基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究

辽宁工程技术大学 电力电子技术课程设计 设 计 题 目 基于 51 单片机触发的直流升压斩波电路 研究指 导 教 师 刘春喜 院（系、部） 电气控制工程 专 业 班 级 电力 10-1 班 学 号 1005030104 姓 名 冯旭 日 期 2013 年 1 月 13 日 电气工程系课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表学期 2012/2013 第 1 学期 姓名 冯旭专业 电力系统及其自动化 班级 电力 10-1 班课程名称 电力电子技术设计题目 基于 51 单片机触发的直流升压斩波电路研究成绩 评分项目优 良 中 及格 不及格1.设计态度 非常认真 认真 较认真 一般 不认真2.设计纪律 严格遵守 遵守 基本遵守 少量违反 严重违反3.独立工作能力 强 较强能独立设计完成基本独立设计完成不能独立设计完成设计表现 4.上交设计时间提早或按时 按时 迟交半天 迟交一天迟交一天以上5.设计内容设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误6.设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版很好较规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大设计说明书7.封面、目录、参考文献 完整 较完整 基本完整 缺项较多 不完整8.绘图效果 很出色 较出色 一般 较差 很差图纸 9.布局 合理、美观 较合理 基本合理 有些混乱 布局混乱10.绘图工程标准 符合标准较符合标准基本符合标准个别不符合标准完全不符合标准评定说明：不及格标准：设计内容一项否决制，即 5 为不及格，整个设计不及格，其他 4项否决；优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合 5，其余九项要有 4 项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。最终成绩： 评定教师签字：课程设计任务书一、设计题目基于 51 单片机触发的直流升压斩波电路研究二、设计任务设计基于 51 单片机触发的直流升压斩波电路，并用 MATLAB仿真软件对下列两个题目进行仿真：（1）周期设为 1KHz ,占空比为 50%,电感为 10mH,电容为 2200uF,负载为 100 时直流升压斩波电路的负载输出波形及输出电压大小。（2）负载不变为 100 ，频率 1KHz，占空比从 5%到 95%以等百分比递增时，直流升压斩波电路的负载输出波形及输出电压大小。三、设计计划课程设计共一周内完成。第 1 天，选择设计题目，确定设计任务，查阅资料；第 2 天，主电路设计；第 3 天，控制电路设计；第 4 天，仿真验证；第 5 天，完成设计。四、设计要求按设计任务和格式要求完成课程设计说明书一份。设计必须按期完成。指 导 教师：刘春喜 张继华 李国华教研室主任：李洪珠时 间：2013 年 1 月 6 日摘要本设计基于 AT89S51 单片机为核心的 PWM 升压斩波电路(Boost Chopper)。设计由硬件电路与软件电路组成。通过对升压斩波电路的分析来理解其典型应用，最后通过 MATLAB 仿真来进行验证。与传统的电路相比，本设计加入了 MATLAB 仿真，这样更直观的显示出了电路的工作状态。同时相对于单纯依靠电路元件而形成的触发脉冲进行的 PWM 调制，基于AT89S51 单片机的 PWM 发生装置具有电路简单，可调性高等特点。关键词：MATLAB 升压斩波 PWM目录0 引言 .11 升压斩波电路的基本原理 .22 单片机 PWM.42.1 综述 .42.2 总体硬件组成框图 .52.3 硬件组成 .52.3.1 AT89S51 单片机的最小应用系统 .52.3.2 LED 显示电路 .62.3.3 按键接口电路 .62.4 系统的软件设计 .72.4.1 定时中断子程序 .72.4.2 按键及显示子程序 .83 仿真结果及结论 .94 个人心得体会 .14参考文献 .15附录 1 单片机程序语言 .16附录 2 整体电路图 .190 引言直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk 斩波电路、Sepicc 斩波电路和 Zeta 斩波电路。直流斩波技术已被广泛运用开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。直流斩波电路实际上采用的就是 PWM 技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。PWM 控制方式是目前采用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。1 升压斩波电路的基本原理 升压斩波电路的原理图如图 1 所示。该电路中使用一个全控型器件 P-MOSFET，即为电力场效应晶体管。它是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。RCV DVLE图 1 升压斩波电路原理图分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感 值极大，电容 C 值极大。L当可控开关 V 处于通态时，电源 E 向电感 L 充电，充电电流基本恒定为 ,同时电容 C 上1I的电压向负载 R 供电。因电感 C 值很大，基本保持输出电压 为恒值，即为 。设 V0u0U处于通态的时间为 ，此阶段电感 L 上积蓄的能量为 。当 V 处于断态 E 和 L 共同ont ontEI1向电容 C 充电并向负载 R 提供能量。设 V 处于断态的时间为 ，则电感 L 释放的能量f为 。当电路工作于稳态时，一个周期 T 中电感 L 积蓄的能量与释放的能量相等，oftIEU10)(即 (1-1)ofontIUtEI11)(化简的结果为(1-2)Ettofof式中， ，故称该电路为升压斩波电路。电路中导通角与关断角的关系如下所1/oftT示（1-13）因此，式（1-2）可表示为（1-E-Uo14）升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感 L 储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容 C 的作用使得输出电压 不变，但实际上 C 值OU不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电， 必然会有所下降，故实际输出电压会略低O于式（1-4 ）所得结果。不过，在电容 C 值足够大时，误差很小，基本可以忽略。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载 R 消耗，即（1-oIE15）该式表明，升压斩波电路可看成是直流变压器。根据电路结构并结合式（1-4）得出输出电流的平均值 为0I （1-REUIo16）由式（1-5）即可得出电源电流 为1I（1-7）IEo212 单片机 PWM2.1 综述在升压斩波电路中，保持开关周期 不变，调节开关导通时间 ，为脉冲宽度调制Tont（PWM,Pulse Width Modulation）或脉冲调宽型。为获得精准的触发脉冲，通常选用AT89S51 单片机做为脉冲发生器。AT89S51 是一个低功耗，高性能 8 位单片机，片内含 4K Bytes ISP 的可反复擦写1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 目前 AT89S51 单片机多采用 40 个引脚的双列直插封装（ DIP）方式，其引脚分布如下图所示：1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 04 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 32 22 1P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4M O S I / P 1 . 5M I S O / P 1 . 6S C K / P 1 . 7R S TR S D / P 3 . 0T X D / P 3 . 1I N T 0 / P 3 . 2I N T 1 / P 3 . 3T 0 / P 3 . 4T 1 / P 3 . 5W R / P 3 . 6R D / P 3 . 7X T A L 2X T A L 1V S SV C CP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7E A / V p pA L E / P R O GP S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 0A T 8 9 S 5 1图 2-1 AT89S51 双列直插封装方式的引脚AT89S51 单片机无 PWM 输出功能，可以采用定时器配合软件的方法输出。这种方法精度相对较高，非常实用。其电路图如图 3-2 所示，采用高速光隔（6N137）输出，并将 PWM 的信号倒相。A T 8 9 S 5 1P W M+ 5V C C1 KP 1 . 0236 N 1 3 7765图 2-2 AT89S51 单片机 PWM 输出电路图2.2 总体硬件组成框图A T 8 9 S 5 1时钟电路复位电路示波器显示L E D 显示按键电路图 2-3 总体硬件组成框图系统框图如图 2-3 所示，系统主要由五大模块组成即时钟电路、LED 显示、复位电路、按键电路和示波器显示。2.3 硬件组成2.3.1 AT89S51 单片机的最小应用系统AT89S51 单片机内部有 4KB 的闪烁存储器，本身就是一个数字量输入/输出的最小应用系统。在构建 AT89S51 单片机最小应用系统时， AT89S51 单片机需要外接时钟电路和复位电路即可，如图 2-4 所示。注意，本最小应用系统只能作为小型的数字量测控单元。X T A L 11 1 . 0 5 9 2 M H Z1C23 0 p F3 0 p FX T A L 21 91 8R S TF10R+ 5 V RKR 2+ 5 V E AA T 8 9 S 5 1P 0P 1P 2P 3图 2-4 AT89S51 单片机构成的最小应用系统2.3.2 LED 显示电路如图 2-5 所示，由于外电路不需要占用很多的 I/O 口，因此在本设计中数码管与AT89S51 的 P0 口和 P2 口直接相连，采用静态显示的方法，具有亮度高等优点。P 2 . 0P 2 . 1P 2 . 2P 2 . 3P 2 . 4P 2 . 5P 2 . 6P 2 . 7P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7A T 8 9 S 5 1图 2-5 LED 显示电路2.3.3 按键接口电路如图 2-6 所示，图中 K1 与 P3.2 相连，控制占空比变化步进为 1，K2 与 P3.3 相连，控制占空比变化步进为 5。K 1K 2P 3 . 2I N T 0P 3 . 3I N T 1A T 8 9 S 5 1图 2-6 按键接口电路2.4 系统的软件设计本系统中 AT89S51 单片机的主要功能就是实现占空比可调、产生方波并通过 LED显示器和示波器显示出来。其主程序流程如图 2-7 所示。开始初始化 ：设 定 定 时 器 0工 作 方 式 为方 式 1 ， 定 时器 1 工 作 方 式为方式 2产生方波判断 ：是否有中断标志等待定时器 1 溢出YN图 2-7 主程序流程图 2.4.1 定时中断子程序 定时器中断子程序中有定时器 0 和定时器 1 中断，定时器 0 控制占空比变化步进为1，如图 2-8；定时器 1 控制占空比变化步进为 5，如图 2-9。定时器 0 中断入口T R 1 = 1重装定时初值结束低 电 平 时 ， 结 合P 3 . 2 调 节 占 空 比变化步进为 1定时器 1 中断入口T R 1 = 0重装定时初值结束低 电 平 时 ， 结 合P 3 . 3 调 节 占 空 比变化步进为 5图 2-8 定时器 0 中断流程图 图 2-9 定时器 1 中断流程图2.4.2 按键及显示子程序按键及显示子程序设计流程图如图 2-10 所示。延时消抖结束开始关中断是否有键按下判断按键号键处理占空比是否超临界赋初值计算定时初值开中断YYNN图 2-10 按键显示流程图3 仿真结果及结论物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用，且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以解决这个问题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。本系统采用 MATLAB 自带的动态仿真集成环境 -SIMULINK 进行仿真。SIMULINK 是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界面（GUI） 。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。其仿真电路图如图 4-1 所示：图 3-1 仿真电路图周期设为 1KHz ,占空比为 50%,电感为 10mH,电容为 2200uF,负载为 100 时进行仿真，仿真结果如下：图 3-2 负载电压 98.2V图 3-3 流经电感 L 的电流值为 0.982A由图 3-2 中 V1 可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成 2 倍的关系。即VVinout 1051满足理论计算公式。 当负载不变为 100 ，频率 1KHz，占空比从 5%到 95%以等百分比递增时，输出电压，与输入电压和电路参数之间的关系。 占空比 5%图 3-4 负载电压 51.8V图 3-5 流经电感 L 的电流值为 0.518A从图 3-4 负载电压可以看出负载电压约为 51.8V，基本上符合理论计算：VVinout 6.5201 占空比 15%图 3-6 负载电压 57.4V图 3-7 流经电感 L 的电流值为 0.57A从图 3-6 负载电压可以看出负载电压约为 51.8V，基本上符合理论计算： VVinout 8.5011 占空比 25%图 3-8 负载电压 65.5V图 3-9 流经电感 L 的电流值为 0.65A从图 3-8 负载电压可以看出负载电压约为 65.5V，基本上符合理论计算： VVinout 6.5021占空比 35%图 3-10 负载电压 75.6V图 3-11 流经电感 L 的电流值为 0.75A从图 3-10 负载电压可以看出负载电压约为 75.6V，基本上符合理论计算： VVinout 9.7650%31 占空比 45%图 3-12 负载电压 89.3V图 3-13 流经电感 L 的电流值为 0.89A 从图 3-12 负载电压可以看出负载电压约为 89.3V，基本上符合理论计算： VVinout 9150%41 占空比 55%图 3-14 负载电压 109.1V图 3-15 流经电感 L 的电流值为 1.09A从图 3-14 负载电压可以看出负载电压约为 109.1V，基本上符合理论计算： VVinout 150%1 占空比 65%图 3-16 负载电压 140.2V图 3-17 流经电感 L 的电流值为 1.042A从图 3-16 负载电压可以看出负载电压约为 140.2V，基本上符合理论计算： VVinout 5.1420%651占空比 75%图 3-18 负载电压 196.2V图 3-19 流经电感 L 的电流值为 1.962A从图 3-18 负载电压可以看出负载电压约为 196.2V，基本上符合理论计算： VVinout 205%71 占空比 85%图 3-20 负载电压 325V图 3-21 流经电感 L 的电流值为 3.25A从图 3-20 负载电压可以看出负载电压约为 325V，基本上符合理论计算： VVinout 350%81通过仿真数值可得：该设计仿真值符合理论结算值。4 个人心得体会经过近一个星期的努力我终于顺利的完成了此次电力电子的课程设计，其中遇到了许多的问题和困难但是也学到了很多的知识。 遇到的问题和困难： (1) 在计算元器件参数是缺少理论依据难以正确的计算相应的参数。 (2) 在选取元器件型号和参数时，缺少实际经验难以找到合适的元件。 (3) 在用 MATLAB 软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很多时间才达到有效效果。(4) 在对单片机进行外电路设计时，失败了很多次。虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断的学习解决了这些难题。 学到的知识： (1) 通过这次课程设计我夯实了电力电子和单片机的基础知识。 (2) 对直流斩波及单片机程序及外电路设计有了更深层次的理解。 (3) 对 MATLAB 软件和电路原理图的设计有了初步了解。 (4) 在面对学习上的困难时一定要坚持不懈的努力才能打败困难，获得更多以的知识。相信我在未来的学习与生活中，能牢记此次课程设计的教训，吸取此次课程设计的经验，从而追求更高的目标。参考文献1 王兆安，刘进军 . 电力电子技术M. 5 版. 北京：机械工业出版社,2009.2 张毅刚. 单片机原理及应用M. 2 版. 北京：高等教育出版社,2012.3 周永金. 模拟电子技术与应用J. 西安：陕西国防学院电子教研室,2005.4 边春远,王志强. MCS-51 单片机应用开发实用子程序M. 北京：人民邮电出 版社,2005.5 康华光,陈大钦 . 电子技术基础M. 4 版. 北京：高等教育出版社,1998.6 李国勇,谢克明,杨丽娟. 计算机仿真技术与 CAD-基于 MATLAB 的控制系统 M.北京：电子工业出版社,2008.附录 1 单片机程序语言COUNT EQU 30HAS EQU 30HM EQU 35HORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMP INT00ORG 0013HLJMP INT11START: SETB EX0SETB PX0SETB IT0SETB EX1CLR PX1SETB IT1SETB EACLR P1.5MOV TMOD,#21HMOV TH1,#38HMOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HSETB TR0SETB TR1MOV DPTR,#TABLEMOV M,#50MOV P0,#3FHMOV P2,#6DHMOV AS,#0TOP:SETB TR1SETB P1.0CLR P1.1MOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HMOV AS,#0MOV B,#10MOV A,MMOV B,#100D