基于单片机实现的12V恒压源

专业课综合课程设计说明书

题    目：基于单片机实现的12V数控稳压源设计 

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2011年 11  月  30 日

1  设计任务与要求

1.1 设计任务

设计一 基于ATMEG8单片机实现的12V数控直流稳压源。

1.2 设计要求

1.2.1 基本要求

1) 以ATMEG8为核心的单片机作为控制模块。

2) 将键盘输入转换为模拟信号量作为预设值输入控制模块，同时送LCD显示，再根据输出的电压量来调整PWM输出波形，从而控制电流的变化。

3) 写出详细的设计报告。

4) 给出全部电路和源程序。

2  总体方案论证与设计

  本系统采用ATMEG8为核心的单片机作为控制模块。将键盘输入转换为模拟信号量作为预设值输入控制模块，同时送LCD显示，再根据输出的电压量来调整PWM输出波形，从而控制电流的变化。此方案的优点是输入的预设值电流信号稳定且避免了大量的数据存储。下面对各模块的设计逐一进行论证比较。

2.1 稳压电源电路方案的比较与选择

   方案一：IGBT斩波技术。绝缘栅极双极型晶体管简称IGBT，它将功率MOSFET与BJT的优点集于一身，既具有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，驱动电路简单等优点，又具有通态压降低，耐压高和承受电流大等优点。通过驱动电路的驱动并对PWM的控制来实现8V稳压。

方案二：MOSFET斩波技术 。它又较好的温度性能，功率消耗小，它的噪声特性一般也是优良的，但是MOSFET管具有较小的增益，由于高的输入阻抗，较于难于构建匹配网络，与IGBT相比，其功率使用容量偏低。

综合考虑之下我们选择方案 一。

2.2 控制器方案的比较与选择

方案1:  可采用ATMEG8单片机组成控制电路， ATMEGA8单片机是高性能、低功耗的8位AVR微控制器，先进的RISC精简指令集结构，它片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器，有丰富强大的外部接口性能，本开关电源以高性能单片机ATMEG8为控制核心，组成数据处理电路，在检测与控制软件的支持下，通过对开关电源输出电流，电压进行数据采样与给定数据比较，从而调整和控制开关功率管的工作状态，同时检测输出电流的大小，进行电流控制。

方案2：可采用PIC单片机作为控制模块。它采用Haryard双总线结构，运行速度快（指令周期约160~200ns），它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期(个别除外)，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。但是用PIC编程时却比较麻烦，它的ROM和RAM要来回分页，同时PIC芯片容易被解密，这对工程师而言是极其不利的。

综合考虑之下我们选择方案一。

2.3 电流检测电路方案的比较与选择

方案一：电阻检测。此法直接检测开关管的电流时还必须在检测电阻RS旁并联一个小RC滤波电路，当开关管断开时集电极电容放电，在电流检测电阻上产生瞬态电流尖峰，此尖峰的脉宽和幅值常足以使电流放大器锁定，从而使PWM电路出错。在实际电路设计时，特别在设计大功率、大电流电路时采用电阻检测的方法并不理想，因为检测电阻损耗大，达数瓦，甚至十几瓦；而且很难找到几百毫欧或几十毫欧那么小的电阻。

方案二：电流互感器检测。实际上在大功率电路中实用的是电流互感器检测，电流互感器检测在保持良好波形的同时还具有较宽的带宽，电流互感器还提供了电气隔离，并且检测电流小损耗也小，检测电阻可选用稍大的值，如一二十欧的电阻。电流互感器将整个瞬态电流，包括直流分量耦合到副边的检测电阻上进行测量，但同时也要求电流脉冲每次过零时磁芯能正常复位，尤其在平均电流模式控制中，电流互感器检测更加适用，因为平均电流模式控制中被检测的脉冲电流在每个开关周期中都回零。

综合考虑之下我们选择方案二。

2.4 电压检测电路方案的比较与选择

方案一：电压霍尔方案。采用电压霍尔对母线电压进行测量，按霍尔使用要求必须提供±15V电源，且电源电压的误差不超过±5%，由于霍尔输入端电流不超过10mA,可根据母线电压的范围及长时间工作发热的要求配置输入端电阻，此电压霍尔的输入、输出已隔离，因此霍尔的输出电流信号经电阻采样转换成电压信号后再进行处理(如滤波、放大等)可直接引入DSP，进行实时采样计算。根据母线电压检测范围的不同可选取不同耐压等级的电压霍尔传感器。

方案二：变压器方案。变压器控制回路的电源电压一般采用开关电源的方式来获得，利用开关变压器的特点，在副边增加一组绕组N4(匝数根据实际电路参数决定)作为母线电压的采样输出，开关变压器的原边电压为母线电压，而副边输出电压随着原边输入电压的变化而线性地发生变化，这样既能起到强弱电隔离作用又能起到降压作用，把此采样信号经过处理可以送到DSP内进行A/D采样实现各种保护工作。

方案三：电阻取样方案。该方案通过采用差分将电流采样电阻上的电压放大10倍，同时转换为对地电压，方案简单有效，而且不需要DSP，节约了成本。

综合考虑之下我们选择方案三。

2.5 电流比例控制方案的比较与选择

方案一：平均电流型自动负载均流法. 均流效果较好，易实现准确均流。在具体使用中，如出现均流母线短路或接在母线上的一个单元不工作时，母线电压下降，将使每个单元输出电压下调，甚至达到下限，以致造成故障。并且当某一模块的电流上升至IOMAX时，电流放大器输出电流也达到极限值，同时致使其它单元输出电压自动下降。可以构成冗余系统，均流模块数理论上可以不限。

方案二：外部电路控制法。每一个单元加一个输出电流检测电路来检测它的电流，产生的反馈信号调节每个单元的电流，从而达到各单元间输出均流的目的。在这种情况下，每个单元间应有公共总线这种控制方法均流效果较好，但是每个单元需附加一个电流控制电路，成为控制环路的一部分，需满足环路的总体要求，否则会降低单元的技术指标及工作稳定性，降低系统的动态响应特性。由于每个单元都需要一个控制电路，所以整个扩流系统连线较多。

综合考虑之下我们选择方案一。

2.6 PWM波的产生的方案的比较与选择

方案一：采用单片机产生PWM波,控制开关的导通与截止。根据A/D后的反馈电压程控改变占空比，使输出电压稳定在设定值。负载电流在康铜丝上的取样经A/D后输入单片机，当该电压达到一定值时关闭开关管，形成过流保护。该方案主要由软件实现，控制算法比较复杂，速度慢，输出电压稳定性不好，若想实现自动恢复，实现起来比较复杂。

方案二：采用恒频脉宽调制控制器TL494，这个芯片可推挽或单端输出，工作频率为1--300KHz，输出电压可达40V,内有5V的电压基准，死区时间可以调整，输出级的拉灌电流可达200mA，驱动能力较强。芯片内部有两个误差比较器，一个电压比较器和一个电流比较器。电流比较器可用于过流保护，电压比较器可设置为闭环控制，调整速度快。

鉴于上面分析，选用方案二。

2.7 显示方案的比较与选择

方案一：LED数码管显示。数码管亮度高、体积小、重量轻，其显示信息简单、容易控制，能胜任简单的显示功能 。

方案二：LCD液晶显示。它具有显示清晰，稳定可靠，编程简单，控制信号简单等特点，且最重要的是待机功耗小于1uA，工作电压2.7-5.2V。

根据需要，选用两种方式分别用于不同功能的显示。

2.8 键盘的比较与选择

方案1：采用专门的键盘芯片72,其可用很少的接口来扩展更多的键盘，能够外接8个LED，个按键。但是在本系统中只是使用较少的按键，因此使用72会浪费按键资源，增加成本。

方案2： I/O口直接连接的式键盘,每键都有相应的I/O口对应,编程容易控制、实现方便。

综合考虑本设计结构简单，所需键盘功能较少，系统端口资源足够，选择方案2。

2.9 总体设计思路

（1）控制模块。通过ATMEG8单片机完成对此模块的设计。（2）PWM波产生模块，通过TL494芯片组成的电路完成对此模块的设计。（3）电流比例控制模块。通过均流法完成对此模块的设计。（4）电流检测模块。通过电流互感器法完成此模块的设计。（5）电压检测模块。通过电阻取样法完成对此模块的设计。其总体设计框图如下：

3    系统硬件设计

3.1 系统供电单元

本模块主要采用本模块主要由开关型降压稳压器LM2576组成，通过给定的24V直流电压输出+5V电压给ATMEG8单片机供电。同时也是ADC以及PWM的供电电源，它具有供电效率高的特点。电路图如下：

图3.1

3.2 单片机控制电路单元

本模块采用ATMEGA8单片机完成逻辑控制及均流控制，人机界面等工作，ATMEGA8工作于8MHz。通过10为ADC采集三个电流，一个电压信号，通过按键实现启停控制，设定分流比例Ko=Io1/Io2，可设定为0.10~10.00。单片机根据总输出电流Io与Ko，计算Io2的输出给定Ic2=Io/(Ko+1)，通过T1的PWMB控制Io2=Ic2。通过数码LCD屏可以显示各参数。

ATMEG8是一采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVR RISC结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集连接在一起，所有的工作寄存器与ALU（算术逻辑单元）直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问（读写）两个寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此，ATMEG8可以达到接近1MISP/MHZ的性能，运行速度比普通CISC单片机高出10倍。

图3.2

3.3 电流电压检测电路单元

电流检测主要采用了功率放大器芯片LM324组成的差分放大器，将电流采样电阻上的电压放大十倍，同时转换为对地电压，经滤波后将检测后的数值通过LCD显示出来。

图3.3

3.4 过流保护电路单元

本单元主要采用了具有短路保护输出、真差动输入级功能的低功率运算放大器芯片LM324构成，通过采用加法器综合两路输出采用加法器综合两路输出电流IO，同时进行过流保护。通过调整电位器R31使之电流达到保护阈值电流4.5A，并通过比较6与5引脚的电压来控制DC-DC模块的工作，当5脚电平高于6脚电平时OFF1或OFF2处于高电平，并反馈给DC-DC模块使之停止工作，起到保护作用，当7脚变为低电平时便又自动恢复工作。此时R30可以调整保护滞环。

图3.4

3.5 PWM波产生单元

图7是TL494的内部原理图，主要包括两个放大器，一个振荡器，一个T触发器，及基准源等。它是PWM信号的专用集成控制芯片。

图3.5  TL494内部原理图

4系统软件设计

4.1 软件组成

本设计是基于PROTEL电路仿真软件，绘制了电路原理图和PCB电路板，为设计出实物提供了模拟和参考。而系统软件程序包括初始化程序、PWM中断程序、捕获中断子程序，在PWM中断程序中包括A/D采样、D/A转换，电流循环控制、SPWM脉宽生成子程序, 在捕获中断子程序中包括定时器定时，按键处理等。

4.2 程序流程图

5  系统测试

5.1 测试仪器与设备

数字万用表EM3061 六位半；

泰克示波器TDS1012C  100MHZ

5.2 测量数据分析与比较 

（1） 输出电压范围测试：调节自耦调压器，使U2输出为8V，此时输出为12V，通过+1 和-1键步进，测试结果如下表：

表5.1 输出电压范围测试表

表5.2 电压调整率测试表

（3）负载调整率： 

表5.3负载调整率测试表

5.3 误差分析及结论

根据以上经过测试和计算所得数据的误差分析情况，以上各个环节均满足技术指标要求；过载报警及短路保护功能齐全并且反应灵敏；在电源系统的显示误差小于1%的前提下，同样达到良好的数据指标。

6    心得体会

首先，通过本次应用系统设计，在很大程度上提高了我的思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次经历，相信在接下来的日子我能在已有的基础上做得更好。本系统以ATMEG8单片机作为系统的核心控制器件,由DAC模块，ADC模块，键盘模块，液晶显示模块和蜂鸣器模块和模拟接口和调理电路模块组成，具有系统稳定、抗干扰能力强等特点。但是由于时间较紧，最后还有部分发挥部分的要求未达到，我会在接下来的时间里继续完善该设计，完善发挥部分的要求，并提高各方面的参数，以其做得更好。

参考文献

[1] 李学军,. 如何用MCS-51单片机扩展串口进行通讯[J]. 宁夏机械,2003. 

[2] 陈海宴.C51单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社，2010.

[3]邵丙衡.电力电子技术.北京：中国铁道出版社，2004.

[4]赵良炳.现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，2001.

[5]李序葆,赵永建.电力电子器件及其应用.北京：机械工业出版社，2008.

[6] 刘守义等.单片机技术基础[M].西安电子科技大学出版社，2007.

[7]赵可斌,陈国雄.电力电子变流技术.上海：上海交通大学出版社，2007.

[8] 李平等.单片机入门与开发[M].机械工业出版社，2008.

[9] 童师白，华成英.模拟电子技术基础，第三版. 北京:高等教育版社，2001

指导教师评语：

成绩：

                                 指导教师签字：