畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于pic單片機(jī)控制的支流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于PIC單片機(jī)控制的支流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　論文名稱</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　將現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的整流、濾波、斬波技術(shù)，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，檢測技術(shù)等有機(jī)結(jié)合在一起，使直流穩(wěn)壓電源不僅在性能上做到效率高、噪聲低、高

2、次諧波低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化與智能化。設(shè)計(jì)主要分為主電路與控制電路。其中主電路包括：采用二極管組成的三相橋式不可控整流電路；采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)功率管的降壓斬波電路即穩(wěn)壓電路；電容濾波電路?？刂齐娐凡捎脝纹瑱C(jī)經(jīng)過軟件編程生成PWM波，它作為IGBT驅(qū)動(dòng)電路EXB841的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT器件的導(dǎo)通關(guān)斷控制；單片機(jī)通過反饋電壓與所需基準(zhǔn)電壓比較調(diào)制PWM波，即改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)高性能

3、可調(diào)直流穩(wěn)壓.</p><p>　　關(guān)鍵詞：PIC16F877 直流穩(wěn)壓電源（開關(guān)電源） PWM 可編程</p><p><b>　　第一章 </b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供電器

4、中所有部件所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響電器的工作性能和使用壽命。所以在當(dāng)今人們的生活中他已經(jīng)開始扮演著一個(gè)非常重要的角色。</p><p>　　開關(guān)穩(wěn)壓電源(以下簡稱開關(guān)電源)問世后，在很多領(lǐng)域逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和晶閘管相控電源。早期出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。隨著脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的發(fā)展，PWM開關(guān)電源問世，它的特點(diǎn)是用

5、20kHz的載波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，電源的效率可達(dá)65%~70%，而線性電源的效率只有30％~40％。因此，用工作頻率為20 kHz的PWM開關(guān)電源替代線性電源，可大幅度節(jié)約能源，從而引起了人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為20kHz革命。 隨著超大規(guī)模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；而航天、潛艇、軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備(

6、如手提計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話等)更需要小型化、輕量化的電源。因此，對(duì)開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量也要小。此外，還要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。這一切高新要求便促進(jìn)了開關(guān)電源的不斷發(fā)展和進(jìn)步。 </p><p>　　1.2 開關(guān)電源的發(fā)展史</p><p>　　1955年美國的科學(xué)家羅那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的飽和來進(jìn)行自激振蕩的

7、晶體管直流變換器。此后，利用這一技術(shù)的各種形式的精益求精[2]不斷地被研制和涌現(xiàn)出來，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械振子示換流設(shè)備。由于晶體管直流變換器中的功率晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，所以由此而制成的穩(wěn)壓電源輸出的組數(shù)多、極性可變、效率高、體積小、重量輕，因而當(dāng)時(shí)被廣泛地應(yīng)用于航天及軍事電子設(shè)備。由于那時(shí)的微電子設(shè)備及技術(shù)十分落后，不能制作出耐壓高、開關(guān)速度較高、功率較大的晶體管，所以這個(gè)時(shí)期的直流變換器只能

8、采用低電壓輸入，并且轉(zhuǎn)換的速度也不能太高。</p><p>　　60年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了它的應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。省掉了工頻變壓器，又使開關(guān)穩(wěn)壓電源的體積和重量大為減小，開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到了效率高、體積小、重量輕。</p><p&g

9、t;　　70年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的高頻，高反壓的功率晶體管、高頻電容、開關(guān)二極管、開關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來，使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，從而使無工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源成為各種電源的佼佼者。</p><p>　　從開關(guān)電源發(fā)展史來講，如今已經(jīng)走到第五代。</p><p>　　第一代是70年初，

10、那時(shí)候從線性電源開始走向開關(guān)電源；</p><p>　　第二代是1976開始取得UL安規(guī)認(rèn)證；</p><p>　　第三代從80年代中期開始，開關(guān)電源走向全球通用，因此電源的開發(fā)就不 能局限在北美或者日本市場，輸入電壓要考慮85~265V范圍內(nèi)，同時(shí)歐規(guī)和其他安規(guī)都要考慮進(jìn)來；</p><p>　　第四代在90年中期，歐盟要求EMC(電

11、磁兼容)，包括PFC方面的高次諧波要求；</p><p>　　現(xiàn)在進(jìn)入了第五代，2006年7月，歐盟將強(qiáng)制執(zhí)行RoHS條例，以限制有毒物質(zhì)的使用，新一代的電源產(chǎn)品就這樣誕生了。</p><p>　　40多年來，開關(guān)電源經(jīng)歷了三個(gè)重要發(fā)展階段：　　第一個(gè)階段是功率半導(dǎo)體器件從雙極型器件(BPT、SCR、GT0)發(fā)展為MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使電力電子系統(tǒng)有

12、可能實(shí)現(xiàn)高頻化，并大幅度降低導(dǎo)通損耗，電路也更為簡單?！　〉诙€(gè)階段自20世紀(jì)80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點(diǎn)之一?！　〉谌齻€(gè)階段從20世紀(jì)90年代中期開始，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開始發(fā)展，它是當(dāng)今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。</p><p>　　1.3 開關(guān)穩(wěn)壓電源

13、與線性穩(wěn)壓電源的對(duì)比</p><p>　　1.3.1 線性穩(wěn)壓電源概述</p><p>　　線性穩(wěn)壓電源（Liner power supply）是先將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓。要達(dá)到高精度的直流電壓，必須經(jīng)過穩(wěn)壓電路進(jìn)行穩(wěn)壓。</p><p>　　一般來說， 線性穩(wěn)壓電源由調(diào)整管、 參

14、考電壓、 取樣電路、 誤差放大電路等幾個(gè)基本部分組成。 另外還可能包括一些例如保護(hù)電路，啟動(dòng)電路等部分。</p><p>　　線性電源是比較早使用的一類直流穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓直流電源的特點(diǎn)是：輸出電壓比輸入電壓低；反應(yīng)速度快，輸出紋波較小；工作產(chǎn)生的噪聲低；效率較低(現(xiàn)在經(jīng)常看的LDO就是為了解決效率問題而出現(xiàn)的)；發(fā)熱量大（尤其是大功率電源），間接地給系統(tǒng)增加熱噪聲。</p><p>　

15、　1.3.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源概述</p><p>　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，從而實(shí)現(xiàn)升壓和降壓，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。簡單地說，開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進(jìn)行高速的道通與截止。開關(guān)電源實(shí)質(zhì)就是一個(gè)振蕩電路，這種轉(zhuǎn)換電能的方式，不僅應(yīng)用在電源電路，在其它的電路應(yīng)用也很普遍，如液晶顯示器的背光電路、日光

16、燈等。開關(guān)源與變壓器相比具有效率高、穩(wěn)性好、體積小等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是功率相對(duì)較小，而且會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生高頻干擾，電路復(fù)雜不易維修等。</p><p>　　開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。</p><p>　　在談開關(guān)電源之前，先熟悉一下變壓器反饋式振蕩電路，能產(chǎn)生有規(guī)律的脈沖電流或電壓的電路叫振蕩電路，變壓器反饋式振蕩電路就是能滿足這種條件的電路；它于基本放大電路

17、與一個(gè)反饋回路組成，其中C2、L1組成一個(gè)并聯(lián)諧振選頻電路，在電路通電的瞬間VT導(dǎo)通，此時(shí)在C2、L1組成的并聯(lián)諧振電路上產(chǎn)生非常豐富的諧波，當(dāng)外加頻率和并聯(lián)諧振電路的固有頻率相等時(shí),電路進(jìn)入振蕩狀態(tài)，并通過L3反饋到VT的基極進(jìn)一步放大，最終形成有規(guī)律的脈沖電流或電壓輸出到負(fù)載RL上。開關(guān)電源就是圍繞變壓器反饋式振蕩電路而設(shè)計(jì)，只不過在原來的基礎(chǔ)上增加了一些保護(hù)和控制電路，我們可以用分析振蕩電路的方法來分析開關(guān)電源。</p>

18、;<p>　　開關(guān)電源振按蕩方式分，可以分為自激式和它激式兩種，自激式是無須外加信號(hào)源能自行振蕩，自激式完全可以把它看作是一個(gè)變壓器反饋式振蕩電路，而它激式則完全依賴于外部維持振蕩，在實(shí)際應(yīng)用中自激式應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)激勵(lì)信號(hào)結(jié)構(gòu)分類；可分為脈沖調(diào)寬和脈沖調(diào)幅兩種，脈沖調(diào)寬是控制信號(hào)的寬度，也就是頻率，脈沖調(diào)幅控制信號(hào)的幅度，兩者的作用相同都是使振蕩頻率維持在某一范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定電壓的效果。變壓器的繞組一般可以分成三種類型

19、，一組是參與振蕩的初級(jí)繞組，一組是維持振蕩的反饋繞組，還有一組是負(fù)載繞組。在家用電器中使用的開關(guān)電源，將220V的交流電經(jīng)過橋式整流，變換成300V左右的直流電，濾波后進(jìn)入變壓器后加到開關(guān)管的集電極進(jìn)行高頻振蕩，反饋繞組反饋到基極維持電路振蕩，負(fù)載繞組感應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓得到的直流電壓給負(fù)載提供電能。負(fù)載繞組在提供電能的同時(shí)，也肩負(fù)起穩(wěn)定電壓的能力，其原理是在電壓輸出電路接一個(gè)電壓取樣裝置，監(jiān)測輸出電壓的變化情況，及時(shí)反饋給

20、振蕩電路調(diào)整振蕩頻率，從而達(dá)到穩(wěn)定電壓的目的，為了避免電路的干擾，反饋回振蕩電路的電壓會(huì)用光電耦合器隔離。大多數(shù)開關(guān)電源有待機(jī)電路，在待機(jī)狀態(tài)開關(guān)電</p><p>　　開關(guān)電源的工作流程是：</p><p>　　電源→輸入濾波器→全橋整流→直流濾波→開關(guān)管（振蕩逆變）→開關(guān)變壓器→輸出整流與濾波。</p><p>　　1.交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;</p

21、><p>　　2.通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開關(guān)管,將那個(gè)直流加到開關(guān)變壓</p><p><b>　　器初級(jí)上;</b></p><p>　　3.開關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負(fù)載; </p><p>　　4.輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。 <

22、/p><p>　　交流電源輸入時(shí)一般要經(jīng)過厄流圈一類的東西,過濾掉電網(wǎng)上的干擾,同時(shí)也過濾掉電源對(duì)電網(wǎng)的干擾; 在功率相同時(shí),開關(guān)頻率越高,開關(guān)變壓器的體積就越小,但對(duì)開關(guān)管的要求就越高; 開關(guān)變壓器的次級(jí)可以有多個(gè)繞組或一個(gè)繞組有多個(gè)抽頭,以得到需要的輸出; 一般還應(yīng)該增加一些保護(hù)電路,比如空載、短路等保護(hù),否則可能會(huì)燒毀開關(guān)電源. 主要用于工業(yè)以及一些家用電器上，如電視機(jī)，電腦等</p><p

23、>　　1.3.3 開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性穩(wěn)壓電源的對(duì)比</p><p>　　開關(guān)電源的主要工作原理就是上橋和下橋的Mos管輪流導(dǎo)通，首先電流通過上橋Mos管流入，利用線圈的存儲(chǔ)功能，將電能集聚在線圈中，最后關(guān)閉上橋Mos管，打開下橋的Mos管，線圈和電容持續(xù)給外部供電。然后又關(guān)閉下橋Mos管，再打開上橋讓電流進(jìn)入，就這樣重復(fù)進(jìn)行，因?yàn)橐喠鏖_關(guān)Mos管，所以稱為開關(guān)電源。  而線性電源就不

24、一樣了，由于沒有開關(guān)介入，使得上水管一直在放水，如果有多的， 就會(huì)漏出來，這就是我們經(jīng)?？吹降哪承┚€性電源的Mos管發(fā)熱量很大，用不完的電能 ，全部轉(zhuǎn)換成了熱能。從這個(gè)角度來看，線性電源的轉(zhuǎn)換效率就非常低了，而且熱量高的時(shí)候，元件的壽命勢必要下降 ，影響最終的使用效果 。  開關(guān)電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。 線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，也就是說他一用起來功率器件就是一直在工作，所以也就導(dǎo)致

25、它的工作效率低，一般在50%~60%，還得說他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使它從高壓變低壓必須有將壓裝置，一般的都是變壓器，也有別的像KX電源，再經(jīng)過整流輸出直流電壓。這樣一來他的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。它也有它的優(yōu)點(diǎn)：紋波小，調(diào)整率好</p><p>　　對(duì)于電源效率和安裝體積有要求的地方用開關(guān)電源為佳，對(duì)于電磁干擾和電源純凈性有要求的地方（例如電容漏電檢測）多選用線性電源。另外當(dāng)電路

26、中需要作隔離的時(shí)候現(xiàn)在多數(shù)用DC－DC來做對(duì)隔離部分供電（DC-DC從其工作原理上來說就是開關(guān)電源）。還有，開關(guān)電源中用到的高頻變壓器可能繞制起來比較麻煩。</p><p>　　1.4 開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向</p><p>　　開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的

27、元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn Zn)材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs)下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進(jìn)展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對(duì)傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。對(duì)于高可靠性指標(biāo)，美國的

28、開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運(yùn)行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的可靠性大大提高。 　　模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)成N＋1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。針對(duì)開關(guān)電源運(yùn)行噪聲大這一缺點(diǎn)，若單獨(dú)追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)</p><p>

29、<b>　　第二章</b></p><p>　　2.1設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路</p><p><b>　　2.1.1設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　將現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的整流、濾波、斬波技術(shù)，PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，檢測技術(shù)等有機(jī)結(jié)合在一起，以求達(dá)到所需直流穩(wěn)壓電源的要求：不僅在性能上做到效率高、噪聲低、高次諧波

30、低、既節(jié)能又不干擾環(huán)境，還要在功能上實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化與智能化。</p><p><b>　　2.1.2系統(tǒng)功能</b></p><p>　　通過對(duì)電源的編程,可以方便地實(shí)現(xiàn)下圖所示的電壓輸出波形。其中,V 1、V 2、T1、T2、d v、dt都是可以通過編程來設(shè)定的。電壓值的輸出范圍為0～16 V ,最大輸出電流為10 A。輸出電壓精度為0. 1 V ,電流精度為1

31、0 mA。電流的設(shè)定值指的是允許輸出的最大電流,也可以被編程為與輸出電壓一樣的波形。</p><p><b>　　編程輸出電壓波形</b></p><p>　　通常用戶可以通過 3種方式對(duì)電源進(jìn)行輸出設(shè)定 :</p><p>　　①通過電源面板上按鍵編程。通過按鍵對(duì)輸出電壓、電流限流值、時(shí)間等量進(jìn)設(shè)定。</p><p>

32、　　②通過PC機(jī)串口編程。通過將 PC機(jī)的串口RS232與電源串口相連,再運(yùn)行PC機(jī)上一串口通信的軟件對(duì)電源進(jìn)行編程。</p><p>　?、垭娫撮g相互編程。通過將兩臺(tái)電源的串口相連,操作其中一臺(tái)電源面板上的按鍵來對(duì)另一臺(tái)進(jìn)行編程。操作的一臺(tái)電源叫做“主電源” ,被編程的電源叫做 “從電源”。在這種編程方式中 ,只能將從電源的參數(shù)設(shè)置為與主電源完全一致 ,而不能對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)定。一臺(tái)電源只能提供 100 W

33、的功率。這種方式可以應(yīng)用在需要較大功率的場合 ,可將兩臺(tái)或多臺(tái)具有相同設(shè)置的電源輸出并聯(lián)來方便地實(shí)現(xiàn)功率擴(kuò)展。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中我將采用通過PC機(jī)串口編程。</p><p>　　2.1.3設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖</p><p>　　用單片機(jī)來控制開關(guān)電源,總的來說可以分為兩種 :第一種是單片機(jī)通過輸出 PWM或 DA給電源電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓 ,單片機(jī)本身不介

34、入電源的反饋中;第二種為通過單片機(jī)輸出的 PWM信號(hào)直接控制開關(guān)管工作 ,取代 PWM芯片 ,但這種方式對(duì)單片機(jī)的要求較高 ,需要具有相當(dāng)高的時(shí)鐘頻率才能滿足對(duì)輸出 PWM頻率和分辨率的要求。</p><p>　　在我的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用的是第二種用單片機(jī)控制開關(guān)電源的方法,即通過單片機(jī)輸出的 PWM信號(hào)直接控制開關(guān)管工作 ,取代 PWM芯片。</p><p>　　系統(tǒng)按模塊來分可以分成兩

35、大模塊 :電源模塊和單片機(jī)控制模塊。電源模塊是以整流濾波電路和穩(wěn)壓電路為主的直流穩(wěn)壓電路。單片機(jī)控制模塊采用單片機(jī)PIC16F877作為微控制器 ,主要實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)的采樣、顯示、按鍵輸入、串口通信以及為電源模塊提供電壓電流參考等功能。兩個(gè)模塊的關(guān)系可以用下圖來說明。</p><p><b>　　工作原理圖</b></p><p>　　如圖中 ,電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波后

36、供給高頻變換電路 ,由高頻變換電路產(chǎn)生輸出。單片機(jī)輸出兩路 PWM信號(hào) ,給電源模塊提供輸出電壓的參考值和電流的限流值 ,電源模塊按照單片機(jī)提供的參考值輸出電壓和限定最大電流。雖然單片機(jī)采樣輸出電壓和電流進(jìn)行顯示 ,但這里單片機(jī)并不參與系統(tǒng)的反饋 ,反饋通過電源模塊來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2.2電源模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1直流穩(wěn)壓電源的組成和功能</p>

37、;<p>　　在上面的直流穩(wěn)壓電源框形圖中，我們可以清楚地看出一個(gè)直流穩(wěn)壓電源主要由以下四個(gè)部分組成：</p><p>　　電源變壓器的功能是功率傳送、電壓變換和絕緣隔離，作為一種主要的軟磁電磁元件，在電源技術(shù)中和電力電子技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)傳送功率的大小，電源變壓器可以分為幾檔：10kVA以上為大功率，10kVA～0.5kVA為中功率，0.5kVA～25VA為小功率，25VA以下為微功率。電

38、源變壓器在上圖中將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。</p><p>　　整流電路是電力電子電路中最早出現(xiàn)的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟?，大多?shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成。20世紀(jì)70年代以后，主電路多用硅整流二極管和晶閘管組成。濾波器接在主電路與負(fù)載之間，用于濾除脈動(dòng)直流電壓中的交流成分。變壓器設(shè)置與否視具體情況而定。變壓器的作用是實(shí)現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配以及交流電網(wǎng)與整流電路

39、之間的電隔離（可減小電網(wǎng)與電路間的電干擾和故障影響）。整流電路在上圖中將交流電壓u2變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓u3。</p><p>　　濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波。一般由電抗元件組成，由于電抗元件在電路中有儲(chǔ)能作用，并聯(lián)的電容器C在電源供給的電壓升高時(shí)，能把部分能量儲(chǔ)存起來，而當(dāng)電源電壓降低時(shí)，就把能量釋放出來，使負(fù)載電壓比較平滑，即電容C具有平波的作用；與負(fù)載串聯(lián)的電感L,當(dāng)電源供給的電流增加（由電源電壓

40、增加引起）時(shí)，它把能量儲(chǔ)存起來，而當(dāng)電流減小時(shí)，又把能量釋放出來，使負(fù)載電流比較平滑，即電感L也有平波作用。濾波電路在上圖中將脈動(dòng)直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。</p><p>　　穩(wěn)壓電路是在輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度、電路參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)仍能保持輸出電壓恒定的電路。這種電路能提供穩(wěn)定的直流電源，廣為各種電子設(shè)備所采用。穩(wěn)壓電路在上圖中清除電網(wǎng)波動(dòng)及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。</p&g

41、t;<p>　　2.2.2整流濾波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.2.1電容濾波的三相橋式不可控整流電路的工作原理</p><p>　　為了適應(yīng)不同的工業(yè)要求，整流濾波電路形式各種各樣，應(yīng)用十分廣泛。整流電路按組成的器件可分為不可控、半控和全控三種，按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路，按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路，按變壓器二次側(cè)電流的方向是單相或雙相，又分為單拍

42、電路和雙拍電路；實(shí)用電路是上述的組合結(jié)構(gòu)。整流電路按其組成器件可分為不控整流電路、半控整流電路和全控整流電路。后兩種電路按其控制方式又可分為相控整流電路和斬波整流電路。相控整流電路由于采用電網(wǎng)換相方式，不需要專門的換相電路，因而電路簡單、工作可靠，得到廣泛應(yīng)用。但相控整流電路在控制用α較大時(shí)，功率因數(shù)較低，網(wǎng)側(cè)電流諧波含量較大。因而在大功率調(diào)速傳動(dòng)中，低速運(yùn)行時(shí)，采用斬控整流電路可解決功率因數(shù)變壞的問題。濾波電路形式很多，為了掌握它的分

43、析規(guī)律，把它分為電容輸入式（電容器C接在最前面）和電感輸入式（電感器L接在最前面）。前一種濾波電路多用于小功率電源中，而后一種濾波電路多用于較大功率電源中（而且當(dāng)電流很大時(shí)，僅用一電感器與負(fù)載串聯(lián)）。濾波電路一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。</p><p>　　根據(jù)上述概念在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中將采用電容濾波的三項(xiàng)橋式不可控整流電路。&

44、lt;/p><p>　　電容濾波的三相橋式不可控整流電路</p><p>　　在電容濾波的三相橋式不可控整流電路中，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，由電容向負(fù)載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。</p><p>　　設(shè)二極管在距線電壓過零點(diǎn)δ角處開始導(dǎo)通，并以二極管VD6和VD1開始導(dǎo)通的時(shí)

45、刻為時(shí)間零點(diǎn)，則線電壓為：      uab= U2sin(ωτ＋δ)     而相電壓為：       ua= U2sin(ωτ＋δ－π/6)  在ωt = 0時(shí)，二極管VD6和VD1

46、開始同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于uab；下一次同時(shí)導(dǎo)通的一對(duì)管子是VD1和VD2，直流側(cè)電壓等于uac。這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的，如圖1所示，另一種是VD1一直導(dǎo)通，交替時(shí)由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通，id是連續(xù)的。介于二者之間的臨界情況是，VD6和VD1同時(shí)導(dǎo)通的階段與VD1和VD2在ωt＋δ＝2π/3處恰好銜接了起來，id恰好連續(xù)。

47、由前面所述“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。</p><p>　　假設(shè)在ωt＋δ＝2π/3的時(shí)刻“速度相等”恰好發(fā)生，則有</p><p>　　可得           這就是臨界條件。ωRC > 和ωRC≤ 分別是電流id 斷續(xù)和連續(xù)的條件。圖2給出了ωRC等于和小

48、于 時(shí)的電流波形。對(duì)一個(gè)確定的裝置來講，通常只有R是可變的，它的大小反映了負(fù)載的輕重。因此可以說，在輕載時(shí)直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時(shí)是連續(xù)的，分界點(diǎn)就是R= ／（ωC）。</p><p>　　當(dāng)ωRC > 時(shí)，交流側(cè)電流和電壓波形如圖1所示，其中δ和θ的求取可仿照單相電路的方法。δ和θ確定之后，即可推導(dǎo)出交流側(cè)線電流 ia 的表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上可對(duì)交流側(cè)電流進(jìn)行諧波分析。由于推導(dǎo)過程十分繁瑣，這里

49、不再詳述。</p><p>　　2.2.2.2電容濾波的三相橋式不可控整流電路的基本數(shù)量關(guān)系</p><p>　　(1)輸出電壓平均值</p><p>　　空載時(shí)，輸出電壓平均值最大，為 。隨著負(fù)載加重，輸出電壓平均值減小，至ωRC = 進(jìn)入id連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為Ud=2.34U2。可見，Ud在2.34U2~2.45U2之間變化。

50、與電容濾波的單相橋式不可控整流電路相比，Ud的變化范圍小得多，當(dāng)負(fù)載加重到一定程度后，Ud就穩(wěn)定在2.34U2不變了。</p><p>　　(2)輸出電流平均值</p><p>　　輸出電流平均值IR為：IR=Ud/R 與單相電路情況一樣，經(jīng)過電容的電流iC在一個(gè)周期內(nèi)平均值為零，因此： Id=IR。在一個(gè)電源周期中，id有6個(gè)波頭，流過每一個(gè)二極管的是其中的兩個(gè)波頭，因此二極管電流平均值

51、為Id的1/3，即：IVD=Id/3=IR/3</p><p>　　(3) 二極管承受的電壓 </p><p>　　二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為 。</p><p>　　2.2.3穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路介紹</p><p>　　整流濾波后的電壓是不穩(wěn)定的電壓，在電網(wǎng)電壓或負(fù)載變化時(shí)，該電壓都會(huì)產(chǎn)生變化，而且紋波電壓又大

52、。所以，整流濾波后，還須經(jīng)過穩(wěn)壓電路，才能使輸出電壓在一定的范圍內(nèi)穩(wěn)定不變。為了設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的穩(wěn)壓電路，需對(duì)各種穩(wěn)壓電路進(jìn)行分析比較，然后選取合適的穩(wěn)壓電路。通過對(duì)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路、串聯(lián)型反饋穩(wěn)壓電路、串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)壓電路的特點(diǎn)比較，我選用了串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路作為本課題的穩(wěn)壓電路。因?yàn)榇?lián)型開關(guān)型穩(wěn)壓電路具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、穩(wěn)壓性能好、技術(shù)成熟的特點(diǎn)。</p><p>　　2.2.3.1開關(guān)型穩(wěn)壓電路的換能

53、電路的基本原理</p><p>　　開關(guān)型穩(wěn)壓電路的換能電路將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)LC濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓，下圖所示為基本原理圖。輸入電壓是未經(jīng)穩(wěn)壓的直流電壓；晶體管V為調(diào)整管，即開關(guān)管；控制開關(guān)管的工作狀態(tài)；電感L和電容C組成濾波電路，VD為續(xù)流二極管。</p><p>　　換能電路的基本原理圖</p><p>　　2.2.3.2串聯(lián)開關(guān)型穩(wěn)

54、壓電路的組成及工作原理</p><p>　　在上圖所示的換能電路中，當(dāng)輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓將隨之增大或減小?？梢韵胂螅绻茉谠龃髸r(shí)減小占空比，而在減小時(shí)增大占空比，那么輸出電壓就可獲得穩(wěn)定。將Uo的采樣電壓通過反饋來調(diào)節(jié)控制電壓的占空比，就可達(dá)到穩(wěn)壓的目的。根據(jù)能量守恒原理，輸出電壓與輸入電壓之間也有如下關(guān)系：</p><p>　　控制過程是在保持調(diào)整管開關(guān)周期T不變的情況

55、下，通過改變開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)節(jié)脈沖占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，故稱之為脈寬調(diào)制型開關(guān)電源。目前有多種脈寬調(diào)制型開關(guān)電源的控制器芯片，有的還將開關(guān)管也集成于芯片之中，且含有各種保護(hù)電路，因而可得到開關(guān)型穩(wěn)壓電路的簡化形式，如下圖所示。 </p><p>　　2.2.3.3開關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)電路的選擇 </p><p>　　根據(jù)上圖看來，穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵是開關(guān)管V的選擇。我們根據(jù)高性能的要求，選擇

56、新一代開關(guān)元件---絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)管V，它是2O世紀(jì)80年代中期問世的一種新型電力電子器件,它是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。

57、非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。</p><p>　　IGBT的靜態(tài)特性：</p><p>　　IGBT 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關(guān)特性。 </p><p>　　IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs

58、的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似．也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。 </p><p>　　IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的

59、關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th) 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。 </p><p>　　IGBT 的開關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT 處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP 晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B 值極低。盡管等效電路為達(dá)林

60、頓結(jié)構(gòu)，但流過MOSFET 的電流成為IGBT 總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on) 可用下式表示 </p><p>　　Uds(on) ＝ Uj1 ＋ Udr ＋ IdRoh </p><p>　　式中Uj1 —— JI 結(jié)的正向電壓，其值為0.7 ～1V ；Udr ——擴(kuò)展電阻Rdr 上的壓降；Roh ——溝道電阻。 </p><p>　　通態(tài)電流Id

61、s 可用下式表示： </p><p>　　Ids=(1+Bpnp)Imos </p><p>　　式中Imos ——流過MOSFET 的電流。 </p><p>　　由于N+ 區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT 的通態(tài)壓降小，耐壓1000V的IGBT 通態(tài)壓降為2 ～ 3V 。IGBT 處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。</p><p>　　

62、IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性</p><p>　　IGBT的動(dòng)態(tài)特性：</p><p>　　IGBT 在開通過程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET 來運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds 下降過程后期， PNP 晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on) 為開通延遲時(shí)間， tri 為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開通時(shí)間ton 即為td (on) tri 之和。漏源電壓的下降

63、時(shí)間由tfe1 和tfe2 組成。 </p><p>　　IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極- 發(fā)射極阻抗大，故可使用MOSFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MO

64、SFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。 </p><p>　　IGBT在關(guān)斷過程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間 </p><p>　　t(off

65、)=td(off)+trv十t(f) </p><p>　　式中，td(off)與trv之和又稱為存儲(chǔ)時(shí)間。 </p><p>　　IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開啟電壓約3～4V，和MOSFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比MOSFET低而和GTR接近，飽和壓降隨

66、柵極電壓的增加而降低。 </p><p>　　2.2.3.4IGBT的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　我們不再采用分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路，而采用富士電機(jī)的EXB841專用集成電路，最高運(yùn)行頻率是40kHz。輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部光電隔離，最大延遲時(shí)間為1us。驅(qū)動(dòng)電路外加+20V單電源供電，由內(nèi)部電阻和穩(wěn)壓管分壓為+15V和-5V，分別作為正負(fù)柵極電源。根據(jù)IGBT管壓降隨集電極電流的增加而增加的特

67、性，EXB841的內(nèi)部采用集電極和發(fā)射極之間電壓識(shí)別法進(jìn)行過電流保護(hù)。為防止柵極積累電荷，設(shè)一放電電阻RS，其電阻值取4.7，同時(shí)并接兩個(gè)反向串聯(lián)穩(wěn)壓管、，可以避免柵極和發(fā)射極間的尖峰電壓損壞IGBT。</p><p><b>　　第三章 </b></p><p>　　3.1 PIC16F877單片機(jī)</p><p>　　在該設(shè)計(jì)中，控制核心

68、是單片機(jī)，需要用它來產(chǎn)生PWM波，并將采樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，控制PWM波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。采用PIC16F877單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)該功能。 </p><p>　　PIC16F877是由Microchip公司所生產(chǎn)開發(fā)的新產(chǎn)品，屬于PICmicro系列單片微機(jī)，具有Flash program程序內(nèi)存功能，可以重復(fù)燒錄程序，適合教學(xué)、開發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其內(nèi)建ICD(In Circuit Debug)功能，可以

69、讓使用者直接在單片機(jī)電路或產(chǎn)品上，進(jìn)行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進(jìn)行程序除錯(cuò)與開發(fā)。</p><p>　　PIC16F877單片機(jī)I/O端口介紹：</p><p>　　PIC16F877單片機(jī)有5個(gè)I/O端口：PORTA,PORTB,PORTC,PORTD和PORTE,共有33個(gè)引腳。各個(gè)端口的設(shè)計(jì)思路和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是不同的，甚至同一個(gè)端口不同的引腳的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也存

70、在差異，但其他線路很相似。</p><p>　　● 端口A 是一個(gè)6位的雙向輸入/輸出端口，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)方向寄存器是TRISA。當(dāng)作為一般數(shù)據(jù)輸入/輸出時(shí)，TRISA寄存器用來設(shè)定該引腳為輸入/輸出，且每個(gè)引腳可以單獨(dú)作為輸入/輸出使用。PORTA寄存器為端口A 的數(shù)據(jù)緩沖期，與端口A 共享引腳的外圍功能模塊包括A/D轉(zhuǎn)換通道、模擬參考電壓和定時(shí)器0外部時(shí)鐘輸入等。</p><p>　　●

71、 端口B 是一個(gè)8位的雙向輸入/輸出端口，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)方向寄存器是TRISA。它除了具有與端口A 一樣的通用I/O功能外，其RB4～RB7引腳還提供可電平變化中斷功能。</p><p>　　● 端口C、D、E的功能與端口A 的功能類似，出具有通用的輸入/輸出功能外，還與某些外圍功能模塊共享引腳。端口C、D都是8位的雙向輸入/輸出端口，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)方向寄存器是TRISC和TRISD；端口E僅有3個(gè)引腳作為雙向輸入/

72、輸出端口，他也有相應(yīng)的數(shù)據(jù)方向寄存器TRISE。</p><p>　　此外，端口D還可以作為并行從動(dòng)口(PSP)的總線引腳，作為和其他微處理器連續(xù)的并行接口，而端口E的TRISE寄存器中的PSPMODE位則用于選擇端口D作為PSP的總線引腳。</p><p>　　以端口C為例，簡單介紹I/O端口的應(yīng)用。端口C的8個(gè)引腳RC0～RC7分別通過8只電阻（起限流作用）與發(fā)光二極管相連，從而控制發(fā)

73、光二極管的點(diǎn)亮和熄滅。當(dāng)端口C相應(yīng)的引腳輸出為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)端口C相應(yīng)的引腳輸出高電平時(shí)，發(fā)光二級(jí)光熄滅。</p><p>　　根據(jù)硬件電路對(duì)端口C進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)如下功能：程序運(yùn)行后，前4個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，后4個(gè)熄滅。</p><p>　　40引腳PIC16F877接腳說明</p><p>　　PIC16F877屬于閃控式(Flash)單片機(jī)，可以重復(fù)

74、燒錄，其ROM的容量總共是8K words，以2K為一個(gè)page，區(qū)分為4個(gè)pages；內(nèi)部RAM總共有512個(gè)字節(jié)(00f~1FFh)，以128個(gè)字節(jié)為一個(gè)Bank，共區(qū)分為4個(gè)Bank，每個(gè)Bank的前半段都有其特殊用途，分別連接到其特殊功能模塊，例如I/O、CCP、Timer、USART、MSSP等。 </p><p>　　PIC16F877屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機(jī)，除了CPU、POM、RAM、I

75、/O等基本構(gòu)造外，還包括以下各種功能，簡介如下： ● 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC模塊：PIC16F877單片機(jī)的ADC內(nèi)部機(jī)構(gòu)如下圖所示。40引腳封裝芯片與28引腳封裝芯片的區(qū)別主要在于模擬口的數(shù)量不同，28引腳封裝芯片沒有AN5～AN7模擬量輸出通道，其他各部分的功能和組成關(guān)系相同。</p><p>　　PIC16F877單片機(jī)內(nèi)部嵌入的ADC模塊具有10位數(shù)字量精度，共有8個(gè)模擬通道，與ADC模塊有關(guān)的寄存器共有

76、11個(gè)，其專用的4個(gè)寄存器分別為：ADCCON0,ADCCNO1,ADRESH以及ADRESL。</p><p>　　源阻抗（RS）和內(nèi)部采樣開關(guān)（RSS）阻抗直接影響所要求的充電電容CHOLD的時(shí)間，采樣開關(guān)（RSS）阻抗在單片機(jī)電壓上的變化，源阻抗在模擬輸入時(shí)影響偏移電壓（由于引腳漏電流）。所推薦的最大模擬源阻抗是101kω，在模塊輸入通道被選擇后轉(zhuǎn)換可以開始之前采集必須通過。 </p><

77、;p>　　A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)間每位定義為tad，A/D轉(zhuǎn)換器每10位轉(zhuǎn)換要求12TAD，A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘源是可以通過軟件設(shè)定的，tad的4種可能選擇是： </p><p><b>　　· 2TOSC； </b></p><p><b>　　· 8TOSC； </b></p><p>　　·

78、32TOSC； </p><p>　　· 內(nèi)部RC振蕩器。 </p><p>　　對(duì)于正確的A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘（TAD）必須被選擇以保證1.6μs的最小TAD時(shí)間。 </p><p>　　ADCON1、TRISA和TRISE寄存器控制A/D端口引腳的操作。這個(gè)作為模擬輸入的端口引腳必須有它們的相應(yīng)位TRIS置1（輸入）。如果TRIS位清0（輸出），

79、數(shù)字輸出電平（VOH或VOL）將被轉(zhuǎn)換。A/D操作是獨(dú)立于（CHS（2∶0））位和TRIS位的狀態(tài)之外的。 </p><p>　　在睡眠期間A/D模塊可以工作，這種A/D時(shí)鐘要求對(duì)RC置1，（ARCS（1：0）＝11）， 當(dāng)選擇RC時(shí)鐘源時(shí)，A/D模塊在開始轉(zhuǎn)換之前等待一個(gè)指令周期。這種允許執(zhí)行的睡眠指令，可以消除在轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的所有數(shù)字開關(guān)噪聲。 </p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，GO/

80、DONE位將被清0，和轉(zhuǎn)換結(jié)果一塊裝入ADRES寄存器，如果A/D中斷使能，單片機(jī)將從睡眠中喚醒，如果A/D中斷不使能，盡管ADON位仍保持置1，A/D模塊仍將被關(guān)閉。 </p><p>　　如果A/D時(shí)鐘源是另一種時(shí)針選擇（不是RC），盡管ADIN位仍保持1，睡眠指令將導(dǎo)致目前的轉(zhuǎn)換中斷和A/D模塊被關(guān)閉。關(guān)閉A/D，把A/D模塊放到它的最低電流消耗狀態(tài)。 </p><p>　　單片機(jī)復(fù)

81、位強(qiáng)制所有寄存器復(fù)位到它們的復(fù)位狀態(tài)，強(qiáng)制關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換模塊和進(jìn)行的轉(zhuǎn)換。在ADRESH、ADRESL寄存器的值在上電復(fù)位時(shí)不變，ADRESH、ADRESL寄存器在上電復(fù)位之后將包含未知數(shù)據(jù)。</p><p>　　PIC16F877單片機(jī)的ADC內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　● 捕捉模塊：PIC16F877單片機(jī)配置了兩個(gè)CCP（捕捉/比較/脈寬調(diào)制）模塊，即CCP1和CCP2。他們各自都

82、有獨(dú)立的16位寄存器CCPR1和CCPR2。兩個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)，功能，操作方法基本一樣，區(qū)別僅在于它們各自有獨(dú)立的外部引腳和特殊事件觸發(fā)器。CCP模塊的功能包括外部信號(hào)捕捉，內(nèi)部比較輸出以及PWM輸出，它往往與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器配合使用。</p><p>　　CCP模塊可工作在3種模式下：捕捉方式，比較方式和脈寬調(diào)制方式。</p><p>　　捕捉方式是指檢測引腳上輸入信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)信號(hào)的狀態(tài)符合

83、設(shè)定的條件時(shí)（信號(hào)上升沿或下降沿出現(xiàn)時(shí)）產(chǎn)生中斷，并記錄當(dāng)時(shí)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器值,當(dāng)CCP模塊工作在捕捉方式時(shí)，TMR1控制寄存器必須工作在定時(shí)器或同步計(jì)數(shù)方式下。</p><p>　　比較方式是指將事先設(shè)定好的值與定時(shí)器方式或同步計(jì)數(shù)方式下的值相互比較，當(dāng)兩個(gè)值相等時(shí)，產(chǎn)生中斷并驅(qū)動(dòng)事先設(shè)定好的動(dòng)作。</p><p>　　脈寬調(diào)制功能適用于從引腳上輸出脈沖寬度隨時(shí)可調(diào)的PWM信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)直

84、流電機(jī)的調(diào)速，D/A轉(zhuǎn)換和步進(jìn)控制。 ● 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊：PIC16F877單片機(jī)內(nèi)部配置了3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，分別記為TMR0,TMR1,TMR2。這3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊不僅在電路結(jié)構(gòu)上不相同，而且其在設(shè)計(jì)的初衷和使用上也各有不同。</p><p>　　定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0是3個(gè)同類模塊中最常用的器件，與定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0相關(guān)的寄存器一共有4個(gè)，分別為累加計(jì)數(shù)寄存器TMR0選項(xiàng)寄存器OP

85、TION_REG，中斷控制寄存器INTCON和端口RA方向寄存器TRISA。</p><p>　　定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1 是一個(gè)有兩個(gè)8位可讀寫的寄存器（TMR01H和TMR11）組成的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它帶有一個(gè)3位的可編程預(yù)分頻器和一個(gè)內(nèi)置的低功耗頻時(shí)基振蕩器。</p><p>　　定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR2是一個(gè)8為定時(shí)器，其中還包括了一個(gè)可編程預(yù)分頻器和一個(gè)后分頻器。 </p

86、><p>　　● MSSP /USART:PIC16F877單片機(jī)主要配置了兩種形式的串行通信模塊，即主</p><p>　　控同步串行通信模塊（MSSP）和通用同步/異步收發(fā)器（USART）。MSSP模塊是用來與其他外圍芯片或其他單片機(jī)芯片進(jìn)行通信的串行接口，其工作方式用兩種：串行芯片接口（SPI）和芯片間總線（I2C）。</p><p>　　I2C總線是由數(shù)據(jù)線SD

87、A和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制

88、的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。 </p><p>　　I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有三種類型信號(hào)， 它們分別是：開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。 </p><p>　　開始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。 </p><p>

89、　　結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。 </p><p>　　應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 </p><p>　

90、　這些信號(hào)中，起始信號(hào)是必需的，結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)，都可以不要。</p><p>　　I2C 總線是一種用于IC器件之間連接的雙向二線制總線，所謂總線它上面可以掛多個(gè)器件，并且通過兩根線連接，占用空間非常的小，總線的長度可長達(dá)25英尺，并且能夠以10Kbps的最大傳輸速率支持4個(gè)組件。它的另一優(yōu)點(diǎn)是多主控，只要能夠進(jìn)行接收和發(fā)送的設(shè)備都可以成為主控制器，當(dāng)然多個(gè)主控不能同一時(shí)間工作。</p><

91、;p>　　I2C總線有兩根信號(hào)線，一根為SDA（數(shù)據(jù)線），一根為SCL（時(shí)鐘線）。任何時(shí)候時(shí)鐘信號(hào)都是由主控器件產(chǎn)生。</p><p>　　SPI的通信原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線，事實(shí)上3根也可以（單向傳輸時(shí)）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時(shí)鐘），CS（片選）。</p>&l

92、t;p>　?。?）SDO – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入</p><p>　?。?）SDI – 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出</p><p>　?。?）SCLK – 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生</p><p>　?。?）CS – 從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制</p><p>　　其中CS是控制芯片是否被選中的，也就是說只有片選信號(hào)為預(yù)

93、先規(guī)定的使能信號(hào)時(shí)（高電位或低電位），對(duì)此芯片的操作才有效。這就允許在同一總線上連接多個(gè)SPI設(shè)備成為可能。</p><p>　　接下來就負(fù)責(zé)通訊的3根線了。通訊是通過數(shù)據(jù)交換完成的，這里先要知道SPI是串行通訊協(xié)議，也就是說數(shù)據(jù)是一位一位的傳輸?shù)?。這就是SCK時(shí)鐘線存在的原因，由SCK提供時(shí)鐘脈沖，SDI，SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)輸出通過 SDO線，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘上升沿或下降沿時(shí)改變，在緊接著的下降沿或

94、上升沿被讀取。完成一位數(shù)據(jù)傳輸，輸入也使用同樣原理。這樣，在至少8次時(shí)鐘信號(hào)的改變（上沿和下沿為一次），就可以完成8位數(shù)據(jù)的傳輸。 </p><p>　　要注意的是，SCK信號(hào)線只由主設(shè)備控制，從設(shè)備不能控制信號(hào)線。同樣，在一個(gè)基于SPI的設(shè)備中，至少有一個(gè)主控設(shè)備。這樣傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：這樣的傳輸方式有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，與普通的串行通訊不同，普通的串行通訊一次連續(xù)傳送至少8位數(shù)據(jù)，而SPI允許數(shù)據(jù)一位一位的傳送，甚至允許暫停

95、，因?yàn)镾CK時(shí)鐘線由主控設(shè)備控制，當(dāng)沒有時(shí)鐘跳變時(shí)，從設(shè)備不采集或傳送數(shù)據(jù)。也就是說，主設(shè)備通過對(duì)SCK時(shí)鐘線的控制可以完成對(duì)通訊的控制。SPI還是一個(gè)數(shù)據(jù)交換協(xié)議：因?yàn)镾PI的數(shù)據(jù)輸入和輸出線獨(dú)立，所以允許同時(shí)完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出。不同的SPI設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式不盡相同，主要是數(shù)據(jù)改變和采集的時(shí)間不同，在時(shí)鐘信號(hào)上沿或下沿采集有不同定義，具體請(qǐng)參考相關(guān)器件的文檔。</p><p>　　在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，SPI接口不

96、需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。在多個(gè)從設(shè)備的系統(tǒng)中，每個(gè)從設(shè)備需要獨(dú)立的使能信號(hào)，硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。</p><p>　　最后，SPI接口的一個(gè)缺點(diǎn)：沒有指定的流控制，沒有應(yīng)答機(jī)制確認(rèn)是否接收到數(shù)據(jù)。</p><p>　　● 復(fù)位系統(tǒng)模塊：PIC16F877系列單片機(jī)的復(fù)位功能設(shè)計(jì)得比較完善，引起單片機(jī)內(nèi)部復(fù)位的條件和原因可以大致歸納成以下5種．</

97、p><p><b>　　1．上電復(fù)位</b></p><p>　　每次單片機(jī)加電時(shí)，上電復(fù)位電路都要對(duì)電源電壓VDD的上升過程進(jìn)行檢測，當(dāng)VDD值上升到規(guī)定值1.6～1.8V時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)有效的復(fù)位信號(hào)，需經(jīng)過72ms加1024個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)，才會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　2．人工復(fù)位（單片機(jī)在執(zhí)行程序期間）</p>&l

98、t;p>　　無論是單片機(jī)在按預(yù)先設(shè)定的正常順序運(yùn)行程序，還是出現(xiàn)單片機(jī)進(jìn)入不可預(yù)知的某一個(gè)死循環(huán)，都必須認(rèn)為單片機(jī)在執(zhí)行程序。單片機(jī)在執(zhí)行程序期間，只要在人工復(fù)位端MCLR加入一個(gè)低電平信號(hào)，就會(huì)令其復(fù)位。</p><p>　　3．人工復(fù)位（單片機(jī)在睡眠期間）</p><p>　　單片機(jī)處在睡眠狀態(tài)之下（時(shí)鐘停振，單片機(jī)停止執(zhí)行程序），只要在人工復(fù)位端MCLR加入一個(gè)低電平信號(hào)，就會(huì)

99、令其復(fù)位。</p><p><b>　　4．看門狗復(fù)位</b></p><p>　　不論何種原因，只要沒有對(duì)看門狗定時(shí)器WDT周期性清0，WDT就會(huì)出現(xiàn)超時(shí)溢出，也就會(huì)引發(fā)單片機(jī)復(fù)位。依據(jù)單片機(jī)在看門狗超時(shí)溢出之前所處的狀態(tài)是睡眠還是執(zhí)行程序，又可以將看門狗超時(shí)溢出分為兩種情況。</p><p>　　一種情況只有在單片機(jī)執(zhí)行程序期間，看門狗發(fā)生

100、超時(shí)溢出，才會(huì)引發(fā)單片機(jī)的復(fù)位；而另一種情況對(duì)于PIC16F87X單片機(jī)而言則不會(huì)引發(fā)單片機(jī)的復(fù)位。</p><p><b>　　5．電源欠壓復(fù)位</b></p><p>　　在上電延時(shí)之后，該電路再提供1024個(gè)時(shí)鐘周期的延遲，目的是讓振蕩電路有足夠的時(shí)間產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。</p><p>　　為了滿足上述人工復(fù)位的需要，通常單片機(jī)都設(shè)置一

101、個(gè)外接復(fù)位引腳，來接收外部輸入的人工復(fù)位信號(hào)。</p><p>　　● 看門狗模塊：由于單片機(jī)的工作常常會(huì)受到來自外界電磁場的干擾,造成程序的跑飛,而陷入死循環(huán),程序的正常運(yùn)行被打斷,由單片機(jī)控制的系統(tǒng)無法繼續(xù)工作,會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的陷入停滯狀態(tài),發(fā)生不可預(yù)料的后果,所以出于對(duì)單片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的考慮,便產(chǎn)生了一種專門用于監(jiān)測單片機(jī)程序運(yùn)行狀態(tài)的芯片,俗稱"看門狗"(watchdog)&

102、lt;/p><p>　　看門狗電路的應(yīng)用，使單片機(jī)可以在無人狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作,其工作原理是:看門狗芯片和單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳相連,該I/O引腳通過程序控制它定時(shí)地往看門狗的這個(gè)引腳上送入高電平(或低電平),這一程序語句是分散地放在單片機(jī)其他控制語句中間的，一旦單片機(jī)由于干擾造成程序跑飛后而陷入某一程序段 進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)時(shí),寫看門狗引腳的程序便不能被執(zhí)行,這個(gè)時(shí)候,看門狗電路就會(huì)由于得不到單片機(jī)送來的信號(hào),便在它和

103、單片機(jī)復(fù)位引腳相連的引腳上送出一個(gè)復(fù)位信號(hào),使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位,即程序從程序存儲(chǔ)器的起始位置開始執(zhí)行,這樣便實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位.</p><p>　　看門狗,又叫 watchdog timer,是一個(gè)定時(shí)器電路, 一般有一個(gè)輸入,叫喂狗(kicking the dog or service the dog),一個(gè)輸出到MCU的RST端,MCU正常工作的時(shí)候,每隔一端時(shí)間輸出一個(gè)信號(hào)到喂狗端,給 WDT 清零,如

104、果超過規(guī)定的時(shí)間不喂狗,(一般在程序跑飛時(shí)),WDT 定時(shí)超過,就回給出一個(gè)復(fù)位信號(hào)到MCU,是MCU復(fù)位. 防止MCU死機(jī). 看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。</p><p>　　工作原理：在系統(tǒng)運(yùn)行以后也就啟動(dòng)了看門狗的計(jì)數(shù)器，看門狗就開始自動(dòng)計(jì)數(shù)，如果到了一定的時(shí)間還不去清看門狗，那么看門狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位。所以在使用有看門狗的芯片時(shí)要注意清看門狗。<

105、/p><p>　　硬件看門狗是利用了一個(gè)定時(shí)器，來監(jiān)控主程序的運(yùn)行，也就是說在主程序的運(yùn)行過程中，我們要在定時(shí)時(shí)間到之前對(duì)定時(shí)器進(jìn)行復(fù)位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來。那么定時(shí)時(shí)間到后就會(huì)使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　中斷模塊：PIC16F87X系列單片機(jī)可以接收多達(dá)14個(gè)中斷源。中斷控制器寄</p><p>　　存器INTCON標(biāo)記著各個(gè)中斷源的請(qǐng)求，對(duì)

106、各個(gè)中斷設(shè)置屏蔽位，對(duì)全部中斷設(shè)置全局屏蔽位。</p><p>　　PIC16F87X系列的中斷包含：TMR0溢出中斷（TOIF）、外部中斷（INTF）、端口B變化中斷（RBIF）、并行從動(dòng)端口中斷（PSPIF）、A／D變換中斷、USART異步接收中斷（RCIF）和異步發(fā)送中斷（TXIF）、同步串行端口中斷（SSPIF）、CCP1中斷（CCPIIF）、TMR2中斷（TMR2IF）、TMR1中斷、CCP1中斷（CC

107、P2）、E2PROM寫中斷（EEIF）、總線碰撞中斷（BCLIF）?！　「鱾€(gè)中斷采用查詢方式進(jìn)行，即當(dāng)CPU口向應(yīng)中斷時(shí)，事先要通過查詢中斷標(biāo)志位去判斷是哪個(gè)中斷產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，然后執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序?！　B0／INT外中斷仍遵守PIC16F87X單片機(jī)的中斷原則，當(dāng)有中斷時(shí)產(chǎn)生中斷標(biāo)志位，由CPU查詢識(shí)別中斷。根據(jù)這一原則，可以擴(kuò)展多個(gè)外中斷源，CPU響應(yīng)中斷后查詢中斷標(biāo)志位識(shí)別中斷。　　RB0／INT引腳上的外部中斷由邊沿