xs128的数控恒压源的设计与实现
Key Words: Numerical Control Constant Voltage Source; MC9S12XS128; PID; BUCK; BUCK/BOOST 目 录
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 本文主要研究目标与内容 2
1.3 系统总体方案 2
1.4 论文章节安排 3
2. 系统硬件电路设计 4
2.1 硬件总体设计方案 4
2.2 XS128单片机最小系统设计 4
2.3 电源模块设计 5
2.3.1 5V电源设计 6
2.3.2 3.3V电源设计 6
2.4 液晶显示电路设计 7
2.4.1 OLED液晶屏简介 7
2.4.2 OLED液晶屏模块电路 8
2.5 Buck和Buck/Boost电路设计 9
2.5.1 Buck电路原理 9
2.5.2 Buck/Boost电路原理 10
2.5.3 恒压输出电路设计 11
2.6 图腾柱电路设计 12
2.7 同相加法电路设计 13
2.8 巴特沃斯低通滤波电路设计 14
2.9 通信模块设计 16
3. 系统软件设计 17
3.1 系统软件的总体结构 17
3.2 XS128单片机初始化 18
3.2.1 系统时钟初始化 18
3.2.2 I/O初始化 19
3.2.3 串口通信初始化 19
3.2.4 PWM初始化 20
3.2.5 模数转换模块（ATD）初始化 20
3.3 人机交互界面 21
3.3.1 OLED液晶屏的显示 21
3.3.2 按键控制 22
3.4 继电器切换电路实现 22
3.5 AD采集及滤波实现 23
3.6 PID控制算法及输出电压闭环控制实现 24
3.6.1 数字PID算法原理 24
3.6.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2 输出电压闭环实现 25
4. 系统调试 27
4.1 软件开发环境CodeWarrior概述 27
4.2 系统模块调试 28
4.2.1 硬件测试 28
4.2.2 串口模块调试 28
4.2.3 人机交互界面调试 29
4.2.4 Buck电路和BuckBoost电路调试 29
4.3 系统综合调试 30
4.4 系统测试 31
5. 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
参考文献 35
附录 36
附录一 系统电路原理图 36
附录二 实物图 37
附录三 部分代码 38
致谢 40
1. 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
电源是各种电子设备的核心部件，所以电子产品的有效稳定的运行离不开可靠的电压。对于各种精密仪器来说，电源系统的质量更是至关重要的。随着电子计算机、自动控制和航天等技术的发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，大功率的线性型稳压电源在效率、体积、重量和灵活变换等方面已经不能满足需求。在二十世纪60年代初，半导体开关稳压电源的出现而满足发展的需求。由于电压表的表头的精度和人为读数的误差，电位器时间久会导致磨损或接触不良等原因的影响，导致传统的直流稳压电源的精度比较差，根本满足不了一些对电源性能要求高的电子设备的需求。但数控直流稳压源具有体积小、重量轻、可靠性高、控制电路简单、精度高等优点，完全满足时代发展的需要。数控直流稳压源是针对传统电源的不足而产生的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块的可靠性、稳定性、高效性等问题，极大地提高生产效率和产品的可靠性。电源的小型化、高效化、智能化、数字化、高度集成化必然是永恒的发展趋势。
在二十世纪80年代数控稳压源才真正的发展起来，这个时期也是电力电子技术大力发展，电力电子理论趋近于成熟的时期。电力电子技术的发展为数控恒压源的发展提供了一个良好的基础。在这段时间里，数控恒压源也有较快的发展。在这个时期兴起了高频开关电源，极大的促进电源技术的发展。DCDC电源分为开关稳压电源和线性稳压电源，而开关电源分为电荷泵电源和电感式开关电源。由于线性稳压电源的调整管工作于放大区，所以线性稳压电源是一种连续控制的电源，流过的电流是连续的。缺点是体积大、转换效率低、需要很大的散热器、重量大、体积大等。相比较而言，开关稳压电源的调整管工作状态在开关状态，具有体积小、重量轻、转换效率高等优点。由于这些优点能满足轻薄短小和节能等要件，所以能迅速的获得广泛的应用。
国内关于电源的研究起步于二十世纪60年代中期，其中以电力电子技术为核心技术。从90年代以来，我国的电源技术进入了快速发展时期。在国家自然科学资金的帮组下，我国出现了一大批具有代表性的、有一定技术难度的研究成果。但我国的电源技术与发达国家相比，仍然存在一些差距，特别在实现直流稳压电源的智能化、小型化、网络化存在很大的差距。
1.2 本文主要研究目标与内容
本课题主要研究基于XS128的数控恒压源的设计与实现，本设计的电压输出范围15V至+15V，输出电压误差小于15%，输出最大功率15W，可在电压范围内利用按键任意设定输出电压值，其输出电压最小的步进值为0.1V，利用OLED液晶屏实时显示设置电压。
本课题主要研究内容有：
MC9S12XS128最小系统设计；
恒压输出电路的设计；
人机交互界面的设计；
图腾柱驱动电路设计；
同相加法电路设计；
巴特沃斯低通滤波器设计；
ADC模块的运用并进行程序滤波；
PID的运用与参数的调节；
系统的总体设计与程序调试。
1.3 系统总体方案
1. 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 本文主要研究目标与内容 2
1.3 系统总体方案 2
1.4 论文章节安排 3
2. 系统硬件电路设计 4
2.1 硬件总体设计方案 4
2.2 XS128单片机最小系统设计 4
2.3 电源模块设计 5
2.3.1 5V电源设计 6
2.3.2 3.3V电源设计 6
2.4 液晶显示电路设计 7
2.4.1 OLED液晶屏简介 7
2.4.2 OLED液晶屏模块电路 8
2.5 Buck和Buck/Boost电路设计 9
2.5.1 Buck电路原理 9
2.5.2 Buck/Boost电路原理 10
2.5.3 恒压输出电路设计 11
2.6 图腾柱电路设计 12
2.7 同相加法电路设计 13
2.8 巴特沃斯低通滤波电路设计 14
2.9 通信模块设计 16
3. 系统软件设计 17
3.1 系统软件的总体结构 17
3.2 XS128单片机初始化 18
3.2.1 系统时钟初始化 18
3.2.2 I/O初始化 19
3.2.3 串口通信初始化 19
3.2.4 PWM初始化 20
3.2.5 模数转换模块（ATD）初始化 20
3.3 人机交互界面 21
3.3.1 OLED液晶屏的显示 21
3.3.2 按键控制 22
3.4 继电器切换电路实现 22
3.5 AD采集及滤波实现 23
3.6 PID控制算法及输出电压闭环控制实现 24
3.6.1 数字PID算法原理 24
3.6.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
2 输出电压闭环实现 25
4. 系统调试 27
4.1 软件开发环境CodeWarrior概述 27
4.2 系统模块调试 28
4.2.1 硬件测试 28
4.2.2 串口模块调试 28
4.2.3 人机交互界面调试 29
4.2.4 Buck电路和BuckBoost电路调试 29
4.3 系统综合调试 30
4.4 系统测试 31
5. 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
参考文献 35
附录 36
附录一 系统电路原理图 36
附录二 实物图 37
附录三 部分代码 38
致谢 40
1. 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
电源是各种电子设备的核心部件，所以电子产品的有效稳定的运行离不开可靠的电压。对于各种精密仪器来说，电源系统的质量更是至关重要的。随着电子计算机、自动控制和航天等技术的发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，大功率的线性型稳压电源在效率、体积、重量和灵活变换等方面已经不能满足需求。在二十世纪60年代初，半导体开关稳压电源的出现而满足发展的需求。由于电压表的表头的精度和人为读数的误差，电位器时间久会导致磨损或接触不良等原因的影响，导致传统的直流稳压电源的精度比较差，根本满足不了一些对电源性能要求高的电子设备的需求。但数控直流稳压源具有体积小、重量轻、可靠性高、控制电路简单、精度高等优点，完全满足时代发展的需要。数控直流稳压源是针对传统电源的不足而产生的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块的可靠性、稳定性、高效性等问题，极大地提高生产效率和产品的可靠性。电源的小型化、高效化、智能化、数字化、高度集成化必然是永恒的发展趋势。
在二十世纪80年代数控稳压源才真正的发展起来，这个时期也是电力电子技术大力发展，电力电子理论趋近于成熟的时期。电力电子技术的发展为数控恒压源的发展提供了一个良好的基础。在这段时间里，数控恒压源也有较快的发展。在这个时期兴起了高频开关电源，极大的促进电源技术的发展。DCDC电源分为开关稳压电源和线性稳压电源，而开关电源分为电荷泵电源和电感式开关电源。由于线性稳压电源的调整管工作于放大区，所以线性稳压电源是一种连续控制的电源，流过的电流是连续的。缺点是体积大、转换效率低、需要很大的散热器、重量大、体积大等。相比较而言，开关稳压电源的调整管工作状态在开关状态，具有体积小、重量轻、转换效率高等优点。由于这些优点能满足轻薄短小和节能等要件，所以能迅速的获得广泛的应用。
国内关于电源的研究起步于二十世纪60年代中期，其中以电力电子技术为核心技术。从90年代以来，我国的电源技术进入了快速发展时期。在国家自然科学资金的帮组下，我国出现了一大批具有代表性的、有一定技术难度的研究成果。但我国的电源技术与发达国家相比，仍然存在一些差距，特别在实现直流稳压电源的智能化、小型化、网络化存在很大的差距。
1.2 本文主要研究目标与内容
本课题主要研究基于XS128的数控恒压源的设计与实现，本设计的电压输出范围15V至+15V，输出电压误差小于15%，输出最大功率15W，可在电压范围内利用按键任意设定输出电压值，其输出电压最小的步进值为0.1V，利用OLED液晶屏实时显示设置电压。
本课题主要研究内容有：
MC9S12XS128最小系统设计；
恒压输出电路的设计；
人机交互界面的设计；
图腾柱驱动电路设计；
同相加法电路设计；
巴特沃斯低通滤波器设计；
ADC模块的运用并进行程序滤波；
PID的运用与参数的调节；
系统的总体设计与程序调试。
1.3 系统总体方案
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