基于—atmega8(AVR)數控恒流源論文

1、摘 要隨著電子技術的深入發(fā)展，各種智能儀器越來越多，涉及領域越來越廣，而儀器對電源的要求也越來越高。根據主流應用需求，本文提出一種數控恒流源設計方案。本設計方案采用AVR 8位高速嵌入式單片機ATmega8作為直流恒流源的控制、顯示和輸出電流檢測核心，實現20mA到2000mA數控可調直流恒流源。系統(tǒng)的顯示部分采用LCD1602液晶顯示屏實時顯示設定電流值和實測電流值；輸出電流控制采用10位串行D/A芯片TLC5615輸出模擬量；電流測量采用低溫漂大功率的水泥電阻取樣電阻，利用ATmega8內部的10位A/D進行電流檢測和監(jiān)控。硬件電路恒流部分的控制端采用多個精密運算放大器OP07接成閉環(huán)反饋

2、控制形式，受控部分采用達林頓管進行擴流、精確輸出設定電流。電源部分采用大功率變壓器供電，多級電容濾除紋波干擾；電源輸出采用三端穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓，并且利用大功率達林頓管進行擴流以滿足后級功率需求。目 次摘 要I目 次II前 言1第1章 總體方案設計11.1 總體方案概述11.2系統(tǒng)設計框圖21.3 ATmega8芯片簡介2主要特性2第2章 硬件的配置及功能的實現32.1電源模塊的設計方案42.2恒流源模塊的設計方案42.3電流采樣電阻的設計方案42.4 控制模塊的設計方案42.5 顯示模塊的設計方案52.6 詳細硬件設計52.6.1電源電路的硬件設計52.6.2鍵盤、顯示、D/A模塊、控制部分硬

3、件設計62.6.3恒流及采樣電路的硬件設計6第3章 軟件的配置及功能的實現7主程序設計7第4章 系統(tǒng)測試11結 論11心 得11致 謝11參考文獻12前 言隨著電子技術的深入發(fā)展，各種智能儀器越來越多，涉及領域越來越廣，而儀器對電源的要求也越來越高?，F今，電源設備有朝著數字化方向發(fā)展的趨勢。通常電子設備所使用的電源都是電壓源，但是有些電子器件和設備需要電流源才能驅動，通常這些設備都是通信設備。在工業(yè)上為了避免傳輸線路的電阻和電磁干擾，通常都采用電流源作為通信信號，而這個信號的穩(wěn)定性直接關系到安全生產和設備的安全。隨著IC制造業(yè)的進步，當前的模擬芯片的精度越來越高，功耗卻越來越低，在這種背景下，

4、原本較難設計的模擬電路，現在也能很容易地實現，恒流源也是其中的一種。電流源是當今電子工業(yè)上大量使用的一種電源，很多設備和器件需要電流源才能正常工作，比如半導體激光器，大功率LED等。很多老的電流源電路都采用三極管等元器件搭建而成，采用這種三極管搭建的恒流源電路，精度低，還受到各種各樣的干擾信號的影響，因此不可能應用到高精度儀器設備領域。隨著運算放大器設計技術與制造工藝的進步，運算放大器應用于高精度模擬電路成為一種普遍現象。近幾年來，隨著單片機技術飛速發(fā)展，基于單片機數字控制技術應運而生。單片機能夠實現各種測試和控制功能，通常處于被控系統(tǒng)的核心地位，在控制方面單片機技術已經相當成熟。在嵌入式微處

5、理器無處不在的今天，儀器設備的數字化改造是一種必然趨勢，同樣地，各種電源也在朝著數字化、小型化、大功率化方向發(fā)展。因此，本文提出一種將嵌入式微處理器和傳統(tǒng)模擬電路相結合的數控電源設計方案。通過本設計方案設計的數控恒流源預計達到以下技術指標：（1）輸出電流范圍：20mA2000mA； （2）可設置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值給定值的1+10mA； （3）具有“+”、“-”步進調整功能，步進5mA； （4）改變負載電阻，輸出電壓在10V以內變化時，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的1+10 mA； 第1章 總體方案設計1.1 總體方案概述本設計采用atmel公司8位高速

6、嵌入式AVR單片機ATmega8作為恒流源的控制、顯示和輸出電流檢測核心，實現了20mA到2000mA數控可調直流恒流源。系統(tǒng)的顯示部分采用LCD1602液晶顯示屏實時顯示設定電流值和實測電流值；輸出電流控制采用D/A輸出模擬量；電流測量采用低溫漂大功率的水泥電阻作為取樣電阻，利用ATmega8內部的10位A/D進行電流檢測和監(jiān)控。硬件電路恒流部分的控制端采用多個精密運算放大器OP07接成閉環(huán)反饋控制形式，受控部分采用達林頓管進行擴流、精確輸出設定電流。電源部分采用大功率變壓器供電，多級電容濾除紋波干擾；電源輸出采用三端穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓，并且利用大功率達林頓管進行擴流以滿足后級功率需求。1.2

7、系統(tǒng)設計框圖AVR單片機ATmega810位DAC信號調理電路內部10位ADC信號調理電路鍵盤LCD1602采樣電阻電流控制模塊1.3 ATmega8芯片簡介ATmega8 是ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR高檔單片機。在AVR家族中，ATmega8是一種非常特殊的單片機，它的芯片內部集成了較大 容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點。但由于采用了小引腳封裝（為DIP 28和TQFP/MLF32），所以其價格僅與低檔單片機相當，再加上AVR單片機的系統(tǒng)內可編程特性，使得無需購買昂貴的仿真器和編程器也可進行單片機 嵌入式系統(tǒng)的

8、設計和開發(fā)，同時也為單片機的初學者提供了非常方便和簡捷的學習開發(fā)環(huán)境。ATmega8的這些特點，使其成為一款具有極高性能價格比的單片機，深受廣大單片機用戶的喜愛，在產品應用市場上極具競爭力，被很多家用電器廠商和儀器儀表行業(yè)看中，從而使ATmega8迅速進入大批量的應用領域。ATmega系列單片機屬于AVR中的高檔產品，它承襲了AT90所具有的特點，并在AT90（如 AT9058515、AT9058535）的基礎上，增加了更多的接口功能，而且在省電性能。穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮得更加周全和完善。主要特性內部特點：·高性能、低功耗的8位AVR微處理器。·先進的RISC

9、 結構。·130 條指令 大多數指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期。·32個8 位通用工作寄存器。·全靜態(tài)工作。·工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS。·只需兩個時鐘周期的硬件乘法器。·非易失性程序和數據存儲器。·8K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash。·擦寫壽命：10,000 次。·具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)。·通過片上Boot 程序實現系統(tǒng)內編程。·真正的同時讀寫操作。·512字節(jié)的EEPROM。·1K字節(jié)的片內SRAM。·可以對鎖定位進行編程以實

10、現用戶程序的加密 。外設特點：· 2個具有比較模式的帶預分頻器（ Separate Prescale）的 8位定時/計數器。·1個帶預分頻器（SeParat Prescale），具有比較和捕獲模式的 16位定時/計數器。·1個具有獨立振蕩器的異步實時時鐘（RTC）。·3個PWM通道，可實現任意<16位、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出。·6通道 A/D轉換（PDIP封裝），4路10位A/D+2路8位A/D。·1個I2C的串行接口，支持主/從、收/發(fā)四種工作方式，支持自動總線仲裁。·1個可編程的串行USART接口，支持

11、同步、異步以及多機通信自動地址識別。·1個支持主/從（Master/Slave）、收/發(fā)的SPI同步串行接口。·帶片內RC振蕩器的可編程看門狗定時器。特殊的處理器特點·上電復位以及可編程的欠電壓檢測電路。·內部集成了可選擇頻率（l/2/4/8MHZ）、可校準的RC振蕩器。·外部和內部的中斷源18個。·5種睡眠模式: 五種睡眠模式：空閑模式（Idle）、ADC噪聲抑制模式（ADC Noise Reduction）、 省電模式（Powersave）、掉電模式（Powerdown）、待命模式（Standby）。I/O 和封裝·最多

12、32個可編程I/O口，可任意定義I/O的輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出，驅動能力強，可直接驅動LED等大電流負載：輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設定帶內部上拉電阻，省去外接上拉電阻。·28腳PDIP封裝，32腳TQFP封裝和 32腳MLF封裝。第2章 硬件的配置及功能的實現硬件設計一共分為三大工作模塊：基于達林頓管擴流的電源部分、恒流控制電路部分和基于單片機的顯示和控制部分。電源部分包括大功率變壓器、整流橋、濾波和穩(wěn)壓模塊等；恒流控制電路部分包括多個精密運算放大器OP07接成閉環(huán)反饋控制模塊、采樣電阻取樣電路部分等；單片機的顯示和控制部分包括按鍵模塊， D/A模塊和液晶顯示模塊。2.

13、1電源模塊的設計方案方案一：變壓器輸出，通過簡單的整流濾波電路，加上3端穩(wěn)壓芯片，得到所需要工作電壓，這種電路低電流時穩(wěn)壓性能比較好，但輸出大電流時，管子發(fā)燙很嚴重，而且難以維持線性穩(wěn)壓特點，難以得到大電流的輸出。方案二：在方案一基礎上加上達林頓管進行擴流，這種電路既利用了穩(wěn)壓集成塊優(yōu)秀的穩(wěn)壓性能，又能夠比較大的電流輸出，在一些高精度的線性穩(wěn)壓電源中被廣泛采用。由于本設計需要輸出達到2000ma，這個電流已經相當的大，因此選用方案二。2.2恒流源模塊的設計方案方案一：晶體管恒流，這類恒流源以晶體三極管為主要組成器件 ,利用晶體三極管集電極電壓變化對電流影響小。并在電路中采用電流負反饋來提高輸出

14、電流之恒定性 。通常 ，還采用一定的溫度補償和穩(wěn)壓措施方案二：集成運放恒流，這類恒流源是普遍應用的高精度恒流源，使用元件普遍，易于搭建，并且容易調試，也可以通過電壓來控制輸出電流的大小，通過負反饋，使得電流更加穩(wěn)定！由于本設計要實現可調的電流，并且要求精度較高，結合自己的知識水平，選用了方案二。2.3電流采樣電阻的設計方案方案一：采用康銅絲作為采樣電阻，康錳銅電阻絲是電流測量中很常用取樣電阻，其特點在于溫度漂移量非常小，而且精度很高方案二：采用水泥電阻作為采樣電阻，水泥電阻也是電流檢測中常用的電阻，其特點是低溫漂，功率大，但是精度不高由于康銅絲在市面上很難買到，并且本設計要求精度也不是特別高，

15、因此選用了容易買到的水泥電阻作為采樣電阻2.4 控制模塊的設計方案方案一：采用51系列單片機作為控制核心，51單片機是常用的單片機，它可以作為很多控制系統(tǒng)的核心，I/O口資源豐富，靈活性比較強，性價比也高，操作起來也簡單。方案二：采用ATmega8單片機作為控制核心，ATmega8單片機是具有有強大功能的8位微控制器，功耗低，它內部集成6路10位ADC，可以直接用于電流測量時的數據采集，以及數字控制輸出；I/O口資源豐富，可以直接完成對鍵盤輸入和顯示輸出的控制；存儲空間大，驅動能力強，并且可以使用內部時鐘。因為51單片機還得外擴ADC芯片作為電流的檢測，并且其驅動能力不夠強，體積也較大，因此選

16、用avr系列中的ATmega8作為控制核心，這樣節(jié)省了很多外部資源，同時也減小了電路板的體積。2.5 顯示模塊的設計方案方案一：采用數碼管作為顯示，數碼管常被用于顯示中，其體積小，亮度大，特別是在強光下也能清晰的看見其顯示的數據，并且其成本低廉，但是也要有其缺點，驅動電流需要比較大，導致功耗也相應的增大。方案二：采用LCD1602作為顯示，1602功耗相對于數碼管較小，體積也一般，其驅動電流比數碼管的小，并且顯示信息量大，一般無閃爍，對人體屋危害，但是也有其缺點，強光條件下，必須有背光才可以清晰的看到顯示內容，并且可視角度有限制，價格相對數碼管較貴。綜合考慮最終選擇了LCD1602作為顯示，這

17、樣可以人性化點，并且相應的降低了整個系統(tǒng)的功耗2.6 詳細硬件設計2.6.1電源電路的硬件設計 在本系統(tǒng)中，要求輸出2000mA的大電流，而且對紋波的要求很高，電源部分的電路圖如下圖所示，變壓器輸出約正負24伏特的交流電壓經過全橋進行整流，通過電容濾波， 104pF用于濾除電源中的高頻交流成分。采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7815驅動達林頓管TIP127，使電源輸出電流能達到2A以上，以滿足電流源的需要。 2.6.2鍵盤、顯示、D/A模塊、控制部分硬件設計 本設計采用ATmega8作為控制核心，并且采用其內部的10位AD作為檢測電流的檢測及監(jiān)控，用TLC5616數模轉換芯片產生精確的可調電壓，采用

18、lcd1602作為顯示部分，三個鍵盤作為可調電壓的輸入，通過軟件設計可實現步進5ma和步進20ma。電路設計圖如下！2.6.3恒流及采樣電路的硬件設計 電路圖如下圖所示，所有放大器均采用低溫漂的高精度的op07運算放大器！圖中U2連接成電壓跟隨器形式，按照其原理有A點電壓等于C點電壓，而A點電壓又等于B點電壓，所以有C點電壓等于B點電壓,流過R2的電流為 由此可知只要Vb電壓不變即輸入端電壓不變就不會發(fā)生改變，從而實現壓控電流，得到恒流輸出，采樣部分采用兩路采樣，當電壓比較小時通過ATmega8控制選取AD0通道，此通道通過U0同向放大電路，放大10倍，讓小信號也能精準的測量出來，大信號時采用

19、AD1通道。通過測量與預設值對比，從而調整輸入電壓，讓輸出電流更接近預設值！第3章 軟件的配置及功能的實現本設計的軟件方案相對簡單，僅僅實現按鍵輸入檢測、設定值輸出、取樣比較、顯示等幾部分。軟件系統(tǒng)的任務主要有A/D轉換、D/A轉換、步進加減、鍵盤掃描、液晶顯示等功能。主程序設計系統(tǒng)加電后，主程序首先完成系統(tǒng)初始化，其中包括I/O口，ADC寄存器的設置，系統(tǒng)變量賦初值等工作；進入鍵盤掃描程序，鍵盤掃描獲取鍵值后根據鍵值，通過編寫DAC完成設定預置電流值，步進加減，同時讀取ADC的值，并通過LCD顯示預設值與實測值，主程序不斷檢測是否有按鍵輸入，如果有按鍵，則進行相應的鍵值處理，根據按鍵改變設定

20、的電流值，實現數控輸入。再根據設定值，對應改變顯示內容和DAC輸出的控制電壓。主程序流程圖如下圖所示。開始系統(tǒng)初始化鍵盤掃描YesNO是否有按鍵按下調用液晶顯示步進-處理步進+處理 主程序如下int main(void)DDRC|=(1<<3)|(1<<4)|(1<<5);DDRC&=(1<<0);DDRC&=(1<<1);DDRC&=(1<<2);DDRB&=(1<<0);DDRB&=(1<<1);DDRB|=(1<<2)|(1<<3

21、)|(1<<5);PORTC|=(1<<1)|(1<<2);PORTC&=(1<<0);PORTB|=(1<<0)|(1<<1);DDRD=0xff;unsigned int dadata;unsigned int temp=2;char xianshi_da16; char xianshi_ad16;unsigned int adtemp=0;unsigned char key;unsigned char Key_flag;unsigned int AD_read;unsigned int plan_value=

22、20;LCD_Init();while(1)dadata=temp;dac_convert(dadata);if(temp<42)AD_read=adc_read_0();elseAD_read=adc_read_1(); key=keypress();Key_flag=key_flag();if(Key_flag=1) if (key=1&&temp<1024) temp=temp+8;plan_value=plan_value+20; if (key=2&&temp-8>0) temp=temp-8;plan_value=plan_valu

23、e-20; elseif (key=1&&temp<1024) temp=temp+2; plan_value=plan_value+5;if (key=2&&temp>0) temp=temp-2; plan_value=plan_value-5; if (temp0!=plan_value)temp0 = plan_value; /datatemp=(temp<<1)+(temp>>1)-(temp>>5)+15;/(unsigned long)temp*2530/1024;sprintf(xianshi_da

24、,"Yushe: %4d MA",plan_value);LCD_Write_String(0,0,xianshi_da);if (AD_Read0!=AD_read)AD_Read0 = AD_read; adtemp=(AD_read<<1)+(AD_read>>1)-(AD_read>>5);/(unsigned long)AD_read*2530/1024+5;if (adread_temp=0)&&(adtemp>600)adtemp=adtemp-5;adread_temp=1;if (adread_te

25、mp=1)&&(adtemp>900)adtemp=adtemp-10;adread_temp=2;if (adread_temp=2)&&(adtemp>1200)adtemp=adtemp-5;adread_temp=3;sprintf(xianshi_ad,"Shice: %4d MA",adtemp);LCD_Write_String(0,1,xianshi_ad);if (plan_value>(adtemp+5) if(temp<1024) temp=temp+1; if(plan_value<(ad

26、temp-5) if(temp>1) temp=temp-1; /TODO: Please write your application code第4章 系統(tǒng)測試測試數據及結果分析（1） 輸出電流范圍：20mA2000mA（2） 輸出電流與給定值測試數據如下表序號12345678給定電流Id(mA)202006008001300150017002000顯示電流(mA)202006037971299150316992000輸出電流IL(mA)202046047961384148316801970|IdIL|(mA)044416172030Id×110(mA)10.0212161823252730由測試結果可以看出，小電流是比較理想，而當大電流是誤差比較大，因為當大電流時達林頓管管發(fā)熱很厲害，散熱器還不夠大足以散掉其熱量，還與采樣電阻有關，采樣電阻精度不高！但是誤差在要求范圍之內，可見滿足題設要求！結 論本設計是基于8位ATmega8單片機控制與調整輸出電壓，從而實現壓控電流的作用，由此實現恒流，并通過液晶顯示預設值與ADC測量的電流值，通過AD的反饋調整DA輸出電壓，使得輸出電流更接近預設值。同時實現了輸出電流可調，通過按鍵可以步進加5ma或者20ma，步進減5ma或20ma功能。很好的滿足了題設要求！難點分析：在制作恒流源的設計與制作過程中，本方案遇