【正文】 怎么才能讓電表慢轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方案1南京林業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文第一章 總體方案本設(shè)計(jì)題目是設(shè)計(jì)一個(gè)從0～25V變化的、高指標(biāo)、低成本的數(shù)控步進(jìn)直流穩(wěn)壓電源。設(shè)計(jì)的思路為：在達(dá)到性能指標(biāo)的前提之下，體現(xiàn)出人性化的思想，同時(shí)選擇低價(jià)位的通用元器件來設(shè)計(jì)制作電路。在這當(dāng)中，電路應(yīng)該是簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定，最重要的是有實(shí)用的價(jià)值，容易在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)。 針對(duì)以上的要求，我們最終選擇用單片機(jī)（Atmega8）來作為控制部件，采用人性化的按鍵來實(shí)現(xiàn)置數(shù)，把置數(shù)的值經(jīng)過單片機(jī)的處理，通過單片機(jī)的CCP1端口與具有PWM調(diào)節(jié)功能的運(yùn)算放大器的電路相連、CCP2的端口與展波器、可調(diào)穩(wěn)壓管和擴(kuò)流器組成的電路相連來輸出參考電壓，再用A/D轉(zhuǎn)換器來對(duì)此時(shí)輸出電壓值進(jìn)行采樣比較并進(jìn)行調(diào)整，使得數(shù)顯的值和所置的電壓時(shí)時(shí)保持一致，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。圖 系統(tǒng)總體框圖第三章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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： ATmega8 引腳配置 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)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。AVCCAVCC 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。AREFA/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?？臁Ｈ绻谳敵龆藱z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?！翱焖佟币馕吨_(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 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。 最終的電壓調(diào)整電路 電壓調(diào)整電路原理圖對(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。 ATmega8 D/A 轉(zhuǎn)換電路DAC 輸出 DA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。 電壓采樣電路 電壓采樣電路 電壓采樣電路，控制DA達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定。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?？梢栽趩纹瑱C(jī)中設(shè)置過流保護(hù)。 完整的電路原理圖圖 電路原理圖電路原理分析：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)镈AC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。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