毕业设计（论文）-基于单片机控制PWM整流电源的设计.doc

摘要本文介绍了用PWM实现直流电机调整的基本方法。本文在给出直流电机调整和PWM实现方法的基础上,提供一种用单片机软件实现PWM调速的方法,以及直流电机调速的相关知识和PWM调整的基本原理和实现方法.介绍了基于MCS-51单片机用软件产生PWM信号的途径，在给出直流电机调整的实现方法的基础上，提供一种用单片机软件实现调速的方法。系统以8051单片机为核心,以小直流电机为控制对象,实现速度单闭环、PID控制方便的人机对话接口,用键盘输入有关控制信号及参数,可以实现电机的启制动、正反转、速度调节并在LED上实时显示输入参数及动态转速详细给出调速系统的主电路原理图及各部分电路原理图，主要包括MCS-51电路，电源，键盘和显示电路，驱动电路，最后画出程序流程图.关键词：MCS-51；PWM；硬件；直流电机ABSTRACTThe paper introduces a basic kind of method of DC-motor speed modification based on PWM theory. Showing some relative knowledge upon DC motor speed modification, the PWM theory and the way to implement. It emphasizes on the way for carrying out PWM signals based on MCS-51. Taking 8051 Single Chip Micyoco as core and the little direct current motor as control object, the single closed loop speed control and PID control were realized. In the convenient man-machine interaction interface,the control signal and parameter were inputted with keybaord.so that the start and brake of motor and speed regulation were also realized. Provided main electric circuit principle diagram and each parts of electric circuit principle diagram, mainly include electric circuits MCS-51s, power supplies, keyboard and manifestation electric circuit, drive electric circuit, draw a procedure flow chart finally.Keyword: MCS-51 ；PWM ；Hardware ；DC Motor目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1课题研究的背景及意义11.2 PWM整流电源发展概况11.3本课题的来源，研究意义和研究目标22 PWM整流技术的现状32.1 PWM整流研究概述32.2 PWM整流的基本原理53 核心芯片的选择103.1单片机的发展概况103.2 基于单片机控制的特点113.3 MCS-51单片机特点124系统的硬件电路设计134.1系统总体框图134.1.1系统总体设计框图134.1.2 系统主回路电路图144.2元件的选择144.2.1 单片机的选型AT89C51144.2.2 IGBT介绍164.2.3 EXB841控制的IGBT204.2.4 8255芯片及功能图224.2.5 ADC0809芯片及功能图234.2.6 DAC0832模数转换器的介绍254.2.7 LED显示屏的介绍274.3 系统外围电路及开关稳压电源284.3.1 单片机外围电路连接图284.3.2 开关式稳压电源的原理电路284.4本系统过流保护294.5单片机抗干扰措施295 系统的软件设计简介325.1设计流程图及程序325.1.1系统主流程图325.1.2 系统主程序325.2 按键流程图及程序345.2.1按键判断流程图345.2.2 按键子程序345.3 8279可编程键盘及键盘扫描程序365.3.1 8279是一种通用可编程键盘365.3.2键盘扫描程序375.4控制和显示界面的实现405.4.1显示子程序流程图405.4.2显示器程序405.5 驱动8255连接ADC0809的采样程序425.6 其它子程序436 总 结45致 谢46参考文献47附录A48附录B50江西理工大学应用科学学院毕业设计1 绪论1.1课题研究的背景及意义功率半导体开关器件的进步，促进了电力电子变流技术的迅速发展，出现了各类变流装置，如变频器、逆变电源、励磁电源、高频开关电源以及各类特种整流器等，它们在国民经济各领域中取得了广泛应用。但是，这些变流装置很大一部分需要整流环节以获得直流电压，目前大部分电力电子装置所使用的直流电源是通过不可控整流或相控整流得到的，这些设备在运行中对电网注入了大量的谐波和无功，造成严重的电网污染，由此引起的公用电网谐波污染问题逐渐受到了人们的重视，因此作为电网主要“污染”源的整流器，首先受到了学术界的关注。此外，国际电工委员会 (IEC)制定的IEEE555一2标准对用电装置的功率因数和波形失真度作了具体的限制，欧洲制定了相应IEC一1000一3一2标准，我国国家技术监督局也于1994年颁布了电能质量公用电网谐波标 (GB/T14549一93);常规二极管整流或相控整流存在功率因数低、交流侧输入电流严重畸变等缺点，给公用电网带来大量谐波污染，己经不符合这些新的规定。晶闸管(SCR)构成的相控整流电路己经非常成熟，并获得了广泛应用，但存在以下几个主要弊端:(I)交流输入端电流波形畸变严重;(2)整流器工作于深度相控状态下，交流侧功率因数极低;(3)换流引起电网电压波形畸变;(4)直流侧输出电压纹波大。传统整流装置在引起谐波的同时，也会造成系统无功功率的大量流动，无功功率的增加不仅增加线路损耗，降低发电和用电设备的利用率，而且冲击性无功负载还会使电网电压产生剧烈波动，严重影响供电质量。在改善电能质量方面，传统LC无源滤波器不仅可以抑制谐波，也能补偿无功，但是存在易和系统发生并联谐振而导致谐波放大等缺点。目前，采用有源滤波器 (APF)进行谐波补偿成为谐波抑制的一个重要趋势，己在日本及一些欧美国家获得应用，但是成本比较大，控制过程复杂。近年来，静止无功补偿装置(sVC)大量应用于负载无功补偿，但是在很好补偿无功的同时，却不能抑制谐波，甚至因晶闸管相控工作方式而成为新的谐波源。1.2 PWM整流电源发展概况近20年来，随着电力电子技术的发展以及人们对公用电网谐波污染的日益关注，PWM整流技术取得了飞速的发展，己经成为电力电子领域不可或缺的一部分，它对提高电力电子装置的性能，推动电力电子技术的发展起着重要的作用。本文所要讲述的便是一种能量可双向流动的整流器，因为在能量双向流动的过程中均采用PWM控制，故取名为PWM整流器。PWM整流器具有交流输入端电流波形趋于正弦的优点，有效的抑制了谐波污染。其主要思路就是将PWM技术引入到整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化且可运行于单位功率因数、同时能够实现能量的双向流动和直流母线电压的调节，不仅体现出AC/Dc变流特性(可控整流)，而且还可呈现出Dc/Ac变流特性(有源逆变)，因此PWM整流器有着较高的研究和应用价值。1.3本课题的来源，研究意义和研究目标该设计主要分为整流、变压部分，调压、稳压部分以及控制部分。具体地说是用开关电路实现整流与初级变压，用可调IGBT实现调压与稳压，而用单片机控制整个电源的工作。因此该设计具有开关电源和线性电源的共同优点。进行系统总体设计，实现信号采集功能、人机交互功能、告警功能、控制功能、通信功能等，系统电路原理图的设计、印制板的布线等工作。其中主要对单片机的显示、键盘、A/D、PWM波输出等进行分析研究；对系统的抗干扰性能进行全面的分析与探讨，采取一系列软硬件上的对策 实现系统设定的功能同时要求人机界面友好，液晶显示且可靠性好，可定时开关机,具有过流保护功能,控制流程图简单明细。2 PWM整流技术的现状2.1 PWM整流研究概述经过几十年的研究与发展，PWM整流技术己日趋成熟，PWM整流器主电路己从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路;其拓扑结构己从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路;PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制;功率等级从千瓦级发展到兆瓦级，而在主电路类型上既有电压源型整流器，又有电流源型整流器，两者在工业上均成功地投人了应用，但却多采用模拟芯片作为PWM波发生器，在闭环和智能调节比如在风力发电的并网等方面均存在较大问题，尤其是在国内，基于DSP等微处理器的PWM整流器的研究还只是处于初步发展阶段。当前对PWM整流器的研究主要是以下几个方面(1) 关于PWM整流器的建模研究PWM整流器数学模型的研究是PWM整流器及其控制技术研究的基础。自从出现基于坐标变换的PWM整流器的数学模型之后，各国学者对PWM整流器的数学模型进行了仔细的研究，其中R.认恤、S.B.De、van等较为系统地建立了PWM整流器的时域模型,并将时域模型分解成高频、低频模型，且给出了相应的时域解。而ChunT.形m和Dong丫Hu等则利用局部电路的dq坐标变换建立了PWM整流器基于变压器的低频等效模型电路，并给出了稳态、动态特性分析。在此基础上， HengchunMao等人又建立了一种新颖的降阶小信号模型，从而简化了PWM整流器的数学模型及特性分析。(2) 关于PWM整流器拓扑结构的研究PWM整流器经过20多年的探索和研究，取得了很大的进展。其拓扑结构从单相、三相电路发展到多相组合及多电平拓扑电路;PWM开关控制由单纯的硬开关控制发展到软开关控制;功率等级也从千瓦级发展到兆瓦级。对于不同功率等级以及不同的用途，人们研究了各种不同的PWM整流器拓扑结构。在小功率应用场合，PWM整流器拓扑结构的研究主要集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。然而，一般的电压型PWM整流器为 Boost变换器，正常工作时，其直流侧电压须高于交流侧电压峰值，Ching一 TsaiPan等学者对一般的PWM整流器拓扑结构进行了改进，并取得了一定的结果。对于中等功率场合，多采用六个功率开关器件构成的PWM整流器，包括三相电压型PWM整流器和三相电流型PWM整流器，由于它可以实现能量的双向传输，应用范围最广。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、整流器组合和软开关技术上。多电平拓扑结构的PWM整流器主要应用于高压大容量场合。而对大电流应用场合，常采用整流器组合拓扑结构，即将独立的电流型PWM整流器进行并联组合。与普通并联不同，每个并联的PWM整流器中的PWM信号发生采用移相PWM控制技术，从而以较低的开关频率获得等效的高开关频率控制，即在降低功率损耗的同时，有效地提高了PWM整流器的电流、电压波形品质。与此相似，也可将独立的电压型PWM整流器进行串联移相组合,以适应高压大容量的应用场合。此外，由于软开关技术ZVS、ZCS在减小开关损耗、抑制电磁干扰、降低噪声等方面具有显著的优势，近年来在电压型PWM整流器设计上受到了广泛的重视，并得以迅速发展。而电流型PWM整流器的软开关技术研究相对较少，有待进一步研究。(3) 关于电压型PWM整流器的电流控制策略研究 为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要。在PWM整流器技术发展过程中，电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分成两类:一类是间接电流控制策略;另一类就是目前占主导地位的直接电流控制策略。间接电流控制实际上就是所谓的“幅相”电流控制，即通过控制电压型PWM整流器的交流侧电压基波幅值、相位，进而间接控制其网侧电流。由于间接电流控制的网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种控制策略己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制是一种电流瞬态跟踪控制方法，由运算求出交流侧电流指令信号，再引入交流侧电流反馈，通过对交流侧电流的直接控制使其跟踪指令电流值。这种控制方式具有电流内环和电压外环的双环控制结构;在电流内环中，通过对功率因数角的控制可实现对无功功率的控制。在电压外环中，对直流电压的控制则是通过调节交流电流的参考幅值来实现的。外环电压稳定与否取决于内环电流能否快速准确地跟踪电流给定。由于这种控制方式能有效地跟踪负载电流的变化，具有动态性能好，限流容易、电流控制精度高等优点，因此受到了学术界的广泛关注，并先后研究出各种不同的控制方案，主要包括有PID控制，预测电流控制，滑模变结构控制，LyaPunov方法，极点配置，二次型最优控制，非线性态反馈控制，模糊控制等方式。在对PWM整流器的研究过程中，出现了一些较为新颖的控制策略:1)PWM整流器的时间最优控制常规的dq模型的电压型PWM整流器控制，一般通过前馈解藕控制，并采用两个独立的PI调节器，分别控制相应的有功、无功分量。而有功、无功分量间的动态藕合和PWM电压利用率的约束，影响了电压型PWM整流器有功分量的动态响应。针对这一问题，有学者提出了直流电压时间最优控制，其基本方法是根据时间最优控制算法求解出跟踪指令电流所需的最优控制电压，并在动态过程中降低无功分量的响应速度，提高有功分量的响应速度，实现了时间最优控制，这也是本文所要借鉴和采用的控制策略。2)无电网电动势传感器和无网侧电流传感器控制为了简化信号的检测， MikaSafo等学者提出了一种无电网电动势传感器PWM整流器控制策略。这一研究主要包括两类电网电动势重构方案:一种是通过功率估计，另一种是通过电流的偏差求导重构电动势。 JoseEsPinoza则通过直流侧电流的检测来重构交流侧电流，进而实现无交流电流传感器控制。3)电网不平衡条件下的PWM整流器控制一般的策略研究总是假设电网是平衡的。实际上，电网经常处于不平衡状态。当电网出现不平衡时，以三相电网平衡为约束所设计的整流器会出现不正常运行，表现为:PWM整流器直流侧电压和交流侧的低次谐波幅值增大，且产生非特征波形，同时损耗相应增大。PWM整流器的交流侧电流不平衡，严重时可使整流器故障烧毁，于是三电平整流器和全桥整流器等开始出现。4)对电流型PWM整流器的进一步研究随着超导技术的应用与发展，电流型PWM整流器克服了自身的一些缺陷，在近些年里取得了成功应用。由于在超导储能整流环节中应用的电流型PWM整流器无需另加直流电感，并且具有良好的电流保护性能，因此与电压型PWM整流器相比，电流型PWM整流器显得更有优势。目前，电流型PWM整流器的研究主要集中在数学建模及特征分析、网侧电流畸变和谐振抑制及控制策略、网侧滤波参数的优化设计和不平衡电网条件2.2 PWM整流的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即窄脉冲的面积。而与之相关的面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。而如今PWM整流器已不是一般传统意义上的AC/DC变换器，由于能量的双向传输，当PWM整流器从电网吸取能量时，运行于整流工作状态;而当PWM整流器向电网传输电能时，则运行于有源逆变工作状态。单位功率因数指的是:当PWM整流器运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位(正阻特性);当PWM整流器运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相(负阻特性)。因此，PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的整流装置，因此PWM整流器具有下列优越性能(l)电流为正弦波;(2)功率因数可控或为单位功率因数;(3)能量可双向流动;(4)谐波抑制能力强。采用全控型的功率开关器件IGBT、PWM整流器的主回路如图2-1所示:图2-1 整流器主回路对图2-1所示PWM整流器三相桥臂施加幅值、频率相等而相位互差120度的三相对称正弦波调制信号，由于每相桥臂共有两种开关模式，即上侧桥臂导通或下侧桥臂导通，因此三相整流器共有23=8种开关模式，并可利用单极性二值逻辑开关,(j=a,b,c)描述，即： Sj=1 Vj,VDj 导通0 Vj,VDj 导通 j=a,b,c （2.1）其中，Vj,VDj(j=a,b,c)表示上桥臂功率开关管及续流二极管，Vj,VDj(j=a,b,c)则表示下桥臂功率开关管及续流二极管。三相整流器的8种开关模式如表2-1所示。表2-1 三相pwm整流器开关模式图2-2示出了三相网侧电流i。O，i。O时的PWM控制对应8种开关模式的电流回路。其中当电流流经IGBT时电感储能，而当电流流经电力二极管时，电感储存的能量叠加在电网电压上对电容进行充电，从而实现升压整流。具体到图2-2g所示情形，模式2、3、6为电感储能，模式1、4、5为电容充电，通过电压闭环控制，改变PWM波的调制度或调节不同模式下的占空比即可对直流侧电压进行调节或者是当负载变化时抑制直流输出电压的波动。而对于功率因数的控制，则可结合图2-2c、2-2d，以及表2-2来进行调节，由于不同的模式对应交流输入端不同的电压值，进而对应正弦函数不同的相位角，通过调节不同模式的先后及工作时间即可调节功率因数。图2-2 三相pwm整流器不同开关模式时的电流回路由于对三相桥施以SPWM控制，会在交流端产生一个正弦PWM波，其基波与调制波频率相同且相位相同，可见在三相桥的交流输入端到电源中点可看作基波幅值可调节的交流电源，以a相整流电路为例可作等效电路如图2-3所示，并于图2-4给出了a相在整流运行时的相量图，图中R为等效回路电阻图2-3 a等效电路图由图2-3可知，在电源电压凡和整流器交流输入端电压U。为正弦波的情况下，流过电感L的电流几。也必定为正弦波，而只要对桥臂施以SPWM控制即可使得U。的基波为正弦波，与传统的相控整流电路相比，这无疑极大的抑制了交流输入端的谐波。电路的相量图如图2-4所示;同时从a相电路的相量图可以很容易地看出，三相电压源型PWM整流器运行时可以实现功率因数的任意调节，因此，三相电压源型PWM整流器可以实现能量的双向流动，当E。和I。同相位时整流器工作在单位功率因数整流状态，当通过检测电网电压的频率、幅值、相位、相序等参数使得E。和I。反相位时整流器便可工作在有源逆变工作状态。图2-4 单位功率因数整流运行图2-3所示的电压型PWM整流器，可以任意控制其输入电流的变化。以a相为例，三相电压型PWM整流器运行时，若要控制a相电流正方向流动且幅值增大时，必须要使得气导通，而要使得a相电流正方向(即流入整流器)流动且幅值减小时，必须要关断气，使电流通过二极管vD。;若要控制a相电流反方向流动且幅值增大时，必须要使得气导通，而要使a相电流反方向流动且幅值减小时，必须要关断气，使电流通过续流二极管气，总之对于三相电压源型PWM整流器上、下桥臂的通断，由不同的网侧电流瞬时方向对应不同的电流回路，其中，由于模式7、模式8使整流器交流侧三相线电压为零，因而称为“零模式”，一般以功率开关切换次数最小原则来选择“零模式”而图2-1三相整流器主电路拓扑结构下的部分电流电压的计算公式为：(1) 交流侧电压Vao(t)针对图2-1所示的三相整流器主电路拓扑结构，其a相电压方程为: Vao(t)=VaN(t)+VNo(t) （2.2）由电压型逆变桥三相平衡关系易推得: VaNo(t)=-VaN(t)+VbN(t)+VcN(t)/3 （2.3）当采用单极性二值逻辑开关函数描述时: VjN(t)=SjVdc(j=a,b,c) （2.4）其中，S，一单极性二值逻辑开关函数。联立式(2.1)(2.3)，得a相交流侧电压Vao(t)开关函数表达式为: Vao(t)=(2Sa-Sb-Sc)/3 (2.5)表2-2给出了不同开关模式调制时的Vao(t)的值。从表中可以看出，三相整流器交流侧电压在调制过程中只取值士Vdc/3，士Vdc，0。(2)网侧a相电感端电压VLa(t)由三相整流器交流侧回路易得网侧a相电感端电压VLa(t) VLa(t)=ea(t)-Vao(t)表2-2 三相整流器不同开关模式调试时的交流测电压(3)网侧a相电流ia(t)当忽略整流器网侧a相等效电阻时，a相电流ia(t)即为 ia(t)=1/L*Vla(t)dt=1/L*eat-Vaotdt(4)直流侧电流idc(t)当忽略三相整流器桥路损耗时其交、直流侧的功率平衡关系为 j=a,b,citVjNt=idc(t)udc联立式并化简得: idct=iatSa+ibtSb+ic(t)Sc又有ia+ib+ic=0，因此可得，在任意开关模式下，Idc(t)复现了不同相的网侧电流或其相反值。(5)直流侧电压Vdc(t)由于Vdc(t)波形为PWM波形，因而三相整流器直流侧电压必然脉动，其分析过程与单相时完全相同，即直流侧电流到直流电压的传递环节为一阶惯性环节，且满足: Vdcs=Idcs*RL1+RLCs其中，Vdc(s),Idc(s)为Vdc(t),Idc(t)的拉氏变换量。可见，当惯性时间常数RC取值越大，其直流电压Vdc(t)的脉动幅值就越小。3 核心芯片的选择3.1单片机的发展概况近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低、可靠性高和通用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定位、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 单片机并没有超脱冯诺依曼原理下的计算机的结构框架和工作原则，而是着眼于应用到更广阔的范围:工业控制、数字显示、智能仪表、电子设备、汽车电控、农机、家电乃至儿童玩具的控制。它不求规模大，只求小而全。厂家在一个芯片上制成了CPU和一定容量的程序存储器和数据存储器以及一定数量的输入/输出接口。在一个大规模集成电路芯片上构造了完整的计算机结构，故称之为单片机。 MCS-51系列中的一片89C51芯片，内部构造了完整的计算机硬件系统。从CPU、存储器到输入输出端口，一应俱全。只要写入程序，就可完成中央控制或数据采集、处理及通信传输的信息处理机，89C51单片机指令系统中为适应控制的需要设有极强的位处理功能，具有加、减、乘、除指令;CPU时钟高达12MHz，完成单字节乘法或除法运算仅需要4Ns;具有多机通信功能，可作为多机系统中的一个子系统。 一般微处理器和有关元器件分军用和民用两级，民用产品主要用于办公室及机房环境，工作温度在0-700 ,军用产品要求在恶劣环境条件下稳定工作，工作温度在-65-125;工业级产品的性能介于以上两者之间，在-40-85 温度环境可正常工作。工业产品可靠性比民用产品强，价格较军用品低。在单片机应用中，可以根据实际工作环境，选择工业级芯片，保证系统可靠性。 近年来，在国际上出现了Mechanics和electronics复合成的Mechtronics这个新词，我国译为“机电一体化”。这种机械和电子技术、信息技术紧密结合的新的学科领域是先进制造技术研究和普及的结果。机电一体化产品要实现电器控制的实时性、高可靠性、可编程和一定的人工智能。同时追求体积小、价格低，甚至低功耗等。正是针对上述种种要求而设计的单片机自然成为机电一体化控制器的最佳选择。单片机出现的历史并不长，它的产生与发展与微处理器的产生与发展大体上同步，也经历了四个阶段:第一阶段:1971-1974年，4位微处理器Intel 4004及8位微处理器Intel 8008，这些计算机价格便宜、功能有限，只用于消耗类电子产品。第二阶段:1974-1978年，初级单片机阶段，以Intel公司的MCS-48为代表，8位单片机。第三阶段:1978-1983年，高性能单片机阶段。以Intel公司的MCS-51, Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等为代表。这一阶段推出的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，有的片内还带有A/D转换器接口，片内RAM, ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。广泛应用于工业控制、外部设备控制、宏观控制、局部网络及家用计算机中。第四阶段:1983年至今，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。例如Mostek公司的MK6800、Intel公司的MCS-96等。MCS-96集成度为12万只品体管/片，寻址范围64K字节、5个8位并行口、一个全双工串行口、4个16位定时器、8通道10位A/D转换器等，另外MCS-96指令能处理位、字节、字，有16位乘16位乘法、32位除16位除法指令，一块单片计算机的功能可以和一台多片系统机相媲美。单片机己经进入一个崭新的阶段。3.2 基于单片机控制的特点1.使用寿命长。这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度约来约快。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。8位、16位、32位单片机共同发展是当前单片机发展的另一个动向之一。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足的发展。以Mororola68K为CPU的32位单片机97年的销售量达到了8千万枚。过去认为由于8位单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位机单片机生存空间有限，而16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。2.速度越来越快。MUP发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪音，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。改善单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多。3. 低噪声和高可靠性技术。在单片机应用中，可靠性是首要因素，位了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效的方法。今年来，单片机的生产厂家爱在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点：首先，EFT技术。EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，人使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时，就可以消除这些毛刺另其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。其次，低噪声布线技术及驱动技术。在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上左下的两块对称称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地线和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。4. OTP与掩膜。OTP是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，OTP型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在编程技术（In Sytem Programming）。为编程的OTP芯片可以采用裸片Bonding技术或表面贴技术，先焊在印刷版上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。解决了批量写OTP芯片时容易出现的芯片写入器接触不好的问题，使得OTP的裸片得以广泛使用，降低了产品的成本。编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。3.3 MCS-51单片机特点单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer),简称单片计算机.就是将CPU,RAM,ROM,定时/计时器和多种接口集成在一块芯片上的微型计算机其主要特点如下:1片内存储容量较小:原因是受集成度的限制.ROM一般小于8KB,RAM一般小于256B,但可以在外部扩展.通常ROM,RAM可分别扩展至64KB.2可靠性高:因为芯片是按工业测控环境要求设计的,故抗干扰的能力优于PC机.系统软件(如:程序指令,常数,表格)固化在ROM中,不易受病毒破坏.许多信号的通道均在一个芯片内,故运作时系统稳定可靠.3便于扩展:片内具有计算机正常运行所必需的部件,片外有很多供扩展用的(总线,并行和串行的输入/输出)管脚,很容易组成一定规模的计算机应用系统.4控制功能强:具有丰富的控制指令:如:条件分支转移指令,I/O口的逻辑操作指令,位处理指令.5实用性好:体积小,功耗低,价格便宜,易于产品化.以上MCS-51系列以其优良的性价比,在我国得到了广泛的应用.4系统的硬件电路设计4.1系统总体框图4.1.1系统总体设计框图4-1系统总体设计框图4.1.2 系统主回路电路图整流滤波高频变换器调宽方波整流滤波脉宽调制比较器取样器振荡器基准电压控制电路ACDC4-2 系统主回路电路图 AC端为输入端，输入一三相可控电源，经整流滤波后变为支流方波。又经高频变换器逆变后（调压因为所输入的电源并不是我们所要求的输出电源），然后经过调宽方波整流滤波输出的为我们所要求的电源。此过程为模拟信号的变换。DC输出模拟信号后 经过ADC0809转换器，此时模拟信号转变为数字信号经过取样器取样后于键盘输入的基准电压通过比较器比较。此时振荡器产生一方波输入到脉宽调制（PWM）中，此过程为PWM一启动过程。比较器输入PWM整流器中进行脉宽调制。调制出来的方波基本符合我们所要求的输出电源。此时PWM输出的为数字信号，再接到DAC0832数模转换器，将数字信号转换为模拟信号，然后在输入到主电路当中。4.2元件的选择4.2.1 单片机的选型AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4-3 芯片引脚功能1. 主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2. 管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每个脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入端口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3。0 RXD（串行输入口）P3。1 TXD（串行输出口）P3。2 /INT0（外部中断0）P3。3 /INT1（外部中断1）P3。4 T0（记时器0外部输入）P3。5 T1（记时器1外部输入）P3。6 /WR（外部数据存储器写选通）P3。7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.2.2 IGBT介绍IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域（1）IGBT 的工作特性包括静态和动态两类： 1 静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) Uj1 Udr IdRoh 式中Uj1 JI 结的正向电压，其值为0.7 1V ；Udr 扩展电阻Rdr 上的压降；Roh 沟道电阻。 通态电流Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos 流过MOSFET 的电流。 由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 2 动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。 IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。 正式商用的IGBT器件的电压和电流容量还很有限，远远不能满足电力电子应用技术发展的需求；高压领域的许多应用中，要求器件的电压等级达到10KV以上，目前只能通过IGBT高压串联等技术来实现高压应用。国外的一些厂家如瑞士ABB公司采用软穿通原则研制出了8KV的IGBT器件，德国的EUPEC生产的6500V/600A高压大功率IGBT器件已经获得实际应用，日本东芝也已涉足该领域。与此同时，各大半导体生产厂商不断开发IGBT的高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性、低成本技术，主要采用1m以下制作工艺，研制开发取得一些新进展。（2）IGBT的发展历史1979年，MOS栅功率开关器件作为IGBT概念的先驱即已被介绍到世间。这种器件表现为一个类晶闸管的结构（P-N-P-N四层组成），其特点是通过强碱湿法刻蚀工艺形成了V形槽栅。 80年代初期，用于功率MOSFET制造技术的DMOS（双扩散形成的金属-氧化物-半导体）工艺被采用到IGBT中来。2在那个时候，硅芯片的结构是一种较厚的NPT（非穿通）型设计。后来，通过采用PT（穿通）型结构的方法得到了在参数折衷方面的一个显著改进，这是随着硅片上外延的技术进步，以及采用对应给定阻断电压所设计的n+缓冲层而进展的3。几年当中，这种在采用PT设计的外延片上制备的DMOS平面栅结构，其设计规则从5微米先进到3微米。 90年代中期，沟槽栅结构又返回到一种新概念的IGBT，它是采用从大规模集成（LSI）工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，但仍然是穿通（PT）型芯片结构。4在这种沟槽结构中，实现了在通态电压和关断时间之间折衷的更重要的改进。 硅芯片的重直结构也得到了急剧的转变