毕业设计---基于PIC单片机控制的支流稳压电源的设计

毕业设计---基于PIC单片机控制的支流稳压电源的设计 上海理工大学本科生毕业设计( 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ) 基于PIC单片机控制的支流稳压电源的设计 1 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 将现代电力电子技术中的整流、滤波、斩波技术，PWM脉宽调制技术，单片机技术，检测技术等有机结合在一起，使直流稳压电源不仅在性能上做到效率高、 噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能上实现数控化、自动化 与智能化。设计主要分为主电路与控制电路。其中主电路包括：采用二极管组成 的三相桥式不可控整流电路；采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关功率管的降压斩波电路即稳压电路；电容滤波电路。控制电路采用单片机经过软件编程生成 PWM波，它作为IGBT驱动电路EXB841的输入信号，实现对IGBT器件的导通关断控制；单片机通过反馈电压与所需基准电压比较调制PWM波，即改变占空比，从而实现高性能可调直流稳压. 关键词：PIC16F877 直流稳压电源（开关电源） PWM 可编程 2 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供电器中所有部 件所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响电器的工 作性能和使用寿命。所以在当今人们的生活中他已经开始扮演着一个非常重要的 角色。 开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电 源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM 开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30％~40％。因此，用工作频率为20 kHz的PWM 开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电 源技术发展史上被誉为20kHz革命。 随着超大规模集成 (ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设 备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电 源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求 开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关 电源的不断发展和进步。 1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精 [2]不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换 效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工 作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、 体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微 电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体 管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太 高。 60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流 变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从 而极大地扩大了它的应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电 源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电 源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。 70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、 开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压 器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航 天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼 者。 从开关电源发展史来讲，如今已经走到第五代。 3 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 第一代是70年初，那时候从线性电源开始走向开关电源； 第二代是1976开始取得UL安规认证； 第三代从80年代中期开始，开关电源走向全球通用，因此电源的开发就不 能局限在北美或者日本市场，输入电压要考虑85~265V范围内，同时欧规和其他 安规都要考虑进来； 第四代在90年中期，欧盟要求EMC(电磁兼容)，包括PFC方面的高次谐波要求； 现在进入了第五代，2006年7月，欧盟将强制执行RoHS条例，以限制有毒物质的使用，新一代的电源产品就这样诞生了。 40多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段： 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大 幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功 率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。 第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子 模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 线性稳压电源（Liner power supply）是先将交流电经过变压器降低电压幅 值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压 的直流电压。要达到高精度的直流电压，必须经过稳压电路进行稳压。 一般来说， 线性稳压电源由调整管、 参考电压、 取样电路、 误差放大电路等几个基本部分组成。 另外还可能包括一些例如保护电路，启动电路等部分。 线性电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出 电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低 (现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的)；发热量大（尤其是大功率 电源），间接地给系统增加热噪声。 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，从 而实现升压和降压，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调 制（PWM）控制IC和MOSFET构成。简单地说，开关电源就是用通过电路控制开 关管进行高速的道通与截止。开关电源实质就是一个振荡电路，这种转换电能的 方式，不仅应用在电源电路，在其它的电路应用也很普遍，如液晶显示器的背光 电路、日光灯等。开关源与变压器相比具有效率高、稳性好、体积小等优点，缺 点是功率相对较小，而且会对电路产生高频干扰，电路复杂不易维修等。 开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。 在谈开关电源之前，先熟悉一下变压器反馈式振荡电路，能产生有规律的脉 冲电流或电压的电路叫振荡电路，变压器反馈式振荡电路就是能满足这种条件的 电路；它于基本放大电路与一个反馈回路组成，其中C2、L1组成一个并联谐振选频电路，在电路通电的瞬间VT导通，此时在C2、L1组成的并联谐振电路上产 4 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 生非常丰富的谐波，当外加频率和并联谐振电路的固有频率相等时,电路进入振荡状态，并通过L3反馈到VT的基极进一步放大，最终形成有规律的脉冲电流或 电压输出到负载RL上。开关电源就是围绕变压器反馈式振荡电路而设计，只不 过在原来的基础上增加了一些保护和控制电路，我们可以用 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 振荡电路的方法 来分析开关电源。 开关电源振按荡方式分，可以分为自激式和它激式两种，自激式是无须外加 信号源能自行振荡，自激式完全可以把它看作是一个变压器反馈式振荡电路，而 它激式则完全依赖于外部维持振荡，在实际应用中自激式应用比较广泛。根据激 励信号结构分类；可分为脉冲调宽和脉冲调幅两种，脉冲调宽是控制信号的宽度， 也就是频率，脉冲调幅控制信号的幅度，两者的作用相同都是使振荡频率维持在 某一范围内，达到稳定电压的效果。变压器的绕组一般可以分成三种类型，一组 是参与振荡的初级绕组，一组是维持振荡的反馈绕组，还有一组是负载绕组。在 家用电器中使用的开关电源，将220V的交流电经过桥式整流，变换成300V左右 的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反 馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直 流电压给负载提供电能。负载绕组在提供电能的同时，也肩负起稳定电压的能力， 其原理是在电压输出电路接一个电压取样装置，监测输出电压的变化情况，及时 反馈给振荡电路调整振荡频率，从而达到稳定电压的目的，为了避免电路的干扰， 反馈回振荡电路的电压会用光电耦合器隔离。大多数开关电源有待机电路，在待 机状态开关电源还在振荡，只是频率比正常工作时要低。 开关电源的工作流程是： 电源?输入滤波器?全桥整流?直流滤波?开关管（振荡逆变）?开关变压 器?输出整流与滤波。 1.交流电源输入经整流滤波成直流; 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压 器初级上; 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 5 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。 交流电源输入时一般要经过厄流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰; 在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高; 开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕 组有多个抽头,以得到需要的输出; 一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源. 主要用于工业以及一些家用电器上，如电 视机，电脑等 开关电源的主要工作原理就是上桥和下桥的Mos管轮流导通，首先电流通过上桥Mos管流入，利用线圈的存储功能，将电能集聚在线圈中，最后关闭上桥 Mos管，打开下桥的Mos管，线圈和电容持续给外部供电。然后又关闭下桥Mos管，再打开上桥让电流进入，就这样重复进行，因为要轮流开关Mos管，所以称为开关电源。 而线性电源就不一样了，由于没有开关介入，使得上水管一直在放水，如果有 多的， 就会漏出来，这就是我们经常看到的某些线性电源的Mos管发热量很大，用不完的电能 ，全部转换成了热能。从这个角度来看，线性电源的转换效率就 非常低了，而且热量高的时候，元件的寿命势必要下降 ，影响最终的使用效果 。 开关电源和线性电源的区别主要是他们的工作方式。 线性电源功率器件工作在线性状态，也就是说他一用起来功率器件就是一直 在工作，所以也就导致它的工作效率低，一般在50%~60%，还得说他是很好的线性电源。线性电源的工作方式，使它从高压变低压必须有将压装置，一般的都是 变压器，也有别的像KX电源，再经过整流输出直流电压。这样一来他的体积也 就很大，笨重，效率低、发热量也大。它也有它的优点：纹波小，调整率好，对 外干扰小。适合用与模拟电路，各类放大器等。 开关电源。它的功率器件工作在开关状态，（一开一关，一开一关，频率非常 快，一般的平板开关电源频率在100~200KHz，模块电源在３００～５００ＫＨ Ｚ）．这样它的损耗就小，效率也就高，对变压器也有了要求，要用高磁导率的 材料来做．它的变压器就是一个字小．效率８０％～９０％吧．据说美国最好的 ＶＩＣＯＲ模块高达９９％．开关电源的效率高体积小，但是和线性电源比他的 纹波，电压电流调整率就有折扣了 。 对于电源效率和安装体积有要求的地方用开关电源为佳，对于电磁干扰和电 源纯净性有要求的地方（例如电容漏电检测）多选用线性电源。另外当电路中需 要作隔离的时候现在多数用DC－DC来做对隔离部分供电（DC-DC从其工作原理上来说就是开关电源）。还有，开关电源中用到的高频变压器可能绕制起来比较 麻烦。 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由 于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致 力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功 率铁氧体（Mn Zn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得 6 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、 小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效 率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等 措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系 统，可以设计成N＋1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电 源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分 谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技 术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该 项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。 将现代电力电子技术中的整流、滤波、斩波技术，PWM脉宽调制技术，单片机技术，检测技术等有机结合在一起，以求达到所需直流稳压电源的要求：不仅 在性能上做到效率高、噪声低、高次谐波低、既节能又不干扰环境，还要在功能 上实现数控化、自动化与智能化。 通过对电源的编程,可以方便地实现下图所示的电压输出波形。其中,V 1、V 2、T1、T2、d v、dt都是可以通过编程来设定的。电压值的输出范围为0～16 V ,最大输出电流为10 A。输出电压精度为0. 1 V ,电流精度为10 mA。电流的设定值指的是允许输出的最大电流,也可以被编程为与输出电压一样的波形。 7 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 通常用户可以通过 3种方式对电源进行输出设定 : ?通过电源面板上按键编程。通过按键对输出电压、电流限流值、时间等量进设 定。 ?通过PC机串口编程。通过将 PC机的串口RS232与电源串口相连,再运行PC机上一串口通信的软件对电源进行编程。 ?电源间相互编程。通过将两台电源的串口相连,操作其中一台电源面板上的按 键来对另一台进行编程。操作的一台电源叫做“主电源” ,被编程的电源叫做 “从电源”。在这种编程方式中 ,只能将从电源的参数设置为与主电源完全一致 ,而不能对各个参数进行单独设定。一台电源只能提供 100 W的功率。这种方式可 以应用在需要较大功率的场合 ,可将两台或多台具有相同设置的电源输出并联 来方便地实现功率扩展。 在本次设计中我将采用通过PC机串口编程。 用单片机来控制开关电源,总的来说可以分为两种 :第一种是单片机通过输 出 PWM或 DA给电源电路提供一个基准电压 ,单片机本身不介入电源的反馈中;第二种为通过单片机输出的 PWM信号直接控制开关管工作 ,取代 PWM芯片 ,但这种方式对单片机的要求较高 ,需要具有相当高的时钟频率才能满足对输出 PWM频率和分辨率的要求。 在我的这次毕业设计中采用的是第二种用单片机控制开关电源的方法,即通过单片机输出的 PWM信号直接控制开关管工作 ,取代 PWM芯片。 系统按模块来分可以分成两大模块 :电源模块和单片机控制模块。电源模块 是以整流滤波电路和稳压电路为主的直流稳压电路。单片机控制模块采用单片机 PIC16F877作为微控制器 ,主要实现电流电压信号的采样、显示、按键输入、串 口通信以及为电源模块提供电压电流参考等功能。两个模块的关系可以用下图来 说明。 如图中 ,电网电压经整流滤波后供给高频变换电路 ,由高频变换电路产生 输出。单片机输出两路 PWM信号 ,给电源模块提供输出电压的参考值和电流的 限流值 ,电源模块按照单片机提供的参考值输出电压和限定最大电流。虽然单片 机采样输出电压和电流进行显示 ,但这里单片机并不参与系统的反馈 ,反馈通过电源模块来实现。 8 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 在上面的直流稳压电源框形图中，我们可以清楚地看出一个直流稳压电源主 要由以下四个部分组成： 的功能是功率传送、电压变换和绝缘隔离，作为一种主要 的软磁电磁元件，在电源技术中和电力电子技术中得到广泛的应用。根据 传送功率的大小，电源变压器可以分为几档：10kVA以上为大功率，10kVA～ 0.5kVA为中功率，0.5kVA～25VA为小功率，25VA以下为微功率。电源变压器在上图中将交流电网电压1变为合适的交流电压2。 uu 是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，大 多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。20世纪70年代以后，主 电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除 脉动直流电压中的交流成分。变压器设置与否视具体情况而定。变压器的作用是 实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电 隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。整流电路在上图中将交流电 压u2变为脉动的直流电压u3。 常用于滤去整流输出电压中的纹波。一般由电抗元件组成，由于电 抗元件在电路中有储能作用，并联的电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量储存起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平 滑，即电容C具有平波的作用；与负载串联的电感L,当电源供给的电流增加（由电源电压增加引起）时，它把能量储存起来，而当电流减小时，又把能量释放出 来，使负载电流比较平滑，即电感L也有平波作用。滤波电路在上图中将脉动直 流电压 u3转变为平滑的直流电压u4。 是在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持 输出电压恒定的电路。这种电路能提供稳定的直流电源，广为各种电子设备所采 用。稳压电路在上图中清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳 定。 为了适应不同的工业要求，整流滤波电路形式各种各样，应用十分广泛。 整流电路按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种，按电路结构可分为 桥式电路和零式电路，按交流输入相数分为单相电路和多相电路，按变压 器二次侧电流的方向是单相或双相，又分为单拍电路和双拍电路；实用电 路是上述的组合结构。 整流电路按其组成器件可分为不控整流电路、半控整 流电路和全控整流电路。后两种电路按其控制方式又可分为相控整流电路和斩 9 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 波整流电路。相控整流电路由于采用电网换相方式，不需要专门的换相电路， 因而电路简单、工作可靠，得到广泛应用。但相控整流电路在控制用α较大时，功率因数较低，网侧电流谐波含量较大。因而在大功率调速传动中，低速运行 时，采用斩控整流电路可解决功率因数变坏的问题。滤波电路形式很多，为了 掌握它的分析规律，把它分为电容输入式（电容器C接在最前面）和电感输入 式（电感器L接在最前面）。前一种滤波电路多用于小功率电源中，而后一种 滤波电路多用于较大功率电源中（而且当电流很大时，仅用一电感器与负载串 联）。滤波电路一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。电容滤 波电路利用电容的充、放电作用，不仅使输出电压趋于平滑，而且平均值也得到 提高。。 根据上述概念在本次毕业设计中将采用电容滤波的三项桥式不可控整流电 路。 在电容滤波的三相桥式不可控整流电路中，当某一对二极管导通时，输出直 流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。 设二极管在距线电压过零点δ角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点，则线电压为： uab= U2sin(ωτ＋δ) 而相电压为： ua= U2sin(ωτ＋δ－π/6) 在ωt = 0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于uac。这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充电电流id是断续的，如图1所示，另一种是VD1一直导通，交替时由VD6导通换相至VD2导通，id是连续的。介于二者之间的临界情况是， VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2在ωt＋δ＝2π/3处恰好衔接了起来， 10 上海理工大学本科生毕业设计(论文) id恰好连续。由前面所述“电压下降速度相等”的原则，可以确定临界条件。 假设在ωt＋δ＝2π/3的时刻“速度相等”恰好发生，则有 可得 这就是临界条件。ωRC > 和ωRC? 分别是电流id 断续和连续的条件。图2给出了ωRC等于和小于 时的电流波形。对一个确定的装置来讲，通常只有R是可变的，它的大小反映了负载的轻重。因此可以说，在轻载时直流侧获得的充 电电流是断续的，重载时是连续的，分界点就是R= ／（ωC）。 11 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 当ωRC > 时，交流侧电流和电压波形如图1所示，其中δ和θ的求取可仿照单相电路的方法。δ和θ确定之后，即可推导出交流侧线电流 ia 的表达式，在此基础上可对交流侧电流进行谐波分析。由于推导过程十分繁琐，这里不再详 述。 (1)输出电压平均值 空载时，输出电压平均值最大，为 。随着负载加重，输出电压平均值减小，至ωRC = 进入id连续情况后，输出电压波形 成为线电压的包络线，其平均值为Ud=2.34U2。可见，Ud在2.34U2~2.45U2之间变化。与电容滤波的单相桥式不可控整流电路相比，Ud的变化范围小得多，当负载加重到一定程度后，Ud就稳定在2.34U2不变了。 (2)输出电流平均值 输出电流平均值IR为：IR=Ud/R 与单相电路情况一样，经过电容的电流iC在一个周期内平均值为零，因此： Id=IR。在一个电源周期中，id有6个波头，流过每一个二极管的是其中的两个波头，因此二极管电流平均值为Id的1/3，即：IVD=Id/3=IR/3 (3) 二极管承受的电压 二极管承受的最大反向电压为线电压的峰值，为 。 整流滤波后的电压是不稳定的电压，在电网电压或负载变化时，该电压都会 产生变化，而且纹波电压又大。所以，整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使 输出电压在一定的范围内稳定不变。为了设计性能优良的稳压电路，需对各种稳 压电路进行分析比较，然后选取合适的稳压电路。通过对稳压管稳压电路、串联 型反馈稳压电路、串联开关型稳压电路的特点比较，我选用了串联型开关稳压电 路作为本课题的稳压电路。因为串联型开关型稳压电路具有结构简单、体积小、 效率高、稳压性能好、技术成熟的特点。 开关型稳压电路的换能电路将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电 压经LC滤波转换成直流电压，下图所示为基本原理图。输入电压是未经稳压的 直流电压；晶体管V为调整管，即开关管；控制开关管的工作状态；电感L和电容C组成滤波电路，VD为续流二极管。 12 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 在上图所示的换能电路中，当输入电压波动或负载变化时，输出电压将随之 增大或减小。可以想象，如果能在增大时减小占空比，而在减小时增大占空比， 那么输出电压就可获得稳定。将Uo的采样电压通过反馈来调节控制电压的占空 比，就可达到稳压的目的。根据能量守恒原理，输出电压与输入电压之间也有如 下关系： 控制过程是在保持调整管开关周期T不变的情况下，通过改变开关管导通时 间来调节脉冲占空比，从而实现稳压，故称之为脉宽调制型开关电源。目前有多 种脉宽调制型开关电源的控制器芯片，有的还将开关管也集成于芯片之中，且含 有各种保护电路，因而可得到开关型稳压电路的简化形式，如下图所示。 根据上图看来，稳压电路设计中的关键是开关管V的选择。我们根据高性能 的要求，选择新一代开关元件---绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关管V，它是2O世纪80年代中期问世的一种新型电力电子器件,它是 由BJT(双极型三极管)和 13 上海理工大学本科生毕业设计(论文) MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通 压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和 压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变 频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之 间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似．也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为 达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态 电压Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh 式中Uj1 —— JI 结的正向电压，其值为0.7 ～1V ；Udr ——扩展电阻Rdr 上的压降；Roh ——沟道电阻。 通态电流Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos ——流过MOSFET 的电流。 由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 ～ 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 14 上海理工大学本科生毕业设计(论文) IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电 压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。 td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流 开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。 IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅 极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数 来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因 为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于 IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的 下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。 我们不再采用分立元件组成的驱动电路，而采用富士电机的EXB841专用集成电路，最高运行频率是40kHz。输入信号经内部光电隔离，最大延迟时间为 15 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 1us。驱动电路外加+20V单电源供电，由内部电阻和稳压管分压为+15V和-5V，分别作为正负栅极电源。根据IGBT管压降随集电极电流的增加而增加的特性， EXB841的内部采用集电极和发射极之间电压识别法进行过电流保护。为防止栅 极积累电荷，设一放电电阻RS，其电阻值取4.7，同时并接两个反向串联稳压管、， 可以避免栅极和发射极间的尖峰电压损坏IGBT。 16 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 在该设计中，控制核心是单片机，需要用它来产生PWM波，并将采样电压与基准电压进行比较，控制PWM波的占空比，从而实现稳压。采用PIC16F877单片机来实现该功能。 PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、 开发新产品等用途；而其内建ICD(In Circuit Debug)功能，可以让使用者直接 在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 等，让使用 者能快速地进行程序除错与开发。 PIC16F877单片机有5个I/O端口：PORTA,PORTB,PORTC,PORTD和PORTE,共有33个引脚。各个端口的设计思路和内部结构都是不同的，甚至同一个端口不 同的引脚的内部结构也存在差异，但其他线路很相似。 ? 端口A 是一个6位的双向输入/输出端口，对应的数据方向寄存器是 TRISA。当作为一般数据输入/输出时，TRISA寄存器用来设定该引脚为输入/输出，且每个引脚可以单独作为输入/输出使用。PORTA寄存器为端口A 的数据缓冲期，与端口A 共享引脚的外围功能模块包括A/D转换通道、模拟参考电压和 定时器0外部时钟输入等。 ? 端口B 是一个8位的双向输入/输出端口，对应的数据方向寄存器是 TRISA。它除了具有与端口A 一样的通用I/O功能外，其RB4～RB7引脚还提供可电平变化中断功能。 ? 端口C、D、E的功能与端口A 的功能类似，出具有通用的输入/输出功能外，还与某些外围功能模块共享引脚。端口C、D都是8位的双向输入/输出端口，对应的数据方向寄存器是TRISC和TRISD；端口E仅有3个引脚作为双向输入/输出端口，他也有相应的数据方向寄存器TRISE。 此外，端口D还可以作为并行从动口(PSP)的总线引脚，作为和其他微处理 器连续的并行接口，而端口E的TRISE寄存器中的PSPMODE位则用于选择端口D作为PSP的总线引脚。 以端口C为例，简单介绍I/O端口的应用。端口C的8个引脚RC0～RC7分别通过8只电阻（起限流作用）与发光二极管相连，从而控制发光二极管的点亮 和熄灭。当端口C相应的引脚输出为低电平时，发光二极管点亮；当端口C相应的引脚输出高电平时，发光二级光熄灭。 根据硬件电路对端口C进行编程，实现如下功能：程序运行后，前4个发光二极管点亮，后4个熄灭。 17 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 40引脚PIC16F877接脚说明 PIC16F877属于闪控式(Flash)单片机，可以重复烧录，其ROM的容量总共是8K words，以2K为一个page，区分为4个pages；内部RAM总共有512个字节(00f~1FFh)，以128个字节为一个Bank，共区分为4个Bank，每个Bank的前半段都有其特殊用途，分别连接到其特殊功能模块，例如I/O、CCP、Timer、USART、MSSP等。 PIC16F877属于内嵌功能较多的单片机，除了CPU、POM、RAM、I/O等基本构造外，还包括以下各种功能，简介如下： ? PIC16F877单片机的ADC内部机构如下图所示。40引脚封装芯片与28引脚封装芯片的区别主要在于模拟口的数量不同，28引脚封装芯片没有AN5～AN7模拟量输出通道，其他各部分的功能和组成关系相同。 PIC16F877单片机内部嵌入的ADC模块具有10位数字量精度，共有8个模拟通道，与ADC模块有关的寄存器共有11个，其专用的4个寄存器分别为：ADCCON0,ADCCNO1,ADRESH以及ADRESL。 源阻抗（RS）和内部采样开关（RSS）阻抗直接影响所要求的充电电容CHOLD的时间，采样开关（RSS）阻抗在单片机电压上的变化，源阻抗在模拟输入时影响 偏移电压（由于引脚漏电流）。所推荐的最大模拟源阻抗是101kω，在模块输入通道被选择后转换可以开始之前采集必须通过。 A/D转换器时间每位定义为tad，A/D转换器每10位转换要求12TAD，A/D转换器时钟源是可以通过软件设定的，tad的4种可能选择是： ? 2TOSC； ? 8TOSC； ? 32TOSC； ? 内部RC振荡器。 对于正确的A/D转换，A/D转换时钟（TAD）必须被选择以保证1.6μs的最 18 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 小TAD时间。 ADCON1、TRISA和TRISE寄存器控制A/D端口引脚的操作。这个作为模拟输 入的端口引脚必须有它们的相应位TRIS置1（输入）。如果TRIS位清0（输出），数字输出电平（VOH或VOL）将被转换。A/D操作是独立于（CHS（2?0））位和TRIS位的状态之外的。 在睡眠期间A/D模块可以工作，这种A/D时钟要求对RC置1，（ARCS（1：0）＝11）， 当选择RC时钟源时，A/D模块在开始转换之前等待一个指令周期。这 种允许执行的睡眠指令，可以消除在转换中产生的所有数字开关噪声。 当转换完成时，GO/DONE位将被清0，和转换结果一块装入ADRES寄存器，如果A/D中断使能，单片机将从睡眠中唤醒，如果A/D中断不使能，尽管ADON位仍保持置1，A/D模块仍将被关闭。 如果A/D时钟源是另一种时针选择（不是RC），尽管ADIN位仍保持1，睡眠指令将导致目前的转换中断和A/D模块被关闭。关闭A/D，把A/D模块放到它的最低电流消耗状态。 单片机复位强制所有寄存器复位到它们的复位状态，强制关闭A/D转换模块和进行的转换。在ADRESH、ADRESL寄存器的值在上电复位时不变，ADRESH、ADRESL寄存器在上电复位之后将包含未知数据。 PIC16F877单片机的ADC内部结构 ?PIC16F877单片机配置了两个CCP（捕捉/比较/脉宽调制）模块，即CCP1和CCP2。他们各自都有独立的16位寄存器CCPR1和CCPR2。两个模块的结构，功能，操作方法基本一样，区别仅在于它们各自有独立的外部引脚和 特殊事件触发器。CCP模块的功能包括外部信号捕捉，内部比较输出以及PWM输出，它往往与定时器/计数器配合使用。 19 上海理工大学本科生毕业设计(论文) CCP模块可工作在3种模式下：捕捉方式，比较方式和脉宽调制方式。 捕捉方式是指检测引脚上输入信号的状态，当信号的状态符合设定的条件 时（信号上升沿或下降沿出现时）产生中断，并记录当时的定时器/计数器值,当CCP模块工作在捕捉方式时，TMR1控制寄存器必须工作在定时器或同步计数 方式下。 比较方式是指将事先设定好的值与定时器方式或同步计数方式下的值相互 比较，当两个值相等时，产生中断并驱动事先设定好的动作。 脉宽调制功能适用于从引脚上输出脉冲宽度随时可调的PWM信号，来实现直流电机的调速，D/A转换和步进控制。 ? PIC16F877单片机内部配置了3个定时器/计数器，分别记为TMR0,TMR1,TMR2。这3个定时器/计数器模块不仅在电路结构上不相同， 而且其在设计的初衷和使用上也各有不同。 定时器/计数器TMR0是3个同类模块中最常用的器件，与定时器/计数器TMR0相关的寄存器一共有4个，分别为累加计数寄存器TMR0选项寄存器OPTION_REG，中断控制寄存器INTCON和端口RA方向寄存器TRISA。 定时器/计数器TMR1 是一个有两个8位可读写的寄存器（TMR01H和TMR11）组成的16位定时器/计数器，它带有一个3位的可编程预分频器和一个内置的 低功耗频时基振荡器。 定时器/计数器TMR2是一个8为定时器，其中还包括了一个可编程预分频 器和一个后分频器。 PIC16F877单片机主要配置了两种形式的串行通信模块，即主 控同步串行通信模块（MSSP）和通用同步/异步收发器（USART）。MSSP模块是用来与其他外围芯片或其他单片机芯片进行通信的串行接口，其工作方式用两种： 串行芯片接口（SPI）和芯片间总线（I2C）。 I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。 在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能 工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决 于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码 用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别 （如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线 上，却彼此独立，互不相关。 I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号， 它们分别是：开始信号、 结束信号和应答信号。 开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。 结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控 单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传 递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。 这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。 I2C 总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以 挂多个器件，并且通过两根线连接，占用空间非常的小，总线的长度可长达25 20 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持4个组件。它的另一优点是多主控，只要能够进行接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同 一时间工作。 I2C总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线）。任何时候时钟信号都是由主控器件产生。 SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和 一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时 钟），CS（片选）。 （1）SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入 （2）SDI – 主设备数据输入，从设备数据输出 （3）SCLK – 时钟信号，由主设备产生 （4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制 其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使 能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上 连接多个SPI设备成为可能。 接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道 SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据 输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上 升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。 要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样， 在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输 方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8 位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备 通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同 的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信 号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。 在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得 简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比 I2C系统要稍微复杂一些。 最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接 收到数据。 PIC16F877系列单片机的复位功能设计得比较完善，引起单 片机内部复位的条件和原因可以大致归纳成以下5种． 1．上电复位 每次单片机加电时，上电复位电路都要对电源电压VDD的上升过程进行检测，当VDD值上升到规定值1.6～1.8V时，就产生一个有效的复位信号，需经过 72ms加1024个时钟周期的延时，才会使单片机复位。 2．人工复位（单片机在执行程序期间） 无论是单片机在按预先设定的正常顺序运行程序，还是出现单片机进入不可 21 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 预知的某一个死循环，都必须认为单片机在执行程序。单片机在执行程序期间， 只要在人工复位端MCLR加入一个低电平信号，就会令其复位。 3．人工复位（单片机在睡眠期间） 单片机处在睡眠状态之下（时钟停振，单片机停止执行程序），只要在人工 复位端MCLR加入一个低电平信号，就会令其复位。 4．看门狗复位 不论何种原因，只要没有对看门狗定时器WDT周期性清0，WDT就会出现超时溢出，也就会引发单片机复位。依据单片机在看门狗超时溢出之前所处的状态 是睡眠还是执行程序，又可以将看门狗超时溢出分为两种情况。 一种情况只有在单片机执行程序期间，看门狗发生超时溢出，才会引发单片 机的复位；而另一种情况对于PIC16F87X单片机而言则不会引发单片机的复位。 5．电源欠压复位 在上电延时之后，该电路再提供1024个时钟周期的延迟，目的是让振荡电 路有足够的时间产生稳定的时钟信号。 为了满足上述人工复位的需要，通常单片机都设置一个外接复位引脚，来接 收外部输入的人工复位信号。 由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰,造成程序的跑飞,而陷入死循环,程序的正常运行被打断,由单片机控制的系统无法继续工 作,会造成整个系统的陷入停滞状态,发生不可预料的后果,所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑,便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的 芯片,俗称"看门狗"(watchdog) 看门狗电路的应用，使单片机可以在无人状态下实现连续工作,其工作原理是:看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连,该I/O引脚通过程序控制它定时地 往看门狗的这个引脚上送入高电平(或低电平),这一程序语句是分散地放在单片 机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段 进入死循环状态时,写看门狗引脚的程序便不能被执行,这个时候,看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信号,便在它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一 个复位信号,使单片机发生复位,即程序从程序存储器的起始位置开始执行,这样便实现了单片机的自动复位. 看门狗,又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗(kicking the dog or service the dog),一个输出到MCU的RST端,MCU正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就回给出一个复位信号到 MCU,是MCU复位. 防止MCU死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者 说程序跑飞。 工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动 计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引 起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。 硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序 的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进行复位如果出现死循环，或 者说PC指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。 PIC16F87X系列单片机可以接收多达14个中断源。中断控制器寄 存器INTCON标记着各个中断源的请求，对各个中断设置屏蔽位，对全部中断设 置全局屏蔽位。 22 上海理工大学本科生毕业设计(论文) PIC16F87X系列的中断包含：TMR0溢出中断（TOIF）、外部中断（INTF）、端口B变化中断（RBIF）、并行从动端口中断（PSPIF）、A／D变换中断、USART异步接收中断（RCIF）和异步发送中断（TXIF）、同步串行端口中断（SSPIF）、CCP1中断（CCPIIF）、TMR2中断（TMR2IF）、TMR1中断、CCP1中断（CCP2）、E2PROM写中断（EEIF）、总线碰撞中断（BCLIF）。 各个中断采用查询方式进行，即当CPU口向应中断时，事先要通过查询中断 标志位去判断是哪个中断产生中断请求，然后执行相应的中断服务程序。 RB0／INT外中断仍遵守PIC16F87X单片机的中断原则，当有中断时产生中 断标志位，由CPU查询识别中断。根据这一原则，可以扩展多个外中断源，CPU响应中断后查询中断标志位识别中断。 RB0／INT引脚上的外部中断由边沿触发，既可以是上升沿，也可以是下降 沿，这由选择寄存器OPTION_REG的INTEDG位（D6）决定。当INTEDG＝1时，选择上升沿触发；当INTEDG＝0时，选择下降沿触发。一旦检测到引脚上出现有效 边沿，就把INTF位（INTCON的D1）置1。这个中断由中断控制位INTE设置允许或禁止。 为了防止错误的死循环执行同一个中断，在重新开放这个中断之前必须在中 断服务程序中用软件对INTF位清0。如果INTE位在进入休眠状态之前已被置1，INT中断可以唤醒在休眠状态下的CPU。GIE位的状态决定处理器是否在被唤醒 后转至中断矢量。 当定时器TIMER0的计数器TMR0计满溢出（即由FFH变成00H）时，硬件将自动把TGIF位置1。其中断可以通过对TOIE位进行设置来控制该中断是否开放。 当CPU响应RB7、RB4中断时，就有两种情况产生：第一种称为“短脉冲”， 即在CPU响应中断期间引脚电平恢复到原始状态，对这种情况CPU不会产生虚假中断现象。第二种称为“宽脉冲”，即在CPU响应中断后引脚电平才恢复到原始 状态，恢复到原始状态的过程也产生中断请求，这种情况就是虚假中断现象。 在端口B的D7～D4引脚上一旦有电平变化就把RBIF位置1，这个中断可以通过对RBIE位进行设置来控制该中断是否开放。 PIC16F877的工作电压为5V，连接Pin11与Pin32，Pin12与Pin31为地线接脚；重置电路连接Pin1，按下Reset后，内部指令重头开始执行，系统重新 运作。 ： PIC16F877常用的语言有汇编语言与C语言两种，汇编语言是将每一个机器 码使用一个文字代号代表，比较接近处理器真正动作模式；而C语言是比较符合 人们的使用习惯，事先将汇编语言组合成C语言形式，使用较为方便，但是C 语言所组译的机器码程序通常比较大，且组译软件通常需要额外购买。 在了解了PIC16F877这款单片机之后，我们将以它为核心，设计我们所需要 的控制电路。 23 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 单片机控制模块结构框图 如上图所示，单片机控制系统的接口电路主要有以下4个： ?按键接口电路。采用暂触式开关输入 ,使用电阻电容去抖。 ?数码管及 LED显示电路。数码管显示电压、电流、时间等信息。 LED指示当前显示的参数种类。 PIC单片机的 I/O能够直接驱动数码管和 LED。按键输入和显示接口电路如下图所示。 ? A/D采样和 PWM输出电路。 A/D负责采样输出电压电流并送到数码管显示。 当前电流电压设定值通过由单片机内部的 CCP模块产生的两路 PWM信号来给电源模块提供一个参考值。单片机内部的 CCP模块可以设置成 PWM输出模式 ,通过写周期寄存器和脉宽寄存器的值就可由硬件产生不同频率和占空比的PWM波形。 ?串口通信接口电路。串口通信接口电路采用MAX232芯片作为RS232收发器。 24 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 通过将第二章（直流稳压电源的电路分析与主电路设计）和第三章（直流稳 压电源的控制电路设计）进行综合，我们很容易的可以画出基于PIC单片机控制的直流稳压电源的系统总框图，如下： 基于PIC单片机控制的直流稳压电源的系统总框图 采用C语言进行编写，成写的程序主体为一个PID调节器，使之对被控对象，即直流稳压电源的输出电压进行控制，具体的框图如下： 25 上海理工大学本科生毕业设计(论文) PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的 系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为 u(t)=kp(e((t)+1/TI?e(t)dt+TD*de(t)/dt) 式中积分的上下限分别是0和t。 因此它的传递 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 为：G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)。 其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp， Ti和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一 到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制 的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学 模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经 验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一 个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例 关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自 动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差 的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分 项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差 很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差 进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳 态后无稳态误差。 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成 正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其 原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是使抑制误差的作用的变化“超 前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中 仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前 需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被 控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 26 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 由于控制直流稳压电源的电压主要是通过PWM信号的脉宽调制，所以PWM技术对本设计有着重要的作用。 PWM波形分段 脉宽调制(PWM)是利用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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率 计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 (ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时 候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 在本次设计中，键盘输入是所需要的直流基准电压；首先产生一占空比为 50%、频率为1KHz的脉冲(即PWM波)，由它作为IGBT驱动电路的输入信号，使 稳压电路产生的电压为检测电压，这样根据以下比例关系，就可得到所需要的占 空比。 PIC16F877单片机通过反馈电压与所需基准电压比较调制PWM波，即改变PWM波的占空比， 从而输出可调控的直流稳定电压。 软件用 C语言编写 ,使用 High2Tech公司为 PIC系列单片机提供的 PICC编译器。系统上电时 ,单片机读出非易失性存储器 ( EEPROM)中上次设置参数 ,进行电流电压输出。在软件设计中 ,采用多个任务的概念 ,可以模拟一个简单的 操作系统进行任务的调度。由定时器产生一个 5 ms的中断 ,在中断程序中激活各个任务的标志。如显示任务主要负责 A/ D采样、数码管与 L ED的刷新 ,可每 5 ms执行一次。键盘处理任务负责按键的扫描、软件去抖、键盘命令的解释 27 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 和扫行 ,可每 10 ms执行一次。 PWM输出任务负责按照设定的值进行 PWM的输出 ,可以每 50 ms执行一次。如果有 PC机或其他电源通过串口编程 ,单片机将在 UART中断中接收编程数据 ,接收完改写 EEPROM中设置并强行复位。如果接 收到通过按键的编程 ,则在按键处理中修改 EEPROM的设置并复位。程序主流程 则扫描各个任务是否到时间执行。是 ,则执行该任务 ;否则 ,跳过该任务。主程序流程如下图所示。 PIC16F877 主程序流程图 28 上海理工大学本科生毕业设计(论文) 中断服务程序流程图 29 上海理工大学本科生毕业设计(论文) [1] 黄俊,王兆安.电力电子变流技术（第四版）.北京:机械工业出版社,2006. 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