基于ATmega16的數(shù)控直流穩(wěn)壓電源設(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、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，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(hào)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(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(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(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。

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 是輸入信號(hào)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(hào)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(duì)稱平衡狀態(tài)， 以消除運(yùn)算放大器的偏置電流對(duì)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。

4 軟件設(shè)計(jì)

控制程序使用C語言編寫，在ICCAVR平臺(tái)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。

4.2 調(diào)試

準(zhǔn)備就緒后，將變壓器通電，開始進(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)。