基于ATmega16的数控直流稳压电源设计

 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。


3.2 电压放大电路

运算放大器通常工作在闭环状态， 将运算放大器的放大电路接上一定的反馈电路和外接元件， 就可以实现各种数学运算。运算放大器反馈电路有各种形式， 不同的反馈电路和不同的输入方式可以组成各种不同用途的运算放大电路。图6 是输入信号加在反相输入端的比例运算电路。
其中R1为输入端电阻，Rf为反馈电阻， 它以并联负反馈的方式将输出电压反馈到反相输入端， 为了在输入信号Ui＝0 时， 输出Uo＝0 ， 电阻的选择应满足R2＝R1//Rf。这样
可保证运算放大器的反相输入端与同相输入端的外接电阻相等， 使其处于对称平衡状态， 以消除运算放大器的偏置电流对输出电压的影响，因此，称R2为平衡电阻。

由理想运放的两条重要结论可知，Ii≈0，U+≈U-。通过R1的电流I1， 即：If=I1， 又由于运放的通向输入端接地，U+=0 ， 所以可得U+≈U- ， 也就是说， 当同相端接地，U +=0 时反相输入端电位U -≈0， 它是一个不接地的" 地" ， 称为" 虚地" 。" 虚地" 的存在是运算电路在闭环工作状态下的一个重要特征。

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。