2005年全国电子设计大赛论文

1、2005年全国大学生电子设计竞赛设计与总结报告课题：三相正弦波变频电源（g题）参加学校：河海大学常州校区参加学生：秦奋 张海波 胡子江参赛时间：2005年9月7日9月10日三相正弦波变换电源（g题）摘要：本文重点介绍了采用电力电子和单片机检测技术等进行三相正弦波变换电源（ac-dc-ac变换电源）的系统设计与实现方法。通过完整的软硬件设计，实现了竞赛课题的基本部分和提高部分的功能要求。系统硬件由五个模块组成，即单片机三相正弦波产生模块、ac-dc-ac逆变电源模块、a/d采集模块、单片机控制与键盘显示模块和系统保护模块；软件上重点实现了三相正弦波信号产生，d/a转换，键盘及显示、系统保护等功能

2、。本系统在硬件设计及软件编程均具有创新和独特之处：硬件上：（1）ac-dc-ac逆变电源模块，通过单片机作为信号发生器，利用音频功率放大器实现pwm正弦调制。（2）a/d采集模块，采用模拟比较器实现交流信号的a/d转换。系统简捷，灵活实用。软件上：在a/d采集子程序设计上，采用汇编加c语言混合编程的方法解决了m制cu处理速度的限制问题。该系统经过调试，达到了系统各项指标要求，且稳定可靠。具有输入220vac产生频率为20hz 100hz 的三相对称交流电，线电压为36v，同时具有显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率功能。关键词：三相正弦波 三相电源 单片机 ac-dc-ac逆变目 录1 系

3、统方案选择和论证-51.1课题任务及要求-5 1.1.1 总体任务 1.1.2 指标及功能要求1.2系统方案论证与选择-6 1.2.1 系统总体结构6 1.2.2 模块功能与方案论证72 系统的硬件设计与实现-9 2.1系统硬件的基本组成-9 2.2 系统单元模块的设计-9 2.2.1 ac-dc-ac-9 2.2.2 逆变电路-10 2.2.3 功放电路-12 2.2.4 采集电路-16 2.2.5单片机控制器与键盘显示电路-173 系统软件设计-1731 20hz-100hz正弦波信号子程序1732 da处理程序、键盘选择频率处理程序、液晶显示程序的设计1833 6.3电流，频率采集以及软

4、件保护电路模块处理程序194 系统调试及评价-194.1 测试条件-194.2 单元测试结果-204.3 系统总体性能-205 总结-20参考文献-21附录: 元器件清单-211.系统方案选择和论证1.1课题任务及要求1.1.1总体任务本课题的任务是设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出线电压有效值为36v，最大负载电流有效值为3a，负载为三相对称阻性负载(y接法)。变频电源框图如下图所示。 1.1.2 指标及功能要求 基本部分:（1）输出频率范围为20hz100hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5v；（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（3）)当输入电压

5、为198v242v，负载电流有效值为0.53a时，输出线电压有效值应保持在36v，误差的绝对值小于5%；（4）具有过流保护(输出电流有效值达3.6a时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5a时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源。发挥部分: （1）当输入电压为198v242v，负载电流有效值为0.53a时，输出线电压有效值应保持在36v，误差的绝对值小于1%；（2）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于5%；（3）变频电源输出频率在50hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；（4）其他。说明 （1）在调试过程

6、中，要注意安全； （2）不能使用产生spwm（正弦波脉宽调制）波形的专用芯片；（3）必要时，可以在隔离变压器前使用自耦变压器调整输入电压，可用三相电阻箱模拟负载；（4）测量失真度时，应注意输入信号的衰减以及与失真度仪的隔离等问题；（5）输出功率可通过电流、电压的测量值计算。1.2系统方案论证与选择1.2.1 系统总体结构根据题目的基本部分和提高部分的具体要求，系统要求实现交-直-交三相变换电源。根据系统功能和指标要求，研究总体方案，并确定系统硬件主要划分五个部分，即单片机三相正弦波产生模块、ac-dc-ac逆变电源模块、a/d采集模块、单片机控制与键盘显示模块和系统保护模块；软件上要重点编制三

7、相正弦波信号产生，d/a转换，键盘及显示、系统保护等程序。图1-1是系统总体结构框图。键盘显示单片机产生三相正弦波 逆变dc-ac放大隔离变压器整流滤波三相负载220vac dc保护电路键盘显示a/d采样单片机控制器模块 图1-1 系统总体结构框图为了实现上述系统模块功能，各个功能模块的具体实现方案需要进一步论证。1.2.2 模块功能及方案论证（1）单片机三相正弦波产生模块根据题目要求，三相正弦波产生模块的主要作用是通过键盘设置频率，单片机软件编程和d/a配合产生频率20hz100hz三相正弦波交流信号，并同时显示频率值功能。显示器与模块（4）同类均为液晶显示器。d/a选用0832。 三相正弦

8、波交流信号的产生在如下两个方案中选择：方案一：采用fpga（现场可编程门阵列）和d/a组成信号产生电路。fpga的优点是可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，功能易于扩展，并且仿真调试方便灵活。fpga采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。缺点是芯片引脚多，电路板布线和焊接复杂。方案二：采用atmel公司的at89s52单片机和d/a组成信号产生电路。单片机的算术运算功能强，软件编程灵活，特别是采用c语言编程灵活方便。并且有现成可利用的模块和程序段，一定程度上减少的设计工作量，并且具备功耗低，体积小，低成本优点。但实现本系统可能

9、在产生频率为100hz三相正弦波方面有些难度，初步计划通过提高晶振频率加以解决。通过上述分析，考虑各种因素和条件，在本设计中采用一片at89s52单片机作为三相正弦波产生电路。（2）ac-dc-ac逆变电源模块ac-dc-ac逆变电源模块主要作用是实现交-直-交变换。交-直变换部分通常可以采用交流电压（220v）通过变压、整流、滤波、产生直流电压（±36v）。本设计考虑36v集成稳压器难以购买，在考虑系统纹波电压和功率等因数的要求，决定不采用集成稳压器，只设计变压、整流、滤波产生小纹波直流电压。dc-ac变换方案很多：方案一：正弦脉宽调制spwm，在直流电源电压e不变的条件下，通过对

10、调制波频率，幅值的控制，就可使逆变器同时完成变频和变压的双重功能。方案二：电流跟踪控制pwm，是将负载三相电流与三相正弦参考电流相比较，如果实际负载电流大于给定参考电流，通过控制逆变器功率开关元件关断使之减小；如果实际电流小于参考电流，控制功率开关器件导通使之增大。对防止过电流十分有利。方案三：电压空间矢量控制svpwm，源于交流电机的变频调速驱动，着眼于如何控制三相逆变器的功率开关动作来改变施加在电机上的端电压，使电机内部形成尽可能圆形的磁场。方案四（自行设计方案）：上述三种实现均比较复杂，这里我们研究一种简单易行的ad-ac逆变方式，采用直流电源供电，三相正弦波信号通过单片机产生后送到音频

11、功率放大器，产生合乎要求的三相正弦波输出电压。综合考虑，采取自行设计的方案四。（3）a/d采集模块a/d采集模块主要是实现采集三相负载出来的三相正弦模拟信号并转换为数字信号。方案一（常规方案）：采用a/d转换器（例如0809）与单片机接口实现之。方案二（自行设计方案）：采用模拟比较器实现交流信号的a/d转换，将正弦波信号与基准信号比较产生脉冲信号，即数字量。综上，满足系统要求我们选择自行设计的方案二。（4）单片机控制与键盘显示模块该模块的主要作用是完成对三相正弦波信号转换成脉冲信号进行采集，以便通过计算得到所需参数并存储和送显示器显示。本系统选用at89s52单片机作为控制器。显示模块主要完成

12、显示三相变频电源的输出电压、电流、频率和功率数据，并通过键盘选择三路数据等。有两种显示方案可选择。方案一：采用数码管显示。数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、对外界环境要求低，易于维护。同时精度比较高，称量快，精确可靠，编程容易，操作简单等优点。缺点是显示汉字不易实现，多数据多行显示结构复杂。方案二：使用液晶显示屏显示时间和路程。液晶显示屏（lcd）具有轻薄短小，低耗电量，无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。可以显示汉字等各种符号。但一般需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大。本课题综合考虑，由于需要显示的数据内

13、容量多且有汉字显示，选择液晶显示屏。（5）系统保护模块系统保护模块的主要作用是具有过流保护(输出电流有效值达3.6a时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5a时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源。方案1：硬件保护方式方案2：软件保护方式本系统考虑保护电路由硬件方式设计会造成系统设计进一步复杂化，因此决定采用软件为主，硬件上由继电器配合工作。2.系统的硬件设计与实现 2.1系统硬件的基本组成本题是一个集ac-dc-ac三相变换电源和数字化处理技术为一体的综合设计系统。系统可分为单片机产生三相正弦波模块、ac-dc-ac逆变电源模块、a/d采集模块、单片机控

14、制与键盘显示模块和系统保护模块。 单片机三相正弦波产生模块：采用at89s52、0832a/d、键盘、液晶显示器；ac-dc-ac逆变电源模块：采用变压、整流、滤波，dc-ac逆变采用功率放大进行pwm调制；a/d采集模块：利用采样放大、模拟比较a/d方式；单片机控制与键盘显示模块：采用at89s52、键盘、液晶显示器系统保护模块：继电器控制电路。 2.2 系统单元模块的设计2.2.1 单片机三相正弦波产生模块的设计采用89s52单片机和0832d/a组成三路信号产生电路三相正弦波，相位差为120。单片机的算术运算功能强，软件编程灵活，特别是采用c语言编程。具体编程方法在后面介绍。由于本系统产

15、生最高频率为100hz三相正弦波，实现起来较困难，采取提高晶振频率的办法加以解决，选取晶振12mhz。 89s52单片机和0832d/a电路原理图如图2-1所示。 图2-1 单片机三相正弦波产生电路 2.2.2 ac-dc-ac逆变电源模块的设计2.2.2.1 ac-dc电路直流电源模块主要用于交流电压（220v±10%） v通过变压、整流、滤波产生纹波小的直流电压（±36v）。 电源变压器隔离变压器的作用是将220v的交流电压变成整流电路所需要的电压。根据题目要求选用隔离变压器（220v/30v，200w）。采用10a桥堆实现全波整流，将输入正弦波转换为脉动直流信号。滤波

16、电路的作用是将脉动直流滤除纹波，得到纹波小的脉动直流。本电路选用1000微法/250v滤波电容。输入交流信号220v，经隔离变压器产生30v交流，经电容滤波得到输出纹波小的直流电压（±36v）。 uo=±1.2u=±1.2×30=±36v 图2-2 ac-dc变换电路2.2.2.2 dc-ac变换电路dc-ac变换电路基本设计思想是将直流电压通过正弦波调制方法得到三相正弦交流电压，实现上述功能的系统设计框图如图2-3所示。 直流（+36v）功率放大器 功率放大器功率放大器单片机89s52a相 36sinwtc相36sin（wt+240）b相36

17、sin（wt+120）a相b相c相 直流（-36v） 图2-3 系统设计框图 实现图2-3电路的功率放大器采用lm3886音频功率放大器，典型电路如图2-4所示。lm3886是美国国家半导体公司（ns公司）新出的一款带过压，过高温保护并且具有静噪功能的68w单声道高保真功率放大器，选择lm3886能够满足题目要求的频率范围，放大效果好。lm3886的技术指标如表1所示。图2-4 dc-ac变换电路参数最小值典型值最大值单位电源电压（双电源）±10±15±42v静态电流（p0=0w）305085ma输出功率6068135w增益带宽28mhz开环电压增益90115db

18、转折速率819v/us信噪比92.5110db输出电流711.5athd+n0.030.050.06%lm3886在供电电压为10v以上时即可工作，本系统采用±36v供电，由单片机产生的三相正弦信号分别经三路lm3886进行功率放大，电压放大倍数为a=r6/r5+120。2.2.3 a/d采集模块的设计a/d采集模块主要是实现采集三相负载出来的三相正弦模拟信号并转换为数字信号。实现该功能电路框图如图2-5所示。a相 36sinwtc相36sin（wt+240）b相36sin（wt+120）运算放大器运算放大器运算放大器模拟比较器模拟比较器模拟比较器电压变换电压变换电压变换a相 脉冲信

19、号b相 脉冲信号c相 脉冲信号 图2-5 a/d采集模块电路的工作原理：电压变换电路作用是减小输入信号，以得到后续单片机电平（5v范围），本电路选用康铜丝电阻分压方法实现。由于康铜丝电阻小得到极小的分压值运算放大器采用两级op07（同相跟随+反相放大），放大倍数可由电位器调整。模拟比较器采用lm339a，基准电压选择1v，由可控的稳压管tl431电路实现。该比较电路是将放大的正弦波信号与基准电压1v进行电压比较，当正弦波信号大于1v时，比较器输出高电平；当正弦波信号小于1v时，比较器输出为低电平，由此产生正弦脉冲信号。组成a/d采集电路的原理图如图2-6所示。 图26 a/d采集电路 为了检测

20、有效值，常用的方法是，首先进行整流滤波，得到它的平均值；然后采用和检测直流信号一样的方法检测它的平均值；最后折算成有效值输出。由于经过整流滤波环节，当交流信号源出现短暂变化时，这种传统的检测方法就不能及时发现。当精度要求不是很高时，用比较器来检测交流信号不但具有电路简单廉价的优点，而且能够发现信号源的短暂变化，分辨率达到一个周期。原理电路如图所示。设交流纤毫的有效值为u，周期为t，初始相位为0，交流信号经过采样变压器惊醒隔离和降压（降压比为n比1），再由r1和r2分压，分压后形成的u输入比较器的正向端，基准电压vref输入比较器的反向端，稳压二极管dw起保护作用，使比较器的正向端不必承受反向电

21、压和过高的正向电压。设比较器输出低电平为v1，高电平为v2；再设u上升到vref的时刻为t1，u下降到vref的时刻为t2，则比较器的输出电平为： v1 0tt1 vout= v2 t1tt2 v1 t2tt在t1时刻，比较器输出端出现上升沿；在t2时刻，比较器输出端出现下降沿。在正半波任意时刻t，输出到比较器正向端的信号电压的瞬时值为：u=ur2/n（r1+r2）sin（2t/t）即u=ur2sin（2t/t）/n（r1+r2）在时刻t1，则有vref=ur2sin（2t1/t）/n（r1+r2）从此式中，可以求解出交流信号源的电压有效值为：u=nvref（r1+r2）/r2sin（2t1/

22、t）由于r1，r2和vref均为系统固定参数，我们定义一个系统常数k：k=nvref（r1+r2）/r2则待测交流信号的电压有效值为：u=k/ sin（2t1/t）从上式可以看出，只要检测t1，就可以计算出u。而检测t1必须从信号过零点开始计时，增加了检测难度。图中可看出，在交流信号的正半周里，只有从t1-t2这段时间u>vref，比较器输出电压vout为高电平，其他时间比较器都是输出低电平。当信号电压增加时，由于vref保持不变，t1-t2这段时间间隔就增加，即比较器输出端维持高电平的时间就增加；当信号电压减小时，比较器输出端维持高电平的时间就减少。而检测比较器输出高电平的维持时间间隔

23、（t2-t1）是一件比较容易的事情。为此，设=t2-t1，则 t1=（t/2）-/2=（t/4）-（/2）从而 u=k/sin2（t/4）-（/2）/t化简后得到 u=k/sin（/2）-（/t）由于sin（/2）-x=cos x最后得到的计算公式为u=k/cos/t从公式中可以看出，当比较器输出端的高电平持续时间在缩短时，说明信号电压的有效值u在下降；当比较器输出端的高电平刚刚消失（=0）时，u正好等于k；如果信号电压u继续下降，比较器输出端的高电平完全消失，无法进行检测。因此，系统常数k的物理意义为：系统能够正确检测到的最小信号电压的有效值。从公式中还可以看出，仅仅检测比较器输出端的高电平

24、持续时间还不够，还必须知道交流信号的周期t才能计算出交流信号电压有效值u。如果交流信号的周期（或频率）是固定的常数，就可以直接代入公式中进行计算。如果交流信号的周期（或频率）是未知的，可以通过检测比较器输出端相邻2个上升沿（或相邻2个下降沿）之间的时间间隔来得到周期t。2.2.4单片机控制与键盘显示模块的设计单片机控制与键盘显示模块由89c51单片机、键盘、液晶显示器组成。主要实现三相信号的采集和计算，提供显示变频电源输出电压、电流、频率和功率数据送显示模块。键盘控制选择a、b、c相的参数显示。 采集的a、b、c相正弦电压和周期信号经过计算求得电流、频率和功率值。 i=u/r f=1/t p=

25、iu实现该模块原理电路如图2-6单片机89s52+液晶显示-确认取消 图2-6单片机控制与键盘显示电路2.2.5系统保护模块的设计 系统保护模块的主要作用是具有过流保护(输出电流有效值达3.6a时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5a时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源。采用软件编程和硬件配合完成保护电路的设计，具体方法在软件部分说明，保护程序通过单片机p1.7口输出控制信号，控制继电器的开断。发生过载时，断开输入的交流。硬件保护电路如图2-7所示。 图2-7 硬件保护电路3 系统软件设计31 20hz-100hz正弦波信号子程序课题要求产生20hz-

26、100hz的正弦波，其周期为10ms-50ms,我们需要转换的数据是256个，故处理每隔10ms/256 - 50ms/256 的时间间隔就需要da转换一次，由于m制cu处理速度的限制，加上频率步进1hz 的要求，用定时器不能实现这一过程，故本模块采用汇编加c语言混合编程的方法。汇编部分负责定时，c语言部分负责da转换控制。汇编程序命名为：delay.asm, 主要代码为：mov r0, #09h loop: djnz r0, loop 单片机的晶振是12m，指令周期是晶振频率的1/12，也就是1us一个周期。mov r0, #09h需要2个极其周期，djnz也需要2个极其周期。那么存在r0里

27、的数就是(20-2)/2。用这种方法，可以非常方便的实现256us以下时间的延时。 这是本课题的一个创新之处。 32 da处理程序、键盘选择频率处理程序、液晶显示程序的设计 da处理程序：dac0832可方便地工作于双缓冲方式，这多用于同时输出几路模拟信号的场合。由于本系统需要同时产生3路相位差为120度的正弦波，故将0832工作与双缓冲方式。工作时先将三路数据分别送至 1# 2# 3# dac0832的输入寄存器，然后发送命令，则各输入寄存器的数据被同时送入相应dac寄存器中，由dac转换电路进行转换，在各输入端就能获得同步模拟信号。需要在输出端接上运算放大器lm348n，rfb即为运算放大

28、器的负反馈电阻端，由于vref = 5v，所以产生的正弦波峰峰值为10v。有三路dac0832输出的模拟信号均经过348两级运算。第一级为反相比例放大器，可实现电流到电压的转换。数字量与模拟量的转换关系vout1 = -vref(数字码/256)。由于dac0832输出为电流形式，为了得到电压输出， 故第一级是必须要的。由于正弦波是双极性波，所以还要加上第二级，将第一级的单向输出电压转换成双向输出电压。其原理是将第二级的输入端通过电阻r1与参考电压vref相连，vref经r1向第二级运放提供一个偏流。有电流关系可得到d/a转换器的总输出电压 vout2 = -(r3/r2)vout1 + (r

29、3/r1)vref (1)代入r1 = r3 = 20k,r2 = r1 = 10k进上式，可得vout2 = -(2vout1 + vref)(2)代入vout1 = -vref(数字码/256),则得：vout2 = (数字码-128)/128×vref(3)由（3）式即可以得到需要的正弦波的数据表。 键盘处理程序用于获取手动控制信息，如需要产生的频率值（默认为50hz）等 液晶程序用于动态显示手动设置的频率。 由于信号发生电路用总线方式统一寻址外设，故为液晶和da分别分配了不同的地址，如下表所示：端口地址1# dac0832 输入寄存器0xff0e2# dac0832 输入寄存

30、器0xff0d3# dac0832 输入寄存器0xff0b启动0832转换地址0xff6flcd12864写指令通道地址0xff4flcd12864写数据通道地址0xff5flcd12864检测忙信号通道地址0xff6f3.3电流，频率采集以及软件保护电路模块处理程序(1)电压，电流，频率信号采集程序 如前所述，我们把电流信号转变成电压信号后，经过比较器比较成矩形波，我们可以通过测试该矩形波的高电平的持续时间以及周期来得到电压信号的有效值u，进而可以得到电流信号的有效值i。硬件设计电路将a,b,c三相经比较器比较后分别接到at89s51的p1.4,p1.5,p1.6口上，经单片机计算后由p1.

31、7控制继电器动作，从而实现保护电路的功能。软件循环采集a,b,c三相的电流信号，可以跟踪电流的变化，具有较强的保护电路的能力。(2) 过流保护程序保护程序要求输出电流有效值达3.6a时动作,负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5a时动作)。保护电路用软件实现是本课题的又一个创新之处，由于我们采集到了电压，电流，频率信号，故可以通过这个来控制继电器保护4 系统调试及评价4.1测试条件硬件设备：计算机、mcs51仿真器、示波器、信号发生器、稳压电源、滑线电阻器、万用表等软件：mcs51应用系统4.2单元测试结果4.2.1 单片机产生正弦波测试理论值实际值理论值实际值20hz20.07hz70hz70.08 hz30hz30.03hz80hz80.3hz40 h