毕业设计（论文）-基于单片机的数控电源设计.doc

SJ006-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 基于单片机的数控电源设计 二级学院： 延陵学院 专 业：电气工程及其自动化 班级： 09电Y4 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 2013 年 6 月摘要 随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化、数字化已然成为了人们逐渐追求的一种大趋势，而数控电源正朝着小型化、高频化、继承化的方向发展，高精度的数控电源已经得到越来越广泛的应用。本文在结合数控电源的发展现状，数控电源未来的发展趋势的基础上，探究使用PIC18F4520单片机结合C语言程序设计控制数字电源工作的方式方案，同时结合软硬件优势互补，用数字方法把电源转换模块和电源管理模块集成到芯片中，控制输出电流、输出电压等智能、高效的电压、电流的控制。 本文改进了数字电源的电流采样方式，简化了电路起到了起到了简单易便的作用，并通过单片机内部自带的A/D转换，又帮助节省了其他数字电源所用的A/D转换器，使得该数字电源方便快捷。关键词：数控电源； 单片机； 电流控制； 电压控制；常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书Abstract With the development of electronic technology, the expansion of the field of digital circuit applications, modern society, the product of intelligent, digital has become a trend for people to pursue much attention, the price of the equipment, performance, development, and good performanceelectronic equipment, first of all can not be separated from the more stable power supply, the higher the power stability, equipment and peripheral conditions superior, longer equipment life. In recent years, the rapid development of power technology, CNC power toward miniaturization, high-frequency, inherit the direction of development, high-precision CNC power has been more widely used. Based on this, the NC power demand is more and more urgent. The development and application of high-performance numerical control constant current devices there is a huge space for development. Improved digital supply current sampling methods, simplifying the circuit played a played a simple will, and through the the MCU internal built-in A / D conversion, but also help save other digital power A / D converter,the digital power quick and easy.Key Word: Digital Power；SCM；Current control ；Program control；常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书目录第1章 前言11.1数字电源研究的目的及意义11.2数字电源在国内外的发展趋势11.2.1数字电源D/A转换方法21.2.2数字电源D/A转换现状31.3数字电源A/D转换方法41.3.1全并行A/D转换41.3.2两步型A/D转换41.3.3插值折叠型A/D转换51.3.4流水线型A/D转换51.3.5单片机片内A/D转换61.3.6 数字电源A/D转换现状61.4系统概述61.5本文主要研究内容7第 2 章 方案设计论证82.1数字电源的工作原理82.2系统的总体方案设计82.3 本章小结9第 3 章 系统硬件设计103.1主要器件选型依据103.2 单片机最小系统设计103.3 变压器的选型123.4 桥式整流电路的设计133.5 调控电路的设计143.6 LCD显示屏设计183.7 键盘电路的设计193.8 本章小结21第 4 章 系统软件设计224.1 程序设计流程图:224.2 程序设计思想234.3主程序234.4子程序1（电压电流参数表、设定值、输出值、显示值、A/D转换换算子程序）244.4子程序2（中断处理子程序）274.5子程序3（PIC18F4520配置位子程序）294.6子程序列表294.7本章小结29第 5 章 系统调试30I5.1程序烧写305.2 硬件调试325.2.1电源输出控制调试325.2.2 最大输出电压设定335.2.3最大工作电流（限流）设定345.2.4 保存数据功能365.2.5 读取数据功能375.3 本章小结38总结 39致 谢40参考文献41附录1原理图42附录2程序43III第1章 前言第1章 前言1.1数字电源研究的目的及意义电源技术尤其是程控电源技术相对于其它电源技术来说，是一门针对性很强的工程电力技术，为各个行业服务。电力电子技术是电能的最实用的应用技术之一。当今电源技术在融合了电子、电气工程、系统集成和材料等诸多学科的优秀成果。随着通讯和计算机发展而来的信息技术革命，也给电力电子技术的发展提供了广大的前景，同时也提出了相对来说更加高的要求。随着程控数字电源在电子装置中的普遍使用，以及普通电源在工作时所产生的误差会影响整个系统的精确度和电源在使用时会造成很多不良后果等因素，世界各国纷纷对电源提出了不同要求并制定了一系列的精度标准。只有满足产品标准，产品才能够进入市场。随着经济全球化的发展，在满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的大力发展起来的，期间电力电子理论同时也在开始建立。这时的电力电子理论为其后面的产品发展提供了一个绝佳的基础。在未来的一段时间里，数控电源有了十分显著的发展。但产品存在数控的程度达不到相关要求、功率密度较低、可靠性较差等缺点。因此数控电源未来主要的发展方向，我们是要针对上述缺点不断加以改善。单片机技术以及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了极为有利的条件。同时随着电子技术的发展，数字电路应用领域的扩展，现今社会，产品智能化已然成为了人们逐渐追求的一种大趋势，设备的性能，价格，发越来越受人们的关注，首当其冲的就是对电子设备的精密性和稳定性的关注。而好性能的电力电子设备，第一位的就离不开稳定的电源。近年来电源技术的飞速发展，数控电源正朝着小型化、高频化、继承化的方向发展，高精度的数控电源已经得到越来越广泛的应用。而数字电源正是为了克服现代电源的复杂性而提出的，它具备直接监视、处理并适应系统条件的能力并实现了数字和模拟技术的融合，提供了很强的适应性与灵活性，能够满足几乎任何电源要求。由于数字 电源的集成度很高，系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多，外围器件很少（数字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求），减少了占板面积， 简化了设计制造流程。数字电源还可通过远程诊断以确保持续的系统可靠性，实现故障管理、自动冗余等功能。而且，数字电源的自动诊断、调节的能力使调试和维护工作也相对变得轻松许多。1.2数字电源在国内外的发展趋势在我国，以电力电子学为核心技术的电源产业，从二十世纪60年代中期开始形成，而到了90年代以来，随着对系统更高效率和更低功耗的要求，电信与数据通信设备的技术更新推动电源行业中电压/电流转换器向更高灵活性和智能化的发展方向，使得电源产业进入快速发展期。一方面，在国家自然科学基金的资助下或创新意识指导下，我国电力电子技术的研究从吸收消化和一般跟踪发展到前沿跟踪和基础创新，电源产业涌现了一些技术难度较大，具有国际先进水平的产品而且还生产了一大批具有代表性的研究成果和产品。另一方面，电源产业规模的发展在加快；目前国内还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究。这但是我国电源产业与西方发达国家相比，存在着很大的差距和不足。在电源产品的质量、可靠性、生产规模、先进检测设备、智能化、工艺水平、网络化、开发投入、持续创新能力等方面的差距为1015年，尤其在实现直流恒流的智能化、网络化方面的研究不是很多。在目前国内在这两方面研究比较多的是成都电子科技大学和广州华南理工大学，主要是利用单片机和可编程系统器件（PSD）来控制数控直流电流源或数字化电流单元达到数控的目的，虽然国内的研究成果已经很显著，但是和国外的比较起来，效果不是很理想，还存在很大的差距和不足。现如今，随着数控电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分路原件和集成电路发展为芯片控制，从而使直流电流源智能化，具有遥信、遥测和遥控的三遥功能。目前，全国的电流源及其配件的生产销售厂商总共有4000家以上，产值由300400亿元，但是国内企业销售的数控直流电流源大多是代理日本和台湾的产品居多，国内厂家生产的数字电源虽然也在向数字化方向发展，但多限于对输出显示实现数码显示，或实现多组数值预置等相关功能。总体来说，国内数控电源技术在实现智能化等方面相对落后，面对激烈的国际竞争，是个严重的挑战。1.2.1数字电源D/A转换方法在数字信号处理中，我们常常需要将多位数字信号转化成一位数字信号。比如,在通信领域、接收器在接收到经过编码的数字语音信号时常常需将他转化为模拟信号，即将原本的模拟语音信号进行复原。经过编码的语音，通常是多位的比特流。因此，我们如何将多位比特流转化为模拟信号，便成为保证通信质量的关键所在。在较为传统的电路设计中，面对上述问题时，我们通常选择使用由多个分离的电子器件组成的D/A转换器,我们时常也称它为静态D/A转换器。但由于静态D/A转换器的组成结构,决定了它在系统中,必定占用一定的空间以及消耗一定量的功率。所以在那些要求携带便捷的系统方案中,静态D/A转换器我们不得不替换它。于是人们选择了所谓“数字基础”的D/A转换器。用于数字D/A转换的方法有2种：PWM（P ulse Width Modulation）脉冲宽度调制和PDM（Pulse Density Modulation）脉冲密度调制。PWM（P ulse Width Modulation）脉冲宽度调制技术实现D/A转换通过单片机上自带的PWM输出，再加上外围简单的电路及相应的软件设计，从而实现对PWM的信号处理，使之得到稳定，精确的模拟输出，从而实现D/A转换，这就将大大降低电子设备的成本、减小设备体积、也容易提高精度。实现PWM信号实现D/A转换的理想方法是：采用模拟低通滤波器滤掉PWM输出的高频部分，保留低频部分的直流分量，可利用并联电容等方法实现这个功能，同时得到对应的D/A转换输出。PDM（Pulse Density Modulation）脉冲密度调制技术实现D/A转换PDM是一种在数字领域中提供模拟信号的调制的一种方法。在PDM信号中，逻辑“1”我们表示单个脉冲，逻辑“0”表示当前没有脉冲。但通常逻辑“1”和逻辑“0”我们是不连续的，逻辑“1”通常比较均匀地分布在每个调制信号周期中。其中单个脉冲也并不表示幅值，而需要一系列脉冲的密度才能对应于模拟信号中的幅值。我们称完全由“1”组成的PDM信号对应于幅值为正的电压；而我们常常称完全由“0”组成的PDM信号则为对应于负幅值的电压；由“1”和“0”交替构成的信号则会对应于0幅值的电压。 人们常常利用1个分频计数器实现符合应用要求的时钟信号，脉冲周期一般为T。然后再将时钟信号送入位计数器中，实现0（2N-1）的计数。在计数的单个脉冲周期的T里，会将计数结果各个位上逻辑值经过一系列的逻辑操作，从而实现位比较基准的脉冲信号，分别为Bit0Bit(N -1)。当然值得注意的是，在每一个T中，都会只有一个位上有逻辑“1”，在其他位置上均为逻辑“0”。同时将寄存器中输出的N位总线数据与比较基准脉冲信号中Bit0Bit(N-1)进行逐位与操作，然后将各个位上的结果相或，使之便得到T内的调制结果。这样，在整个调制周期结束后我们便得到调制结果。 1.2.2数字电源D/A转换现状相对于PWM的调制信号，PDM的调制信号在经过低通滤波器后，模拟信号中的交流部分得到了明显的减弱，即噪音相对较小。而在当今数字电源的控制中，PWM和PDM调制平分秋色，PWM脉宽调制因为其通过单片机上自带的PWM输出，再加上外围简单的电路及相应的软件设计，从而实现对PWM的信号处理，使之得到稳定，精确的模拟输出，从而实现D/A转换，同时大大降低电子设备的成本、减小设备体积、也容易提高精度的优点仍然受到了大多数客户的人认可。1.3数字电源A/D转换方法随着电子产业数字化程度不断发展，逐渐形成了通过数字系统为主体的格局。A/D转换器作为模数电子电路的接口，正受到人们日益广泛的关注。同时随着数字技术的飞速发展，人们对A/D转换器性能的要求也越来越高，新型的模数转换技术不断涌现，但是随着单片机的发展，很多单片机芯片中内部也自带了A/D转换模块，可以实现电路中的A/D转换，使得产品研发越来越方便，解决了选择A/D转换器这个步骤，缩短了研发周期，下面着重介绍一下几种比较常用的A/D转换技术。1.3.1全并行A/D转换 全并行A/D转换器的结构如图所示。图 1-1 全并行A/D转换器它的工作原理非常简单，模拟输入信号在同时与（2N-1）个参考电压进行比较，而且只需一次转换就可以同时生成n位数字输出。它是当今为止速度最快的A/D转换器，而且最高采样速率可以达到500MSPS。当然，它也存在很多不足。第一，硬件开销大，功耗和面积与分辨率呈指数关系；再者，重复的结构并行比较器之间必须要非常精密匹配，任何的失配都会造成静态误差。同时，这种A/D转换器还经常容易产生离散和不确定的输出，就是所谓的“闪烁码”。所以，全并行A/D转换器只能适用于分辨率较低的情况。1.3.2两步型A/D转换两步型A/D转换器的结构如图所示。图1-2 两步型A/D转换器首先，将一个粗分全并行A/D转换器进行输入进行高位转换，并产生了N1位的高位数字输出，将此输出通过数模转换，恢复为模拟量；再者，将原输入电压与此模拟量互减，对剩余量进行放大，然后送到一个更精细的全并行模数转换器进行转换，产生了N2位的低位数字输出；最后，将两个A/D转换器的输出并联，将并联值作为总的数字输出。1.3.3插值折叠型A/D转换它的基本原理就是通过一些特殊的模拟预处理产生余差电压，并在随后进行数字化，获得最低的有效位(LSB)，最高有的效位(MSB)则通过与折叠电路并行工作的粗分全并行A/D转换器得到，而且几乎在对信号采样的同时，我们对余差进行采样。1.3.4流水线型A/D转换 流水线型A/D转换器是在两步型A/D转换器上的进一步扩展，其结构是将一个高分辨率的n位模/数转换分成多级的低分辨率转换，随后将各级的转换再结果组合起来，构成总的输出。在每一级电路由采样/保持电路、低分辨率A/D转换器和D/A转换器以及减法器和级间放大器组成。 这类的A/D转换器具有以下优点：每级的冗余位优化了重叠误差的纠正，具有良好的低失调和线性；并且每级都具有各个独立的采样保持放大器，所以允许流水线各级对多个采样进同时行处理，因此提高了转换速度；在分辨率相同的情况下，电路规模和功耗大大降低。当然它也存在一些缺点：第一：基准电路较复杂；第二：输入信号要穿过数个数级别的电路，容易造成流水延迟；第三：同步全部的输出我们需要锁存定时； 1.3.5单片机片内A/D转换单片机片内A/D转换是利用了单片机的内置A/D模块，我们通过选择不同的模拟量通道从而进行A/D转换。我们可以将模拟量直接输送到单片机对应的输入脚，外围电路简单。将转换后的数据直接保存在片内寄存器中，使得数据提取方便。单片机片内A/D转换相比使用A/D转换器所具有的优势，首先单片机内置，省了电路板面积，也省了AD转换器的钱，其次内置的话我们一般都可以通过程序语言直接读取寄存器值，方便访问。而且有的内置AD还连接了DMA，这样的话不需要单片机的干涉，产品本身可以自己完成AD转换以及储存数据，方便多了。当然单片机片内实现A/D转换也有一些不足之处，大多数单片机的内置A/D模块也只有8位和10位，是无法进行高精度的A/D转换的。1.3.6 数字电源A/D转换现状通常，A/D转换器具有三个最基本的功能：采样、量化和编码。如何实现这三个功能，决定了A/D转换的电路结构和工作性能。当然面对日新月异的科技发展，尤其是随着单片机的发展，适用于各个层次的单片机也如雨后春笋，满足了广大客户各个层次之间的需求，尤其是面对单片机内部A/D转换相比A/D转换器所具备的优势，在精度要求不高的情况下例如毕业设计我们还是比较偏向于使用单片机内部自带的A/D模块实现A/D转换的。1.4系统概述电源技术尤其数控电源技术是一门针对性和实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术也是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术在融合了电子、控制理论、系统集成、材料等杂多学科的优秀成果。同时随着通讯和计算机等相关技术的发展而来的信息技术革命，也给电力电子技术的发展提供了巨大的和广阔的发展前景，此时我们也给电源提出了相对来说更加高的标准。随着程控数字电源在电力电子装置中的使用，以及普通电源在工作经常产生误差而影响整个系统的精确性和电源在使用时常常会造成很多不好的结果等因素，各国纷纷对电源提出了不同的要求并制定了一系列的精度标准。只有满足产品标准，产品才能够进入市场。随着经济全球化的发展，在满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数控电源是从80年代才真正的大力发展起来的，期间系统的电力电子理论同时也开始建立。这些电力电子理论为其后来的产品发展提供了一个良好的基础。在未来的一段时间里，数控电源技术就有了长足的发展。但其产品存在数控程度达不到要求、功率密度比较低、分辨率不高、可靠性较差等缺点。因此数控电源未来主要的发展方向，我们是要针对上述缺点不断加以改善。单片机技术以及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了极为有利的条件。1.5本文主要研究内容本文以数字电源为研究对象，实现将电压为220的交流电变成仪器仪表所适用的015V的交流电，供仪器仪表工作时适用，具体研究内容如下：第一章介绍了论文研究工作的背景和意义，综述了数字电源A/D、D/A转换的方法，以及数字电源A/D、D/A转换技术的研究现状。简单对比了一下模数、数模转换方法之间的优劣，为毕业设计制作提供了一个技术上的铺垫，也概述了本文的主要内容及系统设计的切入点。第二章介绍了数字电源的运行机理，分析了如何利用PWM调控、电压输出电路、限流电路的作用、实现电压电流的调控，保证在电压在0-15V、最大电流不超过1.5A等功能。介绍了系统设计方案及工作原理还明确了具体研究方向及性能指标。第三章详细地分析系统硬件电路，我们知道良好的硬件是保证产品正常工作的基础。整个系统由单片机最小系统、变压器、桥式整流电路、调控电路、LCD电路和键盘电路组成。第四章详尽的介绍了系统软件设计的过程，软件系统主要包括：主程序电压电流参数表，设定值，输出值，显示值之间的换算子程序中断处理子程序PIC18F4520配置位子程序等相关子程序等五大模块，文中每个模块都给出了详细的分析，同时给出了各个模块的详细程序。第五章详细介绍了系统软件、硬件的调试过程，阐述了调试过程的方法及过程。通过调试，系统各部分功能正常，实现了预期设计目的。51常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第 2 章 方案设计论证2.1数字电源的工作原理数字电源采用直接接受变压器变比后的交流电，过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路检测电压变化，并与基准电压比较，然后误差电压经过放大及脉宽调制（PWM）电路后，再经过限流电路从而达到调整输出电压的目的。2.2系统的总体方案设计系统总体设计如图2-1所示，首先我通过整流电路获得了一个30V左右的交流电，这个就是我需要通过PWM调控来调制的源电流，通过PWM调控、电压输出电路、限流电路的作用，实现电压电流的调控，保证在电压在0-15V、最大电流不超过1.5A，具体运行结果如下图所示图2-1 系统的总体方案设计首先我想要利用三极管基极导通与管段来控制输出电路的通与断，而且我希望通过利用多级放大电路来实现这个功能，因为从PIC18F4520单片机PWM引脚出来的电压约在0-5V之间，而且一般可以驱动三级管的导通与管段，这样我利用多级放大，依次使用承载负荷大的管子，通过一级一级的驱动，不仅可以控制最后输出电路的通断，还可以降低每个三级管的承载压力，做到了一举多得。接着通过利用运算放大器的特性来实现采样，即利用运算放大器正负端电压差的不同，输出端输出不同而来控制电路的通与断。系统性能指标：表2-1 系统性能指标输入电压 （ACV）220 20 输出电压（V）015输出电流（A）01.52.3 本章小结本章介绍了数字电源的运行机理，分析了如何利用PWM调控、电压输出电路、介绍了数字电源的运行机理，分析了如何利用PWM调控、电压输出电路、限流电路的作用、实现电压电流的调控，保证在电压在0-15V、最大电流不超过1.5A等功能。介绍了系统设计方案及工作原理还明确了具体研究方向及性能指标。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第 3 章 系统硬件设计3.1主要器件选型依据器件选型为设计的一个重要的环节，器件选择的成功与否，对仪器的性能往往起关键性的作用。因为再好的软件程序也要靠硬件去实现。但选择性能过高的器件，又会增加仪器的造价，影响到后期的销售利润。所以对材料成本必须有所控制。我的选型原则，主要是本着先满足设计要求，然后选择比较成熟的，性价比高，市场便宜购买的器件。能通过软件完成的功能尽量放在程序中去做，必要的硬件部分，则在关键环节适当提高一点，普通环境保证够用就行。硬件主要由单片机处理部分、A/D转化电路、LCD显示电路、按键电路和D/A转换电路组成，现就几个主要器件选型做一下详细说明。3.2 单片机最小系统设计单片机选择Mocrochip 公司的PIC18F4520，该芯片为通用8位单片机MCU，有4个I/O端口工32位I/O引脚，足以提供各类控制功能的实现。片内有两个10位的脉宽调制输出单元，正好用于“电压输出控制”和“电流限流控制”两组信号的输出，同时利用片内的10位ADC进行数模转换，节约了片外另加AD转换器的成本。片内含有EEPROM,可以存储各类参数。尤其是该芯片的性价比较高，通用性强，市场上购买方便，同时供货商可提供较好的技术支持。同时该芯片已经上市多年，较为稳定可靠。（虽然也有一些新品可供选择，但我个人还是认为选择比较成熟的芯片为好）。本设计主要利用PIC18F4520运算速度快、自带A/D转换功能的特点，从而达到优化系统设计的目的。图3-1 单片机引脚图下面列出了一些主要特性：1、高性能的RISC结构CPU。2、精简指令集，75条单字指令，启用扩展指令集后为83条单字指令。3、除分支跳转指令为2周期或三周期指令外，其余指令均为单周期指令。4、CPU运算速度最高达到16MIPS。5、大容量的Flash程序存储器，最大可存储128KB，可外部扩展到2MB。6、大容量的RAM数据存储空间可达3936B。7、集成有线易性EEPROM数据存储器，最大存储空间可达1024B。8、超过20个中断源，具有两级中断优先级和中断嵌套。9、31级硬件堆栈。10、4种寻址方式：立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器间接寻址。11、内置88单周期硬件乘法器12、扩展的看门狗定时器，可编程周期为4ms131s。13、多大9种复位方式，分别为POR、BOR、RESET指令、堆栈满、堆栈下溢，PWRT、OST、MCLR、WDT。14、多达10中振荡器方式的选择，分别为LP，XT，HS，HSPLL，RC，RCIO，INTIO1，INTIO2、EC、ECIO。15、在线串行编程（ICSP）与在线串行测试（ICD）。16、工作电压：5.5V-3.5V（5V单片机）。17、定时器Timei0：带有8未可编程前分频器的8位或16位定时器/计数器。18、定时器Timer1:16位定时器/计数器，带预分频器，可在休眠模式下通过外部时钟来计数。19、定时器Timer2：带有8位周期寄存器的8位定时器/计数器（作为PWM的时基）。20、定时器Timer3:16位定时器/计数器，带预分频器。21、具有捕捉/比较/脉宽调制(PWM)的CCP模块。22、多达13通道的10位A/D转换器。23、有多种工作方式的主同步串行通信（MSSP）接口有SPI(主从模式）和C（主从模式）两种。24、可寻址的EUSART模块，支持RS232、RS485和LIN总线。25、多达2路或更多的模块比较器电压模块。26、可编程的低电压检测模块（LVD）为支持低电压检测时产生中断。图3-2 单片机最小系统及端口分布3.3 变压器的选型通常情况下，我们家里或者单位中直接接的都是220V的交流电，但是一般的电子设备工作电压却并没有这么高，过高的电压直接接在仪表设备上不仅仅会损伤器件，造成仪表设备的损坏不能使用，更有甚者可能会造成事故，引起人员伤亡等重大伤害。在本毕业设计中，我需要的产品通过PWM脉宽调制后输出电压大概是在0-15V之间，那么通过选择变压器来实现变换交流电压的作用之后，我需要大约30V左右的交流电，然后再进行整流电路。变压器的工作原理大致如下：变压器是变换交流电压和电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流过时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使得次级线圈中感应出电压（或电流）。而变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或者两个以上的绕组，接电源的绕组叫初级线圈，另外的绕组叫次级线圈。通过初级绕组和次级绕组的绕组比，我们就可以计算出，经过变压器变压后，我们在二次侧也就是次级线圈侧可以得到的交流电压的值，以为在本毕业设计中，一次侧我接的是220V的交流电，那么在二次侧我希望得到大概30V左右的交流电，所以我需要一个线圈比一次侧比上二次侧大约为1:7的变压器，变比计算公式如下： （2.1）-变压器一次侧匝数-变压器二次匝数-变压器一次侧电压-变压器二次侧电压经过再三比较，我最终选择了四川省崇州市恒达电子场的HDB-50B的变压器，具体性能：初级电压220V 50Hz次级电压16V产品样式如图所示：图3-3 环形HDB-50T产品图3.4 桥式整流电路的设计在经过变压器之后，我们得到了大约为30V左右的交流电，但是数字电源工作是需要直流供电的，是不能够直接使用变压器二次侧30V左右的交流电的，如果直接使用交流电的话可能会直接烧毁电路板中的元器件，所以我们一定需要通过整流电路来将交流电转换成为直流电。通常整流电路按照不同的类别可以分为不同的整流电路，例如按照组成器件来分：可以分为不可控、半控、和全控三种；按照电路结构可以分为：桥式电路和零式电路；按照交流输入相数分为：单项电路和多相电路；按变压器二次侧电流的方向可以分为：单向或双向。这里我选择桥式整流电路来实现交流变直流的功能，具体选择依据如下：效率较高使用比全波整流方便纹波系数较大比全波整流多用两个二极管也正是由于桥式整流电路有上诉这么多优点，所以我选择利用桥式整流电路来实现交流到直流的变换。图3-4 桥式整流电路交流电经二次侧正端进来，分别并联两个电容，这样可以起到一定的滤波作用，然后利用一个整流桥，对交流电进行整流处理，桥式整流电路的工作原理大致如下：整流桥中的二极管两两相对应的互为一组，当交流电为负半周时，对D1、D3加反向电压，Dl、D3不导通；对D2、D4加正向电压，D2、D4导通。电路中构成E、D1、R121、D3通电回路，在R121上形成上正下负的半波整流电压，交流电为正半周时，对D2、D4加反向电压，D2、D4不导通；对D1、D3加正向电压，D1、D3导通。电路中构成E、D2、R121、D4通电回路，同样在R121 上形成上正下负的另外半波的整流电。如此重复下去，结果在R121上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。3.5 调控电路的设计220V的交流电经过了前边的变压器，桥式整流电路之后，已经变成了大概30V左右的直流电了，但是这仍然不能够满足我们的要求。我们设计的是数字电源，既然是数字电源，我们就应该可以控制它的输出量，可以随意的根据自己的需要在有限的范围内进行控制，这就派生了我们这里PWM调控的设计，因为前边也讲到了，单片机片内A/D转换相比使用A/D转换器所具有的优势，首先单片机内置，省了电路板面积，也省了AD转换器的钱，其次内置的话我们一般都可以通过程序语言直接读取寄存器值，方便访问。而且有的内置AD还连接了DMA，这样的话不需要单片机的干涉，产品本身可以自己完成AD转换以及储存数据，方便多了。正是由于这一些观点我在这里就用单片机内部的PWM来进行电源输出的控制及电流电压的测量工作。具体设计思路如图所示：图 3-5 控制电路设计思路根据设计思路，首先我想要利用三极管基极导通与管段来控制输出电路的通与断，而且我希望通过利用多级放大电路来实现这个功能，因为从PIC18F4520单片机PWM引脚出来的电压约在0-5V之间，而且一般可以驱动三级管的导通与管段，这样我利用多级放大，依次使用承载负荷大的管子，通过一级一级的驱动，不仅可以控制最后输出电路的通断，还可以降低每个三级管的承载压力，做到了一举多得。控制电路设计如图所示：图3-6 控制电路根据查阅PIC系列单片机手册，我查到从35脚（PWMB)和36脚（PWMA)输出大约为0-5V的电压，在这里我利用了一个滤波电路来对单片机出来的电流进行滤波，这样做的目的是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。 经过滤波电路，我利用一个运算放大器来给三极管的基极释放控制信号，进而实现输出大小的控制，因为运算放大器是利用比较正负输入端的电压差来给公共级信号的，当正端输入电压比负端高的时候，那么公共级输出正电平，当正端输入电压比负端低的时候，那么公共级输出的为低电平，这个时候我让这个运算放大器的负端接地，而正端是有电压的，所以运算放大器公共级给了一个高电平给了三极管的基极，基极接受的电流大约是1MA，而9013 结构：NPN 集电极-发射极电压 25V 射极-基极电压 5V 集电极电流0.5A，通过观察9013的参数我们可以发现9013可以导通这个时候三极管9013通了那么加载在三极管发射极的电压就会通过三极管而产生电流，流过三极管9013的电流会对三极管D965的基极作用，再导通三极管2SD553Y，利用依次导通的原理，这样经过前边整流电路整流的电流就可以顺利的通过三极管，而实现为仪器仪表供电，有所不同的是，第一个三极管供电是外接电源，第二和第三个三极管供电是通过我们经过整流电路整流后的电流，而三极管的放大倍数的计算，我就在这里举一个例子，例如：三极管放大倍数是50，限流电路输入电阻是200欧姆，输出电阻（集电极电阻）为100欧姆，电路静态工作点正常，那这个电路的电压放大倍数是：输出电压/输入电压。再设输入电压为1V，则输入电流为i=1/200=5mA，输出电流为I=5x50=250mA，输出电压U=250x100=25V。改变输出电阻可以改变输出电压，也就改变电压放大倍数。依次类推即可，到这里我们就仅仅讲述完了电压控制的一部分，那么既然要控制，就一定有限制电路，所以接下来，我将要讲述的是限制电路的设计思想。首先，要想控制电压，首先就能够检测到输出中的电压，但是直接检测电压是很麻烦的事情，我的想法是利用电路中检测电流的大小来间接检测输出电压的大小，通过利用运算放大器的元器件正负极电压差导致公共极输出不同的特性来实现对电压的限制，如图所示：图3-7 反馈电路因为PIC18F4520单片机PWM口输出的是0-5V的交流电，在这里我同样利用了一个滤波电路来对单片机出来的电流进行滤波，这样做的目的是尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。其实也就是利用了电容的充放电特性，两端电的时候电容充电，两端没电的时候电容放电，而经过前边的三级放大电路，三极管2SD553Y也导通了，电流势必会通过电阻R26（0.1欧姆）流到图3-7中左上角的运算放大器的负端，这样我就可以与35口（PWMB）的输出电压比较运算放大器之间的电压差了，当然这样做还是远远不够的，我的意愿就是通过比较运算放大器正负端之间的电压差，而控制运放发出正/负信号来使得电路导通或者截止，所以我把起限流作用的运算放大器的公共端接回了原来PWMA的控制电路中，如图所示图3-8中的 图3-8输出电路1Limit 和图3-8中的1Limit中的标号相同，表示两个端口连在一起，如果输出电流过大，也就是说明输出电压过大了，那么运放就会给一个负的信号，使得10号引脚处电流截止，运算放大器的正端没有了电压，那么元算放大器的正负端就形成不了电压差，根据上边控制电路的说法，也就不可能使得三级放大电路发生效应，那么也就是说输出电流不可能通过三极管过来，这样就实现了电流和电压的限流和输出。3.6 LCD显示屏设计市场上LCD的现实屏很多，经过再三比较我选择通用的液晶显示模块“OY-1602A”。主要是因为该模块为市场上用的最普遍的显示模块之一，且价格便宜使用方便，选用该显示模块，在驱动程序的编写以及今后维护都极为方便。该模块具有以下显示特性： 5V单电源电压，低功率、使用寿命长、可靠性高内置 的192 种字符（其中160个7x5的点阵字符以及 32个10x5的点阵字符）具有64个KB的自定义的字符RAM，而且可自定义8个8x5的点阵字符或者四个11x5点阵字符底端带LED背光灯图3-9 LCD显示屏主电路在这里选择的LCD为16脚，我这里应用到了其中的12分别是16-11脚、6-4脚、和1脚和2脚而其余的四个引脚作为空余位可以作为以后功能扩展时的预留位，其中5引脚位用作只写位，4引脚位用作只读位。那么怎么控制LCD现实屏现实出我们想要的数字呢，其实很简单只需要根据产品手册查出图3-10 LCD编码表相对应的引脚输入高地电平即可，比如我们要现实数字0，只要在按照如图所示：表3-1 输出0引脚示意图B0B1B2B3B4B5B6B700000011其它的数字或者字符只要按照上边的方法都可以实现在LCD屏上的显示。3.7 键盘电路的设计键盘是我们通常来说的标准输入设备，实现键盘通常有两种方法：一来是采用芯片来进行键盘扫描，还有就是用软件来实现键盘扫描。使用现成的芯片增加了CPU的开销，也增加了成本，用软件实现具有较强的灵活性，且只需要很少的CPU开销，所以可以节省开发成本。我在这里的设计思想就是通过在按键上选择较流行的“旋转编码器”，这类旋转呈无界限性，在菜单选择时，利用其左旋或右旋，用以调节指示光标上下移动，用以实现菜单选择。在数据设置时，利用其左旋或右旋，对数据进行增加/减小（），用以实现数据调整功能。同时利用其按下功能，实现确认功能。另外我还想设计三个独立的按键具体功能分别介绍如下：“ON/OFF”键，该键独立设置，确保仪器使用安全。当使用者确认一切正常时，按下该按键，仪器才有对外输出电压，当遇到情况时，使用者只要按下该按键，仪器立刻停止对外输出。这样，可以避免使用者在操作或设置错误状态下，对仪器本身或负载受体造成损坏。“HOME”键，该键为退出键“SHIFT”键，该键为右移移位键，在参数设置时，将光标移动到需要调整参数的某位上，然后对该位数进行调整，该位调整完成后，可移动到下一位上，这样逐位对需要调节的数据进行调整。直到调整结束。图3-11 按键电路按键电路中，当没有电平按下时，通过内部的电源和引脚上的上拉电阻，每个引脚上为高电平，当检测到有按键按下时，引脚接地，芯片测量到引脚为低电平则表示该按键按下，从而实现相应的功能。按键在按下或弹起的过程中，会产生相应的低电平或这高电平，可是事实绝大多数情况却并非如此。普通的键盘按键常常都采用触点式按键开关，也就是我们在把按键被按下或者释放的时候，按键的触点会因为弹性而会产生相应的抖动现象。即当按键按下时，触点当时并不会迅速可靠的接通，而在当按键释放时，触点也并不会马上断开，而是要经过一段时间的抖动处理才能稳定，当然了按键的材料不同，抖动的时间也不尽相同。图3-12 按键抖动示意图一次完整的按键过程，通常包含以下几个阶段：如图3-12所示。等候的阶段：按键尚未按下，按键处在空闲阶段；闭合抖动的阶段：按键才刚刚按下，信号正处于抖动状态，约5ms到15ms；有效闭合的阶段：此时抖动己经结束，有效的按键动作己经产生，系统此时应该执行按键功能，或者此时将按键编码记录下来，再等到按键弹起的时候再执行其它功能；释放抖动的阶段：此时编程人员并不急于此时消抖延时，但是最好执行一次消抖延时动作，防止系统误操作；有效释放的阶段:如果设计要求我们在按键抬起时才执行此功能，那么就应当在此时进行按键功能处理。按键的抖动问题一般来说我们都会采取软件消抖的方法来解决。3.8 本章小结本章内容进行详细地分析系统硬件电路，我们知道良好的硬件是保证产品正常工作的基础。整个系统由单片机最小系统、变压器、桥式整流电路、调控电路、LCD电路和键盘电路组成。系统选用PIC18F4520，保证了系统稳定、高速的运行；而单片机内置A/D用来转换采集来的电压信号。第4章 系统软件设计第 4 章 系统软件设计当硬件基本确定后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可以将软件分为两大类：一是监控软件也就是我们所说的主程序，它是整个控制系统的核心，专门通过它来协调各执行模块和操作者之间的关系，以达到实现不同模块功能的作用。二来就是是执行软件也就是子程序，是用来完成各种实质性的功能。当然由于汇编语言的可移植性和可读性都较差，采用汇编语言编写单片机程序不仅周期长，而且调试和排错也比较困难，我们为了提高单片机程序的效率，加强程序的可读性和可移植性，适时的采用高级语言无疑将是一种很好的选择。而C语言是一种非常通用的计算机程序设计语言，且在国际上十分流行。用它既可用来编写计算机的系统程序，同时也可用来编写一般的应用程序，正是C语言既具有一般高级语言的特点同时又能直接对计算机的硬件进行操作，而且表达和运算能力也较强，所以许多以前只能用汇编语言来解决的问题在现在都可以用C语言来解决。4.1 程序设计流程图:图4-1程序设计流程图4.2 程序设计思想程序设计使用C语言编程，在主函数的基础上利用模块化语言设计思路，将实现不同功能的模块单独编程，再嵌套进主程序之中，最终实现自己所预期的功能，具体模块主要有主程序电压电流参数表，设定值，输出值，显示值之间的换算子程序中断处理子程序PIC18F4520配置位子程序等相关子程序，因为考虑到子程序过多，毕业设计论文篇幅有限，若将全部子程序一一罗列出并加以说明，实在是不太可能，所以这里我仅仅将程序中实现主要的功能的子程序罗列出，并加以说明，其它的子程序我将在章节结尾通过表格来说明它的存在。4.3主程序：程序设计思想：主程序分为函数申明和函数引用部分，主要是定义和引用了一些执行具体工作的子函数，即前边所提到的模块化设计思想，没有具体执行什么功能的作用，产品所实现的主要功能主要靠其中的子函数中的程序来实现，其中起实现功能主要的子程序主要有主程序电压电流参数表，设定值，输出值，显示值之间的换算子程序中断处理子程序图 4-2 主程序流程图PIC18F4520配置位子程序等相关子程序，这些程序在毕业设计中所起的作用我将在接下来的论文中一一说明。4.4子程序1：（电压电流参数表、设定值、输出值、显示值、A/D转换之间的换算子程序）程序设计思想：首先我利用App83-table.c 来定义该段子程序的名称，