基于AVR單片機的數控直流穩壓電源的設計*

左現剛，張志霞

（河南科技學院 信息工程學院，河南 新鄉453003）

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中直流/直流電源轉換器向更高靈活性和智能化方向發展。本文設計的直流穩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定電壓。同時穩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，穩壓電源的工作狀態(輸出電壓、電流等各種工作狀態)均由單片機輸出驅動LCD顯示，由鍵盤控制進行動態邏輯切換。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，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、整流濾波電路及穩壓電路所組成。如圖1所示。

圖1 直流穩壓電源的工作原理

圖2 三端固定式穩壓電路

穩壓電路經常采用三端穩壓器，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

傳統的直流穩壓電源通過粗調波段開關及細調電位器來調節，并由電位表指示電壓值的大小。這種穩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。

圖3 設計總體框圖

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。

3.1 D/A轉換的計算

D/A轉換器（DAC）輸入的是數字量，經轉換輸出的是模擬量。DAC的技術指標很多，主要有分辨率、線性度、相對精度、建立時間、輸入/輸出特性等。

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

電壓的計算方式：

圖4 D/A模塊電路

(1)欲將數控電壓步進設計為1 V，需要準確選擇D/A的參考電壓Vref，如圖4所示用一個精密電阻進行調節，計算方法如下：

(2)數字量取 0～256，n 取 16，Vref取 8 V。即數字量每步進16個單位，模擬量改變為0.031 25 V，要達到步進為1 V，必須放大2倍，用運放即可。

運算放大器的原理如圖5所示。

圖5 運算放大電路

3.2 電壓放大電路

運算放大器通常工作在閉環狀態，將運算放大器的放大電路接上一定的反饋電路和外接元件，就可以實現各種數學運算。運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算放大電路。

圖6 運放連接示意圖

圖6是輸入信號加在反相輸入端的比例運算電路。其中R1為輸入端電阻，Rf為反饋電阻，它以并聯負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，輸出 Uo=0，電阻的選擇應滿足 R2=R1//Rf。這樣可保證運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，以消除運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。

由理想運放的兩條重要結論可知，Ii≈0，U+≈U-。通過R1的電流I1，即：If=I1，又由于運放的通向輸入端接地，U+=0，所以可得 U+≈U-，也就是說，當同相端接地，U+=0時反相輸入端電位U-≈0，它是一個不接地的“地”，稱為“虛地”。“虛地”的存在是運算電路在閉環工作狀態下的一個重要特征。

由圖6可得：

3.3 顯示電路設計

數控電源的數據顯示采用LCD1602液晶顯示，電路如圖7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。

圖8 程序流程圖

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。

表1 電壓測試結果及對比表

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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