【正文】 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 代表當(dāng)前。 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(jìn)行一次采樣，而是要進(jìn)行多次采樣，取滑動平均。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。在實際的程序中，只需執(zhí)行 ADCSRA= 0xc6 語句即可。不過，即使當(dāng)輸出值與設(shè)定值相等后，仍然需要進(jìn)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。） 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(fù)反饋系統(tǒng)。當(dāng)程序檢測到按鍵按下時，會根據(jù)當(dāng)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。當(dāng) voltage 的當(dāng)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。 設(shè)定電壓變量 voltage 的范圍為 49~101，對應(yīng)電壓 ~。 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。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(rèn)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。（圖中以對第一個按鍵進(jìn)行消抖為例） 中斷服務(wù)子程序每 5ms 執(zhí)行一次。 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(jìn)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(jìn)行消抖，以提高單片機的控制穩(wěn)定性。 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(jìn)行消抖，具體的方法將在算法描述中加以闡釋。 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(dāng)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(dá)到改變占空比的目的。 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(jìn)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(dāng)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。 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(biāo)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(biāo)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(jìn)行初始化，并在主循環(huán)中不斷更新送入數(shù)碼管的值。當(dāng)然，用戶也可切換回開環(huán)控制狀態(tài)，此時程序便不再進(jìn)行采樣。在執(zhí)行主循環(huán)的過程中，一旦產(chǎn)生中斷，程 序便進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，判斷用戶是否按下按鍵。 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(jìn)行初始化。 1. 主程序流程圖 主程序流程圖如圖 所示。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。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(jìn)行采樣，與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較后做出調(diào)整，即形成負(fù)反饋的控制方式，使控制精度得到很大提升。 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(jìn)行控制，包含了開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大部分。 4 個按鍵分別連接 I/O 口的 PC4~PC7 供 用戶使用。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。 圖 表示了快速 PWM 模式的時序圖。不同的 OCR1x 和 ICR1 組合可以產(chǎn)生不同頻率和占空比的 PWM 波。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。 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(jìn)行繁瑣的操作了。在溢出的同時，定時器 /計數(shù)器0 的溢出中斷標(biāo)志位 TOV0 置位，用戶可利用此標(biāo)志位控制程序產(chǎn)生中斷。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。每個端口可用作獨立的輸入輸出引腳來使用，部分端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。 輸入輸出（ I/O）端口 AVR ATmega16 單片機共有 4 個 8 位可編程 I/O 端口，每個端口都有三個 I/O 存儲器地址：數(shù)據(jù)寄存器 PORTx、數(shù)據(jù)方向寄存器 DDRx 和端口輸入引腳 PINx。 第 23 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 6. 單片機 小 系統(tǒng)及軟件設(shè)計 單片機小系統(tǒng) 本實驗使用 AVR ATmega16 單片機，這款單片機具有高性能、低功耗的特點。 通過進(jìn)一步實驗我們發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，溫度升高會使 4n25 輸出端等效電阻變大，導(dǎo)致最終的輸出電壓升高；反之就會使最終的輸出電壓降低。 光耦溫漂問題 第 22 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 在我們組開環(huán)控制完成之后，我們發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)輸出電壓不穩(wěn)定，而且把板子放置一段時間后再上電測量時，在同一個開環(huán)數(shù)值之下輸出電壓與之前的值 有零點幾伏的差異。我們在網(wǎng)上找到關(guān)于 SallenKey 二階低通濾波器的優(yōu)點如下：電路結(jié)構(gòu)簡單、通帶增益、極點角頻率和品質(zhì)因數(shù)表達(dá)式簡介，且品質(zhì)因數(shù)可調(diào)范圍大，調(diào)節(jié)方便。綜上考慮選擇二階濾波器。 2. 濾波器類型的選 擇 首先 有源濾波器相對于無源濾波器的優(yōu)勢在于輸出阻抗小，可以帶動較大 的負(fù)載，并且可以有增益，因此本實驗中確定選擇有源濾波器。 由 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊輸出電壓紋波幅值指標(biāo) mV 可知 4n25 輸出端電流變化瞬時值不超過 A = 5 uA，再根據(jù) 4n25 的 Datasheet 可以推斷出 4n25 輸入端電流瞬時變化量也在 uA數(shù)量級，而濾波器輸出電壓紋波不能大于 。 低通濾波器 的選擇 1. 指標(biāo)的確定 輸入端是整波子模塊輸出的頻率為 500Hz，電壓峰峰值為 4V 的 PWM 波 ， 而對于輸出端，為了使 4n25 發(fā)光二極管正常工作，輸出 端電壓經(jīng)過 Rctl 后的電流應(yīng)該在 mA數(shù)量級上。之所以要單獨討論這兩個問題，是因為筆者受谷曉晨老師撰寫的《科創(chuàng)五報告的問題》的啟發(fā)，意識到這兩個問題的重要性。 表 電壓控制模塊元件參數(shù)一覽表 元件 參數(shù) R1 kΩ R2 kΩ R3 100 Ω R4 10 kΩ R5 15 kΩ R6 30 kΩ R7 30 kΩ R8 100 kΩ 第 21 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 R9 kΩ C1 1uF C2 1uF C3 30pF 重點問題的討論 [7] 電壓控制模塊中，有兩個重點問題想在此討論。經(jīng)實驗，我們選取 Rctl = kΩ。 第 20 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 5 . 8 4 n 2 5 功能結(jié)構(gòu)圖[5 ] 圖 5 . 9 4 n 2 5 工作特性曲線[5 ] 在本 子 模塊中， 唯一一個要選擇參數(shù)的元件就是 Rctl。這個等效電阻可以代替 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊的可變電阻器 R12。本子模塊的輸入是濾波子模塊的輸出 Vctl，這個直流電壓通過 Rctl變成直流電流輸入 4n25 的正向輸入端。 圖 5 . 6 隔離子模塊電路原理圖 [ 1 ] 圖 5 . 7 隔離子模塊實際電路圖 隔離子模塊的核心器件是光耦芯片 4n25，其管腳定義以及功能結(jié)構(gòu)如圖 所示，其工作特性曲線如圖 所示。 隔離子模塊 隔離子模塊的主要功能是 傳遞信號和 把電壓控制模塊與 DCDC 開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊進(jìn)行電氣隔離。 經(jīng)過低通濾波器后， ，式中 是輸入本子模塊的 PWM 波高電平的電壓，即 4V；d 為輸入本子模塊的 PWM 波的占空比。于是根據(jù)截止頻率的表達(dá)式： √ 第 19 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 我們?nèi)?R6 = R7 =30 kΩ 。單片機輸出的PWM 波頻率是 500Hz，因此我們設(shè)計該低通濾波器的截止頻率為 50Hz，這樣就可以保證濾除高頻成分，通過直流分量。 濾波子模塊的電路如圖 所示。 經(jīng)過分壓后， PWM 波的高電平大約為 V，大于閾值電壓（大約為 ），小于 ，滿足要求。 第 18 頁 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 圖 5 . 4 C D4 0 1 1 B 功能結(jié)構(gòu)圖[4 ] 下面對外圍 電路元件參數(shù)選擇進(jìn)行討論： 分壓后的 PWM 波的高電平應(yīng)大于 CD4011B 的 閾值電壓 ，小于 。單片機輸出的 PWM 波高電平不穩(wěn)定，經(jīng)過 CD4011B 之后，可以形成高電平穩(wěn)定的 PWM 波 ，達(dá)到整波的目的 。 圖 5 . 3 整波子模塊電路圖 整波子模塊的核心器件是 CD4011B 芯片 ，該芯片的管腳定義以及功能結(jié)構(gòu)如圖 所示。 整波 子模塊 整波 子模塊的主要功能是將單片機輸出的高電平為不太穩(wěn)定的 5V 的 PWM 波 整波 成高電平為穩(wěn)定的 4V的 PWM 波。 圖 5 . 2 穩(wěn)壓子模塊電路圖 下面討論本子模塊外圍電路參數(shù)的選擇。本子模塊的核心器件是 TL431， TL431 的詳細(xì)介紹見 節(jié)。本模塊根據(jù)功能又可以劃分出四個子模塊，分別是穩(wěn)壓子 模塊、 整波 子 模塊、濾波 子 模塊和隔離 子 模塊。 輸出電壓誤差絕對值≤ 。對于頻率接近截止頻率