基于STC12C5410AD数字稳压电源开发技术报告.doc
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1、南京工业职业技术学院 电子1011班 第六组 基于STC12C5410AD数字稳压电源开发目录前言- 3 -第一章:PWM的了解- 4 -1.1:PWM有哪几种- 4 -1.2:PWM的含义- 4 -1.3:单片机与PWM的实现- 4 -1.4:PWM的技术应用- 6 -1.5:PWM的扩展- 9 -第二章:按键模块的设计- 11 -2.1:按键的设计方式- 11 -2.2:按键程序设计- 15 -第三章:电路中各芯片的功能- 17 -3.1:STC12C5410AD系列单片机简介- 17 -3.2:STC12C5410AD的应用- 19 -3.3:74lm138译码器- 19 -3.4:lm
2、317可调稳压电源- 22 -3.5:78M05功能- 24 -3.6:74hc573引脚功能- 25 -第四章:单片机软件设计- 28 -4.1:PWM 输出C 语言示例 :- 28 -4.2:AD转换程序C语言示例- 28 -第五章:印制电路板- 31 -5.1:Protel 99 se- 31 -5.2:原理图的设计- 32 -5.3:PCB的基础知识- 33 -第六章:整机调试- 36 -6.1:静态测试与调整 :- 36 -6.2:动态测试与调整- 38 -附录- 40 -附录一: 焊接要求- 40 -参考文献- 42 -前言电源是各种电子、电器设备工作的动力,是自动化不可或缺的组成
3、部分,直流稳压电源是应用极为广泛的一种电源。自第一台开关电源问世以来,开关电源在世界各国迅速发展,直流稳压电源也顺势而生,但在初期价格较高,直到八十年代,随着元件工艺的成熟,直流稳压电源的价格也日益下降,应用也变的日益广泛。近几年随着科技的发展。现在智能化的直流稳压电源也被广泛应用于生产领域,对此的研究开始向高频方面发展。直流稳压电源通常可分为线性稳压电源和开关稳压电源两大类。线性稳压电源是指电压调整功能的器件始终工作于线性放大区的一种直流稳压电源,是发展最早、应用最广泛的一种电源。但其体积大,效率低,可靠性差,操作使用不方便,自我保护功能不够。近年来,随着微机,中小型计算机的普及和航空航天数
4、据通信,交通邮电等事业的讯速发展,以及为了各种自动化仪器、仪表和设备配套的需要,当代对电源的需要不仅日益增大,而且对电源的性能、效率、重量、尺寸和可靠性以及诸如程序控制、电源通/断、远距离操作和信息保护等功能提出了更高的要求。对于这些要求,传统的线性稳压电源无法实现,和线性稳压电源相比,开关稳压电源具有以下的一些优越性第一章:PWM的了解1.1:PWM有哪几种1、电压型控制器:只有电压反馈控制,可满足稳定输出电压的需求。2、电流型控制器:增加了电流反馈控制,(1)稳定输出电压,(2)当流过开关管的电流达到给定值时,开关管将自动关断,实现逐周限流。1.2:PWM的含义PWM(Pulse Widt
5、h Modulation)控制脉冲宽度调制技术,通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。 PWM控制技术在逆变电路中应用最广,应用的逆变电路绝大部分是PWM型,PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 1.3:单片机与PWM的实现(1)与PWM有关的特殊功能寄存器CMOD PCA控制寄存器(地址:D9H)位76543210符号CIDL-CPS1CPS0ECFCMOD 寄存器的具体描述位符号描述7CIDL计数器阵列空闲控制:CIDL=0,空闲模式下PCA继续工作。6-3-保留为将来之用2-1CPS1-CPS0PCA计数脉冲
6、选择0ECFPCA计数溢出中断使能:ECF=1,使能寄存器CCON CF的中断。CCON PCA工作模式寄存器(地址:D8H)位76543210符号CFCR-CCF1CCF0CCON 寄存器的具体描述位符号描述7CFPCA计数器阵列溢出标志6CRPCA计数器阵列运行控制位5-2-保留为将来之用1CCF1PCA模块1中断标志0CCF0PCA模块0中断标志CCAPMn PCA模块工作模式寄存器(CCAPM0地址:DAH,CCAPM1地址:DBH)位76543210符号-ECOMnCAPPnCAPNnMATnTOGnPWMnECCFn位符号描述7-保留将来之用6ECOMn使能比较器:ECOMn=1使
7、能比较可以工作5CAPPn正捕获。上升沿有效4CAPNn负捕获。下降沿有效3MATn匹配2T0Gn翻转1PWMn脉宽调制模式。0ECCFn使能CCFn中断(2)STC12C5410AD单片机实现PWM的原理 当CL SFR的值小于EPCnL,CCAPnL时,输出为低。当PCA CL SFR的值大于或等于EPCnL,CCAPnL时,输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时, EPCnH,CCAPnH的内容装载到EPCnL,CCAPnL中。这样就可以实现无干扰地更新PWM,要使用PWM模式,模块CCAPMn寄存器PWMn和ECOMn位必须复位。1.4:PWM的技术应用PWM控制的基本原理很早就已经
8、提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法。 相电压控制PWM1.1等脉宽PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulati
9、on)控制技术来实现的,其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的,是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于PAM法,该方法的优点是简化了电路结构,提高了输入端的功率因数,但同时也存在输出电压中除基波外,还包含较大的谐波分量。 1.2随机PWM在上世纪70年代开始至上世纪80年代初,由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管,载波频率一般不超过5kHz,电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动
10、引起了人们的关注。为求得改善,随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声(在线性频率坐标系中,各频率能量分布是均匀的),尽管噪音的总分贝数未变,但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此,即使在IGBT已被广泛应用的今天,对于载波频率必须限制在较低频率的场合,随机PWM仍然有其特殊的价值;另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率,随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。 1.3SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一
11、个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。该方法的实现有以下几种方案。 1.3.1等面积法 该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释,用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波,然后计算各脉冲的宽度和间隔,并把这些数据存于微机中,通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断,以达到预期的目的。由
12、于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点。 1.3.2硬件调制法 硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的,其原理就是把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波,当调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形。其实现方法简单,可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路,用比较器来确定它们的交点,在交点时刻对开关器件的通断进行控制,就可以生成SPWM波。但是,这种模拟电路结构复杂,难
13、以实现精确的控制。 1.3.3软件生成法 由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易,因此,软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法,其有两种基本算法,即自然采样法和规则采样法。 1.3.3.1自然采样法以正弦波为调制波,等腰三角波为载波进行比较,在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断,这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波与正弦波交点有任意性,脉冲中心在一个周期内不等距,从而脉宽表达式是一个超越方程,计算繁琐,难以实时控制。 1.3.3.2规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法,一般采用三角波作为载波。其原理就
14、是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波,再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断,从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点(或底点)位置对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(即采样周期)内的位置是对称的,这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时,由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽,在一个载波周期(此时为采样周期的两倍)内的位置一般并不对称,这种方法称为非对称规则采样。1.5:PWM的扩展用PWM实现DAC的原理1 基本原理 PWM信号是一种具有固定周期(T)不定占空比( )的数字信号,如图1所示。如果PWM信号的占空比随时间
15、变化,那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号。因此通过控制PWM信号的占空比,就可以产生不同的模拟信号。在ATMega8中就是采用TCNT2来控制周期T,而用与定时器对应的CCR2寄存器来控制可变占空比,进而实现D/A转换。 2 分辨率 图1 PWM信号示意图基于Timer_2 PWM的DAC分辨率就等于计数器的长度,通常是TCNT2减去CCR2寄存器的值。PWM DAC的最低有效位是一个计数值,分辨率是总的计数值。 Rcounts = Lcounts 其中Rcounts是以计数值为单位的分辨率,Lcounts是计数器的总计数值。例如对8-bit DAC,计数器的长度为8 bits,
16、或者256个计数值。那么分辨率也就是8 bits,或者256。 更一般的情况下,基于PWM定时器和滤波器的PWM DAC的分辨率等于产生模拟信号的PWM信号的分辨率。PWM信号的分辨率决定于计数器的长度和PWM计数器能够实现的最小占空比。用数学表达式如下: Rcounts =,其中 = Lcounts,C是最小占空比。比特分辨率用下式计算: 如果PWM计数器的长度为512个计数值,最小的占空比为2个计数值,那么PWM DAC的分辨率就为:,或者以比特表示:。 3 系统频率 PWM 信号需要的输出频率等于DAC的更新频率,因为PWM信号占空比的每一次变化等效于一次DAC抽样。PWM 定时器所需的
17、频率取决于PWM信号频率和所需的分辨率。如下所示: 在这儿,是所需的PWM定时器频率,是PWM信号的频率,也就是DAC的更新频率,n 是所需的比特分辨率。下文即将描述怎样采用8-bit PWM DAC来同步产生一个200Hz的正弦波。由抽样定理可得,最低的抽样频率应该为400Hz。但是通常情况下,PWM信号的频率要远高于Nyquist抽样速率。这是因为PWM信号的频率越高,对滤波器的阶数就要求越低,合适的滤波器越容易实现。通常抽样速率取Nyquist速率的16或者32倍。第二章:按键模块的设计2.1:按键的设计方式一、概述 键盘在单片机应用系统中,实现输入数据、传送命令的功能,是人工干预的主要
18、手段。键盘分两大类:编码键盘和非编码键盘。 编码键盘:由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键,键盘自动提供被按键的读数,同时产生一选通脉冲通知微处理器,一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用,但硬件比较复杂,对于主机任务繁重之情况,采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘:只简单地提供键盘的行列与矩阵,其他操作如键的识别,决定按键的读数等仅靠软件完成,故硬件较为简单,但占用CPU较多时间。有:独立式按键结构、矩阵式按键结构。 二、键盘系统设计首先,确定键盘编码方案:采用编码键盘或非编码键盘。随后,确定键盘工作方式:采用中断
19、或查询方式输入键操作信息。然后,设计硬件电路。非编码键盘系统中,键闭合和键释放的信息的获取,键抖动的消除,键值查找及一些保护措施的实施等任务,均由软件来完成。(一)非编码键盘的键输入程序应完成的基本任务1.监测有无键按下;键的闭合与否,反映在电压上就是呈现出高电平或低电平,所以通过电平的高低状态的检测,便可确认按键按下与否。 2.判断是哪个键按下。 3.完成键处理任务。(二)从电路或软件的角度应解决的问题1.消除抖动影响。键盘按键所用开关为机械弹性开关,利用了机械触点的合、断作用。由于机械触点的的弹性作用,一个按键开关在闭合和断开的瞬间均有一连串的抖动,波形如下:抖动时间的长短由按键的机械特性
20、决定,一般为510ms,这是一个很重要的参数。抖动过程引起电平信号的波动,有可能令CPU误解为多次按键操作,从而引起误处理。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键,必须消除抖动的影响。按键的消抖,通常有软件,硬件两种消除方法 1.采取串键保护措施。串键:是指同时有一个以上的键按下,串键会引起CPU错误响应。通常采取的策略:单键按下有效,多键同时按下无效。 2.处理连击。连击:是一次按键产生多次击键的效果。要有对按键释放的处理,为了消除连击,使得一次按键只产生一次键功能的执行(不管一次按键持续的时间多长,仅采样一个数据)。否则的话,键功能程序的执行次数将是不可预知,由按键时间决定。连击是可以
21、利用的。连击对于用计数法设计的多功能键特别有效。 三、键盘工作方式 单片及应用系统中,键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU忙于各项任务时,如何兼顾键盘的输入,取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中CPU任务的份量,来确定键盘的工作方式。 键盘的工作方式选取的原则是:既要保证能及时响应按键的操作,又不过多的占用CPU的工作时间。 键盘的工作方式有:查询方式(编程扫描,定时扫描方式)、中断扫描方式。 四、键盘电路结构 (一)独立式按键接口设计 独立式按键就是各按键相互独立,每个按键单独占用一根I/O口线,每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。因此,通过检测输入线的电平状
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