数控直流电压源

本文描述的控制系统是以直流电压源为核心，ATmegal6单片机为主控制器，通过键盘来设置直流电源的输出电压，设置步进等级可达0.1V和0.05V,输出电压范围为0〜+9.9V,纹波不大于10mV，最大电流为1.5A，并可由液晶屏显示实际输出电压值、电压设定值和输出电流值，并且还设计了其它电压输出种类。系统有过流和过压保护电路，当输出电流或输出电压过大时系统自动回到初始值，而且有红色指示灯发出警报。本系统由单片机内部寄存器输出PWM脉冲，再经过驱动电路放大PWM脉冲信号，用来控制P沟道开关管IRF9530的通断，从而通过改变输出占空比的变化而输出不同的电压。单片机系统通过内部十位A/D不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，利用片内PWM模块输出PWM波，直接控制电源的工作。同时还设计了一个电子负载，用于测试上述电源的负载调整率，电子负载恒定电流的可调范围为0.1〜1.5A。在设计本系统过程中考虑了可能影响系统误差诸多因素，如稳压电源的稳定性、脉宽调制信号的频率引起的频率噪声、共地干扰以及不同用途电源之间的干扰等，因此采取了减小误差比较有效的措施。所以本系统能达到设计的目的，即达到其功能和性能的要求。系统输出电压稳定，并具有较高的精度，输出电压可在0〜+9.9V范围内任意设定，显示直观，程序简单，因而可实际应用于需要高稳定度小功率恒压源的领域。关键词：数控开关电源；脉宽调制（PWM）;单片机；闭环控制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"第一章绪论 1\o"CurrentDocument"1.1课题的提出 1\o"CurrentDocument"1.1.1数控直流电压源设计的提出 1\o"CurrentDocument"1.1.2课题设计的目的和意义 1\o"CurrentDocument"1.2稳压电源的历史与现状 2\o"CurrentDocument"1.2.1稳压电源的历史 2\o"CurrentDocument"1.2.2稳压电源的现状 3\o"CurrentDocument"1.3课题设计的主要内容 4\o"CurrentDocument"第二章数控直流电压源实现方案与原理 5\o"CurrentDocument"2.1引言 5\o"CurrentDocument"2.2数控直流电压源设计的方案及电路模型 5\o"CurrentDocument"2.2.1设计方案论证 5\o"CurrentDocument"2.2.2驱动电路方案论证 6\o"CurrentDocument"2.2.3原理分析 8\o"CurrentDocument"2.3设计系统目标 9\o"CurrentDocument"2.4本章小结 10\o"CurrentDocument"第三章硬件电路设计 11\o"CurrentDocument"3.1引言 11\o"CurrentDocument"3.2单片机的说明 11\o"CurrentDocument"3.2.1单片机的主要功能 12\o"CurrentDocument"ATmega16单片机的引脚功能说明 12\o"CurrentDocument"ATmega16单片机的最小系统 14\o"CurrentDocument"3.3开关变换电路的设计 15\o"CurrentDocument"3.3.1开关变换电路原理图 15\o"CurrentDocument"3.3.2数值计算 15\o"CurrentDocument"3.4电子负载的设计 163.5键盘的设计 17\o"CurrentDocument"3.5.1原理图 17\o"CurrentDocument"3.5.2HD7279芯片功能介绍 18\o"CurrentDocument"3.6LCD显示器设计 19\o"CurrentDocument"3.6.1原理图 19\o"CurrentDocument"3.6.2液晶模块功能介绍 20\o"CurrentDocument"3.7三角波发生电路 22\o"CurrentDocument"3.8采样电路设计 22\o"CurrentDocument"3.8.1电压采样电路 223.8.2电流采样电路 23\o"CurrentDocument"3.9电源 24\o"CurrentDocument"3.9.1正电源电路 24\o"CurrentDocument"3.9.2负电源电路 25\o"CurrentDocument"3.10本章小结 25\o"CurrentDocument"第四章软件设计 26\o"CurrentDocument"4.1引言 26\o"CurrentDocument"4.2积分控制算法 26\o"CurrentDocument"4.3控制程序设计 26\o"CurrentDocument"4.4误差分析 30\o"CurrentDocument"4.5本章小结 31\o"CurrentDocument"第五章全文总结 32致谢 33\o"CurrentDocument"参考文献 34\o"CurrentDocument"附录1：程序清单 35附录2：系统原理图 41第一章绪论1.1课题的提出1・1・1数控直流电压源设计的提出数字控制技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现对一台或多台机械设备进行控制的技术。它所控制的通常是速度、位置、角度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数字控制技术的产生依赖于二进制形式数据运算和数据载体的出现。19世纪末，发明了以纸张为数据载体并且具有辅助功能的控制系统；1908年，穿孔金属薄片的互换式数据载体问世；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机技术和计算机数字控制系统的基础。数字控制技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上划时代的事件，推动了自动化的发展。现在，数字控制技术也叫作计算机数控技术，目前它是通过计算机来实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来实现对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可由计算机软件来完成。由于数字控制技术是通过计算机软件来实现的，它能使控制系统高度自动化，而且具有控制精度高、控制灵活等优点，所以现在数字控制技术已经广泛的运用于各种领域。而且当今的电子产业正在突飞猛进的发展，各类电子产品在不断的上市，其中有一部分电子产品需要高精度的小功率恒压源为其提供电源。这种高精度的小功率恒压源可以运用数字控制技术来控制电压源实现。这就是本课题要解决的问题。1・1・2课题设计的目的和意义电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一，广泛的应用于教学、科研等领域，是电子实验员、电子设计人员及电路开发部门进行实验操作和科学研究所不可缺少的电子仪器。数控直流电压源设计是运用数控技术控制电压源，使电压源装置能自动恒压调节、抑制纹波、改善电压调节精度、消除小电压输出的非线性等。这样，系统就可输出稳定，不随外界环境温度的变化而变化，并且具有很高精度的电压。其可用于需要高稳定度小功率恒压源等领域。普通电源在工作时产生的误差，影响整个系统的精确度，从而会影响技术提升和现代化水平的提高。数控电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展。但其存在数控程度达不到要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向是针对上述缺点不断加以改善。数字化智能电源是针对传统电源的不足设计的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。本课题的设计主要是数控技术的运用。通过完成本课题设计，可以使我们更多地了解和掌握这一现代先进控制技术一一数控技术。如果有能力的话，为以后的数控技术发展做一定贡献打下基础。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出来的，数字化能够减少生产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中注入可靠性、智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。电源采用数字控制，具有以下明显优点：易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高,性能更完美。控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试，也可以通过MODEM远程操作。系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都采用全数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法(不需要通讯)，从而实现高可靠性、高冗余度的你变电源并联运行系统。1.2稳压电源的历史与现状1.2.1稳压电源的历史电源可以说是整个用电器件的心脏。一个好的电源不仅仅可以使电器工作，还要确保电源在电器长时间正常工作时的稳定性和安全性，稳压电源是电源的发展趋势。1955年美国的科学家罗那(G.H.Royer)首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械设备。60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了应用范围，并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。70年代以后，与这种技术有关的咼频，咼反压的功率晶体管、咼频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，是无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域。1.2.2稳压电源的现状就工作模式来说，几乎所有的直流电源都是工作在恒压源模式，也就是说在整个电源变化范围内输出电压可保持不变。也有一批电源还可以在一定范围内工作在直流源模式。电源输出的变化范围不主要受限于电源本身的电压或是电流输出能力，而且还与店员工工作状态有关，在自适应模式，电源可在容量不变的前提下自动调整电压或是电流的输出范围。有少数电源还起到电子设备负载的作用，在这种模式下，此电源可用来测试别的恒压或是恒流源。从十九世纪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DC/DC电源转换器向更高灵活性和智能化方向发展。在上世纪80年代的第一代分布式供电系统开始转向到上世纪末更为先进的第四代分布式供电结构以及中间母线结构，DC/DC电源行业正面临着新的挑战，即如何在现有系统加入嵌入式电源智能系统和数字控制。随着科学技术的迅速发展，人们对物质需求也越来越来高，特别是一些高新技术产品。如今随着直流电源技术的飞跃发展，整流系统由以前的分立元件和集成电路控制发展为微机控制，从而使直流电源智能化，具有遥测、遥信、遥控的三遥功能，基本实现了直流电源的无人值守。并且，在当今科技快速发展过程中，模块化是直流电源的发展趋势，并联运行是电源产品大容量化的一个有效手段，可以通过设计N+1冗余电源系统，实现容量扩展，提高电源系统的可靠性、可用性，缩短维修、维护时间，从而使企业产生更大的效益。智能模块电源采用电流型控制模式，集中式散热技术，实时多任务监控，具有高效、高可靠、超低辐射，维护快捷等优点，机箱结构紧凑，防腐与散热也作了多方面的加强。它的应用将会克服大功率电源的制造、运输及维修等困难。而且和传统可控硅电源相比节电20%-30%节能优势，奠定了它将是未来大功率直流电源的首选。然而我国电源发展开始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源O1974年研制成功了无工频降压变压器开关净化稳压电源。高频开关稳压电源90年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，材料制造与研发水平也与国外存在一定的差距，因此导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管，严重的制约了我国电源领域的发展。所以我国的开关净化稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。1.3课题设计的主要内容本论文所研究的是数控直流电压源，其主要研究内容如下：1•系统实现原理：系统中使用单片机作为主控器，使用单片机内部寄存器输出脉宽调制信号（PWM）控制开关管的通断。通过调节脉宽调制信号的占空比的变化控制开关管的通断，从而改变开关管的输出电压。2•硬件电路的实现。首先根据系统要求确定总体设计方案，其次进行元器件选型及电路设计。3•核心算法的实现与程序的编制。主要是控制系统中调节脉宽调制信号的占空比算法的详细介绍。然后编写程序加以实现。4.误差分析。由于设计控制系统中有不少环节会引起误差。我们需要对引起较大误差的环节进行分析和说明，然后提出需要改进的问题。第二章数控直流电压源实现方案与原理2.1引言本章主要内容是研究和设计使用数控技术来控制电压源，从而实现恒压的控制系统。要求该系统数控程度高、功率密度高、分辨率高、纹波小等。这样，系统就可以输出精度高、控制灵活、可靠性强的电压。要实现上述功能会有许多方法，但是每一种方法都有它们各自的优点和缺点。根据实际的需求，我们需要设计出一个控制简单、精度高且具有较高性能的控制系统。因此我们需要选择一个合理的方案来完成上述对于系统的要求，并保证该系统具有较好的性能。因此我们的设计目标得以明确。2.2数控直流电压源设计的方案及电路模型2.2.1设计方案论证上面提到要实现这一设计目标的方法有许多种。下面我们将列举部分设计方案，通过它们之间的比较，选择其中比较合理的方案。方案一：采用电源专用芯片如LM2576-ADJ,LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器（BUCK）的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力，并且LM2576稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，能将外部元件的数目减到比较少，使用简单，但是24V输入电压虽然能经过DC/DC稳压芯片LM2576-ADJ变换为稳压的直流电压，但需要通过调整 ％和R：的比例关系来调整LM2576芯片的输入占空比来稳定输出电压。数控电源中虽然可以使用数字电阻来改变电阻值，但由于数字电阻变化率不足，从而影响电压步进值的精度，也增加了程序的难度。其典型电路如图2.1所示：可调节输出电压型号FEEDBACK图2-1LM2576-ADJ应用结构图方案二：采用纯数字电路，采用纯数字电路的稳压电源避免了硬件之间的磨损，使得寿命大大提高，而且其输出电压也不会随时间产生误差。如选用CPLD等可编程逻辑器件。本方案虽然编程软件简单，但是其电路复杂、灵活性不高、效率低、不利于系统的扩展、对信号处理比较困难。由于电路的复杂产生的问题也会很多。所以不宜采用。方案三：通过键盘的键值输入来控制存储器的地址，将地址输出所对应的数字量送数模转换器(D/A)进行转换，再送入稳压电路来控制电压的变化。同时，通过四个编码开关的BCD码送给译码器及数码管显示。此方案的优点是电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限所以不宜采用。其电路方框图如图2.2所示：图2-2方案三方框图方案四：采用单片机作为整机的控制单元，通过脉宽调制(PWM)信号控制大功率开关管的栅极，用编程软件调节脉宽调制信号的占空比来控制大功率开关管的通断时间，间接的改变输出电压的大小。DC-DC变换采用BUCK型变换器，用A/D不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，利用片内PWM模块输出PWM波,直接控制电源的工作。然后通过外部扩展按键、液晶显示功能实现数控输出电压。此方案电路简单，而且通过AVR内部PWM模块和ADC模块，使程序更为简化，并且BUCK电路输出电压稳定性也比较好。系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足本设计的要求，因此我们采用了该设计方案。本方案的基本原理如图2.3所示：图2-3方案四框图2.2.2驱动电路方案论证当驱动大功率高频开关管时，电荷必须尽快传至门极电容或从其抽出，这就要求在开通和关断信号的起始端有很高的门极脉冲电流，由于ATmegal6单片机的输出电压为5V，并不能提供数值很高的正值脉冲脉冲电流，也不能吸收MOSFET等大功率器件门极电容在关断时所送出的数值也很高的负值脉冲电流，因而严重制约了开关频率的提高。为了充分利用电压控制型器件（尤其是超快MOSFET）的高速能力，因此需要使用驱动电路，对脉冲调制信号进行放大，下面我们将对几种方案进行比较，选取合适的方案应用于我们的设计当中。方案一：如图2.4所示，此电路采用单电源供电，适合于最简单的驱动要求，优点是简单、快捷，缺点是MOSFET截止期间，T导通，驱动电路中电阻R要消耗较大的1功率，且R值不能太大，一般100〜510Q为宜。图2-4方案一电路原理图方案二：图2-5方案二电路原理图图2.5所示所示电路克服了图2.4所示电路的缺点。当卩＜0时，T截止，T组成i 1 2的射极跟随器工作，给MOSFET提供较大的驱动电流。当卩＞0时；T导通，T截止，i 1 2开关管极间电容通过R、D和T放电。此电路的缺点是D增加了放电回路的压降，使11驱动电路抗干扰能力减弱。因此存在T和T间的通断转换，此驱动电路的开关频率不12能太高。方案三：图2.6所示电路采用了互补驱动(俗称推拉式结构)，既可提供大的驱动电流，又可达到很高的开关频率。此电路适合在要求较高的场合运用，并提供负偏压,以提高可靠性，此外，T和T均工作于射极跟随器状态，晶体管不会出现饱和状态,12因此开关时无信号的传输延迟时间。综合上述各方案的优缺点，我们选择方案三，该方案可以很好的实现我们所需的设计要求。图2-6方案三电路原理图2.2.3原理分析通过对上面的各种方案可行性、复杂程度、系统指标等方面的比较，综合各方案的优缺点，我们不难发现，方案四比较合理。所以我们选择本方案来设计本论文所论述的控制系统。下面我们对本方案进一步的分析。数控电压源设计的目的就是要电压源装置能自动恒压调节，抑制纹波电压，改善电压调节精度，消除小电压输出的非线性等。这样系统就可输出稳定，不随外界环境温度的变化而变化，并且具有很高精度的电压。系统以单片机ATmegal6为核心元件，通过单片机对输出电压进行采集、比较、运算，从而对输出电压进行自动调节控制。系统由24V输入，通过软件的方法使单片机ATmega16的PD5口输出脉宽调制信号(PWM)，通过BUCK电路变换为稳定的直流电压0〜9.9V输出，输出电压通过取样电路采样，经过ATmega16内部十位A/D转换后送给控制器处理后，控制输出PWM脉冲的占空比，使开关管工作于开关状态，将输入的24V直流电压“斩波”成与PWM波频率相同的脉冲波，脉冲波通过整流滤波电路输出0〜9.9V的直流电压，我们用到的是方波信号，由于ATmega16产生的方波信号功率较低，我们需要用驱动电路先将方波信号放大，利用该方波信号控制大功率开关管IRF9530的通断。因为随着功率开关管的导通时间的变化，它将输出不同的电压。利用功率管这一特性，我们通过软件编程来调节方波信号的占空比，来改变功率开关管的导通时间，就可以调节功率开关管的输出电压。本控制系统的设计要求中，要求系统要具有检测输出电流值和输出电压值的功能。电流值检测我们采用了由美国MAXIM公司生产的双向、精密电流传感放大器MAX471,MAX471内置35mQ精密传感电阻，可测量电流的上下限为±3A,转换公式为V=500x10-6xI xI，将转换后得到的结果送入单片机的PA1端口，因此足以满out senseout足设计要求，从而实现了过流保护的功能。由于输出电压范围在0〜9.9V之间，超出ATmega16单片机内部A/D所能检测的范围，因此电压值检测我们采用了差分放大电路，将其直接并接在BUCK电路的输出端，然后使用差分放大电路进行调整，将电压信号缩小3倍后送入ATmega16内部的A/D进行转换，这样我们就将转换得出的数据经过单片机进行处理，这就是本系统的工作原理。恒压源实现的总体框图如图2.7所示:图2-7恒压源总体框图上面已经介绍了恒压源设计的大体设计思想，下面我们通过对其原理图的分析，说明其工作原理。由于本设计中要求的电流输出较大，因此一般的负载会产生较大的发热量，故本系统设计了一种电子负载，来对系统进行测试，这样可使在测试过程当中可以较长时间进行测试，不至于发热损坏元件。由于我们是用脉宽调制信号来控制功率开关管的通断，来改变输出电压的大小，然而脉宽调制信号会引起频率噪声，所以我们接上滤波电容，滤掉会引起系统误差的部分。2.3设计系统目标设计出有一定输出电压范围和功能的DC-DC数控电源。基本要求：（1） 输入、输出电压：输入电压）C为24V；输出电压范围DC为0V〜+9.9V，步进为0.1V和0.05V，纹波不大于10mV；（2） 输出电流：1.5A；（3） 输出电压值能显示；（4） 由“+”“-”两键分别控制输出电压步进增减；（5） 输出电压可预置在0V〜+9.9V之间任意一个值；（6） 扩展输出电压种类（比如三角波等）；（7） 负载电流在0〜1.5A间变化时输出电压的变化量不超过0.1V；（8） 为实现上述几部件工作，自制一个稳压直流电源，输出15V，+5V；（9） 设计并制作一个电子负载，用于测试上述电源的负载调整率，电子负载恒定电流的可调范围为0.1A〜1.5A。2.4本章小结本章我们简述了设计数控电压源的几个方案，对它们进行比较分析。综合每个方案的优点和缺点，从中选择了比较合理既能达到控制系统的功能，又具有较好性能的方案。并且对我们所选的设计方案理论进行进一步地分析，说明其恒压基本原理。最后我们提出了本方案要达到的目标。第三章硬件电路设计3.1引言前面的内容中我们已经通过方案的比较，确定了我们要采用的设计控制系统的具体方案，提出了我们设计的系统所要达到的设计目标。因为在一个控制系统中工作芯片的性能，会直接与系统性能和功能直接相关。因此在设计过程当中，不仅要考虑系统中各个模块的具体的实现方案，还要考虑所选用的控制芯片是否与整个控制系统相匹配。在这一章当中，我们主要设计系统的硬件电路部分，为了方便叙述，我们将整个控制系统分成不同的模块来进行说明。3.2单片机的说明单片机是本控制系统的主控元件，它与整个系统中的各个部分有着直接的联系，因此它的工作性能是否良好会对整个控制系统产生影响。基于此，我们在设计系统之前，先介绍一下我们在本控制系统中所选用的单片机。为了提高系统的性能，我们选用了高性能的单片机ATmegal6作为控制系统的主控制器。单片机ATmega16是一个基于增强的AVRRISC结构的高性能、低功耗的8位CMOS微处理器。由于其先进的指令集及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。可以反复擦写100,000次，芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的，片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。功能强大的微型计算机ATmage16可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其芯片结构如图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）图3口A^egal6芯片结构图<OC2>3.2.1单片机的主要功能ATmegal6单片机的主要功能如下：8位字长CPU；振荡器和时钟电路，全静态操作：0〜16MHz；4.5-5.5V工作电压；1KB内部SRAM；6种睡眠模式；4通道PWM；软件设置空闲和省电功能；32个双向1/0口；8位10位ADC；全双工UART串行中断口线；32个通用工作寄存器；中断唤醒省电模式；看门狗（WDT）电路；灵活的ISP字节和分页编程。3.2.2ATmega16单片机的引脚功能说明主电源引脚GND（11和31脚）：电源地。Vcc（10脚）：数字电路的电源，电源供电电压4.0〜5.0V。外接晶振或外部振荡器引脚XTAL（13脚）：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端，当外接晶振时，1接外部晶振的一个引脚。片内振荡器由一个单级反相器组成，XTAL为反相器的输入。i当外部接振荡器提供时钟信号时，则由XTAL端输入。iXTAL（12脚）：反向振荡放大器的输出端，接外部晶振的另一个引脚，片内为单2级反相器的输出。当由外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。多功能1/O口引脚端口A（33〜40脚）：8位双向1/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口呗外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口A的第二功能，是8个10位ADC模拟输入，如果端口A的部分引脚置为输出，当转换时不能切换，否则会影响转换结果。端B口（1〜8脚）：8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口B的第二功能如下：PB0口（1脚）:T0（T/C0外部计数器输入），XCK（USART外部时钟输入/输出）。PB1口（2脚）:T1（T/C1外部计数器输入）。PB2口（3脚）：AIN0（模拟比较正输入），INT2（外部中断2输入）。PB3口（4脚）：AIN1（模拟比较负输入），OCO（T/C0输出比较匹配输出）。PB4口（5脚）：SS（SPI从机选择引脚）。PB5口（6脚）：MOSI（SPI总线的主机输出/从机输入信号）。PB6口（7脚）：MISO（SPI总线的主机输入/从机输出信号）。PB7口（8脚）：SCK（SPI总线的串行时钟）。PC口（22〜29脚）：8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。端口C的第二功能如下：PC0（22脚）：SCL（两线串行总线时钟线）。PC1（23脚）：SDA（两线串行总线数据输入/输出线）。PC2（24脚）：TCK（JTAG测试时钟）。PC3（25脚）：TMS（JTAG测试模式选择）。PC4（26脚）：TDO（JTAG测试数据输出）。PC5（27脚）：TDI（JTAG测试数据输入）。PC6（28脚）：TOSC1（定时振荡器引脚1）。PC7（29脚）：TOSC2（定时振荡器引脚2）。PD口（14〜21脚）：8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D的第二功能如下：PD0（14脚）：RXD（USART输入引脚）。PD1（15脚）：TXD（USART输出引脚）。PD2（16脚）：INT0（外部中断0的输入）。PD3（17脚）：INT1（外部中断1的输入）。PD4（18脚）：OC1B（T/C1输出比较B匹配输出）。

PD5（19脚）：0C1A（T/C1输出比较A匹配输出）。PD6（20脚）：ICP1（T/C1输入捕捉引脚）。PD7（21脚）：OC2（T/C2输出比较匹配输出）。复位引脚、电源、和基准电源RESET（9脚）：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限时间的脉冲不能保证可靠的复位。AVCC（30脚）：是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与V连接。CCAREF（32脚）：A/D的模拟基准输入引脚。这里我们只简单的介绍了所用控制芯片的结构和性能，我们在设计方案中主要应用了ATmega16内部的A/D，对电压和电流进行采集，还用到了内部的PWM波功能的定时器/计数器，使用了快速PWM模式，9位快速PWM波，晶振采用16MHz，分频为1,上限值为512，因此通过计算f =（fOCS*NxTOP），可以确定，PWM波的频率为OCnxPWMOCS31.25KHz，仿真使用了JTAG接口，进行在线仿真。3.2.3ATmega16单片机的最小系统本单片机最小系统采用上电复位的方式，当按键按下时，复位引脚变为低电平，

触发AVR芯片复位，单片机由+5V功电，外部晶振为16MHz。其最小系统如图3.2所示：I'I'图3-2ATmega16最小系统3.3开关变换电路的设计3.3.1开关变换电路原理图其电路原理图如3.3所示，电路以降压型（BUCK）电路为核心，其是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流变换器，电路主要由电力电子开关器件，续流二极管，滤波电感和电容组成。电路有两种基本工作状态，即电感电流连续工作状态（CCM）和电感电流不连续工作状态（DCM）,我们采用电感电流连续工作状态，电路工作在电流连续模式是指，电流连续工作状态下，在下一周期到来时，电感中的电流还未减小到零，电容的电流能够得到及时的补充，输出电流的峰值较小，输出纹波电压小，因此该模式符合我们的设计要求。3.3.2数值计算由于我们采用+24V的电压给整个系统供电，所以开关变换电路也采用+24V供电，开关管的选择，开关管导通时，负载电流及滤波电容的充电电流都通过开关管，因此开关管的集电极额定电流必须大于稳压器输出的负载电流。负载电流为1.5A，负载电压为9.9V，根据公式：I=I+（V十2L）T （3-1）Tmaxoofoff则最大集电极电流为1.7A，开关管的耐压应大于或等于输入电压的1.5倍，则开关管耐压应为14.85V，故根据以上需求，我们在设计中选择开关管IRF9530，其集电极最大电流为12A，耐压值为100V。续流二极管的选择，续流二极管的正向额定电流必须等于开关管的最大集电极电流,即大于负载电流1.5A，续流二极管的耐压必须大于输入电压+24V，所以我们在设计中选择其耐压值为50V，正向额定电流为3A的续流二极管1N5822。滤波电感的计算，在BUCK变换器的两种基本工作状态中，我们选取电流连续模式,因此根据公式：L=（T十AI）（V—V） （3-2）f on L io式中，AI为滤波电感L中电流I的变化量，即负载电流I的变化量，系统工作在L f L oCCM临界状态，则应取AI=21 =0.2A，由此可得临界电感为：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要使电路工作在CCM状态，应取L>L；在我们的设计中，取在最大的占空比时，Df C为41.25%,V为9.9V，f为31.25KHz,I 为1.5A，代入公式可以求出电感值，由o s omin于计算误差和实际工作状态下的影响，我们最终选取电感量为2.35mH的电感。输出电压的纹波分量的计算公式为：AV=(V一8LCf2)(1-D) (3-3)o o ffs滤波电容C的计算，该BUCK变换器的输出电压纹波要求V(p-p)<400mV。若设=0,f out即全部的电感电流变化量等于电容电流的变化量，电容在(T+T)/2=T/2时间间onof隔内充放电，电容充电的平均电流：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电容峰峰值纹波电压为：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%时，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，由于存在计算误差和实际工作状态下的影响，最终我们选择电容f f(max)量为104和1000uf的电容进行滤波。3.4电子负载的设计TOC\o"1-5"\h\z当S和S不动作时，该电路工作于恒流模式：当+IN给定一个电压时，如果R1上4 5 21的电压小于给定电压，也就是OPO7的-IN小于+IN,0P07加大输出，使MOS开关管加大导通使R21的电流加大；如果R21上电压大于给定电压时，贝0MOS管降低导通使R21的电流减小。当S和S都动作的时候，该电路工作于横阻模式：VR阻值为R,输出的电流值4 5 2为I二U(R-R)/(RXR)，输出电阻的值为R二U/1二(RxR)/(R-R)。OO X 21 OOO 21 X3.5.1原理图我们设计的控制系统要求具有设置和调节电压值的功能。所以需要键盘来实现。由于至少要有10个数字按键和两个步进按键，考虑到还要实现其它功能的按键，所以我们选用16按键的键盘来完成整个系统控制。从图中我们可以看出，这里我们用到的是HD7279,在介绍原理图功能之前我们先介绍一下芯片的功能。键盘部分的电路图如图3.5所示：

3.5.2HD7279芯片功能介绍HD7279是比高公司生产的单片具有串行接口的、可同时驱动8位共阴极式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能，和微处理器之间采用串行接口，其接口和外围电路比较简单，且占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域获得了日益广泛的应用，采用单+5v电源。HD7279的主要特点如下：带有串行接口，无需外围元件可直接驱动LED；各位可独立控制译码/不译码、消隐和闪烁灯属性；具有（循环）左移/右移指令；具有段寻址指令，可方便地用来控制独立的LED显示管；64键盘控制器内含去抖动电路。一、引脚功能VDDVDDNCVSSNCCSVDDVDDNCVSSNCCSCLKDATAKEYSGSFSESDSCHD7279ARESETRCCLKODIG7DIGSDIGSJDIG4DIG3DIG2DIQ1DIGODPJSASB图3-6HD7279引脚图HD7279的芯片引脚如图3.6中所示。各引脚的功能如下：1,2引脚：VDD为正电源；3,5,26引脚：NC为无连接，须悬空；4引脚：V为接地：SS6引脚：CT为片选输入端，为低电平时，向芯片发送指令及读取键盘数据；7引脚：CLK为同步时钟输入端，向芯片发送指令及读取键盘数据，上升沿表示数据有效；8引脚：DATA为串行数据输入/输出；9引脚：KET为按键有效输出端，平时为高，当检测到有键按下时，此引脚变为低电平；10〜16引脚：SG〜SA为段g〜段a驱动输出；17引脚：DP为小数点驱动输出；18〜25引脚：DIG0〜DIG7为字位0〜字位7驱动输出；27引脚：RC为RC振荡器连接端；28引脚：RESET为复位端。二、单片机ATmega16配置HD7279的硬件接口：ATmega16单片机配置HD7279器件可直接相连，不需加任何逻辑硬件，其接口十分简单。由图3.5可见，片选信号C?（低电平有效）与PD3相连接，DATA为串行数据端，当向7279发送数据时，DATA为输入端，当7279输出键盘代码时，其为输出端，其与PD6相连接，CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效，其与PD4相连接，KEF为按键信号输出端，该端在无按键按下时为高电平，而在有按键按下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止，其与PD7相连接。3.6LCD显示器设计3.6.1原理图我们设计的控制系统要求具有显示的功能，需要能够显示设定电压值，实际电压值和实际电流值，根据需要我们使用的是12864A-1型液晶显示模块，我们首先对我们所用的LCD液晶显示器做简单的介绍，显示部分的电路图如图3.7所示：X.图3-7LCD模块显示示意图3.6.2液晶模块功能介绍12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块，可以显示汉字及图形，内置 8192个中文汉字（16x16点阵）、128个字符（8x16点阵）及64x256点阵显示RAM（GDRAM）。主要技术参数和显示特性：电源：3.3V〜+5V（内置升压电路，无需负压）；显示内容：128列x64行；显示颜色：黄绿；显示角度：6:00钟直视；LCD类型：STN与MCU接口：8位或4位并列/3位串行；配置LED背光多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。为了更好地了解LCD的使用方法，我们需要对该模块的控制器接口信号进行了解,RS,R/W的配合选择决定控制界面的4种模式：表3-1RSR/W功能说明LLMPU写指令到指令暂存器（IR）LH读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态HLMPU写入数据到数据暂存器（DR）HHMPU从数据暂存器（DR）中读出数据表3-2E状态执行动作结果高一＞低I/O缓冲一＞DR配合/W进行写数据或指令高DR—>I/O缓冲配合R进行读数据或指令低/低一＞高无动作•，忙标志:BF标志提供内部工作情况.BF=1表示模块在进行内部操作，此时模块不接受外部指令和数据.BF=0时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据•利用STATUSRD指令,可以将BF读到DB7总线,从而检验模块之工作状态.•字型产生ROM（CGROM）字型产生ROM（CGROM）提供了8192个，此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。DFF=1为开显示（DISPLAYON）,DDRAM的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示（DISPLAYOFF）oDFF的状态是指令DISPLAYON/OFF和RST信号控制的。•显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供64X2个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在OOOOH—0006H的编码中(其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个)将选择CGRAM的自定义字型,02H—7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文 字型的编码BIG5(A140—D75F)，GB(A1A0-F7FFH)。•字型产生RAM(CGRAM)字型产生RAM提供图象定义(造字)功能，可以提供四组16X16点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。•地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6——DB0中。一、 LCD12864引脚的介绍：引脚1：VSS电源地弓I脚2：VCC电源正引脚3：VO对比度(亮度)调节引脚4：RS(CS)RS=“H”，表示DB7——DB0为显示数据RS= “L”，表示DB7——DB0为显示指令数据弓I脚5：R/W(SID)R/W=“H”，E=“H”，数据被读到DB7——DB0R/W=“L”，E=“HL”，DB7——DB0的数据被写到IR或DR引脚6：E(SCLK)使能信号引脚7〜引脚14:DBO〜DB7三态数据线引脚15:PSBH:8位或4位并口方式，L:串口方式引脚16:NC空脚引脚17:RESET复位端，低电平有效引脚18:VOUTLCD驱动电压输出端引脚19:VDD背光源正端(+5V)引脚20:VSS背光源负端二、 单片机ATmega16配置12864的硬件接口：由图3.7可见，并行的指令、数据选择信号RS与PD0相连接，并行的读写选择信号R/W与PD1相连接，当为高电平时为读信号，当为低电平时为写信号，并行的使能信号E与PD2相连接，始终为高电平，并行使能，DB0〜DB7数据线与PB0〜PB7相连接，用来进行数据的传输。3.7三角波发生电路图3-8二角波发生电路示意图TOC\o"1-5"\h\z图中滞回比较器的输出电压U=±U，它的输入电压是积分电路的输出电O1 z压U，根据叠加原理，集成运放AR同相输入端的电位：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，则阈值电压：P1N1±U=±RU/R=±50kX6.7V/50k=±6.7VT 18Z17TOC\o"1-5"\h\z积分电路的输入电压是滞回比较器的输入电压U，而且U不是+U，就是-U，O1 O1 z z所以输出电压表达式为：U=-U(t-1)/RC+U(t) (3-7)02 O110 2913 020式中U(t)为初态时的输出电压。U=+U，在稍微增大，U将从-U跃变为+U，O20 O2 T 01 z z回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自激振荡。如图3.8所示，U是三角波，幅值为±6.7V；U是方波，幅值为±6.7V，这就O2 01是设计当中的扩展输出电压种类。3.8采样电路设计3.8.1电压采样电路如图3.9所示，电压采样电路，电压采样电路是直接并接在BUCK电路的输出端，先通过电压跟随器采集电压，AR的输出电压等于输入电压：卩二卩TOC\o"1-5"\h\z1 Oi然后使用差分放大电路进行调理，卩二卩二0为“虚地”i二i=0NP PN节点电流方程为i二i (3-8)RF(R-巴)/R=(巴-巴)/R (3-9)iN NOf由于节点为虚地，整理得出

TOC\o"1-5"\h\z|L1=—R|L1/R=—10kxp/30k= /3O1 fi i i再采用反相电路将其反相p=—Rp/R=10kxp/10k=p/3O2 fO1 O1 O1该电路的主要功能是将ov〜9.9V的电压信号缩小3倍后，送入ATmegal6内部的A/D进行转换。差分输人信号来自于输出电压端。根据题目设计要求，负载电流最大值为1.5A,同时又考虑电路功耗，我们对电流的采样采用专用电流检测芯片MAX471/MAX472,它是美国MAXIM公司生产的双向、精密电流传感放大器。MAX471内置35mQ精密传感电阻，可测量电流的上下限为土3A。对于允许较大电流的场合，则可选用MAX472。在这种情况下，用户可根据自己的需要配置外接的传感电阻与增益电阻。MAX471/MAX472都可通过一个输出电阻将电流输出转化为对地电压输出。本设计中，使用MAX471用于负载电流检测。应用原理图如图3.10所示。RS+RSR5+RS-MAXIMMAX471SIGNSHDNGN^OUTRS+RSR5+RS-MAXIMMAX471SIGNSHDNGN^OUT十3VTO—36VAIloadtoLOADorCHARGERLOGICSUPPLYDISCHARGE/CHARGE图3-10— lvout(iwa)〔LOAD I2k<—电流检测电路示意图其中V——期望的实际输出电压outI ——所传感的实际电流senseR ——精密传感电阻senseR——输出调压电阻outRG——增益电阻(RG=RG1=RG2)对于MAX471,所设定的电流增益为：R/RG=500X10-6sense=500X10-6XIXRout senseout=500X10-6X3X103XI =1.51out sense sense当输出电阻为3kQ时，在传感电流I 允许变化范围0AWIW1.5A内,输出电压sense senseV 的变化范围为：0VWVW2.25V，将V的值送入单片机的A/D中，要注意的out out out是,R变化时，须保证MAX471输出电压的上限值不能超过VRS±1.5V。out3.9电源在控制系统中，我们要自制电源为系统所用芯片提供电源，还要为运放提供电源,由于我们系统内的芯片所需要的电源电压为+5V的电源，运放所需电源为土15V。要得到以上电压的电源，所以我们需要设计正负两种电源。3.9.1正电源电路正电源电路由LM7815输出15V正电源,LM7805输出5V正电源，LM7815和LM7805均使用了内部保护,包含过流保护、热关断和安全工作区补偿等完善的保护电路,使得电源可以安全可靠的工作。其电路图分别如图3.11和图3.12所示：图3-11 +15V电源原理图3.9.2负电源电路负电源部分采用7662供电，7662输出一15V负电源。7662使用了内部保护,包含过流保护、热关断和安全工作区补偿等完善的保护电路，使得电源可以安全可靠的工作。如图3.13所示：图3-13-15V电源原理图3.10本章小结在本章中，我们已经设计好了整个控制系统的硬件电路。为了便于说明，我们把它分成控制恒压源部分，键盘部分，显示部分，以及电源部分等几个部分进行了详细的说明。因为单片机作为系统的主控器，我们把它放在本章的开头做了介绍。我们在设计每个部分时，都比较详细地介绍对其所用的芯片作了介绍，分析它在系统中的作用。然后我们给出了每个电路模块的原理图，说明了其实现的功能原理。综合几个模块电路及原理，我们已经把控制系统实现的硬件电路设计完毕，接下来我们即将设计软件来实现系统的功能。第四章软件设计4.1引言本控制系统，我们采用了软硬件结合的方式来对系统进行控制。前面我们提到，系统是利用软件编程的方式，利用单片机输出方波信号，用来控制大功率开关管的通断，同时不断采集输出电压值，与设定值进行比较，通过软件来调节方波信号的占空比，从而控制功率开关管的通断时间，使功率开关管输出不同的电压。从而实现系统自动调节的原理。在本系统中除了控制主程序外，键盘显示等也需要编程。前面的内容，我们已经完成硬件部分的设计，这章我们将结合已经设计好的硬件电路来设计控制软件。4.2积分控制算法本设计的控制系统中，运用了积分的控制方法。积分作用，可以简述为：如果调节器的输入偏差不等于零，就让调节器的输出按照一定的速度一直朝一个方向累加下去。积分相当一个斜率发生器。启动这个发生器的前提是调节器的输入偏差不等于零，斜率的大小与两个参数有关：输入偏差的大小、积分时间。单纯积分作用的特性总结如下：输出的升降与被调量的升降无关，与输入偏差的正负有关。输出的升降与被调量的大小无关。输出的斜率与被调量的大小有关。被调量达到顶点的时候，输出的变化趋势不变，速率开始减缓。被调量不管怎么变化，输出始终不会出现阶跃扰动。输出曲线达到顶点的时候，必然是输入偏差等于零的时候。因为使用软件系统控制比较灵活、方便，积分算法还可以得到修正和完善，所以在本控制系统中数字控制器是由软件编程在单片机ATmega16中实现的。4.3控制程序设计在本控制系统中，单片机振荡器晶振频率选为16MHz。因为当定时/计数器设定为快速PW模式时，根据公式f =(fOCS-NxTOP)可知，当晶振为16MHz时，OCnxPWMOCSPWM的频率为31.25KHz，符合我们对于频率的要求。在本控制系统中，我们通过编程使单片机的PD5输出方波信号，作为控制大功率开关管的脉宽调制信号，通过调节比较寄存器OCR1A中的数，不间断的与计数器数值TCNT0进行比较，即是调节方波信号的占空比就可以控制大功率开关管输出不同的电压值。联系已经设计好的硬件系统，就可以知道，当由键盘输入不同数值时，通过采样电路将采样回来的实际电压值，通过OCR1A与设定值不断进行比较，调节输出方波的占空比，调节PD5的方波信号输出，就可以使大功率开关管管输出的电压改变。在本设计中，我们用积分控制方法来实现对比较寄存器OCR1A的调节，同时我们设计的系统具有显示初始实际电压、电流和设定输出电压的功能，这些也需要通过软件编程来实现。在本控制系统中，我们设置的脉宽调制信号的频率为31.25KHz,而我们采样得到的是一个均值，与采样周期的关系不大,只要采样周期小于1ms即可。具体的程序流程图如图4.1所示，其具体程序见程序附表1。

.开始.图4-1主程序流程图子程序入口图4-2键盘显示程序流程图图4-4电流程序流程图4.4误差分析采用本方案设计的数控直流电压源，由于采用软件来实现对系统的控制，通过脉宽调制波（PWM）的控制方法，大大地简化了控制系统的硬件电路，而且控制方便，灵活。按照理论构想能够很好的达到系统的控制功能，即系统能够输出0〜+9.9V的稳定电压，负载电流在0〜1.5A间变化时输出电压的变化量不超过0.1V,其步进达到0.1V和0.05V,并且能够用键盘设定输出值。在本设计中，无论怎么样控制，系统的误差是不可能消除的，综合本设计方案的硬件设计和所用软件的算法，引起误差主要有脉宽调制信号（PWM）的频率和积分控制算法引起的误差两个方面，下面我们来逐一进行分析。在本设计中，主要是使用了脉宽调制信号来控制大功率开关管的栅极，使之输出不同的电压。在设计本控制系统的过程中，我们使用的是调节脉宽调制信号的占空比来控制大功率开关管的通断时间，所以脉宽调制信号的频率是固定的，根据控制系统的需要，应该是脉宽调制的频率越高，控制效果越好。如果频率过高，可以提高系统的控制性能，但是，也会使产生的频率噪声变大，即所谓的高频噪声，反过来影响了系统的性能，这是一对矛盾。为了达到较好的控制效果，脉宽调制（PWM）信号的频率很关键。这里我们选择了31.25KH在的频率，如果所选的这一脉宽调制信号的频率对系统的控制不能达到较好的性能。对于本方案来说，我们可以加以改进。因为我们在设计软件时，寄存器T/C1的分频值设定为1，如果31,25KHz的脉宽调制信号会产生高频噪声，我们可以增大分频值以减小脉宽调制信号频率。本方案设计的数控直流电压源，使用的是脉宽调制信号进行控制。主要用软件编程来实现的，软件中使用的算法积分控制方法。由于积分控制方法可以消除静态偏差,可是过多地关注与静态偏差，就会形成积分干扰，这会影响系统性能，产生一定的误差。综上所述，我们每个环节都尽量优化其方法。虽然不能全部消除系统存在的误差,但在误差允许的范围内，系统能较好的实现其功能而具有较好的性能。4.5本章小结在本章中，我们首先介绍了有关本程序所用的控制算法积分控制算法。然后叙述了怎样编写程序来完成对系统的控制，设定了需要设定的参数。画出了我们所编写的程序对系统控制的流程图，完成程序的编写。即已经完成了系统软件的设计。利用我们所完成的软件设计和前面设计好的硬件结合起来，就实现了我们所设计系统的功第五章全文总结数字控制技术是一种先进的控制技术，它广泛地运用于不同领域的控制系统中，本文所述的数控直流电压源即是数控技术的运用。本文所述的是以直流电压源为核心，以单片机为主控器。运用软件使单片机输出方波信号，用来控制大功率开关管的通断。使用积分控制方法来调节方波信号的占空比来控制大功率开关管的通断时间，随着脉宽调制信号的占空比不同，大功率开关管将输出数值不同的电压值，从而实现对系统的控制。由于我们所设计的系统是用软件和硬件结合来实现其功能和性能的。本文首先介绍了有关数字控制技术的运用，说明了设计数控直流电压源的目的，提出了我们设计的系统的目标。在明确目标之后，我们对部分方案进行比较，选择其中比较合理的设计方案。本文在说明系统的设计以及系统的工作原理时，分别对硬件设计和软件设计两大部分进行了详细的说明。硬件设计部分：我们把整个系统分成不同功能的模块进行介绍。即分成开关变换电路模块、键盘设置模块、显示模块、电子负载模块、三角波发生模块、采样模块、电源部分等。这样说明的好处是思路清晰，便于理解，掌握每个部分的功能以及工作原理。在设计和说明每个模块电路时，我们都介绍了所使用的芯片，给出了设计的原理图，说明了其工作原理。软件设计部分：在完成硬件设计后，我们结合整个硬件系统以及系统要实现的功能，确定用来控制系统的控制方案。给出了控制系统的程序流程图以及用来实现控制程序。本文所述的数控直流电压源系统，在设计时我们考虑了系统使用的主要芯片性能。分析了系统内可能产生较大误差的因素，而且尽可能办法来减小误差。所以本系统能较好地实现我们设计的目标。即本控制系统具有自动恒压调节，输出的稳定电压可在0〜+9.9V；具有“+”“-”步进功能，步进为0.1V和我0.05V；具有可以设置并显示输出电压的给定值和实际电压值、电流值的功能。而且具有较好的抑制纹波电压,改善电压调节精度，消除小电压输出的非线性等。由此可知，我们所设计的数控直流电压源可以实际运用于需要高精度恒压源领域。本论文的工作是在指导教师李岩老师的悉心指导下完成的，在学术上，老师严谨的学风，可贵的敬业精神，对科学执着追求与大胆创新的精神，对我的严格要求及关怀使我受益甚丰，终身难忘。老师指导我参加电子设计大赛过程中的种种经历我更是难以忘怀。感谢李岩老师曾经对我的批评，感谢老师曾经给我的鼓舞与教导，你的每一句批评与教导我都会铭记于心，使我端正学习和生活的态度，使我有恒心有毅力在学习和科研的道路上不断进步。毕业设计即将结束，通过老师有效的指导顺利地完成了论文。在此致以最衷心的敬意和祝福！此外，在完成本论文的过程中在生活上得到了我身边同学们的关心和帮助，在此,谨代表个人表示诚挚的谢意！感谢本文所引参考文献的所有作者，本文的完成与前人的工作是分不开的！最后，谢谢各位评阅学位论文和出席学位论文答辩的各位教授。2012年6月12日参考文献1阎石•数字电子技术基础•北京：高等教育出版社，1998.2童诗白，华成英•模拟电子技术基础•北京：高等教育出版社，2001.3黄俊，王兆安•电力电子变流技术•北京：机械工业出版社，1993.4钟炎平•电力电子电路设计•武汉：华中科技大学出版社，2010.5梁明理，邓仁清•电子线路•北京：高等教育出版社，2001.6康华光•电子技术基础•北京