基于單片機(jī)控制的單相交流可調(diào)穩(wěn)壓電源畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

目錄第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研………21、設(shè)計(jì)的主要任務(wù)……………22、設(shè)計(jì)的思路和方法……………23、調(diào)研目的和總結(jié)………………2第二部分設(shè)計(jì)說明…………………31、理論分析……………………32、設(shè)計(jì)方案……………………33、51單片機(jī)介紹………………9第三部分設(shè)計(jì)成果…………………121、單片機(jī)控制SPWM單相交流可調(diào)穩(wěn)壓電源仿圖…………122、Proteus仿真調(diào)試法………12第四部分結(jié)束語……………………14第五部分致謝…………………15第六部分參考文獻(xiàn)………………16

第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.1設(shè)計(jì)的主要任務(wù)1、①設(shè)計(jì)并繪制單片機(jī)數(shù)字調(diào)壓電路、SPWM波生成電路、大幅脈沖驅(qū)動(dòng)電路、交流Buck變換電路、輸出電壓采樣與反饋電路；②編寫單片機(jī)調(diào)壓控制程序并仿真運(yùn)行；③撰寫設(shè)計(jì)說明書。1.2設(shè)計(jì)的思路和方法1、依托電工實(shí)訓(xùn)中心和自動(dòng)化設(shè)備維修實(shí)訓(xùn)中心、充分運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識和實(shí)踐技能，詳細(xì)制定設(shè)計(jì)方案和階段進(jìn)度計(jì)劃，通過程序設(shè)計(jì)、模擬調(diào)試、修訂完善PLC電氣控制系統(tǒng)。利用自己的實(shí)踐通過制作和設(shè)計(jì)。2、文獻(xiàn)檢索、圖書館借閱、手冊查詢、設(shè)備選型、單片機(jī)教學(xué)。3、目的：①調(diào)制法生成SPWM驅(qū)動(dòng)信號的控制電路；②輸出電壓的檢測與單片機(jī)數(shù)字調(diào)壓控制；③大幅脈沖驅(qū)動(dòng)控制電路；④交流Buck變換與輸出電路；⑤運(yùn)行安檢與故障告警顯示控制1.3調(diào)研目的和總結(jié)近年來不少生產(chǎn)廠家針對柱式交流電力穩(wěn)壓器所存在的缺點(diǎn)，紛紛推出無觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器，大有取代柱式穩(wěn)壓器之勢。這種電源實(shí)質(zhì)上仍然是采用自耦方式進(jìn)行調(diào)壓，所不同的只是通過控制若干個(gè)晶閘管的通斷，改變自耦變壓器多個(gè)固定抽頭的組合方式，來代替通過機(jī)械傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)碳刷改變自耦變壓器抽頭位置的一種調(diào)壓方法。這種方法固然提高了穩(wěn)壓電源的可靠性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但卻失去了一個(gè)重要的調(diào)節(jié)特性——平滑性，即調(diào)節(jié)是有級的，其必然結(jié)果是穩(wěn)壓精度低（一般只有3％～5％），并且在調(diào)節(jié)過程中，當(dāng)負(fù)載電流很大時(shí)會沖擊電網(wǎng)并產(chǎn)生低頻次諧波分量，對負(fù)載也會產(chǎn)生沖擊；另外采用這種方法所用變壓器較多（一相至少需二臺，即一臺自耦變壓器，一臺補(bǔ)償變壓器），這就增加了電源的自重和空載損耗。因此欲采用PWM技術(shù)將其改進(jìn)，進(jìn)而提高穩(wěn)壓電源的各方面性能。總結(jié)：通過學(xué)習(xí)研究課本查找資料了解了更多單片機(jī)知識。豐富了自己的經(jīng)驗(yàn)，通過自己雙手完成任務(wù)能更全面的提高自己的能力。

第二部分設(shè)計(jì)說明理論分析本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的無觸點(diǎn)自動(dòng)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓裝置。該裝置包括硬件部分和軟件部分的設(shè)計(jì)，其中硬件部分主要包括以下模塊電路的設(shè)計(jì)：主電路，電源控制電路，電壓采樣電路，過零點(diǎn)檢測電路，過欠壓保護(hù)電路，輔助電源電路，雙向晶閘管觸發(fā)電路，電源功率因數(shù)檢測電路和單片機(jī)接口電路。主電路采用交流斬波的方法進(jìn)行電壓補(bǔ)償，交流斬波電路以PWM的方式進(jìn)行控制。單片機(jī)和有關(guān)元件構(gòu)成反饋控制網(wǎng)絡(luò)，控制補(bǔ)償電壓的大小和同步，從而使系統(tǒng)保持穩(wěn)定的輸出電壓并使其具有較高的功率因數(shù)。本系統(tǒng)軟件部分采用模塊化的設(shè)計(jì)思想將系統(tǒng)軟件進(jìn)行功能塊的劃分，主要包括兩部分：控制部分和檢測、顯示部分。詳細(xì)的介紹了各個(gè)部分的具體功能，并給出各功能算法及其流程圖?？刂撇糠重?fù)責(zé)選用補(bǔ)償電壓的方式和調(diào)整補(bǔ)償電壓的大?。簷z測、顯示部分負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)的將電源輸出電壓幅值、電流幅值、功率及功率因數(shù)顯示在液晶屏幕上。設(shè)計(jì)方案通過網(wǎng)絡(luò)查找資料設(shè)計(jì)電路，檢測電壓和單片機(jī)數(shù)字調(diào)壓調(diào)控就留Buck變換與輸出電路運(yùn)行安檢與故障告警顯示控制，設(shè)計(jì)并繪制單片機(jī)數(shù)字調(diào)壓電路、SPWM波生成電路、大幅脈沖驅(qū)動(dòng)電路、交流Buck變換電路、輸出電壓采樣與反饋電路。圖2-1大幅脈沖驅(qū)動(dòng)電路大幅脈沖驅(qū)動(dòng)電路：用NUD4001組成的脈沖驅(qū)動(dòng)線路，調(diào)整Rext1值可控制恒流電流的大?。籔WM輸出脈沖信號使VI按PWM設(shè)置的頻率工作在開關(guān)狀態(tài)，而V1的工作狀態(tài)又控制著NUD4001的工作狀態(tài)同為脈沖方式，則流過LED的電流也為脈沖電流。一般在LED的工作電流指標(biāo)中除了給出額定電流值外，還會給出工作在脈沖方式時(shí)的電流值與占空比值，該值為正常工作電流的5倍左右。由圖脈沖驅(qū)動(dòng)電流波形圖可知，脈沖驅(qū)動(dòng)峰值電流為平均值的4倍左右，頻率為100Hz，占空比為IQ％。該驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是：LED在一個(gè)周期中有大部分時(shí)間停止工作（90％工作周期），因此LED的發(fā)熱量幾乎可不考慮，同時(shí)因發(fā)熱量的減少而使LED的光衰大為減小，也就延長了LED的使用壽命。因此脈沖驅(qū)動(dòng)方式對LED來說可認(rèn)為是最有實(shí)用價(jià)值的方式。脈沖驅(qū)動(dòng)方式是利用人的視覺暫留原理實(shí)現(xiàn)的，因此在設(shè)定PWM工作頻率時(shí)不能低于100Hz，否則在視覺上會有光線閃爍的感覺。缺點(diǎn)是線路復(fù)雜，成本高。圖2-2交流Buck變換電路該電路由Buck型和Boost型AC/AC交流變換器兩級級聯(lián)而成，根據(jù)輸入電壓與基準(zhǔn)輸出電壓的大小比較，其存在三種工作模式：Buck模式、Boost模式和濾波模式。當(dāng)輸入電壓高于基準(zhǔn)輸出電壓時(shí)，電路工作在Buck模式；當(dāng)輸入電壓低于基準(zhǔn)輸出電壓時(shí)，電路工作在Boost模式；當(dāng)輸入電壓在基準(zhǔn)輸出電壓附近小幅波動(dòng)時(shí)，電路工作在濾波模式。該電路雖然由兩級變換器級聯(lián)而成，并采用兩級占空比調(diào)制，但實(shí)際上最多只存在一級功率變換，具有控制簡單、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。工頻變壓器體積重量大，沒有穩(wěn)壓及調(diào)壓功能；相控交流調(diào)壓電路輸入、輸出含有較嚴(yán)重的諧波分量，一般只適用于熱或機(jī)械慣性較大的負(fù)載功率調(diào)整[15]；交-直-交變換器變換級數(shù)過多，其變換效率不高，且對電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重；電子變壓器體積重量小，其開關(guān)器件數(shù)量眾多，且同樣沒有穩(wěn)壓及調(diào)壓功能；高頻交流環(huán)節(jié)AC/AC交流變換器雖然可實(shí)現(xiàn)電氣隔離，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制電路復(fù)雜，另開關(guān)器件數(shù)量眾多；矩陣變換器同樣存在開關(guān)器件多、控制策略復(fù)雜的問題，另其最大增益僅為0.866；Buck型和Boost型AC/AC交流變換器雖然電路結(jié)構(gòu)簡單，但前者只能實(shí)現(xiàn)降壓功能，后者只具有升壓功能；Buck-Boost型AC/AC交流變換器同樣電路結(jié)構(gòu)簡單，且能實(shí)現(xiàn)升降壓功能，但其開關(guān)管電壓應(yīng)力高，輸入輸出之間無直接能量傳遞通路，從而變換效率不高，且輸入輸出相位相反。圖2-3BUCK電路基本結(jié)構(gòu)圖2-3所示電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。

這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。圖2-4電感電流連續(xù)工作模式圖（CCM）輸出電壓采樣與反饋電路：電壓采樣及反饋電路由光耦PS2701、TL431和阻容網(wǎng)絡(luò)組成，圖中R5和C5用于TL431的頻率補(bǔ)償，不能缺少。通過調(diào)節(jié)由R6，R7組成的分壓網(wǎng)絡(luò)后得到采樣電壓，該采樣電壓與三端可調(diào)穩(wěn)壓塊TL431提供的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸出電壓正常時(shí)，采樣電壓與TL431提供的2.5V電壓基準(zhǔn)相等，則TL431的K極電位保持不變，從而流過光耦U3二極管的電流不變，進(jìn)而流過光耦CE的電流也不變，UC384腳2的反饋電位Uf保持不變，則引腳6輸出驅(qū)動(dòng)的占空比不變，輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值不變。當(dāng)輸出5V電壓因?yàn)槟撤N原因升高時(shí)，分壓網(wǎng)絡(luò)上得到的輸出電壓采樣值會隨之升高，從而TL431的K極電位下降，流過光耦二極管的電流增大，進(jìn)而流過CE的電流增大，從而UC3842的引腳2的電位升高。由UC3842內(nèi)部示意圖可知：誤差放大器A1的輸出電壓減小，亦即電流檢測比較器鉗位電壓減小，所以由圖2可知：UC3842引腳6輸出驅(qū)動(dòng)的占空比減小，從而使輸出電壓減小，這樣就完成了反饋穩(wěn)壓的過程。從低通濾波器的對數(shù)幅頻特性可知，當(dāng)輸入信號頻率低于fh時(shí)，輸出信號與輸入信號幾乎完全相同;當(dāng)輸人信號頻率高于fh時(shí)，輸出信號會大幅度衰減。利用示波器可以測量Rs采樣電阻上的信號頻率，因此，選擇低通濾波器的RC參數(shù)時(shí)必須要保證Rs電阻上正常的采樣電壓不能被濾波器衰減。設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，如果RC參數(shù)選擇不當(dāng)，使濾波器的上限截止頻率fh偏小，導(dǎo)致正常的Rs采樣信號被衰減，這樣當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，PWM無法將控制脈沖的占空比調(diào)大，變壓器會因?yàn)樨?fù)載過重而發(fā)生嘯叫。為解決這一問題，將濾波電容C的取值減小，進(jìn)而提高fh，使正常的Rs采樣信號通過濾波器，當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，開關(guān)電源可以很好地穩(wěn)壓，變壓器的嘯叫現(xiàn)象也沒有出現(xiàn)。作品特點(diǎn)：單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在進(jìn)行脈寬調(diào)制時(shí)，使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖間的間隔則最小，反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖間的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大為減小，稱為正弦波脈寬調(diào)制。編寫單片機(jī)調(diào)壓控制程序并仿真運(yùn)程序穩(wěn)定。電壓電流運(yùn)行正常，電路安全可行。51單片機(jī)介紹51單片機(jī)是對所有兼容Intel8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱。該系列單片機(jī)的始祖是Intel的8031單片機(jī)，后來隨著Flashrom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機(jī)取得了長足的進(jìn)展，成為應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。很多公司都有51系列的兼容機(jī)型推出，今后很長的一段時(shí)間內(nèi)將占有大量市場。51單片機(jī)是基礎(chǔ)入門的一個(gè)單片機(jī)，還是應(yīng)用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機(jī)一般不具備自編程能力。圖3-151系列單片機(jī)常見的單片機(jī)*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、華邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的許多產(chǎn)品國產(chǎn)宏晶STC單片機(jī)以其低功耗、廉價(jià)、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國內(nèi)51單片機(jī)較大市場?；A(chǔ)51單片機(jī)·8位CPU·4kbytes程序存儲器(ROM)(52為8K)·128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM)（52有256bytes的RAM）·32條I/O口線·111條指令，大部分為單字節(jié)指令·21個(gè)專用寄存器·2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級（52有6個(gè)）·一個(gè)全雙工串行通信口·外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB·外部程序存儲器尋址空間為64kB·邏輯操作位尋址功能·雙列直插40PinDIP封裝·單一+5V電源供電CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時(shí)還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)；ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格；I/O口：四個(gè)8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C：兩個(gè)定時(shí)/記數(shù)器，既可以工作在定時(shí)模式，也可以工作在記數(shù)模式；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)與微機(jī)之間的串行通信；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。

第三部分設(shè)計(jì)成果1、單片機(jī)控制SPWM單相交流可調(diào)穩(wěn)壓電源仿真圖圖3-12、Proteus仿真調(diào)試方法(1)proteus

的工作過程運(yùn)行proteus

的ISIS

程序后，進(jìn)入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設(shè)置view

菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項(xiàng)目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，pick

devices

窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調(diào)整其相對位置，元件參數(shù)設(shè)置，元器件間連線，編寫程序；在source

菜單的Definecode

generation

tools

菜單命下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴(kuò)展名等項(xiàng)目；在source

菜單的Add/removesource

files

命令下，加入單片機(jī)硬件電路的對應(yīng)程序；通過debug

菜單的相應(yīng)命令仿真程序和電路的運(yùn)行情況。(2)Proteus

軟件所提供的元件資源Proteus

軟件所提供了30

多個(gè)元件庫，數(shù)千種元件。元件涉及到數(shù)字和模擬、交流和直流等。（3）Proteus

軟件所提供的儀表資源對于一個(gè)仿真軟件或?qū)嶒?yàn)室，測試的儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量實(shí)驗(yàn)室是否合格的一個(gè)關(guān)鍵因素。Proteus

軟件包中，不存在同類儀表使用數(shù)量的問題。Proteus

還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。(4)Proteus

軟件所提供的調(diào)試手段Proteus

提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。對于單片機(jī)硬件電路和軟件的調(diào)試，Proteus

提供了兩種方法：一種是系統(tǒng)總體執(zhí)行效果，一種是對軟件的分步調(diào)試以看具體的執(zhí)行情況。對于總體執(zhí)行效果的調(diào)試方法，只需要執(zhí)行debug

菜單下的execute

菜單項(xiàng)或F12

快捷鍵啟動(dòng)執(zhí)行，用debug菜單下的pause

animation菜單項(xiàng)或pause鍵暫停系統(tǒng)的運(yùn)行；或用debug

菜單下的stop

animation

菜單項(xiàng)或shift-break

組合鍵停止系統(tǒng)的運(yùn)行。其運(yùn)行方式也可以選擇工具欄中的相應(yīng)工具進(jìn)行。對于軟件的分步調(diào)試，應(yīng)先執(zhí)行debug

菜單下的start/restart

debugging

菜單項(xiàng)命令，此時(shí)可以選擇stepover

、step

into

和

step

out

命令執(zhí)行程序(可以用快捷鍵F10、F11

和ctrl+F11)，執(zhí)行的效果是單句執(zhí)行、進(jìn)入子程序執(zhí)行和跳出子程序執(zhí)行。在執(zhí)行了start

/

restart

debuging

命令后，在debug菜單的下面要出現(xiàn)仿真中所涉及到的軟件列表和單片機(jī)的系統(tǒng)資源等，可供調(diào)試時(shí)分析和查看。

第四部分結(jié)束語本文設(shè)計(jì)的交流穩(wěn)壓電源具有無觸點(diǎn)、調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、功率因數(shù)和效率比較高等特點(diǎn)。最后，對機(jī)樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)要求。畢業(yè)設(shè)計(jì)歸納和總結(jié)：通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我學(xué)到了更多的單片機(jī)知識。了解了更多的原理。對電路的理解更進(jìn)一步?；趩纹瑱C(jī)控制的單相交流可調(diào)穩(wěn)壓電源這一課題博大精深，實(shí)驗(yàn)的過程我遇到很多麻煩。同時(shí)也通過自己動(dòng)手解決了很多問題。為此我很滿足。但不能驕傲，了解到了自己的不足。為此我要更加努力豐富自己的能力。建議和設(shè)想：我希望實(shí)驗(yàn)室設(shè)備更加完善同時(shí)圖書館增加更多關(guān)于單片機(jī)資料的知識。我希望下次我能通過自己的雙手做出更好的作品。為同學(xué)和老師帶來驚喜。

第五部分致謝通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)的鍛煉，使我學(xué)到了許多書本中沒有的東西，從選題到構(gòu)思設(shè)計(jì)方案，尤其是在確立設(shè)計(jì)方案的過程中了解到了很多東西，特別是在芯片的選擇上，了解到了許多平時(shí)很少接觸的芯片的功能及優(yōu)缺點(diǎn)。通過這次鍛煉也給自己樹立起了信心，同時(shí)也深刻體會到了“遇到困難，解決困難”這句話的含義，只有這樣才能真正提高自己的水平，真正的把學(xué)到的知識應(yīng)用到實(shí)際中去，真正做到學(xué)以至用。經(jīng)過這一段時(shí)間的努力，在指導(dǎo)教師以及同學(xué)們的幫助下終于把畢業(yè)設(shè)計(jì)做完。畢竟自己能力有限，沒有他們的幫助與支持，不可能靠一個(gè)人的力量去完成畢業(yè)論文，在此向他們表示真誠的感謝！本課題我多次向高老師提出問題