基于单片机的数控电源设计-毕业设计.doc

1、CHANGZHOU 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： 戴梦霖 学号： 09125504 指导教师： 郭建江 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 2013 年 6 月SJ006-1常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书摘要随 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 ，

2、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

3、 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AbstractWith the development of ele

4、ctronic 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

5、 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

6、, 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, sim

7、plifying 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I目录第 1 章 前 言 .1

8、1.1 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 .8

9、2.1 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

10、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 .30常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书II5.1 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 .43第 1章 前

11、言1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

12、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

13、 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

14、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

15、 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

16、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

17、 。 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 势常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书2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

18、 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

19、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

20、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 ，

21、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

22、 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

23、， 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

24、 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 器第 1章 前言3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 M

25、odulation） 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

26、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

27、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

28、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

29、 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

30、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 受常州工学院电子

31、信息与电气工程学院毕业设计说明书4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

32、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 。参 考压 降R 3 / 2RRR / 2编码器输 入比 较 器n 位 数 字 输 出图 1-1 全并行 A/D 转换器它 的 工 作 原 理

33、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 。