利用单片机控制的数控直流电源系统的设计.docx

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利用单片机控制的数控直流电源系统的设计

目录

摘要I

第1章绪论1

1.1单片机控制数控直流电源设计目的和意义1

1.2单片机控制数控直流电源设计项目发展1

1.3单片机控制数控直流电源设计原理1

第2章单片机控制数控直流电源设计方案研究2

2.1方案一设计2

2.2方案二设计2

2.3单片机控制数控直流电源设计参数3

2.4本课题完成的主要任务3

第3章单片机控制数控直流电源设计4

3.1主回路设计4

3.2控制电路设计4

3.3控制程序设计4

3.4单片机控制数控直流电源结构部分设计4

第4章结论4

致谢6

参考文献7

附录8

摘要

随着电力电子技术的迅速发展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。

目前，市场上各种直流电源的基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等。

文章介绍了单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节，在宽输出电压下实现了0.1V步进调节，并分析了稳压工作原理和电压调节方法。

该电源具有电压调整简便、电压输出稳定、便于智能化管理等特点。

将单片机数字控制技术，有机地融入直流稳压电源设计中，设计并制作出一款数字化直流稳压电源。

该电源采用数字调节、输出精度高，且兼备短路和过流保护及报警功能，特别适用于各种有较高精度要求的场合。

利用单片机对直流稳压电源进行控制，改善了电源的性能，使用方便灵活，并且成本较低，同时控制系统在软件上还可进一步改进，以扩展其功能，而且并不需要增加硬件开销，从而提高电源的性能价格比。

关键词：

稳压电源；单片机；直流电源

Abstract

Withtherapiddevelopmentofpowerelectronics,DCpoweriswidelyused,itsdirectimpactontheelectricaldeviceorcontrolsystemperformance.Currently,avarietyofDCpowersupplyonthemarketsimilartothebasicaspectsareincludedACpowersupply,ACtransformer,rectifier,filterregulatorcircuit.ThisarticleintroducessinglechipcontrolsystemforDCpowersupplyofthemethodsandprinciplestoachievethepowersupplyCNCadjustmenttoachieveawideoutputvoltageofthe0.1Vstepregulation,andanalyzestheworkingprincipleandthevoltageregulatoradjustmentmethod.Thepowersupplyhasasimplevoltageregulator,voltageoutputstability,easeofintelligentmanagementfeatures.Thesinglechipdigitalcontroltechnology,organicintegrationintotheDCpowersupplydesign,designandproduceadigitalDCpowersuppiy.Thedigitalpowersupplyregulation,theoutputofhighprecision,andbothshortcircuitandovercurrentprotectionandalarmfunctions,especiallyforhigheraccuracyrequirementsforvariousoccasions.DCpowersupplyusingmicrocontrollertocontrolandimprovethepowerperformance,convenience,flexibilityandlowercost,whilethecontrolsystemsoftwarecanbefurtherimprovedtoextenditsfunctionality,butdoesnotrequireadditionalhardwareoverhead,whichimprovethepowerperformanceandlowcost.

Keywords:

powersupply;SCM;DCpowersupply

一绪论

电源技术尤其是数控电源技术是一问实践性很强的工程技术，服务于各行各业。

电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。

当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域、随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。

随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出不同要求并制定了一系列的产品精度标准。

只有满足产品标准，才能够进入市场。

随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。

数据电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。

这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。

在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展，但其产品存在数控程度打不打要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。

因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。

新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数控信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。

从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分[1]。

数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性。

智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。

电源采用数字控制，具有以下明显优点：

1）易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。

2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。

3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统（或不同型号的产品），采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。

4）系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数在线修改、调试；也可以通过MODEM远程操作。

5）系统的一致性好，成本低，生产制造方便。

由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。

由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

6）易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。

为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都cy采用数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。

二、单片嵌入式系统概述

在各种不同类型的嵌入式系统中，以单片微控制器（Microcontroller）作为系统的主要控制核心所构成的单片嵌入式系统（国内通常称为单片机系统）占据着非常重要的地位。

单片嵌入式系统的硬件基本构成可分成两大部分：

单片微控制器芯片和外围的接口与控制电路。

其中单片微控制器是构成单片嵌入式系统的核心。

所谓的单片微控制器－即单片机，它的外表通常只是一片大规模集成电路芯片。

但在芯片的内部却集成了中央处理器单元（CPU），各种存储器（RAM、ROM、EPROM、E2PROM和FlashROM等），各种输入/输出接口（定时器/计数器、并行I/O、串行I/O以及A/D转换接口等），等众多的功能部件。

因此，一片芯片就构成了一个基本的微型计算机系统[2]。

由于单片机芯片的微小体积，极低的成本和面向控制的设计，使的它作为智能控制的核心器件被广泛地应用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域中的电子设备和电子产品中。

可以说，由单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分

2.1嵌入式计算机系统

　计算机的出现首先是应用于数值计算。

随着计算机技术的不断发展，计算机的处理速度越来越快，存储容量越来越大，外围设备的性能越来越好，满足了高速数值计算和海量数据处理的需要，形成了高性能的通用计算机系统。

2.1.1什么是嵌入式系统

以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计算机、中型机、小型机和微型计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约40年。

近20年来，随着计算机技术的迅速发展，以及计算机技术和产品对其它行业的广泛渗透，使得以应用为中心的分类方法变得更为切合实际。

具体的说，就是按计算机的非嵌入式应用和嵌入式应用将其分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统[3]。

通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并应用在社会的各个方面。

现在我们在办公室里、家庭中，最广泛普及使用的PC机就是通用计算机其最典型的代表。

而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中的。

在许多的应用领域中，如工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备等电子系统和电子产品中，对计算机的应用有着不同的要求。

这些要求的主要特征为：

（1）面对控制对象。

面对物理量传感器变换的信号输入；面对人机交互的操作控制；面对对象的伺服驱动和控制。

（2）嵌入到应用系统。

体积小、低功耗、价格低廉，可方便地嵌入到应用系统和电子产品中。

（3）能在工业现场环境中可靠运行。

（4）优良的控制功能。

对外部的各种模拟和数字信号能及时地捕捉，对多种不同的控制对象能灵活地进行实时控制。

可以看出，满足上述要求的计算机系统与通用计算机系统是不同的。

换句话讲，能够满足和适合以上这些应用的计算机系统与通用计算机系统在应用目标上有巨大的差异。

我们将具备高速计算能力和海量存储，用于高速数值计算和海量数据处理的计算机称为通用计算机系统。

而将面对工控领域对象，嵌入到各种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中，实现嵌入式应用的计算机系统称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统（EmbeddedSystem）。

特定的环境、特定的功能，要求计算机系统与所嵌入的应用环境成为一个统一的整体，并且往往要满足紧凑、高可靠性、实时性好、低功耗等技术要求。

对于这样一种面向具体专用应用目标的计算机系统的应用，以及系统的设计方法和开发技术，构成了今天嵌入式系统的重要内涵，也是嵌入式系统发展成为一个相对独立的计算机研究和学习领域的原因。

2.1.2嵌入式系统的特点与应用

因此，嵌入式系统就是指用于实现独立功能的专用计算机系统。

它由包括微处理器、微控制器、定时器、传感器等一系列微电子芯片与器件，以及嵌入在存储器中的微型操作系统或控制系统软件组成，完成诸如实时控制、监测管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务[6]。

嵌入式系统是以应用为核心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、安全性、成本、体积、重量、功耗、环境等方面有严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起，简单讲就是系统的应用软件与系统的硬件一体化。

这种系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适应与面向对象的要求实时的和多任务的应用[4]。

嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统，一台通用计算机系统，如PC机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式系统：

键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。

在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。

通用计算机系统和嵌入式计算机系统形成了计算机技术的两大分支。

与通用计算机系统相比，嵌入式系统最显著的特性是面对工控领域的测控对象。

工控领域的测量对象都是一些物理量，如压力、温度、速度、位移等；控制对象则包括马达、电磁开关等。

嵌入式计算机系统对这些参量的采集、处理、控制速度是有限的，而对控制方式和能力的要求则是多种多样的。

显然，这一特性形成并决定了嵌入式计算机系统和通用计算机系统在系统结构、技术、学习、开发和应用等诸方面的差别，也使得嵌入式系统成为计算机技术发展中的一个重要分支。

嵌入式计算机系统以其独特的结构和性能，越来越多地应用的国民经济的各个领域。

2.2单片嵌入式系统

嵌入式计算机系统的构成，根据其核心控制部分的不同可分为几种不同的类型[5]：

a.各种类型的工控机

b.可编程逻辑控制器PLC

c.以通用微处理器或数字信号处理器构成的嵌入式系统

d.单片嵌入式系统

采用上述不同类型的核心控制部件所构成的系统都实现了嵌入式系统的应用，成为嵌入式系统应用的庞大家族。

以单片机作为控制核心的单片嵌入式系统大部分应用于专业性极强的工业控制系统中。

其主要特点是：

结构和功能相对单一、存储容量较小、计算能力和效率比较低，简单的用户接口。

由于这种嵌入式系统功能专一可靠、价格便宜，因此在工业控制、电子智能仪器设备等领域有着广泛的应用。

作为单片嵌入式系统的核心控制部件单片机，它从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行和优良的控制功能要求。

因此，单片嵌入式应用是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统，也有着广泛的应用前景。

由于单片机具有嵌入式系统应用的专用体系结构和指令系统，因此在其基本体系结构上，可衍生出能满足各种不同应用系统要求的系统和产品。

用户可根据应用系统的各种不同要求和功能，选择最佳型号的单片机。

作为一个典型的嵌入式系统――单片嵌入式系统，在我国大规模应用已有几十年的历史。

它不但是在中、小型工控领域、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备和电子系统中最重要的工具和最普遍的应用手段，同时正是由于单片嵌入式系统的广泛应用和不断发展，也大大推动了嵌入式系统技术的快速发展。

因此对于电子、通信、工业控制、智能仪器仪表等相关专业的学生来讲，深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用，不仅能对自己所学的基础知识进行检验，而且能够培养和锻炼自己的问题分析、综合应用、和动手实践的能力，掌握真正的专业技能和应用技术。

同时，深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用，也为更好的掌握其它嵌入式系统的打下重要的基础，这个特点尤其表现在硬件设计方面。

2.3单片嵌入式系统的应用领域

以单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。

在现代的数字化世界中，单片嵌入式系统已经大量地渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的时实控制和数据处理，生产流水线上的机器人，医院里先进的医疗器械和仪器，广泛使用的各种智能IC卡，小朋友的程控玩具和电子宠物都是典型的单片嵌入式系统应用[6]。

由于单片机芯片的微小体积，极低的成本和面向控制的设计，使的它作为智能控制的核心器件被广泛地用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域中的电子设备和电子产品中，主要的应用领域有以下几个方面[7]。

（1）智能家用电器。

俗程带“电脑”的家用电器，如电冰箱、空调、微波炉、电饭锅、

电视机、洗衣机等。

传统的家用电器中嵌入了单片机系统后使产品性能特点都得到很大的改善，实现了运行智能化、温度的自动控制和调节、节约电能等。

（2）智能机电一体化产品。

单片机嵌入式系统与传统的机械产品相结合，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机电一体化产品。

这些产品已在纺织、机械、化工、食品等工业生产中发挥出巨大的作用。

（3）智能仪表仪器。

用单片机嵌入式系统改造原有的测量、控制仪表和仪器，能促使仪表仪器向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。

由单片机系统构成的智能仪器仪表可以集测量、处理、控制功能与一体，赋予传统的仪器仪表以崭新的面貌。

（4）测控系统。

用单片机嵌入式系统可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。

例如，温室人工气候控制、汽车数据采集与自动控制系统。

三单片机的基本结构

3.1单片机的基本组成结构

单片机嵌入式系统的核心部件是单片机，其结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一片具有特定功能的单芯片计算机—单片机。

从单片机的基本组成可以看出，在一片（单片机）芯片中，集成了构成一个计算机系统的最基本的单元：

如CPU、程序（指令）存储器、数据存储器、各种类型的输入/输出接口等。

CPU同各基本单元通过芯片内的内部总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）连接[8]。

一般情况下，内部总线中的数据总线宽度（或指CPU的字长）也是标定该单片机等级的一个重要指标。

一般讲，低档单片机的内部数据总线宽度为4位（4位机），普通和中档单片机的内部数据总线宽度一般为8位（8位机），高档单片机内部数据总线宽度为16或32位。

内部数据总线宽度越宽，单片机的处理速度也相应的提高，功能也越强。

3.2单片机基本单元与作用

3.2.1MCU单元（MicrocontrollerUnit）

MCU单元部分包括了CPU、时钟系统、复位、总线控制逻辑等电路。

CPU是按照面向测控对象、嵌入式应用的要求设计的，其功能有进行算术、逻辑、比较等运算和操作，并将结果和状态信息与存储器以及状态寄存器进行交换（读/写）。

时钟和复位电路实现上电复位、信号控制复位，产生片内各种时钟及功耗管理等。

总线控制电路则产生各类控制逻辑信号，满足MCU对内部和外部总线的控制。

其中，内部总线用以实现片内各单元电路的协调操作和数据传输，而外部总线控制用于单片机外围扩展的操作管理[9]。

3.2.2片内存储器

单片机的存储器一般分成程序存储器和数据存储器，它们往往构成相互独立的两个存储空间，分别寻址，互不干扰。

在这一点上，与通用计算机系统的结构是不同的。

通用计算机系统通常采用“Von-Neumann”结构，在这种结构体系中采用了单一的数据总线用于指令和数据的存取，因此数据和指令是存放在同一个存储空间中的，CPU使用同一条数据总线与数据和程序进行交换,如在计算机原理课程中介绍的8086/8088。

而单片机的内部结构通常使用“Harvard”体系结构，在这种体系中采用分开的指令和数据总线，以及分开的指令和数据地址空间。

单片机采用Harvard双（多）总线结构的优点是，指令和数据空间完全分开，分别通过专用的总线同CPU交换，可以实现对程序和数据的同时访问，提高了CPU的执行速度和数据的吞吐率。

早期的单片机，如典型的8031单片机，在片内只集成少量的数据存储器RAM（128/256字节），没有程序存储器。

因此程序存储器和大容量的数据存储器需要进行片外的扩展，增加外围的存储芯片和电路，这给构成嵌入式系统带来了麻烦。

后期的单片机则在片内集成了相当数量的程序存储器，如与8031兼容的AT89S51、AT89S52在片内集成了4K/8K的Flash程序存储器。

而现在新型的单片机，则在片内集成了更多数量和更多类型的存储器。

如AVR系列的ATmega16在片内就集成了16K字节的Flash程序存储器，1K字节的RAM数据存储器，以及512字节的EEPROM数据存储器，这就大大方便了应用。

3.2.3程序存储器

程序存储器用于存放嵌入式系统的应用程序。

由于单片机嵌入式系统的应用程序在开发

调试完成后不需要经常改变，因此单片机的程序存储器多采用只读型ROM存储器，用于永久性的存储系统的应用程序。

为适应不同产品、用户和不同场合的需要，单片机的程序存储器有以下几种不同形式[10]：

①ROMLess型。

该种形式的单片机片内没有集成程序存储器，使用时必须在单片机外部扩展一定容量的EPROM器件。

因此，使用这种类型的单片机就必须使用并行扩展总线，增加芯片，增加了硬件设计的工作量。

②EPROM型。

单片机片内集成了一定数量的EPROM存储器用于存放系统的应用程序。

这类单片机芯片的上部开有透明窗口，可通过约15分钟的紫外线照射来擦除存储器中的程序，再使用专用的写入装置写入程序代码和数据，写入次数一般为几十次。

③MaskROM型。

使用种类型的单片机时，用户要将调试好的应用程序代码交给单片机的生产厂家，生产商在单片机芯片制造过程的掩膜工艺阶段将程序代码掩膜到程序存储器中。

这种单片机便成为永久性专用的芯片，系统程序无法改动，适合于大批量产品的生产。

④OTPROM型。

这种类型的单片机与MaskROM型的单片机有相似的特点。

生产商提供新的单片机芯片中的程序存储器可由用户使用专用的写入装置一次性编程写入程序代码，写入后也无法改动了。

这种类型的单片机也是适用于大批量产品的生产。

⑤FlashROM型。

这是一种可供用户多次擦除和写入程序代码的单片机。

它的程序存储器采用快闪存储器（FlashMemory）,现在可实现大于1万次的写入操作。

内部集成FlashROM型单片机的出现，以及随着Flash存储器价格的下降，使得使用FlashROM的单片机正在逐步淘汰使用其它类型程序存储器的单片机。

由于FlashROM可多次擦除（电擦除）和写入的特性，加上新型的单片机又采用了在线下载ISP技术（InSystemProgram--既无需将芯片从系统板上取下，直接在线将新的程序代码写入单片机的程序存储器中。

），不仅为用户在嵌入式系统的设计、开发和调试带来了极大的方便，而且也适用于大批量产品的生产，并为产品的更新换代提供了更广阔的空间[11]。

3.2.4数据存储器

单片机在片内集成的数据存储器一般有两类：

随机存储器RAM和电可擦除存储器EEPROM。

①随机存储器RAM。

在单片机中，随机存储器RAM是用来存储系统程序在运行期间的工作变量和临时数据的。

一般在单片机内部集成一定容量（32字节至512字节或更多）的RAM。

这些小容量的数据存储器以高速RAM的形式集成在单片机芯片内部，作为临时的工作存储器使用，可以提高单片机的运行速度。

在单片机中，常把内部寄存器（如工作寄存器、I/O寄存器等）在逻辑上也划分在RAM空间中，这样即可以使用专用的寄存器指令对寄存器进行操作，也可将寄存器当做RAM使用，为程序设计提供了方便和灵活性。

对一些需要使用大容量数据存储器的系统，就需要在外部扩展数据存储器。

这时，单片机就必须具备并行扩