【正文】 一致，這樣就保證了顯示的值的真實(shí)性，且具有過流保護(hù)作用。設(shè)計(jì)中 應(yīng) 包括：數(shù)字控制模塊、 PWM 調(diào)節(jié)控制模塊、具有 D/A轉(zhuǎn)換功能的 PWM 調(diào)節(jié)模塊、數(shù)顯部分和輔助電源模塊。而完成這些部分的電路和芯片都很多，合理的設(shè)計(jì)及選擇設(shè)計(jì)電路則是完成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。 系統(tǒng)總體框圖 圖 系統(tǒng)總體框圖 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 3 第三章 硬件系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 主控芯片 Atmega8介紹 綜述 ATmega8 是基于增強(qiáng)的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega8 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。 ATmega8 的引腳圖： 圖 ATmega8 引腳配置 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 4 ATmega8 引腳說明 VCC 數(shù)字電路的電源。 GND 地。 端口 B(PB7..PB0) XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2 端口 B 為 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)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 B 處于高阻狀態(tài)。 通過時(shí)鐘選擇熔絲位的設(shè)置， PB6 可作為反向振蕩放大器或時(shí)鐘操作電路的輸入端。 通過時(shí)鐘選擇熔絲位的設(shè)置 PB7 可作為反向振蕩放大器的輸出端。 若將片內(nèi)標(biāo)定 RC 振蕩器作為芯片時(shí)鐘源，且 ASSR 寄存器的 AS2 位設(shè)置， PB7..6 作 為 異 步 T/C2 的 TOSC2..1 輸入端。 端口 B 的其他功能見 P 55“ 端口 B 的第二功能 ” 及 P 22“ 系統(tǒng)時(shí)鐘及時(shí)鐘選項(xiàng) ” 。 端口 C(PC5..PC0) 端口 C 為 7 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)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 5 鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。 PC6/RESET 若 RSTDISBL 熔絲位編程， PC6 作為 I/O 引腳使用。注意 PC6 的電氣特性與端口 C 的其他引腳不同。 若 RSTDISBL 熔絲位未編程，PC6 作為復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時(shí)間見 P 35Table 15 。持續(xù)時(shí)間小于門限時(shí)間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 端口 C 的其他功能見后。 端口 D(PD7..PD0) 端口 D 為 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，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，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 的其他功能見后。 RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(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復(fù)位。 AVCC AVCC 是 A/D轉(zhuǎn)換器、端口 C (3..0)及 ADC (7..6)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)通過一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。注意，端口 C (5..4)為數(shù)字電源， VCC。 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 ADC7..6(TQFP 與 MLF 封裝 ) TQFP 與 MLF 封裝的 ADC7..6 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入。為模擬電源 且作為 10 位 ADC 通道。 電源電路原理 基本設(shè)計(jì)方案 讓我們從最簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓電源開始。它包括兩個(gè)主要部件：一個(gè)三極管和一個(gè)產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)壓二極管。 該電路的輸出電壓為 。這個(gè) 是三極管 B、 E 極之間的電壓降。穩(wěn)壓二極管和電阻產(chǎn)生了一個(gè)不受輸入波動(dòng)與干擾影響的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓。三極管需要控制更高的電流（比較二極管和電阻單獨(dú)提供的而言）。在這個(gè)電路中三極管僅放大電流，這個(gè)電流 =輸出電流 /三極管 hfe（ hfe 可以在三極管的數(shù)據(jù)表中查到）。 這一電路的問題：當(dāng)輸出短路時(shí)三極管會(huì)燒掉；它只能提供一個(gè)固定的輸出電壓。這些嚴(yán)重問題使得這個(gè)電路無法實(shí)際使用，但這個(gè)電路仍舊是所有電子穩(wěn)壓電源的基本構(gòu)件。為了解決那些問題你需要一些關(guān)于調(diào)整輸出端輸出電流和一個(gè)可變的基準(zhǔn)電壓的“謀略”，當(dāng)然這也使得電路更加復(fù)雜了。最近的十幾年來人們已經(jīng)使用運(yùn)算放圖 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 7 大器來實(shí)現(xiàn)這些“謀略”了。運(yùn)算放大器可以用于模擬量的加、減、乘或進(jìn)行電壓和電流的邏輯或。 今天的微控制器速度已經(jīng)可以通過軟件輕而易舉地實(shí)現(xiàn)這一切。而且更 妙的是電壓表和電流表成了免費(fèi)的副產(chǎn)品。微控制器的控制環(huán)無論如何都必須知道電壓和電流值。你剛好也要顯示它。我們要從微控制器得到的是：一個(gè)在所有時(shí)間都用來測(cè)量電壓和電流的 A/D 轉(zhuǎn)換器；一個(gè)根據(jù)命令為功率三極管提供基準(zhǔn)電壓的 D/A 轉(zhuǎn)換器。問題是那個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器的速度要非?？?。如果在輸出端檢測(cè)到了短路，那么我們必須立即減小三極管 B 極上的電壓，否則這個(gè)三極管就會(huì)損壞。“快速”意味著要達(dá)到毫秒級(jí)，如同運(yùn)算放大器一樣。 Atmega8 的 A/D 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)足夠快了，但顯然它沒有 D/A 轉(zhuǎn)換器。使用脈寬調(diào)制和模 擬低通濾波器是可以得到一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器的，但是這樣速度太慢了，無法通過軟件立即實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)。如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)高速 D/A 轉(zhuǎn)換器呢？ R2R 階梯 D/A 有很多方法可以實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換器，但我們需要的是高速、低價(jià)、易于與微控制器連接的。這個(gè) D/A 就是著名的“ R2R 階梯”。它僅由電阻（兩個(gè)規(guī)格，其中一個(gè)值是另一個(gè)的兩倍）和開關(guān)組成。 上面給出了一個(gè) 3 位 R2R D/A 轉(zhuǎn)換器?？刂七壿嬙? GND 和 Vcc 之間轉(zhuǎn)換開關(guān)。邏輯 1 接開關(guān)至 Vcc，邏輯 0 至 GND。這個(gè)電路 能做什么呢？它可以提供以 Vcc/8 為步進(jìn)值的電壓。一般來講輸出電壓 = Z *(Vcc/(Zmax+1)， Z 是數(shù)字編號(hào)（ digital 圖 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 number）。當(dāng) 3 位 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)， Z 是 07。 為了取代額外的開關(guān)，我們將 R2R 階梯電路接至微控制器輸出線路。 Atmega8 的輸出引腳可以提供 10mA 電流，但注意這時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了電壓衰減。我們將使用 05V整個(gè)輸出范圍，所以輸出端的負(fù)載要小于 1mA。換而言之我們會(huì)采用 5K 和 10K 電阻來實(shí)現(xiàn)一個(gè) R2R 階梯電路。 Atmega8 的 A/D 轉(zhuǎn) 換器具有 10 位分辨率。我們也需要采用這樣分辨率的 10 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。也就是說我們需要 10 個(gè)沒被其它功能占用的輸出引腳。這是個(gè)小小的挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀冞€有鍵盤、 LCD、至 PC 的 I2C 串行接口等，但 Atmega8 相當(dāng)棒，正好適合這些。 更詳細(xì)的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 這里是一個(gè)更為詳盡的設(shè)計(jì)。 這個(gè)電路是無法使用的。但它對(duì)理解稍后的最終電路方案大有裨益。那么這個(gè)電路有什么錯(cuò)誤呢？有兩個(gè)問題： DAC（數(shù)字 /模擬轉(zhuǎn)換器）無法為功率三極管提供驅(qū)動(dòng)電流； 微控制器工作于 5V，所以 DAC 的最大輸出為 5V，這意味著功率三極管后的輸出電壓是 =。為了解決上面兩個(gè)問題，我們必須增加電壓和電流放大器。 圖 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 9 最終的電壓調(diào)整電路 對(duì)于 30V 輸出我們必須將 DAC 的 5V 起碼放大 6 倍。我們采用如上圖所示的一個(gè) PNP 和一個(gè) NPN 三極管組合。這個(gè)電壓放大器電路的系數(shù)為： Vampl= (R10 + R11)/R11。 系統(tǒng)自身供電電壓 Vcc=+5V，采取了 “板載 ”7805提供的方式，以更加容易獲得“穩(wěn)定、干凈 ”的 “系統(tǒng)電源 ”； 而在 7805 的前面，采用了三端穩(wěn)壓器 7812 來進(jìn)行 “預(yù)穩(wěn)壓 ”的供電方式 ......以便為更大的負(fù)載（譬如 LCD的背光）提供更大的電流可能性；之所以 “增加 ”了一個(gè) 7812 預(yù)穩(wěn)壓，是為一個(gè)相對(duì)比 7805 的 耐壓 更加高一些的指標(biāo)值 。 圖 電壓調(diào)整電路原理圖 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 ATmega8 D/A 轉(zhuǎn)換電路 DA 電路 ： DA 電路采用的是電阻加 IO 口的方式 ， 輸出的形式是電流信號(hào) ， 輸出電流越大輸出電壓越高 。詳細(xì)信息已在 R2R 階梯 DA 中介紹。 Atmega8 的輸出引腳可以提供 10mA 電流，但注意這時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了電壓衰減。我們將使用 05V整個(gè)輸出范圍，所以輸出端的負(fù)載要小于 1mA。換而言之我們會(huì)采用 5K 和 10K 電阻來實(shí)現(xiàn)一個(gè) R2R 階梯電路此電路最大優(yōu)點(diǎn)：高速、低價(jià)、易于與微控制器連接。非常適合本設(shè)計(jì)使用。 DAC 輸出 圖 DA轉(zhuǎn)換電路 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 11 電壓采樣電路 電壓采樣電路 ， 這個(gè)是對(duì)輸出的電壓采樣 .反饋到單片機(jī)內(nèi)部 ， 控制 DA 達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定 ， 因?yàn)樨?fù)載加重或變輕會(huì)使輸出電壓升高或變低 .有這個(gè)必要加上這個(gè)采樣電路 。同樣 M8 的 PC0 端口設(shè)置了電流采樣電路， 電流采樣是采用負(fù)端電阻采樣 ， 這樣采樣的電壓比較低 ,能直接送到單片機(jī)中處理 ， 采樣的電壓越 高 ， 說明電流越大 。 可以在單片機(jī)中設(shè)置過流 保護(hù)。 完整的電路原理圖圖 電壓采樣電路 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 12 電路原理分析：從左向右看，系統(tǒng)輸入采用普通筆記本電源 (19V左右 ),首先經(jīng)過7812 產(chǎn)生 12V電壓給 7805 供電產(chǎn)生系統(tǒng)工作電壓 +5V，與此同時(shí)，系統(tǒng)輸入與 7812并聯(lián)給功率三極管提供工作電壓。左下角是 ATmega8 的 10 位 R2R 階梯，最高產(chǎn)生5V的 DAC 輸出，經(jīng)過一個(gè) PNP 和 NPN 的電壓放大組合，可以放大 6 倍左右，電壓放大器電路的系數(shù)為： Vampl= (R10 + R11)/R11。然后再次經(jīng)過三極管 BD137，此 三極管作用就是一個(gè)電壓跟隨器用來放大電流驅(qū)動(dòng)功率三極管工作，因?yàn)?DAC 本身輸出電流較小無法驅(qū)動(dòng)功率三極管。右下角為顯示跟按鍵輸入部分，接入 ATmega8 的PB0PB7 雙向 IO 口。 圖 電路原理圖 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 13 第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主程序邏輯流程 1) 從中斷任務(wù)中拷貝最后的 ADC 結(jié)果 2) 將想要的相應(yīng) ADC 值拷貝到比如一個(gè)中斷任務(wù)能使用的變量 3) 清 LCD 顯示 4) 將電壓值寫入顯示部分 5) 檢查中斷任務(wù)是否可以調(diào)節(jié)電壓或電流（電壓限定起控） 6) 把安培 值寫入顯示 7) 檢查中斷任務(wù)是否可以調(diào)節(jié)電壓或電流（電流限定起控） 8) 檢查是否有按鈕被按下，如果沒有則等待 100 毫秒再檢查。如果 按鈕被按下，那么等待 200 毫秒。這是為了有一個(gè)好的響應(yīng) —— 如果按鈕被持續(xù)按下時(shí)不致于滾動(dòng)過快。 9) 回到第一步。 中斷任務(wù)： 1) 將 ADC 結(jié)果拷貝至變量 2) 在電流和電壓間切換 ADC 測(cè)量通道 3) 檢查是否測(cè)量到過流，若過流則立即將 DAC 設(shè)為一個(gè)很小的值 4) 檢查電壓電流是否需要調(diào)節(jié) 5) 根據(jù) 4)的結(jié)果檢查確定是否 需要更新 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器） 程序采用 ICC AVR C 語言編寫，程序主要由主程序、 A／ D 轉(zhuǎn)換程序、輸出電壓調(diào)控程序、 鍵盤處理程序、 數(shù)碼顯示程序、 E E P RO M 讀寫程序等部分組成。各程序的組成及功能見附表。 南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 14 第五章 PROTUES 仿真調(diào)試 仿真數(shù)據(jù)分析：圖中可以看出設(shè)定輸出電壓 20V，實(shí)際顯示 ，輸出端電壓表測(cè)得輸出電壓 。 ATmega8 DAC 輸出端電壓表測(cè)得輸出電壓 +，經(jīng)過電壓放大網(wǎng)絡(luò)再減去三極 管 BE 管腳壓降應(yīng)在 22V左右，實(shí)際電壓表測(cè)試得到 。 圖 Protues仿真