文章编号：１００１。９９４４（２０１０）０９．００４１—０４ 基 ＡＶＲ单片机的程序控制电源仪设计 刘天羽 （北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京 １００１９１） 摘要：在真空管的排气系统中．需要对真空管管体加热．并对其灯丝等设备提供一定的电压 和电流。为了配合计算机控制的排气系统．需要采用程控电源仪提供所需的电压。本设计中 的程控电源仪是一台实用化的电压调节智能仪表．它控制电机调节自耦变压器．通过反馈控 制使其输出电压稳定在一个宽范围变化的电压值 它通过Ｒｓ一４８５与串行通信电路与上位机 连接，并且具有电流测量、报警输出等扩展功能 实际应用表明，该电源仪设计合理．工作可 靠．性能稳定 关键词：程序控制电源仪；自耦变压器；电机驱动；串行通信；ＡＶＲ单片机 中图分类号：ＴＰ２３ 文献标志码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＶＲ ＬＩＵ Ｔｉａｎ．ｖｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｕｂｅ ｅｘｈａｕｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｗａｓ ｎｅｅｄｅｄ ｔｏ ｈｅａｔ ｕｐ ｔｈｅ ｔｕｂｅ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｉｔｓ ｇｌｏｗｅｒ ｗｉｔｈ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｏｐｅｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｘｈａｕｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗａｓ ｎｅｅｄｅｄ．Ｔｈｉｓ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒ ｗａｓ ａ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｈａｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ＡＣ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｉｔ ｃａｎ ｄｒｉｖｅ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ａｕｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｆｅｅｄ—ｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｔ ｃａｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｖｏｈａｇｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｃｃｏｒｄａｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｔ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗａｓ ａｂｌｅ ｔｏ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｈａｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ．Ｗｈａｔ’Ｓ ｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔｒ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｇｉｖｉｎｇ ａｌａｒｍ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｖｅｒｓｔｅｐ ｔｈｅ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ．Ｈｉｇｈ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｌｉ— ａｂｉｌｉｔｙ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｕｍｅｎｔ．ｒ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗｉｔｈ ｐｒｏｇｒａｍ；ａｕｔｏｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ；ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ；ｓｅｒｉａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ＡＶＲ ｍｉｃｒｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｎｉｔ 电真空管是一种在气密性封闭容器中产生电 场．并在该受控电场的作用下产生电子的定向运 动．以获得信号放大或振荡的电子器件．它在无线 电领域、航空航天领域等很多方面有着重要的应 用 电真空管的排气过程直接影响其整体性能．是 加工的关键一步 在排气过程中．需要根据工艺要 到设计要求的真空度… 经调查发现．市场上有一些基于自耦变压器的 交流稳压设备．可以使输出电压稳定在某个固定的 设定值．而能够获得在宽范围变化的稳定电压的调 压仪则不易采购。为满足这一需求．本文设计了一 种在一定范围内输出电压可设定的程序控制电源仪 求对电真空管管体进行加热，并对其灯丝、阴极、阳 极施加一定的电压和电流．使电真空管管内空间达 收稿日期：２０１０—０５—０７：修订日期：２０１０—０５—２７ （简称程控电源仪），为真空管排气自动控制系统的 实现提供了重要保证 作者简介：刘天羽（１９８５一），男，在读硕士研究生，研究方向为单片机及嵌入式控制系统。 自动化ｓ仪表２ｏｌｏ（９） 口 ２－２人机交互模块 １ 系统总体设计 本程控电源仪系统方案包括微控制器、人机交 互、电压监测、电机驱动、继电器输出、串行通信，另 设计中选用的是内藏ＫＳＯ１０８Ｂ／ＨＤ６１２０２控制 器图形液晶显示模块．其内部结构如图２所示。它 是点阵模式．自身不带字库．所以需要使用取字模软 外还有电源、光电隔离等模块＿２ｌ。 该系统方案的总体设计框图如图１所示。 测量模块 重塑塑皇堕 微 二二二二＝二 Ｉ自耦变压器 Ｉ控 电机驱动模块 １ 面 串行通信模块 上位机 图１ 系统总体设计框图 Ｆｉｇ．１ Ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｒａｍｅ ｄｉａｇｒａｍ 电源仪与自耦变压器相连．以微控制器作为核 心．具有人性化的人机交互界面．可以根据需要设 定０ ２５０Ｖ之间的任意交流电压值 该电源仪通过 实时监测模块得到交流电压反馈值．通过驱动电路 控制步进电机对自耦变压器进行调节．使其输出端 电压稳定在设定值附近 在自耦变压器输入电压不 稳定的情况下．电源仪可以根据具体情况进行自动 调节．使其输出电压始终稳定在设定电压值．以满 足负载对电源的要求 本电源仪可用于真空管排气系统中．将原有的 人工调压方式替换为基于智能仪表的自动凋压方 式．并使仪表在工控机的监控下．完成生产工艺要 求的电压调节功能『５］。 为了对外部电路进行电压和电流保护．系统中 设计了报警模块．通过继电器对外部电路的通断进 行控制 电源仪通过ＲＳ４８５串行通信电路与上位机 相连．利用上位机软件可以对电源仪进行在线监测 及控制 ２系统硬件设计 ２．１ 核心微控制器Ａｔｍｅｇａｌ ２８ Ａｔｍｅｇａ１２８基于Ｈａｒｗａｒｄ体系．具有先进的 ＲＩＳＣ结构．大多数指令可以在一个时钟周期内完 成。是一款高性能、低功耗的ＡＶＲ８位微控制器。它 片内自带１２８Ｋ字节的系统内可编程１７／ａｓｈ和４Ｋ字 节的ＥＥＰＲＯＭ，同时自带ＳＰＩ、ＴＷＩ等接口。ＡＴＭＥＬ 公司和第三方公司也提供了功能强大的程序编译 和调试软件．可以减少系统开发的时间 口 件．取得待显示的图片或文字的点阵代码。 图２ ＬＣＤ内部结构图 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｎｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＬＣＤ ２．３测量模块 根据设计要求．选用ＣＳ５４６０Ａ芯片为核心器件 完成电压、电流测量功能。 ＣＳ５４６０可用于精确测量和计算：单相二线或三 线功率表的能量．瞬间功率．电流有效值和电压有效 值 ＣＳ５４６０与低成本分流器或变压器相连来测量电 流，或与电阻分压器或变压器相连来测量电压。它 对能量测量的精确度较高．在３００：ｌ动态范围以上 每秒读取０．１％ ＣＳ５４６０内部集成了两个△一∑Ａ／Ｄ转换器、数 字滤波器、能量计算单元、串行接口、数字一频率转 换器、寄存器阵列和看门狗定时器等模拟、数字信号 处理单元．其内部结构框图如图３所示 测量模块实时地对电压、电流等进行测量，电压 测量值作为电压调节的反馈值输入到单片机中．电 流测量值则用于报警输出等功能 ２．４电机驱动模块 步进电机是将输入的电脉冲信号转变为角位移 或线位移的伺服电动机，它本身就是一个数字、模拟 转换的执行元件机 步进电机的定子上通常装有多 项绕组、转子式带齿的铁心或永久磁铁。只要实现各 项绕组按一定规律轮流通电就可产生步进运动［５］ 本设计采用集成电路Ｌ２９７和Ｌ２９８共同组成 的电路作为步进电机的驱动电路 Ｌ２９７步进电动机 控制器集成电路的核心是脉冲分配器．它还设有两 个ＰＷＭ斩波器来控制绕组电流．实现恒流斩波控 制．以获得良好的转矩一频率特性 ＩＪ２９７只需从上位 ＶＤ 在使用ＣＳ５４６０进 行测量之前．先要对配 置寄存器按需要进行 ＭＯＤＥ 配置。另外要进行系统 放大器Ｌ笙 ——＿Ｊ ＋ 高通滤波 Ｉ 功率 电能 电流瞬时值 电压瞬时值 电流有效值 电压有效值 计量处理电路 ｌＷＤＴ定时器 串行接 口电路 ｉＤＩ０ 校准，否则测量不准、 ＳＣＬＫ 线性度不好。执行哪种 祈面ｌＩＲ 数字滤波 ＵＲＥｒ￣ 电能，频 率转化器 校准由设置的命令决 流或交流）都有系统偏 置和系统增益两种校 —ＥＯ—ＵＴ 定，不管哪种校准（直 高通滤波 ×１放大 ｍⅡ 参考电压 Ｕ ｉ ＰＦＭｏＮ 系统时钟 ／Ｋ Ｌ 钟发生器ｌ ｌ计筹 ｘ Ｘ ＣＰＵＣＬＫ ＤＧＮＤ 准模式．用户必须提供 地和满量程信号才能 进行系统校准 进行交 流偏置的校准．可对 ＣＳ５４６０进行自动校 图３ Ｃ￥５４６０内部结构框图 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｎｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳ５４６０ 机接受方向、模式、时钟３个输入信号，控制方便。 零 校准的方法是：首先将电流和电压偏移寄存器 置成０．输人零电压和零电流．并启动高通滤波器， 然后给ＣＳ５４６０送偏置校准命令．得到电压和电流 偏置校准值并自动存人ＣＳ５４６０电压和电流交流偏 移寄存器．校准后当输入为零电压或零电流时，电压 Ｌ２９８是由达林顿管组成的双Ｈ桥高压大电流集成 ＰＷＭ电路，它与Ｌ２９７组成完整系统，驱动两相步 进电机，最高电压为４６Ｖ，每相电流达２Ａ Ｌ 。 ２＿５串行通信模块 本系统中采用的ＲＳ一４８５通信芯片为 有效值和电流有效值的寄存器为零 ＭＡＸ４８７ ＲＳ一４８５接１７Ｉ大多连接成半双工通信方 式．它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆 长度和可靠性．是其他标准无法比拟的。ＲＳ一４８５接 口的主要特点有：平衡传输、多点通信。最大输入电 流为１１０ｍＡ／一０１８ｍＡ（１２ｖｉｎ／一７Ｖｉｎ），最大总线负载 ｒ，＿ ＿、、 系统初始化 为３２个单位负载（ＵＬ）．最大传输速率为１０Ｍｂ／ｓ，最 大电缆长度为１２１９．２ｍ（４０００ ｆｔ） 输入设定值 ３系统软件设计 主程序流程图如图４所示 整个系统程序采用模 块化的设计方法，包括看门狗模块、电压电流测量模 测量电压值 二二［ 调整输出电压值 块、电机驱动模块、电压控制模块、串行通信模块等。 看门狗模块分为初始化程序和喂狗程序两部 分．初始化程序启用看门狗功能并对看门狗定时器 进行设置，本设计中定时器定时为１．４ｓ。每隔一段时 间就要改变ＷＤＩ引脚的电平值（喂狗），如果超出 １．４ｓ没有执行喂狗程序．看门狗电路会发出复位信 号使单片机复位 人机交互部分的软件设计关系到仪表的使用 是否简单、方便，显示界面是否美观，键盘扫描和 ＬＣＤ显示模块协作可以完成电源仪的监控与设置。 自动化与仪表２ｏｌｏ（９） 图４系统软件流程图 Ｆｉｇ．４ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ 四 进行交流增益校准．实际上是对电压有效值、电 电源仪的控制算法部分采用比例、积分、微分控 流有效值进行系统刻度标定。输人满量程的交流电 制（ＰＩＤ控制），该方法原理简单，使用方便，鲁棒性强， 压值和电流值，给ＣＳ５４６０增益校准命令，得到的值 而且参数调整比较容易，具有无余差功能，精度较高。 自动存人ＣＳ５４６０电压和电流交流增益寄存器．校准 完成后结合上述的偏置电压校准．当对ＣＳ５４６０输入 ４结语 其他的电压值时，经过相关计算，可以得到该电压值 实际运行情况表明．电源仪设计合理。可以稳 的大小。电压电流测量模块软件流程如图５所示。 定、可靠地进行工作。电源仪作为真空管排气自动控 制系统中重要的一个环节．有效地减少了工作人员 ｝ｉ殳置偏置寄存器 的劳动强度、提高了生产线的可靠性和生产效率，为 企业实现自动化生产管理提供了重要保障。 交流偏置校准 交流增益校准 参考文献： ［１］达道安．真空设计手册［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８１． 启动转换 ［２］徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计［Ｍ］．北京：北京航空航 ．１ 测量电压、电流 天大学出版社．２００４． ［３］徐以荣，冷增祥．电力电子技术基础［Ｍ］．南京：东南大学出版社， 『ＬＣＤ显示 １９９９． 敞据传至上位机 ［４］ＭｕｈａｍｍａｄＨ．Ｒａｓｈｉｄ．Ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ：ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｄｅｖｉｃｅｓ，ａｎｄ印－ ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．３ｒｄ ｅｄ．北京：人民邮电出版社，２００７． 圈５电压、电流测量流程图 ［５］Ｆａｎｇ Ｘｕｐｅｎｇ．Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ Ｚ－ｓｏｕｒｃｅ ＡＣ／ＡＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｍｏｔｏｒ Ｆｉｇ．５ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｓ￣Ｃ］／／ＩＥＥＥ ＩＰＥＭＣ ２００６，Ｓｈａｎｇｈａｉ，２００６：１６６—１６９． 一 甜 Ｊ ｄ ； ’ 、ｋ 、 、’ 白 、 、 ￡ 、 甜 、、 ， ， 、 、 、 （上接第３５页） ４５ ５ 结语 ４０ ３５ ３Ｏ 本文设计实现了一种基于ＣＡＮ总线的ＦＣＳ型 Ｊ∞ ２５ ｇ ２０ 智能温室控制系统．采用模糊解耦技术较好地消除 １５ 昌 了温室温湿度问的耦合．同时应用专家控制来补偿 匮 ｌＯ ５ 譬 Ｏ 其他环境因子的耦合和应对温室的复杂工况。现场 馨 骠 运行结果表明，系统通信稳定性好。控制精度高，具 赠 有很大的实际应用意义 参考文献： ｒ１ １李晓静．张侃谕．基于ＣＡＮ总线的分布式温室控制系统的设计 与实现［Ｊ］．机电一体化，２００８，１４（１１）：３３—３６． 图６通风效果图（夏季） ［２］饶运涛，邹继军，王进宏，等．现场总线ＣＡＮ原理与应用技术 Ｆｉｇ．６ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｖｅｎｔｉｎｇ ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７． ［３］蔡象元．现代蔬菜温室设施和管理［Ｍ］．上海：上海科学技术出版 从上图中可以看出．管温控制能很好地消除静 社．１９９９． 态偏差，有效消除常规控制的稳态波动性：响应调 ［４］杨明，马祖长，赵广发．基于温湿度模糊控制的智能温室控制系 节速度快，过渡时间短；参数适应能力强，能够适应 统［Ｊ］．机械工程师，２００６（４）：４１—４２． 环境变化而得到最优控制效果。通风控制超调小． ［５］王耀南．智能控制系统；模糊逻辑一专家系统一神经网络控制［Ｍ］． 长沙：湖南大学出版社，１９９６． 尤其在强辐照时能有效地防止温室升温太快：能最 ［６］陈莉，张锋．串级一Ｓｍｉｔｈ预估控制在温度大滞后系统中的应用［Ｊ］． 大限度地减小二次调节的超调量：同时能应对不同 仪表技术．２００２（２）：３７—３９． 复杂的室外运行环境工况 ■ 田
