毕业设计（论文）-基于单片机的交流稳压装置设计.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学 生： 指导教师： 完成日期 2011 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于单片机的交流稳压装置设计 Design of AC Voltage Regulator Based on MCU总计： 毕业设计（论文）25 页表 格： 3 个插 图 ： 17 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于单片机的交流稳压装置设计 Design of AC Voltage Regulator Based on MCU 学 院（系）： 电子与电气工程系 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 刘 松 学 号： 46507042 指 导 教 师（职称）： 李 鉴 （讲师） 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于单片机的交流稳压装置设计基于单片机的交流稳压装置设计电气工程及其自动化 刘松摘 要 随着电力电子技术的发展，很多设备都要求稳定的交流电源供电，传统的交流稳压电源存在效率低、触点磨损、反应时间长、稳压精度低等问题。针对目前交流稳压电源的不足，本文设计了一种基于单片机的无触点自动补偿式交流稳压装置。该装置包括硬件部分和软件部分的设计，单片机和有关元件构成反馈控制网络，控制补偿电压的大小和同步，从而使系统保持稳定的输出电压并使其具有较高的功率因数。本文设计的交流稳压电源具有无触点、稳压精度高、动态响应速度快、功率因数等特点。最后，对样机进行了实验测试，并对试验结果进行分析，实验结果完全符合设计要求。该论文方案对设计无触点交流稳压电源具有参考价值。关键词：单片机；稳压；交流斩波；自动补偿Design of AC Voltage Regulator Based on MCUElectrical Engineering and Automation Specialty LIU SongAbstract: With the the development of Power electronic technology, a variety of electronic devices require stable AC power system. However, there are some deficiencies in AC power system, such as the lack of power, unscientific power grid and so on. In order to overcome these disadvantages, an non-contact AC regulated power supply which uses automatic compensation and is designed based on MCU, is presented in this paper. The entire regulator system consists of hard ware and software . The feedback control network, which includes MCU and other element, controls the compensation voltage and synchronization, so as to achieve stable output voltage and higher power factor. In this paper, the AC regulated power supply has the features of no contact, high voltage precision, fast dynamic response and high power factor . Finally, we test the AC power supply and analyze the test results, and the results accord with the design requirements. The paper provides valuable reference to the design of non-contact AC regulated power supply.Key words: Micro controller unit; regulator; AC chopper; automatic compensation目 录1 引言12 交流稳压电源的总体结构设计12.1 主要设计技术参数12.2 补偿原理23 系统硬件电路设计33.1 稳压电源主电路结构33.1.1 补偿电路43.1.2 交流斩波电路43.1.3 短路保护报警电路53.2 电源控制电路设计53.3 采样电路设计53.4 过零点检测电路设计63.5 过、欠压保护电路83.6 电源功率因数检测电路83.7 控制单片机接口电路93.8 显示部分接口电路94 系统软件设计114.1 控制部分程序设计114.2 检测与显示部分程序114.2.1 A/D转换程序设计124.2.2 功率因数检测程序设计134.2.3 液晶显示程序135 试验结果与分析165.1 试验结果165.1.1 输入电压变化时的输出电压结果165.1.2 负载变化时所测的输出电压结果165.2 结果分析17结束语18参 考 文 献19附 录20致 谢25III基于单片机的交流稳压装置设计1 引言随着现代工业技术的发展，计算机技术、通信技术以及建立在其基础下的用电设备应用的越来越广泛。这些系统对供电质量有着很高的要求:首先，供电应连续、可靠。其次，应该保证良好的电能质量。而供电电压幅值的不稳是最容易造成用电设备不能正常工作而使产品质量下降，甚至损坏生产设备。特别是电子计算机技术应用到工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的交流电源供电，但是交流供电系统存在电力欠缺、电网不尽合理、线路不够规范、电源内阻偏高、地线系统未得到应有的重视等问题。这一切都会对用电设备尤其是计算机、仪器设备、通讯系统、工业自动化设备、医疗设备、测试系统带来工作不正常、精度下降等问题，甚至对用电设备造成意外的损坏。电网直接供电已不能满足需要，为了解决这些问题，提高供电质量，交流稳压器的使用是非常必要的。为了实现高性能交流稳压系统，国外目前主要研究采用交流斩波方式、单位功率因数变换器及串联电压源调节方式等方案。近几十年来，大功率、负载适应性好的稳压电源的需求相应增加，目前交流稳压电源技术的发展趋势是将高频开关电源技术引入到交流稳压电源中，简化控制电路，降低成本，提高可靠性。增大功率，使交流稳压电源开关化，减少采用工频变压器和低频电感。交流稳压电源直接与市电连接，应当在抗尖峰，抗浪涌干扰等方面引起重视，同时应考虑其电磁兼容性能，并在节能降耗，提高效率方面做进一步深入的研究，以保证电源设备和用电设备的安全正常运行。从当前的电源技术发展趋势来看，应当采用微控制器控制无触点系统取代伺服电机和机械传动系统，使用半导体器件实现无触点控制。把高频开关电源的思想与技术用于工频交流稳压电源的设计中，以PWM方式控制交流斩波，设计补偿算法，采用微控制器实现对交流电压快速而有效的补偿。从而达到无噪声、寿命长、造价低、稳压精度高、反应速度快、输出波形好、带载能力强、功率因数与效率高等目的1。本课题的研究是采用PWM方式控制交流斩波，实现对交流电压的补偿。这是一种新型的无触点自动补偿式交流稳压装置，通过单片机和PWM控制芯片SG3525的组合代替目前交流斩波式稳压器的控制算法系统来控制交流斩波以实现电压补偿2。这种控制方式简洁，有效，造价低，稳定性高。本课题成功开发一种具有无噪声、寿命长、造价低、稳压精度高、反应速度快、带载能力强、功率因数和效率高等特点的新型无触点自动补偿式交流稳压器。2 交流稳压电源的总体结构设计2.1 主要设计技术参数（1）输入电压范围:单相220V20%；（2）输出额定功率:3KW；（3）输出电压:220V；（4）稳压精度:0.5%；（5）效率:95%以上；（6）保护功能:对主电路的短路报警功能，以及过压、欠压、温度保护等功能。2.2 补偿原理对交流电压的调节通常有两种方法，调节补偿电压U的大小或者同输入电压Ui的夹角，就可以调节输出电压Uo的大小和相位。根据实际应用，通常情况是调节补偿电压U的大小，而相位与输入电压Ui同相位，或者反相位，通过叠加维持电压U0不变。当输入电压Ui降落U时，通过补偿变压器同相补偿+U，从而维持输出电压U0不变，如图1所示；而当输入电压Ui升高U时，通过补偿变压器反相补偿U，依然维持输出电压U0不变3，如图2所示。图1 正补偿示意图图2 反偿补示意图 该补偿电路对输入电压的正、负补偿是通过切换双向晶闸管S1-S4的工作顺序来实现的。当输入电压比正常电压低时，使Sl、S3开通，补偿电路进行正补偿，相反当输入电压比正常电压高时，使S2、S4开通时，补偿电路进行负补偿。本论文中采用交流斩波的方式进行交流电压补偿，这种补偿方式使电源稳压速度快，精度高，无噪声，简单可靠。为了使补偿电压不失真，提高系统功率因数，交流斩波电路只在电压波形由正到负过零点时刻改变脉冲宽度，保证在一个电压波形周期内脉冲宽度不变。若需要对输入电压进行继续补偿，则交流斩波电路在下一个电压波形过零点时刻进一步改变脉冲宽度，直到输出电压符合要求为止。补偿电路原理图如图3所示。图3 补偿电路原理2.3 电源整体结构介绍本文设计的交流稳压器是通过单片机控制SG3525芯片，以PWM方式控制交流斩波，在交流斩波电路的作用下，改变补偿电压的大小以保证输出电压稳定，实现对交流输入电压的补偿。电源的主要电路包括补偿电路、交流斩波电路、短路报警电路、电压采样电路、过零点检测电路等。系统总体方案的选择考虑了其结构设计、元器件的成本，整个系统控制灵活，保护系统齐全，运行可靠。系统结构如图4所示。3 系统硬件电路设计整个电源系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括主电路，保护电路，控制电路，检测电路，显示部分电路，驱动电路等4。3.1 稳压电源主电路结构 图4 交流稳压其整体结构框图在主电路中，采用PWM方式来控制交流斩波，以实现电压补偿。这种补偿方式具有精度高，造价低，响应速度快，输出功率因数高等优点。主电路结构如图5所示4。主电路中包括补偿电路，交流斩波电路，短路报警电路等。3.1.1 补偿电路当输入电压Ul低于220V时，由控制单片机发出指令，导通双向晶闸管S1、S3。当输入电压Ul高于220V时，导通双向晶闸管S2、S4。补偿电压的大小由控制单片机通过电压采样电路来决定。这种无触点补偿方式使整个电源功耗低，寿命长，精度高，反应速度快。补偿电压只承担电网电压升高或降低的部分，所以变压器的额定功率不大，整机的功耗和造价比较低。3.1.2 交流斩波电路本论文中是采用交流斩波技术来改变补偿变压器的初级电压，进而改变补偿变压器的次级电压即补偿电压，以实现对补偿电压大小的调节。电路主要器件是双向晶闸管S1-S4、IGBT、二极管D1-D4。控制电路确定后，开关频率也就确定。当补偿电压需要增大时，采样电路将反馈电压值送到控制单片机中，控制单片机经过运算增大PWM调制电路的输出脉宽，补偿电压变大。反之PWM调制电路的输出脉宽变窄，补偿电压变小5。当开关管关断时，在补偿变压器初级会产生较高的反压加到开关管Tr上，这就要求开关管的反向耐压必须很高，而且较高的反压容易对开关管造成永久性的损害。在此选用对关断浪涌电压抑制效果明显且最适合交流斩波电路的RC缓冲电路。通过实验证明这种缓冲电路用在交流斩波电路中效果明显。图5 主电路结构示意图 3.1.3 短路保护报警电路 在电源稳压过程中，要不断进行正、负补偿，即双向晶闸管S1、S3和S2、S4交替导通。由于干扰和不确定因素存在，为防止S1、S4或S2、S3同时导通，在同桥臂电路中加上熔断器F1和F2。若S1、S2同时导通时，F1瞬间烧断，保护电源。同时继电器J1动作，铃响报警，通知工作人员及时检查维修。3.2 电源控制电路设计控制电路的基本原理是通过主控单片机控制SG3525的9脚电压来调整11脚与14脚的脉冲占空比。由单片机控制D/A转换芯片输出电压的高低，进而控制芯片SG3525的9脚的电压大小，控制电路原理图如图6所示。 本课题中所设计的驱动电路开关频率高、驱动功率大、造价相对较低且工作稳定可靠，保证电气单元与控制单元安全隔离。3.3 采样电路设计在本课题设计中，需要对输出交流电压进行检测。控制单片机通过输出电压检测值来决定用正向补偿程序还是反向补偿程序。直流电压即K点电压能够准确快速的反应电源输出电压的大小，将K点电压通过比较器与预先设定值比较，最后将比较器输出值分压取样后送到控制单片机。该采样电路的输出值决定电源对电网电压进行正向补偿还是反向补偿6。采样电路如图7所示。图6 控制电路原理图 该采样电路的准确度很大程度影响整个电源的稳压效果，所以在此用精密检波电路来对交流电压进行有效值检测。大大提高了交流电压有效值的检测精度。这里选用当初级电压为220V时，次级电压为8V的变压器作为电压互感器，电压互感器的输出端与电压采样电路的输入端相连接，调节滑动变阻器R2使K点处电压值能精确反应采样电压。采样电路的输出端接控制单片机28脚，当采样电压为220V时，调节滑动变阻器Rl使电路在采样电压大于220V时输出高电平，小于220V时输出低电平。3.4 过零点检测电路设计为了使补偿电压不失真，提高系统功率因数，设计过零点检测电路。本论文设计的电压补偿思想是在每次电网电压由正到负过零点时刻改变一次交流斩波电路的脉冲宽度，保证在这个电压波形周期内斩波电路中脉冲宽度不变。若需要对输入电压进行继续补偿，则交流斩波电路在下一个电压波形过零点时刻进一步改变脉冲宽度，直到输出电压符合要求。当需要补偿正电压时，在电网电压每个周期过零点时刻，控制单片机响应中断程序，进行一个单位的正电压补偿7。电路原理图如图8所示。图7 电压采样电路原理图图8过零点检测电路原理图3.5 过、欠压保护电路为了保护负载的安全，需要设计过、欠压保护电路，如图9所示。当电压高于过压设定值时，IC1的正输入端电压就大于负输入端电压而输出高电平，使T导通，J吸合，主电路中的常闭触点断开，切断输出并响铃报警。当电压低于过压保护值时，IC1的正输入端电压就小于负输入端电压而输出低电平，使T关断，J关断，主电路中的常闭触点闭合，电源恢复正常输出。欠压保护电路工作原理与过压保护电路相似。取样电路接到IC2的负输入端，而基准在IC2的正输入端。当输出电压低于欠压保护设定值时，IC2输出高电平，T导通，切断输出同时报警。在这里，比较放大器IC1、IC2用LM324中两个放大器组成8。3.6 电源功率因数检测电路 在交流电路中，把有功功率与视在功率的比值称之为功率因数，通常用COSF表示。在正常的交流电路中，最简单的测量方法是测量交流电压与交流电流之间的相位差F，用COSF计算后得出的结果就是功率因数。 在本课题的设计中，功率因数检测电路主要是通过对交流稳压电源输出电压和输出电流过零点时刻的检测，单片机通过计算它们过零点时刻的时间差，换算出电源输出电压和输出电流的相位差F，最后通过公式计算出稳压电源的功率因数值，功率因数检测电路原理图如图10所示9。图9过欠压保护电路原理图图10功率因数检测电路原理图3.7 控制单片机接口电路 这里首先介绍一下电路中所用到的D/A转换器MAX539，它是一种电压输出型的12位串行数模转换器，采用5V单电源供电。具有自身功率损耗低、外围电路设计简单、转换时间短等优点。引脚如下图11所示。图11 MAX539引脚排序表在本课题设计中，控制单片机与显示单片机均采用ATMEL公司生产的AT89C51，控制单片机接口电路如图12所示10，该电路中的控制单片机为整个控制算法的硬件核心。3.8 显示部分接口电路根据课题的设计要求，要求整机能够实时显示输出电压、电流、功率、功率因数。本课题选用显示控制芯片为AT89C51，检测电压、电流值所用的A/D转换芯片为MAX197。图12 控制单片机接口电路MAX197有28脚DIP等多种封装形式。本课题设计中采用DIP封装， MAX197的工作模式由控制字决定，控制字格式如下:表1 控制字格式D7(MSB)D6D5D4D3D2D1D0PD1PD0ACQMODRNGBIPA2A1A0 检测输入电压范围由控制字中的RNG、BIP两位决定。（1）BIP=0，RNG=0时，为05V单极性电压输入；（2）BIP=0，RNG=1时，为010V单极性电压输入；（3）BIP=1，RNG=0时，为5V双极性电压输入；（4）BIP=1，RNG=1时，为10V双极性电压输入。 测量精度为: （1）单极性时:1LSB=满量程/4096； （2）双极性时:ILSB=满量程/2048。在本课题设计中，设定PD1=0、PD0=1。选择内部时钟模式时，在CLK端和信号地之间接入不同容值的电容对应不同的内部时钟周期。选取容值为l00pF的接地电容，对应内部时钟频率为1.56MHZ。显示部分单片机接口电路如图13所示。在本设计中，设定MAX197的工作模式由控制字，取ACQMOD=1，外部控制转化模式。取BIP=0、RNG=1时，使得检测输入电压为010V的单极性电压。功率因数检测电路的作用是对电源输出电压和输出电流的过零点检测，检测电路输出的两路矩形波信号送到显示单片机的两个外部中断口INT0、INT1，单片机通过两个外部中断响应计算它们过零点时刻的时间差，通过计算公式计算出电机的功率因数值。并将该功率因数值与电压、电流、功率一同在液晶上实时显示11。4 系统软件设计在稳压电源的系统硬件完成后，需要设计合理高效的软件来与硬件系统协同工作才能达到整体的控制、执行功能。软件的设计主要是针对系统核心微处理器AT89C51的嵌入式编程，使其在各模块软件的控制下，有序高效的实现电压补偿及显示功能。简单、稳定、高效的软件系统是提高稳压电源性能所必须具备的另外一个重要因素。本系统软件设计主要包括两部分:控制部分和检测、显示部分,控制部分与显示部分各用一片AT89C51。图13 显示部分接口电路原理图4.1 控制部分程序设计电压控制程序设计主要完成对输出电压检测、正向补偿或者反向补偿选择、控制补偿电压大小等功能。电压控制程序设计的基本思想是在上电开始对单片机进行初始化，然后通过采样电路对输出电压进行检测，根据输出电压的大小分为两种补偿情况，若输出电压大于220V，进行电压反向补偿;若输出电压小于220V，进行电压正向补偿，电压控制流程图如图14所示12。4.2 检测与显示部分程序 检测与显示部分程序包括A/D转换程序，功率因数检测程序，液晶显示程序。下面分别介绍各功能模块。图14 电压控制流程图4.2.1 A/D转换程序设计MAX197是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用AT89C51单片机作为主处理器。MAX197根据INT信号处理方式的不同，转换结果的读取一般可以采用中断方式或查询方式。在AT89C51单片机中，中断的最小调用时间为21个状态周期，所以采用查询方式处理INT信号的效率要高于中断方式。并且在该主处理器AT89C51中两个外部中断口资源全部用于功率因数检测。转换电路流程图如图15所示。4.2.2 功率因数检测程序设计 在本课题的设计中，稳压电源输出的功率因数检测程序是通过显示主处理器AT89C51的外部中断INT0、INT1和定时器Tl来完成的。通过设置TMOD寄存器，使定时器Tl在工作方式1模式下工作。功率因数检测程序流程图如图16所示。在单片机初始化后，打开外部中断INT0、INT1。通过功率因数采样电路，当外部中断INT0响应后，打开定时器Tl，定时器Tl开始计时，外部中断INTl响应时，关闭定时器T1，并读取外部中断INT0、INTl之间响应的时间间隔。由于单片机采用 12MHZ晶振，定时器Tl在工作方式1模式下工作，其最长定时时间是65.535ms，而外部中断INT0、INTl之间响应的时间间隔最长不会超过输出电压波形的周期，即不会超过20ms。所以这种设定满足要求13。由流程图可以看到，为了检测输出功率因数的准确与可靠，本程序每次显示功率因数要进行10次功率因数检测，然后取这10次测量结果的平均值来计算电源的输出功率因数。4.2.3 液晶显示程序本课题选用WGM-12864K3液晶模块控制指令，通过单片机对液晶进行初始化后，然后往液晶的控制芯片里写数据进行显示，无论是输入指令还是输入数据，输入时都要使用到液晶的写命令。首先要用单片机将E口置低，然后置高，为液晶产生一个复位信号使其复位，然后控制液晶的CS端，对液晶进行选通，这时才可以向液晶内写命令了。初始上电后，首先应往液晶控制器内写初始化命令，包括对光标的选择、显示字符的位置、反白显示、清零等相应的命令，保证液晶工作在所需要的状态，接着根据 SCLK端的时钟信号把SID端的数据相应的读到液晶内部控制器中。在输入数据时，首先输入高8位数据，再输入低8位数据14。WGM-12864K3液晶模块的串行传输是这样定义的：在片选信号为高电平时，液晶开始响应。SCLK端口响应到一个时钟信号，SID端口相应接收一个数据。串行输入的数据格式定义如图17所示15。 软件设计的合理性是正常工作的重要因素，尤其是电压补偿控制算法、液晶的显示、功率因数算法等操作占用了大量的存储空间，增加了设计难度。电压补偿控制算法直接关系到能否正确的补偿电压和稳压效果，这是软件设计的主体部分。而检测、显示程序主要完成对输出电压、电流值和电流过零点的检测，并通过液晶显示程序在LCD中对检测值及计算值进行实时显示。图15 A/D转换程序流程图 图16 功率因数检测程序流程图图17 液晶读写抄作时序5 试验结果与分析5.1 试验结果5.1.1 输入电压变化时的输出电压结果在测试稳压电源的稳压效果时，首先测试在满载的情况下，对应不同输入电网电压时稳压电源的输出电压范围。用四位半数字万用表测量输出电压结果如下表2所示。表2 不同输入电压时电压输出结果输入电压（V）输出电压（V）264219.4220.7253219.6220.6242219.7220.6231219.6220.5220219.7220.5209219.6220.4198219.5220.5187219.4220.7176219.2220.85.1.2 负载变化时所测的输出电压结果 当输入电压为220V时，再进一步测量稳压电源负载从空载到满载不同过程中所对应的输出电压范围，用四位半数字万用表测量输出电压，输出电压的结果如下表3所示。表3 不同负载时电压输出结果负载变化（W）输出电压（V）空载219.9220.2500219.8220.21000219.8220.41500219.8220.32000219.7220.42500219.7220.53000219.6220.65.2 结果分析在满载的情况下，当输入电压从176V264V变化时，输出电压变化范围为219.2V220.8V，最大误差率为0.8V/220V=0.36%，符合稳压精度的设定要求。从表2可以看出当输入电压在220V附近时，输出电压越接近220V，稳压误差越小；当输入电压过高或者过低时，输出电压在220V附近波动范围较大，稳压误差相对较高。在输入电压为220V的情况下，当负载从空载到3000W变化时，输出电压变化范围为219.6V220.6V，最大误差率为 0.6V/220V=0.27%，符合稳压精度的设定要求。从表5.2可以看出，当电源处于空载状态下，输出电压接近220V，误差非常小；当电源处于满载状态下，由于输出电流大，检测与控制误差偏大，输出电压在220V附近波动范围较大，稳压误差相对于稳压电源在空载时偏高。从测试结果可以看出，输出电压符合整机参数设定要求。结束语本论文历经选题、可行性分析、控制电路与电气部分电路设计与实现、软件的编写与调试、软硬件整体的综合调试与测试，最终成功完成整机设计。由试验结果分析，该设计实现了论文预期要达到的设计指标。该系统还可以从以下两个方面进行改进:(1) 进一步优化程序代码使其减少占用机器周期时间，完善其可靠性，稳定性。(2)用在三相电中，需要三台同样的交流稳压电源同时工作。在以后的设计中可以设计三相交流稳压电源。并进行功率均衡设置。参考文献l 谈必礼.交流调压和稳压电源的发展动向J.变压器，2004，4:29-312 王跃，汪至中，叶晶晶等.新型交流稳压电源的研制J.电力电子技术，1999，33:26-293 王兆安，黄俊.电力电子技术(第4版)M.北京:机械工业出版社，2006，4:29-314 DABROOM A M. 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