試論基于pic單片機的數(shù)控電源設(shè)計

基于PIC單片機的數(shù)控電源設(shè)計學(xué)院：廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院指導(dǎo)老師：姚才教授姓名：吳理通學(xué)號：緒 論電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實踐性很強的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計算機和通訊技術(shù)發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝置中的普遍使用，普通電源在工作時產(chǎn)生的誤差，會影響整個系統(tǒng)的精確度。電源在使用時會造成很多不良后果，世界各國紛紛對電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進入市場。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來的發(fā)展提供了一個良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對上述缺點不斷加以改善。單片機技術(shù)及電壓轉(zhuǎn)換模塊的出現(xiàn)為精確數(shù)控電源的發(fā)展提供了有利的條件。新的變換技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到0.05V的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50W的數(shù)控電源。從組成上，數(shù)控電源可分成器件、主電路與控制等三部分。目前在電力電子器件方面，幾乎都為旋紐開關(guān)調(diào)節(jié)電壓，調(diào)節(jié)精度不高，而且經(jīng)常跳變，使用麻煩數(shù)字化智能電源模塊是針對傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護性。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點:1)易于采用先進的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。2)控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動硬件線路。3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對不同的系統(tǒng)(或不同型號的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對控制軟件做一些調(diào)整即可。4)系統(tǒng)維護方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS232接口或RS485接口或USB接口進行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試;也可以通過MODEM遠(yuǎn)程操作。5)系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產(chǎn)成本下降。6)易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運行逆變電源系統(tǒng)，每個并聯(lián)運行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易于在模塊之間更好地進行均流控制和通訊或者在模塊中實現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運行系統(tǒng)。 第一章 系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計任務(wù)與要求1.1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一臺微機控制的數(shù)控直流電壓源，為電子設(shè)備供電。在設(shè)計過程中，選擇12個單元電路使用仿真軟件（例如Multisim2001等）進行仿真調(diào)試。用計算機繪制所有的電路圖和印刷電路圖1.1.2設(shè)計要求輸出電壓范圍0-30v，步進值為0.1V電壓調(diào)整率Sv0.05%V；電流調(diào)整率Si0.03%A； 紋波電壓峰峰值=5mA； 具有過流保護和短路保護功能；用數(shù)字顯示輸出電壓 1.2方案的選擇與論證1.2.1 總體設(shè)計方案根據(jù)題目要求設(shè)計的框圖，如圖1.1所示：方案一：此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點在于使用一套十進制計數(shù)器完成系統(tǒng)的控制功能，一方面完成電壓的譯碼顯示，另一方面其輸出作為EPROM 的地址輸入，而由EPROM的輸出經(jīng)D/A變換后去控制誤差放大的基準(zhǔn)電壓，以控制輸出步進。其框圖如圖1.2所示 圖2.1原理框圖 如圖1.2 調(diào)整管控制的穩(wěn)壓電源方案二：采用51系列單片機作為整機的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來改變輸出電壓值，從而使輸出功率管的基極電壓發(fā)生變化，間接地改變輸出電壓的大小。為了能夠使系統(tǒng)具備檢測實際輸出電壓值的大小，可以經(jīng)過ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機實時對電壓進行采樣，然后進行數(shù)據(jù)處理及顯示。采用軟件方法來解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進控制，使系統(tǒng)硬件更加簡潔，各類功能易于實現(xiàn)本系統(tǒng)以直流電源為核心，利用51系列單片機為主控制器，通過鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進等級可達(dá)0.1V，并可由數(shù)碼管顯示實際輸出電壓值和電壓設(shè)定值。利用單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（DA0832）輸出模擬量，再經(jīng)過運算放大器隔離放大，控制輸出功率管的基極，隨著功率管基極電電流的變化而輸出不同的電壓。單片機系統(tǒng)還兼顧對恒壓源進行實時監(jiān)控，輸出電壓經(jīng)過電流/電壓轉(zhuǎn)變后，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片，實時把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機分析處理， 通過數(shù)據(jù)形式的反饋環(huán)節(jié)，使電壓更加穩(wěn)定，構(gòu)成穩(wěn)定的壓控電壓源。 圖1.3 單片機控制的穩(wěn)壓電源1.2.2方案的比較與論證1.2.2.1數(shù)控部分 方案一采用中、小規(guī)模器件實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)控部分，使用的芯片很多，造成控制電路內(nèi)部接口信號繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用單片機完成整個數(shù)控部分的功能，同時，8031作為一個智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴展。1.2.2.1輸出部分 方案一采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準(zhǔn)電壓的方式使輸出不僅增加/減少，這樣不能不考慮整流濾波后的紋波對輸出的影響，而方案二中使用運算放大器作前級的運算放大器，由于運算放大器具有很大的電源電壓抑制比，可以大大減小輸出端的紋波電壓。在方案一中。為抑制紋波而在線性調(diào)壓電源輸出端并聯(lián)的大電容降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，這樣輸出的電壓難以跟蹤快變的輸入，方案二中的輸出電壓波形與D/A變換輸出波形相同，不盡可以輸出直流電平，而且只要預(yù)先生成波形的量化數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生多種波形輸出，使系統(tǒng)陳給有一定驅(qū)動能力的信號源。1.2.2.3顯示部分 方案一中的顯示輸出是對電壓的量化值直接進行譯碼顯示輸出，顯示值為D/A轉(zhuǎn)換的輸入量，由于D/A轉(zhuǎn)換與功率驅(qū)動電路引入的誤差，顯示值與電源實際輸出值之間可能出現(xiàn)較大偏差。方案二中采用三位半的數(shù)字電壓表直接對輸出電壓采樣并顯示輸出實際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預(yù)制值與輸出值偏差過大，用戶可以根據(jù)該信息予以處理。方案二中還采用了鍵盤/顯示器接口控制器8279。不僅簡化接口引線，而且減小了軟件對鍵盤/顯示器的查詢時間，提高了CPU的利用率。 綜上所述，選擇方案二，使用單片機實現(xiàn)。1.2.3系統(tǒng)的原理框圖和電路圖 圖1.4 總體原理框圖 第二章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計2.1電源部分2.1.1穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)組成穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1所示 2.1 電源方框及波形圖a.整流和濾波電路：整流作用是將交流電壓U2變換成脈動電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。b.穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U4受負(fù)載、輸入電 壓 和 溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。2.1.2電源設(shè)計 電源部分包括：+5V、15V兩大部分：+5V電源只要供單片機部分使用，原理圖如圖2.2所示對于濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降；7805的最小允許壓降波動10%，所以允許的最大紋波的峰峰值U=9（1-10%）-1.4-5=2.76VC=3600Uf選取的濾波電容所以選取的濾波電容C=4700Uf/16V15V電源，其電源電路如圖2.3所示允許的紋波峰峰值U=18(1-10%)-0.7-12-U=4.9V按近似電流放電計算，則C=1430Uf選取濾波電容選取濾波電容C=2200uF/30V 圖2.2和圖2.32.2數(shù)控部分2.2.1AT89C51單片機 AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(EPROM)和128 bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可提供高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。因此，在這里我選用AT89C51單片機來完成。主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4K字節(jié)可重擦寫Flash閃存存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0hz-24hz三級加密程序存儲器128x8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式AT89C51 內(nèi)存空間1、內(nèi)部程序存儲器（FLASH）4K 字節(jié)。2、外部程序存儲器（ROM）64K 字節(jié)。3、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）256 字節(jié)。4、外部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）64K 字節(jié)。2.3信號處理電路2.3.1D/A轉(zhuǎn)換 電源輸出電壓范圍是0-30V，步長0.1V,共有300個狀態(tài)，而8位的D/A轉(zhuǎn)換只有256個狀態(tài)，不能滿足要求，因此我需要選用10字長的D/A轉(zhuǎn)換器來達(dá)到設(shè)計要求。MAX504是由美信（Maxim）公司生產(chǎn)的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。MAX504既可用5V單電源工作，也可用5V雙電源工作。該電路采用14引腳DIP型或SO型封裝，圖2示出它的引腳排列，表1介紹它的引腳功能。 圖2.5 MAX504封裝圖 表1 MAX504的引腳功能引腳序號 引腳名稱 引腳功能1 BIPOFF 雙極性偏置/增益電阻端2 DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端3 CLR/ 清除端，異步置位DAC寄存器所有位4 SCLK 串行時鐘輸入端5 CS/ 片選端，低電壓有效6 DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端7 DGND 數(shù)字地8 AGND 模擬地9 REFIN 參考電壓輸入端10 REFOUT 參考電壓輸出端，若不用應(yīng)接至VDD11 VSS 電源負(fù)端12 VOUT DAC模擬輸出地13 VDD 電壓負(fù)端14 RFB 反饋電阻端2.4鍵盤與顯示部分2.4.1顯示部分顯示數(shù)據(jù)以串行方式從89C51的P12口輸出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后將變成的并行數(shù)據(jù)從輸出端Q0Q7輸出，以控制開關(guān)管WT1WT3的集電極，然后再將輸出的LED段選碼同時送往數(shù)碼管LED1LED2。位選碼由89C51的P14P16口輸出并經(jīng)譯碼器74LS138送往開關(guān)管Y1Y8的基極，以對數(shù)碼管LED1LED8進行位選控制，這樣，4個數(shù)碼管便以100ms的時間間隔輪流顯示。由于人眼的殘留效應(yīng)，這4個數(shù)碼管看上去幾乎是同時顯示。2.4.2鍵盤部分 鍵盤是有無數(shù)個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是一種廉價的輸入設(shè)備。一個鍵盤通常包括數(shù)據(jù)鍵，字母鍵以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計算機輸入數(shù)據(jù)、地址、指令或其他的控制命令，實現(xiàn)簡單的人機對話。 用于計算機系統(tǒng)的鍵盤通常有兩種：一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識別有專用硬件識別。另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上鍵入及閉合鍵的識別由軟件實現(xiàn)。鍵盤接口應(yīng)具有的功能：鍵掃描功能，即檢測是否有鍵按下鍵識別功能，確定被按下建所在的行列的位置產(chǎn)生相應(yīng)的鍵的代碼消除按鍵彈跳及對付多鍵串鍵這里我要選用的是非編碼3x3鍵盤結(jié)構(gòu)，能自動消除鍵抖動影響，具有對按鍵同時按下的保護，能把鍵盤信息存入堆棧，也可向CPU發(fā)中斷請求，得到響應(yīng)后，使CPU獲取按鍵信息，還可接受CPU隊間信息的查詢。對每個鍵我們都賦予了特定的功能：0-每按鍵一次增加10V1-每按鍵一次減少10V2-每按鍵一次增加1V 0 1 2 3-每按鍵一次減少1V 3 4 54-每按鍵一次增加0.1V 6 7 85-每按鍵一次減少0.1V 7-清除顯示8-開始顯示AT89C51和8279鍵盤、顯示器接口下圖2.11是AT89C51、8279與鍵盤和顯示器的接口電路，當(dāng)有鍵按下時，8279可用中斷方式通知C51。編程實現(xiàn)的功能是：當(dāng)有鍵0-8按下時，完成健值獲取，并用LED輸出顯示鍵值。2.5輸出電路2.5.1穩(wěn)壓輸出部分這部分將數(shù)控部分送來的電壓控制字轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定電壓輸出，電路主要由D/A轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓輸出、過流保護指示和延時啟動等幾部分組成，電路圖如圖 所示電壓輸出范圍為0-29.9V，步長0.1V，共有300種狀態(tài)，所以上面提到選用10位D/A轉(zhuǎn)換器MAX504。設(shè)計中用兩個電壓控制字代表0.1V，當(dāng)電壓控制自從0，2，4到598時，電源輸出電壓為0.0，0.1，0.2到29.9V。當(dāng)MAX504基準(zhǔn)電壓采用+15V時，D/A轉(zhuǎn)換電路滿幅，輸出為15.0V（電壓控制字為1023時）。由于世紀(jì)最大用到電壓控制字598 ，因此D/A轉(zhuǎn)換部分最大輸出電壓V1=(598/1023)*15=8.77D/A轉(zhuǎn)換部分輸出的電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例，范圍是0-29.9V，穩(wěn)壓輸出部分采用典型的串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路，也可以認(rèn)為是以參考電壓作為輸入的直流功率放大器。這部分電路主要有運放U3A和三極管T1、T2構(gòu)成，T2時大功率三極管。D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓V1接到運放U3A的同相端，穩(wěn)壓電源的輸出經(jīng)R5、RW3和R6組成的取樣電路分壓后送到運放U3A的反相端，經(jīng)運放比較放大后，驅(qū)動由T1和T2組成的復(fù)合調(diào)整管。當(dāng)電路平衡時，D/A輸出電壓V1與取樣電壓V2相等，R5=500,R6=340,51電位器RW3調(diào)在中間位置，設(shè)穩(wěn)壓電源輸出電壓為VOUT，則V2=(R6+51/2)/(R5+R6+51)* VOUT=(340+25.5)/(500+340+51)* VOUT=0.294VOUT 因為 V1=V2 VOUT=V1/0.294=3.4V1所以 VOUT=3.4V1=3.4*8.79V=29.9V2.5.2輸出電壓顯示電路為了實現(xiàn)輸出電壓的實時監(jiān)控，使用ICL7107搭接的數(shù)字電壓表對其輸出電壓采樣測量，并輸出顯示，用戶可以從顯示器上看見兩個電壓值：其一為單片機設(shè)置的電壓值，即期望值，其二為輸出電壓的實測值。正常工作時兩者相差很小。一旦出現(xiàn)異常情況，用戶可以看到期望值不符，從而采取相應(yīng)的措施。 輸出電壓測量/顯示電路如圖 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計軟件要實現(xiàn)的功能是：鍵盤對單片機輸入數(shù)據(jù)，單片機對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，送到10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MAX504）,再送到數(shù)字電壓表，實現(xiàn)數(shù)字量對電壓的控制。 圖3.1單片機模塊方框圖3.1主控程序進中斷主控程序首先進行系統(tǒng)初始化，然后讀入預(yù)置電壓值，輸出相應(yīng)的電壓控制字，等待鍵盤輸入。根據(jù)鍵盤的不同輸入，用散轉(zhuǎn)方式轉(zhuǎn)入相應(yīng)的應(yīng)用程序，執(zhí)行后，若用戶又輸入“清除顯示”，則輸出電壓控制字0，返回初始狀態(tài)，等待下一次按鍵。框圖如圖3.2所示。 負(fù)載電壓測量輸入電壓設(shè)定值圖3.2 主程序流程圖 圖3.3中斷服務(wù)程序流程圖3.2中斷程序過流保護由中斷實現(xiàn)，在中斷服務(wù)程序中進行各項報警和保護操作，中斷服務(wù)程序框圖如圖3.3所示。 鍵盤中斷程序中將一標(biāo)志置“1”，表示有鍵鍵入，并將鍵盤碼讀入賦給一個變量。在主程序和哥哥應(yīng)用程序中讀取此標(biāo)志和變量值，作為進行各項操作的依據(jù)，讀后將標(biāo)志清零。3.3鍵盤顯示程序 圖3.4鍵中斷流程圖 圖3.5 顯示流程圖第四章電路擴展4.1抑制紋波本題對紋波要求非常高，對于本系統(tǒng)，造成紋波的主要因素是工頻干擾、負(fù)載波動和數(shù)字調(diào)節(jié)的過沖噪聲。其中第三項是數(shù)字控制系統(tǒng)必然存在的，不可避免；因此