【正文】 速度太慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代電源要求的工作頻率，因此，目前單片機(jī)控制的電源的使用并不廣泛，但是單片機(jī)在智能化、擴(kuò)展性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)的人機(jī)交互界面等方面的優(yōu)勢(shì)使其成為未來(lái)電源的重要發(fā)展的方向。開關(guān)電源的效率往往是與開關(guān)管的變換速度成正比的，要進(jìn)一步提高開關(guān)電源的效率，就必須要提高電源的工作頻率。要進(jìn)一步研制并且生產(chǎn)出適合于高頻工作的儲(chǔ)能電感、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、高頻電容等元器件是開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)所面臨的另一個(gè)問題。雖然也可以采取一些抑制干擾的措施，在一定程度上降低這些干擾的影響，但是目前階段的精密電子儀器中，仍然難以使用開關(guān)電源，因此，克服開關(guān)電源產(chǎn)生的各種噪聲干擾，是我們要努力解決的第三個(gè)問題。本文著重研究基于Atmega8單片機(jī)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的基本原理、硬件組成以及設(shè)計(jì)、程序編寫與調(diào)試、硬件電路PCB的繪制以及樣機(jī)的制作等。開關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變換器，利用直流變換器把一種直流電壓變換為極性以及數(shù)值不同的多種直流電壓。假設(shè)開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓為5V，但是，由于某種原因而使電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸入的電壓減小，從而導(dǎo)致輸出的電壓也將會(huì)減小，然而在此時(shí)，采樣電路的采樣電壓也將會(huì)減小，然而，經(jīng)過(guò)比較放大電路以后，脈沖調(diào)制電路會(huì)根據(jù)這個(gè)誤差，提高脈寬信號(hào)的占空比從而使輸出的電壓增大。整流濾波電路開關(guān)管濾波電路采樣電路比較放大脈沖調(diào)寬輸出輸入基準(zhǔn)電壓圖2 1開關(guān)電源原理框圖 從對(duì)電源輸出的控制來(lái)說(shuō)，單片機(jī)控制開關(guān)電源，可以有以下幾種方案。方案二：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)電壓，作為電源的基準(zhǔn)電壓，電源可以通過(guò)鍵盤設(shè)置預(yù)置輸出電壓，如果單片機(jī)不加入反饋控制，電源仍要使用專門的PWM控制芯片，工作過(guò)程為：當(dāng)通過(guò)鍵盤設(shè)置預(yù)置電壓時(shí)，單片機(jī)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出一個(gè)電壓作為控制芯片的一個(gè)基準(zhǔn)電壓，這個(gè)基準(zhǔn)電壓可以使控制芯片按預(yù)置電壓值來(lái)輸出相應(yīng)的占空比的控制脈沖，以輸出期望的輸出電壓值。方案一分析：?jiǎn)纹瑱C(jī)加入了反饋控制，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，但是由于單片機(jī)還需要擴(kuò)展A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換芯片，而且還是需要專門的PWM控制芯片，成本很高，不宜采用。方案三分析：在本方案中，不僅單片機(jī)中加入了反饋控制，而且是以單片機(jī)作為開關(guān)電源的控制核心，單片機(jī)得到了充分的利用，而且省去了D/A轉(zhuǎn)換芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片，使成本大大的降低。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作原理如圖22所示。單片機(jī)根據(jù)鍵盤的輸入值和采樣電壓值之間的差值，來(lái)修改單片機(jī)輸出PWM脈沖的占空比，通過(guò)此脈沖，控制功率管的通與斷，以便得到期望的輸出電壓值。而開關(guān)變換器采用工字型電感作為儲(chǔ)能元件，在功率管導(dǎo)通的時(shí)候，電感會(huì)儲(chǔ)存能量，在功率管關(guān)斷時(shí)，電感釋放其所存儲(chǔ)的電能供給負(fù)載。與此同時(shí)，電源可以進(jìn)行自動(dòng)穩(wěn)壓，假設(shè)在某一正常的狀態(tài)下，輸出電壓為，反饋電壓為()，用戶設(shè)定電壓為，當(dāng)時(shí)，偏差為0V，單片機(jī)不進(jìn)行脈寬的更新，當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)導(dǎo)致輸出電壓增加時(shí)，即時(shí)，單片機(jī)采樣的電壓也會(huì)增加，單片機(jī)會(huì)根據(jù)偏差值修改占空比使導(dǎo)通時(shí)間變小，從而使電壓值下降，同樣當(dāng)電網(wǎng)波動(dòng)使輸出電壓下降時(shí)，即時(shí)，單片機(jī)修改脈寬使得導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而使輸出電壓值上升，如此循環(huán)來(lái)進(jìn)行穩(wěn)壓。在AVR的大家族中，Atmega8是一種非常特殊的單片機(jī)它的芯片內(nèi)集成的存儲(chǔ)器容量較大及硬件接口電路豐富強(qiáng)大，具有AVR單片機(jī)MEGE系列的全部性能以及特點(diǎn)。 Atmega8的如此許多的特點(diǎn)，使其成為一款具有極高的性價(jià)比的單片機(jī)，在產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力，深受廣大單片機(jī)用戶的喜愛，而且亦被很多儀器儀表行業(yè)和家用電器廠商看中，從而，使Atmega8迅速地進(jìn)入大批量的應(yīng)用領(lǐng)域。AVR單片機(jī)核心部分是將32個(gè)工作寄存器以及豐富的指令集聯(lián)結(jié)到一起，所有的工作寄存器均與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，從而實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)僅執(zhí)行一條指令，并且與此同時(shí)訪問（讀寫）兩個(gè)獨(dú)立的寄存器的操作。本設(shè)計(jì)中是利用單片機(jī)Atmega8作為主要的控制器件，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的輸出電壓的可調(diào)功能。本設(shè)計(jì)中所用到的單片機(jī)就是28引腳的雙列直插式的其引腳圖如圖31所示。 接地。而其輸出緩沖器具有對(duì)稱驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。在復(fù)位的過(guò)程中，即使系統(tǒng)的時(shí)鐘還沒有起振，端口B仍處于高阻的狀態(tài)。通過(guò)時(shí)鐘來(lái)選擇熔絲位設(shè)置，PB7可以作為反方向振蕩放大器輸出端。其輸出緩沖器具有對(duì)稱驅(qū)動(dòng)特性，可輸出和吸收較大電流。而在復(fù)位的過(guò)程中，即使系統(tǒng)的時(shí)鐘還沒有起振，端口C也是處于高阻狀態(tài)。如果熔絲位RSTDISBL編程，PC6可以作為通用I/O口引腳使用。持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度超過(guò)最小門限的時(shí)間長(zhǎng)度的低電平將會(huì)引起系統(tǒng)的復(fù)位，如果持續(xù)時(shí)間不超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平，則不能夠保證單片機(jī)復(fù)位的可靠。其具有對(duì)稱驅(qū)動(dòng)特性的輸出緩沖器，可以吸收和輸出較大的電流。而在復(fù)位的過(guò)程當(dāng)中，即便系統(tǒng)時(shí)鐘還沒有起振，端口D則處于高阻狀態(tài)。若持續(xù)的時(shí)間超過(guò)最小門限的時(shí)間的低電平將會(huì)引起系統(tǒng)的復(fù)位。7.是端口C(3..0) 、ADC(7..6)及模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電源。而使用ADC時(shí)應(yīng)該通過(guò)一個(gè)低通濾波器與連接。模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。在PB、PC和PD三個(gè)端口中，每個(gè)端口都有三個(gè)I/O寄存器。其中，PINX由n位PINXn拼裝而成；PORTX由n位PORTXn拼裝而成；DDRX由n位DDXn構(gòu)成。 AVR單片機(jī)的每一個(gè)I/O端口作為通用數(shù)字I/O端口使用的時(shí)候，輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)能力，可以輸出或吸收較大的電流，從而可以直接驅(qū)動(dòng)LED顯示以及蜂鳴器等。Atmega8的I/O口的輸入輸出都是通過(guò)對(duì)其I/O口的配置而實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)引腳配置為輸出時(shí)，假設(shè)PORTxn為1，引腳會(huì)輸出高電平，假如PORTxn為0，引腳會(huì)輸出低電平；當(dāng)引腳的配置為輸入時(shí)，若PORTxn為1，上拉電阻將使能，如果想要關(guān)閉這個(gè)上拉電阻，可以將PORTxn位清零，或者經(jīng)過(guò)這個(gè)引腳配置作為輸出，即使此時(shí)并沒有時(shí)鐘在運(yùn)行，復(fù)位時(shí)各引腳為高阻態(tài)。表3 1 Atmega8的I/O配置DDRxnPORTxnPUDI/O方向上拉電阻說(shuō)明00輸入無(wú)高祖態(tài)輸入口010輸入有上拉輸入口，被拉低時(shí)輸出電流011輸入無(wú)高阻態(tài)10輸出無(wú)輸出低電平（吸收電流）11輸出無(wú)輸出高電平（輸出電流） Atmega8的AD功能在AVR單片機(jī)中有兩種支持模擬信號(hào)的輸入功能端口，分別是模擬比較器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。而且利用模擬比較器可以監(jiān)測(cè)模擬信號(hào)變化情況[1]。ADC是將連續(xù)變量的模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的器件。模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)形式輸出來(lái)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是一個(gè)比例的問題，ADC產(chǎn)生的數(shù)字值要跟輸入模擬量與轉(zhuǎn)換器量程的比值有關(guān)。ADC的性能如何取決于它的指標(biāo)數(shù)，ADC共有6個(gè)主要指標(biāo)：分辨率、轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換時(shí)間、功耗、采樣頻率、數(shù)據(jù)輸出速率。轉(zhuǎn)換精度指的是A/D轉(zhuǎn)化器實(shí)際的輸出值與理想的輸出值的精確的接近程度。絕對(duì)誤差是一個(gè)數(shù)字量實(shí)際模擬輸入電壓和理想模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數(shù)字量最小有效位（LSB）的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示。數(shù)模轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度計(jì)算公式： （32）轉(zhuǎn)換時(shí)間指的是ADC完成一次轉(zhuǎn)換需要的時(shí)間；轉(zhuǎn)換速率是指ADC每秒轉(zhuǎn)換次數(shù)，為轉(zhuǎn)換時(shí)間和采樣保持所需時(shí)間和的倒數(shù)，大多數(shù)的ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率互為倒數(shù)的關(guān)系。減小功耗可以減小系統(tǒng)重量，提高電池的使用時(shí)間。采樣頻率是指ADC單位時(shí)間內(nèi)對(duì)模擬輸入信號(hào)采樣的次數(shù)，常常表示為：kSPS(千次采樣每秒)或MSPS(兆次采樣每秒)。輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果指數(shù)字輸出信號(hào)。其特點(diǎn)為：；65～260us轉(zhuǎn)換時(shí)間（ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間表見表32），最高分辨率時(shí)采樣率可達(dá)到15kS/s；可選擇的左調(diào)整ADC讀數(shù)；連續(xù)轉(zhuǎn)換或單次轉(zhuǎn)換模式；ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷；基于睡眠模式的噪聲抑制器；可選的內(nèi)部ADC參考電壓。(ADMUX)ADMUX是多路復(fù)用選擇寄存器，也是單片機(jī)64個(gè)I/O寄存器之一，ADMUX各位定義如表33所示。若在ADC轉(zhuǎn)換過(guò)程中，這些位重新進(jìn)行設(shè)置，只有在當(dāng)前ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束(ADCSRA寄存器的ADIF置位)后改變才會(huì)生效。ADC的電壓參考源如表34所示。若使ADLAR=0，則ADC中數(shù)字量按“右對(duì)齊”格式存放；若ADLAR=1，則ADC中數(shù)字量按“左對(duì)齊”格式存放。(3)MUX3～MUX0(位3～位0)MUX3～MUX0稱為ADC模擬通道選擇位，用于設(shè)定ADC7～ADC0、和GND中哪一路模擬電壓被A/D轉(zhuǎn)換，選擇關(guān)系如表35所示。ADC中10位數(shù)字量有“左端對(duì)齊”和“右端對(duì)齊”兩種存放格式，受ADMUX寄存器中ADLAR位控制。在“左端對(duì)齊”和“右端對(duì)齊”兩種格式下，ADC中數(shù)字量的存放形式如表38和表39所示。因此，如果ADC中數(shù)據(jù)采用左端對(duì)齊的格式，并且只需8位轉(zhuǎn)換精度，那么用戶僅需讀取ADCH寄存器足矣；否則，用戶必須先讀ADCL，后讀ADCH，兩次讀出之間不能插入其它任何指令。用戶可以通過(guò)IN/OUT指令對(duì)它進(jìn)行讀寫，也可對(duì)其中的每一位進(jìn)行位尋址。表3 9 ADCSR各位定義位76543210位符號(hào)ADENADSCADFRADIFADIEADPS2ADPS1ADPS0(1)ADEN(位7)ADEN的名稱為ADC使能位，用于控制ADC是否使能。(2)ADSC(位6)ADSC名為ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換位。先使ADEN=1然后使ADSC=1或者ADEN和ADSC同時(shí)設(shè)置為1，ADC首次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)過(guò)25個(gè)ADC時(shí)鐘后本次A/D轉(zhuǎn)換完成；在以后各次常規(guī)A/D轉(zhuǎn)換中，每次A/D只需要13個(gè)ADC時(shí)鐘時(shí)間。強(qiáng)制寫0無(wú)效。如果使ADFR=0，則ADC被設(shè)定成單次轉(zhuǎn)換模式或者連續(xù)轉(zhuǎn)換模式的終止?fàn)顟B(tài)；如果使ADFR=1，則ADC被設(shè)定成連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。(4)ADIF(位4)ADIF被稱為ADC(完成)中斷標(biāo)志位，是一個(gè)狀態(tài)位，用于指示當(dāng)前ADC中斷是否存在。(5)ADIE(位3)ADIE被稱為ADC中斷允許位，用于控制ADC中斷是否被允許。一旦ADIF=1，而且ADIE和SREG的位I也被置為1，則單片機(jī)便會(huì)響應(yīng)中斷從而進(jìn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序執(zhí)行。表3 10 ADC時(shí)鐘分頻ADPS2ADPS1ADPS0分頻率0002001201040118100161013211064111128 Atemga8的PWM功能Atmega8單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1除了可以設(shè)置為一般模式以及CTC(比較匹配清零計(jì)數(shù)器)模式以外，還可設(shè)置為相位可調(diào)PWM、快速PWM以及相應(yīng)頻率可調(diào)PWM模式，通過(guò)外部運(yùn)算放大器從而構(gòu)成8位、9位、10位或16位的D/A轉(zhuǎn)換器。T/C1控制寄存器A和控制寄存器B如表310和表311所示。表3 13波形發(fā)生器模式的確定模式WGM1[3..0]T/C1工作模式計(jì)數(shù)上限值(TOP)OCR1A/OCR1B更新TOV1置位00000一般模式0xFFFF立即0xFFFF100018位PWM，相位可調(diào)0x00FFTOP0x0000200109位PWM，相位可調(diào)0x01FFTOP0x00003001110位PWM，相位可調(diào)0x03FFTOP0x000040100CTCOCR1ATOP0xFFFF501018位PWM，快速0x00FF立即TOP601109位PWM，快速0x01FFTOPTOP7011110位PWM，快速0x03FFTOPTOP81000PWM，相位和頻率可調(diào)ICR10x00000x000091001PWM，相位和頻率可調(diào)OCR1A0x00000x0000101010PWM，相位可調(diào)ICR1TOP0x0000111011PWM，相位可調(diào)OCR1ATOP0x0000121100CTCICR1立即0xFFFF131101保留141110PWM，快速ICR1TOPTOP151111PWM，快速OCR1ATOPTOP通過(guò)設(shè)定WGM13～WGM10=10或11，可以把T/C1設(shè)定成相位可調(diào)PWM模式，以便能在OC1A/OC1B引腳上產(chǎn)生高精度相位可調(diào)PWM波，在這種模式之下，TCNT1為一個(gè)雙程的計(jì)數(shù)器，可以從0一直增加到TOP值，并且在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)之時(shí)改變計(jì)數(shù)的方向，從TOP值開始一直減小到0。在反向比較匹配(COM11: COM10=3)模式下，如果正向加1過(guò)程中TCNT1的計(jì)數(shù)值和OCR1A/OCR1B輸出比較值相同匹配，則OC1A/OC1B被置位，OC1A/OC1B引腳輸出為高電平；如果反向減1過(guò)程中TCNT1的計(jì)數(shù)值和OC1A/OC1B輸出比較相同，則OC1A/OC1B被置零，OC1A/OC1B引腳輸出低電平。OCR1A為T/C1輸出比較匹配寄存器A，由OCR1AH跟OCR1AL拼裝成，其值可以用單片機(jī)通過(guò)程序來(lái)設(shè)定。OCR1B以及OCR1A的情況類似，當(dāng)OCR1B的值和TCNT1的實(shí)時(shí)值比較相等時(shí)，也會(huì)將TIFR中的OCF1B(T/C1輸出比較匹配B中斷標(biāo)志位) 置位以及向單片機(jī)請(qǐng)求一次中斷，亦會(huì)在OC1B(PB2)引腳上產(chǎn)生相應(yīng)波形。表3 15 T/C1的時(shí)鐘源選擇CS12CS11CS10T/C1時(shí)鐘源000無(wú)時(shí)鐘源(T/C停止計(jì)數(shù))001/1(系統(tǒng)