基于单片机控制单相交流调功器的设计—电气工程课程设计

1、课程设计任务书课程 电气工程课程设计 题目 基于单片机控制单相交流调功器的设计 专业 电气工程及其自动化 姓名 学号 6 主要内容：基于单片机的单相交流调功器主要分为四大模块：信号放大模块、A/D转换模块、单片机控制模块、调功电路。工作流程：来自传感器的模拟信号经过放大模快的两级放大输出到A/D转换模块，A/D转换模块在调功器启动的时候已经准备就绪，此时它接受到了信号在单片机的配合下进行A/D转换工作，转换的结果通过单片机传送到调功模块，这个信号跟调功模块的信号进行运算，输出到光耦合器件，通过光耦合器件控制驱动电路，实现对信号的放大，从而驱动控制晶闸管的通断，达到对负载调功的目的。参考资料：1

2、 王 鑫，李 威.PLC机电控制系统应用设计技术.北京：电子工业出版社，20102 范永胜，王 岷.电气控制与PLC应用.北京：中国电力出版社，20073 鲁远东.PLC机电控制系统应用设计技术.北京：中国电力出版社，20104 张华宇.数控机床电气及PLC控制技术.北京：中国电力出版社，20105 肖 峰，贺哲荣.PLC编程100例. 北京：中国电力出版社，2009完成期限 2013.12.2至2013.12.15 指导教师 专业负责人 2013年 12 月 15 日目 录1 设计要求12 系统结构设计13 方案论证1 3.1 信号放大典论1 3.2 A/D转换模式2 3.3 单片机3 3.

3、4 调功电路34 最佳方案45 硬件设计6 5.1 信号放大器的设计6 5.2 A/D转换器的设计7 5.3 单片机对AD574的控制7 5.4 调功电路的设计8 6 结论10附录一.13 附录二.14附录三.151 设计要求1对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。2. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。3. 对项目设计结果进行分析。3. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。4.课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。2 系统结构设计基于单片机的单相交流调功器，顾名思义是要通过单片机编程控制实现

4、交流调功。通常来自传感器的信号是伏级的模拟信号，而单片机的接口电压为+5V，因此需要一个信号放大电路和一个A/D转换电路。信号通过放大转换之后输送到单片机，单片机通过运行指令，控制输出脉冲，通过脉冲驱动主电路晶闸管，从而达到调功的目的。系统框图如图1.1所示：图1-1基于单片机的单相交流调功器设计框图3 方案论证3.1 信号放大典论通信系统中使用的小信号放大器分为两类，一类是谐振放大器，谐振放大器都是选频的窄带放大器，并联谐振回路、耦合谐振回路和各种固体滤波器是其负载。谐振放大器的主要参数除了电压放大倍数（增益）、输入阻抗、输出阻抗外，通频带和选择性是有别于其它放大器的重要的参数。另一类是宽带

5、放大器，实用中的宽带放大器多为集成放大器。分离元件的谐振放大器通常采用y参数等效电路来分析计算，单管单调谐放大器和单管双调谐放大器的分析计算是本章的重点，这一章要注意计算公式的灵活应用。小信号放大器能否稳定工作是电路设计和调整中必须考虑的问题，但是稳定性涉及的问题比较多，计算只能为电路调整指一个方向，需要根据实际情况进行仔细地调整。集成宽带放大器+集中选频滤波器是目前小信号放大器的方向。宽带放大器也存在稳定工作的问题，当频率比较高时，需要认真考虑阻抗匹配问题。在本系统中放大电路可以采用集成芯片，集成放大芯片具有精度高、稳定性好、输入阻抗高、稳定性好等优点。可以采用的芯片有AD620、OP725

6、、OP07等。3.2 A/D转换模式A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。A/D转换要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的。一般取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。A/D转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD码的31/2位、51/2位等。按照转换速度可分为超高速（转换时间330ns），次超高速（3303.3s），高速（转换时间3.3333s），低速（转换时间330s）等。A/D转换器

7、按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。位数越高，分辨率越高。若小于最小变化量的输入模拟电压的任何变化，将不会引起输出数字值的变化。 采用12-bit 的AD574，若是满刻度

8、为10V的话，分辨率即为10V / 212 = 2.44mV。 而常用的8-bit 的ADC0804，若是满刻度为5V的话，分辨率即为5V / 28 = 19.53mV。 选择适用的A/D转换器是相当重要的，并不是分辨率越高越好。 不需要分辨率高的场合，所撷取到的大多是噪声。 分辨率太低，会有无法取样到所需的信号。 （1）转换误差 通常以相对误差的形式输出，其表示A/D转换器实际输出数字值与理想输出数字值的差别，并用最低有效位LSB的倍数表示。 （2）转换时间 转换时间是A/D转换完成一次所需的时间。 从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出值为止的时间间隔。转换时间越短则转换速度就越快。

9、 （3）精准度 对于A/D转换器，精准度指的是在输出端产生所设定的数字数值，其实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。 常用的芯片有：AD574、MC14433、AD7711A3.3 单片机单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。由于本系统对单片机的性能要求不是很高，用STC51的单片机就可以。3.4 调功电路调功是应用晶闸管及其触发

10、控制电路用于调整负载功率。一般调功电路由四个部分：电压比较、控制电路、驱动放大、主电路。过零电压比较电路由整流电路和电压比较器组成，通过整流将交流电转换成直流电，再将该直流电输入到电压比较芯片与比较电压进行比较运算，输出方波脉冲。输出脉冲经过放大驱动晶闸管导通。运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高(使比较器响应速度更快)。另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图6所示，它外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。但也有一些比较器为互补输出，无需上拉电阻。比较器电路本身也有技术指标要求

11、，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同。在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。如在A/D变换器电路中要求采用精密比较器电路。其中电压比较器可以选择：LM393、LM339、OP07、OP27等。4 最佳方案放大电路采用集成芯片AD620，AD620具有精度高、噪声低、使用简单的优点。通过在1号管脚和8号管脚之间串接一个电位器就可以调整放大倍数。其3号脚为信号输入脚，6号脚为信号输出脚，4号和7号管脚分别接-5V和+5V直流电源，其它的脚都接地。最大增益可达1000倍。AD620放大倍数的计算公式为。通过调整电位器R可以调节其放大倍数AD620的管脚示意图如图

12、4-1所示：图4-1 AD620的管脚示意图A/D转换采用芯片AD574，AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。AD574A的部分引脚说明：1 Pin1(+V)+5V电源输入端。2.Pin2()数据模式选择端，通过此引脚可选择数据是12位或8位输出。3.Pin3()片选端。4.Pin4(A0)字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端TTL电平不

13、能直接+5V或0V连接。5.Pin5()读转换数据控制端。 6.Pin6(CE)使能端。其引脚图如图4-2所示： 图4-2 AD620引脚图由于本系统对单片机的性能要求不高，本次使用STC89C51单片机，其引脚图如图4-3所示：图4-3STC89C51RC引脚示意图在本系统中调功电路的电压比较可以用OP07，OP07具有极低的输入失调电压（OP07E的最大值为75 V），通过在晶圆阶段执行调整而获得，而且这种低失调电压一般不需要进行任何外部零点校准。此外还具有低输入偏置电流（OP07E为4 nA）和高开环增益（OP07E为200 V/mV）特性。OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调

14、零端)，3为反向输入端，2为正向输入端，4接地，5空脚 7为输出，6接电源。OP07的引脚示意图如图4-4所示：图4-4OP07的引脚示意图5 硬件设计5.1 信号放大器的设计AD620芯片通过在1号引脚和8号引脚之间串接电阻，达到调节放大倍数的目的，AD620的最大放大倍数为1000倍，由于AD620放大倍数越大，误差就越大，故本电路用了两片AD620形成二级放大，其中U1放大50倍，U2的放大倍数通过电位器进行调节。信号放大电路如图5-1所示：图5-1信号放大电路图5.2 A/D转换器的设计AD574A是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少

15、，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。其应用电路如图5-2所示：图5-2AD574输入信号的双极性接法5.3 单片机对AD574的控制模拟量从10VIN或20VIN输入，输入极性由REFIN，REFOUT和BIPOFF的外部电路确定。不论输入模拟量是单极性还是双极性，均按从小到大的顺序将输入模拟量变换为数字量000HFFFH。对单极性的模拟量， 0伏对应000H,最大电压值对应FFFH，对双极性的模拟量，负幅值对应0，0伏对应800H，正幅值对应FFFH。如果把转换结果减去800H，可以得到与模拟量极性与大小对应的数字量

16、。0-800H=800H(负幅值)，800H-800H=0（零值）FFFH-800H=7FFH（正幅值）。REFIN：片内基准电压输入线；BIPOFF：极性调节线。AD574A的初始化以中断方式编程如下：ORG0003HLJMPINTS0ORG0100H；主程序MOVR0,#30H；设定数据缓冲区首地址MOVDPTR,#5FFFH；AD574A的启动地址SETBIE.2；外部中断1允许SETBIE.7；开CPU中断MOVXDPTR,A；启动12位转换ORG1000HINTS0: MOV DPTR，#5FFEH；准备数据高8位地址MOVX A,DPTR；读入A/D转换值的高8位MOVR0,A；存

17、A/D转换值的高8位数据INCDPTR；准备数据低4位地址INCR0；调整数据缓冲区指针MOVXA,DPTR；读入A/D转换值的低4位MOVR0,A；保存低4位数据RETI；中断返回5.4 调功电路的设计所谓调功就是通过控制晶闸管的通断周期来控制负载上的功率。一般的调功电路分为四个部分：电压比较、控制电路、驱动放大、主电路。过零电压比较电路由整流电路和电压比较器组成，通过整流将交流电转换成直流电，再将该直流电输入到电压比较芯片OP07的正极与负极的输入比较电压进行比较运算，输出方波脉冲。调节与OP07负极相连的滑动变阻器可以调节输出脉冲的占空比。过零电压比较电路如图5-3所示：图5-3过零电压

18、比较电路 控制电路由两个非门和两个与非门组成，其中U1A接收来自单片机的信号，U2A接收过零电压比较器的输出信号，U3、U4的输出连接到驱动电路。当且仅当U1A、U2A的输入信号同时为低电平时U3、U4的输出才是低电平，其它情况U3、U4的输出都为高电平。控制电路如图5-4所示：图5-4控制电路由于从与非门输出的信号不足以驱动晶闸管的导通，因此需要驱动放大电路对控制电路的输出信号进行放大。驱动电路通过光耦合器件与控制电路连接。由于主电路有两个方向并联的晶闸管，所以在实际的电路中，有两个相同的驱动电路。其电路图如图5-5所示：图5-5驱动放大电路主电路由两个反向并联的晶闸管串接负载组成。主电路的

19、输入电压为220V的交流电压，晶闸管的控制端接驱动电路的输出。当晶闸管的导通周期不同，负载上的功率也不同。主电路如图5-6所示：图5-6主电路6 结论随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以令人瞩目的发展速度，改变着我国工业的整体面貌。同时，对社会的生产方式、人们的生活方式和思想观念也产生了重大的影响，并在现代化建设中发挥着越来越重要的作用。随着与信息科学、计算机科学和能源科学等相关学科的交叉融合，它正向着智能化、网络化和集成化的方向发展。课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报

20、告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。本课程设计的课题是单片机控制单相交流调功器的设计，整个课程设计计划在四周之内完成，第一周指导老师对这个课程设计做了一个简要的介绍，讲解了本课程设计需要注意的几个关键部分，并对发布了课程设计的任务书。经过几天的小组讨论与研究，明确了设计原理与要求，最终确定了这次设计的总体方案，下面就本次课程设计单片机控制单相交流调功器的原理作一详细介绍。基于单片机的单相交流调功器主要分为四大模块：信号放大模块、A/D转换模块、单片机控制模块、调功电路。信号放大模块采

21、用集成芯片AD620作为主芯片，AD620具有精度高、噪声低、使用简单的优点。通过在1号管脚和8号管脚之间串接一个电位器就可以调整放大倍数。信号增益在11000倍之间，由于AD620放大倍数越大，误差就越大，故本电路用了两片AD620形成二级放大，其中U1放大50倍，U2的放大倍数通过电位器进行调节。由于对于不同类型的传感器，其输出信号的电压伏值不一样，因此对放大电路的放大倍数的要求也就不同，所以需要通过电位器的调节，测试整定最佳放大倍数。从而扩展了本调功器的对不同电路的适应性，降低了输出信号的失真度 。A/D转换模块采用芯片AD574，AD574A是美国模拟数字公司推出的单片高速12位逐次比

22、较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。AD574采用双极性接法，能够兼容不同极性的输入信号，通过对AD574的CE、RC、128、A0脚的同时控制，设定输出信号的位数。单片机采用STC89C51,STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快812倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好,抗干扰强。单片机在本系统中起着重要的作用，它是本系统数字运算的核心，需要完成PID运算、对A

23、D574的初始化、完成对模拟信号的采集和数字信号的输出、完成调功脉冲波形的调整。调功电路是本次设计的重点，所谓调功就是通过控制晶闸管的通断周期来控制负载上的功率。一般的调功电路分为四个部分：电压比较、控制电路、驱动放大、主电路。过零电压比较电路由整流电路和电压比较器组成，通过整流将交流电转换成直流电，再将该直流电输入到电压比较芯片OP07的正极与负极的输入比较电压进行比较运算，输出脉冲经过放大驱动晶闸管导通。在这个过程中电压比较器的输出信号需要与来自单片机的信号进行比较运算，最终输出到光耦合器件，通过光耦合器件来控制驱动电路的通断从而驱动晶闸管的导通。当上诉四个模块结合在一起工作时就是一个完整

24、的单片机控制的单相交流调功器，它的工作流程是这样子的：来自传感器的模拟信号经过放大模快的两级放大输出到A/D转换模块，A/D转换模块在调功器启动的时候已经准备就绪，此时它接受到了信号在单片机的配合下进行A/D转换工作，转换的结果通过单片机传送到调功模块，这个信号跟调功模块的信号进行运算，输出到光耦合器件，通过光耦合器件控制驱动电路，实现对信号的放大，从而驱动控制晶闸管的通断，达到对负载调功的目的。通过这个专业方向的课程设计，加深了对自动化专业课程的理解，加强了对理论知识的运用能力，对电路的设计思路有了更清晰的认识。由于个人水平有限和时间关系，本课程设计还有不足的地方，恳请老师指正。参考文摘1李

25、群芳 张士军 黄建.单片微型计算机与接口技术(第3版).北京.电子工业出版社.20082 于海生.计算机控制技术. 北京.机械工业出版社.20093王兆安 刘进军. 电力电子技术(第5版). 北京.机械工业出版社.20094 袁东. 51单片机应用开发实战手册.电子工业出版社. 北京.电子工业出版社.20115 宋立博 李劲松 费燕.运动控制系统原理、结构与设计. 上海.上海科学技术文献出版社.20116 郝成.计算机控制技术工业控制工程应用理论与实践. 北京.电子工业出版社.20117 王威 主编工业生产自动化 科学出版社.14Ostrirov,VN. Experience of desig

26、n and application of the complete energy saving electric drives in systems of towns water supply and feculence water pump. Elektrichestvo, 2003(4):68-7115Lewis B W,candello M R.variable frequency drive(VFD)technology is here and it works:a comparison of prevailing control technologies.Journal of the

27、 New England water works Association,1998,112(3):227-240附录一： 信号放大、A/D转换与单片机接口电路附录二：调功电路附录三程序清单：sbit ad_status = P33;uchar xdata ad_convert _at_ 0x6000; /开始转换uchar xdata ad_read_hi _at_ 0x6002; /读取高字节uchar xdata ad_read_lo _at_ 0x6003; /读取低字节uint ad_1674 (void)union adcuint adcc;uchar ad2;union adc add;ad_convert=0xff;while(ad_status);add.ad0=ad_read_hi;add.ad1 =ad_read_lo;a