武汉理工大学毕业设计

基于RS485通讯的16路PWM功率输出器设计

学院(系)： 机电工程学院

专业班级： 过控zy1601

学生姓名： 谢洪材

指导教师： 徐东亮

目录

第一章 绪论 1

1.1 设计要求分析 1

1.2 目标需求分析 1

1.3选题背景 1

1.4研究方法与思路 2

1.5国内外研究动态 2

第二章 功能模块分析 3

2.1主控模块 3

2.1.1 单片机概述 3

2.1.2 单片机应用 4

2.1.3 单片机选择 5

2.1.4 PWM概述 9

2.2 通讯模块 11

2.3 驱动输出模块 13

2.3.1 MOS管概述 13

2.3.2 MOS管选择 14

第三章 方案设计 16

3.1 总体方案设计 16

3.2 最小系统模块 17

3.2.1 电源电路方案 18

3.2.2 单片机时钟电路方案 19

3.2.3 单片机复位电路方案 19

3.3 RS485通讯方案 20

3.4 MOS驱动方案 22

3.5 总结 23

参考文献 24

致谢 24

第一章 绪论

1.1 设计要求分析

要求设计一个可以通过RS485进行设置的PWM功率输出器，最多可以进行16路输出，每一路最高可以进行24V 2A的功率输出。

题目要求输出PWM信号，可以选用具有PWM输出功能的单片机作为中央控制芯片，通过外接RS485转换接口的方式使单片机具备RS485通讯功能，由于单片机引脚输出的信号通常只有5V左右，驱动端需要外接电源，电压至少达到24V，电流大小由驱动的负载决定，这就要求负载的工作电流不能过大。电源需为直流电源，因为PWM驱动的本质是，PWM传递的方波信号使驱动端的开关跟随着PWM的频率反复导通与截止，实际上对负载进行驱动的是外接的驱动电源，而不是PWM信号本身，若驱动电源为交流电源，受到开关频率的影响，实际输出的电压值难以确定，而使用直流电源时，实际的输出电压可由PWM信号的占空比乘以驱动电源的电压值简单计算得到。

1.2 目标需求分析

16路PWM功率输出器，顾名思义，可以提供最多16路输出驱动，并且通过改变每一路的PWM信号占空比，可以实现多路电压不同的功率输出，在很多的场景中，需要同时驱动多台设备进行工作，若驱动器的输出接口不够，则需要再外接输出口或者添加功率输出设备；若要驱动的负载需要再多个不同的驱动电压下才能正常进行工作，则需要专门设计升压、降压结构或者使用多台驱动电源，这样使用起来就会非常的不方便，而本设计既可以输出多路电压，又可以根据需求对每一路的电压进行调整，能够较好地满足多设备同时工作的驱动需求。

1.3选题背景

学校安排的单片机课程让我深深感受到了单片机的魅力，它让我认识到只要能掌握好单片机的理论知识，并不断去认识电阻、电容、电感、各类传感器和各式各样的芯片，循序渐进不断积累，再发挥想象力，将这些元器件以某种巧妙的方式结合在一起，就能够得到一件由设计者亲自设定功能的电子产品，这既能够激发人更强烈的学习欲望，又能够满足人的成就感。不仅如此，单片机现在正广泛应用于我们所生活的社会中，小到玩具车，大到空调洗衣机，甚至在汽车上、在飞机上都能看到单片机存在的身影，在各行各业中，不计其数的单片机正扮演着人类大脑的角色，夜以继日不知疲倦地劳作，在解放了劳动力的同时提供了更加优质的安全保障。本次毕业设计的题目正好与单片机有关，能让我在之前所学课程的基础上更加深入地了解单片机，我相信这次毕业设计能够锻炼我的自我学习能力，激发我对单片机更深的兴趣。

完成这次毕业设计之后，我将会在老师的指导之下设计一款基于RS485通讯的16路PWM功率输出器，希望我所记录的设计过程能够对后来的对这方面的设计有兴趣的人起到借鉴参考的作用。

1.4研究方法与思路

研究方法：拟采用对比分析的方法，先在网上查找资料，仔细分析研读，提取与设计相关的内容，从如何选取单片机开始，到如何实现一个单片机系统的基本功能，再到实现单片机的RS485通讯以及PWM驱动，步步推进，最终达到实现毕设所要求的功能的目的。在整个设计的过程中，如果遇到问题，比如一个元器件改以何种方式添加到我所设计的系统中，就在网上查找改元器件的相关设计资料，进行横向比较，研究这个元器件在各个不同的系统中是如何发挥作用的，明白其工作原理之后再将其应用到所设计的系统中。

研究思路：首先仔细分析题目，明确题目所给的信息，从中可以得到设计所需要考虑的三个主要问题：1.利用什么器件来实现PWM输出；2.如何实现RS485通讯；3.利用什么元器件来对负载进行驱动。因此本次毕设会从这三个方面入手，一一完成题目中所要求实现的功能，再将它们整合到一起，形成一个完整的系统。

1.5国内外研究动态

PWM信号的特性是：改变其占空比，则该PWM信号所控制的电压的平均值也会随之相应改变，这一特性能够应用在诸多场景之中，例如灯光亮度的调节、音量大小的调节、电机转速的调节等等。从另外一个方面看，改变PWM信号的占空比，让不需要长期满负荷运转的负载可以工作在一个合适的电压条件下，也能够实现电能的节约。

正因如此，PWM技术在涉及到控制的各个领域内都有很深远的发展前景，国内外的研究者们已经基于此项技术研制出了各种调光、调速器，变频器，整流器，逆变器及功率放大器等产品，在工业和日常生活中发挥着重要的作用。

虽然PWM技术有着上述的优点，但是在实际的运用中依然存在着一些局限，例如使用到PWM技术的通用变频器，通过交—直—交变换输出电压和频率可调的交流电给负载供电。虽然这类变频器因其功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽等优点广泛应用与工业中，但却不能直接应用于需要快速启停、频繁正反转的场合，如高速电梯，主轴驱动系统等。因为在这类系统中，电机在减速、制动或带位能性重物放下时处于再生发电的状态。由于二极管不控整流器的传输能量不可逆性，再生电能将直接传输到直流侧的滤波电容上从而产生泵升电压，过高的泵升电压会毁坏开关器件或者电阻电容，甚至直接击穿电机绝缘层，从而威胁到系统的安全。因此如何控制PWM变频器的再生电能成为了目前PWM技术所需要攻克的难点之一。不过相信通过研究者们的努力，技术难题终会得到解决，PWM技术也将更好的服务于人类。

第二章 功能模块分析

2.1主控模块

2.1.1 单片机概述

单片机，单片微型计算机的简称，是一种集成的电路芯片，一般的单片机都是在一块体积微小的硅片上，利用大规模的集成技术，将负责电路系统控制功能及数据处理功能的CPU，输入输出模块（I/O模块），程序存储器ROM，数据存储器RAM集成到一起，另外在一些性能更强的单片机上还可能集成有定时器模块，数模转换模块，PWM模块等具有特殊功能的模块，是一个虽然体积小但却功能完善且性能强劲的计算机系统。

单片机的工作就是处理所有的用户所传递给它的指令，就像人脑一样，当人想要抓取物体时，大脑就发出一个指令，指挥双手靠近、接触、握紧并最终抓起物体，不过由于处理器所连接的“外围设备”不同，人脑只能够控制人的躯体来完成特定的动作，但是单片机却拥有种类繁多的外围设备：光传感器、温度传感器等各种传感器，三级管、场效应管等各类晶体管，通过指挥这些外围设备，单片机所能完成的动作比人类所能完成的动作丰富得多，并且单片机相较与人脑来说拥有一个很大的优点，即单片机具有极强的稳定性，因为只要单片机没有受到能够导致其损坏的来自外界的破坏作用，它就可以长期不间断地执行用户给它设定的指令，安全又可靠。能够实现各种用户所设定的动作、安全可靠、体积小、适应能力强，这就使得单片机在人类工作生活所能接触到的各个领域内都得到了非常广泛的应用。