本科学生毕业论文
论文题目：
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专 业：
姓 名：
学 号：指导教师： 基于单片机的数控电压源设计 电子工程学院 级 电子科学与技术（微电子） 马云亮 孙凤云
2013年5月10日
2009 20096636
摘要
本论文的主要内容是利用单片机和线性稳压器制作一款输出电压可调的直流稳压电源。电路的实现是通过单片机产生一个模拟电压，通过集成运算放大器将单片机产生的微弱模拟电压进行放大，得到具有一定幅值的直流电压。然后将放大后的直流电压连接到线性稳压器的参考端，利用线性稳压器调压的工作原理，即可得到所需的具有一定输出功率的直流电压。与此同时本论文中还引入了过流保护以及输出短路保护功能，其实现方法是通过利用精密电阻器负端检测输出电流完成的，其优点是电流采样准确，抗干扰能力强。此外，利用并联均流技术，使输出负载电流可以达到2A 以上。有效地拓宽了线性稳压器的应用场合，将整机的输出功率提升到30 W，使本毕业设计能够满足一定功率的应用场合。
关键词
单片机；可调稳压器；并联均流
Abstract
The main content of this graduation design is the use of Mcu produced and linear voltage regulator produced an output voltage adjustable DC regulated power supply. The realization of the circuit is an analog voltage generated by the microcontroller, through the integrated operational amplifier weak analog voltage is amplified to obtain a DC voltage of certain amplitude. Then amplified DC voltage linear regulator connected to the reference terminal, Use linear regulator working principle, you can get a certain output power of the DC voltage. In this graduation project, the over-current protection and output short circuit protection can be achieved; it is through the use of precision resistors negative terminal to detect completion of the output current, by using the precision resistors negative terminal of the completion of the output current is detected, The advantage is the current sampling accuracy, anti-interference ability. In addition, the use of parallel balanced current technology, could make the load current of up to 2A, Effectively broaden the applications of the linear regulator, then the whole machine output power up to 30W, Thus can make this graduation design can satisfy a certain power applications.
Key words
Mcu;adjustable voltage regulator; parallel balanced current
目录
摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................... II
第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1
1.1 课题研究的目的及意义 ............................................................................................. 1
1.2 数控电压源的特点及应用 ......................................................................................... 1
1.3 本文的主要研究内容和基本结构 ............................................................................. 2
第二章 降压原理及主要工作电路 ......................................................................................... 4
2.1 整流滤波电路 ............................................................................................................. 4
2.2 降压电路 ..................................................................................................................... 4
2.3 并联均流电路 ............................................................................................................. 5
2.4 辅助电源电路 ............................................................................................................. 7
2.5 本章小结 ..................................................................................................................... 9
第三章 单片机控制系统电路 ............................................................................................... 10
3.1 单片机工作系统 ....................................................................................................... 10
3.2 D/A电压输出电路 ..................................................................................................... 10
3.3 按键电路 ................................................................................................................... 11
3.3.1 按键功能定义 ............................................................................................... 11
3.3.2 按键扫描过程的实现方法 ........................................................................... 12
3.4 显示电路 ................................................................................................................... 12
3.5 本章小结 ................................................................................................................... 13
第四章 过温及过流保护电路 ............................................................................................... 14
4.1 过温保护电路 ........................................................................................................... 14
4.1.1 过温保护功能的重要性 ............................................................................... 14
4.1.2过温保护功能的实现方法 ............................................................................ 14
4.1.3散热风扇的驱动方式 .................................................................................... 15
4.2 过流保护电路 ........................................................................................................... 16
4.2.1 过流保护功能的重要性 ............................................................................... 16
4.2.2过流保护功能的实现方法 ............................................................................ 16
4.2.3电磁继电器的驱动方法 ................................................................................ 17
4.3 本章小结 ................................................................................................................... 17
第五章 电路测试结果及性能分析 ....................................................................................... 18
5.1 电路测试结果 ........................................................................................................... 18
5.2 电路性能分析 ........................................................................................................... 18
5.3 本章小结 ................................................................................................................... 19
结论 ......................................................................................................................................... 20
参考文献 ................................................................................................................................. 21
致谢 ......................................................................................................................................... 23
附录一 部分程序代码 ........................................................................................................... 24
附录二 整机电路原理图 ....................................................................................................... 30
附录三 整机实物图 ............................................................................................................... 32
第一章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
稳压电源按其输出的电压形式通常分为直流电源和交流电源。其中直流电源在实际生活应用中占据了较大的市场份额。同时也是电子设备领域中重要的组成部分。直流电源的基本功能是可以不断的改变输出电压，其主要的特点为操作简便。只需要通过简单的旋转电位器就可以实现对输出电压进行连续调节。但是随着使用时间的增加及器件的磨损，电位器的旋转操作会对电位器造成一定程度上的损坏而导致电位器滑片之间接触不良，由此带来的严重后果是使其不能很好的调节输出电压。除此之外，当对输出的电压值要求比较精确，或者是要求在一个较小范围内调节时，通过电位器调节输出电压式的直流电源暴露出了其明显的局限性。因此，总体来说，普通的直流电源的调压实现方法有待改进。
1.2 数控电压源的特点及应用
数控直流电源与普通的直流电源相比较具有以下优势：
（一）显示方面。大部分市售的普通直流稳压电源，其输出电压值由指针式的电压表头显示。其缺点是显示精度低，不便于电压读数，且在输出电压不稳定时会造成指针的左右摆动，情况极端时甚至会打弯指针。而数控直流电源的输出电压值通常由控制器内部的A/D转换器对输出电压进行实时转换，并将其在数码管或液晶显示屏上显示。其特点是字体亮度高，显示清晰，即使在光强不是很高的应用场合。也可以使操作者方便的读数，而且控制器高速的对输出电压进行采样，实现了对输出电压的实时监测和控制，有效的提高了电压调整率和负载调整率。通过对比可以很明显的看出普通直流电源显示装置在亮度较低的应用场合会给操作者带来较大的不便。
（二）输出电压调节方面。普通直流电源的输出电压调节大多数是通过电位器调节的。其缺点是调节精度低，电位器易磨损，输出电压不易稳定。而数控直流电源的输出电压完全由外接的独立的按键设定，因此可以实现较高的调节精度。单片机系列控制器的引入，使数控直流电源的使用更为简便。在输出电压有效范围内，可以由独立的按键方便的设定输出的电压值，灵活性较高的程序代码编写。使数控直流电源在应用上更为实用。
1.3 本文的主要研究内容和基本结构
本数控电压源的主要内容是设计制作一款输出电压步进输出的电源。其有效的输出直流电压范围为2V-20V ，最大负载电流为2A 。且具有以下功能：过流保护，过温保护，显示设定电压值，显示设定过流值，显示当前输出功率。电路结构流程图如图1-1所示。
图1-1电路结构流程图
本数控电压源的主体组成部分是控制部分和降压部分。控制部分主要由单片机构成，单片机选用的型号为ATmega16系列单片机。其内部自带A/D转换器，功耗低，指令执行速度快，具有较高的性价比。其外围电路包括辅助电源电路，复位的电路，按
降压部分采用的结构为性能比较优越的线性稳压器LM317，键的电路，DA 转换电路[1]。
其线性调整率和负载调整率均优于一般的线性稳压器。且其市场价格较低，为本数控电压源的实现提供了较大方便。由于普通线性稳压器的最大输出电流为1.5A ，所以在要求输出更大电流的应用场合时，线性稳压器的应用受到了严格限制。为解决输出电流较小的问题，本数控电压源中采用了并联均流技术。并联均流技术的引入也是本设计中创新性的一个重要体现，将线性稳压器与开关系列稳压器有效地结合使用。既发挥出了线性稳压器输出电压低纹波的特点，又吸收了开关系列稳压器高效率的特性。使数控直流稳压电源的整机性能有了很大的提升。
本文的基本结构：第一章主要描述了直流稳压电源的发展史，并列举了数控直流电源和传统直流电源各自的优缺点。给出了传统直流稳压电源需要改进和优化之处，简要的说明了本数控电压源的制作思想，给出了本数控电压源的制作流程图。第二章详细介绍了本数控电压源中降压部分电路的工作原理。以及器件参数的选取，相应阻值的设定
等工作流程。还包括辅助电源的设计初衷，整流滤波电路，并联均流电路的工作原理。
第三章的主要内容是单片机控制部分，即实现数控电压输出的章节。包括单片机最小的工作系统，独立的按键的工作原理，以及显示电路的实现方法等。第四章主要介绍本数控电压源中过流保护和过温保护功能的实现方法，过流保护及过温保护功能的引入。为本数控电压源在额定功率输出时长时间安全运作提供了有效的保障。因此过温保护及过流保护功能是本数控电压源中较为重要的一个环节。在本论文的第五章，对整机的最大输出电流以及最大输出电压进行了多次测试，并在设定不同输出电压的情况下，测试了负载调整率以及相应的转换效率，通过对测试数据的对比与分析。给出了在今后实际应用相应中的优化和改进措施。
第二章 降压原理及主要工作电路
本数控电压源的主要降压原理是利用线性稳压器的稳压原理实现的。并结合了单片机控制技术，使本数控电压源的操作和使用更加的智能化。主要工作电路包括以下四部分：整流电路，降压电路，并联均流电路，以及辅助电源电路。
2.1 整流滤波电路
本数控电压源的主要目的是实现对直流电压的一个数控降压过程。将220V 交流电压经变压器变压后得到18V 交流电压作为整流输入电压。利用全桥整流得到脉动的直流电压[2]。本数控电压源中整流桥采用RS808，是一种单相整流桥。其最大正向整流电流为8A ，反向耐压值为800V 。为了降低整流后直流电压中存在的脉动成分，在整流桥后安放了大容量的铝电解电容起到平滑直流电压的作用。为了提高铝电解电容的总容量，本数控电压源中采用了多个相同容量的铝电解电容并联的方法。其最大的好处是有效的降低了总电容的等效串联电阻ESR [3]（Equivalent Series Resistance）。普通大容量的单只铝电解电容其ESR 很大，会对电路的性能造成一定的影响。为了进一步提高整流后直流电压的低频特性，在铝电解电容旁并联了0.1uf 的瓷片电容以滤除直流电压中高频成分 [4]。整流滤波电路原理图如图2-1所示。
C11
图2-1整流滤波电路原理图
2.2 降压电路
本数控电压源中所使用的降压芯片型号是LM317三端线性稳压器。线性稳压器的
工作结构是由一个工作在线性区的场效应管与负载串联构成。场效应管相当于一个可变的电阻器。同时利用电阻分压网络进行对输出电压采样。然后，采样电压输入到误差放大器同参考电压进行比较。最后，误差放大器输出电压经相应的放大器驱动串联的功率管[5]。LM317是正电压稳压器。其有效的输出电压范围是1.3V-36V 。最大输出负载电流为1.4A 。它的使用方法比较简单。只需要两个外接电阻就可以实现对输出电压的连续设定。
本数控电压源中数控电压源的主要设计思想是在LM317的调整端施加一个可编程的模拟电压。通过单片机的独立的按键设定这个模拟电压值，并在液晶显示屏上显示预先设定的电压值。然后设定的电压经过D/A转换器转换后连接到LM317的参考端。利用输出端与参考端存在1.23V 的电压差关系即可实现对输出电压的数字控制。这样对整机电路的实现以及调试带来很大的方便，而且成本较低。降压电路原理图如图2-2所示。
图2-2降压电路原理图
2.3 并联均流电路
线性稳压器串接场效应管的较高损耗使它很难在输出大电流的场合应用。不能满足系统的使用要求[6]。由于LM317线性稳压器的最大输出负载电流为1.4A ，在一些应用场合可能满足不了实际的负载电流需求。因此，在本数控电压源中应用了并联均流技术。并联均流的基本思想是采集各自的输出电流信号。并将该电流信号引入到控制系统中。从而参与调整输出电压[7]。这样有效的提高了最大输出负载电流和整机的输出功率。
随着PWM 和并联均流技术的发展。对开关电源模块并联均流实现方法进行了分类，并联均流技术常用的实现方法：输出阻抗法，主从设置方法，平均电流方法，以及
采用均流控制器方法等[8]。本数控电压源中采用的并联均流方法是主从设置方法。将LM317降压电路设置成主输出干路。将LM2596-adj 子降压模块作为辅助输出支路，最终二者在输出端实现并联输出。并且利用两只二极管实现各自的输出隔离，避免电流回流损坏LM317降压芯片。同时利用两只ACS712-30型电流传感器分别检测主输出干路和辅助输出支路的输出电流值。然后利用集成运算放大器构造成一个电压反馈系统，使辅助输出支路的电流跟随主输出干路的电流。即实现1:1的输出负载电流比例，完成了负载电流的并联均流输出，使总输出电流达到2A 以上。
LM2596-adj 开关电压调节器是降压型集成电路。其最大的输出电流可以达到2A 。同时具有很好的线性调整率和负载调整率。它仅需要4个外围元件就可以设定输出的电压值。其输入电压可高达39V ，输出电压范围是1.2V~38V，具有过温及输出短路保护功能。并联均流电路原理图如图2-3所示。
图2-3并联均流电路原理图
使用并联均流技术的好处是提高了整机的效率。因为辅助支路使用的是开关系列稳压芯片，其效率可以达到90%以上，而线性稳压芯片的效率只有30%左右。且线性稳压芯片的发热量很大，尤其在输入与输出之间的电压差较大时这个缺点更为明显。严重的降低了整机的效率[9]。线性稳压器具有输出电压纹波小，线性调整率高的特点。但是其效率比较低。开关系列稳压器特点是效率高，但缺点是输出电压纹波较大[10]。在数控电压源中将二者巧妙的结合使用，发挥出了线性稳压芯片与开关系列稳压芯片各自的优点。二者的有效结合使用，是本设计中独具创新的一点。
2.4 辅助电源电路
本数控电压源中辅助电源的作用主要是为集成运算放大器提供稳定的工作电压，以及一些基本的参考电压。集成运算放大器型号选用LM324N ，其内部含有四个运算放大器。其最大的正负工作电压范围-16V~+16V，本设计中采用-12V ，+12V电压为集成运算放大器LM324N 供电。
LM317降压芯片散热的直流风扇采用12V 的工作电压，考虑到其正常工作时所需的工作电流比较小，约为200mA 。所以散热风扇的供电电源选用MC7812AK 线性降压芯片。为了进一步降低MC7812AK 线性稳压器的功耗，将MC7812AK 的输入电压设定为15V ，缩小了MC7812AK 的输入端与输出端的电压差值。从功耗的关系表达式P=UI可以看出，这样有效地降低了MC7812AK 的功耗。
通常线性稳压器在正常工作状态时需要输入端口与输出端口存在一定的压差。常用的线性稳压器要求的最小电压差为2V 左右。市场上销售的一些低压差线性稳压器最小压差仅为1V 左右，但是其价格比较贵。考虑到实际的应用及成本情况，本数控电压源中采用的是普通线性稳压器。MC7812AK 降压芯片电路原理图如图2-4所示。
图2-4 MC7812AK降压电路原理图
LM324N 正常工作时所需正负12V 的工作电压由DC-DC 电路提供。若采用MC7812AK 及MC7912AK 构成正负12V 电源的话，需要电源变压器是中心抽头的三端输出工频变压器。为了简化电路的设计和降低制作成本，采用了DC-DC 电路，选用DC-DC 电路的另一原因是其效率比较高。降压转换器只是电压变换器的一种，另外两种电压转换器是升压和反极性模式[11]。DC-DC 电路原理图如图2-5所示。
图2-5 DC-DC电路原理图
在D/A转换器的电压输出端需要施加一个电压放大器实现对微小的D/A输出电压进行放大处理以满足实际的使用要求[12]。电压放大器的输出电压需要连接到LM317的调整端，为了能够得到较大的输出电压值，需要适当的提高集成运算放大器的工作电压。但如果供电电压过大的话，势必会增大集成运算放大器的功耗。由LM324N 技术文档可知。如果LM324N 采用单电源供电的话，其最大可施加的电压为32V ，所以在本数控电压源中采用20V 的供电电压为LM324N 供电。为了得到20V 的直流电压，采取的办法是在MC7815AK 型线性稳压器的对地调整端安装一个5.1V 稳压管。MC7815AK 的输出直流电压为15V ，这样，在MC7815AK 的输出端就可以得到20.1V 的对地直流输出电压，此直流电压即为LM324N 提供工作电压。此时集成运算放大器的最大输出饱和电压大约为18V 左右，完全满足使用要求。MC7815AK 稳压器及5.1V 稳压管电路原理图如图2-6所示。
图2-6 MC7815AK电路原理图
稳压管的工作原理：稳压管又称齐纳管。通常工作在反向击穿的物理条件下。在一定的使用电流范围内或者说是在一定的使用功耗范围内。稳压管的两端电压几乎接近于不变。利用此特性即可实现稳压，由于其工作电路比较简单，成本低。因此广泛应用于小功率稳压电路中。
5V 输出电压电路原理图如图2-7所示。选用开关型稳压芯片的初衷就是最大限度的提高整机效率。图2-7中调节滑动变阻器R16用于调节输出的电压值。
图2-7 5V电路原理图
DC-DC 电路是高效率器件。采用同步整流技术，可以使效率提高3﹪~5﹪。其整体效率可达88﹪~97﹪。过去常常认为DC-DC 电路工作电流比线性稳压器大，但是现在的工艺已经做到同一水平了[13]。考虑到单片机需要5V 的工作电压，所以本数控电压源中由LM2596-adj 开关稳压芯片提供整机中所需的5V 电压。
2.5 本章小结
本章主要介绍了本数控电压源中降压电路的工作原理，此外，还包括整流滤波电路，降压电路，并联均流电路，辅助电源电路的工作原理。以上所述电路对本数控电压源的稳定工作起到了决定性作用，因此，在实际电路的焊接过程中需要注意走线的方式以及走线宽度。
第三章 单片机控制系统电路
本数控电压源中使用单片机作为主控制器。其主要作用是检测输出的电压和电流值，实现实时的人机信息交换，为使用者提供当前的工作信息。单片机控制系统电路主要包括以下四部分：单片机工作系统，D/A电压输出电路，按键电路，显示电路。
3.1 单片机工作系统
本数控电压源中使用的单片机型号为ATmega16。是一款8位单片机，具有16KB 的系统内可编程Flash ，8路10位精度的ADC 。其工作电压是4.5V-5.5V 。采用40引脚DIP 封装。单片机工作系统原理图如图3-1所示。
图3-1单片机系统原理图
图3-1中展示了ATmega16单片机的最小工作系统。包括晶振的电路及复位的电路，为了最大化的有效利用单片机端口资源，将单片机的32个端口利用排针连接到了电路外围。通过ISP 下载器将事先编写好的程序代码下载到单片机，即可利用单片机实现数控电压的输出。使用单片机的好处是可以实时，方便的检测和控制输出端的电压值，而且操作方便。
3.2 D/A电压输出电路
D/A转换器使用的是TLC5618。TLC5618是串行数据输出12位D/A转换器，三总线数据传输，较高的参考端输入阻抗，具有两路电压输出，单电源供电的特点。D/A转
换器所需的转换参考电压由TL431基准电压获得。TL431器件是可编程的并联稳压管。通过两个外部电阻即可从参考电压V REFIN 调整至34V 。且具有较宽的工作电流范围。当典型的动态阻抗0.23欧姆时为1毫安到100毫安[14]。本设计中参考电压设定为2.5V 。所以D/A转换器的最大输出模拟电压为2.5V ，输出电压关系式为：
V OUT =2(V REFIN )
式中 V OUT ——D/A输出电压；
CODE
（3-1） 4096
V REFIN ——转换参考电压；
CODE ——转换数据。
D/A转换电路原理图如图3-2所示。
图3-2 D/A转换电路原理图
3.3 按键电路
3.3. 1 按键功能定义
本数控电压源中共有5个四引脚独立的按键。其功能分别是加1V 操作，减1V 操作，加0.1V 操作，减0.1V 操作，电压确定操作。电压确定键的功能是当电压设定完成后将所设定的电压数据发送给D/A转换器进行转换，此功能的优点是避免输出电压在步进上升过程中对用电设备造成欠压损坏[15]。当电压确定键按下时，数据经过单片机处理从而 D/A转换器输出相应设定的电压值。独立按键的主要工作原理是利用单片机时刻扫描端口的电平变化来判断是哪一个按键被按下。5个独立按键各自的两个公共引脚分别到连接单片机的PA3-PA7端口，另外两个公共引脚则分别连接到单片机系统的地线。
3.3.2 按键扫描过程的实现方法
首先配置端口的方向寄存器。设定单片机的PA3-PA7 端口为输入状态。然后配置端口的数据寄存器，分别给PA3-PA7端口置位。即使PA3-PA7端口的初始电平状态为高电平。当有一个按键被按下时，这个按键所对应的端口就被立刻连接到地。此时端口的电平状态迅速由初始的高电平变为低电平。这样单片机就可检测到相应电平的变化及扫描到是哪一个按键被按下，随后执行相应按键赋予的数据操作，即完成一次按键的扫描过程。在按键扫描程序的判断语句之间需要添加一条延时指令以及一条等待按键松开的指令。延时语句的作用是防止按键抖动带来的误操作。而等待按键松开指令的作用是防止按键在按下的时间内单片机重复执行其他按键操作[16]。按键电路原理图如图3-3所示。
加0.1V
减0.1V
加1V
减1V
确定键
图3-3按键电路原理图
3.4 显示电路
1602液晶显示屏的使用特点：显示字符清晰，可显示的字符数量多，外围电路比较简单。可以使用单片机的普通输入输出接口驱动，操作简便，液晶显示屏背景亮度可以通过调节一个可变电阻器来调节，通过改变调节液晶显示器背景亮度引脚对地的电阻值，即可改变液晶显示屏的背景亮度。这种便捷的操作可以使液晶显示器在不同光强的应用场合均有良好的表现。液晶显示屏实物图如图3-4所示。
图3-4液晶显示屏实物图
因此本数控电压源中的显示装置采用了性价比较高的液晶显示屏1602，实现实时的人机信息交换，为使用者提供准确的工作数据。
3.5 本章小结
本章主要介绍了单片机最小控制系统电路的工作原理，并详细的说明了独立按键的扫描实现方法。独立按键的引入使本数控电压源的操作更加的方便，电压调节精度有了很大的提高。1602液晶显示屏的使用也使本数控电压源在较暗的应用环境中更具实用性。
第四章 过温及过流保护电路
为了使本数控电压源在额定功率下安全的工作，在本数控电压源中加入了过温保护及过流保护功能。这样，即使出现人为的误操作时也不会对本毕业设计造成严重的损坏。以下内容分别说明了过温保护和过流保护的实现方法。
4.1 过温保护电路
4.1. 1 过温保护功能的重要性
损耗在变换器中常常表现为热量，并且产生高于室温（或环境温度）的温升。注意该温升会严重影响系统的工作稳定性。使用经验表明，当温度每升高10℃，系统失效的可能性就会增加数倍[17]。因此，本数控电压源中增加了降压芯片过温保护的功能，目的是保证整机在满负载的情况下能够安全的长时间运作。由于LM317系列线性稳压器自身固有的效率低，发热量大的缺点，使其在实际应用过程中降压芯片会产生很大的温升。若此发热量长时间积累在降压芯片表面，经过一段时间后，降压芯片的温度将会超过其最大使用极限，会立刻造成降压芯片的热击穿，造成LM317降压芯片的输入端与输出端短路。若不加控制，会在短时间内烧毁变压器次级线圈。因此，为了避免上述现象的发生，需要在本设计中加入降压芯片过温保护的功能。
4.1. 2过温保护功能的实现方法
在本数控电压源中降压芯片过温保护功能是通过以下方法实现的：从LM317降压芯片手册上可得知其工作结温的极限温度范围是0~125 ℃。对于芯片封装为TO-220型封装的LM317系列降压芯片其结温升与功耗的关系为50 ℃/W[18]。经过计算得出
LM317降压芯片可以承受的最大功耗为2W 。在未安装散热器使用时，从计算其发热量所允许的最大功耗方面考虑，LM317降压芯片所承受的功耗最大不应超过2W 。在本数控电压源中由于LM317安装了电脑CPU 专用散热风扇，所以可以使LM317允许的短时间最大功耗设定为4W 。
LM317降压芯片功耗的计算是利用单片机时刻采集输出的电流值和电压值并将二者做求积运算实现的。电流值的获取是通过ACS712-30A 型电流传感器，其可检测的最
大直流电流为30A ，是一种霍尔元件。两支路分别设有ACS712-30A 型电流传感器采集各支路的电流值。电流值最终转换为电压的形式反馈给单片机，通过单片机的A/D转换器转换并显示在液晶显示屏上。
输出电压的显示与上述电流值的获取和显示原理大体相同。由于单片机A/D转换器的转换参考电压使用的是单片机内部自带的2.56V 基准电压，所以当实际的输出电压超过2.56V 时。单片机将无法转换输出的电压值，所以需要利用电阻对输出电压进行电阻分压。本数控电压源中电阻分压比为1:10。可以得出当输出最大电压为20V 时，输入到单片机A/D转换器的最大输入电压为2V ，完全符合单片机A/D转换器的要求。
由功率的计算表达式可知。利用单片机将输出的电流值与LM317输入端与输出端的电压差值相乘就得到了LM317降压芯片的功耗，通过编写程序对LM317的功耗实时监测。如果LM317的功耗大于4W 时，开启散热风扇。若不大于4W ，则不启动散热风扇。利用此判断条件控制散热风扇有选择的开启与关闭，既降低了散热风扇的噪声和整机的功耗，又起到了对降压芯片的过温保护作用。
4.1.3散热风扇的驱动方式
散热风扇的开启与关闭是由电磁继电器驱动的。本数控电压源中电磁继电器使用的是常闭式继电器。单片机程序初始化时使PB0 端口的初始输出电平为低电平，即关闭散热风扇状态。当功耗判断条件成立时，单片机的PB0端口输出高电平，使三极管工作在饱和状态。导通集电极与发射极，使电磁继电器完成吸合动作，开启散热风扇。图
4-1中所使用的三极管为NPN 型三极管，其型号为2N5551。电磁继电器的工作电压为12V ，其导通可承受最大直流电压为20V ，电流最大为5A ，满足本设计需要。图4-1中的二极管1N4007的作用是消除电磁继电器的反电动势[19]。
过温保护电路
图4-1过温保护电路原理图
4.2 过流保护电路
4.2. 1 过流保护功能的重要性
过流保护电路在本设计中是必不可少的。由于本数控电压源中应用了并联均流技术，可以使整机的输出电流达到2A 以上。本数控电压源的基本参数是：输出电压2-20V ，最大输出电流2A ，为了限制过大的输出电流值，引入了过流保护功能。
过流保护电路的另一作用是：当输出端由于人为的误操作造成输出端短路时，过流保护电路可以及时的将主降压芯片与输入整流端隔离。避免造成人身的伤害及主降压芯片的损坏。
4.2. 2过流保护功能的实现方法
过流保护功能通过以下方法实现：电流传感器时刻采集输出的电流值并按一定比例将其转换成电压形式。由电流传感器使用手册上可知，当电流传感器无电流流过时，其输出的电压值为电流传感器供电电压的二分之一。电流与转换电压之间的关系式为
66mV/A。
为了达到对输出电流的精确控制，需将两支路的电流值相加求和，计算出的两支路总电流值才是输出端的总输出电流。OP 放大器的使用方法分为以下几种类型：分为反向发放大器，同向放大器，差分放大器以及比较器[20]。本论文中所使用的是加法器。因此，需要利用加法器对两只传感器的输出电压进行加法运算。加法器由集成运算放大器LM324N 构成，LM324N 的内部含有四个集成运放，其性价比较高，可以采用单电源及双电源供电。加法器电路原理图如图4-2所示。
图4-2加法器电路原理图
4.2.3电磁继电器的驱动方法
本数控电压源中所使用的电磁继电器均为常闭式继电器。即当电磁继电器没有吸合时，其输入和输出引脚是导通的。当电磁继电器吸合时，其输入和输出引脚断开。过流保护电路原理图如图4-3所示。
K1
317过流保护电路
图4-3过流保护电路原理图
将两只传感器的输出电压作加法运算后，还需要一步减法操作，此减法操作的目的是消去电流传感器无电流流过时其输出的空载电压。此电压为电流传感器供电电压的二分之一，由于电流传感器的供电电压为5V ，所以电流传感器的空载输出电压为2.5V 。两支电流传感器的空载电压已经达到5V ，此电压已经超过单片机A/D转换器的最大转换电压范围。所以利用减法将5V 消除掉，获得的最终加减运算结果是电流传感器所流过的电流值，将经过加减运算后的电流传感器输出电压输入到单片机进行A/D转换及相关计算。设定过流保护判断条件，若此电压大于1.32V ，则表明电流值也达到2A ，此时导通电磁继电器。若不大于1.32V ，则关闭电磁继电器。
4.3 本章小结
本章主要介绍了过流保护和过温保护的实现方法，并详细的说明了具体电路的作用。过流保护和过温保护功能对本数控电压源在额定功率下长时间运行提供了可靠地保证。
第五章 电路测试结果及性能分析
5.1 电路测试结果
为了测试本数控电压源的效率以及电压负载调整率，在测试中选取了6组输出电压值，并且当输出电压为不同电压值时，分别测试其相应效率，测试数据如表5-1所示。
表5-1负载电流为1000mA 时，数控电压源负载调整率及效率测试表
输入电压（V ）
输入电流（A ）
设定电压（V ）
输出电压（V ）
负载调整
率
效率
19.74 1.46 5 4.66 6.80% 16.49% 19.91 1.43 8 7.76 3.00% 27.53% 19.98 1.47 10 9.69 3.10% 33.65% 19.86 1.54 12 11.66 2.83% 41.17% 19.92 1.52 14 13.72 2.00% 48.48% 19.94 1.48 16 15.74 1.63% 54.94%
5.2 电路性能分析
从表5-1的测试数据可以看出，在相同输出电流的条件下，随着输出电压的升高，电路的负载调整率和效率都有所下降。效率下降的原因有以下两点：（一）是由于线性稳压器自身固有的缺点造成的。从线性稳压器的损耗表达式P=UI可以很明显的得出效率下降的原因，也正是这个原因才限制了线性稳压器在一些场合的应用。例如在要求具有较高的转换效率，或者是输入输出电压差值存在较大的情况时，线性稳压器暴露出了其明显的局限性。（二）是由于随着输出电压的升高，为线性稳压器提供参考电压的集成运算放大器的功耗也在增加。因为运算放大器需要输出更高幅值的直流电压，所以集成运算放大器同时也需要向供电电源索取更大的能量，这样就增加了电源的总消耗功率。电源的效率自然会有所下降。此外，电路中的一些供电电压是由线性稳压器转换得到的，如果将这些电路器件由开关系列稳压器替换。将会对整个电路的效率提高具有一定的帮助，但同时整个电路的成本也随之增加，需要折中选择。
负载调整率下降的主要原因是单片机与线性稳压器之间缺少一个反馈网络。如果要进一步提高电路的负载调整率，就需要在单片机程序内引入控制算法。即当输出电压小于设定的输出电压时，自动提高数模转换器的电压输出，这样经过一个时钟周期的电压采样，单片机内部实现误差的计算和比较。从而调整输出电压，继而提高负载调整率。
5.3 本章小结
本章的主要内容是对测试数据进行详细的分析，并给出了本数控电压源在今后使用中的一些优化措施和改进方案。数据的分析结果对提高本数控电压源的转换效率也有一定的积极作用。
结论
本数控电压源经过了多次满载测试。在其最大输出电压及最大输出负载电流范围内均有良好的表现，在整个电路的设计过程中，引入了并联均流技术。这项技术既是本毕业设计的特色，同时也是在制作数控小功率电源方面的一个创新。在本数控电压源中的并联均流性能达到了预期的效果，有效的提高了整体的功率密度。此外，单片机控制器编程的灵活性，为制作数控电压源带来了很多的方便。
在本数控电压源制作过程中，也遇到了一些实际的技术困难。例如模拟地线和数字地线相连接时的干扰问题，在指导老师的精心帮助下，以及查阅了相关技术资料，成功的解决了这个技术难题。在这个过程中，使我深深的懂得了在遇到困难时应该如何的着手去解决问题，以及分析问题的方法和角度，提高了自己解决问题的能力。
在效率测试章节中，从测试数据的变化规律可以看出，当输入与输出电压之间存在较大的电压差值时，效率会下降很多，对此，在今后的实际应用中可以采取以下两种措施进一步提高转换效率：（一）增加工频变压器的次级输出绕组，将输出电压范围划分为多个子电压区间。例如，当设定输出为5V 时，可以利用单片机控制电磁继电器导通工频变压器次级输出为8V 的次级绕组，这样，进一步减小了输入与输入之间的电压差值，有效的降低了线性稳压器的损耗，提高了整体的转换效率。同理输出10V 时，可以使线性调整器的输入电压为13V 。但这种措施在提高效率的同时也为绕制多组次级输出的工频变压器带来了较多的不便。（二）调整主电路与辅助支路的均流比值，这样可以使辅助支路承担更大的负载电流，而主电路则只是起到电压基准的作用，降低了线性稳压器的工作电流即降低了线性稳压器的损耗，提高了转换效率。若要使辅助支路承担更大的负载电流，则需要选择输出功率较大的开关系列转换器，而这种开关系列转换器的价格一般会比较高。综上所述，需要在制作成本与性能二者之间做好折中处理。
从本数控电压源的性能表现以及制作成本可以看出，在要求小功率输出及较高性价比的工作场合将会有广泛的应用前景。
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致谢
在本数控电压源设计制作过程中，我得到了孙凤云老师的热心指导，她始终热情的给我讲解和分析本数控电压源中遇到的一些问题和困难，并给我指明了改进的方向，使我在数控电压源设计过程中少走了很多的弯路，对我今后的人生发展也起到了一定的启发作用。在这里真心的感谢孙凤云老师的悉心指导和热情帮助，并致以诚挚的谢意！衷心对孙凤云老师说一声“谢谢您孙老师，您辛苦了”
附录一 部分程序代码
#include //函数头文件的包含 #include
#define uchar unsigned char //宏定义 #define uint unsigned int //1602 I/O口宏定义
#define RS_1 PORTD|=BIT(5) #define RS_0 PORTD&=~BIT(5)
#define RW_1 PORTD|=BIT(6) #define RW_0 PORTD&=~BIT(6)
#define EN_1 PORTD|=BIT(7) #define EN_0 PORTD&=~BIT(7) #define DataPort PORTC //TLC5615 I/O宏定义
#define DIN_1 PORTD|=BIT(4) //#define DIN_0 PORTD&=~BIT(4)
#define SCLK_1 PORTD|=BIT(3) //#define SCLK_0 PORTD&=~BIT(3)
#define CS_1 PORTD|=BIT(2) //#define CS_0 PORTD&=~BIT(2)
uchar table1[]="V= V"; uchar table2[]="Vset= V"; uchar table3[]="DC-Power"; float V_set=0,key_value1; uint key_value,ad_Vout,ad_Iout;
void delay_ms(uint ms) { uint i,j;
for(i=0;i
//数据命令选择端 //读写选择端 //使能选择端 数据端 时钟端 片选端 //液晶屏幕初始显示字符 //延时子函数
for(j=0;j
void TLC5618(uint data) //D/A转换器子函数 {
char i;
data=data|0x8000; //date最高位置1，选择A 通道 CS_0; //允许片选 SCLK_0; for(i=0;i
if((data&0x8000)==0x8000) DIN_1;
else
DIN_0;
SCLK_1; //SCLK上升沿，数据输入
data
SCLK_0; //SCLK恢复低电平
}
CS_1; //禁止片选 }
void write_com(uint com) //1602写命令初始化 { RS_0; RW_0; DataPort=com; EN_1; delay_ms(1);
EN_0; c=ad_Iout%10000%1000/100; write_com(0x80+0x02);
write_data(a+0x30); write_data(b+0x30); write_data(0x2e); write_data(c+0x30); }
V oid key_scan() //独立按键扫描函数 {
DDRA=0x00; //配置A 口为输入 1000 PORTA=0xF8; //A口初始赋值 1111 if((PINA&0x80)==0) //1000 0000 加0.1V 操作 {
delay_ms(5); if((PINA&0x80)==0) {
delay_ms(5);
key_value1=key_value1+8.192; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096 V_set=V_set+0.1; //显示加0.1V 后的电压
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
}
if((PINA&0x40)==0) //0100 0000 减0.1V 操作 {
delay_ms(5); if((PINA&0x40)==0) {
delay_ms(5);
key_value1=key_value1-8.192; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096
V_set=V_set-0.1; //显示减0.1V 后的电压
26
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
}
if((PINA&0x20)==0) //0010 0000 加1V 操作 {
delay_ms(6); if((PINA&0x20)==0) {
delay_ms(6);
key_value1=key_value1+81.92; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096
V_set=V_set+1; //显示加1V 后的电压
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
}
if((PINA&0x10)==0) //0001 0000 减1V 操作 {
delay_ms(5);
if((PINA&0x10)==0) {
delay_ms(5);
key_value1=key_value1-81.92; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096 V_set=V_set-1; //显示减1V 后的电压
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
} if((PINA&0x08)==0) //0000 1000 电压设定确定键 {
delay_ms(2);
27
if((PINA&0x08)==0) {
key_value=(int)(key_value1); TLC5618(key_value);
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
} } }
void main() //主函数 {
PORTD|=BIT(5)|BIT(6)|BIT(7); //1602端口初始化 DDRD|=BIT(5)|BIT(6)|BIT(7); PORTC=0XFF; DDRC=0XFF;
PORTD|=BIT(2)|BIT(3)|BIT(4); //TLC5618端口初始化 DDRD|=BIT(2)|BIT(3)|BIT(4);
PORTB&=~BIT(0); //散热风扇初始值为低电平，高电平开启。 PORTB&=~BIT(3); //无过流时，继电器闭合。 while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下按。
DDRB|=BIT(0)|BIT(1)|BIT(2)|BIT(3); LCD_init(); Vset_display(0,1,5); while(1) {
key_scan();
ad0_init();if(V_set>=10) //散热风扇开启判断条件。 {
PORTB|=BIT(0); //启动散热风扇 }
28
else
{
PORTB&=~BIT(0); //关闭散热风扇
}
if(ad_Vout>20000) {
if(ad_Vout>20000) {
PORTB|=BIT(3); PORTB&=~BIT(1);
PORTB&=~BIT(2); delay_ms(2000);
}
}
else { PORTB|=BIT(1); PORTB&=~BIT(2);
PORTB&=~BIT(3);
}
} //断开继电器
//开启过流报警指示灯 //开启过流报警蜂鸣器
//关闭过流报警指示灯 //关闭过流报警蜂鸣器 //闭合继电器 29
}
基于单片机的数控电压源设计
附录二 整机电路原理图
30
过流报警指示灯
基于单片机的数控电压源设计
31
基于单片机的数控电压源设计
附录三 整机实物图
32
本科学生毕业论文
论文题目：
学 院：
年 级：
专 业：
姓 名：
学 号：指导教师： 基于单片机的数控电压源设计 电子工程学院 级 电子科学与技术（微电子） 马云亮 孙凤云
2013年5月10日
2009 20096636
摘要
本论文的主要内容是利用单片机和线性稳压器制作一款输出电压可调的直流稳压电源。电路的实现是通过单片机产生一个模拟电压，通过集成运算放大器将单片机产生的微弱模拟电压进行放大，得到具有一定幅值的直流电压。然后将放大后的直流电压连接到线性稳压器的参考端，利用线性稳压器调压的工作原理，即可得到所需的具有一定输出功率的直流电压。与此同时本论文中还引入了过流保护以及输出短路保护功能，其实现方法是通过利用精密电阻器负端检测输出电流完成的，其优点是电流采样准确，抗干扰能力强。此外，利用并联均流技术，使输出负载电流可以达到2A 以上。有效地拓宽了线性稳压器的应用场合，将整机的输出功率提升到30 W，使本毕业设计能够满足一定功率的应用场合。
关键词
单片机；可调稳压器；并联均流
Abstract
The main content of this graduation design is the use of Mcu produced and linear voltage regulator produced an output voltage adjustable DC regulated power supply. The realization of the circuit is an analog voltage generated by the microcontroller, through the integrated operational amplifier weak analog voltage is amplified to obtain a DC voltage of certain amplitude. Then amplified DC voltage linear regulator connected to the reference terminal, Use linear regulator working principle, you can get a certain output power of the DC voltage. In this graduation project, the over-current protection and output short circuit protection can be achieved; it is through the use of precision resistors negative terminal to detect completion of the output current, by using the precision resistors negative terminal of the completion of the output current is detected, The advantage is the current sampling accuracy, anti-interference ability. In addition, the use of parallel balanced current technology, could make the load current of up to 2A, Effectively broaden the applications of the linear regulator, then the whole machine output power up to 30W, Thus can make this graduation design can satisfy a certain power applications.
Key words
Mcu;adjustable voltage regulator; parallel balanced current
目录
摘要 ............................................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................................... II
第一章 绪论 ............................................................................................................................. 1
1.1 课题研究的目的及意义 ............................................................................................. 1
1.2 数控电压源的特点及应用 ......................................................................................... 1
1.3 本文的主要研究内容和基本结构 ............................................................................. 2
第二章 降压原理及主要工作电路 ......................................................................................... 4
2.1 整流滤波电路 ............................................................................................................. 4
2.2 降压电路 ..................................................................................................................... 4
2.3 并联均流电路 ............................................................................................................. 5
2.4 辅助电源电路 ............................................................................................................. 7
2.5 本章小结 ..................................................................................................................... 9
第三章 单片机控制系统电路 ............................................................................................... 10
3.1 单片机工作系统 ....................................................................................................... 10
3.2 D/A电压输出电路 ..................................................................................................... 10
3.3 按键电路 ................................................................................................................... 11
3.3.1 按键功能定义 ............................................................................................... 11
3.3.2 按键扫描过程的实现方法 ........................................................................... 12
3.4 显示电路 ................................................................................................................... 12
3.5 本章小结 ................................................................................................................... 13
第四章 过温及过流保护电路 ............................................................................................... 14
4.1 过温保护电路 ........................................................................................................... 14
4.1.1 过温保护功能的重要性 ............................................................................... 14
4.1.2过温保护功能的实现方法 ............................................................................ 14
4.1.3散热风扇的驱动方式 .................................................................................... 15
4.2 过流保护电路 ........................................................................................................... 16
4.2.1 过流保护功能的重要性 ............................................................................... 16
4.2.2过流保护功能的实现方法 ............................................................................ 16
4.2.3电磁继电器的驱动方法 ................................................................................ 17
4.3 本章小结 ................................................................................................................... 17
第五章 电路测试结果及性能分析 ....................................................................................... 18
5.1 电路测试结果 ........................................................................................................... 18
5.2 电路性能分析 ........................................................................................................... 18
5.3 本章小结 ................................................................................................................... 19
结论 ......................................................................................................................................... 20
参考文献 ................................................................................................................................. 21
致谢 ......................................................................................................................................... 23
附录一 部分程序代码 ........................................................................................................... 24
附录二 整机电路原理图 ....................................................................................................... 30
附录三 整机实物图 ............................................................................................................... 32
第一章 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
稳压电源按其输出的电压形式通常分为直流电源和交流电源。其中直流电源在实际生活应用中占据了较大的市场份额。同时也是电子设备领域中重要的组成部分。直流电源的基本功能是可以不断的改变输出电压，其主要的特点为操作简便。只需要通过简单的旋转电位器就可以实现对输出电压进行连续调节。但是随着使用时间的增加及器件的磨损，电位器的旋转操作会对电位器造成一定程度上的损坏而导致电位器滑片之间接触不良，由此带来的严重后果是使其不能很好的调节输出电压。除此之外，当对输出的电压值要求比较精确，或者是要求在一个较小范围内调节时，通过电位器调节输出电压式的直流电源暴露出了其明显的局限性。因此，总体来说，普通的直流电源的调压实现方法有待改进。
1.2 数控电压源的特点及应用
数控直流电源与普通的直流电源相比较具有以下优势：
（一）显示方面。大部分市售的普通直流稳压电源，其输出电压值由指针式的电压表头显示。其缺点是显示精度低，不便于电压读数，且在输出电压不稳定时会造成指针的左右摆动，情况极端时甚至会打弯指针。而数控直流电源的输出电压值通常由控制器内部的A/D转换器对输出电压进行实时转换，并将其在数码管或液晶显示屏上显示。其特点是字体亮度高，显示清晰，即使在光强不是很高的应用场合。也可以使操作者方便的读数，而且控制器高速的对输出电压进行采样，实现了对输出电压的实时监测和控制，有效的提高了电压调整率和负载调整率。通过对比可以很明显的看出普通直流电源显示装置在亮度较低的应用场合会给操作者带来较大的不便。
（二）输出电压调节方面。普通直流电源的输出电压调节大多数是通过电位器调节的。其缺点是调节精度低，电位器易磨损，输出电压不易稳定。而数控直流电源的输出电压完全由外接的独立的按键设定，因此可以实现较高的调节精度。单片机系列控制器的引入，使数控直流电源的使用更为简便。在输出电压有效范围内，可以由独立的按键方便的设定输出的电压值，灵活性较高的程序代码编写。使数控直流电源在应用上更为实用。
1.3 本文的主要研究内容和基本结构
本数控电压源的主要内容是设计制作一款输出电压步进输出的电源。其有效的输出直流电压范围为2V-20V ，最大负载电流为2A 。且具有以下功能：过流保护，过温保护，显示设定电压值，显示设定过流值，显示当前输出功率。电路结构流程图如图1-1所示。
图1-1电路结构流程图
本数控电压源的主体组成部分是控制部分和降压部分。控制部分主要由单片机构成，单片机选用的型号为ATmega16系列单片机。其内部自带A/D转换器，功耗低，指令执行速度快，具有较高的性价比。其外围电路包括辅助电源电路，复位的电路，按
降压部分采用的结构为性能比较优越的线性稳压器LM317，键的电路，DA 转换电路[1]。
其线性调整率和负载调整率均优于一般的线性稳压器。且其市场价格较低，为本数控电压源的实现提供了较大方便。由于普通线性稳压器的最大输出电流为1.5A ，所以在要求输出更大电流的应用场合时，线性稳压器的应用受到了严格限制。为解决输出电流较小的问题，本数控电压源中采用了并联均流技术。并联均流技术的引入也是本设计中创新性的一个重要体现，将线性稳压器与开关系列稳压器有效地结合使用。既发挥出了线性稳压器输出电压低纹波的特点，又吸收了开关系列稳压器高效率的特性。使数控直流稳压电源的整机性能有了很大的提升。
本文的基本结构：第一章主要描述了直流稳压电源的发展史，并列举了数控直流电源和传统直流电源各自的优缺点。给出了传统直流稳压电源需要改进和优化之处，简要的说明了本数控电压源的制作思想，给出了本数控电压源的制作流程图。第二章详细介绍了本数控电压源中降压部分电路的工作原理。以及器件参数的选取，相应阻值的设定
等工作流程。还包括辅助电源的设计初衷，整流滤波电路，并联均流电路的工作原理。
第三章的主要内容是单片机控制部分，即实现数控电压输出的章节。包括单片机最小的工作系统，独立的按键的工作原理，以及显示电路的实现方法等。第四章主要介绍本数控电压源中过流保护和过温保护功能的实现方法，过流保护及过温保护功能的引入。为本数控电压源在额定功率输出时长时间安全运作提供了有效的保障。因此过温保护及过流保护功能是本数控电压源中较为重要的一个环节。在本论文的第五章，对整机的最大输出电流以及最大输出电压进行了多次测试，并在设定不同输出电压的情况下，测试了负载调整率以及相应的转换效率，通过对测试数据的对比与分析。给出了在今后实际应用相应中的优化和改进措施。
第二章 降压原理及主要工作电路
本数控电压源的主要降压原理是利用线性稳压器的稳压原理实现的。并结合了单片机控制技术，使本数控电压源的操作和使用更加的智能化。主要工作电路包括以下四部分：整流电路，降压电路，并联均流电路，以及辅助电源电路。
2.1 整流滤波电路
本数控电压源的主要目的是实现对直流电压的一个数控降压过程。将220V 交流电压经变压器变压后得到18V 交流电压作为整流输入电压。利用全桥整流得到脉动的直流电压[2]。本数控电压源中整流桥采用RS808，是一种单相整流桥。其最大正向整流电流为8A ，反向耐压值为800V 。为了降低整流后直流电压中存在的脉动成分，在整流桥后安放了大容量的铝电解电容起到平滑直流电压的作用。为了提高铝电解电容的总容量，本数控电压源中采用了多个相同容量的铝电解电容并联的方法。其最大的好处是有效的降低了总电容的等效串联电阻ESR [3]（Equivalent Series Resistance）。普通大容量的单只铝电解电容其ESR 很大，会对电路的性能造成一定的影响。为了进一步提高整流后直流电压的低频特性，在铝电解电容旁并联了0.1uf 的瓷片电容以滤除直流电压中高频成分 [4]。整流滤波电路原理图如图2-1所示。
C11
图2-1整流滤波电路原理图
2.2 降压电路
本数控电压源中所使用的降压芯片型号是LM317三端线性稳压器。线性稳压器的
工作结构是由一个工作在线性区的场效应管与负载串联构成。场效应管相当于一个可变的电阻器。同时利用电阻分压网络进行对输出电压采样。然后，采样电压输入到误差放大器同参考电压进行比较。最后，误差放大器输出电压经相应的放大器驱动串联的功率管[5]。LM317是正电压稳压器。其有效的输出电压范围是1.3V-36V 。最大输出负载电流为1.4A 。它的使用方法比较简单。只需要两个外接电阻就可以实现对输出电压的连续设定。
本数控电压源中数控电压源的主要设计思想是在LM317的调整端施加一个可编程的模拟电压。通过单片机的独立的按键设定这个模拟电压值，并在液晶显示屏上显示预先设定的电压值。然后设定的电压经过D/A转换器转换后连接到LM317的参考端。利用输出端与参考端存在1.23V 的电压差关系即可实现对输出电压的数字控制。这样对整机电路的实现以及调试带来很大的方便，而且成本较低。降压电路原理图如图2-2所示。
图2-2降压电路原理图
2.3 并联均流电路
线性稳压器串接场效应管的较高损耗使它很难在输出大电流的场合应用。不能满足系统的使用要求[6]。由于LM317线性稳压器的最大输出负载电流为1.4A ，在一些应用场合可能满足不了实际的负载电流需求。因此，在本数控电压源中应用了并联均流技术。并联均流的基本思想是采集各自的输出电流信号。并将该电流信号引入到控制系统中。从而参与调整输出电压[7]。这样有效的提高了最大输出负载电流和整机的输出功率。
随着PWM 和并联均流技术的发展。对开关电源模块并联均流实现方法进行了分类，并联均流技术常用的实现方法：输出阻抗法，主从设置方法，平均电流方法，以及
采用均流控制器方法等[8]。本数控电压源中采用的并联均流方法是主从设置方法。将LM317降压电路设置成主输出干路。将LM2596-adj 子降压模块作为辅助输出支路，最终二者在输出端实现并联输出。并且利用两只二极管实现各自的输出隔离，避免电流回流损坏LM317降压芯片。同时利用两只ACS712-30型电流传感器分别检测主输出干路和辅助输出支路的输出电流值。然后利用集成运算放大器构造成一个电压反馈系统，使辅助输出支路的电流跟随主输出干路的电流。即实现1:1的输出负载电流比例，完成了负载电流的并联均流输出，使总输出电流达到2A 以上。
LM2596-adj 开关电压调节器是降压型集成电路。其最大的输出电流可以达到2A 。同时具有很好的线性调整率和负载调整率。它仅需要4个外围元件就可以设定输出的电压值。其输入电压可高达39V ，输出电压范围是1.2V~38V，具有过温及输出短路保护功能。并联均流电路原理图如图2-3所示。
图2-3并联均流电路原理图
使用并联均流技术的好处是提高了整机的效率。因为辅助支路使用的是开关系列稳压芯片，其效率可以达到90%以上，而线性稳压芯片的效率只有30%左右。且线性稳压芯片的发热量很大，尤其在输入与输出之间的电压差较大时这个缺点更为明显。严重的降低了整机的效率[9]。线性稳压器具有输出电压纹波小，线性调整率高的特点。但是其效率比较低。开关系列稳压器特点是效率高，但缺点是输出电压纹波较大[10]。在数控电压源中将二者巧妙的结合使用，发挥出了线性稳压芯片与开关系列稳压芯片各自的优点。二者的有效结合使用，是本设计中独具创新的一点。
2.4 辅助电源电路
本数控电压源中辅助电源的作用主要是为集成运算放大器提供稳定的工作电压，以及一些基本的参考电压。集成运算放大器型号选用LM324N ，其内部含有四个运算放大器。其最大的正负工作电压范围-16V~+16V，本设计中采用-12V ，+12V电压为集成运算放大器LM324N 供电。
LM317降压芯片散热的直流风扇采用12V 的工作电压，考虑到其正常工作时所需的工作电流比较小，约为200mA 。所以散热风扇的供电电源选用MC7812AK 线性降压芯片。为了进一步降低MC7812AK 线性稳压器的功耗，将MC7812AK 的输入电压设定为15V ，缩小了MC7812AK 的输入端与输出端的电压差值。从功耗的关系表达式P=UI可以看出，这样有效地降低了MC7812AK 的功耗。
通常线性稳压器在正常工作状态时需要输入端口与输出端口存在一定的压差。常用的线性稳压器要求的最小电压差为2V 左右。市场上销售的一些低压差线性稳压器最小压差仅为1V 左右，但是其价格比较贵。考虑到实际的应用及成本情况，本数控电压源中采用的是普通线性稳压器。MC7812AK 降压芯片电路原理图如图2-4所示。
图2-4 MC7812AK降压电路原理图
LM324N 正常工作时所需正负12V 的工作电压由DC-DC 电路提供。若采用MC7812AK 及MC7912AK 构成正负12V 电源的话，需要电源变压器是中心抽头的三端输出工频变压器。为了简化电路的设计和降低制作成本，采用了DC-DC 电路，选用DC-DC 电路的另一原因是其效率比较高。降压转换器只是电压变换器的一种，另外两种电压转换器是升压和反极性模式[11]。DC-DC 电路原理图如图2-5所示。
图2-5 DC-DC电路原理图
在D/A转换器的电压输出端需要施加一个电压放大器实现对微小的D/A输出电压进行放大处理以满足实际的使用要求[12]。电压放大器的输出电压需要连接到LM317的调整端，为了能够得到较大的输出电压值，需要适当的提高集成运算放大器的工作电压。但如果供电电压过大的话，势必会增大集成运算放大器的功耗。由LM324N 技术文档可知。如果LM324N 采用单电源供电的话，其最大可施加的电压为32V ，所以在本数控电压源中采用20V 的供电电压为LM324N 供电。为了得到20V 的直流电压，采取的办法是在MC7815AK 型线性稳压器的对地调整端安装一个5.1V 稳压管。MC7815AK 的输出直流电压为15V ，这样，在MC7815AK 的输出端就可以得到20.1V 的对地直流输出电压，此直流电压即为LM324N 提供工作电压。此时集成运算放大器的最大输出饱和电压大约为18V 左右，完全满足使用要求。MC7815AK 稳压器及5.1V 稳压管电路原理图如图2-6所示。
图2-6 MC7815AK电路原理图
稳压管的工作原理：稳压管又称齐纳管。通常工作在反向击穿的物理条件下。在一定的使用电流范围内或者说是在一定的使用功耗范围内。稳压管的两端电压几乎接近于不变。利用此特性即可实现稳压，由于其工作电路比较简单，成本低。因此广泛应用于小功率稳压电路中。
5V 输出电压电路原理图如图2-7所示。选用开关型稳压芯片的初衷就是最大限度的提高整机效率。图2-7中调节滑动变阻器R16用于调节输出的电压值。
图2-7 5V电路原理图
DC-DC 电路是高效率器件。采用同步整流技术，可以使效率提高3﹪~5﹪。其整体效率可达88﹪~97﹪。过去常常认为DC-DC 电路工作电流比线性稳压器大，但是现在的工艺已经做到同一水平了[13]。考虑到单片机需要5V 的工作电压，所以本数控电压源中由LM2596-adj 开关稳压芯片提供整机中所需的5V 电压。
2.5 本章小结
本章主要介绍了本数控电压源中降压电路的工作原理，此外，还包括整流滤波电路，降压电路，并联均流电路，辅助电源电路的工作原理。以上所述电路对本数控电压源的稳定工作起到了决定性作用，因此，在实际电路的焊接过程中需要注意走线的方式以及走线宽度。
第三章 单片机控制系统电路
本数控电压源中使用单片机作为主控制器。其主要作用是检测输出的电压和电流值，实现实时的人机信息交换，为使用者提供当前的工作信息。单片机控制系统电路主要包括以下四部分：单片机工作系统，D/A电压输出电路，按键电路，显示电路。
3.1 单片机工作系统
本数控电压源中使用的单片机型号为ATmega16。是一款8位单片机，具有16KB 的系统内可编程Flash ，8路10位精度的ADC 。其工作电压是4.5V-5.5V 。采用40引脚DIP 封装。单片机工作系统原理图如图3-1所示。
图3-1单片机系统原理图
图3-1中展示了ATmega16单片机的最小工作系统。包括晶振的电路及复位的电路，为了最大化的有效利用单片机端口资源，将单片机的32个端口利用排针连接到了电路外围。通过ISP 下载器将事先编写好的程序代码下载到单片机，即可利用单片机实现数控电压的输出。使用单片机的好处是可以实时，方便的检测和控制输出端的电压值，而且操作方便。
3.2 D/A电压输出电路
D/A转换器使用的是TLC5618。TLC5618是串行数据输出12位D/A转换器，三总线数据传输，较高的参考端输入阻抗，具有两路电压输出，单电源供电的特点。D/A转
换器所需的转换参考电压由TL431基准电压获得。TL431器件是可编程的并联稳压管。通过两个外部电阻即可从参考电压V REFIN 调整至34V 。且具有较宽的工作电流范围。当典型的动态阻抗0.23欧姆时为1毫安到100毫安[14]。本设计中参考电压设定为2.5V 。所以D/A转换器的最大输出模拟电压为2.5V ，输出电压关系式为：
V OUT =2(V REFIN )
式中 V OUT ——D/A输出电压；
CODE
（3-1） 4096
V REFIN ——转换参考电压；
CODE ——转换数据。
D/A转换电路原理图如图3-2所示。
图3-2 D/A转换电路原理图
3.3 按键电路
3.3. 1 按键功能定义
本数控电压源中共有5个四引脚独立的按键。其功能分别是加1V 操作，减1V 操作，加0.1V 操作，减0.1V 操作，电压确定操作。电压确定键的功能是当电压设定完成后将所设定的电压数据发送给D/A转换器进行转换，此功能的优点是避免输出电压在步进上升过程中对用电设备造成欠压损坏[15]。当电压确定键按下时，数据经过单片机处理从而 D/A转换器输出相应设定的电压值。独立按键的主要工作原理是利用单片机时刻扫描端口的电平变化来判断是哪一个按键被按下。5个独立按键各自的两个公共引脚分别到连接单片机的PA3-PA7端口，另外两个公共引脚则分别连接到单片机系统的地线。
3.3.2 按键扫描过程的实现方法
首先配置端口的方向寄存器。设定单片机的PA3-PA7 端口为输入状态。然后配置端口的数据寄存器，分别给PA3-PA7端口置位。即使PA3-PA7端口的初始电平状态为高电平。当有一个按键被按下时，这个按键所对应的端口就被立刻连接到地。此时端口的电平状态迅速由初始的高电平变为低电平。这样单片机就可检测到相应电平的变化及扫描到是哪一个按键被按下，随后执行相应按键赋予的数据操作，即完成一次按键的扫描过程。在按键扫描程序的判断语句之间需要添加一条延时指令以及一条等待按键松开的指令。延时语句的作用是防止按键抖动带来的误操作。而等待按键松开指令的作用是防止按键在按下的时间内单片机重复执行其他按键操作[16]。按键电路原理图如图3-3所示。
加0.1V
减0.1V
加1V
减1V
确定键
图3-3按键电路原理图
3.4 显示电路
1602液晶显示屏的使用特点：显示字符清晰，可显示的字符数量多，外围电路比较简单。可以使用单片机的普通输入输出接口驱动，操作简便，液晶显示屏背景亮度可以通过调节一个可变电阻器来调节，通过改变调节液晶显示器背景亮度引脚对地的电阻值，即可改变液晶显示屏的背景亮度。这种便捷的操作可以使液晶显示器在不同光强的应用场合均有良好的表现。液晶显示屏实物图如图3-4所示。
图3-4液晶显示屏实物图
因此本数控电压源中的显示装置采用了性价比较高的液晶显示屏1602，实现实时的人机信息交换，为使用者提供准确的工作数据。
3.5 本章小结
本章主要介绍了单片机最小控制系统电路的工作原理，并详细的说明了独立按键的扫描实现方法。独立按键的引入使本数控电压源的操作更加的方便，电压调节精度有了很大的提高。1602液晶显示屏的使用也使本数控电压源在较暗的应用环境中更具实用性。
第四章 过温及过流保护电路
为了使本数控电压源在额定功率下安全的工作，在本数控电压源中加入了过温保护及过流保护功能。这样，即使出现人为的误操作时也不会对本毕业设计造成严重的损坏。以下内容分别说明了过温保护和过流保护的实现方法。
4.1 过温保护电路
4.1. 1 过温保护功能的重要性
损耗在变换器中常常表现为热量，并且产生高于室温（或环境温度）的温升。注意该温升会严重影响系统的工作稳定性。使用经验表明，当温度每升高10℃，系统失效的可能性就会增加数倍[17]。因此，本数控电压源中增加了降压芯片过温保护的功能，目的是保证整机在满负载的情况下能够安全的长时间运作。由于LM317系列线性稳压器自身固有的效率低，发热量大的缺点，使其在实际应用过程中降压芯片会产生很大的温升。若此发热量长时间积累在降压芯片表面，经过一段时间后，降压芯片的温度将会超过其最大使用极限，会立刻造成降压芯片的热击穿，造成LM317降压芯片的输入端与输出端短路。若不加控制，会在短时间内烧毁变压器次级线圈。因此，为了避免上述现象的发生，需要在本设计中加入降压芯片过温保护的功能。
4.1. 2过温保护功能的实现方法
在本数控电压源中降压芯片过温保护功能是通过以下方法实现的：从LM317降压芯片手册上可得知其工作结温的极限温度范围是0~125 ℃。对于芯片封装为TO-220型封装的LM317系列降压芯片其结温升与功耗的关系为50 ℃/W[18]。经过计算得出
LM317降压芯片可以承受的最大功耗为2W 。在未安装散热器使用时，从计算其发热量所允许的最大功耗方面考虑，LM317降压芯片所承受的功耗最大不应超过2W 。在本数控电压源中由于LM317安装了电脑CPU 专用散热风扇，所以可以使LM317允许的短时间最大功耗设定为4W 。
LM317降压芯片功耗的计算是利用单片机时刻采集输出的电流值和电压值并将二者做求积运算实现的。电流值的获取是通过ACS712-30A 型电流传感器，其可检测的最
大直流电流为30A ，是一种霍尔元件。两支路分别设有ACS712-30A 型电流传感器采集各支路的电流值。电流值最终转换为电压的形式反馈给单片机，通过单片机的A/D转换器转换并显示在液晶显示屏上。
输出电压的显示与上述电流值的获取和显示原理大体相同。由于单片机A/D转换器的转换参考电压使用的是单片机内部自带的2.56V 基准电压，所以当实际的输出电压超过2.56V 时。单片机将无法转换输出的电压值，所以需要利用电阻对输出电压进行电阻分压。本数控电压源中电阻分压比为1:10。可以得出当输出最大电压为20V 时，输入到单片机A/D转换器的最大输入电压为2V ，完全符合单片机A/D转换器的要求。
由功率的计算表达式可知。利用单片机将输出的电流值与LM317输入端与输出端的电压差值相乘就得到了LM317降压芯片的功耗，通过编写程序对LM317的功耗实时监测。如果LM317的功耗大于4W 时，开启散热风扇。若不大于4W ，则不启动散热风扇。利用此判断条件控制散热风扇有选择的开启与关闭，既降低了散热风扇的噪声和整机的功耗，又起到了对降压芯片的过温保护作用。
4.1.3散热风扇的驱动方式
散热风扇的开启与关闭是由电磁继电器驱动的。本数控电压源中电磁继电器使用的是常闭式继电器。单片机程序初始化时使PB0 端口的初始输出电平为低电平，即关闭散热风扇状态。当功耗判断条件成立时，单片机的PB0端口输出高电平，使三极管工作在饱和状态。导通集电极与发射极，使电磁继电器完成吸合动作，开启散热风扇。图
4-1中所使用的三极管为NPN 型三极管，其型号为2N5551。电磁继电器的工作电压为12V ，其导通可承受最大直流电压为20V ，电流最大为5A ，满足本设计需要。图4-1中的二极管1N4007的作用是消除电磁继电器的反电动势[19]。
过温保护电路
图4-1过温保护电路原理图
4.2 过流保护电路
4.2. 1 过流保护功能的重要性
过流保护电路在本设计中是必不可少的。由于本数控电压源中应用了并联均流技术，可以使整机的输出电流达到2A 以上。本数控电压源的基本参数是：输出电压2-20V ，最大输出电流2A ，为了限制过大的输出电流值，引入了过流保护功能。
过流保护电路的另一作用是：当输出端由于人为的误操作造成输出端短路时，过流保护电路可以及时的将主降压芯片与输入整流端隔离。避免造成人身的伤害及主降压芯片的损坏。
4.2. 2过流保护功能的实现方法
过流保护功能通过以下方法实现：电流传感器时刻采集输出的电流值并按一定比例将其转换成电压形式。由电流传感器使用手册上可知，当电流传感器无电流流过时，其输出的电压值为电流传感器供电电压的二分之一。电流与转换电压之间的关系式为
66mV/A。
为了达到对输出电流的精确控制，需将两支路的电流值相加求和，计算出的两支路总电流值才是输出端的总输出电流。OP 放大器的使用方法分为以下几种类型：分为反向发放大器，同向放大器，差分放大器以及比较器[20]。本论文中所使用的是加法器。因此，需要利用加法器对两只传感器的输出电压进行加法运算。加法器由集成运算放大器LM324N 构成，LM324N 的内部含有四个集成运放，其性价比较高，可以采用单电源及双电源供电。加法器电路原理图如图4-2所示。
图4-2加法器电路原理图
4.2.3电磁继电器的驱动方法
本数控电压源中所使用的电磁继电器均为常闭式继电器。即当电磁继电器没有吸合时，其输入和输出引脚是导通的。当电磁继电器吸合时，其输入和输出引脚断开。过流保护电路原理图如图4-3所示。
K1
317过流保护电路
图4-3过流保护电路原理图
将两只传感器的输出电压作加法运算后，还需要一步减法操作，此减法操作的目的是消去电流传感器无电流流过时其输出的空载电压。此电压为电流传感器供电电压的二分之一，由于电流传感器的供电电压为5V ，所以电流传感器的空载输出电压为2.5V 。两支电流传感器的空载电压已经达到5V ，此电压已经超过单片机A/D转换器的最大转换电压范围。所以利用减法将5V 消除掉，获得的最终加减运算结果是电流传感器所流过的电流值，将经过加减运算后的电流传感器输出电压输入到单片机进行A/D转换及相关计算。设定过流保护判断条件，若此电压大于1.32V ，则表明电流值也达到2A ，此时导通电磁继电器。若不大于1.32V ，则关闭电磁继电器。
4.3 本章小结
本章主要介绍了过流保护和过温保护的实现方法，并详细的说明了具体电路的作用。过流保护和过温保护功能对本数控电压源在额定功率下长时间运行提供了可靠地保证。
第五章 电路测试结果及性能分析
5.1 电路测试结果
为了测试本数控电压源的效率以及电压负载调整率，在测试中选取了6组输出电压值，并且当输出电压为不同电压值时，分别测试其相应效率，测试数据如表5-1所示。
表5-1负载电流为1000mA 时，数控电压源负载调整率及效率测试表
输入电压（V ）
输入电流（A ）
设定电压（V ）
输出电压（V ）
负载调整
率
效率
19.74 1.46 5 4.66 6.80% 16.49% 19.91 1.43 8 7.76 3.00% 27.53% 19.98 1.47 10 9.69 3.10% 33.65% 19.86 1.54 12 11.66 2.83% 41.17% 19.92 1.52 14 13.72 2.00% 48.48% 19.94 1.48 16 15.74 1.63% 54.94%
5.2 电路性能分析
从表5-1的测试数据可以看出，在相同输出电流的条件下，随着输出电压的升高，电路的负载调整率和效率都有所下降。效率下降的原因有以下两点：（一）是由于线性稳压器自身固有的缺点造成的。从线性稳压器的损耗表达式P=UI可以很明显的得出效率下降的原因，也正是这个原因才限制了线性稳压器在一些场合的应用。例如在要求具有较高的转换效率，或者是输入输出电压差值存在较大的情况时，线性稳压器暴露出了其明显的局限性。（二）是由于随着输出电压的升高，为线性稳压器提供参考电压的集成运算放大器的功耗也在增加。因为运算放大器需要输出更高幅值的直流电压，所以集成运算放大器同时也需要向供电电源索取更大的能量，这样就增加了电源的总消耗功率。电源的效率自然会有所下降。此外，电路中的一些供电电压是由线性稳压器转换得到的，如果将这些电路器件由开关系列稳压器替换。将会对整个电路的效率提高具有一定的帮助，但同时整个电路的成本也随之增加，需要折中选择。
负载调整率下降的主要原因是单片机与线性稳压器之间缺少一个反馈网络。如果要进一步提高电路的负载调整率，就需要在单片机程序内引入控制算法。即当输出电压小于设定的输出电压时，自动提高数模转换器的电压输出，这样经过一个时钟周期的电压采样，单片机内部实现误差的计算和比较。从而调整输出电压，继而提高负载调整率。
5.3 本章小结
本章的主要内容是对测试数据进行详细的分析，并给出了本数控电压源在今后使用中的一些优化措施和改进方案。数据的分析结果对提高本数控电压源的转换效率也有一定的积极作用。
结论
本数控电压源经过了多次满载测试。在其最大输出电压及最大输出负载电流范围内均有良好的表现，在整个电路的设计过程中，引入了并联均流技术。这项技术既是本毕业设计的特色，同时也是在制作数控小功率电源方面的一个创新。在本数控电压源中的并联均流性能达到了预期的效果，有效的提高了整体的功率密度。此外，单片机控制器编程的灵活性，为制作数控电压源带来了很多的方便。
在本数控电压源制作过程中，也遇到了一些实际的技术困难。例如模拟地线和数字地线相连接时的干扰问题，在指导老师的精心帮助下，以及查阅了相关技术资料，成功的解决了这个技术难题。在这个过程中，使我深深的懂得了在遇到困难时应该如何的着手去解决问题，以及分析问题的方法和角度，提高了自己解决问题的能力。
在效率测试章节中，从测试数据的变化规律可以看出，当输入与输出电压之间存在较大的电压差值时，效率会下降很多，对此，在今后的实际应用中可以采取以下两种措施进一步提高转换效率：（一）增加工频变压器的次级输出绕组，将输出电压范围划分为多个子电压区间。例如，当设定输出为5V 时，可以利用单片机控制电磁继电器导通工频变压器次级输出为8V 的次级绕组，这样，进一步减小了输入与输入之间的电压差值，有效的降低了线性稳压器的损耗，提高了整体的转换效率。同理输出10V 时，可以使线性调整器的输入电压为13V 。但这种措施在提高效率的同时也为绕制多组次级输出的工频变压器带来了较多的不便。（二）调整主电路与辅助支路的均流比值，这样可以使辅助支路承担更大的负载电流，而主电路则只是起到电压基准的作用，降低了线性稳压器的工作电流即降低了线性稳压器的损耗，提高了转换效率。若要使辅助支路承担更大的负载电流，则需要选择输出功率较大的开关系列转换器，而这种开关系列转换器的价格一般会比较高。综上所述，需要在制作成本与性能二者之间做好折中处理。
从本数控电压源的性能表现以及制作成本可以看出，在要求小功率输出及较高性价比的工作场合将会有广泛的应用前景。
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[18] 孟妍, 颜湘武, 张珍. 电动汽车充电电源并联均流技术[J].电力电子技术. 2011, 45(12):60-62. [19] 陈一聪. 开关电源并联均流系统[J].硅谷.2012, (4):21-22.
[20] 松井邦彦. OP放大器应用技巧[M].北京:科学出版社, 2006.1:69-77.
致谢
在本数控电压源设计制作过程中，我得到了孙凤云老师的热心指导，她始终热情的给我讲解和分析本数控电压源中遇到的一些问题和困难，并给我指明了改进的方向，使我在数控电压源设计过程中少走了很多的弯路，对我今后的人生发展也起到了一定的启发作用。在这里真心的感谢孙凤云老师的悉心指导和热情帮助，并致以诚挚的谢意！衷心对孙凤云老师说一声“谢谢您孙老师，您辛苦了”
附录一 部分程序代码
#include //函数头文件的包含 #include
#define uchar unsigned char //宏定义 #define uint unsigned int //1602 I/O口宏定义
#define RS_1 PORTD|=BIT(5) #define RS_0 PORTD&=~BIT(5)
#define RW_1 PORTD|=BIT(6) #define RW_0 PORTD&=~BIT(6)
#define EN_1 PORTD|=BIT(7) #define EN_0 PORTD&=~BIT(7) #define DataPort PORTC //TLC5615 I/O宏定义
#define DIN_1 PORTD|=BIT(4) //#define DIN_0 PORTD&=~BIT(4)
#define SCLK_1 PORTD|=BIT(3) //#define SCLK_0 PORTD&=~BIT(3)
#define CS_1 PORTD|=BIT(2) //#define CS_0 PORTD&=~BIT(2)
uchar table1[]="V= V"; uchar table2[]="Vset= V"; uchar table3[]="DC-Power"; float V_set=0,key_value1; uint key_value,ad_Vout,ad_Iout;
void delay_ms(uint ms) { uint i,j;
for(i=0;i
//数据命令选择端 //读写选择端 //使能选择端 数据端 时钟端 片选端 //液晶屏幕初始显示字符 //延时子函数
for(j=0;j
void TLC5618(uint data) //D/A转换器子函数 {
char i;
data=data|0x8000; //date最高位置1，选择A 通道 CS_0; //允许片选 SCLK_0; for(i=0;i
if((data&0x8000)==0x8000) DIN_1;
else
DIN_0;
SCLK_1; //SCLK上升沿，数据输入
data
SCLK_0; //SCLK恢复低电平
}
CS_1; //禁止片选 }
void write_com(uint com) //1602写命令初始化 { RS_0; RW_0; DataPort=com; EN_1; delay_ms(1);
EN_0; c=ad_Iout%10000%1000/100; write_com(0x80+0x02);
write_data(a+0x30); write_data(b+0x30); write_data(0x2e); write_data(c+0x30); }
V oid key_scan() //独立按键扫描函数 {
DDRA=0x00; //配置A 口为输入 1000 PORTA=0xF8; //A口初始赋值 1111 if((PINA&0x80)==0) //1000 0000 加0.1V 操作 {
delay_ms(5); if((PINA&0x80)==0) {
delay_ms(5);
key_value1=key_value1+8.192; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096 V_set=V_set+0.1; //显示加0.1V 后的电压
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
}
if((PINA&0x40)==0) //0100 0000 减0.1V 操作 {
delay_ms(5); if((PINA&0x40)==0) {
delay_ms(5);
key_value1=key_value1-8.192; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096
V_set=V_set-0.1; //显示减0.1V 后的电压
26
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
}
if((PINA&0x20)==0) //0010 0000 加1V 操作 {
delay_ms(6); if((PINA&0x20)==0) {
delay_ms(6);
key_value1=key_value1+81.92; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096
V_set=V_set+1; //显示加1V 后的电压
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
}
if((PINA&0x10)==0) //0001 0000 减1V 操作 {
delay_ms(5);
if((PINA&0x10)==0) {
delay_ms(5);
key_value1=key_value1-81.92; //输出电压=2（vref ）*CODE/4096 V_set=V_set-1; //显示减1V 后的电压
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
}
while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下。
} if((PINA&0x08)==0) //0000 1000 电压设定确定键 {
delay_ms(2);
27
if((PINA&0x08)==0) {
key_value=(int)(key_value1); TLC5618(key_value);
Vset_display(V_set,1,5); //在1602第一行11列显示设定电压值
} } }
void main() //主函数 {
PORTD|=BIT(5)|BIT(6)|BIT(7); //1602端口初始化 DDRD|=BIT(5)|BIT(6)|BIT(7); PORTC=0XFF; DDRC=0XFF;
PORTD|=BIT(2)|BIT(3)|BIT(4); //TLC5618端口初始化 DDRD|=BIT(2)|BIT(3)|BIT(4);
PORTB&=~BIT(0); //散热风扇初始值为低电平，高电平开启。 PORTB&=~BIT(3); //无过流时，继电器闭合。 while((PINA&0xF8)!=0xF8); //检查是否有按键按下按。
DDRB|=BIT(0)|BIT(1)|BIT(2)|BIT(3); LCD_init(); Vset_display(0,1,5); while(1) {
key_scan();
ad0_init();if(V_set>=10) //散热风扇开启判断条件。 {
PORTB|=BIT(0); //启动散热风扇 }
28
else
{
PORTB&=~BIT(0); //关闭散热风扇
}
if(ad_Vout>20000) {
if(ad_Vout>20000) {
PORTB|=BIT(3); PORTB&=~BIT(1);
PORTB&=~BIT(2); delay_ms(2000);
}
}
else { PORTB|=BIT(1); PORTB&=~BIT(2);
PORTB&=~BIT(3);
}
} //断开继电器
//开启过流报警指示灯 //开启过流报警蜂鸣器
//关闭过流报警指示灯 //关闭过流报警蜂鸣器 //闭合继电器 29
}
基于单片机的数控电压源设计
附录二 整机电路原理图
30
过流报警指示灯
基于单片机的数控电压源设计
31
基于单片机的数控电压源设计
附录三 整机实物图
32