基于AVR单片机的数控直流稳压电源的设计

从20世纪90年代末起，随着对系统更高效率和更低功耗的需求，电信与数据通讯设备的技术更新推动电源行业中直流/直流电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。本文设计的直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、指示灯及报警电路、检测电路、D/A转换电路、直流稳压电路等部分组成。其中数控电源采用按键盘，可对输出电压及报警阈值以快慢两种方式进行设置，输出由单片机通过D/A控制驱动模块输出一个稳定电压。同时稳压方法采用单片机控制, 单片机通过A/D采样输出电压，与设定值进行比较，若有偏差则调整输出，越限则输出报警信号并截流。工作过程中，稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态)均由单片机输出驱动LCD显示，由键盘控制进行动态逻辑切换。以单片机为核心设计智能化高精度简易直流电源，电源采用数字调节，输出精度高，特别适用于各种有较高精度要求的场合。具有以下明显优点：(1)智能化程度更高，性能更完美；(2)控制灵活，系统升级方便；(3)控制系统的可靠性提高，易于标准化。
1 直流稳压电源的基本原理
直流电源电路一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成。如图1所示。

稳压电路经常采用三端稳压器，应用电路如图2所示，只要把正输入电压U1加到LM7805的输入端，LM7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压U2。实际应用中，输入端和输出端与地之间除分别接大容量滤波电容外，通常还需在芯片引出脚根部接小容量电容到地。C1用于抑制自激振荡，C2用于压窄芯片的高频带宽，减小高频噪声。如图2所示。

2 数控恒压源的实现方案
传统的直流稳压电源通过粗调波段开关及细调电位器来调节，并由电位表指示电压值的大小。这种稳压电源存在读数不直观、电位器易磨损、精度不高、不易调准、电位构成复杂、体积大等缺点，基于单片机控制的数控直流电源不但实现了直流稳压的功能，而且没有上述的缺点。
2.1 设计要求
输出电压范围：0.0 V～9.9 V；
输出电压的调整方式：步进，步进数值为0.1 V；
显示方式：LCD1602液晶显示；
监测D/A的输出电压值。
2.2 数控电源的方案
图3所示为数控电源的设计框图，其输出电压数值由键盘控制。通过键盘把需要输出的电压值以步进方式输入到单片机。这里电压采用单片机的PWM模拟电压输出。显示电路既可用来显示输出的电压值，也可用来显示键盘电路的调整过程。如果不满足输出电压的要求，将需要添加一个电压放大器。经过LM324线性转换后，得到所需电压值，另外对监测电压实际输出电压值进行采样，并将采样值通过单片机的A/D采样口送回单片机处理后显示。在该数字控制电源中，使用AVR芯片完成系统控制按键输入判断、电压数值显示以及对外部芯片的各种数字控制。

3 数字控制部分
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器；数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾；具有4通道的PWM以及8路10 bit ADC。
本系统的D/A选择常用的DAC0832。当其与单片机相连时电路和程序简单，只需把单片机的数据线与DAC0832的输入端直接相连即可。其各个引脚的连接及外围如图4所示。

4 软件设计
控制程序使用C语言编写，在ICCAVR平台下编译通过，运用双龙下载软件将程序下载到芯片。当按键按下，可进行电压调整，最大可调节电压为1 V，步进为0.1 V。在按键加减的过程中，LCD模块显示的电压随着上下变化，当按键不动作后，将单片机的PWM模拟输出电压经二次滤波电路输出，经线性，放大得到与显示电压值相同的电压。
4.1 程序设计流程图
设计流程图分为三大部分，即主程序流程图、键盘扫描流程图和键盘控制流程图。主程序流程图如图8所示。

4.2 调试
准备就绪后，将变压器通电，开始进行测试，检测它们是否达到设计要求。检查的项目包括输出电压范围、整个输出电压范围内的步进调整值、输出电压与预置电压是否匹配以及数字电压表功能的精准度。数控电源系统的供电由直流稳压电源提供，由硬件电路的±15 V电源和5 V电源提供。电压测试结果如表1所示。

以上为电压测试结果，由于PWM的分辨率为0.2，所以其误差范围可以限制在0~0.2 V左右，在这个范围内产生误差是允许的。因此监测电压与输出电压基本一致。因为PWM输出为8 bit，分辨率=PWM占空比/250，那么当占空比值变化1时，其电压变化为0.02 V，之后运放将电压放大变化0.04 V。所以可达到电压变化精度为0.04 V。
本系统以高性能的AVR单片机ATmega16芯片和8 bit精度的D/A转换器DAC0832为核心部件，利用常用的三端稳压器件LM7805的公共端与输出端固定的5 V电压特性，最终实现了数字显示输出电压值和电流值，达到了预期目标。