畢業(yè)設(shè)計(jì)_單片機(jī)控制的直流斬波器設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 樣和電流的采樣，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)之后進(jìn)行 PID（ Proportional Integral Differential）算法 ,同樣起到了穩(wěn)壓恒流的作用。同時(shí)外圍增設(shè)鍵盤(pán)和 LCD 顯示電路，對(duì)輸出的電壓和電流有實(shí)時(shí)的控制和監(jiān)測(cè)。 本章將對(duì)整個(gè)軟件部分的設(shè)計(jì)思路及其具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。 軟件設(shè)計(jì)總體思路 本系統(tǒng)的軟件主要有主程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊組成。其中，主程序模塊主要完成系統(tǒng)的初始化模塊、 PWM 波發(fā)生模塊、 ADC 信號(hào)采集模塊以及 PID 算法處理模塊、 鍵盤(pán)以及 LCD 顯示模塊。中斷服務(wù)程序主要完成 TMR0 定時(shí) 10ms 和 A/D 模塊的數(shù)據(jù)采集濾波處理功能。 系統(tǒng)主程序模塊 主程序模塊的程序框圖如圖 31 所示。 鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 3 圖 31 主程序框圖 始初化模塊 主程序中的初始化模塊主要完成系統(tǒng)全局變量的初始化、 ECCP 模塊的初始化、 A/D 轉(zhuǎn)化的初始化、 LCD 顯示的初始化、 TMR0 定時(shí)器的初始化和 CPU 中斷系統(tǒng)的初始化。初始化模塊的程序框圖如圖 32 所示。 ECCP模塊的初始化將設(shè)置有兩路互補(bǔ)推挽輸出的 PWM波， A/D轉(zhuǎn)化初始化將 A/D模塊初始化為 10 位的 A/D 轉(zhuǎn)換， TMR0 初始化完成每 10ms 采樣一次電壓及電流值。 圖 32 初始化模塊框圖 PWM 波發(fā)生模塊 在 PIC18F4520 中 ,CCP1模塊為帶有增強(qiáng)的 PWM功能的標(biāo)準(zhǔn) CCP模塊 [10]。這些增強(qiáng)的功能包括提供 2路或 4路輸出通道、用戶可選的極性（高電平有效或低電平有效） 、死區(qū)控制以及自動(dòng)關(guān)閉和重啟。因此，增強(qiáng)型 PWM 模式提供了更多的 PWM 輸出選項(xiàng)以適應(yīng)范圍更廣的控制應(yīng)用。 圖 33所示為 PWM操作的簡(jiǎn)化框圖。所有的控制寄存器都是雙重緩沖鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 4 的，并且在一個(gè)新的 PWM周期的開(kāi)始時(shí)刻（ Timer2復(fù)位時(shí)的周期邊界）被裝載以防止在任何輸出上出現(xiàn)毛刺。但 PWM延遲寄存器 PWM1CON例外，該寄存器在占空比邊界或周期邊界（選擇兩者中首先出現(xiàn)的那個(gè)）被裝載。由于緩沖，模塊將不會(huì)立即啟動(dòng)，而要等到分配的定時(shí)器復(fù)位為止。這意味著增強(qiáng)型 PWM 波形并不完全與標(biāo)準(zhǔn)的 PWM 波形吻合，而是偏移一 個(gè)完整的指令周期（ 4TOSC） [11]。 圖 33 增強(qiáng)型 PWM 模式工作原理示意圖 每個(gè)增強(qiáng)型 CCP模塊至多有 4路 PWM 輸出，這取決于選定的操作模式。這些輸出， P1A至 P1D，與 PORTC和 PORTD上的 I/O引腳復(fù)用。輸出是否有效取決于選定的 CCP操作模式。因此，若想要單片機(jī)工作于半橋輸出的增強(qiáng)型的 PWM模式，必須按照以下幾個(gè)步驟： (1) 通過(guò)分別設(shè)置 CCP1CON寄存器的 P1M1:P1M0 和 CCP1M3:CCP1M0 位可配置模塊的輸出模式和 極性。如圖 34所示為 CCP1CON寄存器各配置位。鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 5 圖 34 CCP1CON寄存器配置位 由于本設(shè)計(jì)中為兩路互補(bǔ)推挽的 PWM波輸出 ,所以設(shè)置 P1M1:P1M0=10，即半橋輸出： P1A和 P1B為帶死區(qū)控制的調(diào)制輸出； P1C和 P1D被指定為端口引腳。同時(shí)設(shè)置 CCP1M3:CCP1M0=1100，使 P1A和 P1B都為高電平有效。 (2) 使 P1A和 P1B都為輸出模式，即配置 TRISC和 TRISD的相應(yīng)引腳為 0。 (3) 設(shè)置 PWM波的周期。 PWM 周期可以通過(guò)寫(xiě) PR2寄存器來(lái)指定。用以下公式來(lái)計(jì)算 PWM周期。 PWM周期 =[(PR2)+1]4T OSC(TMR2 預(yù)分頻值 ) 根據(jù)本系統(tǒng)所需 PWM波的實(shí)際情況，原先的 PWM控制芯片所產(chǎn)生的 PWM波的頻率要求為 25kHz，即周期為 410 5s。而單片機(jī)外部的振蕩器為16MHz， TOSC=1/1610 6s，經(jīng)計(jì)算的 PR2=159。 (4) 設(shè)置 PWM波的占空比。通過(guò)寫(xiě) CCPR1L寄存器和 CCP1CON5:4位來(lái)指定 PWM占空比。最高分辨率可達(dá) 10位。 CCPR1L包含占空比的高 8位，而CCP1CON5:4包含低 2位。由 CCPR1L:CCP1CON5:4 表示完整的 10位值。計(jì)算占空比的公式如下： PWM占空比 =(CCPR1L:CCP1CON5:4)T OSC(TMR2 預(yù)分頻值 ) 可以在任何時(shí)候?qū)懭?CCPR1L和 CCP1CON5:4，但是在 PR2和 TMR2發(fā)生匹配（即周期結(jié)束）前占空比值不會(huì)被鎖存到 CCPR1H中。在 PWM模式中，CCPR1H 是只讀寄存器。 CCPR1H寄存器和一個(gè) 2位的內(nèi)部鎖存器用于給 PWM占空比提供雙重緩沖。這種雙重緩沖結(jié)構(gòu)非常重要，可以避免在 PWM工作過(guò)程中產(chǎn)生毛刺。 同樣根據(jù)本系統(tǒng)所需 PWM 波的實(shí)際情況， PWM 的占空比在 25%左右。鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 6 所以需要配置 CCPR1L 和 CCP1CON5:4，經(jīng)計(jì)算得 CCPR1L=0X28，同時(shí)CCP1CON5:4=00。 (5) 設(shè)置死區(qū)延時(shí)。在半橋輸出模式下，兩個(gè)引腳用作輸出端來(lái)驅(qū)動(dòng)推挽式負(fù)載。 PWM 輸出信號(hào)在 P1A引腳上輸出，而互補(bǔ)的 PWM輸出信號(hào)在P1B引腳上輸出。如圖 35所示。 圖 35 半橋 PWM 波輸出波形示意圖 在半橋 應(yīng)用中，模塊在所有時(shí)間以 PWM頻率的調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)通常比打開(kāi)它需要更多的時(shí)間。如果上方的電源和下方的電源開(kāi)關(guān)同時(shí)切換（一個(gè)打開(kāi)，另一個(gè)關(guān)閉），兩個(gè)開(kāi)關(guān)可能會(huì)在一段很短的時(shí)間內(nèi)都處于打開(kāi)狀態(tài)，直到一個(gè)開(kāi)關(guān)完全關(guān)閉為止。在這很短的間隔內(nèi)，很大的電流（直通電流）可能流過(guò)兩個(gè)電源開(kāi)關(guān)，從而導(dǎo)致半橋供電電源短路。為了避免在切換期間流過(guò)這種潛在的破壞性直通電流，一般延遲打開(kāi)其中的一個(gè)開(kāi)關(guān)等待另一個(gè)開(kāi)關(guān)完全關(guān)閉。在半橋輸出模式下，可編程的死區(qū)延遲可用來(lái)避免直通電流破壞構(gòu)成半橋的電子開(kāi)關(guān)。該延遲在信號(hào)從 非有效狀態(tài)到有效狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生。 PWM1CON 寄存器（如圖36所示）中的 PDC6:PDC0位根據(jù)單片機(jī)指令周期設(shè)置延遲時(shí)間（ TCY或 4個(gè)鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 7 TOSC） [13]。 圖 36 PWM1CON寄存器 其中 bit6bit0 為 PWM 延遲計(jì)數(shù)位，延遲時(shí)間為 PWM 信號(hào)變?yōu)橛行У念A(yù)計(jì)時(shí)間和實(shí)際時(shí)間之差，其單位為 FOSC/4（ 4T OSC）周期 [14]。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的情況，設(shè)定延時(shí)時(shí)間為占空比時(shí)間的 5%，即 510 7s,故對(duì) PWM1CON 寄存器賦值 為 0x84。 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 在本系統(tǒng)中需要對(duì)電壓和電流進(jìn)行相應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換，硬件電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)在前一章進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述，在此不再贅述。這一小節(jié)主要介紹PIC 單片機(jī)中的 A/D 轉(zhuǎn)換的原理以及在本實(shí)驗(yàn)中所需要用到 A/D轉(zhuǎn)換功能的程序設(shè)計(jì)。 PIC 單片機(jī)中的 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 [15]如圖 37所示。 可用軟件選擇模擬參考電壓為器件的正電源電壓和負(fù)電源電壓（ VDD和 VSS）或 RA3/AN3/VREF+引腳和 RA2/AN2/VREF/CVREF引腳上的電平。 A/D轉(zhuǎn)換器具有可在休眠 模式下工作的特性。要使 A/D轉(zhuǎn)換器在休眠狀態(tài)下工作， A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘必須來(lái)自于 A/D 模塊內(nèi)部的 RC振蕩器。 采樣保持電路 [16]的輸出是轉(zhuǎn)換器的輸入，轉(zhuǎn)換器采用逐次逼近法得到轉(zhuǎn)換結(jié)果。器件復(fù)位操作將強(qiáng)制所有寄存器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這將迫使 A/D模塊關(guān)閉并中止正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換。可以將每個(gè)與 A/D轉(zhuǎn)換器相關(guān)的端口引腳配置為模擬輸入或數(shù)字 I/O。 ADRESH和 ADRESL寄存器保存 A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換完成之后，轉(zhuǎn)換結(jié)果被裝入 ADRESH:ADRESL寄存器對(duì)，GO/DONE位（ ADCON0寄存器）被 清零且 A/D中斷標(biāo)志位 ADIF被置 1。上電復(fù)位時(shí)， ADRESH:ADRESL寄存器中的值保持不變。上電復(fù)位后， ADRESH:ADRESL鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 8 寄存器中的值不確定。在根據(jù)需要配置好 A/D模塊之后，必須在轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前對(duì)選定的通道進(jìn)行采樣。必須將模擬輸入通道相應(yīng)的 TRIS位選擇為輸入。采集時(shí)間一結(jié)束，即可啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換。可將采集時(shí)間編程設(shè)定在 GO/DONE位置 1和實(shí)際轉(zhuǎn)換啟動(dòng)之間。 圖 37 10 位 A/D轉(zhuǎn)換器模塊原理框圖 在執(zhí)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)該遵循以下步驟： A/D 模塊 [17]： (1)通過(guò) ADCON0 寄存器選擇輸入通道。 ADCON0 寄存器各配置位如圖38所示 。 其中 bit7bit6 為未用位， bit5bit2 為模擬通道選擇位，從 00001100 分別代表 AN0AN12，這 13 個(gè)通道。 bit1 為 A/D 轉(zhuǎn)換狀態(tài)位，1 表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行， 0表示空閑。 bit0 為 A/D 轉(zhuǎn)換使能位， 1表示使能，0 表示禁止。 鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 9 圖 38 ADCON0 寄存器各配置位 (2)通過(guò) ADCON1 寄存器配置模擬引腳、參考電 壓和數(shù)字 I/O 口。ADCON1 寄存器各配置位如圖 39 所示。其中 bit7bit6 為未用位， bit5bit4為參考電壓配置位，在本次設(shè)計(jì)中將其配置位 00，使得參考電壓在 05V之間。 bit3bit0 為 A/D 端口配置控制位，如表 31 所示。 圖 39 ADCON1寄存器各配置位 表 31 A/D 端口配置控制位 由于 AN0 為按鍵采集， AN1 為電壓采集， AN2 為電流采集，所以 ADCON1寄存器的 bit3bit0 設(shè)置為 1100。 (3)通過(guò)配置 ADCON2從而設(shè)置 A/D轉(zhuǎn)換的采集時(shí)間。每當(dāng) GO/DONE位置1，用戶就可利用 ADCON2寄存器選擇采集時(shí)間。該寄存器還提供了自動(dòng)設(shè)定采集時(shí)間的選項(xiàng)。可以使用 ACQT2:ACQT0 位（ ADCON25:3）設(shè)置采集時(shí)間，采集時(shí)間的范圍是 2到 20 個(gè) TAD。當(dāng) GO/DONE位置 1時(shí)， A/D模塊繼續(xù)對(duì)輸入進(jìn)行采樣，采樣時(shí)間為所選擇的采集時(shí)間，然后自動(dòng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。由鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 10 于采集時(shí)間已被編程，因此在選擇通道和 GO/DONE 位置 1之間無(wú)需另外等待一個(gè)采集時(shí)間。 若 ACQT2:ACQT0=000，則表示選擇手動(dòng)采 集。當(dāng) GO/DONE位置 1時(shí)，采樣停止并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。用戶有責(zé)任確保在選定所需要的輸入通道和 GO/DONE位置 1之間經(jīng)過(guò)了所需要的采集時(shí)間。此選項(xiàng)也是 ACQT2:ACQT0位的默認(rèn)復(fù)位狀態(tài)，并且與不提供可編程采集時(shí)間的器件兼容。 在這兩種情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)， GO/DONE位被清零、 ADIF 標(biāo)志位被置 1且 A/D 再次開(kāi)始對(duì)當(dāng)前選定的通道進(jìn)行采樣。如果采集時(shí)間已經(jīng)被編程，那么將不會(huì)有任何指示顯示采集時(shí)間何時(shí)結(jié)束，轉(zhuǎn)換何時(shí)開(kāi)始。 ADCON2寄存器各配置位如圖 210所示。 圖 310 ADCON2 寄存器各配 置位 bit5bit3為 A/D采集時(shí)間選擇位，在本設(shè)計(jì)中將這 3位設(shè)置成 010，為4TAD(每位 A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間被定義為 TAD)。而每完成一次 10位 A/D轉(zhuǎn)換需要 11個(gè)TAD。圖 311顯示了 GO置位為 1， bit5bit3位被設(shè)置為 010，且在轉(zhuǎn)換開(kāi)始之前選擇 4TAD采集時(shí)間后 A/D轉(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。 在轉(zhuǎn)換期間將 GO/DONE位清零將中止當(dāng)前的 A/D轉(zhuǎn)換。不會(huì)用尚未完成的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果來(lái)更新 A/D結(jié)果寄存器對(duì)。這意味著 ADRESH:ADRESL寄存器將仍然保持上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果（或上一次寫(xiě)入 ADRESH:ADRESL寄存器的值）。在 A/D轉(zhuǎn)換完成或中止以后，需要等待 2個(gè) TAD才能開(kāi)始下一次采集。等待時(shí)間一到，將自動(dòng)開(kāi)始對(duì)選定通道進(jìn)行采集。 鄭州大學(xué) 本科畢業(yè)論文 11 圖 311 A/D 轉(zhuǎn)換周期 TAD(ACQT2:0==4TAD) A/D中斷： (1)清零 ADIF位 (2)將 ADIE位置 1 (3)將 GIE 位置 1 。 ：將 ADCON0 寄存器中的 GO/DONE 為置 1。 A/D 轉(zhuǎn)換完成，在本設(shè)計(jì)中是以中斷的形式來(lái)判斷轉(zhuǎn)換是否完成。 A/D 結(jié)果 寄存器（ ADRESH:ADRESL）。