數(shù)控直流電壓源

本文描述的控制系統(tǒng)是以直流電壓源為核心，ATmegal6單片機(jī)為主控制器，通過(guò)鍵盤來(lái)設(shè)置直流電源的輸出電壓，設(shè)置步進(jìn)等級(jí)可達(dá)0.1V和0.05V,輸出電壓范圍為0?+9.9V,紋波不大于10mV，最大電流為1.5A，并可由液晶屏顯示實(shí)際輸出電壓值、電壓設(shè)定值和輸出電流值，并且還設(shè)計(jì)了其它電壓輸出種類。系統(tǒng)有過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)電路，當(dāng)輸出電流或輸出電壓過(guò)大時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)回到初始值，而且有紅色指示燈發(fā)出警報(bào)。本系統(tǒng)由單片機(jī)內(nèi)部寄存器輸出PWM脈沖，再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大PWM脈沖信號(hào)，用來(lái)控制P溝道開關(guān)管IRF9530的通斷，從而通過(guò)改變輸出占空比的變化而輸出不同的電壓。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部十位A/D不斷檢測(cè)電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，利用片內(nèi)PWM模塊輸出PWM波，直接控制電源的工作。同時(shí)還設(shè)計(jì)了一個(gè)電子負(fù)載，用于測(cè)試上述電源的負(fù)載調(diào)整率，電子負(fù)載恒定電流的可調(diào)范圍為0.1?1.5A。在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)過(guò)程中考慮了可能影響系統(tǒng)誤差諸多因素，如穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性、脈寬調(diào)制信號(hào)的頻率引起的頻率噪聲、共地干擾以及不同用途電源之間的干擾等，因此采取了減小誤差比較有效的措施。所以本系統(tǒng)能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，即達(dá)到其功能和性能的要求。系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定，并具有較高的精度，輸出電壓可在0?+9.9V范圍內(nèi)任意設(shè)定，顯示直觀，程序簡(jiǎn)單，因而可實(shí)際應(yīng)用于需要高穩(wěn)定度小功率恒壓源的領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：數(shù)控開關(guān)電源；脈寬調(diào)制（PWM）;單片機(jī)；閉環(huán)控制DigitalDCVoltageSourceSystemAbstractThispaperdescribesthecontrolsystemisbasedontheDCvoltagesourceasthecore,Atmega16MCUasthemaincontrollerthroughthekeyboardtosettheDCoutputvoltage,tosetthelevelofupto0.1Vand0.05V,Outputvoltagerangeof0-9.9V,therippleisnotmorethan10mV,themaximumcurrentfor1.5A,andtheLCDscreenshowstheactualvalueoftheoutputvoltage,voltagesettingvalueandthevalueofoutputcurrent,andalsodesigntheothervoltageoutputtype.thesystemautomaticallyreturnedtoinitialvalues,andtheredindicatorlightalerts.ThissystemiscomposedofMCUinternalregisteroutputPWMpulse,afterdrivingcircuitamplifiesthePWMpulsesignal,usedtocontrolthePchannelswitchingtubeIRF9530on-off,sobychangingtheoutputdutycyclechangesanddifferentvoltageoutput.MCUsystemthroughaninternaltenbitA/Dcontinuouslydetectstheoutputvoltageofthepowersupply,accordingtotheoutputvoltageofthepowersupplyandthesetvaluedifference,usingtheon-chipPWMmoduleoutputPWMwave,directpowercontrolwork.Atthesametimealsodesignedanelectronicload,usedfortestingthepowerloadregulationrate,electronicloadconstantcurrentadjustablerangeof0.1?1.5A.Inthedesignofthissystemaretakenintoconsiderationintheprocessofmanyfactorsmayinfluencethesystemerror,suchasaregulatedpowersupplystability,pulsewidthmodulationsignalfrequencycausedbythenoise,interferenceanddifferentpurposesbetweenthepowersupplyinterference.Thereforeweshouldtakeeffectivemeasurestoreducetheerrorcomparison.Sothissystemcanachievethedesigngoal,whichreacheditsfunctionalandperformancerequirements.Theoutputofthesystemvoltagestability,andhasahigherprecision,theoutputvoltagemaybeintherangeof0?+9.9Varbitrarilyset,visualdisplay,simpleprocedure,thusthepracticalapplicationsrequireahighstabilityofsmallpowerconstant-voltagesourcefield.Keywords:Numricalcontrolswitchingpowersupply；PulseWidthModulation；Single-chipmicroprocessor；closedloopcontrol.TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1課題的提出 1\o"CurrentDocument"1.1.1數(shù)控直流電壓源設(shè)計(jì)的提出 1\o"CurrentDocument"1.1.2課題設(shè)計(jì)的目的和意義 1\o"CurrentDocument"1.2穩(wěn)壓電源的歷史與現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"1.2.1穩(wěn)壓電源的歷史 2\o"CurrentDocument"1.2.2穩(wěn)壓電源的現(xiàn)狀 3\o"CurrentDocument"1.3課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 4\o"CurrentDocument"第二章數(shù)控直流電壓源實(shí)現(xiàn)方案與原理 5\o"CurrentDocument"2.1引言 5\o"CurrentDocument"2.2數(shù)控直流電壓源設(shè)計(jì)的方案及電路模型 5\o"CurrentDocument"2.2.1設(shè)計(jì)方案論證 5\o"CurrentDocument"2.2.2驅(qū)動(dòng)電路方案論證 6\o"CurrentDocument"2.2.3原理分析 8\o"CurrentDocument"2.3設(shè)計(jì)系統(tǒng)目標(biāo) 9\o"CurrentDocument"2.4本章小結(jié) 10\o"CurrentDocument"第三章硬件電路設(shè)計(jì) 11\o"CurrentDocument"3.1引言 11\o"CurrentDocument"3.2單片機(jī)的說(shuō)明 11\o"CurrentDocument"3.2.1單片機(jī)的主要功能 12\o"CurrentDocument"ATmega16單片機(jī)的引腳功能說(shuō)明 12\o"CurrentDocument"ATmega16單片機(jī)的最小系統(tǒng) 14\o"CurrentDocument"3.3開關(guān)變換電路的設(shè)計(jì) 15\o"CurrentDocument"3.3.1開關(guān)變換電路原理圖 15\o"CurrentDocument"3.3.2數(shù)值計(jì)算 15\o"CurrentDocument"3.4電子負(fù)載的設(shè)計(jì) 163.5鍵盤的設(shè)計(jì) 17\o"CurrentDocument"3.5.1原理圖 17\o"CurrentDocument"3.5.2HD7279芯片功能介紹 18\o"CurrentDocument"3.6LCD顯示器設(shè)計(jì) 19\o"CurrentDocument"3.6.1原理圖 19\o"CurrentDocument"3.6.2液晶模塊功能介紹 20\o"CurrentDocument"3.7三角波發(fā)生電路 22\o"CurrentDocument"3.8采樣電路設(shè)計(jì) 22\o"CurrentDocument"3.8.1電壓采樣電路 223.8.2電流采樣電路 23\o"CurrentDocument"3.9電源 24\o"CurrentDocument"3.9.1正電源電路 24\o"CurrentDocument"3.9.2負(fù)電源電路 25\o"CurrentDocument"3.10本章小結(jié) 25\o"CurrentDocument"第四章軟件設(shè)計(jì) 26\o"CurrentDocument"4.1引言 26\o"CurrentDocument"4.2積分控制算法 26\o"CurrentDocument"4.3控制程序設(shè)計(jì) 26\o"CurrentDocument"4.4誤差分析 30\o"CurrentDocument"4.5本章小結(jié) 31\o"CurrentDocument"第五章全文總結(jié) 32致謝 33\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 34\o"CurrentDocument"附錄1：程序清單 35附錄2：系統(tǒng)原理圖 41第一章緒論1.1課題的提出1?1?1數(shù)控直流電壓源設(shè)計(jì)的提出數(shù)字控制技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制的技術(shù)。它所控制的通常是速度、位置、角度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。數(shù)字控制技術(shù)的產(chǎn)生依賴于二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)載體的出現(xiàn)。19世紀(jì)末，發(fā)明了以紙張為數(shù)據(jù)載體并且具有輔助功能的控制系統(tǒng)；1908年，穿孔金屬薄片的互換式數(shù)據(jù)載體問(wèn)世；1938年，香農(nóng)在美國(guó)麻省理工學(xué)院進(jìn)行了數(shù)據(jù)快速運(yùn)算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)字控制技術(shù)是與機(jī)床控制密切結(jié)合發(fā)展起來(lái)的。1952年，第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問(wèn)世，成為世界機(jī)械工業(yè)史上劃時(shí)代的事件，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展?，F(xiàn)在，數(shù)字控制技術(shù)也叫作計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，目前它是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字程序控制的技術(shù)。這種技術(shù)用計(jì)算機(jī)按事先存貯的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制功能。由于采用計(jì)算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入數(shù)據(jù)的存貯、處理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)完成。由于數(shù)字控制技術(shù)是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它能使控制系統(tǒng)高度自動(dòng)化，而且具有控制精度高、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，所以現(xiàn)在數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)廣泛的運(yùn)用于各種領(lǐng)域。而且當(dāng)今的電子產(chǎn)業(yè)正在突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各類電子產(chǎn)品在不斷的上市，其中有一部分電子產(chǎn)品需要高精度的小功率恒壓源為其提供電源。這種高精度的小功率恒壓源可以運(yùn)用數(shù)字控制技術(shù)來(lái)控制電壓源實(shí)現(xiàn)。這就是本課題要解決的問(wèn)題。1?1?2課題設(shè)計(jì)的目的和意義電源技術(shù)尤其是數(shù)控電源技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的工程技術(shù)，服務(wù)于各行各業(yè)。直流穩(wěn)壓電源是電子技術(shù)常用的儀器設(shè)備之一，廣泛的應(yīng)用于教學(xué)、科研等領(lǐng)域，是電子實(shí)驗(yàn)員、電子設(shè)計(jì)人員及電路開發(fā)部門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和科學(xué)研究所不可缺少的電子儀器。數(shù)控直流電壓源設(shè)計(jì)是運(yùn)用數(shù)控技術(shù)控制電壓源，使電壓源裝置能自動(dòng)恒壓調(diào)節(jié)、抑制紋波、改善電壓調(diào)節(jié)精度、消除小電壓輸出的非線性等。這樣，系統(tǒng)就可輸出穩(wěn)定，不隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，并且具有很高精度的電壓。其可用于需要高穩(wěn)定度小功率恒壓源等領(lǐng)域。普通電源在工作時(shí)產(chǎn)生的誤差，影響整個(gè)系統(tǒng)的精確度，從而會(huì)影響技術(shù)提升和現(xiàn)代化水平的提高。數(shù)控電源是從80年代才真正的發(fā)展起來(lái)的，期間系統(tǒng)的電力電子理論開始建立。這些理論為其后來(lái)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。在以后的一段時(shí)間里，數(shù)控電源技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。但其存在數(shù)控程度達(dá)不到要求、分辨率不高、功率密度比較低、可靠性較差的缺點(diǎn)。因此數(shù)控電源主要的發(fā)展方向是針對(duì)上述缺點(diǎn)不斷加以改善。數(shù)字化智能電源是針對(duì)傳統(tǒng)電源的不足設(shè)計(jì)的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中諸如可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。本課題的設(shè)計(jì)主要是數(shù)控技術(shù)的運(yùn)用。通過(guò)完成本課題設(shè)計(jì)，可以使我們更多地了解和掌握這一現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)一一數(shù)控技術(shù)。如果有能力的話，為以后的數(shù)控技術(shù)發(fā)展做一定貢獻(xiàn)打下基礎(chǔ)。數(shù)字化智能電源模塊是針對(duì)傳統(tǒng)智能電源模塊的不足提出來(lái)的，數(shù)字化能夠減少生產(chǎn)過(guò)程中的不確定因素和人為參與的環(huán)節(jié)數(shù)，有效地解決電源模塊中注入可靠性、智能化和產(chǎn)品一致性等工程問(wèn)題，極大地提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的可維護(hù)性。電源采用數(shù)字控制，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略，使電源模塊的智能化程度更高,性能更完美?？刂旗`活，系統(tǒng)升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必改動(dòng)硬件線路?？刂葡到y(tǒng)的可靠性提高，易于標(biāo)準(zhǔn)化，可以針對(duì)不同的系統(tǒng)(或不同型號(hào)的產(chǎn)品)，采用統(tǒng)一的控制板，而只是對(duì)控制軟件做一些調(diào)整即可。系統(tǒng)維護(hù)方便，一旦出現(xiàn)故障，可以很方便地進(jìn)行調(diào)試，故障查詢，歷史記錄查詢，故障診斷，軟件修復(fù)，甚至控制參數(shù)的在線修改、調(diào)試，也可以通過(guò)MODEM遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)的一致性好，成本低，生產(chǎn)制造方便。由于控制軟件不像模擬器件那樣存在差異，所以，其一致性很好。由于采用軟件控制，控制板的體積將大大減小，生產(chǎn)成本下降。易組成高可靠性的多模塊逆變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。為了得到高性能的并聯(lián)運(yùn)行逆變電源系統(tǒng)，每個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的逆變電源單元模塊都采用全數(shù)字化控制，易于在模塊之間更好地進(jìn)行均流控制和通訊或者在模塊中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的均流控制算法(不需要通訊)，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性、高冗余度的你變電源并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)。1.2穩(wěn)壓電源的歷史與現(xiàn)狀1.2.1穩(wěn)壓電源的歷史電源可以說(shuō)是整個(gè)用電器件的心臟。一個(gè)好的電源不僅僅可以使電器工作，還要確保電源在電器長(zhǎng)時(shí)間正常工作時(shí)的穩(wěn)定性和安全性，穩(wěn)壓電源是電源的發(fā)展趨勢(shì)。1955年美國(guó)的科學(xué)家羅那(G.H.Royer)首先研制成功了利用磁芯的飽和來(lái)進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器。此后，直流變換器不斷地被研制和涌現(xiàn)出來(lái)，從而取代了早期采用的壽命短、可靠性差、轉(zhuǎn)換效率低的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械設(shè)備。60年代，由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展，高反壓的晶體管出現(xiàn)了，從此直流變換器就可以直接由市電經(jīng)整流、濾波后輸入，不再需要工頻變壓器降壓了，從而極大地?cái)U(kuò)大了應(yīng)用范圍，并在此基礎(chǔ)上誕生了無(wú)工頻降壓變壓器的開關(guān)電源。70年代以后，與這種技術(shù)有關(guān)的咼頻，咼反壓的功率晶體管、咼頻電容、開關(guān)二極管、開關(guān)變壓器的鐵芯等元件也不斷地研制和生產(chǎn)出來(lái)，是無(wú)工頻變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源得到了飛速的發(fā)展，并且被廣泛地應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視機(jī)等領(lǐng)域。1.2.2穩(wěn)壓電源的現(xiàn)狀就工作模式來(lái)說(shuō)，幾乎所有的直流電源都是工作在恒壓源模式，也就是說(shuō)在整個(gè)電源變化范圍內(nèi)輸出電壓可保持不變。也有一批電源還可以在一定范圍內(nèi)工作在直流源模式。電源輸出的變化范圍不主要受限于電源本身的電壓或是電流輸出能力，而且還與店員工工作狀態(tài)有關(guān)，在自適應(yīng)模式，電源可在容量不變的前提下自動(dòng)調(diào)整電壓或是電流的輸出范圍。有少數(shù)電源還起到電子設(shè)備負(fù)載的作用，在這種模式下，此電源可用來(lái)測(cè)試別的恒壓或是恒流源。從十九世紀(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DC/DC電源轉(zhuǎn)換器向更高靈活性和智能化方向發(fā)展。在上世紀(jì)80年代的第一代分布式供電系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)向到上世紀(jì)末更為先進(jìn)的第四代分布式供電結(jié)構(gòu)以及中間母線結(jié)構(gòu)，DC/DC電源行業(yè)正面臨著新的挑戰(zhàn)，即如何在現(xiàn)有系統(tǒng)加入嵌入式電源智能系統(tǒng)和數(shù)字控制。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)物質(zhì)需求也越來(lái)越來(lái)高，特別是一些高新技術(shù)產(chǎn)品。如今隨著直流電源技術(shù)的飛躍發(fā)展，整流系統(tǒng)由以前的分立元件和集成電路控制發(fā)展為微機(jī)控制，從而使直流電源智能化，具有遙測(cè)、遙信、遙控的三遙功能，基本實(shí)現(xiàn)了直流電源的無(wú)人值守。并且，在當(dāng)今科技快速發(fā)展過(guò)程中，模塊化是直流電源的發(fā)展趨勢(shì)，并聯(lián)運(yùn)行是電源產(chǎn)品大容量化的一個(gè)有效手段，可以通過(guò)設(shè)計(jì)N+1冗余電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)容量擴(kuò)展，提高電源系統(tǒng)的可靠性、可用性，縮短維修、維護(hù)時(shí)間，從而使企業(yè)產(chǎn)生更大的效益。智能模塊電源采用電流型控制模式，集中式散熱技術(shù)，實(shí)時(shí)多任務(wù)監(jiān)控，具有高效、高可靠、超低輻射，維護(hù)快捷等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)箱結(jié)構(gòu)緊湊，防腐與散熱也作了多方面的加強(qiáng)。它的應(yīng)用將會(huì)克服大功率電源的制造、運(yùn)輸及維修等困難。而且和傳統(tǒng)可控硅電源相比節(jié)電20%-30%節(jié)能優(yōu)勢(shì)，奠定了它將是未來(lái)大功率直流電源的首選。然而我國(guó)電源發(fā)展開始于60年代初期，到60年代中期進(jìn)入實(shí)用階段，70年代初期開始研制無(wú)工頻降壓變壓器開關(guān)穩(wěn)壓電源O1974年研制成功了無(wú)工頻降壓變壓器開關(guān)凈化穩(wěn)壓電源。高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源90年代初期就已試制成功。目前正在走向?qū)嵱秒A段和再進(jìn)一步提高工作頻率。目前我國(guó)的開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)與一些先進(jìn)的國(guó)家相比仍有較大的差距。由于我國(guó)半導(dǎo)體技術(shù)與工藝跟不上時(shí)代的發(fā)展，材料制造與研發(fā)水平也與國(guó)外存在一定的差距，因此導(dǎo)致我們自己研制和生產(chǎn)出的無(wú)工頻變壓器開關(guān)電源中的開關(guān)管大部分采用的仍是進(jìn)口的晶體管，嚴(yán)重的制約了我國(guó)電源領(lǐng)域的發(fā)展。所以我國(guó)的開關(guān)凈化穩(wěn)壓電源事業(yè)要發(fā)展，要趕超世界先進(jìn)水平，最根本的是要提高我國(guó)的半導(dǎo)體技術(shù)和工藝。1.3課題設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本論文所研究的是數(shù)控直流電壓源，其主要研究?jī)?nèi)容如下：1?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理：系統(tǒng)中使用單片機(jī)作為主控器，使用單片機(jī)內(nèi)部寄存器輸出脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）控制開關(guān)管的通斷。通過(guò)調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比的變化控制開關(guān)管的通斷，從而改變開關(guān)管的輸出電壓。2?硬件電路的實(shí)現(xiàn)。首先根據(jù)系統(tǒng)要求確定總體設(shè)計(jì)方案，其次進(jìn)行元器件選型及電路設(shè)計(jì)。3?核心算法的實(shí)現(xiàn)與程序的編制。主要是控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比算法的詳細(xì)介紹。然后編寫程序加以實(shí)現(xiàn)。4.誤差分析。由于設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中有不少環(huán)節(jié)會(huì)引起誤差。我們需要對(duì)引起較大誤差的環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和說(shuō)明，然后提出需要改進(jìn)的問(wèn)題。第二章數(shù)控直流電壓源實(shí)現(xiàn)方案與原理2.1引言本章主要內(nèi)容是研究和設(shè)計(jì)使用數(shù)控技術(shù)來(lái)控制電壓源，從而實(shí)現(xiàn)恒壓的控制系統(tǒng)。要求該系統(tǒng)數(shù)控程度高、功率密度高、分辨率高、紋波小等。這樣，系統(tǒng)就可以輸出精度高、控制靈活、可靠性強(qiáng)的電壓。要實(shí)現(xiàn)上述功能會(huì)有許多方法，但是每一種方法都有它們各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際的需求，我們需要設(shè)計(jì)出一個(gè)控制簡(jiǎn)單、精度高且具有較高性能的控制系統(tǒng)。因此我們需要選擇一個(gè)合理的方案來(lái)完成上述對(duì)于系統(tǒng)的要求，并保證該系統(tǒng)具有較好的性能。因此我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)得以明確。2.2數(shù)控直流電壓源設(shè)計(jì)的方案及電路模型2.2.1設(shè)計(jì)方案論證上面提到要實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)目標(biāo)的方法有許多種。下面我們將列舉部分設(shè)計(jì)方案，通過(guò)它們之間的比較，選擇其中比較合理的方案。方案一：采用電源專用芯片如LM2576-ADJ,LM2576系列的穩(wěn)壓器是單片集成電路，能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器（BUCK）的各種功能，能驅(qū)動(dòng)3A的負(fù)載，有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力，并且LM2576穩(wěn)壓器內(nèi)部含有頻率補(bǔ)償器和一個(gè)固定頻率振蕩器，能將外部元件的數(shù)目減到比較少，使用簡(jiǎn)單，但是24V輸入電壓雖然能經(jīng)過(guò)DC/DC穩(wěn)壓芯片LM2576-ADJ變換為穩(wěn)壓的直流電壓，但需要通過(guò)調(diào)整 ％和R：的比例關(guān)系來(lái)調(diào)整LM2576芯片的輸入占空比來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。數(shù)控電源中雖然可以使用數(shù)字電阻來(lái)改變電阻值，但由于數(shù)字電阻變化率不足，從而影響電壓步進(jìn)值的精度，也增加了程序的難度。其典型電路如圖2.1所示：可調(diào)節(jié)輸出電壓型號(hào)FEEDBACK圖2-1LM2576-ADJ應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖方案二：采用純數(shù)字電路，采用純數(shù)字電路的穩(wěn)壓電源避免了硬件之間的磨損，使得壽命大大提高，而且其輸出電壓也不會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生誤差。如選用CPLD等可編程邏輯器件。本方案雖然編程軟件簡(jiǎn)單，但是其電路復(fù)雜、靈活性不高、效率低、不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展、對(duì)信號(hào)處理比較困難。由于電路的復(fù)雜產(chǎn)生的問(wèn)題也會(huì)很多。所以不宜采用。方案三：通過(guò)鍵盤的鍵值輸入來(lái)控制存儲(chǔ)器的地址，將地址輸出所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量送數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再送入穩(wěn)壓電路來(lái)控制電壓的變化。同時(shí)，通過(guò)四個(gè)編碼開關(guān)的BCD碼送給譯碼器及數(shù)碼管顯示。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大且存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量有限所以不宜采用。其電路方框圖如圖2.2所示：圖2-2方案三方框圖方案四：采用單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)控制大功率開關(guān)管的柵極，用編程軟件調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比來(lái)控制大功率開關(guān)管的通斷時(shí)間，間接的改變輸出電壓的大小。DC-DC變換采用BUCK型變換器，用A/D不斷檢測(cè)電源的輸出電壓，根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差，利用片內(nèi)PWM模塊輸出PWM波,直接控制電源的工作。然后通過(guò)外部擴(kuò)展按鍵、液晶顯示功能實(shí)現(xiàn)數(shù)控輸出電壓。此方案電路簡(jiǎn)單，而且通過(guò)AVR內(nèi)部PWM模塊和ADC模塊，使程序更為簡(jiǎn)化，并且BUCK電路輸出電壓穩(wěn)定性也比較好。系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)潔，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足本設(shè)計(jì)的要求，因此我們采用了該設(shè)計(jì)方案。本方案的基本原理如圖2.3所示：圖2-3方案四框圖2.2.2驅(qū)動(dòng)電路方案論證當(dāng)驅(qū)動(dòng)大功率高頻開關(guān)管時(shí)，電荷必須盡快傳至門極電容或從其抽出，這就要求在開通和關(guān)斷信號(hào)的起始端有很高的門極脈沖電流，由于ATmegal6單片機(jī)的輸出電壓為5V，并不能提供數(shù)值很高的正值脈沖脈沖電流，也不能吸收MOSFET等大功率器件門極電容在關(guān)斷時(shí)所送出的數(shù)值也很高的負(fù)值脈沖電流，因而嚴(yán)重制約了開關(guān)頻率的提高。為了充分利用電壓控制型器件（尤其是超快MOSFET）的高速能力，因此需要使用驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)脈沖調(diào)制信號(hào)進(jìn)行放大，下面我們將對(duì)幾種方案進(jìn)行比較，選取合適的方案應(yīng)用于我們的設(shè)計(jì)當(dāng)中。方案一：如圖2.4所示，此電路采用單電源供電，適合于最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)要求，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快捷，缺點(diǎn)是MOSFET截止期間，T導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路中電阻R要消耗較大的1功率，且R值不能太大，一般100?510Q為宜。圖2-4方案一電路原理圖方案二：圖2-5方案二電路原理圖圖2.5所示所示電路克服了圖2.4所示電路的缺點(diǎn)。當(dāng)卩＜0時(shí)，T截止，T組成i 1 2的射極跟隨器工作，給MOSFET提供較大的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)卩＞0時(shí)；T導(dǎo)通，T截止，i 1 2開關(guān)管極間電容通過(guò)R、D和T放電。此電路的缺點(diǎn)是D增加了放電回路的壓降，使11驅(qū)動(dòng)電路抗干擾能力減弱。因此存在T和T間的通斷轉(zhuǎn)換，此驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)頻率不12能太高。方案三：圖2.6所示電路采用了互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)(俗稱推拉式結(jié)構(gòu))，既可提供大的驅(qū)動(dòng)電流，又可達(dá)到很高的開關(guān)頻率。此電路適合在要求較高的場(chǎng)合運(yùn)用，并提供負(fù)偏壓,以提高可靠性，此外，T和T均工作于射極跟隨器狀態(tài)，晶體管不會(huì)出現(xiàn)飽和狀態(tài),12因此開關(guān)時(shí)無(wú)信號(hào)的傳輸延遲時(shí)間。綜合上述各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們選擇方案三，該方案可以很好的實(shí)現(xiàn)我們所需的設(shè)計(jì)要求。圖2-6方案三電路原理圖2.2.3原理分析通過(guò)對(duì)上面的各種方案可行性、復(fù)雜程度、系統(tǒng)指標(biāo)等方面的比較，綜合各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們不難發(fā)現(xiàn)，方案四比較合理。所以我們選擇本方案來(lái)設(shè)計(jì)本論文所論述的控制系統(tǒng)。下面我們對(duì)本方案進(jìn)一步的分析。數(shù)控電壓源設(shè)計(jì)的目的就是要電壓源裝置能自動(dòng)恒壓調(diào)節(jié)，抑制紋波電壓，改善電壓調(diào)節(jié)精度，消除小電壓輸出的非線性等。這樣系統(tǒng)就可輸出穩(wěn)定，不隨外界環(huán)境溫度的變化而變化，并且具有很高精度的電壓。系統(tǒng)以單片機(jī)ATmegal6為核心元件，通過(guò)單片機(jī)對(duì)輸出電壓進(jìn)行采集、比較、運(yùn)算，從而對(duì)輸出電壓進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。系統(tǒng)由24V輸入，通過(guò)軟件的方法使單片機(jī)ATmega16的PD5口輸出脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)，通過(guò)BUCK電路變換為穩(wěn)定的直流電壓0?9.9V輸出，輸出電壓通過(guò)取樣電路采樣，經(jīng)過(guò)ATmega16內(nèi)部十位A/D轉(zhuǎn)換后送給控制器處理后，控制輸出PWM脈沖的占空比，使開關(guān)管工作于開關(guān)狀態(tài)，將輸入的24V直流電壓“斬波”成與PWM波頻率相同的脈沖波，脈沖波通過(guò)整流濾波電路輸出0?9.9V的直流電壓，我們用到的是方波信號(hào)，由于ATmega16產(chǎn)生的方波信號(hào)功率較低，我們需要用驅(qū)動(dòng)電路先將方波信號(hào)放大，利用該方波信號(hào)控制大功率開關(guān)管IRF9530的通斷。因?yàn)殡S著功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間的變化，它將輸出不同的電壓。利用功率管這一特性，我們通過(guò)軟件編程來(lái)調(diào)節(jié)方波信號(hào)的占空比，來(lái)改變功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，就可以調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的輸出電壓。本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求中，要求系統(tǒng)要具有檢測(cè)輸出電流值和輸出電壓值的功能。電流值檢測(cè)我們采用了由美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的雙向、精密電流傳感放大器MAX471,MAX471內(nèi)置35mQ精密傳感電阻，可測(cè)量電流的上下限為±3A,轉(zhuǎn)換公式為V=500x10-6xI xI，將轉(zhuǎn)換后得到的結(jié)果送入單片機(jī)的PA1端口，因此足以滿out senseout足設(shè)計(jì)要求，從而實(shí)現(xiàn)了過(guò)流保護(hù)的功能。由于輸出電壓范圍在0?9.9V之間，超出ATmega16單片機(jī)內(nèi)部A/D所能檢測(cè)的范圍，因此電壓值檢測(cè)我們采用了差分放大電路，將其直接并接在BUCK電路的輸出端，然后使用差分放大電路進(jìn)行調(diào)整，將電壓信號(hào)縮小3倍后送入ATmega16內(nèi)部的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣我們就將轉(zhuǎn)換得出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)進(jìn)行處理，這就是本系統(tǒng)的工作原理。恒壓源實(shí)現(xiàn)的總體框圖如圖2.7所示:圖2-7恒壓源總體框圖上面已經(jīng)介紹了恒壓源設(shè)計(jì)的大體設(shè)計(jì)思想，下面我們通過(guò)對(duì)其原理圖的分析，說(shuō)明其工作原理。由于本設(shè)計(jì)中要求的電流輸出較大，因此一般的負(fù)載會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)熱量，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種電子負(fù)載，來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，這樣可使在測(cè)試過(guò)程當(dāng)中可以較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，不至于發(fā)熱損壞元件。由于我們是用脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制功率開關(guān)管的通斷，來(lái)改變輸出電壓的大小，然而脈寬調(diào)制信號(hào)會(huì)引起頻率噪聲，所以我們接上濾波電容，濾掉會(huì)引起系統(tǒng)誤差的部分。2.3設(shè)計(jì)系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)計(jì)出有一定輸出電壓范圍和功能的DC-DC數(shù)控電源。基本要求：（1） 輸入、輸出電壓：輸入電壓）C為24V；輸出電壓范圍DC為0V?+9.9V，步進(jìn)為0.1V和0.05V，紋波不大于10mV；（2） 輸出電流：1.5A；（3） 輸出電壓值能顯示；（4） 由“+”“-”兩鍵分別控制輸出電壓步進(jìn)增減；（5） 輸出電壓可預(yù)置在0V?+9.9V之間任意一個(gè)值；（6） 擴(kuò)展輸出電壓種類（比如三角波等）；（7） 負(fù)載電流在0?1.5A間變化時(shí)輸出電壓的變化量不超過(guò)0.1V；（8） 為實(shí)現(xiàn)上述幾部件工作，自制一個(gè)穩(wěn)壓直流電源，輸出15V，+5V；（9） 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)電子負(fù)載，用于測(cè)試上述電源的負(fù)載調(diào)整率，電子負(fù)載恒定電流的可調(diào)范圍為0.1A?1.5A。2.4本章小結(jié)本章我們簡(jiǎn)述了設(shè)計(jì)數(shù)控電壓源的幾個(gè)方案，對(duì)它們進(jìn)行比較分析。綜合每個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，從中選擇了比較合理既能達(dá)到控制系統(tǒng)的功能，又具有較好性能的方案。并且對(duì)我們所選的設(shè)計(jì)方案理論進(jìn)行進(jìn)一步地分析，說(shuō)明其恒壓基本原理。最后我們提出了本方案要達(dá)到的目標(biāo)。第三章硬件電路設(shè)計(jì)3.1引言前面的內(nèi)容中我們已經(jīng)通過(guò)方案的比較，確定了我們要采用的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的具體方案，提出了我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)所要達(dá)到的設(shè)計(jì)目標(biāo)。因?yàn)樵谝粋€(gè)控制系統(tǒng)中工作芯片的性能，會(huì)直接與系統(tǒng)性能和功能直接相關(guān)。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，不僅要考慮系統(tǒng)中各個(gè)模塊的具體的實(shí)現(xiàn)方案，還要考慮所選用的控制芯片是否與整個(gè)控制系統(tǒng)相匹配。在這一章當(dāng)中，我們主要設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路部分，為了方便敘述，我們將整個(gè)控制系統(tǒng)分成不同的模塊來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。3.2單片機(jī)的說(shuō)明單片機(jī)是本控制系統(tǒng)的主控元件，它與整個(gè)系統(tǒng)中的各個(gè)部分有著直接的聯(lián)系，因此它的工作性能是否良好會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響?；诖?，我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)之前，先介紹一下我們?cè)诒究刂葡到y(tǒng)中所選用的單片機(jī)。為了提高系統(tǒng)的性能，我們選用了高性能的單片機(jī)ATmegal6作為控制系統(tǒng)的主控制器。單片機(jī)ATmega16是一個(gè)基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的高性能、低功耗的8位CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾?？梢苑磸?fù)擦寫100,000次，芯片是以Atmel高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的，片內(nèi)ISPFlash允許程序存儲(chǔ)器通過(guò)ISP串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過(guò)運(yùn)行于AVR內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)ATmage16可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。其芯片結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：(SS)PB4匚(MOSI)PB5匚(MISO)PB6匚(SCK)PB7匚(SS)PB4匚(MOSI)PB5匚(MISO)PB6匚(SCK)PB7匚RESET匚VCC匚GND匚XTAL2匚XTAL1匚(RXD)PD0匚(TXD)PD1匚(INTO)PD2匚(INT1)PD3匚(OC1B)PD4匚(OC1A)PD5匚1112131415161718403938373635343332313029282726252423□□□□□□□□□□□□□□□□□□□PAO(ADC0)PA1(ADC1)PA2(ADC2)PA3(ADC3)PA4(ADC4)PA5(ADC5)PA6(ADC6)PA7(ADC7)AREFGNDAVCCPC7(TOSC2)PC6(TOSC1)PC5(TDI)PC4(TDO)PC3(TMS)PC2(TCK)PC1(SDA)PCO(SCL)（如）圖3口A^egal6芯片結(jié)構(gòu)圖<OC2>3.2.1單片機(jī)的主要功能ATmegal6單片機(jī)的主要功能如下：8位字長(zhǎng)CPU；振蕩器和時(shí)鐘電路，全靜態(tài)操作：0?16MHz；4.5-5.5V工作電壓；1KB內(nèi)部SRAM；6種睡眠模式；4通道PWM；軟件設(shè)置空閑和省電功能；32個(gè)雙向1/0口；8位10位ADC；全雙工UART串行中斷口線；32個(gè)通用工作寄存器；中斷喚醒省電模式；看門狗（WDT）電路；靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程。3.2.2ATmega16單片機(jī)的引腳功能說(shuō)明主電源引腳GND（11和31腳）：電源地。Vcc（10腳）：數(shù)字電路的電源，電源供電電壓4.0?5.0V。外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL（13腳）：反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端，當(dāng)外接晶振時(shí)，1接外部晶振的一個(gè)引腳。片內(nèi)振蕩器由一個(gè)單級(jí)反相器組成，XTAL為反相器的輸入。i當(dāng)外部接振蕩器提供時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，則由XTAL端輸入。iXTAL（12腳）：反向振蕩放大器的輸出端，接外部晶振的另一個(gè)引腳，片內(nèi)為單2級(jí)反相器的輸出。當(dāng)由外部時(shí)鐘源提供時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，則本引腳浮空。多功能1/O口引腳端口A（33?40腳）：8位雙向1/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口唄外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口A的第二功能，是8個(gè)10位ADC模擬輸入，如果端口A的部分引腳置為輸出，當(dāng)轉(zhuǎn)換時(shí)不能切換，否則會(huì)影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。端B口（1?8腳）：8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口B的第二功能如下：PB0口（1腳）:T0（T/C0外部計(jì)數(shù)器輸入），XCK（USART外部時(shí)鐘輸入/輸出）。PB1口（2腳）:T1（T/C1外部計(jì)數(shù)器輸入）。PB2口（3腳）：AIN0（模擬比較正輸入），INT2（外部中斷2輸入）。PB3口（4腳）：AIN1（模擬比較負(fù)輸入），OCO（T/C0輸出比較匹配輸出）。PB4口（5腳）：SS（SPI從機(jī)選擇引腳）。PB5口（6腳）：MOSI（SPI總線的主機(jī)輸出/從機(jī)輸入信號(hào)）。PB6口（7腳）：MISO（SPI總線的主機(jī)輸入/從機(jī)輸出信號(hào)）。PB7口（8腳）：SCK（SPI總線的串行時(shí)鐘）。PC口（22?29腳）：8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳PC5（TDI）、PC3（TMS）與PC2（TCK）的上拉電阻被激活。端口C的第二功能如下：PC0（22腳）：SCL（兩線串行總線時(shí)鐘線）。PC1（23腳）：SDA（兩線串行總線數(shù)據(jù)輸入/輸出線）。PC2（24腳）：TCK（JTAG測(cè)試時(shí)鐘）。PC3（25腳）：TMS（JTAG測(cè)試模式選擇）。PC4（26腳）：TDO（JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)輸出）。PC5（27腳）：TDI（JTAG測(cè)試數(shù)據(jù)輸入）。PC6（28腳）：TOSC1（定時(shí)振蕩器引腳1）。PC7（29腳）：TOSC2（定時(shí)振蕩器引腳2）。PD口（14?21腳）：8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D的第二功能如下：PD0（14腳）：RXD（USART輸入引腳）。PD1（15腳）：TXD（USART輸出引腳）。PD2（16腳）：INT0（外部中斷0的輸入）。PD3（17腳）：INT1（外部中斷1的輸入）。PD4（18腳）：OC1B（T/C1輸出比較B匹配輸出）。

PD5（19腳）：0C1A（T/C1輸出比較A匹配輸出）。PD6（20腳）：ICP1（T/C1輸入捕捉引腳）。PD7（21腳）：OC2（T/C2輸出比較匹配輸出）。復(fù)位引腳、電源、和基準(zhǔn)電源RESET（9腳）：復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時(shí)間小于門限時(shí)間的脈沖不能保證可靠的復(fù)位。AVCC（30腳）：是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與V連接。CCAREF（32腳）：A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。這里我們只簡(jiǎn)單的介紹了所用控制芯片的結(jié)構(gòu)和性能，我們?cè)谠O(shè)計(jì)方案中主要應(yīng)用了ATmega16內(nèi)部的A/D，對(duì)電壓和電流進(jìn)行采集，還用到了內(nèi)部的PWM波功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，使用了快速PWM模式，9位快速PWM波，晶振采用16MHz，分頻為1,上限值為512，因此通過(guò)計(jì)算f =（fOCS*NxTOP），可以確定，PWM波的頻率為OCnxPWMOCS31.25KHz，仿真使用了JTAG接口，進(jìn)行在線仿真。3.2.3ATmega16單片機(jī)的最小系統(tǒng)本單片機(jī)最小系統(tǒng)采用上電復(fù)位的方式，當(dāng)按鍵按下時(shí)，復(fù)位引腳變?yōu)榈碗娖剑?/p>

觸發(fā)AVR芯片復(fù)位，單片機(jī)由+5V功電，外部晶振為16MHz。其最小系統(tǒng)如圖3.2所示：I'I'圖3-2ATmega16最小系統(tǒng)3.3開關(guān)變換電路的設(shè)計(jì)3.3.1開關(guān)變換電路原理圖其電路原理圖如3.3所示，電路以降壓型（BUCK）電路為核心，其是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器，電路主要由電力電子開關(guān)器件，續(xù)流二極管，濾波電感和電容組成。電路有兩種基本工作狀態(tài)，即電感電流連續(xù)工作狀態(tài)（CCM）和電感電流不連續(xù)工作狀態(tài)（DCM）,我們采用電感電流連續(xù)工作狀態(tài)，電路工作在電流連續(xù)模式是指，電流連續(xù)工作狀態(tài)下，在下一周期到來(lái)時(shí)，電感中的電流還未減小到零，電容的電流能夠得到及時(shí)的補(bǔ)充，輸出電流的峰值較小，輸出紋波電壓小，因此該模式符合我們的設(shè)計(jì)要求。3.3.2數(shù)值計(jì)算由于我們采用+24V的電壓給整個(gè)系統(tǒng)供電，所以開關(guān)變換電路也采用+24V供電，開關(guān)管的選擇，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流及濾波電容的充電電流都通過(guò)開關(guān)管，因此開關(guān)管的集電極額定電流必須大于穩(wěn)壓器輸出的負(fù)載電流。負(fù)載電流為1.5A，負(fù)載電壓為9.9V，根據(jù)公式：I=I+（V十2L）T （3-1）Tmaxoofoff則最大集電極電流為1.7A，開關(guān)管的耐壓應(yīng)大于或等于輸入電壓的1.5倍，則開關(guān)管耐壓應(yīng)為14.85V，故根據(jù)以上需求，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇開關(guān)管IRF9530，其集電極最大電流為12A，耐壓值為100V。續(xù)流二極管的選擇，續(xù)流二極管的正向額定電流必須等于開關(guān)管的最大集電極電流,即大于負(fù)載電流1.5A，續(xù)流二極管的耐壓必須大于輸入電壓+24V，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選擇其耐壓值為50V，正向額定電流為3A的續(xù)流二極管1N5822。濾波電感的計(jì)算，在BUCK變換器的兩種基本工作狀態(tài)中，我們選取電流連續(xù)模式,因此根據(jù)公式：L=（T十AI）（V—V） （3-2）f on L io式中，AI為濾波電感L中電流I的變化量，即負(fù)載電流I的變化量，系統(tǒng)工作在L f L oCCM臨界狀態(tài)，則應(yīng)取AI=21 =0.2A，由此可得臨界電感為：LominL=(V十2fI )(1-D)=(9.9V-2x31.25KHzx0.2A)(l-41.25%)=465.3卩Hc o sominTOC\o"1-5"\h\z要使電路工作在CCM狀態(tài)，應(yīng)取L>L；在我們的設(shè)計(jì)中，取在最大的占空比時(shí)，Df C為41.25%,V為9.9V，f為31.25KHz,I 為1.5A，代入公式可以求出電感值，由o s omin于計(jì)算誤差和實(shí)際工作狀態(tài)下的影響，我們最終選取電感量為2.35mH的電感。輸出電壓的紋波分量的計(jì)算公式為：AV=(V一8LCf2)(1-D) (3-3)o o ffs濾波電容C的計(jì)算，該BUCK變換器的輸出電壓紋波要求V(p-p)<400mV。若設(shè)=0,f out即全部的電感電流變化量等于電容電流的變化量，電容在(T+T)/2=T/2時(shí)間間onof隔內(nèi)充放電，電容充電的平均電流：TOC\o"1-5"\h\zAI二A十4二A十4二(UT十4L)(1-D) (3-4)c c L o f電容峰峰值紋波電壓為：AU二1/CJT/2AIdt二(U十8LCf2)(1-D) / 、c f0c'off人八 丿 (3-5)因此，得：C=(U一8Lf2AU)(1-D) (3-6)f o fsc取AU=V (p-p)=25mV，D=41.25%時(shí)，C的值最大。即：cout fC 二24Vx(1-41.25%)十8x360卩Hx(200KHz)2x25mV二1500卩Ff(max)由C》C 得，由于存在計(jì)算誤差和實(shí)際工作狀態(tài)下的影響，最終我們選擇電容f f(max)量為104和1000uf的電容進(jìn)行濾波。3.4電子負(fù)載的設(shè)計(jì)TOC\o"1-5"\h\z當(dāng)S和S不動(dòng)作時(shí)，該電路工作于恒流模式：當(dāng)+IN給定一個(gè)電壓時(shí)，如果R1上4 5 21的電壓小于給定電壓，也就是OPO7的-IN小于+IN,0P07加大輸出，使MOS開關(guān)管加大導(dǎo)通使R21的電流加大；如果R21上電壓大于給定電壓時(shí)，貝0MOS管降低導(dǎo)通使R21的電流減小。當(dāng)S和S都動(dòng)作的時(shí)候，該電路工作于橫阻模式：VR阻值為R,輸出的電流值4 5 2為I二U(R-R)/(RXR)，輸出電阻的值為R二U/1二(RxR)/(R-R)。OO X 21 OOO 21 X3.5.1原理圖我們?cè)O(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)要求具有設(shè)置和調(diào)節(jié)電壓值的功能。所以需要鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于至少要有10個(gè)數(shù)字按鍵和兩個(gè)步進(jìn)按鍵，考慮到還要實(shí)現(xiàn)其它功能的按鍵，所以我們選用16按鍵的鍵盤來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)控制。從圖中我們可以看出，這里我們用到的是HD7279,在介紹原理圖功能之前我們先介紹一下芯片的功能。鍵盤部分的電路圖如圖3.5所示：

3.5.2HD7279芯片功能介紹HD7279是比高公司生產(chǎn)的單片具有串行接口的、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極式數(shù)碼管（或64只獨(dú)立LED）的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64鍵的鍵盤矩陣，單片即可完成LED顯示，鍵盤接口的全部功能，和微處理器之間采用串行接口，其接口和外圍電路比較簡(jiǎn)單，且占用口線少，加之它具有較高的性能價(jià)格比，因此，在微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等領(lǐng)域獲得了日益廣泛的應(yīng)用，采用單+5v電源。HD7279的主要特點(diǎn)如下：帶有串行接口，無(wú)需外圍元件可直接驅(qū)動(dòng)LED；各位可獨(dú)立控制譯碼/不譯碼、消隱和閃爍燈屬性；具有（循環(huán)）左移/右移指令；具有段尋址指令，可方便地用來(lái)控制獨(dú)立的LED顯示管；64鍵盤控制器內(nèi)含去抖動(dòng)電路。一、引腳功能VDDVDDNCVSSNCCSVDDVDDNCVSSNCCSCLKDATAKEYSGSFSESDSCHD7279ARESETRCCLKODIG7DIGSDIGSJDIG4DIG3DIG2DIQ1DIGODPJSASB圖3-6HD7279引腳圖HD7279的芯片引腳如圖3.6中所示。各引腳的功能如下：1,2引腳：VDD為正電源；3,5,26引腳：NC為無(wú)連接，須懸空；4引腳：V為接地：SS6引腳：CT為片選輸入端，為低電平時(shí)，向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)；7引腳：CLK為同步時(shí)鐘輸入端，向芯片發(fā)送指令及讀取鍵盤數(shù)據(jù)，上升沿表示數(shù)據(jù)有效；8引腳：DATA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出；9引腳：KET為按鍵有效輸出端，平時(shí)為高，當(dāng)檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，此引腳變?yōu)榈碗娖剑?0?16引腳：SG?SA為段g?段a驅(qū)動(dòng)輸出；17引腳：DP為小數(shù)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)輸出；18?25引腳：DIG0?DIG7為字位0?字位7驅(qū)動(dòng)輸出；27引腳：RC為RC振蕩器連接端；28引腳：RESET為復(fù)位端。二、單片機(jī)ATmega16配置HD7279的硬件接口：ATmega16單片機(jī)配置HD7279器件可直接相連，不需加任何邏輯硬件，其接口十分簡(jiǎn)單。由圖3.5可見，片選信號(hào)C?（低電平有效）與PD3相連接，DATA為串行數(shù)據(jù)端，當(dāng)向7279發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DATA為輸入端，當(dāng)7279輸出鍵盤代碼時(shí)，其為輸出端，其與PD6相連接，CLK為數(shù)據(jù)串行傳送的同步時(shí)鐘輸入端，時(shí)鐘的上升沿表示數(shù)據(jù)有效，其與PD4相連接，KEF為按鍵信號(hào)輸出端，該端在無(wú)按鍵按下時(shí)為高電平，而在有按鍵按下時(shí)變?yōu)榈碗娖剑⒁恢北３值桨存I釋放為止，其與PD7相連接。3.6LCD顯示器設(shè)計(jì)3.6.1原理圖我們?cè)O(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)要求具有顯示的功能，需要能夠顯示設(shè)定電壓值，實(shí)際電壓值和實(shí)際電流值，根據(jù)需要我們使用的是12864A-1型液晶顯示模塊，我們首先對(duì)我們所用的LCD液晶顯示器做簡(jiǎn)單的介紹，顯示部分的電路圖如圖3.7所示：X.圖3-7LCD模塊顯示示意圖3.6.2液晶模塊功能介紹12864A-1漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可以顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192個(gè)中文漢字（16x16點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8x16點(diǎn)陣）及64x256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性：電源：3.3V?+5V（內(nèi)置升壓電路，無(wú)需負(fù)壓）；顯示內(nèi)容：128列x64行；顯示顏色：黃綠；顯示角度：6:00鐘直視；LCD類型：STN與MCU接口：8位或4位并列/3位串行；配置LED背光多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。為了更好地了解LCD的使用方法，我們需要對(duì)該模塊的控制器接口信號(hào)進(jìn)行了解,RS,R/W的配合選擇決定控制界面的4種模式：表3-1RSR/W功能說(shuō)明LLMPU寫指令到指令暫存器（IR）LH讀出忙標(biāo)志（BF）及地址記數(shù)器（AC）的狀態(tài)HLMPU寫入數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)暫存器（DR）HHMPU從數(shù)據(jù)暫存器（DR）中讀出數(shù)據(jù)表3-2E狀態(tài)執(zhí)行動(dòng)作結(jié)果高一＞低I/O緩沖一＞DR配合/W進(jìn)行寫數(shù)據(jù)或指令高DR—>I/O緩沖配合R進(jìn)行讀數(shù)據(jù)或指令低/低一＞高無(wú)動(dòng)作?，忙標(biāo)志:BF標(biāo)志提供內(nèi)部工作情況.BF=1表示模塊在進(jìn)行內(nèi)部操作，此時(shí)模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù).BF=0時(shí)，模塊為準(zhǔn)備狀態(tài)，隨時(shí)可接受外部指令和數(shù)據(jù)?利用STATUSRD指令,可以將BF讀到DB7總線,從而檢驗(yàn)?zāi)K之工作狀態(tài).?字型產(chǎn)生ROM（CGROM）字型產(chǎn)生ROM（CGROM）提供了8192個(gè)，此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。DFF=1為開顯示（DISPLAYON）,DDRAM的內(nèi)容就顯示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示（DISPLAYOFF）oDFF的狀態(tài)是指令DISPLAYON/OFF和RST信號(hào)控制的。?顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM）模塊內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)RAM提供64X2個(gè)位元組的空間，最多可控制4行16字（64個(gè)字）的中文字型顯示，當(dāng)寫入顯示數(shù)據(jù)RAM時(shí)，可分別顯示CGROM與CGRAM的字型；此模塊可顯示三種字型，分別是半角英數(shù)字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三種字型的選擇，由在DDRAM中寫入的編碼選擇，在OOOOH—0006H的編碼中(其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個(gè))將選擇CGRAM的自定義字型,02H—7FH的編碼中將選擇半角英數(shù)字的字型，至于A1以上的編碼將自動(dòng)的結(jié)合下一個(gè)位元組，組成兩個(gè)位元組的編碼形成中文 字型的編碼BIG5(A140—D75F)，GB(A1A0-F7FFH)。?字型產(chǎn)生RAM(CGRAM)字型產(chǎn)生RAM提供圖象定義(造字)功能，可以提供四組16X16點(diǎn)的自定義圖象空間，使用者可以將內(nèi)部字型沒(méi)有提供的圖象字型自行定義到CGRAM中，便可和CGROM中的定義一樣地通過(guò)DDRAM顯示在屏幕中。?地址計(jì)數(shù)器AC地址計(jì)數(shù)器是用來(lái)貯存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由設(shè)定指令暫存器來(lái)改變，之后只要讀取或是寫入DDRAM/CGRAM的值時(shí)，地址計(jì)數(shù)器的值就會(huì)自動(dòng)加一，當(dāng)RS為“0”時(shí)而R/W為“1”時(shí)，地址計(jì)數(shù)器的值會(huì)被讀取到DB6——DB0中。一、 LCD12864引腳的介紹：引腳1：VSS電源地弓I腳2：VCC電源正引腳3：VO對(duì)比度(亮度)調(diào)節(jié)引腳4：RS(CS)RS=“H”，表示DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù)RS= “L”，表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù)弓I腳5：R/W(SID)R/W=“H”，E=“H”，數(shù)據(jù)被讀到DB7——DB0R/W=“L”，E=“HL”，DB7——DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR引腳6：E(SCLK)使能信號(hào)引腳7?引腳14:DBO?DB7三態(tài)數(shù)據(jù)線引腳15:PSBH:8位或4位并口方式，L:串口方式引腳16:NC空腳引腳17:RESET復(fù)位端，低電平有效引腳18:VOUTLCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端引腳19:VDD背光源正端(+5V)引腳20:VSS背光源負(fù)端二、 單片機(jī)ATmega16配置12864的硬件接口：由圖3.7可見，并行的指令、數(shù)據(jù)選擇信號(hào)RS與PD0相連接，并行的讀寫選擇信號(hào)R/W與PD1相連接，當(dāng)為高電平時(shí)為讀信號(hào)，當(dāng)為低電平時(shí)為寫信號(hào)，并行的使能信號(hào)E與PD2相連接，始終為高電平，并行使能，DB0?DB7數(shù)據(jù)線與PB0?PB7相連接，用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。3.7三角波發(fā)生電路圖3-8二角波發(fā)生電路示意圖TOC\o"1-5"\h\z圖中滯回比較器的輸出電壓U=±U，它的輸入電壓是積分電路的輸出電O1 z壓U，根據(jù)疊加原理，集成運(yùn)放AR同相輸入端的電位：O2 5u二RU/(R+R)+RU/(R+R)二RU/(R+R)±RU/(R+R)P1 17O2 17 18 18O1 17 18 17O2 17 18 18Z17 18令U=U=0，則閾值電壓：P1N1±U=±RU/R=±50kX6.7V/50k=±6.7VT 18Z17TOC\o"1-5"\h\z積分電路的輸入電壓是滯回比較器的輸入電壓U，而且U不是+U，就是-U，O1 O1 z z所以輸出電壓表達(dá)式為：U=-U(t-1)/RC+U(t) (3-7)02 O110 2913 020式中U(t)為初態(tài)時(shí)的輸出電壓。U=+U，在稍微增大，U將從-U躍變?yōu)?U，O20 O2 T 01 z z回到初態(tài)，積分電路又開始反向積分。電路重復(fù)上述過(guò)程，因此產(chǎn)生自激振蕩。如圖3.8所示，U是三角波，幅值為±6.7V；U是方波，幅值為±6.7V，這就O2 01是設(shè)計(jì)當(dāng)中的擴(kuò)展輸出電壓種類。3.8采樣電路設(shè)計(jì)3.8.1電壓采樣電路如圖3.9所示，電壓采樣電路，電壓采樣電路是直接并接在BUCK電路的輸出端，先通過(guò)電壓跟隨器采集電壓，AR的輸出電壓等于輸入電壓：卩二卩TOC\o"1-5"\h\z1 Oi然后使用差分放大電路進(jìn)行調(diào)理，卩二卩二0為“虛地”i二i=0NP PN節(jié)點(diǎn)電流方程為i二i (3-8)RF(R-巴)/R=(巴-巴)/R (3-9)iN NOf由于節(jié)點(diǎn)為虛地，整理得出

TOC\o"1-5"\h\z|L1=—R|L1/R=—10kxp/30k= /3O1 fi i i再采用反相電路將其反相p=—Rp/R=10kxp/10k=p/3O2 fO1 O1 O1該電路的主要功能是將ov?9.9V的電壓信號(hào)縮小3倍后，送入ATmegal6內(nèi)部的A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換。差分輸人信號(hào)來(lái)自于輸出電壓端。根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求，負(fù)載電流最大值為1.5A,同時(shí)又考慮電路功耗，我們對(duì)電流的采樣采用專用電流檢測(cè)芯片MAX471/MAX472,它是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的雙向、精密電流傳感放大器。MAX471內(nèi)置35mQ精密傳感電阻，可測(cè)量電流的上下限為土3A。對(duì)于允許較大電流的場(chǎng)合，則可選用MAX472。在這種情況下，用戶可根據(jù)自己的需要配置外接的傳感電阻與增益電阻。MAX471/MAX472都可通過(guò)一個(gè)輸出電阻將電流輸出轉(zhuǎn)化為對(duì)地電壓輸出。本設(shè)計(jì)中，使用MAX471用于負(fù)載電流檢測(cè)。應(yīng)用原理圖如圖3.10所示。RS+RSR5+RS-MAXIMMAX471SIGNSHDNGN^OUTRS+RSR5+RS-MAXIMMAX471SIGNSHDNGN^OUT十3VTO—36VAIloadtoLOADorCHARGERLOGICSUPPLYDISCHARGE/CHARGE圖3-10— lvout(iwa)〔LOAD I2k<—電流檢測(cè)電路示意圖其中V——期望的實(shí)際輸出電壓outI ——所傳感的實(shí)際電流senseR ——精密傳感電阻senseR——輸出調(diào)壓電阻outRG——增益電阻(RG=RG1=RG2)對(duì)于MAX471,所設(shè)定的電流增益為：R/RG=500X10-6sense=500X10-6XIXRout senseout=500X10-6X3X103XI =1.51out sense sense當(dāng)輸出電阻為3kQ時(shí)，在傳感電流I 允許變化范圍0AWIW1.5A內(nèi),輸出電壓sense senseV 的變化范圍為：0VWVW2.25V，將V的值送入單片機(jī)的A/D中，要注意的out out out是,R變化時(shí)，須保證MAX471輸出電壓的上限值不能超過(guò)VRS±1.5V。out3.9電源在控制系統(tǒng)中，我們要自制電源為系統(tǒng)所用芯片提供電源，還要為運(yùn)放提供電源,由于我們系統(tǒng)內(nèi)的芯片所需要的電源電壓為+5V的電源，運(yùn)放所需電源為土15V。要得到以上電壓的電源，所以我們需要設(shè)計(jì)正負(fù)兩種電源。3.9.1正電源電路正電源電路由LM7815輸出15V正電源,LM7805輸出5V正電源，LM7815和LM7805均使用了內(nèi)部保護(hù),包含過(guò)流保護(hù)、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償?shù)韧晟频谋Ｗo(hù)電路,使得電源可以安全可靠的工作。其電路圖分別如圖3.11和圖3.12所示：圖3-11 +15V電源原理圖3.9.2負(fù)電源電路負(fù)電源部分采用7662供電，7662輸出一15V負(fù)電源。7662使用了內(nèi)部保護(hù),包含過(guò)流保護(hù)、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償?shù)韧晟频谋Ｗo(hù)電路，使得電源可以安全可靠的工作。如圖3.13所示：圖3-13-15V電源原理圖3.10本章小結(jié)在本章中，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)好了整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路。為了便于說(shuō)明，我們把它分成控制恒壓源部分，鍵盤部分，顯示部分，以及電源部分等幾個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。因?yàn)閱纹瑱C(jī)作為系統(tǒng)的主控器，我們把它放在本章的開頭做了介紹。我們?cè)谠O(shè)計(jì)每個(gè)部分時(shí)，都比較詳細(xì)地介紹對(duì)其所用的芯片作了介紹，分析它在系統(tǒng)中的作用。然后我們給出了每個(gè)電路模塊的原理圖，說(shuō)明了其實(shí)現(xiàn)的功能原理。綜合幾個(gè)模塊電路及原理，我們已經(jīng)把控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件電路設(shè)計(jì)完畢，接下來(lái)我們即將設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。第四章軟件設(shè)計(jì)4.1引言本控制系統(tǒng)，我們采用了軟硬件結(jié)合的方式來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。前面我們提到，系統(tǒng)是利用軟件編程的方式，利用單片機(jī)輸出方波信號(hào)，用來(lái)控制大功率開關(guān)管的通斷，同時(shí)不斷采集輸出電壓值，與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)軟件來(lái)調(diào)節(jié)方波信號(hào)的占空比，從而控制功率開關(guān)管的通斷時(shí)間，使功率開關(guān)管輸出不同的電壓。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)的原理。在本系統(tǒng)中除了控制主程序外，鍵盤顯示等也需要編程。前面的內(nèi)容，我們已經(jīng)完成硬件部分的設(shè)計(jì)，這章我們將結(jié)合已經(jīng)設(shè)計(jì)好的硬件電路來(lái)設(shè)計(jì)控制軟件。4.2積分控制算法本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，運(yùn)用了積分的控制方法。積分作用，可以簡(jiǎn)述為：如果調(diào)節(jié)器的輸入偏差不等于零，就讓調(diào)節(jié)器的輸出按照一定的速度一直朝一個(gè)方向累加下去。積分相當(dāng)一個(gè)斜率發(fā)生器。啟動(dòng)這個(gè)發(fā)生器的前提是調(diào)節(jié)器的輸入偏差不等于零，斜率的大小與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：輸入偏差的大小、積分時(shí)間。單純積分作用的特性總結(jié)如下：輸出的升降與被調(diào)量的升降無(wú)關(guān)，與輸入偏差的正負(fù)有關(guān)。輸出的升降與被調(diào)量的大小無(wú)關(guān)。輸出的斜率與被調(diào)量的大小有關(guān)。被調(diào)量達(dá)到頂點(diǎn)的時(shí)候，輸出的變化趨勢(shì)不變，速率開始減緩。被調(diào)量不管怎么變化，輸出始終不會(huì)出現(xiàn)階躍擾動(dòng)。輸出曲線達(dá)到頂點(diǎn)的時(shí)候，必然是輸入偏差等于零的時(shí)候。因?yàn)槭褂密浖到y(tǒng)控制比較靈活、方便，積分算法還可以得到修正和完善，所以在本控制系統(tǒng)中數(shù)字控制器是由軟件編程在單片機(jī)ATmega16中實(shí)現(xiàn)的。4.3控制程序設(shè)計(jì)在本控制系統(tǒng)中，單片機(jī)振蕩器晶振頻率選為16MHz。因?yàn)楫?dāng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器設(shè)定為快速PW模式時(shí)，根據(jù)公式f =(fOCS-NxTOP)可知，當(dāng)晶振為16MHz時(shí)，OCnxPWMOCSPWM的頻率為31.25KHz，符合我們對(duì)于頻率的要求。在本控制系統(tǒng)中，我們通過(guò)編程使單片機(jī)的PD5輸出方波信號(hào)，作為控制大功率開關(guān)管的脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)比較寄存器OCR1A中的數(shù)，不間斷的與計(jì)數(shù)器數(shù)值TCNT0進(jìn)行比較，即是調(diào)節(jié)方波信號(hào)的占空比就可以控制大功率開關(guān)管輸出不同的電壓值。聯(lián)系已經(jīng)設(shè)計(jì)好的硬件系統(tǒng)，就可以知道，當(dāng)由鍵盤輸入不同數(shù)值時(shí)，通過(guò)采樣電路將采樣回來(lái)的實(shí)際電壓值，通過(guò)OCR1A與設(shè)定值不斷進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)輸出方波的占空比，調(diào)節(jié)PD5的方波信號(hào)輸出，就可以使大功率開關(guān)管管輸出的電壓改變。在本設(shè)計(jì)中，我們用積分控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)比較寄存器OCR1A的調(diào)節(jié)，同時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有顯示初始實(shí)際電壓、電流和設(shè)定輸出電壓的功能，這些也需要通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本控制系統(tǒng)中，我們?cè)O(shè)置的脈寬調(diào)制信號(hào)的頻率為31.25KHz,而我們采樣得到的是一個(gè)均值，與采樣周期的關(guān)系不大,只要采樣周期小于1ms即可。具體的程序流程圖如圖4.1所示，其具體程序見程序附表1。

.開始.圖4-1主程序流程圖子程序入口圖4-2鍵盤顯示程序流程圖圖4-4電流程序流程圖4.4誤差分析采用本方案設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電壓源，由于采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，通過(guò)脈寬調(diào)制波（PWM）的控制方法，大大地簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的硬件電路，而且控制方便，靈活。按照理論構(gòu)想能夠很好的達(dá)到系統(tǒng)的控制功能，即系統(tǒng)能夠輸出0?+9.9V的穩(wěn)定電壓，負(fù)載電流在0?1.5A間變化時(shí)輸出電壓的變化量不超過(guò)0.1V,其步進(jìn)達(dá)到0.1V和0.05V,并且能夠用鍵盤設(shè)定輸出值。在本設(shè)計(jì)中，無(wú)論怎么樣控制，系統(tǒng)的誤差是不可能消除的，綜合本設(shè)計(jì)方案的硬件設(shè)計(jì)和所用軟件的算法，引起誤差主要有脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）的頻率和積分控制算法引起的誤差兩個(gè)方面，下面我們來(lái)逐一進(jìn)行分析。在本設(shè)計(jì)中，主要是使用了脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制大功率開關(guān)管的柵極，使之輸出不同的電壓。在設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)的過(guò)程中，我們使用的是調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比來(lái)控制大功率開關(guān)管的通斷時(shí)間，所以脈寬調(diào)制信號(hào)的頻率是固定的，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，應(yīng)該是脈寬調(diào)制的頻率越高，控制效果越好。如果頻率過(guò)高，可以提高系統(tǒng)的控制性能，但是，也會(huì)使產(chǎn)生的頻率噪聲變大，即所謂的高頻噪聲，反過(guò)來(lái)影響了系統(tǒng)的性能，這是一對(duì)矛盾。為了達(dá)到較好的控制效果，脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)的頻率很關(guān)鍵。這里我們選擇了31.25KH在的頻率，如果所選的這一脈寬調(diào)制信號(hào)的頻率對(duì)系統(tǒng)的控制不能達(dá)到較好的性能。對(duì)于本方案來(lái)說(shuō)，我們可以加以改進(jìn)。因?yàn)槲覀冊(cè)谠O(shè)計(jì)軟件時(shí)，寄存器T/C1的分頻值設(shè)定為1，如果31,25KHz的脈寬調(diào)制信號(hào)會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，我們可以增大分頻值以減小脈寬調(diào)制信號(hào)頻率。本方案設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電壓源，使用的是脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行控制。主要用軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，軟件中使用的算法積分控制方法。由于積分控制方法可以消除靜態(tài)偏差,可是過(guò)多地關(guān)注與靜態(tài)偏差，就會(huì)形成積分干擾，這會(huì)影響系統(tǒng)性能，產(chǎn)生一定的誤差。綜上所述，我們每個(gè)環(huán)節(jié)都盡量?jī)?yōu)化其方法。雖然不能全部消除系統(tǒng)存在的誤差,但在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)其功能而具有較好的性能。4.5本章小結(jié)在本章中，我們首先介紹了有關(guān)本程序所用的控制算法積分控制算法。然后敘述了怎樣編寫程序來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的控制，設(shè)定了需要設(shè)定的參數(shù)。畫出了我們所編寫的程序?qū)ο到y(tǒng)控制的流程圖，完成程序的編寫。即已經(jīng)完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。利用我們所完成的軟件設(shè)計(jì)和前面設(shè)計(jì)好的硬件結(jié)合起來(lái)，就實(shí)現(xiàn)了我們所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功第五章全文總結(jié)數(shù)字控制技術(shù)是一種先進(jìn)的控制技術(shù)，它廣泛地運(yùn)用于不同領(lǐng)域的控制系統(tǒng)中，本文所述的數(shù)控直流電壓源即是數(shù)控技術(shù)的運(yùn)用。本文所述的是以直流電壓源為核心，以單片機(jī)為主控器。運(yùn)用軟件使單片機(jī)輸出方波信號(hào)，用來(lái)控制大功率開關(guān)管的通斷。使用積分控制方法來(lái)調(diào)節(jié)方波信號(hào)的占空比來(lái)控制大功率開關(guān)管的通斷時(shí)間，隨著脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比不同，大功率開關(guān)管將輸出數(shù)值不同的電壓值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。由于我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是用軟件和硬件結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能和性能的。本文首先介紹了有關(guān)數(shù)字控制技術(shù)的運(yùn)用，說(shuō)明了設(shè)計(jì)數(shù)控直流電壓源的目的，提出了我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的目標(biāo)。在明確目標(biāo)之后，我們對(duì)部分方案進(jìn)行比較，選擇其中比較合理的設(shè)計(jì)方案。本文在說(shuō)明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的工作原理時(shí)，分別對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。硬件設(shè)計(jì)部分：我們把整個(gè)系統(tǒng)分成不同功能的模塊進(jìn)行介紹。即分成開關(guān)變換電路模塊、鍵盤設(shè)置模塊、顯示模塊、電子負(fù)載模塊、三角波發(fā)生模塊、采樣模塊、電源部分等。這樣說(shuō)明的好處是思路清晰，便于理解，掌握每個(gè)部分的功能以及工作原理。在設(shè)計(jì)和說(shuō)明每個(gè)模塊電路時(shí)，我們都介紹了所使用的芯片，給出了設(shè)計(jì)的原理圖，說(shuō)明了其工作原理。軟件設(shè)計(jì)部分：在完成硬件設(shè)計(jì)后，我們結(jié)合整個(gè)硬件系統(tǒng)以及系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，確定用來(lái)控制系統(tǒng)的控制方案。給出了控制系統(tǒng)的程序流程圖以及用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制程序。本文所述的數(shù)控直流電壓源系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)我們考慮了系統(tǒng)使用的主要芯片性能。分析了系統(tǒng)內(nèi)可能產(chǎn)生較大誤差的因素，而且盡可能辦法來(lái)減小誤差。所以本系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)我們?cè)O(shè)計(jì)的目標(biāo)。即本控制系統(tǒng)具有自動(dòng)恒壓調(diào)節(jié)，輸出的穩(wěn)定電壓可在0?+9.9V；具有“+”“-”步進(jìn)功能，步進(jìn)為0.1V和我0.05V；具有可以設(shè)置并顯示輸出電壓的給定值和實(shí)際電壓值、電流值的功能。而且具有較好的抑制紋波電壓,改善電壓調(diào)節(jié)精度，消除小電壓輸出的非線性等。由此可知，我們所設(shè)計(jì)的數(shù)控直流電壓源可以實(shí)際運(yùn)用于需要高精度恒壓源領(lǐng)域。本論文的工作是在指導(dǎo)教師李巖老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在學(xué)術(shù)上，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)，可貴的敬業(yè)精神，對(duì)科學(xué)執(zhí)著追求與大膽創(chuàng)新的精神，對(duì)我的嚴(yán)格要求及關(guān)懷使我受益甚豐，終身難忘。老師指導(dǎo)我參加電子設(shè)計(jì)大賽過(guò)程中的種種經(jīng)歷我更是難以忘懷。感謝李巖老師曾經(jīng)對(duì)我的批評(píng)，感謝老師曾經(jīng)給我的鼓舞與教導(dǎo)，你的每一句批評(píng)與教導(dǎo)我都會(huì)銘記于心，使我端正學(xué)習(xí)和生活的態(tài)度，使我有恒心有毅力在學(xué)習(xí)和科研的道路上不斷進(jìn)步。畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，通過(guò)老師有效的指導(dǎo)順利地完成了論文。在此致以最衷心的敬意和祝福！此外，在完成本論文的過(guò)程中在生活上得到了我身邊同學(xué)們的關(guān)心和幫助，在此,謹(jǐn)代表個(gè)人表示誠(chéng)摯的謝意！感謝本文所引參考文獻(xiàn)的所有作者，本文的完成與前人的工作是分不開的！最后，謝謝各位評(píng)閱學(xué)位論文和出席學(xué)位論文答辯的各位教授。2012年6月12日參考文獻(xiàn)1閻石?數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)?北京：高等教育出版社，1998.2童詩(shī)白，華成英?模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)?北京：高等教育出版社，2001.3黃俊，王兆安?電力電子變流技術(shù)?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.4鐘炎平?電力電子電路設(shè)計(jì)?武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.5梁明理，鄧仁清?電子線路?北京：高等教育出版社，2001.6康華光?電子技術(shù)基礎(chǔ)?北京