基于avr單片機的開關電源的設計與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 源，可以有以下幾種方案。 方案一：單片機的擴展 A/D 和 D/A 芯片，單片機通過 A/D 轉換芯片不斷的檢測電源的輸出電壓值，再根據電源輸出的電壓值與設定值的差值調整 PWM 脈寬，然后通過 D/A 芯片輸出一個基準的電壓值，從而控制專門的 PWM 控制芯片，間接地控制電源工作。 方案二：單片機通過 A/D 轉換輸出一個電壓，作為電源的基準電壓，電源可以通過鍵盤設置預置輸出電壓，如果單片機不加入反饋控制，電源仍要使用專門的PWM 控制芯片，工作過程為：當通過鍵盤設置預置電壓時，單片機通過 數模轉換芯片輸出一個電壓作為控制芯片的一個基準電壓，這個基準電壓可以使控制芯片按預置電壓值來輸出相應的占空比的控制脈沖，以輸出期 望的輸出電壓值。 方案三：選用帶 模數轉換 的 Atmega8 單片機芯片，通過片內 模數轉換模塊 實時整流 濾波 電路 開關管 濾波電路 采樣電路 比較放大 脈沖調寬 輸出 輸入 基準電壓 唐 山 學 院 畢 業 設 計 5 檢測輸出電 壓值 的大小，然后再同預置電壓值相比較，根據預置電壓與采樣電壓的誤差，調整單片機輸出 PWM 脈沖的占空比，從而實現輸出電壓值與預置電壓值相等。 方案一分析：單片機加入了反饋控制，使系統的穩定性提高，但是由于單片機還需要擴展 A/D 轉換 和 D/A 轉換 芯片，而且還是需要專門的 PWM 控制芯片，成本很高，不宜采用。 方案二分析：單片機中只是輸出一個基準電壓，沒有加入反饋控制，這樣仍要使用專門的控制芯片，單片機的作用非常的小 ，而且價格比較昂貴，電源的成本增加，削弱了單片機本身的作用，浪費了單片機大量的 I/O 口的資源，成本高，不適宜采用。 方案三分析：在本方案中，不僅單片機中加入了反饋控制，而且是以單片機作為開關電源的控制核心，單片機得到了充分的利用，而且省去了 D/A 轉換 芯片和A/D 轉換 芯片，使成本大大的降低。 綜合以上分析，本次設計選擇方案三控制方案，使用 Atmega8 單片機，采用 4位數碼管顯示輸出電壓值、輸出電流值以及鍵盤預置電壓值等，本設計要求輸出電壓值是可以調節的，所以設定預置值時需要從鍵盤輸入，實現輸入不同的電壓值，輸 出端口就可以輸出不同的電壓值。 總體結構設計 本設計的系統工作原理如圖 22 所示。工頻的交流電經過變壓器降壓，再經過整流濾波電路將輸出電壓分成了兩路，其中的一路電壓通過穩壓與濾波電路輸出+5V的電壓以提供給單片機，而另一路電壓則作為開關變換部分的輸入電壓。單片機根據鍵盤的輸入值和采樣電壓值之間的差值，來修改單片機輸出 PWM 脈沖的占空比，通過此脈沖，控制功率管的通與斷，以便得到期望的輸出電壓值。當鍵盤上有輸入動作的時候，單片機就會到檢測鍵盤的輸入動作，同時修改相應的占空比，在經過其內部集成的 A/D 轉換模 塊 采樣輸出電壓，單片機根據采樣電壓值與鍵盤的輸入動作再次修改 PWM 脈沖的占空比，從而使輸出電壓變得穩定。而開關變換器采用工字型電感作為儲能元件，在功率管導通的時候，電感會儲存能量，在功率管關斷時，電感釋放其所存儲的電能供給負載。 當閉環的時候，開關電源自動進行脈寬調制，當系統讀取到鍵盤預置的電壓變化時，先將鍵盤輸入值和從輸出端的取樣值進行比較，假設當前鍵盤輸入值為 10V，從輸出端取樣出的值為 6V，差值為 4V，而系統就會根據這個差值，更新脈寬提高PWM 脈沖的占空比，從而使得輸出端電壓上升為 10V；同樣的，當鍵 盤輸入值為6V，輸出端的取樣值為 10V，差值為 4V，系統會根據這個誤差值更新脈沖的寬度，唐 山 學 院 畢 業 設 計 6 將 PWM 脈沖的占空比減小以使輸出的電壓變小，這就是系統的脈寬調制過程。 與此同時，電源可以進行自動穩壓，假設在某一正常的狀態下，輸出電壓為 OV ，反饋電壓為 fV ( Of VV? )，用戶設定電壓為 SV ，當 SO VV ? 時，偏差為 0V，單 片機不進行脈寬的更新，當電網波動導致輸出電壓增加時，即 SO VV ? 時，單片機采樣的電壓也會增加，單片機會根據偏差值修改占空比使導通時間變小，從而使電壓值下降，同樣當電網波動使輸出電壓下降時，即 SO VV ? 時，單片機修改脈寬使得導通時間變長，從而使輸出電壓值上升，如此循環來進行穩壓。 圖 2 2 單片機控制開關電源系統框圖 整流濾波電路 開關變換電路 整流濾波電路 控 制 電 路 輔助電源 四位數碼管 取樣電路 鍵盤 輸出 唐 山 學 院 畢 業 設 計 7 3 系統核心器件選擇 單片機簡介 Atmega8 是由 ATMEL 公司在 2021 年的第一季度推出的一款新型的 AVR 高檔單片機。在 AVR 的大 家族中， Atmega8 是一種非常特殊的單片機它的芯片內集成的存儲器容量較大及硬件接口電路豐富強大，具有 AVR 單片機 MEGE 系列的全部性能以及特點。但是采用的封裝為小引腳（ DIP 28 和 TQFP/MLF32），因此其價格較便宜，并且 AVR 單片機系統內自帶的可編程特性，使得不需要購買昂貴的編程器和仿真器亦可以進行單片機的嵌入式系統的開發和設計，同時 ，也是為單片機的初學者提供了非常方便以及簡捷的學習開發環境。 Atmega8 的如此許多的特點，使其成為一款具有極高的性價比的單片機，在產品應用市場上極具競爭力，深受廣大單片機用戶的喜愛，而且亦被很多儀器儀表行業和家用電器廠商看中，從而，使 Atmega8 迅速地進入大批量的應用領域。 Atmega8 為一款采用 CMOS 工藝生產的低功耗的單片機，并且基于 AVR RISC的 結構的 8 位的單片機。 AVR 單片機核心部分是將 32 個工作寄存器以及豐富的指令集聯結到一起，所有的工作寄存器均與 ALU（算術邏輯單元）直接相連 ，從而實現了在一個時鐘周期內僅執行一條指令，并且與此同時訪問（讀寫）兩個獨立的寄存器的操作。因此， Atmega8 達到接近 1MIPS/MHz 的性能，運行的速度比普通的CISC 單片機要高出 10 倍 。 本設計中是利用單片機 Atmega8 作為主要的控制器件，由單片機產生 PWM 脈沖控制功率開關管的導通與關斷，從而來實現開關電源的輸出電壓的可調功能。 引腳說明 Atemga8 現 有 MLF、 PDIP 和 TQFP 三種封裝形式，其中 MLF 屬于超小型表貼封裝，左上角圓形標記處為引腳序號的起點和終點； PDIP 是一種雙列直插式 塑料封裝， 28 引腳分成左右兩排； TQFP 是超薄方形扁平塑料封裝， 32 條引腳線均勻地分布在正方形的四條邊上，截角處為引腳序號起點。本設計中所用到的單片機就是28 引腳的雙列直插式的其引腳圖如圖 31 所示。 唐 山 學 院 畢 業 設 計 8 P B 0 (IC P )14P B 1 (O C 1 A )15P B 2 (S S /O C 1 B )16P B 3 (M O S I/O C 2 )17P B 4 (M IS O )18P B 5 (S C K )19P B 6 (X T A L 1 /T O S C 1 )9P B 7 (X T A L 2 /T O S C 2 )10P D 0 (R X D )2P D 1 (T X D )3P D 2 (IN T 0 )4P D 3 (IN T 1 )5P D 4 (X C K /T 0 )6P D 5 (T 1 )11P D 6 (A IN 0 )12P D 7 (A IN 1 )13GND8VCC7A V C C20A R E F 2 121G N D22(A D C 0 )P C 023(A D C 1 )P C 124(A D C 2 )P C 225(A D C 3 )P C 326(A D C 4 /S D A )P C 427(A D C 5 /S C L )P C 528(R E S E T )P C 61 Atmega8 的引腳說明如下： 數字電路電源。 接 地。 B(PB7..PB0) 端口 B 是 8 位雙向的 I/O 口，而且具有可編程內部上拉電阻。而其輸出緩沖器具有對稱驅動特性，可以輸出和吸收大電流。當用作輸入使用的時候，如果內部的上拉電阻使能，此時端口被外部電路拉低，將會輸出電 流。在復位的過程中，即使系統的時鐘還沒有起振，端口 B 仍 處于高阻的狀態。而通過時鐘來選擇熔絲位設置，PB6 可以作為正方向振蕩放大器或者時鐘操作電路輸入端。通過時鐘來選擇熔絲位設置， PB7 可以作為反方向振蕩放大器輸出端。 C(PC5..PC0) 端口 C 是 7 位雙向 I/O 口，具有可編程內部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱驅動特性，可輸出和吸收較大電流。作為輸入引腳使用時，如果內部的上拉電阻有使能，當端口被外部的電阻拉低時將會輸出電流。而在復位的過程中，即使系統的時鐘還沒有起振，端口 C 也是 處于高阻狀態。 PC6 的電氣特性不同于端口 C 的其他引腳。如果熔絲位 RSTDISBL 編程， PC6可以 作為通用 I/O 口 引腳使用。如果熔絲位 RSTDISBL 沒有編程， PC6 可 作為復位輸入引腳。持續的時間長度超過最小門限的時間長度的低電平將會引起系統的復位，如果持續時間不超過最小門限時間的低電平，則不能夠保證單片機復位的可靠。 D(PD7..PD0) 端口 D 是 8 位的雙向 I/O 口，具有可編程的內部的上拉電阻。其具有對稱驅動特性的輸出緩沖器，可以吸收和輸出較大的電流。而當作輸入使用的時候，如果內部的上拉電阻使能，那么端口被外部的電路 拉低時將會輸出電流。而在復位的過程當中，即便系統時鐘還沒有起振，端口 D 則 處于高阻狀態。 圖 3 1 Atmega8 的引腳圖 唐 山 學 院 畢 業 設 計 9 6. RESET 復位輸入引腳。若持續的時間超過最小門限的時間的低電平將會引起系統的復位。若持續的時間小于門限的時間的脈沖并不能保證復位的可靠性。 7. CCAV CCAV 是端口 C(3..0) 、 ADC(7..6)及 模數 轉換器的電源。當不使用 ADC 時，此引腳應該直接與 CCAV 連接。而使用 ADC 時應該通過一個低通濾波器與 CCAV 連接。需要 注意的是端口 C(5..4） 為數字電源。 模數轉換的模擬基準輸入引腳。 Atmega8I/O口概述 Atmega8 的 I/O 口共有 PB、 PC、 PD 三個，其中 PC 口為 7 位 I/O 端口，相應的端口線為 PC6～ PC0； PB 和 PD 均為 8 位的 I/O 端口，相應端口線為 PB7～ PB0和 PD7～ PD0。 在 PB、 PC 和 PD 三個端口中，每個端口都有三個 I/O 寄存器。以 X（ X 的取值為 B、 C 和 D 之一）端口做為例 子，這三個 I/O 寄存器是 PINX（ X 口輸入引腳寄存器）、 PORTX（ X 口數據寄存器）和 DDRX（ X 口數據方向寄存器）。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構成。因此， Atmega8 的三個 I/O端口有 9 個 I/O寄存器，它們是 PINB、 PINC、 PIND、PORTB、 PORTC、 PORTD、 DDRB、 DDRC 和 DDRD，其中， DDRC、 PORTC 和PINC 均為 7 位 I/O 寄存器，位 號 n 為 6～ 0，其余的為 8 位 I/O 寄存器。 AVR 單片機的每一 個 I/O 端口 作為通用數字 I/O 端口 使用的時候，輸出緩沖器具有對稱的驅動能力，可以輸出或吸收較大的電流，從而可以直接驅動 LED 顯示以及蜂鳴器等。而且所有端口的引 腳都是具有與電壓無關的上拉電阻，并且有保護二極管與 CCV 和地相連。 Atmega8 的 I/O 口的輸入輸出都是通過對其 I/O 口的配置而實現的，當引腳配置為輸出時，假設 PORTxn 為 1，引腳會輸出高電平，假如 PORTxn 為 0，引腳會輸出低電平；當引腳的配置為輸入時，若 PORTxn 為 1，上拉電阻將使能，如果想要關閉這個上 拉電阻，可以將 PORTxn 位清零，或者經過這個引腳配置作為輸出，即使此時并沒有時鐘在運行，復位時各引腳為高阻態。 Atmega8 的 I/O 配置如表 31所示。 唐 山 學 院 畢 業 設 計 10 表 3 1 Atmega8 的 I/O 配置 DDRxn PORTxn PUD I/O 方向 上拉電阻 說明 0 0 輸入 無 高祖態輸入口 0 1 0 輸入 有 上拉輸入口，被拉低時輸出電流 0 1 1 輸入 無 高阻態 1 0 輸出 無 輸出低電平（吸收電流） 1 1 輸出 無 輸出高