基于AVR單片機的數控直流穩(wěn)壓電源的設計

從20世紀90年代末起，隨著對系統更高效率和更低功耗的需求，電信與數據通訊設備的技術更新推動電源行業(yè)中直流/直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。本文設計的直流穩(wěn)壓電源主要由單片機系統、鍵盤、數碼管顯示器、指示燈及報警電路、檢測電路、D/A轉換電路、直流穩(wěn)壓電路等部分組成。其中數控電源采用按鍵盤，可對輸出電壓及報警閾值以快慢兩種方式進行設置，輸出由單片機通過D/A控制驅動模塊輸出一個穩(wěn)定電壓。同時穩(wěn)壓方法采用單片機控制, 單片機通過A/D采樣輸出電壓，與設定值進行比較，若有偏差則調整輸出，越限則輸出報警信號并截流。工作過程中，穩(wěn)壓電源的工作狀態(tài)(輸出電壓、電流等各種工作狀態(tài))均由單片機輸出驅動LCD顯示，由鍵盤控制進行動態(tài)邏輯切換。以單片機為核心設計智能化高精度簡易直流電源，電源采用數字調節(jié)，輸出精度高，特別適用于各種有較高精度要求的場合。具有以下明顯優(yōu)點：(1)智能化程度更高，性能更完美；(2)控制靈活，系統升級方便；(3)控制系統的可靠性提高，易于標準化。
1 直流穩(wěn)壓電源的基本原理
直流電源電路一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成。如圖1所示。

穩(wěn)壓電路經常采用三端穩(wěn)壓器，應用電路如圖2所示，只要把正輸入電壓U1加到LM7805的輸入端，LM7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標稱正電壓U2。實際應用中，輸入端和輸出端與地之間除分別接大容量濾波電容外，通常還需在芯片引出腳根部接小容量電容到地。C1用于抑制自激振蕩，C2用于壓窄芯片的高頻帶寬，減小高頻噪聲。如圖2所示。

2 數控恒壓源的實現方案
傳統的直流穩(wěn)壓電源通過粗調波段開關及細調電位器來調節(jié)，并由電位表指示電壓值的大小。這種穩(wěn)壓電源存在讀數不直觀、電位器易磨損、精度不高、不易調準、電位構成復雜、體積大等缺點，基于單片機控制的數控直流電源不但實現了直流穩(wěn)壓的功能，而且沒有上述的缺點。
2.1 設計要求
輸出電壓范圍：0.0 V～9.9 V；
輸出電壓的調整方式：步進，步進數值為0.1 V；
顯示方式：LCD1602液晶顯示；
監(jiān)測D/A的輸出電壓值。
2.2 數控電源的方案
圖3所示為數控電源的設計框圖，其輸出電壓數值由鍵盤控制。通過鍵盤把需要輸出的電壓值以步進方式輸入到單片機。這里電壓采用單片機的PWM模擬電壓輸出。顯示電路既可用來顯示輸出的電壓值，也可用來顯示鍵盤電路的調整過程。如果不滿足輸出電壓的要求，將需要添加一個電壓放大器。經過LM324線性轉換后，得到所需電壓值，另外對監(jiān)測電壓實際輸出電壓值進行采樣，并將采樣值通過單片機的A/D采樣口送回單片機處理后顯示。在該數字控制電源中，使用AVR芯片完成系統控制按鍵輸入判斷、電壓數值顯示以及對外部芯片的各種數字控制。

3 數字控制部分
ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器；數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾；具有4通道的PWM以及8路10 bit ADC。
本系統的D/A選擇常用的DAC0832。當其與單片機相連時電路和程序簡單，只需把單片機的數據線與DAC0832的輸入端直接相連即可。其各個引腳的連接及外圍如圖4所示。

4 軟件設計
控制程序使用C語言編寫，在ICCAVR平臺下編譯通過，運用雙龍下載軟件將程序下載到芯片。當按鍵按下，可進行電壓調整，最大可調節(jié)電壓為1 V，步進為0.1 V。在按鍵加減的過程中，LCD模塊顯示的電壓隨著上下變化，當按鍵不動作后，將單片機的PWM模擬輸出電壓經二次濾波電路輸出，經線性，放大得到與顯示電壓值相同的電壓。
4.1 程序設計流程圖
設計流程圖分為三大部分，即主程序流程圖、鍵盤掃描流程圖和鍵盤控制流程圖。主程序流程圖如圖8所示。

4.2 調試
準備就緒后，將變壓器通電，開始進行測試，檢測它們是否達到設計要求。檢查的項目包括輸出電壓范圍、整個輸出電壓范圍內的步進調整值、輸出電壓與預置電壓是否匹配以及數字電壓表功能的精準度。數控電源系統的供電由直流穩(wěn)壓電源提供，由硬件電路的±15 V電源和5 V電源提供。電壓測試結果如表1所示。

以上為電壓測試結果，由于PWM的分辨率為0.2，所以其誤差范圍可以限制在0~0.2 V左右，在這個范圍內產生誤差是允許的。因此監(jiān)測電壓與輸出電壓基本一致。因為PWM輸出為8 bit，分辨率=PWM占空比/250，那么當占空比值變化1時，其電壓變化為0.02 V，之后運放將電壓放大變化0.04 V。所以可達到電壓變化精度為0.04 V。
本系統以高性能的AVR單片機ATmega16芯片和8 bit精度的D/A轉換器DAC0832為核心部件，利用常用的三端穩(wěn)壓器件LM7805的公共端與輸出端固定的5 V電壓特性，最終實現了數字顯示輸出電壓值和電流值，達到了預期目標。
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