摘要：设计了一种以单片机Atmega16为控制系统的步进电源，输出电压为0～+12V，通过按键可以实现±0.5v步进输出；采用4094驱动数码管显示，显示精度为0.1V，当输出超限时，具有自动报警功能；并通过实验验证了步进电源的实用性。
关键词：数控 步进电源Atmega16 数码管

　　一、引言
 　　随着电子技术的发展，各种电子电器设备对电源的性能要求不断提高，电源不断向数字化、高效率、模块化和智能化等方向发展。直流稳压电源是最常用的仪器设备，在科研及实验中都是必不可少的。传统的直流稳压电源通常采用电位器和波段开关来实现电压的调节，并由电压表指示电压值的大小，电压的调整精度低，可靠性差、读数欠直观，电位器也易磨损。基于单片机控制的直流稳压电源，以数字电路为基础，可以通过按键来调节电压以步进输出，不但能较好地解决传统稳压电源的不足，而且电路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越，具有较高的使用价值。
　　此设计的步进直流稳压电源主要由单片机系统、键盘、数码管显示器、及报警电路、检测电路、直流稳压电路等几部分组成，得到输出电压为0～+12V，输出0～1A的直流稳压电源，并通过高容量的滤波电容可以有效的减小纹波。单片机通过A/D采样输出电压，利用比较器对采样电压和基准电压的比较判断，以及二极管的反向导通特性共同实现对线路的过载报警。工作过程中，稳压电源的工作状态(输出电压、电流等各种工作状态)均由单片机输出，驱动LED显示[1][2]。其原理框图如图1所示
　　图1、步进数控电源电路原理方框图
　　二、单元电路设计
　　1控制部分的设计
　　采用Atmega16单片机作整个系统的主控芯片，由单片机程控输出数字信号，经过D/A转换器（TLC5615）输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着功率管基极电压的变化而输出不同的电压值。因为TLC5615在开关电源中的应用具有体积小、效率高、重量轻、噪声低等优点，所以被广泛使用。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电压的步进控制，使系统硬件更加简洁，各类功能易于实现，能很好地满足设计要求[1]。
　　2、供电部分的设计
　　采用三端集成稳压器作为供电部分的核心器件，其优点是稳压性能非常好，稳压块内部还有设有非常灵敏的过流保护和过热保护等电路，所以输出电压不会因为短路或负载击穿而发生故障。而且温度特性非常好，使用比较安全可靠，电路简单，纹波系数小；同时集成稳压器具有结构简单、外围元器件少、调试方便、可靠性高、使用灵活和价格低廉等特点。如图2所示电压输入经过变压器变压，然后经过整流桥整流、电容滤波、经过7812和7912供给输出电压、电容储能，最后输出所需电压±12V，+12V电压通过7805得到稳定直流电压+5V[2][3]。
 
　　图2、供电电路原理图
　　3、显示部分的设计
　　若采用液晶显示低功耗，可以显示要求较高的数据，但价格偏高。本设计采用动态数码管显示。动态显示因为是轮流的显示，所以功耗相应会有所降低，价格低廉。本设计采用了4个按键作为控制，控制输出的正负0.5步进、复位以及电流与电压显示的切换。图中数码管的动态显示用4094驱动，通过轮流选位的方法达到动态显示，这样可以减低功耗[2][3]。
   
                    图3、显示电路原理图
　　4、稳压电路和报警电路的设计
　　为了保证整个电路在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定，设计了能提供稳定的直流电源的稳压电路模块。当输出电流过大, 启动报警系统，LED红色指示灯和蜂鸣器发出警报, 功率管自动截至[2][3][4]。稳压和报警电路原理图如图4、图5所示。
 
　　图4、稳压电路原理图
 
　　图5、报警电路原理图
　　三、系统测试
　　根据系统的控制原理和所设计的各部分电路模块，绘制整个系统的电路原理图。根据原理图制造PCB电路板，焊接电气元件，编写控制程序，经过系统调试，对所设计的数控步进电源性能进行试验测试。以0.5V为步进变化输出电压，用数字万用表来测量输出电压，测量数据见下表：
　　表一：输出电压测量数据表
　　理论值 7.5V 8V 8.5V 9V
　　实际值 7.6 7.8V 8.6V 9.2V
　　差值 0.1 0.2V 0.1V 0.2V
　　通过实验过程和测量数据的分析可得到实验结果如下：
　　（1）通过“＋”、“－”键步进调整输出电压，可调范围为0～+12V，步进幅度为0.5V。
　　（2）输出电压和电流值通过4位LED显示，显示精度分别为0.1V和0.01A。输出电流范围：0～1A输出纹波电压小于10mV（输出电压为10V，输出电流为500mA时测得）
　　四、总结：
　　本设计是以Atmega16单片机为核心的智能化高精度简易直流电源系统，采用数字调节，电路结构简单，输出精度高，调节方便，特别适用于各种有较高精度、小功率恒压源的领域。同时此系统具有以下优点:
   （1）采用先进的控制方法和智能控制策略，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。
   （2）控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。
   （3）控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即即可。
 
参考文献
[1] 于正林.AVR单片机原理及应用[M]. 北京： 国防工业出版社，2009年
[2] 阎石. 数字电子技术基础[M]. 北京：高等教育出版社，2009年.
[3] 邓勇. 数字电路设计完全手册[M]. 北京： 国防工业出版社，2004年
[4] 李逾晖.交直流开关电源数控系统设计及关键问题研究[D].浙江大学,2004年