基于AVR单片机的数控直流电压源设计Word格式文档下载.docx
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2.2高速、低耗、保密 首先,AVR单片机是高速嵌入式单片机:
1、AVR单片机具有预取指令功能,即在执行一条指令时,预先把下一条指令取进来,使得指令可以在一个时钟周期内执行。
2、多累加器型,数据处理速度快。
AVR单片机具有32个通用工作寄存器,相当于有32条立交桥,可以快速通行。
3、中断响应速度快。
AVR单片机有多个固定中断向量入口地址,可快速响应中断。
其次,AVR单片机耗能低。
对于典型功耗情况,WDT关闭时为100nA,更适用于电池供电的应用设备。
有的器件最低1.8V即可工作。
再次,AVR单片机保密性能好。
它具有不可破解的位加密锁LockBit技术,保密位单元深藏于芯片内部,无法用电子显微镜看到。
2.3I/O口功能强,具有A/D转换等电路 1.AVR单片机的I/O口是真正的I/O口,能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。
工业级产品,具有大电流(灌电流)10~40mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器,节省了外围驱动器件。
2.AVR单片机内带模拟比较器,I/O口可用作A/D转换,可组成廉价的A/D转换器。
ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。
3.部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统,使该类单片机无外加元器件即可工作,简单方便,成本又低。
4.AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。
有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。
2.4有功能强大的定时器/计数器及通讯接口 定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。
计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出,某些型号的AVR单片机有3~4个PWM,是作电机无级调速的理想器件。
AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性,故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。
AVR单片机的型号标识解析
1.型号紧跟的字母,表示电压工作范围。
带“V”:
1.8-5.5V;
若缺省,不带“V”:
2.7-5.5V。
例:
ATmega48-20AU,不带“V”表示工作电压为2.7-5.5V。
2.后缀的数字部分,表示支持的最高系统时钟。
ATmega48-20AU,“20”表示可支持最高为20MHZ的系统时钟。
3.后缀第一(第二)个字母,表示封装。
“P”:
DIP封装,“A”:
TQFP封装,“M”:
MLF封装。
例:
ATmega48-20AU,“A”表示TQFP封装。
4.后缀最后一个字母,表示应用级别。
“C”:
商业级,“I”:
工业级(有铅)、“U”工业级(无铅)。
ATmega48-20AU,“U”表示无铅工业级。
ATmega48-20AI,“I”表示有铅工业级。
2.5AVR8-BitMCU的最大特点
与其它8-BitMCU相比,AVR8-BitMCU最大的特点是:
哈佛结构,具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力;
超功能精简指令集(RISC),具有32个通用工作寄存器,克服了如8051MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象;
快速的存取寄存器组、单周期指令系统,大大优化了目标代码的大小、执行效率,部分型号FLASH非常大,特别适用于使用高级语言进行开发;
作输出时与PIC的HI/LOW相同,可输出40mA(单一输出),作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入,具备10mA-20mA灌电流的能力;
片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能,外围电路更加简单,系统更加稳定可靠;
大部分AVR片上资源丰富:
带E2PROM,PWM,RTC,SPI,UART,TWI,ISP,AD,AnalogComparator,WDT等;
大部分AVR除了有ISP功能外,还有IAP功能,方便升级或销毁应用程序。
2.6AVR单片机的应用区域
目前,AVR已被广泛用于:
空调控制板,打印机控制板,智能电表,智能手电筒 ·
LED控制屏,医疗设备,GPS
2.7从市场角度看AVR单片机
性价比:
AVR大部分型号的性价比较高,性价比表现突出的型号有:
atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P供货方面:
通用型号的AVR供货较为稳定,非常规型号的AVR样品及供货仍存在问题。
市场占有率:
目前,AVR的市场占有率还是不如PIC与51,但,AVR的优点使得AVR的市场占有一直在扩展,AVR的年用量也一直在上涨。
3AVR单片机PWM四种工作模式
3.1普通模式
普通模式(WGM02:
0=0)为最简单的工作模式。
在此模式下计数器不停地累加。
计到8比特的最大值后(TOP=0xFF),由于数值溢出计数器简单地返回到最小值0x00重新开始。
普通模式输出比较单元可以用来产生中断,当然也可以利用输出比较来产生波形,这样并不推荐,因为太占用CPU时间。
3.2CTC(比较匹配时清零定时器)模式
此模式可以用来产生可变的频率变化。
了在CTC模式下得到波形输出,可以设置OC0A在每次比较匹配发生时改变逻辑电平。
这可以通过设置COM0A1:
0=1来完成。
在期望获得OC0A输出之前,首先要将其端口设置为输出。
波形发生器能够产生的最大频率为fOC0fclk_I/O/2(OCR0A=0x00)。
频率由如下公式确定:
变量N代表预分频因子(1、8、64、256或1024)。
3.3快速PWM模式
此模式可以用来产生可变的占空比变化。
快速PWM模式可用来产生高频的PWM波形。
快速PWM模式与其他PWM模式的不同之处是其单斜坡工作方式。
输出的PWM频率可以通过如下公式计算得到:
变量N代表分频因子(1、8、64、256或1024)。
3.4相位修正PWM模式
位修正PWM模式(WGM02:
0=1或5)为用户提供了一个获得高精度相位修正PWM波形的方法。
此模式基于双斜坡操作。
工作于相位修正模式时PWM频率可由下式公式获得:
变量N表示预分频因子(1、8、64、256或1024)。
例子:
CTC模式程序
初始化
DDRB|=(1<
<
PB0);
TCCR0A|=(1<
WGM01)|(1<
COM0A0);
//CTC
OCR0A=27;
TCCR0B|=0x04;
启动pwm,256分频
TCCR0B&
=0xf8;
PORTB&
=~(1<
PB0);
关闭pwm
EEPROM数据存储器
ATtiny13包含64字节的EEPROM数据存储器。
它是作为一个独立的数据空间而存在的,
可以按字节读写。
EEPROM的寿命至少为100,000次擦除周期。
EEPROM的访问由地
址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定。
EEPROM地址寄存器EEARL指定了64字节的EEPROM空间。
EEPROM地址是线性的,
从0到63。
EEAR的初始值没有定义。
在访问EEPROM之前必须为其赋予正确的数据。
写函数
voidEEPROM_write(unsignedcharucAddress,unsignedcharucData)
{
/*等待上一次写操作结束*/
while(EECR&
(1<
EEPE))
;
/*设置编程模式*/
EECR=(0<
EEPM1)|(0>
>
EEPM0);
/*设置地址与数据寄存器*/
EEARL=ucAddress;
EEDR=ucData;
/*置位EEMWE*/
EECR|=(1<
EEMWE);
/*置位EEWE以启动写操作*/
EEWE);
}
读函数
unsignedcharEEPROM_read(unsignedcharucAddress)
while(EECR&
/*设置地址寄存器*/
/*设置EERE以启动读操作*/
EERE);
/*自数据寄存器返回数据*/
returnEEDR;
注意点:
EEPROM数据存储器使用最重要的就是要防止EEPROM数据丢失。
若电源电压过低,CPU和EEPROM有可能工作不正常,造成EEPROM数据的毁坏(丢
失)。
这种情况在使用独立的EEPROM器件时也会遇到。
因而需要使用相同的保护方案。
由于电压过低造成EEPROM数据损坏有两种可能:
一是电压低于EEPROM写操作所需
要的最低电压;
二是CPU本身已经无法正常工作。
EEPROM数据损坏的问题可以通过以下方法解决:
一、当电压过低时保持AVRRESET信号为低。
这可以通过使能芯片的掉电检测电路BOD来
实现。
如果BOD电平无法满足要求则可以使用外部复位电路。
若写操作过程当中发生了
复位,只要电压足够高,写操作仍将正常结束。
2、在上电后要延时一段时间再读取EEPROM存储器中的数据。
三模数转换器(ADC)
•10位精度
•0.5LSB的非线性度
•±
2LSB的绝对精度
•13-260μs的转换时间
•最大精度达到15kSPS
•四路复用单端输入通道
•可选的向左调整ADC读数
•0-VCC的ADC输入电压范围
•可选的1.1VADC参考电压
•连续转换或单次转换模式
•通过中断源自动触发的ADC转换启动
•ADC转换结束中断
•基于睡眠模式的噪声抑制器
实际使用注意事项:
1、理论上的10位AD精度,实际上在一般的场合只能达到8位。
2、5/2^10=0.0048,而5/2^8=0.0195,相差还是很多的。
3、电源电压不稳或有毛刺波纹等都会对AD的采样精度有影响,所以在电源前CLCπ形滤波处理,在电压进入AD之前加RC处理,采样过程中要多次采样,并使用软件滤波算法来减少AD的误差。
4、在模拟器件上,地和电源一组,信号线和地一组,分别编成双绞线,这样也会增加抗干扰,另外这些线越短越好。
3.5AVR单片机的发展趋势
目前AVR单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,AVR单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
AVR单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
3.6应用
1自能仪表应用:
AVR单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
2在工业控制中的应用
用AVR单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
3在家用电器中的应用可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
4在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。
5AVR单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
3.7直流稳压电源
直流稳压电源是电子技术常用的设备之一,广泛的应用于教学、科研等领域。
传统的多功能直流稳压电源功能简单、难控制、可靠性低、干扰大、精度低且体积大、复杂度高。
普通直流稳压电源品种很多.它的供电电压大都是交流电压,当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时,稳压器的直接输出电压都能保持稳定。
稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。
前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。
纹波系数表示在额定工作情况下,输出电压中交流分量的大小;
后者表示输入电压或负载急剧变化时,电压回到正常值所需时间。
直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。
前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值,然后经整流、滤波,获得不稳定的直流电源,再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。
这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小,但体积大、耗材多,效率低(常低于40%~60%)。
后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压,从而达到稳压。
这类电源功耗小,效率可达85%左右,但缺点是纹波大、相互干扰大。
所以,80年代以来发展迅速。
从工作方式上可分为:
①可控整流型。
用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。
②斩波型。
输入是不稳定的直流电压,以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流,再经滤波后得到稳定直流电压。
③变换器型。
不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电,再经变压、整流、滤波后,从所得新的直流输出电压取样,反馈控制逆变器工作频率,达到稳定输出直流电压的目的。
电器用途 交流稳压电源应用于计算机及其周边装置、医疗电子仪器、通讯广播设备、工业电子设备、自动生产线等现代高科技产品的稳压和保护。
[3] 直流稳压电源广泛应用于国防、科研、大专院校、实验室、工矿企业、电解、电镀、充电设备等的直流供电。
(1)可用于各种电子设备老化,如PCB板老化,家电老化,各类IT产品老化,CCFL老化,灯管老化
(2)适用于需要自动定时通、断电,自动记周期数的电子元件的老化、测试 (3)电解电容器脉冲老练 (4)电阻器,继电器,马达等测试老练 (5)整机老练;
电子元器件性能测试,例行试验
4系统设计
一般的直流稳压电源存在以下问题:
输出电压是通过粗调(波段开关)及细调(电位器)来调节。
这样,当输出电压需要精确输出,或需要在一个小范围内改变时(如1.02~1.03V),困难就较大。
另外,随着使用时间的增加,波段开关及电位器难免接触不良,对输出会有影响。
常常通过硬件对过载进行限流或截流型保护,电路构成复杂,稳压精度也不高。
此外有的数控电源设计是通过高位数的A/D和D/A芯片来实现的,这虽然能获得较高的精度,但也使得成本大为增加。
本文介绍一种基于AVR单片机的低成本高精度数控直流电源,能够克服传统直流电压源的缺点,具有很高的应用价值。
系统设计及量述
本数控直流恒流源系统采用ATMEL公司生产的AVR单片机为控制核心,包括模块有:
恒流源模块、AVR单片机主控模块、键盘及显示模块、A/D—D/A转换模块以及电流检测等。
选用AVR作微控制器,其不仅性能更加完善,运行指令速度比51系列快,不需要扩展外部I/O资源,节约资金,能完伞实现功能和满足精度要求。
设计功能有:
手动设定输入电流值20mA~2A:
输出电压在24V内变化,输出电流在20mA~2A间,步进ImA:
能直接利用220V进行供电:
输出电流恒定,文波小,分辨率高:
可显示电流给定值和实测值。
系统工作流程:
通过键盘没定需要的输出电流值后,单片机AVR对设定的值送入显示器,按照一定的算法进行处理,经D/A输出电压控制恒流源电路,输出相应的电流值。
AVRl6单片机采样恒流源电路上串连的采样电阻电压,计算此恒流源电路的输出电流值并与设定的值进行比较,D/A控制输出从而实现对恒流源的输出电流的控制调节。
此数据存储于单片机输入显示器,实验结果表明输出电流能实时跟随预定值。
1恒流源电路的设计及O/A转换
恒流源实现方式很多,如运算放大器组成的恒流源,镜像电流源等,本文采用运算放大器LM358加达林顿管组成恒流源。
LM358是内部频率补偿。
适合于电压范围很宽的单电源使用。
DAOUT输入通过集成运放LM358恒定ADIN点的电压,起到了恒流的作用:
达林顿管连接构成共基极输入,很高的输出阻抗,达到恒流和扩流的目的,电阻R6上的电压恒等于DAOUT输入电压,得到一个町控制恒流源。
恒流源是20mA~2A的范围,步进ImA,变化有1980个点,用11位的D/A实现。
D/A转换电路采用TLV5638,TI公司的12位D/A转换,有两个输出通道,数据传输接口为3线制串口,该接口与常用的微控制器或者微处
器直接连接。
每次传输数据由16位的数据组成一帧,其中4位为控制命令字,12位为输}H数据。
2电流检测电路与A/D转换电路设计
输出电流能实时跟随预定值,引入一个反馈同路,用来指示当前输出的电流大小,该功能电路即电流检测电路。
恒流源电路采样电阻电压即R6上的ADIN电压输到A/D转换电路测得输出电流。
这对采样电阻的要求较高,用康锰铜电阻丝作电流测量中的取样电阻。
其特点在于温度漂移量小。
1o的康锰铜电阻丝上通过约2A电流,产生热量引起升温,导致0.02o左右阻值的变化,对电流的稳定起了很重要的作用。
同时lo的康锰铜电阻丝约长lⅢ,与
外界接触面积大,散热快,利于减小温度漂移的影响。
电流检测电路如图3,^/D转换采用AD977,是AnalogDevice公司推出的一款扁‘速16位A/D转换器,低功耗,采样200KSPS。
2恒流源测试结果恒流源电路测试分有负载和无负载两种方式。
控制面板输入设定值,测
得恒流源在尤负载下的电流值:
加入负载值,测得在设定值下的电流值。
测得值跟设定值对比得表一.
系统框图
图为系统的总体框图。
本系统通过小键盘和LCD实现人机交流,小键盘负责接收要实现的电流值,LCD12864负责显示。
AVR单片机根据输入的电流值产生对应的波,经过滤波和功放电路后对压控直流元件进行控制,产生电流,电流再经过采样电阻到达负载。
同时,对采样电阻两端信号进行差分和放大,送入ADC。
单片机根据采集到的值调整PWM输出,从而调整了输出电流。
如此反复,直到电流达到设定要求。
4.1硬件模块介绍
1人机接口模块
本模块包括小键盘电路和液晶显示电路。
键盘设计为3×
4键盘,由数字键0~9,功能键“删除”及“确认”组成,采用反转法实现键值识别。
显示电路由带中文字库的LCD12864构成,该液晶可以每行8个汉字显示4行。
由于这部分电路比较简单,在此不详述。
2核心控制模块
系统的核心控制模块为AVR单片机(ATMEGA16L)。
主要使用了AVR的PWM功能和A/D功能。
AVR单片机片内有一个具有16位PWM功能的定时/计数器。
在普通模式下,计数器不停地累加,计到最大值(TOP=0xffff)后溢出,返回到最小值0x0000重新开始。
当启用PWM功能即在单片机的快速PWM模式下,通过调整OCR1A的值可实现输出PWM波的占空比变化。
产生PWM波形的机理是:
PWM引脚电平在发生匹配时(匹配值为0~0xffff之间的值,如图2中的C),以及在计数器清零(从MAX变为BOTTOM)的那一个定时器时钟周期内发生跳变,具体实现过程如图2所示。
图2PWM波产生过程
图2中的C~F为OCR1A匹配值。
从图中可见,波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变化,从而实现了PWM波。
由于OCR1A的值可以从0x0000到0xffff,共有65535个值,因此PWM波的最大分辨
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