基于avr單片機的開關電源的設計與實現

唐山學院畢業(yè)設計設計題目基于AVR單片機的開關電源的設計與實現系別信息工程系班級姓名2012年6月10日基于AVR單片機的開關電源的設計與實現摘要電源是電子設備中不可缺少的功能模塊，是各種電器設備的能量的來源，其性能的優(yōu)劣直接影響電子設備的技術性能與其可靠性。因此，能否設計出性能良好的電源是電子設備是否能夠高效、可靠運行的一個基本保障。本設計是以ATMEGA8單片機作為主要控制器，制作輸出電壓可以調節(jié)的開關電源。該系統(tǒng)不僅可以預置輸出電壓而且還可以調節(jié)輸出電壓，并具有過流保護、短路保護以及數碼管顯示等功能。本論文主要講述的是由單片機產生PWM波來控制功率管的通斷。通過單片機內部集成的AD轉換器檢測輸出電壓，并和預置電壓進行比較得到誤差信號，調用調節(jié)函數實現穩(wěn)壓。單片機可以通過鍵盤來改變輸出電壓的大小，從而修改PWM波的占空比來調節(jié)輸出電壓的大小。開關電源的輸出電壓以及輸出電流可以通過數碼管來顯示，當線路發(fā)生短路或者過載時都會通過數碼管的示數顯示出來。本開關電源的主要性能有穩(wěn)壓效果好、效率高、輸出電壓可調、響應速率快。關鍵詞開關電源單片機電壓可調電壓顯示THEDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSWITCHINGPOWERSUPPLYBASEDONMCUABSTRACTTOELECTRONICEQUIPMENTS,POWERISAINDISPENSABLEFUNCTIONMODULEITISTHEENERGYSOURCEOFALLSORTOFELECTRICEQUIPMENTANDTHEPERFORMANCEOFTHEPOWERINFLUENCESTHETECHNICALCHARACTERISTICSANDRELIABILITYOFTHEELECTRONICEQUIPMENTTHEREFORE,ITISTHEBASICOFTHEELECTRONICEQUIPMENTSEFFICIENTANDRELIABLEOPERATIONTHATIFWECANDESIGNTHEGOODPOWERORNOTTHISDESIGNMAKESAPOWERWHOSEOUTPUTVOLTAGECANBEADJUSTEDBASEDONATMEGA8MCUASAMAINCONTROLLER,THESYSTEMCANNOTONLYPRESETTHEOUTPUTVOLTAGEBUTALSOADJUSTTHEOUTPUTVOLTAGE,ANDITHASFUNCTIONSSUCHASTHEFLOWPROTECTION,SHORTCIRCUITPROTECTIONANDDIGITALPIPEDISPLAYTHISTHESISISABOUTTHATPWMWAVESGENERATEDBYMCUCANCONTROLTHEHIGEPOWERTUBEITCANTESTTHEOUTPUTVOLTAGETHROUGHMCUINTEGRATEDADCONVERTER,ANDGETERRORSIGNALSBYCOMPARISONOFPRESETVOLTAGE,ANDSTABILIZEVOLTAGEBYCALLINGADJUSTMENTFUNCTIONMCUCANCHANGETHESIZEOFTHEOUTPUTVOLTAGETHROUGHTHEKEYBOARDMODIFYINGTHEPWMWAVESBUTYCYCLESWITCHPOWERSOUTPUTVOLTAGEANDOUTPUTCURRENTCANBESHOWTHROUGHTHEDIGITALTUBE,ANDITCANBESHOWBYTHEDIGITALWHENTHELINESHORTCIRCUITEDOROVERLOADHAPPENEDTHESWITCHPOWERHASAGOODEFFECTTOSTABILIZETHEVOLTAGE,HIGHEFFICIENCY,ANDITSOUTPUTVOLTAGECANBEADJUSTED,ANDITSRESPONSESPEEDISHIGHKEYWORDSSWITCHINGPOWERPWMVOLTAGEADJUSTABLEVOLTAGEDISPLAY目錄1引言12開關電源方案設計321開關電源工作原理322開關電源方案選擇與論證323總體結構設計43系統(tǒng)核心器件選擇631單片機簡介6311引腳說明6312ATMEGA8I/O口概述832ATMEGA8的AD功能9321ADC功能簡介9322ADC相關寄存器1033ATEMGA8的PWM功能14331PWM波形發(fā)生器選擇14332時鐘源選擇164硬件電路設計1741電源電路設計17411整流濾波電路設計17412開關變換電路設計1742控制電路設計18421時鐘電路設計18422單片機復位電路設計18423單片機與數碼管接口電路設計19424單片機與鍵盤接口電路設計20425反饋電路設計215系統(tǒng)軟件設計2351主程序設計2352鍵盤防抖動子程序設計2453數碼管掃描子程序設計2454ADC轉換子程序設計2555調節(jié)函數子程序設計266系統(tǒng)調試2861軟件調試調試2862系統(tǒng)整體調試2863系統(tǒng)誤差分析317PCB電路板的繪制以及制作3371電路板的制作33711PCB圖繪制33712PCB電路板的制作流程3372焊接電路板348結論35謝辭36參考文獻37附錄38附錄一總體設計電路圖38附錄二制作樣機圖39附錄三器件清單41附錄四源程序42外文資料52STEPPERMOTORISAKINDOFPUREDIGITALCONTROLMOTORANDBRUSHLESSDCMOTORCONTROLLEDBYELECTRICPULSESIGNALTYPESTEPPERMOTORISTHECOREOFTHEMODERNORIENTATIONDRIVE,WIDELYUSEDINMACHINERY,ELECTRICPOWER,TEXTILE,ELECTRONICS,INSTRUMENTS,PRINTINGANDAEROSPACE,SHIPS,WEAPONS,ANDOTHERAREASOFTHEDEFENSEINDUSTRY,ETCTHECHARACTERISTICSOFTHESTEPPINGMOTORCONTROLSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERINCLUDEHIGHSTABILITY,LOWCOST,CONVENIENTCONTROLANDWIDEAPPLICATION,ETCTHEIRREMOTECONTROLISUSEDASRHEINPUTTOTHECONTRLER,WHICHCANSENDANINPUTSIGNALOFCOMMANDFORTHETHEDESIGNOFTHESTEPPERMOTORCONTROLSYSTEMWITHTHESINGLECHIPPROCESSORASTHECOREPROCESSORTHEREMOTECONTROLCANCHANGETHEROTATIONSTATESOFSTEPPERMOTORANDTHERUNNINGSTATUSCANBESHOWEDONLCD1602DISPLAYTHEINFRAREDREMOTECONTROLWITHCARRIERFOR38KHZISUSEDASTHECONTROLENDOFTHEUSER,WHICHCANCONVERTTHEUSERSCOMMANDSINTOTHEINFRAREDSIGNALTHETL1838CANRECEIVETHEINFRAREDSIGNALANDCONVERTITINTOELECTRICALSIGNAL,WHICHINPUTTOTSTC89C52THEMCUCANOBTAININSTRUCTIONSOFUSERSBYPROCESSINGTHEINCOMINGSIGNALANDCONTROLSTEPPINGMOTOROFTHE28BYJ48TYPE,THECURRENTSTATUSCANBESHOWNBYLCD1602USERSCANCONTROLACCELERATION,DECELERATION,FORWARD,INVERSIONFORTHESTEPPINGMOTORTHEFEATURESOFTHECONTROLSYSTEMOFSTEPPERMOTORINCLUDESHIGHPRECISION,STABLERUNNING,CONVENIENTCONTROLANDSIMPLEMAINTENANCEANDWIDEAPPLICATION,ETC1引言電源技術是一種綜合電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術等的多學科應用功率半導體器件的邊緣交叉的技術。它對電子儀器、工業(yè)自動化、現代通訊、計算機、國防、電力工程以及某些高新技術提供高效率、高質量、高可靠性的電源起著關鍵性的作用。而隨著科學技術的發(fā)展，電源技術又與微電子技術、電機工程、材料科學、現代控制理論等許多領域密切相關。當代許多高新的技術均與市電的電流、電壓、相位、頻率、以及波形等基本參數的控制和變換相關，電源技術可以實現對這些參數的精密控制及高效率處理，尤其是可以實現大功率的電能頻率的變換，從而為多項高新技術的發(fā)展提供有力的支持。電源技術以及其產業(yè)的進一步發(fā)展必將為降低材料消耗、大幅度節(jié)約電能以及提高生產效率提供重要的手段。所以，不僅電源技術其本身是一項高新的技術，亦為其他多項高新技術的發(fā)展基礎。電源，現如今已經是非常重要的基礎科技以及產業(yè)，從日常生活到高尖端的科技，都離不開電源技術的參與與支持，電源技術亦正是在這種環(huán)境中不斷的發(fā)展以及壯大起來的。電源的重要性不能否認，但是傳統(tǒng)電源存在著不足的地方，比如，傳統(tǒng)的電源效率不高，線性電源由于功率管是工作在線性放大狀態(tài)，輸出電流和功率管的電流是成正比的，因此當輸出電流越大時，功耗就越大。通常情況下，線性電源效率只有4050左右，因此，提高電源效率是電源發(fā)展中應重點解決的問題，而開關電源就能夠很好地解決這個問題，開關電源的功率開關管是工作在開關狀態(tài)的，亦是說，只要開關管導通，管子就會產生損耗，因此，開關電源的效率比線性電源要高很多，一般情況下可以達到80以上，本設計選擇開關電源作為研究對象，利用其輸出電壓和輸入電壓之間的占空比的關系，假定輸入基本上是穩(wěn)定的，利用單片機控制占空比，就可以控制輸出電壓，通過A/D轉換，采樣輸出電壓，并使用數碼管顯示，然后通過鍵盤預置電壓，最終完成可調開關電源的制作。本文研究的單片機控制開關電源，可以通過鍵盤預置期望的輸出電壓值，通過A/D轉換器對輸出的電壓值進行采樣，由軟件控制單片機輸出相應占空比的脈沖寬度，對開關電源進行脈寬調制，輸出預期的電壓值，并采用調節(jié)函數控制輸出電壓穩(wěn)定，構成可輸出1V到14V的可調電壓，并顯示實時電壓和預置值。目前電子設備的日益小型化更需要供電電源的小型化，因此，制作小型化電源是未來電源制作發(fā)展的一個趨勢，傳統(tǒng)的開關電源線路一般都是很復雜體積也比較大，如果使用的單片機作為控制核心，那么必將可以大大地簡化電源的結構，為制作更加小的電源提供很大的可能，并且，使用單片機可以擴展出許多的功能，如顯示、可維護性強、實時控制調整電壓。由于目前國內擁有的專門的PWM輸出的單片機價格很昂貴，普通的單片機I/O口模擬的脈寬頻率又太低，速度太慢，遠遠達不到現代電源要求的工作頻率，因此，目前單片機控制的電源的使用并不廣泛，但是單片機在智能化、擴展性強、可實現的人機交互界面等方面的優(yōu)勢使其成為未來電源的重要發(fā)展的方向。所以，我們研究單片機控制的開關電源，非常具有現實意義以及研究意義。開關電源的效率往往是與開關管的變換速度成正比的，要進一步提高開關電源的效率，就必須要提高電源的工作頻率。但是頻率提高之后，對整個電路中的元器件又有了新的要求。要進一步研制并且生產出適合于高頻工作的儲能電感、開關管、開關變壓器、高頻電容等元器件是開關電源設計與實現所面臨的另一個問題。由于開關電源中，功率晶體管工作在開關狀態(tài)，當開關速度提高之后，會受到電路中分布的電感以及電容成分或者二極管中儲存的電荷的影響從而產生了較大的浪涌和噪聲，使其交變電流和電壓會通過電路中的元器件產生較強的諧波干擾以及尖峰干擾，這些尖峰電壓或電流可能會損壞電路當中的器件，同時這些諧波以及尖峰干擾會污染市電電網，影響鄰近的電子儀器與設備的正常性工作。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，仍然難以使用開關電源，因此，克服開關電源產生的各種噪聲干擾，是我們要努力解決的第三個問題。近年來開關電源的發(fā)展速度越來越快，而且其應用越來越廣泛。本文著重研究基于ATMEGA8單片機的開關電源設計與實現的基本原理、硬件組成以及設計、程序編寫與調試、硬件電路PCB的繪制以及樣機的制作等。2開關電源方案設計21開關電源工作原理開關電源指的是功率管工作在開關方式，即功率管工作在截止和導通狀態(tài)的電源，縮寫為SPSSWITCHINGPOWERSUPPLY。開關電源的核心部分是一個直流變換器，利用直流變換器把一種直流電壓變換為極性以及數值不同的多種直流電壓。開關電源的工作流程如圖21所示。假設開關電源的基準電壓為5V，但是，由于某種原因而使電網波動導致輸入的電壓減小，從而導致輸出的電壓也將會減小，然而在此時，采樣電路的采樣電壓也將會減小，假設采樣電壓值為49V，誤差是01V，然而，經過比較放大電路以后，脈沖調制電路會根據這個誤差，提高脈寬信號的占空比從而使輸出的電壓增大。同樣的，當電網波動導致電壓增大時，采樣電路當中的采樣電壓就會變大，脈寬調制電路就會減小脈沖的占空比而使輸出的電壓減小，從而達到電壓穩(wěn)定的效果。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圖21開關電源原理框圖22開關電源方案選擇與論證從對電源輸出的控制來說，單片機控制開關電源，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(tǒng)的穩(wěn)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(jié)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。23總體結構設計本設計的系統(tǒng)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(wěn)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(wěn)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(huán)的時候，開關電源自動進行脈寬調制，當系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)會根據這個誤差值更新脈沖的寬度，將PWM脈沖的占空比減小以使輸出的電壓變小，這就是系統(tǒng)的脈寬調制過程。與此同時，電源可以進行自動穩(wěn)壓，假設在某一正常的狀態(tài)下，輸出電壓為，反饋電壓為，用戶設定電壓為，當時，偏差為0V，OVFOVSVSO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，即時，單片V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，即時，單片機修改脈SO寬使得導通時間變長，從而使輸出電壓值上升，如此循環(huán)來進行穩(wěn)壓。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圖22單片機控制開關電源系統(tǒng)框圖3系統(tǒng)核心器件選擇31單片機簡介ATMEGA8是由ATMEL公司在2002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（DIP28和TQFP/MLF32），因此其價格較便宜，并且AVR單片機系統(tǒng)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(tǒng)的開發(fā)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(fā)環(huán)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(yè)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AVRRISC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(lián)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(zhí)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。311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。PB0ICP14PB1OC1A15PB2SS/OC1B16PB3MOSI/OC217PB4MISO18PB5SCK19PB6XTAL1/TOSC19PB7XTAL2/TOSC210PD0RXD2PD1TXD3PD2INT04PD3INT15PD4XCK/T06PD5T111PD6AIN012PD7AIN113GND8VCC7AVCC20AREF2121GND22ADC0PC023ADC1PC124ADC2PC225ADC3PC326ADC4/SDAPC427ADC5/SCLPC528RESETPC61ATMEGA8的引腳說明如下1VCC數字電路電源。2GND接地。3端口BPB7PB0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(tǒng)的時鐘還沒有起振，端口B仍處于高阻的狀態(tài)。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。4端口CPC5PC0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(tǒng)的時鐘還沒有起振，端口C也是處于高阻狀態(tài)。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(xù)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(tǒng)的復位，如果持續(xù)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。5端口DPD7PD0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。而在復位圖31ATMEGA8的引腳圖的過程當中，即便系統(tǒng)時鐘還沒有起振，端口D則處于高阻狀態(tài)。6REST復位輸入引腳。若持續(xù)的時間超過最小門限的時間的低電平將會引起系統(tǒng)的復位。若持續(xù)的時間小于門限的時間的脈沖并不能保證復位的可靠性。7CAV是端口C30、ADC76及模數轉換器的電源。當不使用ADC時，此引腳應該直接與連接。而使用ADC時應該通過一個低通濾波器與連CCAV接。需要注意的是端口C54）為數字電源。8AREF模數轉換的模擬基準輸入引腳。312ATMEGA8I/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PC6PC0；PB和PD均為8位的I/O端口，相應端口線為PB7PB0和PD7PD0。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60，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和地相連。CVATMEGA8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(tài)。ATMEGA8的I/O配置如表31所示。表31ATMEGA8的I/O配置DDRXNPORTXNPUDI/O方向上拉電阻說明00輸入無高祖態(tài)輸入口010輸入有上拉輸入口，被拉低時輸出電流011輸入無高阻態(tài)10輸出無輸出低電平（吸收電流）11輸出無輸出高電平（輸出電流）32ATMEGA8的AD功能在AVR單片機中有兩種支持模擬信號的輸入功能端口，分別是模擬比較器和模數轉換器ADC。模數轉換器在微控制器中，作用是將模擬信號轉換成數字信號的形式，微控制器才能進行處理。而且利用模擬比較器可以監(jiān)測模擬信號變化情況1。321ADC功能簡介A/D轉換，即將模擬信號轉換為數字信號的過程，A/D轉換器的簡稱為ADC模數轉換器。ADC是將連續(xù)變量的模擬輸入信號轉換成離散的二進制數字信號的器件。由于系統(tǒng)的實際對象基本上都是一些模擬量，例如壓力、溫度、聲音、圖像、電壓、位移等，要使計算機或者數字儀表能夠識別出這些模擬量，必須要首先處理這些信號，將這些模擬信號轉換成數字信號。模數轉換器是將模擬輸入信號轉換為數字信號形式輸出來。由于數字信號僅表示一個相對大小，所以每一個模數轉換器需要一個參考模擬量作為轉換標準，輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。模數轉換器實際上是一個比例的問題，ADC產生的數字值要跟輸入模擬量與轉換器量程的比值有關。轉換的關系如下（3）（12/XV/NFULSCAEIN1）其中X為數字輸出量，N為數字輸出位數（ADC的位數），是模擬輸入量INV的值，是模擬輸入量最大值。FULSCAEVADC的性能如何取決于它的指標數，ADC共有6個主要指標分辨率、轉換速率與轉換時間、功耗、采樣頻率、數據輸出速率。1分辨率分辨率是指ADC能夠轉換的二進制數位數，它描述的為ADC量化信號準確度，高分辨率ADC比低分辨率ADC能把輸入區(qū)間劃分為更多的子區(qū)間，ADC輸入范圍所劃分子區(qū)間個數的對數即為ADC的分辨位數，位數越多相應分辨率亦越高。2轉換精度轉換精度指的是A/D轉化器實際的輸出值與理想的輸出值的精確的接近程度。有兩種表達方法絕對誤差以及相對誤差。絕對誤差是一個數字量實際模擬輸入電壓和理想模擬輸入電壓之差的最大值，通常以數字量最小有效位（LSB）的分數值來表示。相對誤差指的是在整個轉換之范圍內，數字量所對應模擬輸入量的實際值同理論值之差，運用模擬電壓滿量程的百分比表示。數模轉換的轉換精度計算公式（3）（12/VNFULSCAERESOLUTIN2）3轉換時間與轉換速率轉換時間指的是ADC完成一次轉換需要的時間；轉換速率是指ADC每秒轉換次數，為轉換時間和采樣保持所需時間和的倒數，大多數的ADC轉換時間和轉換速率互為倒數的關系。4功耗功耗也是ADC性能的一個非常重要的指標。減小功耗可以減小系統(tǒng)重量，提高電池的使用時間。減小功耗可以使ADC的工作穩(wěn)定較容易保持在合理的范圍內。5采樣頻率采樣頻率是指ADC單位時間內對模擬輸入信號采樣的次數，常常表示為KSPS千次采樣每秒或MSPS兆次采樣每秒。6數據輸出速率數據輸出速率指的是單位時間內ADC輸出轉換結果次數。輸出轉換結果指數字輸出信號。ATMEGA8具有10位精度的逐次逼近型ADC，內建采樣/保持電路。其特點為05LSB非線性度和2LSB據對精度；65260US轉換時間（ADC的轉換時間表見表32），最高分辨率時采樣率可達到15KS/S；可選擇的左調整ADC讀數；連續(xù)轉換或單次轉換模式；ADC轉換結束中斷；基于睡眠模式的噪聲抑制器；可選的內部ADC參考電壓。表32AVR單片機片上A/D轉換時間條件采樣/保持（啟動轉換后的時鐘周期數）轉換時間（周期）第1次轉換145US25US正常轉換，單端15US13US自動觸發(fā)的轉換2US135US正常轉換，差分（ATMEGA16）15/25US13/14US322ADC相關寄存器ATMEGA8共有三個ADC寄存器，它們分別為ADC多工選擇寄存器、ADC數據寄存器、ADC控制和狀態(tài)寄存器。1ADC多工選擇寄存器ADMUXADMUX是多路復用選擇寄存器，也是單片機64個I/O寄存器之一，ADMUX各位定義如表33所示。表33ADMUX各位定義位76543210位符號REFS1REFS0ADLARMUX3MUX2MUX1MUX01）REFS1、REFS0位7和位6參考電壓選擇位這些位用于選擇ADC的參考電壓。若在ADC轉換過程中，這些位重新進行設置，只有在當前ADC轉換結束ADCSRA寄存器的ADIF置位后改變才會生效。如果ADC的參考電壓選用內部電壓參考源，AREF引腳上不將不需要施加外部參考電壓，只能在與地之間并接抗干擾電容。ADC的電壓參考源如表34所示。表34ADC的電壓參考源REFS1REFS0參考電壓選擇00AREF，內部關閉REFV01AVCC，AREF引腳外加濾波電容10保留11256V的片內基準電壓源，AREF引腳外加濾波電容2ADLAR位5ADC轉換結果左對齊選擇位ADLAR叫做ADC結果左端對齊選擇位，用于決定ADC轉換結果在ADC數據寄存器中的存放格式。若使ADLAR0，則ADC中數字量按“右對齊”格式存放；若ADLAR1，則ADC中數字量按“左對齊”格式存放。無論何時對ADLAR位進行改變，都會立即對ADC數據寄存器產生影響。3MUX3MUX0位3位0MUX3MUX0稱為ADC模擬通道選擇位，用于設定ADC7ADC0、和GND中哪一路模擬電壓被A/D轉換，選擇關系如表35所示。BGV表35ADC通道選擇表MUX3MUX0單端輸入通道0000ADC00001ADC10010ADC20011ADC3表36ADC通道選擇表（續(xù)）MUX3MUX0單端輸入通道0100ADC40101ADC50110ADC60111ADC71000100110101011110011011110123VBGV11110VGND2ADC數據寄存器ADCH和ADCLADC稱為單片機的數據寄存器，二進制16位，是由ADCH和ADCL拼裝而組成的，用于存放A/D轉換后得到的數字量。ADC中10位數字量有“左端對齊”和“右端對齊”兩種存放格式，受ADMUX寄存器中ADLAR位控制。若ADLAR0，則ADC寄存器中數據為“右端對齊”；若ADLAR1，則ADC寄存器為“左端對齊”。在“左端對齊”和“右端對齊”兩種格式下，ADC中數字量的存放形式如表38和表39所示。表37ADC在右端對齊下的數據格式ADLAR0位15141312111098位符號ADC9ADC8位符號ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2ADC1ADC0表38ADC在左端對齊下的數據格式ADLAR1位15141312111098位符號ADC9ADC8ADC7ADC6ADC5ADC4ADC3ADC2位符號ADC1ADC0為了確保ADC中所讀數字量為同一次A/D轉換結果，ADC數據寄存器在用戶讀出ADCL后便被凍結，ADC中不能把新的A/D轉換結果送入進去，直到ADCH寄存器被讀出以后為止。因此，如果ADC中數據采用左端對齊的格式，并且只需8位轉換精度，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。3ADC控制和狀態(tài)寄存器ADCSRAADCSRA被稱之為ADC控制和狀態(tài)寄存器。用戶可以通過IN/OUT指令對它進行讀寫，也可對其中的每一位進行位尋址。ADCSR中各位定義如表36所示。表39ADCSR各位定義位76543210位符號ADENADSCADFRADIFADIEADPS2ADPS1ADPS01ADEN位7ADEN的名稱為ADC使能位，用于控制ADC是否使能。如果ADEN1，則ADC被使能；如果ADEN0，則ADC被關閉。2ADSC位6ADSC名為ADC啟動轉換位。在單次轉換模式下，置位ADSC能夠啟動一次A/D轉換；在連續(xù)轉換的模式下，將ADSC置位會啟動第一次A/D轉換。先使ADEN1然后使ADSC1或者ADEN和ADSC同時設置為1，ADC首次進行A/D轉換，經過25個ADC時鐘后本次A/D轉換完成；在以后各次常規(guī)A/D轉換中，每次A/D只需要13個ADC時鐘時間。在每次A/D轉換過程中，ADSC始終處于1狀態(tài)，只有在A/D轉換完成后才變?yōu)?狀態(tài)。強制寫0無效。3ADFR（位5）ADFR是ADC轉換模式的選擇位。如果使ADFR0，則ADC被設定成單次轉換模式或者連續(xù)轉換模式的終止狀態(tài)；如果使ADFR1，則ADC被設定成連續(xù)轉換模式。在連續(xù)轉換的模式之下，模擬輸入電壓被連續(xù)采樣，ADC數據寄存器也被不斷地更新。4ADIF位4ADIF被稱為ADC完成中斷標志位，是一個狀態(tài)位，用于指示當前ADC中斷是否存在。如果ADIF0，則表示沒有A/D轉換或本次A/D轉換尚未完成，ADC還未更新；如果ADIF1，則表示本次A/D轉換已完成，ADC也已更新。5ADIE位3ADIE被稱為ADC中斷允許位，用于控制ADC中斷是否被允許。如果ADIE1，那么ADC中斷被允許；如果ADIE0，那么ADC中斷被關閉。一旦ADIF1，而且ADIE和SREG的位I也被置為1，則單片機便會響應中斷從而進入相應的中斷服務程序執(zhí)行。6ADPS2ADPS0位2位0ADPS2ADPS0叫做ADC時鐘預分頻選擇位，用于決定系統(tǒng)主時鐘和ADC時鐘之間的分頻率，如表37所示。ADCLK表310ADC時鐘分頻ADPS2ADPS1ADPS0分頻率000200120104011810016101321106411112833ATEMGA8的PWM功能ATMEGA8單片機定時器/計數器1除了可以設置為一般模式以及CTC比較匹配清零計數器模式以外，還可設置為相位可調PWM、快速PWM以及相應頻率可調PWM模式，通過外部運算放大器從而構成8位、9位、10位或16位的D/A轉換器。331PWM波形發(fā)生器選擇PWM波形發(fā)生器選擇控制位，在T/C1的控制寄存器A和控制寄存器B中的WGM13WGM10位。T/C1控制寄存器A和控制寄存器B如表310和表311所示。表311T/C1的控制寄存器ATCCR1A位76543210位符號COM1A1COM1A0COM1B1COM1B1FOC1AFOC1BWGM11WGM10表312T/C1的控制寄存器BTCCR1B位76543210位符號ICNC1ICES1WGM13WGM12CS12CS11CS10TCCR1A中WGM11和WGM10被稱為波形發(fā)生器模式控制位，同TCCR1B中的WGM13和WGM12組合，用于控制T/C1的計數方式和工作方式計數上限值，以及確定波形發(fā)生器的工作模式，如表312所示。表313波形發(fā)生器模式的確定模式WGM130T/C1工作模式計數上限值TOPOCR1A/OCR1B更新TOV1置位00000一般模式0XFFFF立即0XFFFF100018位PWM，相位可調0X00FFTOP0X0000200109位PWM，相位可調0X01FFTOP0X00003001110位PWM，相位可調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ICR10X00000X000091001PWM，相位和頻率可調OCR1A0X00000X0000101010PWM，相位可調ICR1TOP0X0000111011PWM，相位可調OCR1ATOP0X0000121100CTCICR1立即0XFFFF131101保留141110PWM，快速ICR1TOPTOP151111PWM，快速OCR1ATOPTOP通過設定WGM13WGM101、2、3、10或11，可以把T/C1設定成相位可調PWM模式，以便能在OC1A/OC1B引腳上產生高精度相位可調PWM波，在這種模式之下，TCNT1為一個雙程的計數器，可以從0一直增加到TOP值，并且在下一個計數脈沖到達之時改變計數的方向，從TOP值開始一直減小到0。在正向比較匹配COM11COM102見表313模式下，如果正向加1的過程中TCNT1的計數值和OCR1A/OCR1B的輸出比較值發(fā)生相同匹配，則OC1A/OC1B被置零，OC1A/OC1B引腳輸出為低電平；如果反向減1過程中TCNT1的計數值和OC1A/OC1B輸出比較相同，則OC1A/OC1B被置位，OC1A/OC1B引腳輸出為高電平。在反向比較匹配COM11COM103模式下，如果正向加1過程中TCNT1的計數值和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過程中TCNT1的計數值和OC1A/OC1B輸出比較相同，則OC1A/OC1B被置零，OC1A/OC1B引腳輸出低電平。通過設置T/C1控制寄存器A可以設定通道A以及通道B的輸出比較模式，T/C1在OC1A/OC1B引腳上輸出波形的頻率由TCNT1計數上限決定，該計數上限值越大，輸出波形頻率越低；輸出波形起始脈寬和相位由輸出比較寄存器OCR1A/OCR1B中設定的比較匹配值來決定2。OCR1A為T/C1輸出比較匹配寄存器A，由OCR1AH跟OCR1AL拼裝成，其值可以用單片機通過程序來設定。隨著TCNT1不斷計數，OCR1A中設定值一次一次地和TCNT1中實時值進行比較，一旦比較相等便將TIFR中的OCF1AT/C1輸出比較匹配A中斷標志位置位以及向單片機請求一次中斷，并改變一次OC1APB1引腳上的電平值。OCR1B以及OCR1A的情況類似，當OCR1B的值和TCNT1的實時值比較相等時，也會將TIFR中的OCF1BT/C1輸出比較匹配B中斷標志位置位以及向單片機請求一次中斷，亦會在OC1BPB2引腳上產生相應波形。表314相位可調PWM模式COM1A1/COM1B1COM1A0/COM1B0說明00OC1A/OC1B不占用PB1/PB201WGM30時，OC1A/OC1B不占用PB1/PB2WGM31時，比較匹配時觸發(fā)OC1A/OC1B10加1計數中比較匹配時清零OC1A/OC1B減1計數中比較匹配時置位OC1A/OC1B11加1計數中比較匹配時置位OC1A/OC1B減1計數中比較匹配時清零OC1A/OC1B332時鐘源選擇CS12CS10為T/C1時鐘選擇位，用來對TCNT1輸入時鐘源加以選擇控制，如表314所示。表315T/C1的時鐘源選擇CS12CS11CS10T/C1時鐘源T1CLK000無時鐘源T/C停止計數001/1系統(tǒng)時鐘I/O010/8來自預分頻器011/64來自預分頻器I/L100/256來自預分頻器OCK101/1024來自預分頻器I/110外部T1引腳，下降沿驅動111外部T1引腳，上升沿驅動4硬件電路設計41電源電路設計411整流濾波電路設計工頻220V交流電壓經變壓器降壓后，變?yōu)?8V，對該電壓整流濾波后，再經7815得到15V電壓，其中一路電壓直接作為開關變換電路的輸入電壓，另外一路將通過7805得到5V的電壓，再經過電容的濾波作用會使電壓的紋波減小，給開關電源控制電路部分的單片機提供工作電源。本電路中采用發(fā)光二極管作為電源的指示燈，當整流橋、7815和7805正常工作時，按下自鎖開關，二極管發(fā)光。但是二極管不能直接連到電源的兩端，而是應再串聯(lián)一個電阻，起到限流作用。電源設計電路原理圖如圖41所示。412開關變換電路設計開關變換電路為開關電源的核心部位，它能將一種等級的直流電壓轉換為另一種等級的直流電壓。開關變換電路原理圖如圖42所示。圖41電源電路設計原理圖12J1CON2C701UFL140MHBG3B83412J2CON2GNDD11N5189C1150V1000UFC1250V470UFPWM個個個個1243DD1LT822912J1CON2C301UFC501UFR111K112233IC2LM7805162435J3SW2GNDVCC15D2LED1C850V1000UFC1050V470UFVCC功率開關管采用B834，當控制脈沖是低電平時，功率開關管為導通狀態(tài)，電流流過電感，電感將會存儲能量，功率開關管把電路的輸入電壓轉換為高頻脈沖，當控制脈沖是高電平時，功率開關管為截止狀態(tài)，電感把所存儲的能量釋放出來給負載。為了確保電感中的電流能在開關轉換過程中保持連續(xù)，特選用肖特基二極管作為續(xù)流二極管使用，這種二極管的導通截止恢復時間較快，在開關導通變?yōu)榻刂箷r，能夠很快的由截止轉換為導通，所以能夠確保電感的電流連續(xù)。為了減少紋波電壓，輸出端的濾波電容選用的是低串聯(lián)等效電阻的優(yōu)質電容。輸出濾波電容選擇的是電解電容50V/1000UF和01UF電容。輸出濾波電感是能夠保證電流不產生斷續(xù)，而且可以起到濾波作用。42控制電路設計421時鐘電路設計單片機工作正常時，需要有一個時鐘電路。本設計選擇了內部時鐘方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶振，就構成了單片機的內部振蕩方式。單片機工作時，在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一步一步的進行，這個脈沖是由單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是CPU在執(zhí)行指令時所需要控制信號的時間順序。為保證各部件間的工作同步，因此單片機內部電路在惟一的時鐘信號控制下嚴格的按時序進行工作3。圖43時鐘電路設計原理圖圖42開關變換電路原理圖Y18MHZC122PFC222PFX1X2GNDGND利用芯片內部振蕩器，然后在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體震蕩器，就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘電路，如圖43所示。外接晶振時，兩個電容的值通常選22PF左右，電容值對頻率具有微調的作用。晶體的頻率范圍可在1212MHZ之間選擇，本設計選擇的晶振頻率為8MHZ。在實際連接中，為減少寄生電容，更好地保證振蕩器可以穩(wěn)定、可靠工作，振蕩器和電容應盡可能的與單片機芯片靠近。422單片機復位電路設計在本設計中采用上電復位，單片機的復位原理圖如圖44所示。ATMEGA8單片機為低電平復位，在單片機剛上電之時，由于電容充電，使此支路導通，將復位引腳電平拉低，當電容充電的電壓大于其復位所需的門限電壓時，復位引腳接高電平，此時復位已完成，為上電復位。423單片機與數碼管接口電路設計在本系統(tǒng)中，單片機與數碼管接口電路，采用4位數碼管（LG3641BH）顯示，實現動態(tài)掃描，由于人眼有視覺暫留效應，我們看到的數碼管不是不斷閃爍的而是靜態(tài)的。軟件譯碼實現預置電壓以及輸出電壓的功能。LED數碼管有共陰和共圖44復位電路原理圖R1510R2510R3510R4510R5510R6510R7510R8510ABCDEFGDPPB0PB2PB3PB4PB5X1X2GNDVCCC401UFGNDPB0ICP14PB1OC1A15PB2SS/OC1B16PB3MOSI/OC217PB4MISO18PB5SCK19PB6XTAL1/TOSC19PB7XTAL2/TOSC210PD0RXD2PD1TXD3PD2INT04PD3INT15PD4XCK/T06P