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基于STM32的数控DC-DC电源系统设计

article 2024/11/4 16:04:06

引言

本项目旨在基于STM32微控制器设计一个数控DC-DC供电系统。该系统使用STM32作为核心控制单元，通过PWM控制DC-DC转换器的输出电压，结合反馈电路对输出电压和电流进行检测，实现精准的数控调节。系统可以设置输出电压、电流限值，并实现自动保护功能，以适应多种电源供电场景。本文将从硬件设计、软件控制算法、系统实现及故障排查等方面详细阐述本系统的实现过程。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）：用于实现PWM控制、数据采集和反馈控制。
DC-DC升降压转换模块：通过PWM控制的方式调节输出电压。
分流电阻：用于输出电流的测量。
电压检测电路（如分压电路）：用于检测输出电压。
电流检测电路（如霍尔传感器或分流器）：用于输出电流检测。
LCD显示屏（如1602或OLED屏幕）：用于显示输出电压、电流和状态信息。
电位器或旋钮：用于用户设置目标电压和电流限值。
稳压电源模块：为系统供电。

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于配置STM32的外设，并生成代码框架。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写、调试和下载代码。
ST-Link驱动程序：用于将程序下载至STM32开发板。
串口调试工具：用于调试数据输出和查看系统状态。

项目实现

1. 硬件连接

DC-DC转换器控制：DC-DC模块的控制引脚连接至STM32的PWM输出引脚（如PA0），通过调整PWM占空比来控制DC-DC模块的输出电压。
电压检测电路：将DC-DC模块的输出电压通过分压电路连接至STM32的ADC引脚（如PA1），用于实时检测输出电压。
电流检测电路：通过分流电阻或霍尔电流传感器检测输出电流，将电流信号输入STM32的ADC引脚（如PA2），用于电流监控和保护。
LCD显示屏：通过I2C或SPI连接STM32，用于显示当前输出的电压、电流和系统状态信息。
用户输入设置：通过旋钮或电位器输入目标电压和电流限值，连接到STM32的ADC引脚（如PA3、PA4），供用户调节参数。

2. STM32CubeMX 配置

选择开发板型号：在STM32CubeMX中选择STM32F103C8T6。
配置系统时钟：设置系统时钟为HSI，确保系统的稳定性。
配置PWM：设置用于DC-DC转换器控制的PWM输出频率和占空比。
配置ADC：分别用于读取电压反馈、电流反馈以及用户设定值。
配置I2C或SPI：用于连接LCD显示屏。
生成代码：选择Keil或STM32CubeIDE作为工具链，生成代码框架。

3. 编写主程序

基于生成的代码框架，编写电压电流检测、PWM调节和保护逻辑代码。以下为数控DC-DC供电系统的核心代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定义引脚
#define PWM_PIN GPIO_PIN_0             // 控制DC-DC模块的PWM输出引脚
#define VOLTAGE_ADC_CHANNEL ADC_CHANNEL_1  // 电压检测的ADC通道
#define CURRENT_ADC_CHANNEL ADC_CHANNEL_2  // 电流检测的ADC通道
#define TARGET_VOLTAGE_CHANNEL ADC_CHANNEL_3 // 目标电压设置的ADC通道
#define TARGET_CURRENT_CHANNEL ADC_CHANNEL_4 // 目标电流设置的ADC通道
#define GPIO_PORT GPIOA

// 变量声明
float output_voltage = 0.0;
float output_current = 0.0;
float target_voltage = 0.0;
float target_current = 0.0;
uint8_t pwm_duty_cycle = 0;

// 函数声明
void PWM_SetDutyCycle(uint8_t duty);
float Read_ADC_Value(uint32_t channel);
void Display_Data(void);
void Control_Loop(void);

// PWM占空比设置函数
void PWM_SetDutyCycle(uint8_t duty) {
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

// 读取ADC值并转换为电压或电流
float Read_ADC_Value(uint32_t channel) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = channel;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
    
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    
    // 根据采集到的ADC值换算成实际电压或电流
    return (float)(adc_value * 3.3 / 4095); // 假设3.3V供电，12位ADC
}

// 控制逻辑
void Control_Loop(void) {
    // 读取目标电压和目标电流
    target_voltage = Read_ADC_Value(TARGET_VOLTAGE_CHANNEL);
    target_current = Read_ADC_Value(TARGET_CURRENT_CHANNEL);
    
    // 读取输出电压和电流
    output_voltage = Read_ADC_Value(VOLTAGE_ADC_CHANNEL);
    output_current = Read_ADC_Value(CURRENT_ADC_CHANNEL);
    
    // 控制电压，逐步调整PWM占空比使得输出电压接近目标值
    if (output_voltage < target_voltage) {
        pwm_duty_cycle++;
    } else if (output_voltage > target_voltage) {
        pwm_duty_cycle--;
    }
    PWM_SetDutyCycle(pwm_duty_cycle);

    // 过流保护
    if (output_current > target_current) {
        PWM_SetDutyCycle(0);  // 超过电流限值则关断PWM
    }
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_TIM1_Init();
    MX_I2C1_Init(); // 假设使用I2C显示屏
    
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);  // 开启PWM
    
    while (1) {
        Control_Loop();     // 调用控制循环
        Display_Data();     // 显示数据
        HAL_Delay(100);     // 控制循环延时
    }
}

4. 电压和电流检测

电压和电流的检测通过ADC采样实现，检测信号通过分压电阻（电压）和分流电阻（电流）获得。通过计算公式将ADC值转换为实际电压或电流值。

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 读取ADC并转换为实际电压或电流
float Read_ADC_Value(uint32_t channel) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = channel;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
    
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    uint32_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    
    return (float)(adc_value * 3.3 / 4095); // 假设3.3V参考电压，12位ADC
}

5. LCD显示功能

使用I2C或SPI接口连接LCD显示屏，通过串行协议向显示屏发送电压、电流等信息。

#include "i2c_lcd.h"

void Display_Data(void) {
    char buffer[16];
    
    // 显示电压
    sprintf(buffer, "Voltage: %.2f V", output_voltage);
    I2C_LCD_WriteString(buffer, 0, 0); // 假设0行显示电压
    
    // 显示电流
    sprintf(buffer, "Current: %.2f A", output_current);
    I2C_LCD_WriteString(buffer, 1, 0); // 假设1行显示电流
}