基于单片机的正弦波逆变电源设计 毕业设计.doc

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1、 本科生毕业设计说明书论文题目：基于单片机的正弦波逆变电源设计 年 月 日摘要本次设计是基于单片机STC而设计的纯正弦波逆变电源。额定输入U=12V的直流电，输出为50Hz,220V的交流电。额定输出功率为300W。设计了全方位的保护电路。包含了可以根据温度来控制散热风扇的开启。实现了输入低压、过压的关断功能。当输入U过低时，逆变现象停止，这样可以防止蓄电池的损坏。当输入U过高时，停止逆变，可以防止损坏芯片。拥有输入防反接功能，当输入正负极接错时，关断输入与后级电路的连接，不会烧坏芯片或蓄电池。采用了一个液晶屏来显示输出的电压，输出频率等信息。采用一对发光二极管来指示工作状态。采用了一个蜂鸣器

2、，当产生错误时，发出蜂鸣报警。输出的交流电为标准的正弦波，而不是方波或修正波，可以实现更宽范围的带负载能力。根据实验分析，最终转换效率达到85%以上，输出结果稳定，达到了理想的实验效果。关键词单片机，逆变电源，正弦波，反接保护AbstractThe design is based on STC microcontroller designed for pure sine wave inverter. Rated input voltage of 12V DC, output is 50Hz, 220V AC. Rated output power of 300W. I designed a f

3、ull range of protection circuits. It can be included to control the temperature on the cooling fan. Achieve a input voltage, overvoltage shutdown function. When the input voltage is too low, the inverter is stopped, to prevent damage to the battery, when the input voltage is too high, the inverter i

4、s stopped to prevent damage to the chip. Has the input anti-reverse function when the input is negative then the wrong time, and after the shutdown input stage circuit connections will not burn chips or batteries. It uses a liquid crystal screen to display the output voltage, output frequency and ot

5、her information. It uses two light emitting diodes to indicate the operating status. It uses a buzzer when an error occurs, the alarm beeps. The standard AC output sine wave, rather than a square wave or modified wave, a wider range can be achieved with a load capacity. According to the test, the co

6、nversion efficiency of more than 85%, stable output, to achieve a good experimental result.Key WordsMCU, Inverter, Sine wave, reverse polarity protection 目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1系统研究的背景11.2 系统研究的意义2第二章 系统的工作原理与结构32.1系统的工作原理32.2系统的硬件结构62.3系统的软件设计7第三章 系统的硬件设计83.1主控制器83.2 DC-DC模块93.2.1 PWM脉冲产生电路93.2.2

7、变压器的设计103.3.3输出整流电路的设计123.3 DC-AC模块123.3.1SPWM波驱动隔离133.3.2 开关电路的设计143.3.3 LC滤波电路设计153.4 保护模块163.4.1 温度保护163.4.2输入保护163.4.3输出保护173.5直流5V电路设计183.6显示与报警模块183.6.1液晶显示183.6.2蜂鸣器报警20第四章 系统的软件设计214.1开发环境介绍214.2 SPWM程序设计234.3液晶驱动程序设计28第五章 结束语32参考文献33致谢34附录一系统原理图35附录二系统源程序36第一章 绪论1.1系统研究的背景逆变电源是指将直流电源转换为交流电源

8、的的装置。随着光伏发光的推广，汽车和车载电器数量的增加，UPS的广泛应用，逆变电源的应用场合也越来越多，成了电力电子技术中不可缺少的部件。而随着电子技术的发展，逆变电源也有一个高速发展的历程。最早的逆变系统采用的是，通过将直流电源供给直流电动机，直流电机通过机械传动带动交流发电机，来完成直交流的转换。这种转换方式占用空间大，重量大，产生一定的噪声，而且效率十分低下。到二十世纪六、七十年代，晶闸管的问世使得逆变电源的技术得到了发展。逆变电源开始广泛使用晶闸管来作为主要器件，与传统的机械式转换相比，效率明显提高。但缺点也十分明显，转换的波形为方波，而不是正弦波，无法带动电感类负载。限于晶闸管的功率

9、，电源的输出功率较小。进入八十年代以后，电子元件的种类也越来越多，诞生了功率场效应管、MOS管、可关断晶闸管、电力用晶体管、绝缘栅极晶体管等类型的功率型器件。这些器件的出现为逆变电源技术的高速发展奠定了坚实的基础。使得逆变电源从容量到频率等参数越来越高，占用的体积减小，逆变转换效率提高，各种品质指标也进一步提升。进入21世纪以后，随着微电子技术的发展，逆变电源在设计上，也渐渐使用微电子元件。得益于微电子元件的精密程度，逆变电源的输出的稳定性，波形的精确度等都得到了保证。目前的逆变电源按照输出波形可分为三种。第一种是方波逆变电源。此电源结构简单，转换效率较高，技术成熟。不足的是变压器和滤波器的体

10、积、重量较大，工作的噪音较大。而由于输出波形是方波，上升和下降是突变的，当负载为感性负载时，由于电感对储能特性，会产生尖峰脉冲高压。造成负载或电源的损坏。第二种是修正波逆变电源。输出波形是将多个方波叠加而成的修正正弦波。大大减小了输出波形的谐波含量。与方波逆变电电源相比，性能得到了很大的提升。第三种是纯正弦波逆变电源。其输出波形为谐波含量很小的正弦波。与市电相比波形基本一致。可以带动所有类型的负载。但缺点是技术不够成熟。成本较高。1.2 系统研究的意义一方面目前私家车已经走进千家万户，而车内可使用电器却因为电源受到诸多的限制。汽车的携带的蓄电池输出直流12V，而大部分电器的额定电压是市电交流2

11、20V。而目前常见的车载逆变电源有诸多缺点。如无输入低压保护，超额使用后，导致汽车无法启动。没有设计显示屏，用户无法查看输出参数。没有配置短路保护，过载保护等。另一方面随着太阳能发光的大力推广，逆变电源在太阳能发光的过程中有着不可缺少的作用。太阳能发光是将光能转换为电能存储在蓄电池中。而人们使用的家电无法直接通过蓄电池供电。必须通过逆变电源将直流电转换为交流电。随着逆变电源应用的场合越来越多，对逆变电源技术的发展要求也越来越高。目前逆变电源的设计多采用纯硬件设计的分立式元件组成的结构。随着人们使用的电器数量和种类的增加，对逆变电源的波形、容量等参数的要求也越高，使得设计的逆变电源的复杂度也越来

12、越高，采用的元件也越来越多。而由于元件数量过多，造成的电源稳定性较差，往往由于某一个元件的质量差而导致整个系统的损坏。而且传统逆变电源基于模拟元件的设计，没有可编程的能力，使得逆变电源的可扩展能力差，没有显示功能等问题。因此针对单片机来作为逆变电源主控制芯片来研究成为当今的热点。第二章 系统的工作原理与结构2.1系统的工作原理逆变电源是一种将低压直流电转换为高压交流电的过程。一个直流电源对一个负载的两端轮流供电时便在负载的两端形成一个交流电的过程。工作模型如图2-1所示。图2-1 逆变电源工作模型当图中的S1、S4闭合，S2、S3断开时。电流从负载的左侧流向右侧。负载两端的电压U0是一个正电压

13、。电流方向和波形如图2-2所示。图2-2 S1、S4闭合时的电流方向和波形当图中的S2、S3闭合，S1、S4断开时。电流从负载的右侧流向左侧。负载两端的电压U0是一个负电压。电流方向和波形如图2-3所示。图2-3 S2、S3闭合时的电流方向和波形当开关开始和闭合的速度很快时，负载两端的电压便形成了一个交流电的过程。实际应用中，只要将图中的开关，改为可控的开关器件，这些开关器件组成的电路称为全桥。全桥逆变电源主电路结构如图2-4所示。图2-4 全桥逆变电源结构图V1、V2、V3和四个开关管以及VD1、VD2、VD3和VD4四个续流二极管构成了左右两个桥臂。在任何时刻，左右两个桥臂的上下两个开关器

14、件不可以同时打开，否则输入电源将短路。四个开关器件也不可同时关断，否则输出出现不可控的状态。这些开关器件的控制信号可以采用周期调制信号。而这些周期信号经过正弦脉宽调制，称为SPWM调制，电路结构称为SPWM全桥结构。典型的SPWM调制方式有如下两种。单极性调制是指H桥输出包括两个相反的电平，输出载波f1与开关工作f2相同。单极性调制的波形图如图2-5所示。图2-5 单极性调制波形图在ur和uc的相交的时刻控制开关管的导通与关闭，uof表示uo的基波分量。在波形ur的正半周，V1的状态为通， V2的状态为断。在uruc时， V3的状态为断， V4的状态为通。此时的uo=ud。在uruc时，V3的

15、状态为通， V4的状态为断。此时的uo=0。在uruc时，开关管V1和V4的状态为通， 开关管V2和V3状态为断。此时的uo=Ud。在ur2Qg/(VCC101.5)。经过计算，本次设计的自举电容为100uf/35V。自举二极管是组成自举电路的重要的自举器件，主要作用是阻断直流干线上的高压。自举二极管所需承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。本次设计采用的自举二极管为恢复二极管FM1S。该二极管拥有较小的反向漏电流，可以有效的减小电荷损失。3.3.2 开关电路的设计本次设计中开关管的输入电压在400V左右，输出功率在300W以上。因此必须使用功率足够的功率开关管。本次设计采用的是IRF840作为

16、开关管。IRF840的最大漏源电压在500V，漏极电流为8A左右，足以满足本次设计的要求。设计的电路如图3-7所示。图3-7 开关电路原理图开关管的控制信号为IR2110S隔离后的SPWM正弦波，输入电压为400V左右的直流电，经过SPWM波形调制后，输出220V，50Hz的正弦波交流电。经过后级的LC滤波电路后，使输出波形的更加纯净。3.3.3 LC滤波电路设计为了滤除开关管输出的交流电中高频成分，以及增强电源的EMI特性。设计了一个LC滤波电路。电路原理图如图3-8所示。图3-8 LC滤波电路L1采用的是磁环绕制导线而成的差模电感。磁环为直径40MM的铁硅铝材料制作。采用1.18的线在磁环

17、上绕90圈左右，使用的线长在4.5米左右。磁环的导磁率为125，电感量为1.5mH，导磁率为60。绕制时分两层，第一层为45圈，内圈的线紧密绕制，外圈线的每圈留有一个空隙。第二层为45圈，内圈叠在第一层线上，外圈嵌在第一层的空隙中。3.4 保护模块3.4.1 温度保护设计的电路如图3-9所示。图3-9 散热风扇电路设计本设计有两路温度控制电路。一个是当温度超过一定值时开启散热风扇。另一个是作为DC-DC模块的温度补偿模块，当温度过高时，停止前级DC-DC的转换。散热风扇的控制采用的是热保护器KSD9700。KSD9700是由两片不同材料的金属片组成的。正常温度情况下，两个金属片断开，相当于开关

18、断开。风扇不工作。当金属片感知温度超过40摄氏度时，两个金属片粘合，相当于开关闭合，此时风扇开始工作。当温度恢复正常时，两个金属片又重新断开。DC-DC模块的温度补偿传感器采用NTC热敏电阻。热敏电阻接入DC-DC模块中PWM脉冲产生芯片SG3525的关断端。当温度过高时，SG3525停止工作。3.4.2输入保护输入的保护主要有三部分。一是防止输入反接。二是防止输入电压过低。因此，设计了一避免反接电路。如果电路接反时，立刻切断电源的输入，防止损坏后续电路。设计的电路如图3-10所示。图3-10 反接保护原理图当输入电源正确接入时，MOS管体二极管正向导通，MOS管的栅极电压大于源极电压，因此M

19、OS管导通。后级负载正常工作。当输入电源接错时，二极管反射截止，MOS的截止，电路中没有电流流过，切断了后级负载与电源的连接。电路中Ri1与电容Ci1为缓冲电路，防止上电瞬间电压过高损坏MOS管。Z1为稳压管，防止MOS管的栅极和源极两端电压过高，损坏MOS管。输入电压保护采用一个LM324运放组成的电压比较器。当输入电压过高或过低时，关断DC-DC模块中PWM的产生，即可停止转换。同时，输出一个信号控制蜂鸣器发出蜂鸣声报警。设计电路如图3-11。图3-11 输入电压保护电路原理图3.4.3输出保护输出保护的设计采用的是从开关管的输出部分取样，反馈到一个LM393组成的电压比较器，一路送入单片

20、机的AD端，经过AD转换后修正输出。另一路送入IR2110S的关断端(SD端)。当IR2110S的SD端接收到信号后，停止驱动隔离，则不再输出SPWM波形。有效的保护的电路。设计的电路如图3-12所示。3-12 输出保护电路原理图3.5直流5V电路设计系统输入的电压为直流的12V，输出为交流220V，而系统内各芯片工作电压为直流5V。因此需要设计一个直流5V的产生电路，作为芯片的电源使用。本设计采用的方案为将输入的12V直流电压经过7805三端稳压集成电路，芯片输出稳定的直流5V电源。7805包含三条引脚，分别是输入、输出端和接地端。因此，所组成的稳压电路也十分简单，仅需配置几个滤波电容，便可

21、以组成一个稳压电路。芯片内部已经集成了过流、过热的保护电路。设计的稳压电路如图3-13所示。3-13 直流5V电源原理图3.6显示与报警模块3.6.1液晶显示本设计采用的液晶显示是12832液晶模块。常见的液晶模块的驱动方式有三种，分别为静态驱动、单矩阵驱动和主动矩阵驱动。矩阵驱动系统包括行驱动器，列寄存器，偏压电路，电源等电路。行寄存器在内部的数据传输为串行方式，列寄存器有两种数据传输方式，一种是单一方向传输，一种是双向数据传输。12832液晶模块引脚定义如表3-2所示。表3-2 LCD12831管脚 引脚名称功能说明1VO亮度调整，外部接电阻2VR亮度调整，外部接电阻3GND地4VCC电源

22、5NC保留端6RS(CS)并行：选择寄存器；串行：数据寄存器片选端7RW(SID)并行：读写控制器；串行：数据输入端8E(SCLK)并行：读写数据起始端；串行：输入脉冲9D0数据0位，仅在并行有效10D1数据1位，仅在并行有效11D2数据2位，仅在并行有效12D3数据3位，仅在并行有效13D4数据4位，仅在并行有效14D5数据5位，仅在并行有效15D6数据6位，仅在并行有效16D7数据7位，仅在并行有效17PSB控制信号，0为串行，1为并行18RST低有效的复位信号19LK液晶内部背光源负极20LA液晶内部背光源正极为了节约管脚的使用，简化电路连接，本次设计采用的是串行口连接。当PSB引脚连接

23、低电平时，液晶进入串行工作模式。在串行工作模式下，根据同步时钟线SCLK和串行数据线SID配合完成数据的发送与接收。设计的电路如图3-14所示。图3-14 液晶显示模块原理图3.6.2蜂鸣器报警当输入电压过高或过低时，会通过蜂鸣器产生蜂鸣声，蜂鸣器的电路设计如图3-15所示。图3-15 蜂鸣器电路原理图第四章 系统的软件设计硬件是一个设计的身体，而软件则是一个设计的灵魂。两者缺一不可。因此，对系统的软件设计也很重要。系统的软件设计步骤有三个，一是选择开发环境的，即程序的编写、调试、编译等操作的环境与软件；二是各功能模块程序的设计；三是最终的程序调试，以实现要求的功能。4.1开发环境介绍本次设计

24、采用Keil uVision3软件，由于Keil uVision3的库中并不包含STC系列的单片机，但STC与51系列单片机的内部核心基本相同。因此，可以选择51的内核，在程序中加入STC12C5410AD单片机宏定义的头文件即可使用。创建的步骤如下。首先需要新建一个文件夹，用于存放程序的工程文件。新建文件夹完成后启动Keil uVision3软件。之后新建一个工程，并将该工程保存在新建的文件夹中。创建工程的步骤为，点击Project下的New Project菜单，弹出一个对话框。在对话框中选择保存该工程的文件夹和工程名。将该工程保存在新建的文件夹中。点击保存按钮即可。如图4-1所示图4-1

25、新建工程点击保存按钮后，需要选择单片机型号。选择Atmel的AT89C51即可。选择之后，点击确定按钮。如图4-2所示。图4-2 选择型号我们不需要仿真的配置文件，因此，在弹出的是否添加仿真配置文件的对话框中，选择“NO”。如图4-3所示。图4-3 添加仿真配置一个新的工程创建成功。工程创建完成后，需要新建一个程序文件。点击File下的New菜单，在软件中弹出一个新的文本输入窗口。默认文件名为Text1,在该窗口中可以输入源程序。如图图4-4所示。图4-4 新建程序文件 源程序输入完成后，点击保存。将该程序文件保存在工程的目录下。文件名需要加上扩展名，本次设计的程序设计采用C语言编写，因此，将

26、程序文件命名为main.c。程序文件虽然创建保存成功，但并没有与工程关联，加入到工程中。因此，需要将程序文件加入到工程中。右击左侧目录树中的“Source Group1”，在弹出的下拉菜单中选择“Add file to Group”，出现一个对话框，双击创建的main.c即可。如图4-5所示。图4-5 添加文件程序文件添加完成后，需要将编写的程序编译成单片机能识别的hex文件。右击“Target 1”，在弹出的菜单中选择“Options for Target Target1”。选择“output”选项卡，将“create HEX file”项打钩，点确定。便会在编译时，在工程文件的目录中产生h

27、ex文件。编译的快捷键是F7。每次修改程序后，按F7，都将重新产生一个hex文件，新hex文件将覆盖旧文件。编译完成后，在软件的下方状态栏中可以查看该程序生成的代码大小。4.2 SPWM程序设计单片机STC12C5410AD自带四路可编程计数器阵列PCA/PWM模块电路，只需配置相关的寄存器便可产生标准的PWM波形。SPWM也是PWM的一种特殊形式，是指在PWM的基础上方式有所改变，I相等但不同大小，脉冲的大小按照一定的规律变化，输出结果即为正弦波。STC12C5410AD单片机PCA模块输出管脚如表4-1所示。表4-1 PCA/PWM模块管脚对应表管脚第一功能第二功能15P3.7PCA0/P

28、WM09P3.5PCA1/PWM126P2.0PCA2/PWM210P2.4PCA3/PWM3STC12C5410AD内部的PCA模块是一个16位的特殊功能的定时器，连接了四个捕获/比较模块。PCA定时器决定了这四个模块的时间基准。PCA模式寄存器CMOD的位定义如表4-2所示。表4-2 CMOD寄存器定义名称地址Bit7Bi6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0CMOD0XD9CIDL-CPS1CPS0ECF表中的CPSl和CPS0位是PCA计数脉冲选择位。两个位的决定了PCA脉冲源输入。PCA计数脉冲选择如表4-3所示。表4-3 PCA计数脉冲选择表CPS1CPS0脉冲源00系

29、统时钟/1201系统时钟/210T0的溢出脉冲11ECI外部时钟PCA/PWM模块共有四种工作模式，分别为：上升/下降沿捕获模式，PWM脉冲输出模式，软件定时器模式，高速输出模式。SPWM生成主要工作PWM脉冲输出模式。 PWM输出模式的工作原理如下：当工作在PWM脉冲输出模式时。CL的值小于EPCn时，输出为低。当CL的值大于或等于EPCn时，输出为高。当CL的值为FF时，继续增加将产生溢出，溢出时变为0，此时EPCn的值装载到EPCnL和CCAPnL中。从而实现了在更新PWM时，不会产生干扰。CCAPMn寄存器中的PWMn位和ECOMn位置位时可以使能PWM模式。本次设计采用的SPWM波形

30、通过软件中断的形式来实现，综合使用了PWM模式和16位定时器模式。流程图如图4-6所示。图4-6 中断服务程序流程图设计的中断服务子程序如下。void int_time0(void) interrupt 1TH0=0XFE;/重装初值TL0=0X09;/重装计数值/TR0=1;/使能定时器CCAP0H=pwm0;/装入第一路脉冲宽度值/CCAP1H=pwm1; /装入第二路脉冲宽度值/CCAP2H=pwm2; /装入第三路脉冲宽度值/ CCAP3H=pwm3; /装入第四路脉冲宽度值/ k+;/中断次累计 if(k159)/正半周/i=k;/重新赋值pwm_1=m*pwmi/216;/计算宽度值 pwm1=(unsigned char)pwm_1;/转换为8位数值pwm2=0; /清0 else if(k=317)j=k-159;pwm1=0;/清0pwm_2=m*pwmj/216; /计算宽度值 pwm2=(unsigned char)pwm_2; /转换为8位数值pwm1=0; /清0 else/周期结束/k=0;/清0i=k; /清0pwm_1=m*pwmi/216;pwm1=(unsigned char)pwm_1;