号。
在ATMega8中就是采用TCNT2来控制周期T，而用与定时器对应的CCR2寄存器来控制可变占空比
，进而实现D/A转换。
2分辨率
图1PWM信号示意图
基于Timer_2PWM的DAC分辨率就等于计数器的长度，通常是TCNT2减去CCR2寄存器的值。
PWMDAC的最低有效位是一个计数值，分辨率是总的计数值。
Rcounts=Lcounts
其中Rcounts是以计数值为单位的分辨率，Lcounts是计数器的总计数值。
例如对8-bitDAC，计数器的长度为8bits，或者256个计数值。
那么分辨率也就是8bits，或者256。
更一般的情况下，基于PWM定时器和滤波器的PWMDAC的分辨率等于产生模拟信号的PWM信号的分辨率。
PWM信号的分辨率决定于计数器的长度和PWM计数器能够实现的最小占空比。
用数学表达式如下：
Rcounts=
，其中=Lcounts，C是最小占空比。
比特分辨率用下式计算：
如果PWM计数器的长度为512个计数值，最小的占空比为2个计数值，那么PWMDAC的分辨率就为：
，或者以比特表示：
。
3系统频率
PWM信号需要的输出频率等于DAC的更新频率，因为PWM信号占空比的每一次变化等效于一次DAC抽样。
PWM定时器所需的频率取决于PWM信号频率和所需的分辨率。
如下所示：
在这儿，
是所需的PWM定时器频率，
是PWM信号的频率，也就是DAC的更新频率，n是所需的比特分辨率。
下文即将描述怎样采用8-bitPWMDAC来同步产生一个200Hz的正弦波。
由抽样定理可得，最低的抽样频率应该为400Hz。
但是通常情况下，PWM信号的频率要远高于Nyquist抽样速率。
这是因为PWM信号的频率越高，对滤波器的阶数就要求越低，合适的滤波器越容易实现。
通常抽样速率取Nyquist速率的16或者32倍。
第二章：
按键模块的设计
2.1：
按键的设计方式
一、概述
键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。
键盘分两大类：
编码键盘和非编码键盘。
编码键盘：
由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。
每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。
这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。
非编码键盘：
只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。
有：
独立式按键结构、矩阵式按键结构。
二、键盘系统设计
首先，确定键盘编码方案：
采用编码键盘或非编码键盘。
随后，确定键盘工作方式：
采用中断或查询方式输入键操作信息。
然后，设计硬件电路。
非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。
（一）非编码键盘的键输入程序应完成的基本任务 1.监测有无键按下；键的闭合与否，反映在电压上就是呈现出高电平或低电平，所以通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下与否。
2.判断是哪个键按下。
3.完成键处理任务。
（二）从电路或软件的角度应解决的问题
1.消除抖动影响。
键盘按键所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。
由于机械触点的的弹性作用，一个按键开关在闭合和断开的瞬间均有一连串的抖动，波形如下：
抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms，这是一个很重要的参数。
抖动过程引起电平信号的波动，有可能令CPU误解为多次按键操作，从而引起误处理。
为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。
按键的消抖，通常有软件，硬件两种消除方法
1.采取串键保护措施。
串键：
是指同时有一个以上的键按下，串键会引起CPU错误响应。
通常采取的策略：
单键按下有效，多键同时按下无效。
2.处理连击。
连击：
是一次按键产生多次击键的效果。
要有对按键释放的处理，为了消除连击，使得一次按键只产生一次键功能的执行（不管一次按键持续的时间多长，仅采样一个数据）。
否则的话，键功能程序的执行次数将是不可预知，由按键时间决定。
连击是可以利用的。
连击对于用计数法设计的多功能键特别有效。
三、键盘工作方式
单片及应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。
CPU忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。
考虑仪表系统中CPU任务的份量，来确定键盘的工作方式。
键盘的工作方式选取的原则是：
既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用CPU的工作时间。
键盘的工作方式有：
查询方式（编程扫描，定时扫描方式）、中断扫描方式。
四、键盘电路结构
（一）独立式按键接口设计
独立式按键就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。
因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。
优点：
电路配置灵活，软件结构简单。
缺点：
每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。
因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。
中断方式查询方式
也可以用扩展I/O口搭接独立式按键接口电路，可采用8255扩展I/O口，用三态缓冲器扩展。
这两种配接方式，都是把按键当作外部RAM某一工作单元的位来对待，通过读片外RAM的方法，识别按键的工作状态。
上电路中独立式按键电路，各按键开关均采用了上拉电阻，是为了保证在按键断开时，各I/O有确定的高电平。
如输入口线内部已有上拉电阻，则外电路的上拉电阻可省去。
（二）矩阵式键盘接口设计
矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。
节省I/O口。
矩阵键盘工作原理：
行线通过上拉电阻接到+5V上。
无按键，行线处于高电平状态，有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。
列线电平为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平为高。
五、双功能及多功能键设计
在单片机应用系统中，为简化硬件线路，缩小整个系统的规模，总希望设置最少的按键，获得最多的控制功能。
矩阵键盘与独立式按键键盘相比，硬件电路大大节省。
可通过软件的方法让一键具有多功能。
方法：
选择一个RAM工作单元，对某一个按键进行按键计数，根据不同计数值，转到子程序。
这种计数多功能键最好与显示器结合用，以便知道当前计数值，同时配合一个启动键。
复合键是使用软件实现一键多功能的另一个途径。
所谓复合键，就是两个或两个以上的键的联合，当这些键同时按下时，才能执行相应的功能程序。
实际情况做不到“同时按下”，他们的时间差别可以长到50ms，解决策略是：
定义一个或两个引导键，这些引导键按下时没什么意义，执行空操作。
引导键的例子：
微机键盘上的CTRL、SHIFT、ALT。
缺点：
一是操作变得复杂，二是操作时间变长。
多功能键的利用，应具体情况具体分析。
要求速度的场合最好做一键一功能。
如果系统功能很多，一键一功能不现实，可采取一键多功能。
六、功能开关及拨码盘接口设计
设计原因：
键盘输入灵活性大，操纵方便。
但某些重要功能或数据由键盘输入，误操作将产生一些不良后果。
因此常设定静态开关的方法来执行这些功能或输入数据。
静态开关一经设定，将不再改变，一直维持设定的开关状态。
通常这些开关状态是在单片机系统加电时由CPU读入内存RAM的，以后CPU将不再关注这些开关的状态，因此，即使加电后，这些开关的状态发生变化，也不会影响CPU的正常工作，只有在下一次加电时，这些新状态才能生效。
第一，功能开关：
主要是根据开关的状态执行一些重要的功能。
第二，拨码盘：
单片机应用系统中，有时要输入一些控制参数，这些参数一经设定，将维持不变，除非给系统断电后重新设定。
这时使用数字拨码盘既简单直观，又方便可靠。
七、按键介绍
常用的按键有三种：
机械触点式按键、导电橡胶式和柔性按键（又称触摸式键盘）。
机械触点式按键是利用弹性使键复位，手感明显，连线清晰，工艺简单，适合单件制造。
但是触点处易侵入灰尘而导致接触不良，体积相对较大。
导电橡胶按键是利用橡胶的弹性来复位，通过压制的方法把面板上所有的按键制成一块，体积小，装配方便，适合批量生产。
但是时间长了，橡胶老化而使弹力下降，同时易侵入灰尘。
柔性按键是近年来迅速发展的一种新型按键，可以分为凸球型和平面型两种。
凸球型动作幅度触感明显，富有立体感，但制造工艺相对复杂；平面型幅度微小，触感较弱，但工艺简单，寿命长。
柔性按键最大特点是防尘、防潮、耐蚀，外形美观，装嵌方便。
而且外形和面板的布局、色彩、键距可按照整机的要求来设计。
八、单片机系统键盘设计实例
本次设计中，键盘结构采用非编码键盘系统中的独立式按键结构。
用三态缓冲器573扩展I/O口搭接独立式按键接口电路，按键状态由573锁存。
键盘工作方式采用定时扫描方式。
采用定时器T0定时，CPU每隔200ms扫描键盘一次，即通过读取573的输出数据，识别按键的工作状态。
设计中对于重键和连击的处理：
对于重键（串键：
指同时有一个以上的键按下），采用软件提供保护，当判断为一个以上的键按下，则不处理，返回重新进行监测。
只有监测到一个键按下时，才判断键值，执行相应键处理工作。
键盘对液晶显示的控制是通过显示画面的页码作为接口参数来完成的。
在每一页中，键盘对数据的修改是通过对按键次数的计算作为接口参数来实现的。
2.2：
按键程序设计
voidkeyscan（）/*键盘扫描*/
{
uchardatanewz，temp，pat；
if（time_out）
{
ACC=MJP;/*读取573数据*/
temp=ACC&0x0f，/*取低四位*/
if（temp！
=0x0f）/*有键按下*/
{
msec（10）;/*延时10MS*/
ACC=MJP；/*读取573数据*/
temp=ACC&0x0f
if（temp=0x0f）
{
newz=temp;/*读取新键值*/
pat=newz^old;/*键值有无变化*/
if（pat）>0）/*有变化*/
{
old=newz;/*原键值等于新键值*/
keymana（）;/*调键散转程序*/
}
else;
}
else;
}
elsr;
old=temp;/*原键值不变*/
time_out=0/*标志位置零*/
}
esel;
}
第三章：
电路中各芯片的功能
3.1：
STC12C5410AD系列单片机简介
STC12C5410系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代
8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。
特点：
1.增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU
2.工作电压：
5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的
0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.
4.用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节
5.片上集成512字节RAM
6.通用I/O口（27/23个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）
可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏
每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器
可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.EEPROM功能
9.看门狗
10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）
11.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器
用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟
常温下内部R/C振荡器频率为：
5.2MHz～6.8MHz
精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有温漂，应认为是4MHz～8MHz
12.共2个16位定时器/计数器
13.外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
14.PWM（4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器
也可用来再实现4个定时器或4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可支持）
15.ADC,10位精度ADC，共8路
16.通用异步串行口（UART）
17.SPI同步通信口，主模式/从模式
18.工作温度范围：
0-75℃/-40-+85℃
19.封装：
PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20
3.2：
STC12C5410AD的应用
3.3：
74lm138译码器
74HC138:
74LS138为3线－8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式，其74LS1
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