基于AVR單片機(jī)的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

從20世紀(jì)90年代末起，隨著對(duì)系統(tǒng)更高效率和更低功耗的需求，電信與數(shù)據(jù)通訊設(shè)備的技術(shù)更新推動(dòng)電源行業(yè)中直流/直流電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。本文設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源主要由單片機(jī)系統(tǒng)、鍵盤(pán)、數(shù)碼管顯示器、指示燈及報(bào)警電路、檢測(cè)電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、直流穩(wěn)壓電路等部分組成。其中數(shù)控電源采用按鍵盤(pán)，可對(duì)輸出電壓及報(bào)警閾值以快慢兩種方式進(jìn)行設(shè)置，輸出由單片機(jī)通過(guò)D/A控制驅(qū)動(dòng)模塊輸出一個(gè)穩(wěn)定電壓。同時(shí)穩(wěn)壓方法采用單片機(jī)控制, 單片機(jī)通過(guò)A/D采樣輸出電壓，與設(shè)定值進(jìn)行比較，若有偏差則調(diào)整輸出，越限則輸出報(bào)警信號(hào)并截流。工作過(guò)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(jī)輸出驅(qū)動(dòng)LCD顯示，由鍵盤(pán)控制進(jìn)行動(dòng)態(tài)邏輯切換。以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)智能化高精度簡(jiǎn)易直流電源，電源采用數(shù)字調(diào)節(jié)，輸出精度高，特別適用于各種有較高精度要求的場(chǎng)合。具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：(1)智能化程度更高，性能更完美；(2)控制靈活，系統(tǒng)升級(jí)方便；(3)控制系統(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)常采用三端穩(wěn)壓器，應(yīng)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(biāo)稱正電壓U2。實(shí)際應(yīng)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(shù)控恒壓源的實(shí)現(xiàn)方案
傳統(tǒng)的直流穩(wěn)壓電源通過(guò)粗調(diào)波段開(kāi)關(guān)及細(xì)調(diào)電位器來(lái)調(diào)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(shù)不直觀、電位器易磨損、精度不高、不易調(diào)準(zhǔn)、電位構(gòu)成復(fù)雜、體積大等缺點(diǎn)，基于單片機(jī)控制的數(shù)控直流電源不但實(shí)現(xiàn)了直流穩(wěn)壓的功能，而且沒(méi)有上述的缺點(diǎn)。
2.1 設(shè)計(jì)要求
輸出電壓范圍：0.0 V～9.9 V；
輸出電壓的調(diào)整方式：步進(jìn)，步進(jìn)數(shù)值為0.1 V；
顯示方式：LCD1602液晶顯示；
監(jiān)測(cè)D/A的輸出電壓值。
2.2 數(shù)控電源的方案
圖3所示為數(shù)控電源的設(shè)計(jì)框圖，其輸出電壓數(shù)值由鍵盤(pán)控制。通過(guò)鍵盤(pán)把需要輸出的電壓值以步進(jìn)方式輸入到單片機(jī)。這里電壓采用單片機(jī)的PWM模擬電壓輸出。顯示電路既可用來(lái)顯示輸出的電壓值，也可用來(lái)顯示鍵盤(pán)電路的調(diào)整過(guò)程。如果不滿足輸出電壓的要求，將需要添加一個(gè)電壓放大器。經(jīng)過(guò)LM324線性轉(zhuǎn)換后，得到所需電壓值，另外對(duì)監(jiān)測(cè)電壓實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行采樣，并將采樣值通過(guò)單片機(jī)的A/D采樣口送回單片機(jī)處理后顯示。在該數(shù)字控制電源中，使用AVR芯片完成系統(tǒng)控制按鍵輸入判斷、電壓數(shù)值顯示以及對(duì)外部芯片的各種數(shù)字控制。

3 數(shù)字控制部分
ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器；數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)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(tǒng)的D/A選擇常用的DAC0832。當(dāng)其與單片機(jī)相連時(shí)電路和程序簡(jiǎn)單，只需把單片機(jī)的數(shù)據(jù)線與DAC0832的輸入端直接相連即可。其各個(gè)引腳的連接及外圍如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)
控制程序使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在ICCAVR平臺(tái)下編譯通過(guò)，運(yùn)用雙龍下載軟件將程序下載到芯片。當(dāng)按鍵按下，可進(jìn)行電壓調(diào)整，最大可調(diào)節(jié)電壓為1 V，步進(jìn)為0.1 V。在按鍵加減的過(guò)程中，LCD模塊顯示的電壓隨著上下變化，當(dāng)按鍵不動(dòng)作后，將單片機(jī)的PWM模擬輸出電壓經(jīng)二次濾波電路輸出，經(jīng)線性，放大得到與顯示電壓值相同的電壓。
4.1 程序設(shè)計(jì)流程圖
設(shè)計(jì)流程圖分為三大部分，即主程序流程圖、鍵盤(pán)掃描流程圖和鍵盤(pán)控制流程圖。主程序流程圖如圖8所示。

4.2 調(diào)試
準(zhǔn)備就緒后，將變壓器通電，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)它們是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。檢查的項(xiàng)目包括輸出電壓范圍、整個(gè)輸出電壓范圍內(nèi)的步進(jìn)調(diào)整值、輸出電壓與預(yù)置電壓是否匹配以及數(shù)字電壓表功能的精準(zhǔn)度。數(shù)控電源系統(tǒng)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(cè)試結(jié)果如表1所示。

以上為電壓測(cè)試結(jié)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(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生誤差是允許的。因此監(jiān)測(cè)電壓與輸出電壓基本一致。因?yàn)镻WM輸出為8 bit，分辨率=PWM占空比/250，那么當(dāng)占空比值變化1時(shí)，其電壓變化為0.02 V，之后運(yùn)放將電壓放大變化0.04 V。所以可達(dá)到電壓變化精度為0.04 V。
本系統(tǒng)以高性能的AVR單片機(jī)ATmega16芯片和8 bit精度的D/A轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)了數(shù)字顯示輸出電壓值和電流值，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
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