試論基于PIC單片機的數(shù)控電源設計

1、1 / 14基于PIC單片機的數(shù)控電源設計學院：廣東工貿(mào)職業(yè)技術學院指導老師：姚才教授姓名：吳理通學號：0718124緒論電源技術尤其是數(shù)控電源技術是一門實踐性很強的工程技術， 服務于各行各 業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。 當今電源技術融合了電氣、 電子、 系統(tǒng)集成、 控制理論、材料等諸多學科領域。 隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的 現(xiàn)代信息技術革命， 給電力電子技術提供了廣闊的發(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

2、要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標準。 只有滿足產(chǎn) 品標準，才能夠進入市場。 隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展， 滿足國際標準的產(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。 在以后的 一段時間里，數(shù)控電源技術有2 / 14了長足的發(fā)展。 但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達不到要求、 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。 新的變換技術和控制理論的不斷發(fā)展， 各種類 型專用集成電路

3、、數(shù)字信號處理器件的研制應用，到 90 年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精 度達到 0.05V 的數(shù)控電源，功率密度達到每立方英寸 50W 勺數(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

4、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，易于標準化，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 RS23 接口或 RS48 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，甚至控 制參數(shù)的在線修改、調(diào)試；也可以通過 MODES 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

5、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)。3 / 14第一章 系統(tǒng)設計1.1設計任務與要求1.1.1設計任務設計一臺微機控制的數(shù)控直流電壓源，為電子設備供電。在設計過程中，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設計要求輸出電壓范圍 0

6、-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總體設計方案根據(jù)題目要求設計的框圖，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電壓， 以控制輸出步進。其框圖如圖 1.2 所示4 / 14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

7、 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 鍵盤來設置直流電源的輸出電流，設置步進等級可達 0.1V ，并可由數(shù)碼管顯示 實際輸出電壓值和電壓設定值。利用單片機程控輸出數(shù)字信號，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換

8、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5 / 141.2.2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

9、， 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 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)預制值與輸出值偏差過 大，用戶可以根據(jù)