【正文】 統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、方法和結(jié)論等，包括開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浞治?，功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)， AVR 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，反饋回路設(shè)計(jì)等內(nèi)容，完成了系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 保 護(hù) 現(xiàn) 場(chǎng)消 抖 延 時(shí)讀 取 鍵 值有 鍵 按 下恢 復(fù) 現(xiàn) 場(chǎng)ＮＹ鍵 盤 中 斷中 斷 返 回 圖 鍵盤中斷子程序 流程圖 顯示中斷子程序模塊 本系統(tǒng)采用定時(shí)中斷 0來(lái)實(shí)現(xiàn)逐位動(dòng)態(tài)顯示，每位顯示間隔固定為 2ms，使 LED輸示非常穩(wěn)定，無(wú)法考慮定時(shí)刷新顯示，使得該顯示子程序簡(jiǎn)單靈活，適用性廣。軟件實(shí)現(xiàn)的功能是： 1） 確定電流步進(jìn)調(diào)整 2） 電流給定值的設(shè)置 3） 測(cè)量輸出電流值 4） 控制片內(nèi) AD 工作 5） 控制 DAC 工作 6） 對(duì)反饋回單片機(jī)的電流值進(jìn)行補(bǔ)償處理 7） 驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示電流設(shè)置值與測(cè)量值 8） 讀取鍵盤數(shù)值 根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際要求 ， 軟件設(shè)計(jì)可分為 若干 功能模塊 分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。則有 ? ?0 .2 1 0 0 .2 2OI I A? ? ? ? ? ? 電感 L值為： ? ? ? ? ? ?2 m i n m a xm a x 3 8 . 6 1 5 . 5 0 . 5 2 . 1 1 1 . 8 62f onU U U oL t HI ??? ??? ? ? ? ?? 36 由此可見(jiàn)，需要 ， 10A的扼流圈。在發(fā)送端用驅(qū)動(dòng)器將 TTL 電平轉(zhuǎn)換成 RS232 電平，在接收端用接收器將 RS232 電平再轉(zhuǎn)換成 TTL 電平。 電源供電電路 因?yàn)楹懔髟粗骰芈沸枰粋€(gè)大電流，為了保證該回路可以得到足夠的電流，并且當(dāng)主回路電流急劇增大時(shí)，不至于影響其他器件正常工作，采用多電源供電的方式。在接收到起始位元組后，每個(gè)指令 /數(shù)據(jù)將分為二組接收到：較高 4 位元（ DB7～ DB4）的指令資料將會(huì)被放在第一組的 LSB 部分，而較低 4 位元（ DB3～ DB0）的指令資料則會(huì)被放在第二組的 LSB 部分，至于相關(guān)的另四位則都為 0。 本系統(tǒng)采用 LCM12864 圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊作為顯示模塊， LCM12864 中文液晶顯示模塊的液晶屏幕為 128*64，可顯示四行，每行可顯示 8 個(gè)漢字。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤是合理的 。 反饋電路 由于采樣電阻為 ，故反饋輸入電壓為 ～ 。自帶 16位數(shù)據(jù)輸入 /輸出移位寄存器，并且每一個(gè) D/A 通道均集成一個(gè)輸入寄存器和 DAC 寄存器。電壓疊加電路在起始點(diǎn)調(diào)整電路的基礎(chǔ)上添加 PID 算法的調(diào)整量。 25 AGND31X113X212RESET9PD2 (INT0)16PD3 (INT1)17PD4 (OC1B)18PD5 (OC1A)19PB0 (T0)1PB1 (T1)2PB2 (AIN0)3PB3 (AIN1)4PB4 (SS)5PB5 (MOSI)6PB6 (MISO)7PB7 (SCK)8(ADC0) PA040(ADC1) PA139(ADC2) PA238(ADC3) PA337(ADC4) PA436(ADC5) PA535(ADC6) PA634(ADC7) PA733PC022PC123PC224PC325PC426PC527(TOSC1) PC628(TOSC2) PC729PD7 (TOSC2)21PD6 (ICP)20AVCC30AREF32PD1 (TXD)15PD0 (RXD)14GND11VCC10ATMEGA16_DIP40+5V 圖 ATmega 16引腳圖（ PDIP） 可調(diào)電流源主電路 該恒流源主電路是由兩個(gè)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的電 流放大電路、負(fù)載電阻和采樣電阻等構(gòu)成。 AVR 控制器電路 AVR 單片機(jī)是 Atmel 公司推出的一款基于 RISC 指令架構(gòu)的高性能、低功耗的 8位單片機(jī)。 AVR 微控制器是數(shù)字直流穩(wěn)壓電源的核心。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI和 PD 控制。改變控制規(guī)律，只要改變相應(yīng)的程序即可。例 如，一個(gè) PWM 的頻率是 1000Hz，那么它的時(shí)鐘周期就是 1ms，就是 1000us，如果高電平出現(xiàn)的時(shí)間是 200us，那么低電平的時(shí)間肯定是 800us，那么占空比就是 200： 1000，也就是說(shuō)占空比就是 1： 5。從波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。 圖 Cuk變換器原理圖 工作原理三等效電路圖 : 圖 （ a） VT1 導(dǎo)通等效電路圖 圖 (b) VT1 截止等效電路圖 15 圖 （ c） 電流斷續(xù)等效電路圖 PWM 的工作原理 PWM（ Pulse Width Modulation）控制 —— 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 圖 降壓型（ Buck）變換器原理圖 圖 （ a） VT1導(dǎo)通等效電路圖 11 圖 (b) VT1關(guān)斷等效電路圖 圖 （ c） VT1關(guān)斷后電流為零等效電路圖 升壓型（ Boost）變換器 升壓型變換器電路如下圖 所示。在非隔離式變換器中。而在恒流源的特性圖 中，即使理想的恒流源是內(nèi)阻為無(wú)窮大、輸出電流始終保持在規(guī)定值 ，且與端電壓的大小和極性無(wú)關(guān)的電流源。其中，長(zhǎng)期以來(lái)人們更多的致力于對(duì)穩(wěn)壓源的研究，相比而言，人們對(duì)恒流源的研究、設(shè)計(jì)以及相關(guān)資料的查閱都相對(duì)有限。恒流源涉及的范圍也由傳統(tǒng)的穩(wěn)定電磁場(chǎng)、校正電流表等，擴(kuò)展至激光、超導(dǎo)、通信等領(lǐng)域，展示了廣闊的應(yīng)用前景?？傮w現(xiàn)狀為電源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的發(fā)展在加快；與此同時(shí)，在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下或創(chuàng)新意識(shí)不斷增強(qiáng)的情況下，我國(guó)電力電子技術(shù)的研究從消化吸收為基點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展為可以跟蹤世界專業(yè)前沿并做一些基礎(chǔ)創(chuàng)新。因此，凡是對(duì)磁場(chǎng)的穩(wěn)定程度要求十分嚴(yán)格的裝置必須采用恒流源供電。 T) 。在使用時(shí)為防止電流沖擊，一般的解決辦法是通過(guò)調(diào)壓器或限流電阻逐步加大電流是電流逐漸達(dá)到額定值，這種方法既不安全，又不方便。 與上述幾種方法 相比 ， 最為 理想的 驅(qū)動(dòng) LED 的 方式 應(yīng)為 采用恒流源方式，它能避免 LED 正向電壓的改變而引起電流變動(dòng)， 與此 同時(shí) ， 恒定的電流 可以保持LED 的亮度穩(wěn)定?，F(xiàn)以 2 白光 LED 比較常見(jiàn)的 規(guī)格為例，按照 LED 的電流、電壓變化規(guī)律 進(jìn)行說(shuō)明 ，一般應(yīng)用正向電壓為 ，典型值電壓 為 ，電流為 20mA，當(dāng)加于 LED 兩端的正向電壓超過(guò) ，正向電壓很小的增加， LED 的正向電流都有可能會(huì)成倍增漲，使 LED 發(fā)光體溫升過(guò)快，從而加速 LED 光 強(qiáng)減弱 ，使 LED 的壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)燒壞 LED。我們自行設(shè)計(jì)了 ? 15V、 +12V 和 5V電源 為系統(tǒng)供電。系統(tǒng)采用中文 LCD 提供顯示支持，可同時(shí)顯示設(shè)定值，實(shí)際值以及其他相關(guān)信息。由于 LED 的生產(chǎn)廠家及 LED 規(guī)格不同，電流、電壓特性均有差異。根據(jù) LED 電流、電壓變化特點(diǎn)，采用恒壓驅(qū)動(dòng) LED 是可行的，雖然常用的穩(wěn)壓電路，存在穩(wěn)壓精度不夠和穩(wěn)流能力較差的缺點(diǎn)。為了穩(wěn)定放電電流，讓燈管盡快達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)，采用恒流源供電是最好的解決辦法。 KH 為霍爾元件靈敏度系數(shù) (mV/ mA如用恒流源供電即可有效克服上述缺點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期效果。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) 我國(guó)的電源產(chǎn)業(yè)，始于上世紀(jì) 60 年代中期， 90 年代后，進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。 就行業(yè)總體形勢(shì)來(lái)講，恒流源作為穩(wěn)定電源的一個(gè)分支，在近五十年間得到巨大發(fā)展，構(gòu)成恒流源的核心器件已由早期的電真空結(jié)構(gòu)的鎮(zhèn) 流管進(jìn)入到半導(dǎo)體集成電路時(shí)代。因此，如何為用電設(shè)備提供安全可靠、穩(wěn)定的電源成為擺在現(xiàn)實(shí)中需要解決的課題。 8 第二章 理論分析及可行性方案論證 恒流電源工作特性分析 當(dāng)輸入電壓、負(fù)載、環(huán)境溫度等外界條件在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，電源的輸出電流是不變的。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場(chǎng)合的需要。 降壓型變換器的原理圖及工作波形圖如下圖 所示 。主要電路如下圖所示，它由開(kāi)關(guān)管 VT儲(chǔ)能電容器 C輸入儲(chǔ)能電感 L輸出儲(chǔ)能電感 L續(xù)流二極管 VD1 及輸出濾波電容器 C2 等元器件組成，開(kāi)關(guān)管 VT1 由 PWM 驅(qū)動(dòng)電路控制的，二極管 VD1 將輸入回路和輸出回路分開(kāi)，左半部分是輸入回路，右半部分是輸出回路。其輸出電流 i(t)對(duì)不同窄脈沖時(shí)的響應(yīng)波形如圖 (b)所示。 圖 用 PWM波代替正弦半波 PWM 相關(guān)概念 17 就是輸出的 PWM 中，高電平保持的時(shí)間 與 該 PWM 的時(shí)鐘周期的時(shí)間之比 ?？刂埔?guī)律的實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)軟件來(lái)完成的。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值 ，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。 22 第三章 電源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu) 23 數(shù)控直流穩(wěn)壓電源的整機(jī)框圖如圖 31 所示，它主要由 單片機(jī)控制電路、整流濾波電路、穩(wěn)壓電路、 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、采樣電路、緩沖放大電路、鍵盤控制和液晶顯示電路等九個(gè)模塊組成。 圖 系統(tǒng)框架圖 工作原理和流程分析 本系統(tǒng)整機(jī)工作原理 ：系統(tǒng)上電，首先 220V 市電通過(guò)降壓器降為后級(jí)電路所需的 24V 交流電壓；再將交流電壓整流為脈沖直流電壓后經(jīng)過(guò)濾波，由于此脈沖直流電壓 含有較大的波紋和高頻信號(hào)， 所以 必須通過(guò)濾波電路加以濾除，才能得到較平滑的直流電壓 信號(hào) ；得到的直流電壓 輸入 穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓電路 對(duì)其 進(jìn)行穩(wěn)壓 并 24 輸出 多路電壓，一路 為 DC/DC 模塊 提供 穩(wěn)定的 12～ 18V 直流電壓，另幾路又通過(guò)次級(jí)降壓為液晶、單片機(jī)和運(yùn)放單獨(dú)供電；穩(wěn)定的電壓送入 DC/DC 模塊保證其正常工作， 以實(shí)現(xiàn)改變 DC/DC 模塊 的輸出電流； DC/DC 輸出電流當(dāng)流經(jīng)采樣電路中 康銅絲 上時(shí)被采集 ，采樣 出來(lái)的 差值進(jìn)行可調(diào)增益放大， 然后放大的電流信號(hào) 再通過(guò) 低噪聲 運(yùn)放 構(gòu) 成的緩沖電路送往 單片機(jī) 片內(nèi) A/D，最后 A/D 對(duì)采 集回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換 。 ATmega16 芯片引腳圖見(jiàn)圖 。為了滿足恒流源輸出電壓的要求并且減小步長(zhǎng)提高精度，當(dāng) D/A 輸出為零時(shí)， Uc 的電壓調(diào)整為 ，從而滿足恒流源輸出電壓的要求。 MAX5251 為 4通道， 10 位 D/A 轉(zhuǎn)換器。通過(guò)對(duì)命令控制位的不同賦值，可實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換器的不同操作。這樣，一個(gè)端口（如 P1口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9 鍵）。除了字符顯示功能外， 該顯示模塊還具備圖形顯示功能。從一個(gè)完整的串行傳輸流程來(lái)看，一開(kāi)始先傳輸起始位，它需先接收到五個(gè)連續(xù)的“ 1”（同步位串） 在起始位元組，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個(gè) BIT 分別指定傳輸方向位（ RW）及暫存器選擇位（ RS），最后第八位則為“ 0”。采用液晶顯示模塊，克服了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)刷新顯示時(shí) LED 管閃爍顯示的缺點(diǎn)，更易于測(cè)量觀察。 簡(jiǎn)介 RS232用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與 TTL以高低電平表示邏輯狀態(tài)規(guī)定不通，因此要用 RS232 總線進(jìn)行串行通信時(shí)需外接電路以實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 濾波扼流電路的設(shè)計(jì) 圖 輸出扼流圈電路 1） 輸出扼流圈的電感值設(shè)計(jì) 計(jì)算流入輸出扼流圈電流 ? ?2 m in m a xfoU U UI L???? L為輸出扼流圈的電感（ μH ）； I? 為輸出電流的 10%～ 30%。軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是對(duì) A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器的控制。 取