基于单片机控制单相交流可调稳压电源毕业设计.doc

目 录第一部分 设计任务与调研4第二部分 设计说明7第三部分 设计成果13第四部分 结束语22第五部分 参考文献23第六部分 致谢24 第一部分 设计任务与调研 1.1 本课题研究背景及目的在任一半个周期内通过对晶闸管触发角的控制，能够有效地调整输出端电压的有效值，该回路即为交流调压通路。交流调压通路普遍被利用在灯具的控制以及异步电机的软启动，也用以异步电机的调速。过去的电源中常常施用晶闸管相控整流电路，高电压小电流可控直流电源就需要多个晶闸管相串联，同理低电压大电流直流电源要多个晶闸管相并联。这些设想都是不实用的，采用交流调压通路可以解决此种弊端。在学习电力电子技术时，主要学到的交流调压电路是斩控式交流调压电路，历史的相控式的调压器，大多采用晶闸管作为开关组件，虽然其控制电路简单，功率较大，但当触发角增大时，功率因素也随即减小，输出电压波形畸变严重，电网存在不利的谐波污染。单相斩控式交流调压通路施用脉冲宽度调制器可以解决其缺点，使输出波形质量提高，实现高效率、小体积、容量大、动态过程快的功能。随着经济的发展与科学的进步，一切工业、农业都离不开电，要得到持续、稳定、可靠的用电，电源起着至关重要的地位。本研究中的数控调压技术是电源技术中实践性最强的一门技术，渗透于各行各业。由于负载的不断变化，使得电网电压时而陡升，时而骤减，电网电压波动及其严重。这些变化会给用电设备带来不可逆的损害，甚至给经济带来巨大的损失。在许多工业场合，需要十分稳定的交流工作电压，又不同于电网电压。比如当发电机拖动时，需要牵引电机从而得到稳定的正弦交流电压，并且在不一样的地方可能用到的电压也不同，所以，稳定度高、可靠性强、效率高的交流稳压电源的研究成为必要。1.2 国内外研究状况及已有成果 近几十年来，电力电子技术已发展趋于完备，并自成体系，电子技术的应用领域越来越普遍，电子设备的类别也越发地多，电子设备与人们日常生活息息相关，任何电子设备都离不开可靠的电源。电力电子技术的飞速发展促发了各用电设备的智能化、集成化、微型化方向发展。用电设备的快速发展对电源的要求也日趋严格，电源技术也属电力电子技术范围，双方共同发展才有了当今的电力电子技术与电源技艺的蓬勃发展。至今，电源技术已成为十分重要的基础性的科技和产业，并且大量应用于每行每业，从平常的起居生活到最高级的科学技术都不能离开电源技术的配合和介入，向着高频率、高效率、高集成度、大电流、低压化发展。与此同时，为适应全球一体化的市场，电源封装技术也日趋国际化。 现今，在国内外电源市场中，各种线性稳压电源、交直流开关电源、高频整流逆变电源、电解质电源、电力操作电源、正弦调制电源、风光互补电源等已占据主导市场。且用户最关心的问题是：产品价格、性能（性价比），是否便携，外观是否精美，品牌效应，及其使用寿命。这一切的硬性要求就驱使着镜内外电源技术朝着插件构造自动化、电气化，产品性能智能化、绿色化，应用技术数字化实用化的方向发展。从而，交流稳压电源有着很广阔的应用范围。1.3 设计及研究方案一般来说，单相交流稳压电源的频率恒定度相对来说较高，但因为有电源的热敏电阻和线路电阻，电网电压的幅值受负荷电流的作用很大，负荷电流越大，电网电压就递减地越快。所以，能够适时地依据负载端电压衰减情况来调节电压的幅值，以得到稳定的输出电压，成为设计单相交流稳压电源的主要任务。设计单相交流稳压电源的关键是能量传递效率高，输出电压波形质量高。因此，为了获得优质的电压波形，一般采用模拟信号来调压，但效率偏低，且调压设备自身损耗大。为了具备高效率的稳压电源，可以采用定周期调节占空比的调压方式。本设计是基于单片机、PWM调制的一种数模结合的设计，可以有效的结合两者的优势。1.4 设计过程及其研究内容1.4.1 设计过程1、整理思路，查阅书籍，上网搜索相关资料，并熟悉所需用软件；2、构成大概模块，然后自己根据课题任务书的内容及要求设计子模块，进行编程仿真等；3、找老师解疑，有些思路衔接不上的地方，经过老师的悉心指导，明白单相交流可调稳压电源的基本原理，及其各子模块的作用和原理；4、根据子模块的仿真成功后，将离散的各部分汇总，形成大致框图；5、通过翻阅书籍弄懂各单片机的作用于控制及其驱动方式，让自己清楚如何实现稳压的原理；6、比较各种方案的利弊，确定最优方案；7、利用软件进行编程仿真，看是否能达到理想的效果；8、给老师审核，查漏补缺，看有哪些不足；9、经过老师的指导，自己再进行修改，最终敲定方案； 第二部分 设计说明2.1 单片机的概述 单片机的全称是单片微型计算机。由于单片机具有易嵌入电子电路系统的优点，故又叫做嵌入式微型处理机。基于单片机所设计的电路的逻辑功用可以由软件进行配备，该特点可使设计灵活性得到提高，当需要修改系统设计时，我们不用大幅度修改电路连线，甚至不用修改。单片机每年数以亿记，对于其应用，它是以过程控制为主，领域及其广泛。正如本设计，一块51单片机芯片上只要接上少有的外围电路，就能执行一台计算机的基本任务。单片机较之其他芯片来说，具有简单和十分可靠的系统结构，可工作106-107钟头不间断、控制力强，速度快、体积小、性价比高和易于产品化、使用方便、易于实现模块化等优点。比如一般单片机价格只需人民币几块钱，开拓的条件较为完善，开发器件也较为齐备，施用素材宽广，后备人才十分丰富，因此，镜内大多高等学院都开设了单片机教程与单片机试验。 1971年出现单片机，历经SCM、MCU、SOC三个历程，初期的SCM单片机全是8位或4位，基于MCS51系列MCU系统的单片机系统一直广泛应用至今。由于各重、轻工业控制阶级要求的进一步发展，16位单片机诞生，90世纪后电子产品的发展，使单片机技术得到显著的进步。随着INTEL i960系列的应用，32位单片机取代16位单片机，并占据市场。2.2 PWM控制技术的概述 Pulse Width Modulation就是对脉冲宽度进行调整的一门技术。也就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，得到我们想要的理想波形。 由采样控制理论知：任意冲量（即面积）对等形制相异的窄脉波加在一个有惯性的环节上时，效果（即环节的输出响应波）几乎一样。如果用傅里叶变换辨析各输出波，则其仅在高频率段稍有差异，在低频率段十分接近。如图2.1所示： 依据面积对等规律，辨析怎样用一连串等幅度而宽度不对等的脉波来替代一下正弦半波。如图2.2(a)所示，把该正弦半波分成N份对等的部分，即把该正弦半波看做是N个脉冲宽度相等、幅值不等且双方不间断的脉波列所构成的波形，也就是各脉冲的幅值按正弦法则变换。如果把该脉波列用相同数量的等幅、宽度不一的长方形脉波替代，使矩形脉冲的中心点与正弦波的中心点对应重叠，同时使两者对应部分面积相等，就可得到如图2.2（b）所示的脉波列，这就是PWM波形。依据面积对等规律，正弦波和PWM波是相同效用的。像这样的脉波宽度随正弦法则变换而变动的且与正弦波等效的PWM波叫做SPWM波形。 图2.1 形制不一而面积一样的各脉波 图2.2 调制波2.3 电路组成框图及工作原理本电路的总体框图如图2.3所示。整流滤波数字调压比较 器交流采样脉冲驱动 三角波 幅度控制 微机控制交流Buck 交流输出 衰减取样整流采样A/D转换键盘给定 图2.3 电路总体框图工作原理描述如下： 首先通过对小电流低电压进行采样，作为数字交流调压的输入小信号，并对此进行线性调压，把正弦交流信号经过幅值校调后与三角波通过PWM调制得到出口端按照正弦规律变换的长方形波，又通过脉冲驱动电路放大该信号进行输出，再经Buck滤波得到波形平滑的、幅值较大的正弦交流波。为了避免波形过冲，影响波形质量，也为了加快其响应速度可采用PID算法进行控制。为了能够及时、持续、高精度的调节电压达到稳定电压的效果，引入闭环调节控制，对校调后的出口端正弦交流电压进行简单的利用电阻分压、整流、采样、电容滤波，然后经模数转换后作为检测值送微处理器与载入的给定值做对比，然后经过PID算法将其偏差值转换成交流调压电路的驱动量，用以控制DAC0832的数字调节，达到对交流电压的闭环负反馈控制，实现在单片机的控制下有稳定的交流电压的输出。 本设计交流电源的输出电压控制是运用调节占空比的PWM方式，十分符合要求交流电压稳定性高、波形畸变率几乎为零的条件。经过开关晶体管脉冲驱动电路和交流Buck滤波续流电路，使电源电压输出波形质量高、无波形畸变、也没有明显的谐波污染，且输出效率高的优点。当负载变化时，由于数字量是二进制8位（即可控量化级数达到256），因此，交流稳压的精度极高，能进行微调，实现无差调压。2.4 D/A转换与数字交流调压 对于数字入口稍调模拟控制信号的输出有两种方案：一是数模转换，二是数字电位器，两者都是模拟输出随入口的数字输入变化而变化的。由于元件库中没有数字电位器，我们可用DAC0832芯片来完成数字调压。将其应用于交流稳压通路，如图2.4的数字控制的交流调压通路。 由于只是模拟一个单相交流可调稳压电源的设计，故正弦波本该直接采用源于市电的220V/50Hz的正弦波，本设计采用低电压约4V小电流的正弦信号源以此来替代。将标准电压入口端接入该采样电压，来自单片机的数字量来驱动DAC0832运行，与标准电压共同作用可改变输出正弦交流电压幅值。DAC0832芯片的数字量采用二进制8位，可控量级数是2的8次方，且调压步进值大约为10mV，调压过程不间断，连续可调。 图2.42.5 脉冲宽度调制脉冲调制波的占空比由正弦波与三角波脉冲宽度的差值来确定，差值越小，脉冲宽度越窄，差值越大，脉冲越宽。如图2.5所示，能够清楚的描述PWM调制波形成的基本原理。 图2.5 PWM波产生原理图PWM的产生由三角波产生电路（载波）正弦波产生电路（调制波）和一个比较器组成。可以用一个正弦信号源和一个三角波信号源及其比较器组成，如图2.6所示。三角波应加到比较器的反相入口端，正弦波加到比较器的同相入口端，则比较器的出口端会生出一种随正弦波变化的脉冲调制波。为了系统的稳定，进而保护单片机，驱动电路必不可少。驱动电路不仅能驱动相关模块，而且起到隔离单片机的主电路与控制电路，以保护系统。图2.6 用信号源产生调制波电路 2.7 A/D转换 输出调制波形后，还要经过分压、整流、滤波电路将该电压还原成大幅度的可控正弦波，又因为ADC转换直流工作情况下，应对来自于DAC0832的交流信号加直流偏置，变换后的数字量给单片机作PWM的数据，电路图如图2.9所示：图2.7 降压电路原理图 第三部分 设计成果3.1 DAC0832 芯片 DAC0832与计算机完好匹配且是8分辨率的D/A转换硅钢片。该芯片接口电路简单、价格低廉、易于控制转换，广泛应用于单片机应用系统。0832电流稳定时间约为1us，输入方式可以是单缓冲、双缓冲或径直输入，由+5V+15V的纯一电源对其提供直流电。输出形式有单极性输出与双极性输出方法两种，本研究是双极性DA变换。DAC0832是双列直插式的硅钢片，引脚如图3.7所示：DAC0832是双列直插式芯片，引脚如图3.7所示： 图3.1各引脚的功能如下：(1）CS:片选信号，低电位有用；(2）ILE：同意数据锁存的控制信号，高电位有用；(3）XFER：转送控制信号，低电位起作用。用以控制WR2，选中DAC寄存器；(4）WR1：写信号1，入口信号，低电位有用。当WR1发生作用时，片选信号CS和ILE也必须同时起作用。写信号1用来把CPU数据总线输送的数据锁存在输入寄存器当中；(5）WR2：写信号2，低电位有用。当WR2发生作用时，XFER也必须同时作用；(6）Rf：反馈输入电阻，变动Rf端外接电阻值的大小可调节变换满量程的精密度；(7）VREF：标准电压输入，用以将附加的高准确度电压源和内部电阻网连接起来。VREF的范围为-10V+10V；（8）AGND：模拟信号地；（9）DGND：数字信号地。 DAC0832与单片机的连接电路如图3.2所示，80C51的P0口径直和0832的数字输入端DI0-DI7连接，80C51的WR与0832芯片的WR1连接，WR2和XFER径直接地，0832采用单缓冲方式。 图3.2 与单片机的接口电路图3.2 ADC0808 芯片 ADC0808是精密度为8位的CMOS组件，主要包括模拟信号输入端、数字量输出端、变换信号启动输入端、变换信号结束输出端这四种基本信号引脚端。由于其包括8位逐次逼近型的AD转换部分、8通路的模拟多路电门及通路寻址逻辑电路，故此可以将该芯片作为数据采集系统。0808可以对径直输入8个单端的模拟信号进行不同时AD变换，广泛应用于过程控制、多点循环检查和运动控制中。引脚如图3.3所示： 图 3.3各引脚的功能如下： (1）VREF：参照电压输入端，供应片内电阻网络的参照电压。当单极性输入时，VREF(+)=5V，VREF(-）=0V；当双极性输入时，VREF(+)VREF(-）分别接正、负参照电压； (2）ALE：同意数据锁存的控制信号，高电位有用。应用时，此信号经常和START信号连接在一起，用来锁存通路地址与起动A/D变换； (3）START：A/D变换起动信号，正脉波起作用。如果在进行变换的同时又收到新的启动脉冲，那么原本的变换历程立即被中断，又再一次开始变换； (4）EOC：变换终止信号，高电位起作用。此信号能作为被CPU查询的信号，也能作为中断请求信号； (5）OE：同意输出信号端。当在中断的工作方式下；（6）GND：地；（7）VCC：主电源输入端。4.1 编程方法4.1.1 汇编语言的概述汇编语言是一种面向微处理机的程序设计语言，此编译语言一种功能极其强大的程序设计语言，还是一种通过微处理机所有的插件特性能径直控制插件的语言。作为一种言语来看，编译语言”相当于高等言语编译器，我们需要用到一下“汇编器”把编译语言原文件编译成为机器能够执行的编码。编写快速、效率极高并且需要对机器插件有标准的控制程序是汇编语言的一大长处。不可以直接在不同的处理器体系结构进行相互移植。如果我们要很好的懂得全部微机系统，编译语言是最好的起点和最有效的途径。汇编语言的优点如下：（1）面向的语言是机器的低级语言，一般是为专门的计算机或者是某些系列计算机特定设计的。（2）简洁方便且保留机器语言全部优点。（3）能够访问和控制计算机各个硬件设备，比如存储器、I/O端口、CPU等。 (4）目标代码较为简短，占用的内存少，执行速度很快，是一种极为实用的编译设计语言。（5）常常和高级语言搭配使用，有着广泛的应用。4.1.2 使用WAVE的优势 对于单片机编程这一部分，主要包括增进式PID算法编程、键扫描及数码管显示程序的编写，既可以使用WAVE也可以使用keil进行编程。本设计采用WAVE进行编译，在51单片机的汇编环境之下，WAVE与keil的对比如下：（1）keil只可以使用EQU语句进行定义，不可以直接用“=”来定义, 而WAVE能够使用“=”定义，如对口线、数值、特殊寄存器地址等的一些定义，但并不代表字符串的替换。 （2）Keil在设置中文字体后，只有在注释里面才能够进行整个字符的操作；WAVE可以把一个汉字当作两个字符处理，利用这个特性我们能够很快的显示主页相关内容的一些错码，即将有些错码拷贝到伟福里面，而后使用鼠标在错码的开头半个字开始拖动，改变原来的错码。（3）在表格方面，keil不容许每行的最后一个数据的后面有逗号，而WAVE就可以。 （4）如果在END后边有汉语字符，keil会报错，而WAVE则不会。 图4.1 原理框图4.3 键盘扫描的编程 4.3.1 键盘概述在单片机中应用最普遍的一种数据输入装备就是键盘，键盘它是由一系列按钮组成。一般情况之下，键是常开状态的按钮开关，当键处于常态时，它的两个触点是断开的状态，按下它时才会呈现闭合状态。键盘可以分为编码与非编码两种情况。通过硬件电路编码型键盘能够确定被按键的那个键码与一个相对应的脉冲，该选通的脉冲能够被CPU作为其中断请求信号。虽然编码型键盘具有使用方便，程序编写简单的优点，但是它的硬件电路及其复杂，一般单片机不会采用此种键盘。我们采用的非编码型键盘由于组成结构的不同，又有独立式键盘与矩阵式键盘两种且两种键盘工作过程大同小异。独立式键盘的每一个按钮将会占据一条I/O线，所以当按钮量较少的情况下会采用它。矩阵式键盘电路复杂，但其I/O接口利用率极高，所以，适用于按键量大的场合。4.3.2 键盘扫描的简介本研究采用的矩阵式键盘扫描，可以由线反转法和逐行扫描法两种方法实现。逐行扫描从开始一直到最后一行送出低电平的信号，如果列线端口接到的信号全为“1”，那么就说明这一行没有按键按下；如果不是全为“1”，那么就表示有按键按下了。线扫描法比逐行扫描的进度要快，是一种判断闭合键的常用方法，但是在硬件上要求较为严格，需要行、列都要接上拉电阻。先把列线当做是入口线，行线当做出口线，当行线全为“0”信号时，开始读取列线的状态，则列线上的闭合键的值一定是“0”再从列线出口信号全为“0”而后读入行线上的入口值，而行线上的闭合键一定是“0”信号。这种扫描方法一定能读到一一对应的行列值，通过读取到的行列值就能够指导按键位置。什么时候开始键盘扫描及处理，在单片机的运行过程中，有查询方式、定时扫描方式及其中断方式三种。查询方式就是单片机利用键扫面子程序去查询是否有按键按下了；中断方式就是当有动作时才会向CPU产生中断央求信号，开启中断服务程序，然后才会进行键扫描与处理；定时扫描就是每隔一定的时间就会运行一次键扫描子程序。当按键被按下的时候会有机械动作，在按下键的一刹那和松开键的刹那间，出口电压会有较大的波动，这就是键的抖搂。为了使键盘稳定可靠地工作，就必须保证每一次按键单片机只执行一次键扫描子程序，也就是要完全消除按键抖动的机会。 图5.1 PWM调制单相交流稳压电源的电路仿真图5.2.1 稳压过程一般说来，负载的变动与输入电流的变化都会引起输出电压的变动。对于稳压电源性能的验证，当负载大范围的变化时，电流大范围变化，而电压变化小，就说明着该稳压电源的稳压性能高。在实际生产中可以变化L值与C值来达到生产指标与技术指标。对于仿真图来说，电压表只能看到有效值，而观察示波器可以看到瞬态值与波形，提高输出波形质量，比如有无高次谐波，有无波形失真等。电阻的大小表示实际负载的大小，电阻越大，代表负载越小，也就是图中安培表的示数也将对应的越小，由图5.2所示；而反之，电阻越小，代表负载越大，也就是对应的负载电流越大，如图5.3所示。 图5.2 大负载时的电压波形 5.3 小负载时的电压波形 由两图对比可知，当负载大范围变化时，从图中的安培表可以看出从2.32A到1.91A变化了410mA，而电压基本稳定在38V，即稳定在我们的给定值。电流有很大的变化，电压几乎不变，很好的达到了稳压的效果。5.2.2调压过程 为了输出可调电压12-60V1V，本研究的单相交流电源能够在其要求范围内调整电压。如若需要更大范围的调整可以通过降低载波频率、提高直流电源电压以及适当减小电感参数，反复尝试取妥协点值，以达到波形几乎无失真，传输效率高的电压波形。 取电压为某设定值，调负载电流极大极小而电压不变或变化很小，说明该电压值确实被稳定了；同理取三种不同电压值测电流，不仅说明稳压，还说明可调范围大小。所以可以通过键盘给定值为12V,观察负载大范围变化时的稳压波形情况，如图5.4和5.5所示，然后通过键盘给定60V，观察其负载大范围变化的波形情况，如图5.6和5.7所示。图5.4 大负载时的电压波形 图5.5 小负载时的电压波形 图5.6大负载时的电压波形图5.7 小负载时的电压波形 由以上两组四个波形仿真图可以清晰的看到该电源实现了12到60V电压的可调及其稳压效果。第四部分 结束语毕业设计是大学学习阶段一次非常难得的理论语实际相结合的机会，通过这次比较完整的给单片机可调稳压电源的设计，我摆拖了单纯的理论知识学习状态，和实际设计结合锻炼了我的总合运用所学的专业基础只是，绝交了实际工程问题的能力，同事也提高我查阅文献资料，设计手册，设计规划以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都是我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力以及耐力也得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的地所在。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收货去更加的丰富。各种系统的使用条件，各种设备的选择标准，我都是随着设计的不断升入而不断数学并学会应用的，和老师的沟通交流更使的我对设计有了新的认识 也对自己提出新的要求，这些本事我工作后才能意识到的问题，通过这次毕业设计让我提前了解这些只是，这是很珍贵的。第五部分 参考文献1 曾屹，刘辉.单片机原理与应用M.长沙：中南大学出版社，2009.5:6-102 王新.微型计算机控制技术M.北京：中国电力出版社，2009:14-183 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