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

左現(xiàn)剛，張志霞

（河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

從20世紀(jì)90年代末起，隨著對系統(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、數(shù)碼管顯示器、指示燈及報(bào)警電路、檢測電路、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，可對輸出電壓及報(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(jī)輸出驅(qū)動(dòng)LCD顯示，由鍵盤控制進(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。

圖1 直流穩(wěn)壓電源的工作原理

圖2 三端固定式穩(wěn)壓電路

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)壓電源通過粗調(diào)波段開關(guān)及細(xì)調(diào)電位器來調(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)值由鍵盤控制。通過鍵盤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。顯示電路既可用來顯示輸出的電壓值，也可用來顯示鍵盤電路的調(diào)整過程。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LM324線性轉(zhuǎn)換后，得到所需電壓值，另外對監(jiān)測電壓實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行采樣，并將采樣值通過單片機(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)值顯示以及對外部芯片的各種數(shù)字控制。

圖3 設(shè)計(jì)總體框圖

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。

3.1 D/A轉(zhuǎn)換的計(jì)算

D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出的是模擬量。DAC的技術(shù)指標(biāo)很多，主要有分辨率、線性度、相對精度、建立時(shí)間、輸入/輸出特性等。

DAC0832為8 bit D/A轉(zhuǎn)換器，單電源供電，范圍為+5 V～+15 V，基準(zhǔn)電壓范圍為±10 V。電流的建立時(shí)間為1 μs。CMOS工藝功耗20 mW。輸入設(shè)有兩級緩沖鎖存器。

電壓的計(jì)算方式：

圖4 D/A模塊電路

(1)欲將數(shù)控電壓步進(jìn)設(shè)計(jì)為1 V，需要準(zhǔn)確選擇D/A的參考電壓Vref，如圖4所示用一個(gè)精密電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算方法如下：

(2)數(shù)字量取 0～256，n 取 16，Vref取 8 V。即數(shù)字量每步進(jìn)16個(gè)單位，模擬量改變?yōu)?.031 25 V，要達(dá)到步進(jìn)為1 V，必須放大2倍，用運(yùn)放即可。

運(yùn)算放大器的原理如圖5所示。

圖5 運(yùn)算放大電路

3.2 電壓放大電路

運(yùn)算放大器通常工作在閉環(huán)狀態(tài)，將運(yùn)算放大器的放大電路接上一定的反饋電路和外接元件，就可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)學(xué)運(yùn)算。運(yùn)算放大器反饋電路有各種形式，不同的反饋電路和不同的輸入方式可以組成各種不同用途的運(yùn)算放大電路。

圖6 運(yùn)放連接示意圖

圖6是輸入信號加在反相輸入端的比例運(yùn)算電路。其中R1為輸入端電阻，Rf為反饋電阻，它以并聯(lián)負(fù)反饋的方式將輸出電壓反饋到反相輸入端，為了在輸入信號Ui=0時(shí)，輸出 Uo=0，電阻的選擇應(yīng)滿足 R2=R1//Rf。這樣可保證運(yùn)算放大器的反相輸入端與同相輸入端的外接電阻相等，使其處于對稱平衡狀態(tài)，以消除運(yùn)算放大器的偏置電流對輸出電壓的影響，因此，稱R2為平衡電阻。

由理想運(yùn)放的兩條重要結(jié)論可知，Ii≈0，U+≈U-。通過R1的電流I1，即：If=I1，又由于運(yùn)放的通向輸入端接地，U+=0，所以可得 U+≈U-，也就是說，當(dāng)同相端接地，U+=0時(shí)反相輸入端電位U-≈0，它是一個(gè)不接地的“地”，稱為“虛地”。“虛地”的存在是運(yùn)算電路在閉環(huán)工作狀態(tài)下的一個(gè)重要特征。

由圖6可得：

3.3 顯示電路設(shè)計(jì)

數(shù)控電源的數(shù)據(jù)顯示采用LCD1602液晶顯示，電路如圖7所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制程序使用C語言編寫，在ICCAVR平臺下編譯通過，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、鍵盤掃描流程圖和鍵盤控制流程圖。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

4.2 調(diào)試

準(zhǔn)備就緒后，將變壓器通電，開始進(jìn)行測試，檢測它們是否達(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。電壓測試結(jié)果如表1所示。

表1 電壓測試結(jié)果及對比表

以上為電壓測試結(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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