毕业设计（论文）基于单片机的数字pwm控制器设计与应用（硬件）

论文题目基于单片机的数字PWM控制器设计与应用硬件专业微电子学本科生签名指导教师刘树林签名摘要PWM很大的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换，对噪声抵抗能力的很强，噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响，所以用来控制开关电源非常理想，得到了很好的应用。进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，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。尤其是PWM控制器应用于开关电源的控制，因为开关电源目前便携式设备市场需求巨大，DCDC开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高，使得DCDC开关电源的设计也更具挑战性。51单片机本身是没有PWM接口的，本文是通过软件实现PWM在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，控制BUCK电路。关键词数字PWM，占空比可调，开关电源SUBJECTBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERDIGITALPWMCONTROLLERDESIGNANDAPPLICATIONHARDWARESPECIALTYMICROELECTRONICSNAMEWANGLEISIGNATUREINSTRUCTORLIUSHULINSIGNATUREABSTRACTONEADVANTAGEOFAPWMFROMPROCESSORTOBECONTROLSYSTEMISINTHEFORMOFDIGITALSIGNALANDNOANALOGTODIGITALCONVERSION,THESTRONGRESISTANCETONOISE,THENOISEINSTRONGENOUGHTOWILLONLYLOGIC1CHANGEFORLOGIC0ORWILLLOGIC0CHANGEFORLOGIC1,CANALSOINFLUENCEOFDIGITALSIGNAL,SOUSEDTOCONTROLSWITCHPOWERSUPPLYVERYIDEAL,GOTAGOODAPPLICATIONINTHE1980S,ASALLCONTROLLINGPOWERELECTRONICSDEVICEOFTHEEMERGENCEANDITSRAPIDDEVELOPMENT,PWMCONTROLTECHNOLOGYTOREALLYGETTHEAPPLICATIONALONGWITHTHEPOWERELECTRONICTECHNOLOGY,MICROELECTRONICSTECHNOLOGYANDAUTOMATICCONTROLTECHNOLOGYANDTHEDEVELOPMENTOFNEWMETHODSSUCHASTHETHEORYOFMODERNCONTROLTHEORY,THEAPPLICATIONOFTHENONLINEARCONTROLSYSTEM,PWMCONTROLTECHNOLOGYACHIEVEDUNPRECEDENTEDDEVELOPMENTESPECIALLYPWMCONTROLLERUSEDINTHECONTROLOFSWITCHPOWERSUPPLY,BECAUSETHESWITCHPOWERSUPPLYCURRENTLYPORTABLEEQUIPMENTLARGEMARKETDEMAND,DCDCSWITCHPOWERDEMANDISMOREANDMOREBIG,THEPERFORMANCEREQUIREMENTSALSOMOREANDMOREHIGH,MAKEDCDCSWITCHPOWERDESIGNALSOISMORECHALLENGING51SINGLECHIPMICROCOMPUTERITSELFISNOPWMINTERFACE,THISPAPERISTHROUGHTHESOFTWAREIMPLEMENTATIONINCERTAINFREQUENCYPWMOFSQUAREWAVE,ADJUSTTHEHIGHLEVELANDLOWLEVELOFTHANTHEAIR,BUCKCONTROLCIRCUITKEYWORDSDIGITALPWM,OCCUPIESEMPTIESCOMPAREDADJUSTABLE,SWITCHINGPOWERSUPPLY目录第一章绪论611研究意义及背景612国内外现状及发展趋势713主要工作内容814本章小结8第二章设计内容及硬件电路简介921电路图简介9211可调数字PWM9212数字PWM对BUCK电路的控制1324方案结果1425本章小结14第三章单片机简介及数模装换芯片1531单片机的工作原理15311单片机系统简介15312单片机功能引脚16328位串行A/D转换器ADC083219331功能特点19322外部引脚及其说明20323单片机对ADC0832的控制原理20324ADC0832典型应用2233数码管24331数码管简介24332注意事项2534本章小结25第四章应用电路2641开关电源的控制26411BUCK的原理及参数27412CCM/DCM区别及BUCK线路的边界条件29413各种驱动电路分析3342正负015V可调模拟电源36421整流电路图如下37422滤波电路图如下38423LM317三端正电压稳压器3843本章小结39第五章总结4051论文总结4052工作展望40致谢41参考文献42附录一43附录二44第一章绪论11研究意义及背景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20世纪80年代以前一直未能实现。知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，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。大多数采用PWM（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式一种是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制。模拟控制由于其调试复杂等固有原因，正逐渐被淘汰。而在数字控制技术中，PWM控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点广泛的被人们使用，模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V,5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用了微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小，所以通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。12国内外现状及发展趋势PWM控制技术是一中广泛应用于控制领域的技术，其原理是利用冲量相等而形状不相同的窄脉冲加在具有惯性的环节时候，效果基本相同。在国外，PWM源于上世纪九十年代，其思想源于通信技术，但随着现代电子技术的发展使得PWM理论越来越成熟，其发展的速度越来越快速。已经取代传统的可控硅电机调速系统。由原先的“电机控制”“电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。IGBT、MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。随着电脑技术的快速发展，现在新型的台式电脑，笔记本电脑，都已经取消了并口和串口，过去学习单片机大部分是采用并口ISP下载线。我们推出了解决方案采用USB转串口线配上STC89C52单片机使用电脑的USB口，就可以轻松实现在线烧写单片机进行学习了，所以STC89C52单片机具有相当好的发展前景。在国内PWM有理论基础逐渐成熟，但在应用上，国内外差距也很大。PWM调速系统的应用是近年来才开始的，原因是我国的电子工业的基础比较差。PWM调速系统中所需的关键部件得靠进口。近年来，我国已开发出具有自主知识产权的一些关键部件，从而为该技术推行奠定了物质基础。PWM电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案，是实现电机拖动数字控制的基础。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。一般情况下调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法一种方法是采用模拟电路中的调制方法另一种方法是使用脉冲计数法。对于一般电机控制采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。因此本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。13主要工作内容基于单片机的数字PWM控制器的设计是采用软件完成，实现频率不变占空比可调的，然后在此基础上来控制开关电源，具体是控制BUCK电路，来实现斩压可控制的电路。本文将分三章进行安排设计内容及硬件电路简介；单片机简介及数模装换芯片；应用电路。14本章小结本章首先讲述了本文的选题背景及研究的现实意义和理论意义，然后讲述了本课题相关研究领域国内外发展历史及本课题的研究现状及发展趋势。提出了本文需要研究的主要内容，并对文中的具体章节进行了安排。第二章设计内容及硬件电路简介21电路图简介使用PROTEUSISIS设计电路原理图如下图21电路原理图如图21所示，基于单片机产生按键可调的PWM，控制BUCK电路，驱动MOS管的开断，来实现电压的变换，并通过芯片ADC0832进行采集，并在四位数码管显示。以下对各分模块进行简单介绍211可调数字PWM采样控制理论中有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。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。基于单片机生成占空比可调的数字PWM图如下图211可调的数字PWM根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法1等脉宽PWM法VVVFVARIABLEVOLTAGEVARIABLEFREQUENCY装置在早期是用PAMPULSEAMPLITUDEMODULATION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。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3SPWM法SPWMSINUSOIDALPWM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。4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5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6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7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8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规则采样法是对自然采样法的改进,其主要优点就是是计算简单,便于在线实时运算,其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦其缺点是直流电压利用率较低,线性控制范围较小212数字PWM对BUCK电路的控制应用方案是利用数字PWM对BUCK电路的控制实现直流斩压，并使用数模装换芯片现实电压变化图222BUCK电路驱动电路的设计思想是，利用自举升压结构将上拉驱动管Q1的栅极（B点）电位抬升，使得UBVDDVTH，则NMOS管工作在线性区，使得VDS大大减小，最终可以实现驱动输出高电平达到VDD。而在输出低电平时，下拉驱动管本身就工作在线性区，可以保证输出低电平位GND。因此无需增加自举电路也能达到设计要求。考虑到此驱动电路应用于升压型DCDC转换器的开关管驱动，负载电容CL很大，一般能达到几十皮法，还需要进一步增加输出电流能力，因此增加了晶体管Q1作为上拉驱动管。这样在输入端由高电平变为低电平时，Q1导通，由Q1同时提供电流，OUT端电位迅速上升，当OUT端电位上升到VDDVBE时，Q1截止，继续提供电流对负载电容充电，直到OUT端电压达到VDD。24方案结果通过单片机软件程序实现数字PWM的设计，并完成对BUCK电路的控制，通过电压采集与显示，电压的变换随着PWM占空比的变化而变化。具体参数如下单片机实现频率为30KHZ，占空比20可调，幅值为5V的输出，BUCK输入电压12V，电感100MH，输出100MA，电压输出范围3V8V。25本章小结本章主要介绍了整体的设计思路和设计理论基础，在以后几章节中会对各个分模块进行详细的介绍。第三章单片机简介及数模装换芯片31单片机的工作原理311单片机系统简介单片微型计算机简称单片机是微型计算机的一个分支。它是在一块芯片上集成嵌入了CPU、RAM和ROM存储器、I/O接口等而构成的微型计算机。因主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。单片机的核心是中央处理器CPU。用超大规模集成技术把CPU集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器、微控制器和微型计算机三者的关系十分密切。目前单片机在工业测控领域中已占重要地位。各电气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代、产品智能化的重要工具。单片机自动完成赋予它的任务的过程也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的。一条指令对应着一种基本操作，单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令，这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令。这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元，最小的存储单位组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里。单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样。每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址。这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行。必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC，包含在CPU中。在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3。以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。312单片机功能引脚STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能，8K字节FLASH，512字节RAM，32位I/O口线，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停WWW。DOCIN。COM基于单片机的PWM调光9止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHZ6T/12T可选。图312AT89C51引脚图上图为STC89C52引脚图以及各引脚功能。各功能引脚的简介如下VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，ILL这是由于上拉的缘故。P3口的第二功能P30RXD串行输入口P31TXD串行输出口P32/INT0外部中断0P33/INT1外部中断1P34T0计时器0外部输入P35T1计时器1外部输入P36/WR外部数据存储器写选通P37/RD外部数据存储器读选通RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是，每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，0000HFFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET，当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。下图为单片机振荡电路图313单片机振荡电路328位串行A/D转换器ADC0832331功能特点ADC0832是NSNATIONALSEMICONDUCTOR公司生产的串行接口8位A/D转换器，通过三线接口与单片机连接，功耗低，性能价格比较高，适宜在袖珍式的智能仪器仪表中使用。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件连接和处理器控制变得更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。其主要特点如下（1）8位分辨率，逐次逼近型，基准电压为5V；（2）5V单电源供电；（3）输入模拟信号电压范围为05V；（4）输入和输出电平与TTL和CMOS兼容；（5）在250KHZ时钟频率时，转换时间为32US；（6）具有两个可供选择的模拟输入通道；（7）功耗低，15MW。322外部引脚及其说明ADC0832有DIP和SOIC两种封装，DIP封装的ADC0832引脚排列,如下图所示。图321ADC0832引脚图各引脚说明如下CS片选端，低电平有效。CH0，CH1两路模拟信号输入端。DI两路模拟输入选择输入端。DO模数转换结果串行输出端。CLK串行时钟输入端。VCC/REF正电源端和基准电压输入端。GND电源地。323单片机对ADC0832的控制原理一般情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲到来之前DI端必须是高电平，表示启动位。在第2、3个时钟脉冲到来之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能，其功能项见表1。配置位选择通道输入形式CH0CH1CHOCH100差分输入0110单端输入11如表1所示，当配置位2位数据为1、0时，只对CH0进行单通道转换。当配置2位数据为1、1时，只对CH1进行单通道转换。当配置2位数据为0、0时，将CH0作为正输入端IN，CH1作为负输入端IN进行输入。当配置2位数据为0、1时，将CH0作为负输入端IN，CH1作为正输入端IN进行输入。到第3个时钟脉冲到来之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个时钟脉冲开始由DO端输出转换数据最高位D7，随后每一个脉冲DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据D0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个时钟脉冲输出D0。随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁表1ADC0832配置位用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。下图为ADC0832时序图。324ADC0832典型应用单片机串行口方式0与ADC0832接口AT89S51ADC0832RXDTXDP17CSCLKDOCH0CH1DI如图所示，AT89C51的P17为片选信号端，TXD是时钟信号输出端，RXD为启动信号，模拟通道选择信号发送端以及A/D转换后输出数据的接收端。图322ADC0832时序图图323ADC0832与单片基接口ADC0832的时钟频率最高为400KHZ，单片机AT89C51晶振选用4MHZ，在TXD端的输出频率为4MHZ/12333KHZ，符合要求。ADC0832输出的串行数据共15位，由两段8位数据组成，前一段是最高位在先，后一段是最高位在后，两段数据的最低位共用。只有在时钟的下降沿，ADC0832的串行数据才移出一位。由单片机控制时钟信号进行发送，并由TXD发出，以达到控制ADC0832输出数据位的目的。为了得到一列完整的8位数据，单片机分两次采集含有不同位的数据，再合成一列完整的8位数据。当REN0时，AT89C51连续一次向ADC0832发送8个时钟脉冲，前3个脉冲发送的是启动位和模拟通道选择位，共计3位；从第4个脉冲下降沿开始，ADC0832发出转换数据D7D4（在脉冲上升沿单片机方可接收）。但由于REN0，单片机不予接收，丢失D7D4数据。当REN1时，单片机又向ADC0832连续发出8个时钟脉冲，其输出转换数据D3，D2，D1，和D0,D1,D2,D3,D4,存入累加器A形成如下结构累加器AD4D3D2D1D0D1D2D3MSBLSB上述数据右移3位，并屏蔽掉高3位，暂存于寄存器B，得到如下结构寄存器B000D4D3D2D1D0MSBLSB单片机第二次接收，可得到下列数据累加器AXXXXXD7D6D5MSBLSB以上数据左移5位，并屏蔽低5位，送入累加器A，得到如下结构累加器AD7D6D500000MSBLSB进行（A）（B）（A）运算，得到如下结构累加器AD7D6D5D4D3D2D1D0MSBLSB从而得到一个完整的8位A/D转换结果。33数码管331数码管简介四位七段数码管引脚图的内部的四个数码管共用ADP这8根数据线，为人们的使用提供了方便，因为里面有四个数码管，所以它有四个公共端，加上ADP，共有12个引脚，下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图（共阳的与之相反）。下图为四位数码管内部示意图图331四个数码管1段及小数点上加限流电阻2使用电压段根据发光颜色决定；小数点根据发光颜色决定3使用电流静态总电流80MA（每段10MA）；动态平均电流45MA峰值电流100MA。332注意事项数码管使用注意事项说明（A）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（B）焊接温度度；焊接时间（C）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。34本章小结本章主要介绍了单片机的发展和各功能的引脚，对单片机有个更为系统的认知，然后介绍了数模转换芯片0832，以及0832与单片机的链接方式。第四章应用电路41开关电源的控制与电子技术的飞速发展,电子系统的应用领域越来越广泛,电子设备,有越来越多的人工作以电子设备、生活越来越密切的关系。任何电子设备都离不开可靠供电电源的需求,他们也越来越高。电子设备的小型化、低成本的光的力量又瘦,小而高效的为发展方向。开关电源工作原理是第一效用成粉末整流器和直流渗入,然后通过开关电路、高频开关高频变压器低压脉冲,再经过精馏和滤波电路,最后输出低压直流电源。与此同时,在部分有一个电路的输出反馈控制电路,通过控制PWM占空比实现输出电压的稳定。根据开关电源的控制原理来分类,我们有以下三种工作模式1脉冲宽度调整式,简称调制PULSEWIDTH脉冲宽度调制PWM的类型、词的缩写。其主要特点是固定开关频率、脉冲宽度调节,通过改变电压390V,实现的目的。其核心是脉冲宽度调制器。开关周期固定设计滤波电路,提供了方便。然而,其缺点是受到限制开关电源传导时间最少的输出电压不能广泛调节此外,输出将假负载通常也称为预负荷,以防止拖动当输出电压升高。目前,大部分的集成开关电源采用PWM方式。2脉冲频率调制方式脉冲频率调制,即PULSEFREQUENCY调制,缩写为烤瓷类型。其特点是将通过改变脉冲宽度固定开关频率来调节电压390V,实现的目的。其核心是脉冲频率调制器。电路设计使用固定脉宽发电机取代脉宽调制器和使用锯齿波发生器电压变频器例如压控振荡器频率压控振荡器的变化。在电压稳定性的原则是当正和输出电压的升高,输出信号控制器脉冲宽度不变,而周期较长,使正和390V减小,减小。PFM类型的开关电源输出电压的范围很广,输出端不满足假负载。PWM方式和途径调制波形烤瓷分别载于本许可证图1A,B显示、TP说脉冲宽度即功率开关管传导时间吨,T代表周期。它可以容易看出两者的区别。但是他们有一些共同点1所有使用时间比控制曾经的稳压原理、是否变TP、最后调整或T脉冲390V。即使采取了不同的方式,但控制目标,是殊途同归。2当负荷,重量轻,或输入电压,分别通过增加高改变脉冲宽度、更高频率的方法,使输出电压保持稳定。3混合调制方式,是指脉冲宽度、开关频率不固定,彼此可以改变,它属于方式和烤瓷的混合模式PWM脉宽调制。它包含了脉宽调制器和脉冲频率调制器。因为和T均可单独调节,所以占空比的调整范围最为广泛,适合制作输出电压的实验室使用广泛的可调整开关电源。以上三个工作统称为“时间比控制”作为一种控制,从编织的方法。值得注意的是,脉宽调制器或作为一个独立的IC使用例如UC3842型脉宽调制器,也可以是综合在DC/DC变换器例如LM2576式开关稳压器集成电路,还可以集成在AC/DC变换器例如TOP250型单片机开关电源。其中,开关稳压器属于直流/直流功率转换器,开关电源一般用于AC/DC电源转换器。411BUCK的原理及参数BUCK线路（降压线路）的原理图如图1所示，降压线路的基本特征为输出电压低于输入电压，输出电流为连续的，输入电流是脉动的。图411BUCK原理图下图为降压线路工作时的理想波形图412降压线路工作时的理想波形开关管导通时，输出电感储能，流过电感的电流线性增加，同时给SDTT0负载提供能量；1VDTILG开关管关断，输出电感通过DIODE进行续流，流过电感的电流线性SSTTD减小。2VDTIL依据电感伏秒平衡原理可得3SSGTDV1由式3可得4G412CCM/DCM区别及BUCK线路的边界条件开关转换线路是否工作在CCM或者DCM,主要取决于流过电感电流是否连续，当电感电流连续时，则开关转换器工作于CCMCURRENTCONTINUOUSMODE当电感电流不连续时，则开关转换器工作于DCMCURRENTDISCONTINUOUSMODE。当开关转换线路工作于CCM/DCM边界，对于BUCK线路而言，即流过电感的电流纹波与输出电流相等即5RVLTDS21由式5可得边界条件为6FKS1即当时，BUCK变换器工作在CCM模式；RLFDS21当时，BUCK变换器工作在DCM模式；FS当时，BUCK变换器工作在CCM/DCM边界；RLFDS21（1）BUCK变换器的DCM时的稳态关系当BUCK变换器工作在DCM时，则一个完整的周期分为三个部分INTERVAL。即当时，电感储能，电感两端的电压为SDTT07VDTILVG当时，电感释放能量，电感两端的电压为SST18TIL当时，电容释放能量，电感两端的电压为SSTTD190LV依据电感的伏秒平衡原理可得10GM式中2/41DK（2）CCM时AC等效电路模型ACEQUIVALENTCIRCUITMODELING建立，考虑输出电感的寄生阻抗DCR,输出电容的寄生阻抗ESR。当时STT011TVDTILTVG12RTITCTIL当时SSTTD13TVDTITVLL14RTITCTIL使用平均值近似代替小纹波量，即、TVTGTGSTVTSTTITILTLS将上述式子代入式11、12、13、14并计算电感电压平均值及电容电流平均值得15SSSSTTTGTLTVDTTDT16RTITISSSTLTC平均输入电流的平均值为17SSTLTGTIDI构建在静态工作点（I、V、D）的小信号AC模型，即有TVVTGTGS|TVVGS|TIITILTLS|TIILGTGS|GTDDST|TD使用上述式子代替式15、16、17并消除DCTERM直流分量得18TVVTDTILG19RTITVCL20TIDIILG由上述三式构建小信号AC等效电路如下图示图413小信号AC等效电路由上图可以获知21120SRLCVTDVGTG22120SRLDTVDG2320/LCSRSZTIOUTTDTVOG、2421LCSRVTIGTVLG252SDTVIDGL413各种驱动电路分析以下进行各驱动的简单介绍与对比1）直接驱动图414直接驱动当主电路的供电电压不太高时，可插入图上所示的电平转换驱动电路。这种方法的优点是成本较低，缺点一是当输入电压VIN较高时不易处理好；二是电平移动驱动部分需要电荷泵供电，因此电路比较繁复。2光电耦合器隔离驱动图415光电耦合器隔离驱动这是一种常用的方法，如上图所示，优点是电路比较成熟，但光耦次级需要隔离电源，由于光耦的速度不是很快，工作频率不能太高，并可能降低电源的瞬态响应速度。3变换MOSFET的位置，直接驱动图416变换MOSFET的位置如上图所示，将MOS管移到供电电源的负端，就可用IC输出的信号直接驱动，优点是驱动成本低，缺点一是输出地悬浮，抗干扰性差；二是不能直接引进反馈，需要再加光耦隔离传送。4变压器直接隔离驱动图417变压器直接隔离驱动如上图所示这种直接驱动方法的突出优点是成本最低，但是由于变压器只能传递交流信号，因此输出的正负脉冲幅值随占空比而变，只适用于占空比在05左右、而且变化不大的情况。同时由于变压器的负载是MOS管的输入电容，驱动脉冲的前后沿一般不会很理想。5）有源变压器驱动图418有源变压器驱动用变压器传送信号，次级另加隔离电源和放大电路，如图所示。因为变压器只传送信号，因此响应比较快，工作频率可以很高，次级有源，可以输出比较陡峭的脉冲信号。缺点是要有一路隔离的电源供给。6采用新型隔离驱动组件直接驱动图419采用新型隔离驱动组件直接驱动上图示出的是采用KD103原CMB3型驱动模块的斩波电路，该驱动组件是北京落木源公司开发出的单管隔离驱动器。该款驱动器使用变压器隔离，采用分时技术，在输入信号的上升和下降沿传递PWM的信号，在平顶阶段传递能量，因而能够输出陡峭的驱动脉冲。这种驱动方法的优点是使用方便（在MOSFET功率不大时，只要如图7连接就可以了），驱动脉冲质量好，工作频率高，体积较小，输入电压最高可达1000V，价格也比较便宜。缺点是工作频率过低时要求的变压体积比较大，同时成本稍高些，但考虑到简化了设计、并降低了装配的成本。基于以上驱动原理的理解，和本设计的要求，本文采用的三极管直接驱动，并实现驱动的，能够达到设计要求，故予以采用。42正负015V可调模拟电源因为BUCK电路12V电源要与PWM共地，所以设计了正负可调的电源，这样就解决了不共地的问题。电路图如下图42原理图若实现稳压电源，首先就要就电路进行稳压。在稳压方面可选用变压器来完成。由输入交流电压变为直流则须对电路进行整流。本次设计选用全波桥式整流电路进行整流。然后要对输入的电压进行调节。在调节方面。可选用可调节三端正电压稳压器进行调节（LM317）。通过整流后得电流幅值变化很大，所以需要用电容对电流进行滤波。然后输出即可。电路模块分析稳压整流调压滤波输出421整流电路图如下图本设计采用单相桥式整流电路桥堆KBP307。其由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边电压U的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。为达到这一目的，需要在UZ的正、负半周内正确引导流向负载的电流，使其方向不变，设变压器副边两端分别为A和B，则A为“”B为“一”时应有电流流出A点，A为“一”B为“”时应有电流流入A点；相反，A为“”B为“一”时应有电流流入B点，因而A和B点均应接两只二极管，以引导电流，单相桥式整流电路UOK如果桥式整流电路变压器副边中点接地，就应将两个负载电阻相连接且连接中点接地。根据桥式整流电路的工作原理，当A点为“”B点为“一”时，DL、D3导通，D2、D4截止，U01一L12，U02一一U2；而当B点为“”A点为“一”时，D2、D4导通，D1、D3截止，U01一一U2，U02一U2，这样两个负载上就分别获得正、负电压。422滤波电路图如下经过整流后的直流电幅值变化很大，会影响电万方数据路的工作性能。可利用电容的“通交流，隔直流”的特性，在电路中并人两个并联电容作为电容滤波器，滤去其中的交流成分。电容滤波电路是最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端即负载电阻两端并联一个电容即构成电容滤波电路。滤波电容容量较大，因此一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充、放电作用，使输出电压趋于平滑。如果将两个滤波电容相连接，且连接点接地，就可同时得到输出电压平滑的正负电源。在理想情况下，变压器副边无损耗，二极管导通电压为零，所以电容两端电压相等。而当其上升到峰值后开始下降，电容便通过负载电阻放电，其电压也开始下降，趋势与电容两端电压基本相同。423LM317三端正电压稳压器LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围12伏到37伏时能够提供超过15安的电流，此稳压器非常易于使用。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。稳压电源的输出电压可用下式计算，VO125（1R2/R1）。仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先317稳压块的输出电压变化范围是VO125V37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是VO125V45V），所以R2/R1的比值范围只能是0286。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为15MA。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5MA。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时，没有注意317稳压块的最小稳定工作电流，那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象稳压电源