【正文】 出蜂鳴報(bào)警。 當(dāng)輸入 U 過(guò)高時(shí)，停止 逆變，可以防止 損壞芯片。設(shè)計(jì)了全方位的保護(hù)電路 。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 論文題目： 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 年 月 日 I 摘要 本 次 設(shè)計(jì)是基于單片機(jī) STC 而設(shè)計(jì)的純正弦波逆變電源。包含 了可以 根據(jù)溫度來(lái)控制散熱風(fēng)扇的開啟 。擁有輸入防反接功能，當(dāng)輸入正負(fù)極接錯(cuò)時(shí)， 關(guān)斷輸入與后級(jí)電路的連接， 不會(huì)燒壞芯片或蓄電池。 輸出的交流電為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而不是方波或修正波，可以實(shí)現(xiàn)更寬范圍的帶負(fù)載能力。而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源也有一個(gè)高速發(fā)展的歷程。逆變電源開始廣泛使用晶閘管 來(lái)作為主要器件 ，與傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)換相比，效率明顯提高。這些器件的出現(xiàn)為逆變電源技術(shù)的高速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前的逆變電源按照輸出波形可分為三種。 而 由于輸出波形是方波，上升和下降是突變的，當(dāng)負(fù)載為感 性負(fù)載時(shí)，由于電感對(duì)儲(chǔ)能特性，會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖高壓。大大減小了輸出波形的諧波含量。與市電相比波形基本一致。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 2 系統(tǒng)研究的意義 一方面 目前私家車已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，而車內(nèi)可使用電器卻因?yàn)殡娫词艿街T多的限制。沒有設(shè)計(jì)顯示屏，用戶無(wú)法查看輸出參數(shù)。而人們使用的家電無(wú)法直接通過(guò)蓄電池供電。隨著人們 使用的電器數(shù)量和種類的增加，對(duì)逆變電源的波形、容量等參數(shù)的要求也越高，使得設(shè)計(jì)的逆變電源的復(fù)雜度也越來(lái)越高，采用的元件也越來(lái)越多。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 3 第二章 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)的工作原理 逆變電源是一種將低壓直流電轉(zhuǎn)換為高壓交流電的過(guò)程。電流從負(fù)載的左側(cè)流向右側(cè)。電流從負(fù)載的右側(cè)流向左側(cè)。 實(shí)際應(yīng)用中，只要將圖中的開關(guān)，改為可控的開關(guān)器件，這些開關(guān)器件組成的電路稱為全橋。四個(gè)開關(guān)器件也不可同時(shí) 關(guān) 斷，否則輸出出現(xiàn)不可控的狀態(tài)。 單極性調(diào)制是指 H 橋 輸出包括 兩個(gè)相反的電平 ，輸出載波 f1 與開關(guān)工作 f2 相同。在 uruc時(shí)， V3的狀態(tài)為斷， V4的狀態(tài)為通。 在 uruc時(shí)， V3的狀態(tài)為通， V4的狀態(tài)為斷。 雙極性調(diào)制與單極性調(diào)制相比，多了一個(gè)零電平，即輸出電平包括正、負(fù)和零三個(gè)電平。 在 ur的每半個(gè)周期中，調(diào)制載波的三角波有正有負(fù)，所得 PWM波的幅值有 177。此時(shí)的 uo=Ud。 單 極性調(diào)制時(shí)一個(gè)橋臂為低頻狀態(tài)，另一個(gè)為高頻狀態(tài)，因此，開關(guān)管的導(dǎo)通損耗較低。第一步是通過(guò)震蕩電路將直流電變?yōu)榻涣麟姟Ｏ到y(tǒng)的硬件可分為幾大模塊：主控制器， DCDC 驅(qū)動(dòng)模塊， DCAC 模塊，保護(hù)模塊，顯示模塊。 通過(guò)系統(tǒng)自帶 PCA 模塊，來(lái)對(duì)比寄存器的值，采用模擬脈寬調(diào)制法，控制端口輸出正弦調(diào)制波即產(chǎn)生 SPWM 驅(qū)動(dòng)。 保護(hù)模塊主要有溫度 控制 、輸出 保護(hù)、 輸入保護(hù) 等 。當(dāng)輸入正負(fù)接反時(shí)，切斷電源輸入，保護(hù)后級(jí)電路。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 7 顯示 與告警 模塊有 三 部分 。 蜂鳴器是當(dāng)發(fā)生短路、過(guò)載、輸入過(guò)低或過(guò)高時(shí)發(fā)出蜂鳴聲告知用戶。 STC12C5410AD 是宏晶公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘單片機(jī)，指令與 8051 系列完 全兼容，但速度卻快了近 10 倍。自帶看門狗電路，無(wú)需外置看門狗芯片，減小系統(tǒng)的體積和成本。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 31 所示。根據(jù)該模塊的功能，可以將該模塊分為三個(gè)部分來(lái)設(shè)計(jì)。 PWM 脈沖產(chǎn)生電路 本次設(shè)計(jì) PWM 脈沖產(chǎn)生采用的芯片是 定頻 PWM 芯 片 SG3525。 這三個(gè)引腳內(nèi)部的比較器和電容充放電電路加上外接的電阻電容電路便可組成振蕩器。 f=)( 1 RdRTCT ? 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 10 振蕩器的產(chǎn)生的輸出有兩種形式，一種是傳入雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，輸出方式為時(shí)鐘脈沖的形式；另一種傳送到比較器的同相輸入端，輸入方式為以鋸齒波的形式。該方波脈沖送入或非門其中一個(gè)輸入端，另兩個(gè)輸入端為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩鋸齒波。 VT1 和VT2 輸出 PWM 波，其相位差 180176。設(shè)計(jì)的部分 電路如圖 33 所示。因此，它屬于對(duì)稱式變壓器。 窗口面積 Aq 為 平方厘米 。 (3)副邊繞組匝數(shù) 根據(jù) 原副邊繞組匝數(shù)比 公式 NP /NS=VIN MIN/(2XVOP)，可以計(jì)算出原副邊繞組的匝數(shù) 比為 1： 6。 用一根 線繞 30圈 左右，可以繞 一層 為準(zhǔn)。 圖 34 繞制示意圖 先用 5 根 線繞兩圈，如圖中紅色。 采用同樣方法，繞第二層。采用高溫膠帶包三層左右。輸出經(jīng)過(guò)一個(gè)100uf/400V的電容濾波處理。 設(shè)計(jì)的電路如圖 35 所示。逆變電源的性能很大程序取決于該模塊的性能。第一部分是驅(qū)動(dòng)單片機(jī)產(chǎn)生的 SPWM 波形。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 13 波驅(qū)動(dòng) 隔離 單片機(jī)直接輸出的功率較小，而且容易受到后級(jí)功率型開關(guān)器件的干擾，從而引發(fā)災(zāi)難性的后果。電磁隔離常用的器件是脈沖變壓器。 本次設(shè)計(jì)采用的是 IR2110S 作為驅(qū)動(dòng)器件。懸浮電源采用的是自舉電路，可以實(shí)現(xiàn)高端工作電壓在 500V。 IR2110S的管腳如表 31 所示。 C2 C29 為自舉電容 ， D D21 為自舉 二極管。開關(guān)管柵極 泄漏 壓降約有 1/2 左右。自舉二極管所需承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。因此必須使用功率足夠的功 率開關(guān)管。 RF9IRF840RF10IRF840R32100R3310R34D39IN4148HVO_400VHO2R35100R3610R37D40IN4148LO2C50474/630VRF11IRF840RF12IRF840R38100R3910R40D42IN4148HOR41100R4210R43D43IN4148LOVO_L VO_NR44GND 圖 37 開關(guān)電路原理圖 開關(guān)管的控制信號(hào)為 IR2110S 隔離后的 SPWM 正弦波，輸入電壓為 400V左右的直流電，經(jīng)過(guò) SPWM 波形調(diào)制后，輸出 220V， 50Hz 的正弦波交流電。電路 原理圖如圖 38 所示。磁環(huán)的導(dǎo)磁率為 125，電感量為 ，導(dǎo)磁率為 60。 FANS1KSD9700GND+12V 圖 39 散熱風(fēng)扇電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)有兩路溫度控制電路。 KSD9700 是由兩片不同材料的金屬片組成的。 當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)，兩個(gè)金屬片又重新斷開 。 輸入保護(hù) 輸入的保護(hù)主要有三部分。 如果電路接反 時(shí)， 立刻 切斷電源的輸入，防止損壞后 續(xù) 電路。當(dāng)輸入電源接錯(cuò)時(shí)，二極管反射截止，MOS 的截止，電路中沒有電流流過(guò)，切斷了后級(jí)負(fù)載與電源的連接。當(dāng)輸入電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，關(guān)斷 DCDC 模塊中 PWM 的產(chǎn)生，即可停止轉(zhuǎn)換。另一路送入 IR2110S的關(guān)斷端 (SD端 )。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 18 1KR45OUT11INA2INA+3GND4INB+5INB6OUT27VCC8U3LM393GND+5VC60GNDVO_L10KR46R47C61+5VGNDSD100KR48Vref 312 輸出保護(hù)電路原理圖 直流 5V 電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)輸入的電壓為直流的 12V，輸出為交流 220V，而系統(tǒng)內(nèi)各芯片工作電壓為直流 5V。因此，所組 成的穩(wěn)壓電路也十分簡(jiǎn)單，僅需配置幾個(gè)濾波電容，便可以組成一個(gè)穩(wěn)壓電路。 常見的液晶模塊的驅(qū)動(dòng)方式有三種，分別為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、單矩陣驅(qū)動(dòng)和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)。 表 32 LCD12831管腳 引腳 名稱 功能說(shuō)明 1 VO 亮度調(diào)整，外部接電阻 2 VR 亮度調(diào)整，外部接電阻 3 GND 地 4 VCC 電源 5 NC 保留端 6 RS(CS) 并行：選擇寄存器；串行：數(shù)據(jù)寄存器片選端 7 RW(SID) 并行：讀寫控制器；串行：數(shù)據(jù)輸入端 8 E(SCLK) 并行：讀寫數(shù)據(jù)起始端；串行：輸入脈沖 9 D0 數(shù)據(jù) 0 位，僅在并行有效 10 D1 數(shù)據(jù) 1 位，僅在并行有效 11 D2 數(shù)據(jù) 2 位，僅在并行有效 12 D3 數(shù)據(jù) 3 位，僅在并行有效 13 D4 數(shù)據(jù) 4 位，僅在并行有效 14 D5 數(shù)據(jù) 5 位，僅在并行有效 15 D6 數(shù)據(jù) 6 位，僅在并行有效 16 D7 數(shù)據(jù) 7 位，僅在并行有效 17 PSB 控制信號(hào)， 0 為串行， 1 為并行 18 RST 低有效的復(fù)位信號(hào) 19 LK 液晶內(nèi)部背光源負(fù)極 20 LA 液晶內(nèi)部背光源正極 為了節(jié)約管腳的使用，簡(jiǎn)化電路連接，本次設(shè)計(jì)采用的是串行口連接。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 20 12345678LCD12832GNDVSSVSS+5VVDDLCD_ENLCD_DILCD_CLK+5VBLKBLK 圖 314 液晶顯示模塊原理圖 蜂鳴器報(bào)警 當(dāng)輸入電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，會(huì)通過(guò)蜂鳴器產(chǎn)生蜂鳴聲，蜂鳴器的電路設(shè)計(jì)如圖 315所示。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)步驟有三個(gè)，一是選擇開發(fā)環(huán)境的，即程序的編寫、調(diào)試、編譯等操作的環(huán)境與軟件；二是各功能模塊程序的設(shè)計(jì)；三是最終的程序調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)要求的功 能。 首先需要新建一個(gè)文件夾，用于存放程序的工程文件。在對(duì)話框中選擇保存該工程的文件夾 和工程名。選擇 Atmel 的 AT89C51 即可。如圖 43 所示。默認(rèn)文件名為 Text1,在該窗口中可以輸入源程序。文件名需要加上擴(kuò)展名，本次設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言編寫，因此，將程序文件命名為 。如圖 45 所示。便會(huì)在編譯時(shí)，在工程文件的目錄中產(chǎn)生 hex 文件。 SPWM 程序設(shè)計(jì) 單片機(jī) STC12C5410AD 自帶四路可編程計(jì)數(shù)器陣列 PCA/PWM 模塊電路，只需配置相關(guān)的寄存器便可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的 PWM 波形。 PCA 定時(shí)器決定了這四個(gè)模塊的時(shí)間基準(zhǔn)。 PCA 計(jì)數(shù)脈沖選擇如表 43 所示。 CL的值小于 EPCn 時(shí)，輸出為低。 CCAPMn 寄存器中的 PWMn 位和 ECOMn 位置位時(shí)可以使能 PWM 模式。 void int_time0(void) interrupt 1{ TH0=0XFE。//裝入第一路脈沖寬度值 // CCAP1H=pwm1。//中斷次累計(jì) if(k159){//正半周 // i=k。 //清 0 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 26 } else if(k=317){ j=k159。 //轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)值 pwm1=0。 pwm1=(unsigned char)pwm_1。 //取得電壓的值 i_out=ad(AD_IOUT)*i_c/256。SPWM 波形脈寬示意圖如圖 47 所示。 脈沖寬度值通 過(guò)正弦表格的形式存入程序中的數(shù)組中，在每個(gè)載波周期，輸入對(duì)應(yīng)數(shù)值。 (3) PCA 模式輸助寄存器清 0。 (7) 啟動(dòng) PCA 計(jì)數(shù)。 void pwm_init(){ CMOD=0X02。/*寄存器高 8 位置零 */ CCAPM0=0X42。 //設(shè)置第四路 PWM 口 // CCAP0L=0X00。 //清空第二路的比較 /捕捉寄存器的高 8 位 // CCAP2L=0X00。 //清空第四路的比較 /捕捉寄存器的高 8 位 // CR=1。常用如下命令。 (3)設(shè)定進(jìn)入點(diǎn) 當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，位地址增減用光標(biāo)的移動(dòng)來(lái)觀察。 在對(duì)液晶屏進(jìn)行顯示之前要根據(jù)這些常用指令對(duì)液晶進(jìn)行初始化操作。//置為串行工作模式 wr_lcd (m,0x30)。 /*設(shè)置光標(biāo)的移動(dòng)方向?yàn)橄蛴?*/ wr_lcd (m,0x0c)。 CS 從 0 跳變到 1 時(shí)，將要傳輸?shù)囊唤M串行數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)重新定義第一位。后兩個(gè)位元為 RW 和 RS。在前 8位數(shù)據(jù)傳輸完成后，將傳輸一個(gè)字節(jié)的命令。再利用該時(shí)序圖設(shè)計(jì)如下程序。//賦值命令的內(nèi)容 cs=1。i5。//置 SID 為 0，即為寫指令 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 31 sclk=1。 //如果 0，則為 命令，將 sid 置 0 sclk=1。 //置 SCLK 為 1 sclk=0。i4。 //置 SCLK 為 1 sclk=0。i++)//輸出低 4 位的 0 { sclk=1。設(shè)計(jì)了液晶顯示模塊，可以顯示輸出的電壓、頻率等參數(shù)。負(fù)載分別測(cè)試了白熾燈、小功率洗衣機(jī)、電視機(jī)等電器。由于電器在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬間電流較大，調(diào)序的峰值輸出功率在 800W 左右。從選題到幫助解決實(shí)際遇到的問(wèn)題， 從做論文的經(jīng)驗(yàn)。 基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 33 參考文獻(xiàn) [1]