智能交流稳压电源控制器设计.doc
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1、编号: 毕业设计(论文)说明书题 目:智能交流稳压电源控制器设计学院: 机电工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 学生姓名: 学 号: 指导教师单位: 机电工程学院 姓 名: 职 称: 实 验 师 题目类型:理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 摘 要交流稳压电源已经广泛地应用于科学研究、经济建设、军事设施、医疗仪器以及人民生活等领域,而且用电设备对电源质量要求也日趋严格。传统的交流稳压电源采用模拟电路控制导致了诸如电路复杂、调试困难、元件易老化、输出性能低等固有缺点,已不能满足各种高精密和数字化用电设备的需求。而数字信号处理技术和高性能单片机控制器的应用,可以很好的解决传统
2、稳压电源稳态精度低,动态性能差,监控不易等难题。本文正是针对这一问题,设计开发一种高性能数字化交流稳压电源控制器。文章中使用AT89S52单片机作为主控制器,完成了系统的硬件设计。稳压电源控制器是由电压检测反馈装置、主控制器、电机驱动组成,其中单片机控制器是稳压控制系统的关键部分,负责对自耦调压器的输出电压反馈信号进行处理并输出脉冲控制信号来控制电机的运动。系统的硬件设计了电机驱动电路,电压信号的采集等电路。整个硬件系统结构紧凑,工作可靠。关键词:单片机;自耦调压器;步进电机AbstractWith the development of information technology, alte
3、rnate current stabilized voltage supply is widely used in scientific research, economic deVelopment,military facilities,medical equipment and so on, electric equipment is becoming strict with the power quality. The traditional power supply adopts analog control method which results in complicated ci
4、rcuit, difficulties for system debug, element aging and bad output waveforms. These have been unable to meet the needs of high precision and digital electric equipment. And the application of digital signal processing technology. This paper is aimed at this problem to design a digital high performan
5、ce power supply.This article has taken AT89C51 monolithic machine as controller, to accomplish the systematic hardware design. The voltage regulation controller is to be composed of voltage detecting device , host controller , electric motor driver, the Single-chip Microcomputer is the key component
6、 of the voltage regulation controller among these controller, it is used to process the voltage feedback signal of the automatic coupling voltage regulator, and output the pulse control signal to control electrical machinerys movement. The systematic hardware has designed that motor driver circuits
7、such as circuit, speed signal acquisition. Entire hardware system structure is compact, the work is reliable.Key words:Single-chip Microcomputer; automatic coupling voltage regulator;step motor目 录引言11 绪论11.1 课题背景11.2 高性能交流稳压电源的发展趋势22 总体方案设计32.1 设计要求32.2 方案设计所使用的知识介绍32.3 系统总体结构设计43 硬件设计53.1 单相自耦调压器53
8、.1.1 基本原理53.1.2 主要结构53.2 步进电机53.2.1 工作原理53.2.2 步进电机的结构分类73.2.3 步进电机的控制73.3 采样模块83.3.1 ADC0832的介绍93.3.2 单相桥式整流电路的结构及工作原理93.3.3 采样电路113.4 电机驱动模块123.4.1 ULN2003芯片介绍123.4.2 28BYJ-48步进电机介绍143.4.3 步进电机驱动电路143.5 单片机主控制模块153.5.1 AT89C51的介绍153.5.2 AT89C51控制部分电路图183.5.3 1602显示模块的介绍184 软件设计224.1 软件部分设计的功能224.2
9、 整体程序设计224.3 步进电机驱动程序设计235 硬件制作与调试调试265.1 系统PCB板的设计制作265.1.1确定PCB的大小265.1.2布局265.1.3布线275.2 硬件调试275.3软件调试276 总结28谢 辞29参考文献资料:30附 录31附录1 系统原理图:31附录2 PCB图32附录3 程序清单33引言当今世界人民的生活水平不断提高,很多大功率家用电器已经进入普通家庭,电器的广泛使用与电能供应之间的矛盾越来越突出。在用电高峰期,很多地方有电网电压严重下降的现象,而在用电低谷期,电网电压又会升得太高;在一些边远地区,电网电压长期偏低;一些负荷变化较快的地区,电网电压严
10、重波动。这些现象都很容易对用电设备造成损害,甚至有可能带来严重的损失。另一方面,一些医疗设备的工作电压需要很高,这就要求很高的电能质量。由此可见,高稳定度的交流稳压电源具有非常广大的应用空间。最常见、最便宜、最简单的稳压设备就是手动调节的圆柱形自耦调压器,可是它的输出不能自动随着电压的变化而变化。本设计就是对自耦调压器调压经行改造基础上结合单片机的应用而设计的能跟据电网电压自动输出稳定电压的智能交流电源控制器。1 绪论1.1 课题背景 电源是向负载提供优质电能的供电设备,位于市电与负载之间,是工业的基础。现在为了向工业自动化、计算机、电力工程、现代通讯、电子仪器、国防及某些高新技术提供高效率、
11、高质量、高可靠性的电源,电源技术己逐渐发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。所有用电设备对供电电压都有一定的要求。对于一般的电子设备,如果供电电压超出220V变化的10%以外,设备就有可能正常工作,甚至会损坏,甚至一些电子仪器对电压稳定的要求更加严格。稳压电源的功能是在输入电压或负载在一定范围内变化时自动保持输出电压基本不变,正是为满足负载的稳压需求而产生的。稳压电源己形成了一个独立的技术领域和一个巨大的市场,在工业、农业、科研、国防等各个方面得到越来越广泛的应用。传统的交流稳压电源基本都属于耗能型。其技术原理不外乎用稳压管或铁磁共振恒压变压器等非线性器件并辅以必要的电路实现对输出电压的
12、自动调整,线路成熟,理论比较完善。以利用磁饱和原理的交流稳压电源来讲,虽然寿命长、抗干扰性好、可靠性高、维护简单,但仍然存在着诸多难以克服的缺点:体积大,重量大,成本高,效率低,自耗电多,波形失真严重,稳压性能一般,做到1已属不易,所以这类电源还是存在一些先天不足。电力变换技术和控制理论的飞速发展、新型高效电力电子器件的不断涌现及微处理器技术的日新月异,稳压电源的发展也不断地被注入新的生机和活力。在国内,早在80年代初期,有一些仪表生产厂商,像正泰、郑州三晖等都瞄准这一最新发展方向,纷纷投入巨大的人力和物力,开展高性能逆变型交流稳压电源的研究。由于我国在电力电子技术领域的研究起步晚,发展的时间
13、相对还很短暂,致使其还不够完善和成熟,高性能交流稳压电源还处于研究阶段,高性能逆变型稳压电源在可靠性、实用性和可维护性等方面始终未能取得令人满意的结果,它的大规模推广使用,还需要做许多方面的工作。1.2 高性能交流稳压电源的发展趋势(1)智能化目前在研制高性能、高精度、多功能的仪器设备时,几乎没有不考虑采用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器设备的常规电子线路,将计算机技术与控制技术结合在一起,组成新一代的所谓“智能化仪器设备。智能仪器解决了许多传统仪器不能或不易解决的难题,同时还能简化系统电路,提高系统可靠性,加快产品的开发速度。交流稳压电源一方面为仪器设备提供电能量,是仪器设备的“动力
14、源,另一面它本身就是仪器设备,因此,它有可能而且应当智能化。具体地说,智能化的交流稳压电源应当具有以下功能特点:操作自动化。系统的整个操作过程如键盘扫描、数据的采集处理、开关启动闭合及显示等都用微控制器来控制操作,实现操作过程的全部自动化。具有自检测功能,系统能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在系统启动时运行,同时也可在系统工作中运行,极大地方便了系统的维护。具有友好的人机对话能力。智能化的交流稳压电源使用键盘代替传统交流稳压电源中的切换开关。与此同时,智能交流稳压电源还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及测量数据的处理结果及时告诉操作人员,使系统的操作更加方便直观。网络
15、管理能力。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展,交流稳压电源通过RS485和以太网接口实现与上位PC机通信,从而使网络技术人员可以随时监视电源设备运行状态、各项技术参数;网络技术人员可通过网络定时开关电源,实现远程开关机等功能。(2)数字化在传统交流稳压电源中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰、便于计算机处理控制,也便于自诊断、容错等技术的植入。(3)模块化电源的模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化;其二是指电
16、源单元的模块化。我们常见的功率器件模块含有一单元、两单元、六单元直至七单元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的
17、热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情况下满足了大电流
18、输出的要求,而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。(4)绿色化电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电,这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染;其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器
19、和有源补偿器的方案诞生,为2l世纪批量生产各种绿色交流稳压电源产品奠定了基础。2 总体方案设计设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划,并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。硬件设计是通过对设计要求的分析,对各种元器件的了解,而得出分立元件与集成块的某些连接方法,以达到设计的功能要求。并且把这些元器件焊接在一块电路板上。它包括对各种元器件的功能和接法的了解,以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能,并且调试优化产品功能。2.1 设计要求具体要求:1. 输入电压 单相 160V-250V。 2. 过压保护 246V4V 3. 输出电压 单相 22
20、0V 4.稳压精度 相电压 220V3% 5. 频率 50Hz/60Hz 6. 调整时间90% 9. 负载功率因素0.8。2.2 方案设计所使用的知识介绍要实现方案设计,要有一定的知识为基础,知识的多少在一定程度上决定了设计出来的东西的好坏程度,这些知识包括硬件知识和软件知识。硬件知识用来设计硬件电路,以实现电路的放大、驱动、采集、隔离、匹配等功能。软件知识用来设计稳压控制器算法,还有其他的一些驱动和显示功能等等。本设计用到的硬件知识主要有:模拟电子技术、数字电子技术、电力电子技术、电子线路的设计与调试、单片机的输入输出的使用方法。2.3 系统总体结构设计(1)系统硬件电路的设计制作在硬件设计
21、方面,完成控制系统方案设计的论证和系统硬件控制电路的设计,并进行系统基本功能的调试工作,主要工作包括:方案论证:根据系统性能指标要求,确定系统的控制方案;原理图绘制:根据系统设计方案完成控制系统电路原理图的设计工作,包括本体电路设计和直流伺服电机驱动电路设计;硬件调试:制作PCB电路板,并进行硬件基本功能的测试。(2)系统控制软件的设计与实现按照控制系统技术指标的要求,对系统进行合理的分析与规划,寻求合适的控制规则并确定软件流程,主要工作包括:系统软件总体需求分析与设计;系统软件整体结构设计;系统各部分功能的软件实现;组成完整程序进行调试。系统结构框图如下图所示:单片机驱动电路自耦调压器采样电
22、路-输出LCD显示直流电机给定 +图2.1 系统原理框图本设计采用80S51单片机作为运算和控制的核心,由于80S51单片机内部带有EPROM,所以只需外部扩展一个0832A/D转换器,对自耦调压器的输出进行采样。给定由键盘输入,并在显示模块上显示出来,以单片机为核心的稳压控制器接收到给定之后,输出相应的脉冲信号,并经过由ULN2003芯片组成的驱动电源电路,完成单片机主控制电路,实现步进电机的运转。在反馈电路中,用变压器经行电气分离变压后,在经过桥式整流和ADC0832的转换把采样的模拟量转换成数字量送到单片机。将采样结果与给定值做比较,通过单片机和软件实现控制电机的正反转来驱动自耦调压器的
23、旋钮,以达到稳压的目的。同时,LCD1602实时显示自耦调压器的输出电压。3 硬件设计3.1 单相自耦调压器调压器就是匝比连续可调的自耦变压器,当调压器电刷借于手轮主轴和刷架的作用,沿线圈的磨光表面滑动时,就可以连续地改变匝比,从而使输出电压平滑地从零调节到最大值。 3.1.1 基本原理自耦调压器实质上是一种电压可连续调节的自耦变压器。其铁心有环式与柱式两种。柱式铁心与一般变压器相似,用硅钢片叠成;环式铁心则用硅钢带卷成。20kVA及以下的小容量自耦调压器多选用环式铁心;容量超过 20kVA者多采用柱式铁心。在环式自耦调压器的结构中,绕组用绝缘铜线单层绕在环式铁心上。线圈部分表面磨去绝缘层而成
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