超声波逆变电源的研制.docx
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超声波逆变电源的研制
超声波逆变电源设计
摘要
电源的应用领域非常广泛，在工业、农业、家用电器等各个领域。
本文介绍了一种以单片机系统为核心的超声波逆变电源，其输出电压可以在较大范围内连续可调。
超声波逆变电源以PWM调制技术为基础，以高性能单片机为控制核心，通过对开关电源的控制，实现整个电源的稳定工作。
系统中，我采用美国ADI（AnalogDeviceInc）公司的微处理器ADμC812，通过ADμC812内部高性能的自校准多通道A/D转换器实现对输出电压、电流的采样、滤波、PID计算，计算结果通过D/A转换器输出，控制PWM专用芯片，实现对桥路的控制，进而控制电源输出电压的稳定。
控制系统还扩展了32K的数据存储器，键盘和数码显示用于系统参数的设置和输出电压、电流等参数的显示。
文中介绍了控制部分的设计过程，绘制了相应部分的硬件电路，编制了单片机程序。
本设计很好地实现了开关电源的高效率特性与单片机系统自动检测和控制技术的结合，达到了设计的要求。
关键字：
逆变电源，单片机，PWM，控制，ADμC812
TheDesignofSupersonicInvertingPowerSupply
Abstract
Theswitchingpowersuppliesarewidelyusedinindustries,agriculture,militaryaffairs,andhomeelectricappliance.Thispaperintroducesthedesignofaswitchingpowersupply,whichworksinsupersonicfrequencyandcontrolledbyasinglechipmicroprocessor.Theoutputvoltagecanbecontinuouslyadjustedwithinalargescale.
ThesupersonicinvertingpowersupplyadoptsthePWMtechnology.Ahighperformancemicroprocessorisusedasthecontrolcore,whichaccomplishthecontrolofthepowersupplyandstabilizationofoutputvoltage.Inthesystem,thehighperformancemicroprocessorADμC812oftheAnalogDeviceIncsampletheoutputvoltageandcurrentbytheinternalhighperformanceself-calibratingmulti-channelADC,andthenconductdatafiltering,calculationofPIDalgorithm,andfinallyexporttheresult（throughDAC）tothegeneratorofPWMwave.ThePWMwavesarefeedtotheinvertingbridgetocontrolthestabilityoftheoutputvoltageofthepowersupply.ThedynamicRAM62256isusedtomemorytheA/Dresultsandthemiddledata;thepartofKEYsandLED-displayareusedtoaccomplishtheinputanddisplayofparameters.
Thispaperintroducedthedesignprocessofthecontrolpart,includingdesignoftheelectriccircuitsandprogramofsignalchipmicroprocessor.Thedesignoftheultrasonicswitchingpowersupplywellcombinedthehigh-efficiencyoftheswitchingpowersupplywiththeautomaticexaminationandcontroltechniquesofthesinglechipmicroprocessortogether,whichfeedthedemandoftheprimaryobject.
Keywords:
Invertingpowersupply，SCP，PWM，Control，ADμC812
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1引言1
1.2工作原理1
1.3稳压过程的实现2
2单片机控制系统设计4
2.1单片机系统组成4
2.2模拟输入通道及A/D转换4
2.3PWM控制信号5
2.4监测和保护系统5
2.5键盘及显示电路5
3硬件设计6
3.1ADμC812引脚说明6
3.2模拟接口7
3.2.1A/D转换7
3.2.2D/A转换10
3.2.3A/D及D/A控制11
3.3存储器的扩展11
3.4键盘和数码显示13
3.4.1键盘输入13
3.4.2可编程外围并行接口825514
3.4.3数码管显示14
4软件设计15
4.1中断系统15
4.2程序设计16
4.2.1变量说明17
4.2.2流程图说明17
结论24
致谢25
参考文献26
附录A （外文文献）27
附录B （中文译文）33
附录C（程序部分）37
1绪论
1.1引言
直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。
目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，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，因而故障率高。
随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化方向发展[1]。
以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求[2]。
智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。
输出电压和输出电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。
我设计的超声波逆变电源正是这样一种典型的智能稳压电源。
1.2工作原理
超声波逆变电源以PWM调制高频开关电源为基础电路，以高性能单片机为控制核心，组成数据处理电路，在检测与控制软件支持下，通过对开关电源输出电流、电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制开关电源的工作状态，同时监测输出电流大小。
市电经整流、滤波变成直流电送入开关调整电路，开关调整电路在单片机的控制下输出稳定的直流电。
用户可根据需要通过键盘给定稳压电源输出的电压值，单片机系统自动对电源输出电压和电流进行数据采样，并与给定数据进行比较，然后根据设置的调整算法控制开关调整电路，使电源输出电压符合给定值，单片机在调整电源输出电压的同时还要检测输出电流，倘若超过给定值，就启动保护电路。
1.3稳压过程的实现
本设计实现的是基于单片机控制的直流稳压电源，在这里，我主要介绍由功率回路和PWM控制回路构成的直流稳压体系，单片机ADμC812的工作原理及实现将在本论文的专题部分重点介绍。
图1.1电源系统框图
电源系统总框图如图1.1所示，整机电路由三部分构成：
功率主回路、PWM调制控制回路和ADμC812单片机控制部分。
在功率主回路中包含的AC-DC整流滤波部分中，通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，由于此脉动的直流电压还含有很大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。
在整流滤波之后，采用一级DC-DC斩波电路和一级DC-AC的半桥型大功率高频开关电路，在变换的过程中，采用大功率的功率转换管用以高频整流[3]，与传统采用工频变换技术的相控电源相比，它不但可以方便地得到不同的电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。
由于采用高频功率变换，使电源装置显著减小了体积和重量，而有可能和设备的主机体积相协调，并且使电性能得到进一步提高。
由于半桥变换回路的最佳占空比在0.6~0.9之间，所以在半桥变换之前我先通过斩波回路将半桥输入电压调节到一定的范围，从而保证半桥工作在最佳状态，实现系统的高效率和高稳定性。
系统中半桥变换器由PWM调制电路输出的高频脉冲控制，它是一个功率变换器组件，它运用功率变换器进行电能变换，控制脉冲的频率越高，输出功率越大，从而可以满足不同的用电要求。
为了防止两个场效应管同时导通而发生短路现象，由PWM调制器产生一定宽度死区的脉冲以确保半桥的正常工作[4]，在半桥变换器之后，电压经过高频变压器进一步得到与输出要求更接近的电压，在此高频变压器除了起变压作用之外还有隔离前后电路的作用，使电源的性能得到进一步提高。
在电源系统中，PWM调制控制回路起着十分重要的作用，单片机通过电压传感器和电流传感器从负载端获得输出电压和输出电流的采样值，经运算放大器和模拟输入驱动输入主机ADμC812中，一方面，主机对其进行数据处理后经数码管显示，将电压的当前状态及时的反馈给用户；另一方面，主机将采样值和给定值进行比较，同时采用数字PID算法[5]，从而控制PWM调制器SG3525的输出脉冲占空比。
SG3525的输出脉冲在系统中主要用来产生频率为10HZ±10%的PWM调制脉冲，并能自动进行过压、过流保护，能产生可调的死区时间以满足系统的需要。
来自单片机的信息由2脚输入，当逆变输出电压有效值变化时，将发生如下的自动调节过程[6]：
逆变输出电压↑→逆变反馈电压↑→单片机控制输出信号↓→输出脉冲占空比↓→逆变输出电压有效值↓，反之，逆变输出电压有效值下降时，能使输出脉宽增大而使逆变电压提高[7]，具有自动稳压效果。
整个直流稳压系统以ADμC812单片机为控制核心，构成一个数字PID调节器，同时采用键盘控制和数码管显示。
通过4个键值SET、UP、DOWN、enter的灵活输入，可以实现不同的设置，如：
输出目标电压值、系统工作方式、当系统在间歇工作方式下还存在工作时间和休息时间的设置，同时将系统的运行状态通过数码管显示出来，为用户和主机建立一个可靠的操作平台，使整个系统变得更加稳定，灵活和智能化。
在专题中，主要了介绍A/D转换、D/A转换、键盘输入和数码管的显示4部分，对PID算法也将做简单的介绍。
2单片机控制系统设计
与一般模拟电路电源相比，以单片机为核心的智能稳压电源有着更大的灵活性和可操作性。
它有如下优点：
1、采用键盘输入方式，可以方便的设定和更改输出电压的目标值。
能够满足不同幅值的供压需求[8]。
2、采用数码管显示，能够把当前的电压、电流值及各种工作状态反馈给用户，与键盘一起为主机和用户提供了可靠的对话平台。
3、通过设置系统的工作方式及间歇方式下的工作时间，实现稳压系统的间歇工作，从而满足超声波不连续供电的生产需求。
2.1单片机系统组成
超声波逆变电源的单片机系统是以ADμC812为主机，ADμC812是全集成的12位数据采集系统[9]，它在单个芯片内包含了高性能的自校准多通道ADC、两个12位DAC以及可编程的8位MCU。
系统还包括32KRAM（芯片62256数据存储器），另外还扩展一片集成电路8255来补充ADμC812的I/O口，其中8255的A口和C口作输出，提供LED显示数据口，B口为键盘输入口，用以确定电压设定值的大小，具体框图见图2.1。
图2.1单片机系统框图
2.2模拟输入通道及A/D转换
系统中电压传感器使用电阻分压方式，电流传感器由一个小电阻串接在电源的输出电路并通过反向放大制成。
单片机系统通过电流、电压传感器检测电流和电压，测得的两路模拟信号，先通过各自的运算放大电路和模拟输入驱动变成与A/D转换器相匹配的信号（模拟输入范围为0~VREF）。
ADμC812内部电路包含有多路选择开关，由主机CPU控制选择有关的通道进行分时切换（本设计中把定时器2的溢出用作A/D转换起始触发脉冲输入），实现二选一，依次将两路模拟信号送至ADC转换器，进行A/D转换后变成数字信号。
2.3PWM控制信号
为了精确控制开关电路的电压输出，本系统采用脉宽调制的控制方式调节开关管的工作状态，SG3525根据控制信号产生适宜的开关脉冲信号，作为SG3525的控制信号，单片机把给定值与传感器采集信号进行比较，产生偏差信号，根据PID控制算法设置控制量的大小从而控制SG3525产生脉冲的占空比。
SG3525输出端与开关电路进行光电隔离，防止来自开关电源的骚扰信号影响单片机系统的正常工作。
2.4监测和保护系统
为了使智能稳压电源能可靠安全的工作，电路中设置了多重监测和保护系统，在电流传感器回路中加入滞回比较器，当输出电流超过系统设定值时，将由比较器产生高电平送到SG3525的10脚，系统就会切断开关电路激励信号。
除此之外，还在单片机模拟输入端加入了限压二极管，保证了输入电压值保持在0~VREF之间，保证系统正常工作。
2.5键盘及显示电路
逆变电源的键盘和显示部分由8个LED显示管，4只按键和数码管专用驱动芯片构成，其中4个按键SET、UP、DOWN、enter分别实现设定、上翻、下翻和确认的功能，通过这4个键可以完成不同的设置功能，并在进行设置的过程中不断的调用数码管显示，可以实现对参数的可视调节。
3硬件设计
在这里，我采用ADμC812作为控制系统的核心。
ADμC812是美国ADI（AnalogDeviceInc）公司出品的高性能微转换器（Microcoverter），ADμC812是全集成的12位数据采集系统，它在单个芯片内包含了高性能的自校准多通道ADC（8通道12位高精度），两个12位DAC以及可编程的8位（与8051兼容）MCU。
ADμC812具有十分强大的功能，尤其在测控系统中的应用超过其他种类的单片机或微机，所以在逆变电源系统中我选择ADμC812作为微控制器。
3.1ADμC812引脚说明
ADμC812共有52个引脚，在这里我不再一一进行介绍，下表主要介绍一些在本设计中涉及和应用到的一些重要管脚。
表3.1ADμC812引脚说明
符号
类型
功能
ADC0～ADC7
I
模拟输入，8个单端模拟输入，通过ADCCON2SFR进行通道选择
DAC0
O
DAC0电压输出
DAC1
O
DAC1电压输出
RESET
I
此引脚上长达24个主时钟周期的高电平使器件复位
I
中断0，可编程为边沿或电平触发中断输入，它可以被编程至两个优先级之一。
此引脚也可用作定时器0门（gate）控制输入
I
当外部转换启动被使能时ADC块低电平有效转换启动逻辑输入。
O
写控制信号，逻辑输出。
把来自端口0的数据字节锁存入外部数据存储器
O
读控制信号，逻辑输出。
允许外部数据存储器送至端口0
P2.0～P2.7
（A8~A15）
（A16～A23）
I/O
端口2是具有内部上拉电阻的双向端口。
端口2在从外部程序存储器取指期间内发出高地址字节，在访问外部24位外部数据存储器空间时发出中和高地址字节
ALE
O
地址锁存允许，逻辑输出。
在正常工作期间，此输出用于把地址的低字节锁存入外部存储器。
除了在外部数据存储器访问期间内，它每6个振荡周期被激活（有效）
I
外部访问使能，逻辑输入。
当保持高电平时，此输入使器件能从地址为0000H至1FFFH的内部程序存储器取回代码。
当保持低电平时，此输入使器件能从外部程序存储器取回所有指令
P0.7～P0.0
（A0～A7）
I/O
端口0是8位漏极开路双向I/O端口。
在访问外部程序或数据存储器期间内，端口0也是多路复用的低位地址和数据总线
3.2模拟接口
ADC转换包含了5μs、8通道、12位、单电源A/D转换器，此模块为用户提供多通道多路转换器、跟踪/保持、片内基准、校准特性以及A/D转换器。
模块内的所有部件能方便地通过3-寄存器SFR接口来设置。
A/D转换器由基于电容DAC的常规逐次逼近转换器组成，转换器接收的模拟输入范围为0至+VREF。
片内提供高精度、低漂移并经工厂校准的2.5V基准电压，内部基准可经外部VREF引脚驱动，外部基准可在2.3V至AVDD的范围内。
3.2.1A/D转换
图3.1模拟输入的等效电路
1、ADC的转移函数
ADC的模拟输入范围是0V至VREF，在此范围内，设计的代码跳变发生在连续的整数LSB值的中间（即，1/2LSB，3/2LSBs，5/2LSBs，……FS-3/2LSBs）。
当VREF=2.5V时，输出码是直接的二进制数，1LSB=FS/4096或2.5V/4096=0.61mV。
在0至VREF范围内理想的输入/输出转移特性为：
（3.1）
2、ADC的工作原理及输入驱动
ADC使用包括电荷采样输入极的逐次变换式结构，模拟输入部分的等效电路图如图3.1所示，每次转换分为两个阶段：
取样阶段和转换阶段。
在取样阶段（SW1和SW2在“track”位置），对模拟输入上的电压成比例的输入到2pf取样电容器；在转换阶段（SW1和SW2在“hold”位置）开关电容器DAC经内部的SAR逻辑调整。
直到节点A上的电压为0，即开关电容器DAC输出的电荷与输入电容器上采样输入的电荷相平衡。
包含在SAR中的数字锁存输出，作为最终的A/D转换结果，其中采样的时间可由用户控制。
然而，无论什么时候，只要选择了新的输入通道，来自2pf的取样电容器的驻留电荷都会产生瞬时的冲击，因此在采样开关切换到“hold”方式之前，信号源必须能消除这瞬时的冲击。
解决这一问题可以在软件中插入延时，以使在通道选择之后和转换之前的信号稳定下来。
为了减轻软件设计的负担，我选择非常快速的运算放大器来驱动每个模拟输入端。
这样的运算放大器将要求在少于300ns的时间内把信号稳定下来，以达到ADC所要求的性能。
以电压取样输入驱动为例（可参见总原理图）：
驱动电路中的肖特基二极管是为了限制输入引脚电压。
使运算放大器不会输出高于VREF或低于GND的电压。
RC电路有助于滤除一些进来的高频率和噪声。
但其主要功能是保证抑制ADC输入极在切换通道时的冲击。
驱动电路中的0.01uF的电容器是2pf取样电容器4096倍以上。
当来自先前通道的2PF电荷被投向它的时候，0.01uF电容器上的电压变化将不到12位转换分辨率的最低有效位（1个LSB，即FS/4096）。
3、ADC的工作模式
ADμC812的ADC有3种工作模式：
第一，用软件或通过转换信号加至外部引脚23（
）可以启动单步或连续转换模式；第二，用定时器2来产生用于A/D转换的重复触发信号；第三，配置ADC工作在DMA模式。
本设计中，我采用第二种工作模式。
ADC的工作完全由3个SFR控制，在下面的介绍和说明中，均只涉及到本设计中用到的状态，其他状态不作一一介绍。
（1）ADCCON1—（ADC控制SFR#1）
ADCCON1寄存器控制转换和采集时间，硬件转换模式以及掉电模式，详述如下：
SFR地址：
FFH
SFR上电缺省值：
20H
位可寻址：
无
MD1
MD0
CK1
CK0
AQ1
AQ0
T2C
EXC
表3.1ADCCON1SFR位的说明
位地址
位助记符
本系统中的应用
ADCCON1.7
ADCCON1.6
MD1
MD0
MD1MD0有效模式
01ADC正常工作
ADCCON1.5
ADCCON1.4
CK1
CK0
分频比选择如下：
CK1CK0MCLK分频比
118
ADCCON1.3
ADCCON1.2
AQ1
AQ0
AQ1AQ0#ADC时钟数
001
ADCCON1.1
T2C
设置定时器2转换位（T2C）为1，把定时器2的溢出位用作ADC转换起始触发脉冲输入
（2）ADCCON2—（ADC控制SFR#2）
ADCCON2寄存器控制ADC通道选择和转换模式，详述如下。
SFR地址：
D8H
SFR上电缺省值：
00H
位可寻址：
是
ADCI
DMA
CCONV
SCONV
CS3
CS2
CS1
CS0
表3.2ADCCON2SFR位的说明
位地址
位助记符
本系统中的应用
ADCCON2.3
ADCCON2.2
ADCCON2.1
ADCCON2.0
CS3
CS2
CS1
CS0
通道选择位（CS3-0）允许用户在软件控制下对ADC通道选择编程。
一旦转换开始，所转换的通道将是这些通道选择位所指向的通道。
（3）ADCCON3—（ADC控制SFR#3）
ADCCON3寄存器对用户软件给出ADC忙状态的指示。
SFR地址：
F5H
SFR上电缺省值：
00H
位可寻址：
无
BUSY
RSVD
RSVD
RSVD
CTYP
CAL1
CAL0
CALST
表3.3ADCCON3SFR位的说明
位地址
位助记符
本系统中的应用
ADCCON3.7
BUSY
ADC忙状态位（BUSY）是只读状态位，它在有效的ADC转换或校准周期内被设置。
在转换或校准结束时，内核自动把忙状态位（BUSY）清除
4、ADC结果格式
一旦经过ADCCON1-3SFR完成配置（如前所述），ADC将转换模拟输入并在ADCDATAH/LSFR中提供ADC12位结果字，用通道选择位写ADCDATAHSFR的高4位以识别通道结果，ADC12位结果字的格式如图3.2。
图3.2ADC结果格式
3.2.2D/A转换
D/A转换器是单片机应用系统输出通道中的一个重要环节，因为大多数的执行机构只能接受模拟量，所以单片机输出的数字量只有经过D/A转换后才能被执行机构所接受。
ADμC812组合了2个片内12位的DAC，它们采用电阻串网络，与DAC电阻网络的其他形式相比，这种结构保证电路单调性和线性。
DAC的工作经过单个特殊功能控制寄存器SFR和4个特殊功能数据寄存器SFR控制，即：
DAC0L/DAC1L包含低8位的DAC字节
DAC0H/DAC1H包含高4位的DAC字节
DACCON包含DAC0和DAC1操作所需的通用控制位
在正常工作模式下，当写低DAC半字节SFR时，每个DAC被更新。
使用DACCONSFR中的SYNC位可同时更新2个DAC。
DACCONSFR的意义如下：
SFR地址：
升级会员 