基于TFT LCD的BOOST DC-DC电源电路设计

      项目实现功能

　　由TFT LCD液晶屏幕显示的升压斩波直流电源转换器BOOST DC-DC电源电路，并完成了锂电池充放电电路的设计和仿真分析。先来看看项目效果演示：

　　，时长02:49项目实现的功能：

　　1. 全数字方案；

　　2. 电路输入15~26V，输出15~35V，最大电流5A；

　　3. 单片机PWM控制BOOST电路输出；

　　4. PID算法构成反馈环；

　　5. 状态机控制系统的输出模式；

　　6. RTOS协调整个系统的不同任务；

　　7.按键交互设置输出模式及参数。

　　硬件框架及设计

　　先来看看系统的硬件框图，如下：

 

 

　　整个系统分为四个部分进行设计：

　　1）在BOOST电路的功率计设计方面，采用了集成度更高，更加小体积的电感，电容和开启内阻极小的功率增强型金属氧化物场效应管MOSFET。2）在BOOST电路的控制系统方面，采用了小封装体积的STM32单片机微处理器作为中心处理器件，并采用了霍尔传感器作为反馈单元。3）在显示屏的设计方面，采用了2.2寸的TFT LCD的RGB全彩屏幕进行显示，并采用SPI通信协议进行控制和写入。4）在人机交互方面，采用了5个功能分明的按键，保证了系统的易用性，同时也没有对系统的交互性进行损失。

　　最终我们得到了一个电路上效率较高，显示性能和交互性也较强的BOOST DC-DC电源转换电路。

　　✓ BOOST功率级设计BOOST电路是一种升压型DC-DC电源变换器，通过PWM信号控制电子开关，促使电感电容不断传递能量从而实现输出升压，它的基本拓扑结构如下　

 

 

　　通过脉宽调制信号PWM对三极管的基极进行控制，使三极管快速的通断。

　　在三极管导通时，相当于输入电压直接加在电感两侧，电感电流呈线性增加，储存能量，同时二极管反向偏置，防止电容电压放电；当三极管断开时，由于电感的电流不会突变，则电感的电流会流经二极管到电容及负载上，此时储存在电感内的能量被释放，使得电容两端电压高于输入电压，以此实现升压的过程。更改脉宽调制信号PWM的占空比，就改变了电感储存能量的时间长短，时间越长，电感的能量就越多，从而关断期间释放的能量也就越大，输出电压也就越大。

　　通过对原理的研究，我们可以得到下面两个公式

 

 

　　根据工作条件：输入电压17V，输出电压26V，工作频率114KHz，负载50Ω，最大允许纹波50mV。计算电感及电容参数：

　　L1=32.45uH，取L1=33uH

　　C》31.57uF，取C=50uF

　　在实际情况中，电路的负载变化时，如果保持PWM占空比不变，则输出电压会有所变化。为了保持输出电压稳定，我们需要反馈调节机制：PID算法，反映了控制器输出量和误差之间的闭环关系。

 

 

　　将计算好的L1和C参数代入SIMULINK仿真，并设置PID反馈环：设置KP=10，KI=1，KD=0

　　运行仿真，可以得到较为稳定的电源输出：

 

 

　　为了实现电路的反馈，需要电压电流采样。电压采样使用分压电阻，电流采样使用霍尔传感器ACS712。

 

 

　　由于单片机PWM输出的驱动能力有限，故要想控制BOOST电路，需要MOSFET驱动器的辅助，这里使用UCC27511。

 

 

　　系统中其他器件的选型为：

　　MCU采用STM32F103C8T6；

　　MOSFET驱动器采用UCC27511；

　　TFT-LCD采用1.44寸彩屏；

　　霍尔电流计采用ACS712-20A；

　　辅助电源采用K7812-2000；

　　MOSFET采用CSD18540KTT；

　　电感采用HSC1770封装的功率电感；

　　肖特基二极管采用CLS03；

　　输入输出电容采用2220封装的钽电容；

　　✓ 单片机控制级设计

　　单片机控制级负责PWM信号输出，电压电流采样以及屏幕控制，需要在单片机最小系统的基础上引出PWM输出，ADC采样和SPI通信引脚。

 

 

　　✓ 按键交互设计

　　五个按键功能分别为：

　　MENU：停止输出，模式选择

　　UP：选择恒压模式，增加设定值

　　DOWN：选择恒流模式，减少设定值

　　OK：确认该位设定值，切换下一位

　　START：开启电源输出按键采用下降沿触发方式输入单片机，使用电容进行硬件滤波，减小误触概率。

　　系统软件设计

　　本系统的软件基本架构如下图：

 

 

然后在STM32CubeMX内，对该框架进行一个使能和初始化。外设设置说明：ADC双路采样使用DMA循环模式；5个按键采用下降沿触发；SPI通信协议由于使用GPIO软件模拟，故设置成推挽输出即可；PWM输出采用高级定时器PWM模式；使用ST LINK V2对代码进行烧录；

　　高速时钟源采用外部8MHz晶体振荡器，并将APB1总线倍频到64MHz。

　　✓ TFT屏幕通信设计

　　TFT LCD屏幕的底层我们采用GPIO软件模拟SPI通信协议，单向只输出；

　　从最高位开始，依次移位对要发送的8位数据和指令进行发送。

　　引脚定义：

　　PB10：数据/命令切换信号

　　PB13：时钟信号

　　PB15：串行数据发送

　　✓ RTOS任务设计

　　本设计由三个RTOS任务构成，分别是：

　　void State_change_function（void const * argument）;//状态切换任务void tft_show_function（void const * argument）；//屏幕内容刷新任务void drive_sample_function（void const * argument）；//PWM输出及采样反馈PID运算任务

　　其中：

　　状态切换只有在按键按下之后才会触发；

　　屏幕内容刷新只有在内容需要更改的时候才会触发，防止系统资源过度占用，并且在实时显示输出量时更新频率为20Hz；

　　PID运算只有在start之后才会开始进行。

　　✓ 状态机设计

　　假设要操控某一系统，通过按键设定功能，这时我们可以采用有限状态模型，系统拥有有限的一些状态，而我们只需指定有限的状态切换条件即可，这就是状态机。

 

 

　　通过上述关系图的分析，我们可以将有限状态模型应用到本设计的功能设定和运作当中，使得系统运行逻辑性更强，效率更高。

　　所有代码都严格写在了USER CODE范围内，可以直接用cube更改外设。