基于PIC單片機(jī)的數(shù)控電源設(shè)計(jì)電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。電力電子技術(shù)是電能的最佳應(yīng)用技術(shù)之一。當(dāng)今電源技術(shù)融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學(xué)科領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)代信息技術(shù)革命，給電力電子技術(shù)提供了廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)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(shí)產(chǎn)生的誤差，會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度。電源在使用時(shí)會(huì)造成很多不良后果，世界各國(guó)紛紛對(duì)電源產(chǎn)品提出了不同要求并制定了一系列的產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)。只有滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，才能夠進(jìn)入市場(chǎng)。隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品才能獲得進(jìn)出的通行證。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來(lái)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(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。但其產(chǎn)品存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向，是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷加以改善。單片機(jī)技術(shù)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(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，各種類型專用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器件的研制應(yīng)用，到90年代，己出現(xiàn)了數(shù)控精度達(dá)到005V的數(shù)控電源，功率密度達(dá)到每立方英寸50W的數(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(guān)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(duì)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(hù)性。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)1易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高，性能更完美。2控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動(dòng)硬件線路。3控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)或不同型號(hào)的產(chǎn)品，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對(duì)控制軟件做一些調(diào)整即可。4系統(tǒng)維護(hù)方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地通過RS232接口或RS485接口或USB接口進(jìn)行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試也可以通過MODEM遠(yuǎn)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(yùn)行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運(yùn)行逆變電源系統(tǒng)，每個(gè)并聯(lián)運(yùn)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(jìn)行均流控制和通訊或者在模塊中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法不需要通訊，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性、高冗余度的逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。第一章系統(tǒng)設(shè)計(jì)11設(shè)計(jì)任務(wù)與要求111設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一臺(tái)微機(jī)控制的數(shù)控直流電壓源，為電子設(shè)備供電。在設(shè)計(jì)過程中，選擇12個(gè)單元電路使用仿真軟件（例如MULTISIM2001等）進(jìn)行仿真調(diào)試。用計(jì)算機(jī)繪制所有的電路圖和印刷電路圖112設(shè)計(jì)要求輸出電壓范圍030V，步進(jìn)值為01V電壓調(diào)整率SV005V；電流調(diào)整率SI003A；紋波電壓峰峰值5MA；具有過流保護(hù)和短路保護(hù)功能；用數(shù)字顯示輸出電壓12方案的選擇與論證121總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)的框圖，如圖11所示方案一此方案采用傳統(tǒng)的調(diào)整管方案，主要特點(diǎn)在于使用一套十進(jìn)制計(jì)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(zhǔn)電壓，以控制輸出步進(jìn)。其框圖如圖12所示圖21原理框圖如圖12調(diào)整管控制的穩(wěn)壓電源方案二采用51系列單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過改變輸入數(shù)字量來(lái)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(cè)實(shí)際輸出電壓值的大小，可以經(jīng)過ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，間接用單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)電壓進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及顯示。采用軟件方法來(lái)解決數(shù)據(jù)的預(yù)置以及電流的步進(jìn)控制，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)以直流電源為核心，利用51系列單片機(jī)為主控制器，通過鍵盤來(lái)設(shè)置直流電源的輸出電流，設(shè)置步進(jìn)等級(jí)可達(dá)01V，并可由數(shù)碼管顯示實(shí)際輸出電壓值和電壓設(shè)定值。利用單片機(jī)程控輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（DA0832）輸出模擬量，再經(jīng)過運(yùn)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(jī)系統(tǒng)還兼顧對(duì)恒壓源進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)量，經(jīng)單片機(jī)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13單片機(jī)控制的穩(wěn)壓電源122方案的比較與論證1221數(shù)控部分方案一采用中、小規(guī)模器件實(shí)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(hào)繁瑣，中間相互關(guān)聯(lián)多，抗干擾能力差。在方案二中采用單片機(jī)完成整個(gè)數(shù)控部分的功能，同時(shí)，8031作為一個(gè)智能化的可編程器件，便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。1221輸出部分方案一采用線性調(diào)壓電源，以改變其基準(zhǔn)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(duì)輸出的影響，而方案二中使用運(yùn)算放大器作前級(jí)的運(yùn)算放大器，由于運(yùn)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(yīng)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(yù)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(dòng)能力的信號(hào)源。1223顯示部分方案一中的顯示輸出是對(duì)電壓的量化值直接進(jìn)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(dòng)電路引入的誤差，顯示值與電源實(shí)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(duì)輸出電壓采樣并顯示輸出實(shí)際電壓值，一旦系統(tǒng)工作異常，出現(xiàn)預(yù)制值與輸出值偏差過大，用戶可以根據(jù)該信息予以處理。方案二中還采用了鍵盤/顯示器接口控制器8279。不僅簡(jiǎn)化接口引線，而且減小了軟件對(duì)鍵盤/顯示器的查詢時(shí)間，提高了CPU的利用率。綜上所述，選擇方案二，使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。123系統(tǒng)的原理框圖和電路圖圖14總體原理框圖第二章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)21電源部分211穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)組成穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖21所示21電源方框及波形圖A整流和濾波電路整流作用是將交流電壓U2變換成脈動(dòng)電壓U3。濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動(dòng)電壓U3中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U4。B穩(wěn)壓電路由于得到的輸出電壓U4受負(fù)載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U0。212電源設(shè)計(jì)電源部分包括5V、15V兩大部分5V電源只要供單片機(jī)部分使用，原理圖如圖22所示對(duì)于濾波電容的選擇，需要注意整流管的壓降；7805的最小允許壓降波動(dòng)10，所以允許的最大紋波的峰峰值U9（110）145276V2C3600UFITU1/0276選取的濾波電容所以選取的濾波電容C4700UF/16V15V電源，其電源電路如圖23所示允許的紋波峰峰值U181100712U49V/12按近似電流放電計(jì)算，則C1430UFITU07/49選取濾波電容選取濾波電容C2200UF/30V圖22和圖2322數(shù)控部分221AT89C51單片機(jī)AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KBYTES的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器EPROM和128BYTES的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器CPU和FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。因此，在這里我選用AT89C51單片機(jī)來(lái)完成。主要性能參數(shù)與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4K字節(jié)可重擦寫FLASH閃存存儲(chǔ)器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作0HZ24HZ三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器128X8字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器6個(gè)中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式AT89C51內(nèi)存空間1、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（FLASH）4K字節(jié)。2、外部程序存儲(chǔ)器（ROM）64K字節(jié)。3、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）256字節(jié)。4、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）64K字節(jié)。23信號(hào)處理電路231D/A轉(zhuǎn)換電源輸出電壓范圍是030V，步長(zhǎng)01V,共有300個(gè)狀態(tài)，而8位的D/A轉(zhuǎn)換只有256個(gè)狀態(tài)，不能滿足要求，因此我需要選用10字長(zhǎng)的D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。MAX504是由美信（MAXIM）公司生產(chǎn)的一種低功耗、電壓輸出型10位串行數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。MAX504既可用5V單電源工作，也可用5V雙電源工作。該電路采用14引腳DIP型或SO型封裝，圖2示出它的引腳排列，表1介紹它的引腳功能。圖25MAX504封裝圖表1MAX504的引腳功能引腳序號(hào)引腳名稱引腳功能1BIPOFF雙極性偏置/增益電阻端2DIN串行數(shù)據(jù)輸入端3CLR/清除端，異步置位DAC寄存器所有位4SCLK串行時(shí)鐘輸入端5CS/片選端，低電壓有效6DOUT串行數(shù)據(jù)輸出端7DGND數(shù)字地8AGND模擬地9REFIN參考電壓輸入端10REFOUT參考電壓輸出端，若不用應(yīng)接至VDD11VSS電源負(fù)端12VOUTDAC模擬輸出地13VDD電壓負(fù)端14RFB反饋電阻端24鍵盤與顯示部分241顯示部分顯示數(shù)據(jù)以串行方式從89C51的P12口輸出送往移位寄存器74LS164的A、B端，然后將變成的并行數(shù)據(jù)從輸出端Q0Q7輸出，以控制開關(guān)管WT1WT3的集電極，然后再將輸出的LED段選碼同時(shí)送往數(shù)碼管LED1LED2。位選碼由89C51的P14P16口輸出并經(jīng)譯碼器74LS138送往開關(guān)管Y1Y8的基極，以對(duì)數(shù)碼管LED1LED8進(jìn)行位選控制，這樣，4個(gè)數(shù)碼管便以100MS的時(shí)間間隔輪流顯示。由于人眼的殘留效應(yīng)，這4個(gè)數(shù)碼管看上去幾乎是同時(shí)顯示。242鍵盤部分鍵盤是有無(wú)數(shù)個(gè)按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是一種廉價(jià)的輸入設(shè)備。一個(gè)鍵盤通常包括數(shù)據(jù)鍵，字母鍵以及一些功能鍵。操作人員可以通過鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)、地址、指令或其他的控制命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的鍵盤通常有兩種一類是編碼鍵盤，即鍵盤上閉合鍵的識(shí)別有專用硬件識(shí)別。另一類是非編碼鍵盤，即鍵盤上鍵入及閉合鍵的識(shí)別由軟件實(shí)現(xiàn)。鍵盤接口應(yīng)具有的功能鍵掃描功能，即檢測(cè)是否有鍵按下鍵識(shí)別功能，確定被按下建所在的行列的位置產(chǎn)生相應(yīng)的鍵的代碼消除按鍵彈跳及對(duì)付多鍵串鍵這里我要選用的是非編碼3X3鍵盤結(jié)構(gòu)，能自動(dòng)消除鍵抖動(dòng)影響，具有對(duì)按鍵同時(shí)按下的保護(hù)，能把鍵盤信息存入堆棧，也可向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，得到響應(yīng)后，使CPU獲取按鍵信息，還可接受CPU隊(duì)間信息的查詢。對(duì)每個(gè)鍵我們都賦予了特定的功能0每按鍵一次增加10V1每按鍵一次減少10V2每按鍵一次增加1V0123每按鍵一次減少1V3454每按鍵一次增加01V6785每按鍵一次減少01V7清除顯示8開始顯示AT89C51和8279鍵盤、顯示器接口下圖211是AT89C51、8279與鍵盤和顯示器的接口電路，當(dāng)有鍵按下時(shí)，8279可用中斷方式通知C51。編程實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)有鍵08按下時(shí)，完成健值獲取，并用LED輸出顯示鍵值。25輸出電路251穩(wěn)壓輸出部分這部分將數(shù)控部分送來(lái)的電壓控制字轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定電壓輸出，電路主要由D/A轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓輸出、過流保護(hù)指示和延時(shí)啟動(dòng)等幾部分組成，電路圖如圖所示電壓輸出范圍為0299V，步長(zhǎng)01V，共有300種狀態(tài)，所以上面提到選用10位D/A轉(zhuǎn)換器MAX504。設(shè)計(jì)中用兩個(gè)電壓控制字代表01V，當(dāng)電壓控制自從0，2，4到598時(shí)，電源輸出電壓為00，01，02到299V。當(dāng)MAX504基準(zhǔn)電壓采用15V時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換電路滿幅，輸出為150V（電壓控制字為1023時(shí)）。由于世紀(jì)最大用到電壓控制字598，因此D/A轉(zhuǎn)換部分最大輸出電壓V1598/102315877D/A轉(zhuǎn)換部分輸出的電壓作為穩(wěn)壓輸出電路的參考電壓。穩(wěn)壓輸出電路的輸出與參考電壓成比例，范圍是0299V，穩(wěn)壓輸出部分采用典型的串聯(lián)反饋穩(wěn)壓電路，也可以認(rèn)為是以參考電壓作為輸入的直流功率放大器。這部分電路主要有運(yùn)放U3A和三極管T1、T2構(gòu)成，T2時(shí)大功率三極管。D/A轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓V1接到運(yùn)放U3A的同相端，穩(wěn)壓電源的輸出經(jīng)R5、RW3和R6組成的取樣電路分壓后送到運(yùn)放U3A的反相端，經(jīng)運(yùn)放比較放大后，驅(qū)動(dòng)由T1和T2組成的復(fù)合調(diào)整管。當(dāng)電路平衡時(shí)，D/A輸出電壓V1與取樣電壓V2相等，R5500,R6340,51電位器RW3調(diào)在中間位置，設(shè)穩(wěn)壓電源輸出電壓為VOUT，則V2R651/2/R5R651VOUT340255/50034051VOUT0294VOUT因?yàn)閂1V2VOUTV1/029434V1所以VOUT34V134879V299V252輸出電壓顯示電路為了實(shí)現(xiàn)輸出電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使用ICL7107搭接的數(shù)字電壓表對(duì)其輸出電壓采樣測(cè)量，并輸出顯示，用戶可以從顯示器上看見兩個(gè)電壓值其一為單片機(jī)設(shè)置的電壓值，即期望值，其二為輸出電壓的實(shí)測(cè)值。正常工作時(shí)兩者相差很小。一旦出現(xiàn)異常情況，用戶可以看到期望值不符，從而采取相應(yīng)的措施。輸出電壓測(cè)量/顯示電路如圖第三章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能是鍵盤對(duì)單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，送到10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（MAX504）,再送到數(shù)字電壓表，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量對(duì)電壓的控制。圖31單片機(jī)模塊方框圖31主控程序主控程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后讀入預(yù)置電壓值，輸出相應(yīng)的電壓控制字，等待鍵盤輸入。根據(jù)鍵盤的不同輸入，用散轉(zhuǎn)方式轉(zhuǎn)入相應(yīng)的應(yīng)用程序，執(zhí)行后，若用戶又輸入“清除顯示”，則輸出電壓控制字0，返回初始狀態(tài)，等待下一次按鍵?？驁D如圖32所示。圖32主程序流程圖圖33中斷服務(wù)程序流程圖32中斷程序過流保護(hù)由中斷實(shí)現(xiàn)，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行各項(xiàng)報(bào)警和保護(hù)操作，中斷服務(wù)程序框圖如圖33所示。鍵盤中斷程序中將一標(biāo)志置“1”，表示有鍵鍵入，并將鍵盤碼讀入賦給一個(gè)變量。在主程序和哥哥應(yīng)用程序中讀取此