【導(dǎo)讀】完成時間：2020年12月6日?？萍紕?chuàng)新[3A]設(shè)計報告。上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院。地址：東川路800號。姓名班級學(xué)號具體負責的工作聯(lián)系方式。全部電路設(shè)計，編。寫并調(diào)試程序，電。路的調(diào)試,報告撰寫。本報告主要介紹利用TL494芯片實現(xiàn)DC-DC開關(guān)電源以及利用AVRATmega16單。片機實現(xiàn)閉環(huán)控制電路的設(shè)計方案，包括硬件的基本原理、功能、技術(shù)指標，軟件的。實現(xiàn)、調(diào)試分析，并附有圖片、心得體會等。

　　

【正文】 口還能作為單片機其他模塊（如 A/D 模塊、計數(shù)器）的輸入輸出引腳使用。 定時器 /計數(shù)器 AVR ATmega 單片機擁有兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 /計數(shù)器和一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 /計數(shù)器。每個定時器 /計數(shù)器都可以工作在多種模式，實驗中用到了普通模式和快速 PWM 模式這兩種。 1. 普通模式 以定時器 /計數(shù)器 0（ 8 位）為例，在此模式下計數(shù)器不斷累加，當達到 8 位的最大值（ TOP=OxFF）后，計數(shù)值溢出，并從最小值 Ox00 開始重新計數(shù)。在溢出的同時，定時器 /計數(shù)器0 的溢出中斷標志位 TOV0 置位，用戶可利用此標志位控制程序產(chǎn)生中斷。在中斷程序中，用戶也可以定義計數(shù)器 0 的計數(shù)初值來改變中斷周期。 2. 快速 PWM 模式 ATmega16 單片機自帶 PWM 波的產(chǎn)生模式，用戶只需要設(shè)定定時器 /計數(shù)器的寄存器值，就能快速地得到不同占空比的 PWM 波，而不再需要對中斷進行繁瑣的操作了。 以定時器 /計數(shù)器 1（ 16 位）為例，在此模式下，計數(shù)器從 BOTTOM 值計數(shù)到 TOP 值，然后立即回到 BOTTOM 重新開始。對于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳 OC1x（ PWM 波從此引腳輸出）在計數(shù)寄存器 TCNT1 與比較匹配寄存器 OCR1x 匹配時置位，在 TOP 時清零。 TOP 值可固定地設(shè)為 Ox00FF、 Ox01FF 或 Ox03FF，也可由 ICR1 定義。不同的 OCR1x 和 ICR1 組合可以產(chǎn)生不同頻率和占空比的 PWM 波。同樣，當計數(shù)器計到 TOP 或 OCR1x 時，用戶可通過中斷標志位產(chǎn)生中斷。 圖 表示了快速 PWM 模式的時序圖。 第 24 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 6 . 1 快速 P W M 模式時序圖[6 ] A/D 轉(zhuǎn)換 ATmega16 單片機提供了 8 路復(fù)用的單端輸入通道， 7 路差分輸入通道，以及 2 路可選增益為10 倍與 200 倍的差分輸入通道，參考電壓為 。對寄存器 ADCSRA 寫入值之后，可以啟動一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，普通情況下轉(zhuǎn)換時間為 13 個時鐘周期，轉(zhuǎn)換結(jié)果為十位，保存在 ADCH 和 ADCL 兩個寄存器中，由程序讀取。 按鍵及數(shù)碼管顯示器 ATmega16 還提供了 4 位七段數(shù)碼管顯示器， 4 個輸入按鍵以及 1 個重置按鍵。 4 個按鍵分別連接 I/O 口的 PC4~PC7 供 用戶使用。 單片機資源分配 本組實驗中，對單片機資源的分配如下： 1. 定時器 /計數(shù)器 0 產(chǎn)生 5ms 中斷，供程序調(diào)用中斷服務(wù)子程序； 2. 定時器 /計數(shù)器 1 產(chǎn)生占空比可調(diào)的 PWM 信號，由 I/O 端口 PD4 輸出； 3. A/D 轉(zhuǎn)換采用 I/O 端口 PA0 和 PA1 進行差分輸入， PA0 接輸入電壓， PA1 接恒定的比較電壓； 4. 按鍵 1~4 分別為電壓 +，電壓 ，電壓 +，開閉環(huán)切換； 5. 數(shù)碼管顯示設(shè)定電壓值。 軟件總體結(jié)構(gòu)描述 功能概述 軟件部分的主要作用是對 DCDC 開關(guān)電源的輸出電壓進行控制，包含了開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大部分。開環(huán)控制主要根據(jù)已知的電壓 占空比關(guān)系，通過改變單片機輸出的 PWM 信號的占空比實現(xiàn)對 DCDC 開關(guān)電源輸出電壓的控制。由于開關(guān)電源的元件參數(shù)受環(huán)境影響較大，加上噪聲的 第 25 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 關(guān)系，開環(huán)控制精度不高；閉環(huán)控制則是在開環(huán)的基礎(chǔ)上，對輸出電壓進行采樣，與設(shè)定的電壓進行比較后做出調(diào)整，即形成負反饋的控制方式，使控制精度得到很大提升。 本程序包含主程序和一個中斷服務(wù)子程序。主程序較為簡單，主要完成了對各個寄存器的初始化，以及對數(shù)碼管顯示內(nèi)容的實時更新；中斷服務(wù)子程 序則完成了開環(huán)和閉環(huán)兩大控制模塊的功能。 算法流程圖 算法流程圖共分為主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分。 1. 主程序流程圖 主程序流程圖如圖 所示。 圖 6 . 2 主程序流程圖 開始 寄存器初始化 占空比查找數(shù)組初始化（用于開環(huán)） 更新數(shù)碼管顯示值 2. 中斷服務(wù)子程序流程圖 中斷服務(wù)子程序流程圖如圖 所示。 算法總體描述 如圖 和圖 所示：首先，程序開始運行時，主程序先完成對各寄存器的初始化，以及對程序中需要用到的一個占空比查找數(shù)組進行初始化。接著，在主程序的循環(huán)中，不斷對送入數(shù)碼管顯示的值進行更新。在執(zhí)行主循環(huán)的過程中，一旦產(chǎn)生中斷，程 序便進入中斷服務(wù)子程序，判斷用戶是否按下按鍵。如果用戶通過按鍵改變了設(shè)定電壓值，程序就會根據(jù)新的設(shè)定電壓改變占空比；如果用戶切換到閉環(huán)控制狀態(tài)，那么中斷服務(wù)子程序還會進行采樣及 A/D 轉(zhuǎn)換來對占空比進行調(diào)整，直到輸出電壓與設(shè)定電壓一致。當然，用戶也可切換回開環(huán)控制狀態(tài)，此時程序便不再進行采樣。另外，中斷程序每次還對 1 位數(shù)碼管進行驅(qū)動，不斷循環(huán)，多次中斷執(zhí)行后就能在數(shù)碼管上掃描出完整的信息。 第 26 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 6 . 3 中斷服務(wù)子程序 N Y Y 距上次改變占空比是否滿 1 s 取滑動平均 讀 A/D 轉(zhuǎn)換值 調(diào)整占空比 將采樣值與設(shè)定值比較 是否相等 N 啟動下一次 A/D轉(zhuǎn)換 數(shù)碼管掃描 中斷返回 N Y 開 / 閉環(huán)標志為 1 Y N N 中斷調(diào)用 計數(shù)器 0 裝入計數(shù)初值 按鍵消抖 KE Y 0 或 KE Y 1或 KE Y 2 按下 KE Y 3 按下 改變開 / 閉環(huán)標志 改變設(shè)定電壓值 改變輸出占空比 Y 開環(huán) 閉環(huán) 第 27 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 主程序模塊 功能描述 主程序?qū)拇嫫骷罢伎毡炔檎覕?shù)組進行初始化，并在主循環(huán)中不斷更新送入數(shù)碼管的值。 變量描述 主程序中用到的主要變量如表 所示。 表 主程序中主要的全局變量 類型 變量名 功能 Char volatile digi[4] 計數(shù)值十進制表示 int pwm_volt[53] 占空比查找數(shù)組 int volatile voltage 設(shè)定電壓值（ 10 倍） digi[4]用來存放送入 4 位數(shù)碼管的值； voltage 為設(shè)定電壓，為方便計算，以 10 倍表示，如 50代表 ； pwm_volt[53]數(shù)組則為占空比查找數(shù)組，當用戶改變輸出電壓時，程序可根據(jù)設(shè)定電壓在此數(shù)組中找到相應(yīng)的占空比值。 算法描述 主程序的算法較為簡單，在進行初始化完畢后，將 voltage 的千位、百位、十位、個位分別送給 digi[3]~digi[0]即可。 開環(huán)控制模塊 功能描述 開環(huán)控制模塊實現(xiàn)了對 DCDC 開關(guān)電源輸出電壓的直接控制，即當用戶設(shè)定一個電壓時，程序在占空比查找數(shù)組中找到對應(yīng)的占空比，送給計數(shù)器 1 的寄存器 OCR1A，達到改變占空比的目的。由于占空比查找數(shù)組是事先設(shè)定好的，因此在 DCDC 開關(guān)電源電路參數(shù)發(fā)生變化時， 難以達到所需要的精度。 在此模塊中，用戶是通過按鍵輸入信息的，因此有必要對按鍵進行消抖，具體的方法將在算法描述中加以闡釋。 變量描述 開環(huán)控制程序中用到的主要變量如表 所示。 第 28 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 表 開環(huán)控制模塊中主要的全局變量 類型 變量名 功能 char output_sel 數(shù)碼管位和指示燈顯示數(shù)據(jù) char output_8seg 數(shù)碼管段顯示數(shù)據(jù)變量 char led1,led2,led3,led4 指示燈驅(qū)動信號輸出緩存 char digi_scaner 數(shù)碼管掃描驅(qū)動指針 char volatile digi[4] 計數(shù)值十進制表示 int volatile voltage 設(shè)定電壓值（ 10 倍） int volatile d_ratio 計算得到的占空比（ 1000 倍） int key1_count， key2_count，key3_count， key4_count 按鍵防抖計數(shù)值 算法描述 1. 按鍵消抖 程序中需要對按鍵進行消抖，以提高單片機的控制穩(wěn)定性。消抖程序流程圖如圖 所示。（圖中以對第一個按鍵進行消抖為例） 中斷服務(wù)子程序每 5ms 執(zhí)行一次。每次執(zhí)行時，都檢測按鍵是否按下，如果按下，則計數(shù)值key_count 加 1，直到檢測到按鍵松開。此時，如果計數(shù)值不小于 5，則說明按鍵按下維持了至少 5個中斷周期，即 25ms，此時可以認為按鍵不是由抖動引起的執(zhí)行，執(zhí)行相應(yīng)按鍵的代碼。而如果計數(shù)值小于 5 次，那么說明發(fā)生了抖動，開環(huán)控制程序只將計數(shù)值清零，不執(zhí)行相應(yīng)按鍵的代碼，等待下一次再按下按鍵。 2. 改變設(shè)定電壓 實際操作時，需要用到單片機的 4 個按鍵。按鍵 1~3 的作用為改變設(shè)定電壓，從而改變 PWM信號的占空比；按鍵 4 為開 /閉環(huán)切換按鍵，按下后通過改變開閉環(huán) 切換標志變量，實現(xiàn)開 /閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)換。 設(shè)定電壓變量 voltage 的范圍為 49~101，對應(yīng)電壓 ~。按鍵 1 的作用是設(shè)定電壓 +，即按下后 voltage+1。當 voltage 的當前值為 101 時，按下后將其賦值為 49，以實現(xiàn)設(shè)定電壓的循環(huán)變化。同樣，按鍵 2 的作用是電壓 ，當 voltage 為 49 時，賦值為 101；為了加大電壓的變化跨度，方便操作，按鍵 3 的作用是電壓 +1V，當 voltage 大于 91 時， voltage=voltage40； 3. 改變占空比 程序中，改變占空比可以通過修改定時 器 /計數(shù)器 1 的寄存器 OCR1A 實現(xiàn)。當程序檢測到按鍵按下時，會根據(jù)當前變量 voltage 的值在占空比查找數(shù)組 pwm_volt[53]中找到對應(yīng)的占空比，通過變量 d_ratio 送給寄存器 OCR1A。（注：由于在這個程序中，計數(shù)器 1 的寄存器 ICR1 設(shè)置為 2020， 第 29 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 即計數(shù)周期為 2020，而占空比查找數(shù)組中的占空比是以實際占空比的 1000 倍表示的，即最大值為1000，所以在查找到相應(yīng)的占空比后，需要將其乘以 2 再送給寄存器 OCR1A。） 圖 6 . 4 消抖程序流程圖 閉環(huán)控制模塊 模 塊功能描述 開環(huán)控制模塊雖然能夠?qū)?DCDC 開關(guān)電源的輸出電壓起到控制作用，但由于其精度不高，受環(huán)境因素影響比較大，所以需要采取閉環(huán)控制的方式，即引入一個負反饋系統(tǒng)。首先對輸出電壓進行采樣，將采樣值與設(shè)定值之間進行比較，根據(jù)兩者的差不斷調(diào)整占空比，直到兩者相等，或誤差小于一定的范圍。不過，即使當輸出值與設(shè)定值相等后，仍然需要進行采樣和比較的操作，因為在實際中存在各種各樣的噪聲和不穩(wěn)定因素，輸出電壓可能會再次出現(xiàn)偏差。 變量描述 閉環(huán)控制程序中用到的主要變量如表 所示 第 30 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 表 閉環(huán)控制模塊中主要的全局變量 類型 變量名 功能 int clock1s 1s 定時計數(shù)器 int clock1s_flag 1s 定時計數(shù)器標志 char loop_flag 開閉環(huán)切換標志 (0：開環(huán)； 1：閉環(huán) ) int ADC_volt[50] ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲數(shù)組 int ADC_ptr ADC 轉(zhuǎn)換結(jié)果的存儲數(shù)組指針 int ADC_data ADC 結(jié)果對應(yīng)的十進制電壓值 算法描述 1. A/D 轉(zhuǎn)換 對于 ATmega16 單片機，對寄存器 ADCSRA 寫入值即可啟動一次 A/D 轉(zhuǎn)換。在實際的程序中，只需執(zhí)行 ADCSRA= 0xc6 語句即可。在普通模式下， A/D 轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時間為 13 個時鐘周期，時鐘頻率為 8MHz。為了避免等待轉(zhuǎn)換時間，采取了如下的方法：參考圖 63 的閉環(huán)算法部分，在主程序執(zhí)行初始化任務(wù)時，就啟動一次 A/D 轉(zhuǎn)換，之后每次執(zhí)行中斷程序時，都先讀取上一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后再啟動下一次的 A/D 轉(zhuǎn)換。由于中斷子程序每 5ms 執(zhí)行一次，所以在兩次中斷之間， A/D轉(zhuǎn)換一定可以完成，這樣就省去了在啟動轉(zhuǎn)換后等待的時間。 在實際的操作過程中，考慮到采樣時存在高斯白噪聲的干擾，所以不能只對 輸出電壓進行一次采樣，而是要進行多次采樣，取滑動平均。滑動平均的示意圖如圖 所示。 圖 6 . 5 滑動平均示意圖[ 1 ] 在程序中，采用了數(shù)組 ADC_volt[50]存放 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，使用了指針 ADC_ptr 代表