《基于Proteus软件的逆变电源设计》7600字（论文）

基于Proteus软件的逆变电源设计内容提要当前对于电源逆变技术的开发，发展最快的为正弦脉宽调制技术（SPWM）。当变频器的控制过程中加入SPWM时，可以有效改进变频器的输出波形,减少电机的谐波损失，进而使得转矩脉动降低，并且对逆变器的整体构造进行了简化处理,使得调节速度明显加快,系统的响应速度加快。总之，SPWM既便捷、经济、抗噪性能强，又是一项便于广大工程师在众多设计实践中使用的技术。正因为正弦脉宽调制技术相对其他技术有众多突出优势，才被广泛应用于电力电子的方方面面。本文阐述了一个逆变电源的软件仿真，平台以Proteus仿真软件为基础，使用52单片机作为设计主体。文章分别从硬件电路和软件程序两个角度详细说明此次设计。本文选用Proteus中的AT89C52单片机，对其进行软件编程使其输出一连串占空比按照正弦规律排列的矩形波，这一系列矩形波通过整流电路后变为正弦波。关键词SPWM；52单片机；目录TOC\o"1-2"\h\u内容提要 第一章绪论1.1Proteus仿真平台仿真是利用软件中的模型模拟实际实验，利用模拟工具的模拟功能对各种系统进行仿真，从而达到真正想要的目的。嵌入式仿真是模拟企业电子控制电路的一种教学方法，模拟系统一方面使用Proteus，另一方面使用各种类型的编程软件，就能够实现真正的工作基本原理。Proteus是一款可以进行原理图布局、电路仿真与布线的软件，我们通过Proteus可以进行许多仿真实验，可以突破经费和环境条件的限制，便于我们做各种各样的自动化实验，帮助我们消化在课堂上学习的知识，更好的掌握单片机的知识。Proteus中包含了很多元件，结合了图像显示、智能采集等方面的器件，便于我们自动化和各行各业结合，为便利人们的生活做出了很大贡献。第一，Proteus拥有非常丰富的元器件选择，可以通过选择不同种类的仿真器件，搭建不同的仿真回路，完成各种各样的实验。它还解决了学校在实物硬件上更新换代的难处，提高了学生进行自主实践运用和理论学习的能力。第二，在搭建仿真时，通过显示电路连接，可以直观便利地显示平常现实环境看不到的实验过程和分析结果，增强学生对实验的深刻理解。第三，对于实验教学来看，Proteus可以对实验室漓实际硬件设计难以做到的部分让学生进行深入虚拟仿真，观察一些现实无法看到的现象。第四，界面设计直观化，操作简单化，使初学者在起步阶段能够更加容易上手。1.2课题的研究背景及意义近现代以来，从法拉第发现电磁感应到爱迪生对灯泡进行改良，再到如今五花八门的电源设备，人们对电源性能的需求也愈来愈高。因此，逆变电源技术在各个领域当中受到了前所未有的关注，被广泛应用。在不断的技术革新中，SPWM的反馈控制出现了重大改变:首先，由原来单一的单环控制过程变为可以运用于复杂系统的多环控制;其次，对有效值的反馈由恒定值改为了瞬时值，这种改进能够对所有负载、尤其是在非线性负载下，系统输出的波形进行有效控制并且使得控制系统的动态响应速度明显加快。设计双环控制系统时，一般选择电压内、外环同用的方案。这是由于电压环能够对输出电压进行跟踪并使其稳定，因此其设计一般选择PI控制方式。因此，双环反馈控制的核心技术之一为电流环技术。Proteus虚拟仿真平台可以模拟众多类型和不同深度的实际操作，使用者在使用时不仅需要编写目标程序，还需要真正了解硬件连接，对实验的理解更加透彻。而且Proteus在疫情之下，更是被广泛的使用。理论与虚拟实践相结合，对巩固使用者的相关理论知识非常有效。在一次次的模拟实践下，使用者可以熟练地搭建控制系统，提高专业素质，增强其在行业内的竞争力。1.3SPWMSPWM原理SPWM的信号波是正弦波。形成正弦波波形的方法有很多种，其中主要使用的方法是：1、平均对称采样法。此方法最大的缺陷在于输出的负载侧电压较低，最大时也只能与输入电压大小持平，但是由于该方法结合了很多其他方法的优点并且能够形成三项电压，它是所有方法中被使用最广泛的方法，尤其在科研领域受重视度很高；2、对称规则采样法。这种方法因为形成的脉冲宽度较小，使得变频器负载侧的电压大小无法与输入侧的电压大小相平，只在小众范围内适用；3、不对称规则采样法。此方法在一个载波周期内需要采样两次正弦波，从而输出电压明显高于第二种方法所产生的输出电压，但对于微处理器来言，增加了所需处理数据的数量。在载波频率较高的情况下，对于微机性能的要求较高。SPWM法是一种相对完善的、当下应用也较为普遍的脉宽调制技术。SPWM法的理论依据为以采样控制理论中的冲量等效原理。由于PWM波形在变频器电路中用于控制开关元件的开/关，脉冲宽度取决于正弦标尺，与正弦波相同，因此输出脉冲电压的面积在此间隔内与所需的输出正弦面积相同。通过调整调制波的频率，可以控制电路的输出采样频率。SPWM的软件控制方法通过微型计算机去控制SPWM的方法叫做软件控制法，是当前普遍适用于大多数领域的一种方法。根据它不同的软件化方式，有以下几类:1、表格法（又称ROM法）：此方法是要将SPWM波的相关数据提前计算出后才放入只读存储器中，然后再根据调频指令把这些数据依次提取，由输出口输出来控制逆变器的开关动作。此方法的劣势在于不能够对数据进行实时处理并且所消耗的储存空间较大。2、实时计算法：实时计算法需要用到数学模型。构建数学模型的方式很多，最常用的有以下几种：（1）等效面积法：该方法就是通过面积相等的原则近似出与正弦波形等效的一连串幅值相同但宽度不同的矩形脉冲波形。根据已知的数据和正弦数值可以分别计算出各个脉冲的宽度。这是实时控制中最简单的算法。（2）自然采样法：自然采样法（NaturalSampling）借鉴了模拟控制的原理，计算正弦调制波与三角载波的交点，进而求出相应的脉宽和脉冲间歇时间，生成SPWM波形。（3）规则采样法（RegularSampling）：实践应用中选取的方案要求运算量小，过程简单，只要结果差距不多，可以采用近似结果，这就使得出现了五花八门的方法。规则采样法就是在三角载波每一周期性的正峰值时刻寻找正弦调制波中的相应点,从中得到电流值,再利用此电流值对三角波进行取样,并求得这二点。就可以证明它们正是SPWM波形中脉冲时间的正确产生时间,此时间段也正是脉冲宽度时间T2。相较于自然采样，该方法的运算量较少，但是实时采样与三角载波的重合处都位于正弦波的相同一边，从而所得的脉冲宽度将明显地偏小，进而形成的控制误会偏大。本方法的本质是通过用矩形波近似取代正弦波来缩减运算量。只要载波比适当，并且不同的矩形波不断接近正弦波，就可以忽略由此产生的偏差值。常用的逆变器一般都是三相式，因此还应形成三相正弦波形。三相正弦波在时间上彼此相差一百二十度，但是三者来源于同一个三角载波，从而能够在一个三角载波的时间周期内得到三相正弦波。运用微型计算机形成的SPWM波形正是根据上述的采样原理和计算公式实现的。1.4论文主要内容及章节安排本次研究设计将实现逆变电源的软件设计仿真实验，52单片机在实验中会主要应用，实验通过单片机的中断完成电压频率的采集，经过SPWM法发送不同占空比大小的方波逆变为正弦波，最终通过LCD将主要信息显示出来方便观察。本文将通过这几个方面进行说明：第二章主要讲述此次设计的整体方案，并通过方案决定元件选择。第三章主要对此次设计需要的元件进行简述，并讲述各模块的详细信息。第四章主要对各部分的代码进行介绍，并对各部分的编程思路进行叙述，将毕业设计的总体流程详细说明。第五章主要在Proteus的仿真进行验证，检验结果的正确性。第六章主要反思此次毕业设计的经历，总结不足之处，阐述心得体会以及对于Proteus虚拟仿真的展望。第二章逆变的方案设计2.1设计方案图2.1为硬件电路的总体结构图。本设计的内容是模仿逆变电源的逆变原理，并且要用到SPWM方法。由于要使用正弦波脉宽调制技术，因此选用52单片机作为核心元件。通过编程使得52单片机输出具有一定规律的占空比大小不同的方波，再通过整流电路，把波形整理为正弦波。方波方波正弦波AT89C52整流电路正弦波AT89C52整流电路图2.1硬件电路总体结构图2.2设计方案的改进在原有方案的基础上，增加了电压频率可调功能，选用另一个AT89C52单片机来接收电压频率并改变之，再传回第一个52单片机使得输出的电压改变，形成不同的波形并且通过LCD将当前电压频率显示出来。图2.2是改进后的硬件电路的总体结构图：图2.2改进后的硬件电路结构图本章介绍了设计方案的整体思路，简述了本设计的实现方式及其所需选用的部分元器件，接下来就开始详细介绍所选用的各个元器件的功能及其在本设计中的作用。第三章硬件电路设计3.1系统组成总体介绍本次设计主要研究内容是逆变电源的软件设计。设计主体由SPWM控制部分、整流电路、显示部分和电压频率控制部分构成。本文中SPWM控制部分与电压频率控制部分各需要一个AT89C52单片机，软件需要编写正弦波程序和电压频率调节程序。整流电路采用简单的电路:选用LC滤波电路，滤去高频杂波，通过电感L和电容C的恰当配合，可以使得输出电压相位和输入电压相位保持一致，便于控制。硬件电路设计、仿真和软件编程分别使用Proteus和Keil等软件。3.2AT89C52单片机3.2.1简述本文选用的单片机型号为AT89C52。该型号单片机是一款高性能的8位互补金属氧化物半导体类52单片机，兼顾了51的5种指令功能。AT89C52一共有40个端口，其中32个外部输入输出端口，2个电源端口，2个振荡器输入输出口，2个输出允许端，1个访问允许端和1个复位端口。3.2.2引脚功能图3.3AT89C52引脚图输入输出引脚：1~8为P1口；10~17为P3口；21~28为P2口；32~39为P0口。其中P0口为普通的漏极开路型，P1口和P2口都带有内部上拉电阻，P3口除了当作普通输入输出口外，还可以当作控制信号接收闪速存储器的编程和校验。供电端口：20引脚VSS接5V电源负极，40引脚VCC接5V电源正极。复位端：9引脚RST通过外接RC电路，当振荡器动作时，产生2个时间周期的高电平信号实现复位。振荡器输出端：18（XTAL2）和19(XTAL1)引脚为振荡器反相放大器的输出端，其中XTL1还可以作为内部时钟发生器的输出端。本设计中将这两个引脚外接12MHz的晶振。地址锁存允许：30引脚ALE。ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。外部访问允许端：31引脚（EA非）。要使单片机仅访问外部程序存储器，该引脚必须接地（低电平）。程序储存允许输出端：29引脚（PSEN非）。当AT89C52由外部程序存储器读取数据时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。3.3LCD显示模块3.3.1概述本次设计所选用的液晶显示屏为LCD1602，是一种字符型液晶数据显示功能模块。字符型液晶显示的原理是：它的显示单元是由一个个发光点组成，这和照相机像素的原理相似，需将每一行进行分组，每八个点受一个字节控制，所以一行需要的字节数num=Y/8。该LCD模块可以用来显示字母、数字等，常用规格有16×1、16×2、20×2三种，而且有模块化函数可以直接用于显示，十分方便。图3.4LCD1602引脚3.3.2技术参数本次使用的LCD的具体参数如下：显示容量：16×2个字符芯片工作电压：4.5-5.5V工作电流：2.0mA（5.0V）模块最佳的工作电压：5.0V字符尺寸：2.95mm×4.35mm（宽×高）3.3.3引脚功能LCD1602中有14个引脚（不需要背光），它的1-3引脚为电源端口，4-6引脚为工作控制端口，最后的7-14引脚为数据端口。3.4系统硬件连接图3.5硬件连接图如图3.5所示，所用到的硬件经过端口的功能进行搭建，将各个部分电路连接成为一个闭环电路。以AT89C52（U1）为核心，P0.0-P0.7接LCD的八位数据端用来输入数据，显示电压频率；P2.5-P2.7是LCD的控制端。至此硬件连接完毕，下章开始介绍本次设计的程序。第四章软件设计4.1程序设计总体思路本次设计需要的编程有LCD1602数据接受并显示，AT89C52(U2)监测来自U1的电压频率并适时按需要发送所改变的电压频率，生成方波等。图4.1程序总体流程图4.2系统程序开发软件此次设计以AT89C52为核心，在众多软件中KeilμVision5与其最为契合。它支持许多种内核的编程，可以将程序烧录到实际设备中，也可以将其转为Hex文件用于仿真，所以Proteus和Keil5有非常好的联动功能[10-11]。因为模拟是在Proteus上进行的，所以要将配置里的HEX文件生成并且呈打开状态，最后可以在Output文件夹里面找到这个文件。在建立工程文件后就开始编写User里面自己要用到的程序。4.3电压频率的改变程序总共设置了5Hz、10Hz、20Hz三种电压频率，默认的电压频率为5Hz。每按动一次key1按键，电压频率按照5、10、20依次变化。当频率为20Hz时再次按下key1键后，频率变换回5Hz。4.4LCD1602部分这次设计需要使用一个LCD1602显示当前的电压频率。LCD1602可以显示16×2的字符，想要通过D0~D7八个数据口在显示屏某一个位置具体显示出来字符，就需要通过命令控制指令和数据显示指令来具体实现字符的显示。本实验中LCD1602的RW、RS、E分别由P2.5、P2.6、P2.7三个串口去控制，7-14引脚与AT89C52（U1）的P0.0-P0.7端口相连作为电压频率信号的传输端口。在LCD的编程部分，首先，命令控制指令函数，它决定了符在LCD1602显示屏上的具体位置。显示屏总共有两行，第一行的起始地址为80H，有十六个位置用来显示字符；第二行的起始地址为C0H，同样有十六个位置用来显示字符，在具体决定字符的显示位置时，可以通过调用编写好的LcdWriteCom（）函数，在括号里面填写该字符所要具体显示的地址。其次，在确定了字符位置后。数据显示指令可以在自己的位置上显示特定的字符，同样命令控制指令也可以在指定的位置显出某一字符。但是，这两个指令在一起只能显示出单个字符，本次实验需要显示一组数据，为了简化主程序，在这两个命令基础上添加了LCD_Write_String指令，这个指令可以显示出一组数据，简化了整体的编程思路。除了上面几个重要的操作指令，我还需要对LCD1602进行初始化编程，需要完成开显示、清屏和设置数据指针等操作。详细程序如4.2所示：结束是否取字符代码显示第二行循环完？调取字库设置地址，在第一行显示设置显示数据首地址循环量设置结束是否取字符代码显示第二行循环完？调取字库设置地址，在第一行显示设置显示数据首地址循环量设置 图4.2LCD显示流程图4.5定时器程序定时器是52单片机中很常用的一个功能，它是单片机自带的，因此不需要外接电路。AT89C52单片机中一般有T0、T1、T2定时器。定时器最重要的是如何设置定时时间，设置定时时间之前需要先设置定时器的时钟。实验使用定时器时钟设为8MHz，所以定时器的频率可由公式算出：F=T/（P+1），则其计一个数的时间就是1/（T/（P+1）），此时需设置一个变量A，这个变量的值设为需要定时的数，定时时间即为1/（T/（P+1））*A。如果这里的最大定时间时间不够，则可以再添加一个变量TIME，用来记录中断次数，当到设定的次数时，执行中断函数。定时器的初始化也是与其功能框图相一致。在分频里面可以设置其数值，它可设置为0到65535中任何一个数值实现分频；在模式里面可以设置一个定时器计数工作方式，因为使用了基本定时器，所以只计数，不需要初始化；最后需要设置的是一个算好的数值，这里设定的值就是定时器通过计算要定时的值。以10ms的定时器为例，100ms定时器子程序入口100ms定时器子程序入口是清除中断标志，FLAG=1否检查定时器标志位是否为1否检查定时器标志位是否为1电压频率=外部中断函数计数值,将外部中断计数值清零电压频率=外部中断函数计数值,将外部中断计数值清零结束结束图4.310ms定时器逻辑流程图4.6中断设置在配置外部中断时，需要设置外部中断信号源的端口、触发方式和中断模式，最后要打开中断使能。在使用中断或定时器时，若同时发生中断时，哪一个先响应哪一个后响应会是一个问题，因此选用多个定时器或中断时切记要配置中断优先级。外部中断子程序入口外部中断子程序入口是检查端口的状态清除中断标志，计数值count+1否端口否端口状态为1？结束结束图4.4逻辑流程图成果展示逆变电源的软件设计的最终结果如下所示：按下key1按键可以改变电压的频率，观察5Hz、10Hz、20Hz三种频率下波形的情况。开始验证结果：仿真开始，LCD显示初始频率为5Hz,数字示波器的画面中显示出方波按照SPWM法逆变出的正弦波，通过扭动水平时基的旋钮调整出合适的图像。详情如图5.1和5.2所示：图5.1开启仿真画面图5.2初始波形按动key1按钮一次后，LCD显示电压频率变为10Hz，此频率下波形的逆变情况如图5.3和5.4所示：图5.310Hz时的电路图图5.410Hz下的波形再次按动key1按键后，LCD上显示的频率变为20Hz，仿真画面如图5.5和图5.6所示：图5.520Hz时的电路图图5.620Hz下的波形经过上面的测试，通过SPWM法发送不同占空比大小的方波进行逆变，并且通过改变频率观察输出电压的变化，所以这次虚拟仿真设计成功完成。总结和展望6.1总结这次毕业设计的目标是理解和掌握正弦脉宽调制（SPWM）技术并以此为核心进行逆变电源的软件仿真。毕业设计以电压逆变为例，通过Proteus虚拟仿真平台和Keil5来实现软件仿真。本文先介绍所用到的各个模块，接着介绍每个模块引脚的作用，最后将各个模块搭建起来，为之后的编程做好准备。然后开始阐述软件编程部分的内容，先将编程的大体思路进行说明，然后由总到分的顺序介绍每个模块的函数逻辑功能。在第五章，对虚拟仿真平台进行测试，验证实验成功。这次设计进一步说明Proteus虚拟仿真实验的诸多好处，并且深入了我对52单片机、Proteus以及Keil5编程方法的学习。经过本次毕业设计从起初毫无思路，到后来通过学习知网上的材料逐渐理清头绪；从元件选型到软件编程；从对Proteus的浅显理解到可以熟练寻找模块部件并且模块化编程，从对正弦脉宽调制技术由浅入深的理解，每一步骤都要静下心才能做出成果。互联网有非常多的资源可以供我们学习，但这种学习需要我们积极自主，才能收获硕果。我深刻明白：如果什么都不做，明日复明日，困难永远得不到解决。不管有多难，迈出第一步最为关键，这样才可以赶紧跟上第二步、第三步……其实仿真并不难，只要认真学习，多找资料，把有用的东西整合起来，积少成多，就可以做出成果。。这次毕业设计教会我在做一件事情时，首先一定要有一个提纲、思路，而且要有很大的可行性，否则在第一步就出错，只会在错误的道路上越走越远，浪费大量时间。做毕业设计时投入的精力让我体会到