利用单片机控制的数控直流电源系统的设计.doc

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1、目 录摘 要I第1章 绪论11.1单片机控制数控直流电源设计目的和意义11.2单片机控制数控直流电源设计项目发展11.3单片机控制数控直流电源设计原理1第2章 单片机控制数控直流电源设计方案研究22.1方案一设计22.2方案二设计22.3单片机控制数控直流电源设计参数32.4本课题完成的主要任务3第3章 单片机控制数控直流电源设计43.1主回路设计43.2控制电路设计43.3控制程序设计43.4单片机控制数控直流电源结构部分设计4第4章 结论4致 谢6参考文献7附 录8摘要随着电力电子技术的迅速发展，直流电源应用非常广泛，其好坏直接影响着电气设备或控制系统的工作性能。目前，市场上各种直流电源的

2、基本环节大致相同，都包括交流电源、交流变压器、整流电路、滤波稳压电路等。文章介绍了单片机控制系统应用于直流稳压电源的方法和原理，实现了稳压电源的数控调节，在宽输出电压下实现了0.1V步进调节，并分析了稳压工作原理和电压调节方法。该电源具有电压调整简便、电压输出稳定、便于智能化管理等特点。将单片机数字控制技术，有机地融入直流稳压电源设计中，设计并制作出一款数字化直流稳压电源。该电源采用数字调节、输出精度高，且兼备短路和过流保护及报警功能，特别适用于各种有较高精度要求的场合。利用单片机对直流稳压电源进行控制，改善了电源的性能，使用方便灵活，并且成本较低，同时控制系统在软件上还可进一步改进，以扩展其

3、功能，而且并不需要增加硬件开销，从而提高电源的性能价格比。关键词：稳压电源；单片机；直流电源AbstractWith the rapid development of power electronics, DC power is widely used, its direct impact on the electrical device or control system performance. Currently, a variety of DC power supply on the market similar to the basic aspects are included AC

4、 power supply, AC transformer, rectifier, filter regulator circuit.This article introduces single chip control system for DC power supply of the methods and principles to achieve the power supply CNC adjustment to achieve a wide output voltage of the 0.1V step regulation, and analyzes the working pr

5、inciple and the voltage regulator adjustment method . The power supply has a simple voltage regulator, voltage output stability, ease of intelligent management features. The single chip digital control technology, organic integration into the DC power supply design, design and produce a digital DC p

6、ower suppiy. Thedigital power supply regulation, the output of high precision, and both short circuit and over current protection and alarm functions, especially for higher accuracy requirements for various occasions. DC power supply using microcontroller to control and improve the power performance

7、, convenience, flexibility and lower cost, while the control system software can be further improved to extend its functionality, but does not require additional hardware overhead, which improve the power performance and low cost.Keywords: power supply; SCM; DC power supply23一 绪论电源技术尤其是数控电源技术是一问实践性很

8、强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。当今电源技术融合了电气、电子、系统集成、控制理论、材料等诸多学科领域、随着计算机和通讯技术发展而来的现代信息技术革命，给电力电子技术提供了广阔的发展前景，同时也给电源提出了更高的要求。随着数控电源在电子装置中的普遍使用，普通电源在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。电源在使用时会造成很多不良后果，世界各国纷纷对电源产品提出不同要求并制定了一系列的产品精度标准。只有满足产品标准，才能够进入市场。随着经济全球化的发展，满足国际标准的产品才能获得进出的通行证。数据电源是从80年代才真正的发展起来的，期间系统的电力电子理论开始建

9、立。这些理论为其后来的发展提供了一个良好的基础。在以后的一段时间里，数控电源技术有了长足的发展，但其产品存在数控程度打不打要求、分辨率不高、功率密度比较低、可靠性较差的缺点。因此数控电源主要的发展方向，是针对上述缺点不断加以改善。单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控电源的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数控信号处理器件的研制应用，到90年代，已出现了数控精度达到0.05V的数控电源，功率密度达到每立方英寸50W的数控电源。从组成上，数控电源可分成器件、主电路与控制等三部分1。数字化智能电源模块是针对传统智能电源模块的不足提出的，数字化能够减少生

10、产过程中的不确定因素和人为参与的环节数，有效地解决电源模块中诸如可靠性。智能化和产品一致性等工程问题，极大地提高生产效率和产品的可维护性。电源采用数字控制，具有以下明显优点：1） 易于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可。4） 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，

11、软件修复，甚至控制参数在线修改、调试；也可以通过MODEM远程操作。5） 系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。6） 易组成高可靠性的多模块逆变电源并联运行系统。为了得到高性能的并联运行逆变电源系统，每个并联运行的逆变电源单元模块都cy采用数字化控制，易于在模块之间更好地进行均流控制和通讯或者在模块中实现复杂的均流控制算法（不需要通讯），从而实现高可靠性、高冗余度的逆变电源并联运行系统。二、单片嵌入式系统概述在各种不同类型的嵌入式系统中，以单片微控制器(Microcontrolle

12、r)作为系统的主要 控制核心所构成的单片嵌入式系统（国内通常称为单片机系统）占据着非常重要的地位。单片嵌入式系统的硬件基本构成可分成两大部分：单片微控制器芯片和外围的接口与控 制电路。其中单片微控制器是构成单片嵌入式系统的核心。所谓的单片微控制器即单片机，它的外表通常只是一片大规模集成电路芯片。但在芯 片的内部却集成了中央处理器单元(CPU)，各种存储器(RAM、ROM、EPROM、E2PROM和 FlashROM 等)，各种输入/输出接口(定时器/计数器、并行 I/O、串行 I/O 以及 A/D 转换接口等)，等 众多的功能部件。因此，一片芯片就构成了一个基本的微型计算机系统2。 由于单片机

13、芯片的微小体积，极低的成本和面向控制的设计，使的它作为智能控制的核 心器件被广泛地应用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领 域中的电子设备和电子产品中。可以说，由单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代 电子系统中最重要的组成部分2.1 嵌入式计算机系统计算机的出现首先是应用于数值计算。随着计算机技术的不断发展，计算机的处理速 度越来越快，存储容量越来越大，外围设备的性能越来越好，满足了高速数值计算和海量数 据处理的需要，形成了高性能的通用计算机系统。2.1.1 什么是嵌入式系统以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、适用领域，将其分为大型计 算机、中型机

14、、小型机和微型计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿袭了约40年。近20年来，随着计算机技术的迅速发展，以及计算机技术和产品对其它行业的广泛 渗透，使得以应用为中心的分类方法变得更为切合实际。具体的说，就是按计算机的非嵌入 式应用和嵌入式应用将其分为通用计算机系统和嵌入式计算机系统3。通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现，并 应用在社会的各个方面。现在我们在办公室里、家庭中，最广泛普及使用的 PC 机就是通用 计算机其最典型的代表。而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中的。在许多 的应用领域中，如工业控制、智能仪器仪表、家用电

15、器、电子通信设备等电子系统和电子产 品中，对计算机的应用有着不同的要求。这些要求的主要特征为：(1) 面对控制对象。面对物理量传感器变换的信号输入；面对人机交互的操作控制；面 对对象的伺服驱动和控制。(2) 嵌入到应用系统。体积小、低功耗、价格低廉，可方便地嵌入到应用系统和电子产品中。(3) 能在工业现场环境中可靠运行。(4) 优良的控制功能。对外部的各种模拟和数字信号能及时地捕捉，对多种不同的控制 对象能灵活地进行实时控制。可以看出，满足上述要求的计算机系统与通用计算机系统是不同的。换句话讲，能够 满足和适合以上这些应用的计算机系统与通用计算机系统在应用目标上有巨大的差异。我们将具备高速计算

16、能力和海量存储，用于高速数值计算和海量数据处理的计算机称为通用计算机系统。而将面对工控领域对象，嵌入到各种控制应用系统、各类电子系统和电子产品中，实现嵌入式应用的计算机系统称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统 (Embedded System)。特定的环境、特定的功能，要求计算机系统与所嵌入的应用环境成为一个统一的整体，并且往往要满足紧凑、高可靠性、实时性好、低功耗等技术要求。对于这样一种面向具体专用应用目标的计算机系统的应用，以及系统的设计方法和开发技术，构成了今天嵌入式系统的重要内涵，也是嵌入式系统发展成为一个相对独立的计算机研究和学习领域的原因。2.1.2嵌入式系统的特点与应用因此，嵌

17、入式系统就是指用于实现独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、 微控制器、定时器、传感器等一系列微电子芯片与器件，以及嵌入在存储器中的微型操作系统或控制系统软件组成，完成诸如实时控制、监测管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务6。 嵌入式系统是以应用为核心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、安全性、成本、体积、重量、功耗、环境等方面有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起，简单讲就是系统的应用软件与系统的硬件一体化。这种系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适应与面向对象的要求实时的和多任务的应用4

18、。嵌入式计算机系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统，一台通用计算机系统，如 PC 机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式系统：键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、Modem、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB 集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。通用计算机系统和嵌入式计算机系统形成了计算机技术的两大分支。与通用计算机系统相比，嵌入式系统最显著的特性是面对工控领域的测控对象。工控领域的测量对象都是一些物理量，如压力、温度、速度、位移等；控制对象则包括马达、电磁

19、开关等。嵌入式计算机系统对这些参量的采集、处理、控制速度是有限的，而对控制方式和能力的要求则是多种多样的。显然，这一特性形成并决定了嵌入式计算机系统和通用计算机系统在系统结构、技术、学习、开发和应用等诸方面的差别，也使得嵌入式系统成为计算机技术发展中的一个重要分支。嵌入式计算机系统以其独特的结构和性能，越来越多地应用的国民经济的各个领域。2.2单片嵌入式系统嵌入式计算机系统的构成，根据其核心控制部分的不同可分为几种不同的类型5：a. 各种类型的工控机b. 可编程逻辑控制器 PLCc. 以通用微处理器或数字信号处理器构成的嵌入式系统d. 单片嵌入式系统采用上述不同类型的核心控制部件所构成的系统都

20、实现了嵌入式系统的应用，成为嵌入式系统应用的庞大家族。以单片机作为控制核心的单片嵌入式系统大部分应用于专业性极强的工业控制系统中。其主要特点是：结构和功能相对单一、存储容量较小、计算能力和效率比较低，简单的用户接口。由于这种嵌入式系统功能专一可靠、价格便宜，因此在工业控制、电子智能仪器设备等领域有着广泛的应用。作为单片嵌入式系统的核心控制部件单片机，它从体系结构到指令系统都是按照嵌入式系统的应用特点专门设计的，它能最好地满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行和优良的控制功能要求。因此，单片嵌入式应用是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统，也有着广泛的应用前景。由于单片机具有嵌入式

21、系统应用的专用体系结构和指令系统，因此在其基本体系结构上，可衍生出能满足各种不同应用系统要求的系统和产品。用户可根据应用系统的各种不同要求和功能，选择最佳型号的单片机。作为一个典型的嵌入式系统单片嵌入式系统，在我国大规模应用已有几十年的历史。它不但是在中、小型工控领域、智能仪器仪表、家用电器、电子通信设备和电子系统中最重要的工具和最普遍的应用手段，同时正是由于单片嵌入式系统的广泛应用和不断发展，也大大推动了嵌入式系统技术的快速发展。因此对于电子、通信、工业控制、智能仪器仪表等相关专业的学生来讲，深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用，不仅能对自己所学的基础知识进行检验，而且能够培养和锻炼自己

22、的问题分析、综合应用、和动手实践的能力，掌握真正的专业技能和应用技术。同时，深入学习和掌握单片嵌入式系统的原理与应用，也为更好的掌握其它嵌入式系统的打下重要的基础，这个特点尤其表现在硬件设计方面。2.3单片嵌入式系统的应用领域以单片机为核心构成的单片嵌入式系统已成为现代电子系统中最重要的组成部分。在现代的数字化世界中，单片嵌入式系统已经大量地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，计算机的网络通信与数据传输，工业自动化过程的时实控制和数据处理，生产流水线上的机器人，医院里先进的医疗器械和仪器，广泛使用的各种智能 IC 卡，小朋友的程

23、控玩具和电子宠物都是典型的单片嵌入式系统应用6。由于单片机芯片的微小体积，极低的成本和面向控制的设计，使的它作为智能控制的核心器件被广泛地用于嵌入到工业控制、智能仪器仪表、家用电器、电子通信产品等各个领域中的电子设备和电子产品中，主要的应用领域有以下几个方面7。（1） 智能家用电器。俗程带“电脑”的家用电器，如电冰箱、空调、微波炉、电饭锅、电视机、洗衣机等。传统的家用电器中嵌入了单片机系统后使产品性能特点都得到很大的改善，实现了运行智能化、温度的自动控制和调节、节约电能等。（2） 智能机电一体化产品。单片机嵌入式系统与传统的机械产品相结合，使传统的机械产品结构简化，控制智能化，构成新一代的机电

24、一体化产品。这些产品已在纺织、机械、化工、食品等工业生产中发挥出巨大的作用。（3） 智能仪表仪器。用单片机嵌入式系统改造原有的测量、控制仪表和仪器，能促使仪表仪器向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化发展。由单片机系统构成的智能仪器仪表可以集测量、处理、控制功能与一体，赋予传统的仪器仪表以崭新的面貌。（4） 测控系统。用单片机嵌入式系统可以构成各种工业控制系统、适应控制系统、数据采集系统等。例如，温室人工气候控制、汽车数据采集与自动控制系统。三 单片机的基本结构3.1单片机的基本组成结构单片机嵌入式系统的核心部件是单片机，其结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上，构成一片具有

25、特定功能的单芯片计算机单片机。从单片机的基本组成可以看出，在一片（单片机）芯片中，集成了构成一个计算机系统的最基本的单元：如 CPU、程序（指令）存储器、数据存储器、各种类型的输入/输出接口等。CPU 同各基本单元通过芯片内的内部总线（包括数据总线、地址总线和控制总线）连接8。一般情况下，内部总线中的数据总线宽度(或指 CPU 的字长)也是标定该单片机等级的一个重要指标。一般讲，低档单片机的内部数据总线宽度为4位（4位机），普通和中档单片机的内部数据总线宽度一般为8位（8位机），高档单片机内部数据总线宽度为16或32位。内部数据总线宽度越宽，单片机的处理速度也相应的提高，功能也越强。3.2单片

26、机基本单元与作用3.2.1 MCU 单元(Microcontroller Unit) MCU 单元部分包括了 CPU、时钟系统、复位、总线控制逻辑等电路。CPU 是按照面向测控对象、嵌入式应用的要求设计的，其功能有进行算术、逻辑、比较等运算和操作，并将结果和状态信息与存储器以及状态寄存器进行交换（读/写）。时钟和复位电路实现上电复位、信号控制复位，产生片内各种时钟及功耗管理等。总线控制电路则产生各类控制逻辑信号，满足 MCU 对内部和外部总线的控制。其中，内部总线用以实现片内各单元电路的协调操作和数据传输，而外部总线控制用于单片机外围扩展的操作管理9。3.2.2 片内存储器单片机的存储器一般分

27、成程序存储器和数据存储器，它们往往构成相互独立的两个存储空间，分别寻址，互不干扰。在这一点上，与通用计算机系统的结构是不同的。通用计算机系统通常采用“Von-Neumann”结构，在这种结构体系中采用了单一的数据总线用于指令和数据的存取，因此数据和指令是存放在同一个存储空间中的，CPU 使用同一条数据总线与数据和程序进行交换,如在计算机原理课程中介绍的8086/8088。而单片机的内部结构通常使用“Harvard”体系结构，在这种体系中采用分开的指令和数据总线，以及分开的指令和数据地址空间。单片机采用 Harvard 双（多）总线结构的优点是，指令和数据空间完全分开，分别通过专用的总线同 CP

28、U 交换，可以实现对程序和数据的同时访问，提高了 CPU 的执行速度和数据的吞吐率。早期的单片机，如典型的8031单片机，在片内只集成少量的数据存储器 RAM（128/256字节），没有程序存储器。因此程序存储器和大容量的数据存储器需要进行片外的扩展，增加外围的存储芯片和电路，这给构成嵌入式系统带来了麻烦。后期的单片机则在片内集成了相当数量的程序存储器，如与8031兼容的AT89S51、AT89S52在片内集成了4K/8K的 Flash程序存储器。而现在新型的单片机，则在片内集成了更多数量和更多类型的存储器。如 AVR系列的ATmega16在片内就集成了16K 字节的 Flash 程序存储器，

29、1K 字节的 RAM 数据存储器，以及512字节的 EEPROM 数据存储器，这就大大方便了应用。3.2.3 程序存储器程序存储器用于存放嵌入式系统的应用程序。由于单片机嵌入式系统的应用程序在开发调试完成后不需要经常改变，因此单片机的程序存储器多采用只读型 ROM 存储器，用于永久性的存储系统的应用程序。为适应不同产品、用户和不同场合的需要，单片机的程序存储器有以下几种不同形式10：ROMLess 型。该种形式的单片机片内没有集成程序存储器，使用时必须在单片机外部扩展一定容量的 EPROM 器件。因此，使用这种类型的单片机就必须使用并行扩展总线，增加芯片，增加了硬件设计的工作量。EPROM 型

30、。单片机片内集成了一定数量的 EPROM 存储器用于存放系统的应用程序。这类单片机芯片的上部开有透明窗口，可通过约15分钟的紫外线照射来擦除存储器中的程序，再使用专用的写入装置写入程序代码和数据，写入次数一般为几十次。MaskROM 型。使用种类型的单片机时，用户要将调试好的应用程序代码交给单片机的生产厂家，生产商在单片机芯片制造过程的掩膜工艺阶段将程序代码掩膜到程序存储器中。这种单片机便成为永久性专用的芯片，系统程序无法改动，适合于大批量产品的生产。OTPROM 型。这种类型的单片机与 MaskROM 型的单片机有相似的特点。生产商提供新的单片机芯片中的程序存储器可由用户使用专用的写入装置一

31、次性编程写入程序代码，写入后也无法改动了。这种类型的单片机也是适用于大批量产品的生产。FlashROM 型。这是一种可供用户多次擦除和写入程序代码的单片机。它的程序存储器采用快闪存储器（FlashMemory）,现在可实现大于1万次的写入操作。内部集成 FlashROM 型单片机的出现，以及随着 Flash 存储器价格的下降，使得使用FlashROM 的单片机正在逐步淘汰使用其它类型程序存储器的单片机。由于 FlashROM 可多次擦除（电擦除）和写入的特性，加上新型的单片机又采用了在线下载 ISP 技术（In SystemProgram-既无需将芯片从系统板上取下，直接在线将新的程序代码写入

32、单片机的程序存储器中。），不仅为用户在嵌入式系统的设计、开发和调试带来了极大的方便，而且也适用于大批量产品的生产，并为产品的更新换代提供了更广阔的空间11。3.2.4 数据存储器单片机在片内集成的数据存储器一般有两类：随机存储器 RAM 和电可擦除存储器EEPROM。随机存储器 RAM。在单片机中，随机存储器 RAM 是用来存储系统程序在运行期间的工作变量和临时数据的。一般在单片机内部集成一定容量（32字节至512字节或更多）的 RAM。这些小容量的数据存储器以高速 RAM 的形式集成在单片机芯片内部，作为临时的工作存储器使用，可以提高单片机的运行速度。在单片机中，常把内部寄存器(如工作寄存器

33、、I/O 寄存器等)在逻辑上也划分在 RAM 空间中，这样即可以使用专用的寄存器指令对寄存器进行操作，也可将寄存器当做 RAM 使用，为程序设计提供了方便和灵活性。对一些需要使用大容量数据存储器的系统，就需要在外部扩展数据存储器。这时，单片机就必须具备并行扩展总线的功能，同时外围也要增加 RAM 芯片和相应的地址锁存、地址译码等电路。这不仅增加了硬件设计的工作量，产品的成本，同时降低了系统的可靠性。目前许多新型单片机片内集成的 RAM 容量越来越大。片内集成的 RAM 容量增加，不仅减少了在片外扩展 RAM 的必要性，提高了系统的可靠性，而且更重要的是，使得单片嵌入式系统的软件设计思想和方法有

34、了许多的改变和发展，给编写系统程序带来很大的方便，更加有利于结构化、模块化的程序设计。电可擦除存储器 EEPROM。一些新型的单片机，在芯片中还集成了电可擦除存储器型EEPROM 的数据存储器。这类数据存储器用于存放一些永久或比较固定的系统参数，如放大倍率、电话号码、时间常数等。EEPROM 的寿命大于10万次，具有掉电后不丢失数据的特点，并且通过系统程序可以随时修改，这些特性都给用户设计开发产品带来极大的方便和想象空间。3.2.5 输入/输出（I/O）端口为了满足嵌入式系统“面向控制”的实际应用需要，单片机提供了数量众多、功能强、使用灵活的输入/输出端口，简称 I/O。端口的类型可分为以下几

35、种类型11： 并行总线输入/输出端口（并型 I/O 口）。用于外部扩展和扩充并行存储器芯片或并行I/O 芯片等使用，包括数据总线、地址总线和读写控制信号等。 通用数字 I/O 端口。用于外部电路逻辑信号的输入和输出控制。 片内功能单元的输入/输出端口。如：定时器/计数器的计数脉冲输入，外部中断源信号的输入等。 串行 I/O 通信口。用于系统之间或与采用专用串行协议的外围芯片之间的连接和交换数据。如：UART 串行接口（RS-232），I2C 串行接口，SPI 串行接口，USB 串行口等。 其它专用接口。一些新型的单片机还在片内集成了某些专用功能的模拟或数字的 I/O端口，如 A/D 输入、D/

36、A 输出接口，模拟比较输入端口，脉宽调制（PWD）输出端口等。更有的单片机还将 LCD 液晶显示器的接口也集成到单片机芯片中了。为了减少芯片引脚的数量，又能提供更多性能的 I/O 端口给用户使用，大多数的单片机都采用了 I/O 端口复用技术，既某一端口，它即可作为一般通用的数字 I/O 端口使用，也可作为某个特殊功能的端口使用，用户可根据系统的实际需要来定义使用。这样就为设计开发提供了方便，大大拓宽了单片机的应用范围。3.2.6 操作管理寄存器。操作管理寄存器也是单片机芯片中的重要组成部分之一。它的功能是管理、协调、控制和操作单片机芯片中的各功能单元的使用和运行。这类寄存器的种类有：状态寄存器

37、、控制寄存器、方式寄存器、数据寄存器等等。各种寄存器的定义、功能、状态、相互之间的关系和应用相对比较复杂，而且往往同相应的功能单元的使用紧密相关，因此，用户应非常熟悉各个寄存器的作用以及如何与不同的功能单元的配合使用，这样才能通过程序指令对其编程操作，以实现对单片机芯片中各种功能的正确使用，充分发挥单片机的所有特点和性能，设计和开发出高性能、低成本的电子产品。四、系统硬件设计4.1电路原理电路系统结构如图所示，系统选用Atmage16单片机为核心，外展1602驱动芯片用以实现电压输出功能，同时1602液晶显示相应的输出值。单片机计算设定值A/D转换采样反馈值的偏差以及偏差的变化率出相应的输出值

38、，由D/A转换变换为模拟量去驱动电压输出控制电路，使电压稳定在设定值12。图1电路系统结构图4.2硬件模块分析4.2.1 ATmega16单片机模块1.ATmega16的简介Atmega16是AVR系列单片机中比较典型的芯片，其主要特点有14：（1）采用先进RISC结构的AVR131内核条机器指令，且大多数指令的执行时间为单个系统时钟周期；32个8位通用工作寄存器；工作在16MHz时具有16MIPS的性能。配备只需要2个时钟周期的硬件乘法器（2）片内含有较大容量的非易失性的程序和数据存储器16K字节在线可编程（ISP）Flash程序存储器（擦除次数1万次），采用Boot Load技术支持IAP

39、功能；1K字节的片内SRAM数据存储器，可实现3级锁定的程序加密；512个字节片内在线可编程EEPROM数据存储器（寿命10万次）；（3）片内含JTAG接口支持符合JTAG标准的边界扫描功能用于芯片检测；支持扩展的片内在线调试功能可通过JTAG口对片内的Flash、EEPROM、配置熔丝位和锁定加密位实施下载编程；（4）外围接口2个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器；1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时器/计数器； 片内含独立振荡器的实时时钟RTC； 4路PWM通道； 8路10位ADC 面向字节的两线接口TWI（兼容I2C硬件接口）；1个可编程的增强型全双工的，

40、支持同步/异步通信的串行接口USART；1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口（支持ISP程序下载）；片内模拟比较器；内含可编程的，具有独立片内振荡器的看门狗定时器WDT； （5）其它的特点片内含上电复位电路以及可编程的掉电检测复位电路BOD； 片内含有1M/2M/4M/8M，经过标定的、可校正的RC振荡器，可作为系统时钟使用；多达21个各种类型的内外部中断源；有6种休眠模式支持省电方式工作； （6）宽电压、高速度、低功耗工作电压范围宽：ATmega16L 2.75.5v，ATmega16 4.55.5v；运行速度：ATmega16L 08M，ATmega16 016M；低功耗：ATmeg

41、a16L工作在1MHz、3v、25度时的典型功耗为，正常工作模式1.1mA，空闲工作模式0.35mA，掉电工作模式1uA；（7）芯片引脚和封装形式ATmega16共有32个可编程的I/O口（脚），芯片封装形式有40引脚的PDIP、44引脚的TQFP和44引脚的MLF封装。2. ATmega16的引脚分析其外部引脚封装如图2所示图2 ATmage16 外部引脚与封装示意图其中，各个引脚的功能如下：（1）电源、系统晶振、芯片复位引脚VCC：芯片供电（片内数字电路电源）输入引脚，使用连接到电源正极。AVCC：为端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚，不使用ADC时，直接连接到电源正极；使用ADC时，

42、应通过一个低通电源滤波器与VCC连接。AREF：使用ADC时，可作为外部ADC参考源的输入引脚。GND：芯片接地引脚，使用时接地。XTAL2：片内反相振荡放大器的输出端。XTLA1：片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。RESET：RESET为芯片复位输入引脚。在该引脚施加（拉低）一个最小脉冲宽度为105us的低电平，将引起芯片的硬件复位（外部复位）。（2）32根I/O引脚，分成PA、PB、PC和PD四个2位端口，他们全部是可编程控制的双（多）功能复用的I/O引脚（口）。四个端口的第一功能是通用的双向数字输入/输出（I/O）口，其中每一位都可以由指令设置为独立的输入口或输出口。当I/O

43、设置为输入时，引脚内部都可以还配置有上拉电阻，这个内部的上拉电阻可通过编程设置为上拉有效或上拉无效。如果AVR的I/O口设置为输出方式工作，当输出高电平时，能够输出20mA的电流，而当其输出低电平时，可以吸收40mA的电流。因此AVR的I/O口驱动能力非常强，能够直接驱动LED发光二极管、数码管等。而早期单片机I/O口的驱动能力只有5mA，驱动LED时，还需要增加外部的驱动电源和器件。芯片RESET复位后，所有I/O口的缺省状态为输入方式，上拉电阻无效，即I/O为输入高阻的三态状态。3. ATmega16在电路中的主控作用应用ATmega16主要完成PWM波的输出及控制功能。它可以先产生一条脉

44、宽的PWM波，作为L1603驱动电路输入信号，然后根据所需要的基准电压与检测到的输出电压的比较，调整脉宽，即改变占空比，最终实现高性能可调直流稳压图3 内部晶体振荡器外接电路4. ATmega16 单片机 SRAM 数据存储器的组织结构全部共 个数据存储器地址为线性编址，前 个地址为寄存器组（ 个 位通用寄存器），I/O 寄存器（ 个 位 I/O 寄存器），分配在 SRAM 数据地址空间的$F，$F。接下来的 个地址是片内数据 SRAM，地址空间占用$F。CPU 对 SRAM 数据存储器的寻址方式分为 种：直接寻址、带偏移量的间接寻址、间接寻址、带预减量的间接寻址和带后增量的间接寻址。在寄存器

45、堆中，寄存器 RR 具有间接寻址指针寄存器的特性。ALU 可使用直接寻址的方式对整个存储器空间寻址操作。带偏移量的间接寻址方式可以寻址由寄存器 Y 和 Z 给出的基本地址附近的 个地址。当使用自动预减量和后增量的间接寻址方式时， 个 位的地址寄存器 X、Y 和 Z 都可作为间接寻址的地址指针寄存器，寄存器中的地址指针值将根据操作指令的不同，自动被增加或减小。4.2.2 L6203驱动模块L6203驱动模块就是将5V的输入电压变成VIN的电压24一方面提高电压，一方面提高电流。电源驱动芯片的选择，由于器材的限制以及使用CMOS管需要的驱动要注意比较多的前级推动，如果直接使用电机驱动芯片L6203

46、，其价格实惠，电路简单而且效果非常好。图4 L6203 驱动模块图5 L6203的外观图4.2.3 5V的系统电压模块单片机要工作需要有5V电源输入，本设计采用7805稳压电源电路图6 5V系统电源模块4.2.4 1602液晶显示模块如果采用数码管显示，其价格便宜，但是占用端口较多，功耗大、显示功能不全。而用1602液晶显示，则占用端口少，显示功能较全面，驱动电流小。所以选择用1602液晶显示。图7给出1602字符液晶作为信号的显示部分图7 1602液晶显示模块五、中断系统中断是指计算机（MCU）自动响应一个“中断请求”信号，暂时停止（中断）了当前程序的执行，转而执行为外部设备服务的程序（中断

47、服务程序），并在执行完服务程序后自动返回原程序执行的过程。中断系统的优点：实现实时处理。利用中断技术，MCU 可以及时响应和处理来自内部功能模块或外部设备的中断请求，并为其服务，以满足实时处理和控制的要求。实现分时操作，提高了 MCU 的效率。在嵌入式系统的应用中可以通过分时操作的方式启动多个功能部件和外设同时工作。当外设或内部功能部件向 MCU 发出中断申请时，MCU 才转去为它服务。这样，利用中断功能，MCU 就可以“同时”执行多个服务程序，提高了 MCU 的效率。进行故障处理。对系统在运行过程中出现的难以预料的情况或故障，如掉电，可以通过中断系统及时向 MCU 请求中断，做紧急故障处理。

48、待机状态的唤醒。在单片机嵌入式系统的应用中，为了减少电源的功耗，当系统不处理任何事物，处于待机状态时，可以让单片机工作在休眠的低功耗方式。通常，恢复到正常工作方式往往也是利用中断信号来唤醒。5.1 ATmega16 的中断源控制5.1.1 ATmega16 的中断控制（1） 中断优先级的确定在ATmega16单片机中，一个中断在中断向量区中的位置决定了它的优先级，位于低地址的中断优先级高于位于高地址的中断。因此，对于 ATmega16来说，复位中断 RESET 具有最高优先级，外部中断 INT 次之，而 SPM_RDY 中断的优先级最低。也就是说，当与其他中断同时发生时，SPM_RDY 将最后得到响应15。ATmega16单片机采用固定的硬件优先级方式，不支持通过软件对中断优先级的重新设定。因此中断优先级的作用仅体现在当同一时刻有两（多）个中断源向 MCU 申请中断的情况中。在这种情况下，MCU 将根据中断的优