基于单片机控制的单相交流可调稳压电源毕业设计论文

目录第一部分设计任务与调研………21、设计的主要任务……………22、设计的思路和方法……………23、调研目的和总结………………2第二部分设计说明…………………31、理论分析……………………32、设计方案……………………33、51单片机介绍………………9第三部分设计成果…………………121、单片机控制SPWM单相交流可调稳压电源仿图…………122、Proteus仿真调试法………12第四部分结束语……………………14第五部分致谢…………………15第六部分参考文献………………16

第一部分设计任务与调研1.1设计的主要任务1、①设计并绘制单片机数字调压电路、SPWM波生成电路、大幅脉冲驱动电路、交流Buck变换电路、输出电压采样与反馈电路；②编写单片机调压控制程序并仿真运行；③撰写设计说明书。1.2设计的思路和方法1、依托电工实训中心和自动化设备维修实训中心、充分运用所学专业知识和实践技能，详细制定设计方案和阶段进度计划，通过程序设计、模拟调试、修订完善PLC电气控制系统。利用自己的实践通过制作和设计。2、文献检索、图书馆借阅、手册查询、设备选型、单片机教学。3、目的：①调制法生成SPWM驱动信号的控制电路；②输出电压的检测与单片机数字调压控制；③大幅脉冲驱动控制电路；④交流Buck变换与输出电路；⑤运行安检与故障告警显示控制1.3调研目的和总结近年来不少生产厂家针对柱式交流电力稳压器所存在的缺点，纷纷推出无触点补偿式交流稳压器，大有取代柱式稳压器之势。这种电源实质上仍然是采用自耦方式进行调压，所不同的只是通过控制若干个晶闸管的通断，改变自耦变压器多个固定抽头的组合方式，来代替通过机械传动驱动碳刷改变自耦变压器抽头位置的一种调压方法。这种方法固然提高了稳压电源的可靠性和动态响应速度，但却失去了一个重要的调节特性——平滑性，即调节是有级的，其必然结果是稳压精度低（一般只有3％～5％），并且在调节过程中，当负载电流很大时会冲击电网并产生低频次谐波分量，对负载也会产生冲击；另外采用这种方法所用变压器较多（一相至少需二台，即一台自耦变压器，一台补偿变压器），这就增加了电源的自重和空载损耗。因此欲采用PWM技术将其改进，进而提高稳压电源的各方面性能。总结：通过学习研究课本查找资料了解了更多单片机知识。丰富了自己的经验，通过自己双手完成任务能更全面的提高自己的能力。

第二部分设计说明理论分析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，其中硬件部分主要包括以下模块电路的设计：主电路，电源控制电路，电压采样电路，过零点检测电路，过欠压保护电路，辅助电源电路，双向晶闸管触发电路，电源功率因数检测电路和单片机接口电路。主电路采用交流斩波的方法进行电压补偿，交流斩波电路以PWM的方式进行控制。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。本系统软件部分采用模块化的设计思想将系统软件进行功能块的划分，主要包括两部分：控制部分和检测、显示部分。详细的介绍了各个部分的具体功能，并给出各功能算法及其流程图。控制部分负责选用补偿电压的方式和调整补偿电压的大小：检测、显示部分负责实时的将电源输出电压幅值、电流幅值、功率及功率因数显示在液晶屏幕上。设计方案通过网络查找资料设计电路，检测电压和单片机数字调压调控就留Buck变换与输出电路运行安检与故障告警显示控制，设计并绘制单片机数字调压电路、SPWM波生成电路、大幅脉冲驱动电路、交流Buck变换电路、输出电压采样与反馈电路。图2-1大幅脉冲驱动电路大幅脉冲驱动电路：用NUD4001组成的脉冲驱动线路，调整Rext1值可控制恒流电流的大小；PWM输出脉冲信号使VI按PWM设置的频率工作在开关状态，而V1的工作状态又控制着NUD4001的工作状态同为脉冲方式，则流过LED的电流也为脉冲电流。一般在LED的工作电流指标中除了给出额定电流值外，还会给出工作在脉冲方式时的电流值与占空比值，该值为正常工作电流的5倍左右。由图脉冲驱动电流波形图可知，脉冲驱动峰值电流为平均值的4倍左右，频率为100Hz，占空比为IQ％。该驱动方式的优点是：LED在一个周期中有大部分时间停止工作（90％工作周期），因此LED的发热量几乎可不考虑，同时因发热量的减少而使LED的光衰大为减小，也就延长了LED的使用寿命。因此脉冲驱动方式对LED来说可认为是最有实用价值的方式。脉冲驱动方式是利用人的视觉暂留原理实现的，因此在设定PWM工作频率时不能低于100Hz，否则在视觉上会有光线闪烁的感觉。缺点是线路复杂，成本高。图2-2交流Buck变换电路该电路由Buck型和Boost型AC/AC交流变换器两级级联而成，根据输入电压与基准输出电压的大小比较，其存在三种工作模式：Buck模式、Boost模式和滤波模式。当输入电压高于基准输出电压时，电路工作在Buck模式；当输入电压低于基准输出电压时，电路工作在Boost模式；当输入电压在基准输出电压附近小幅波动时，电路工作在滤波模式。该电路虽然由两级变换器级联而成，并采用两级占空比调制，但实际上最多只存在一级功率变换，具有控制简单、变换效率高等优点。工频变压器体积重量大，没有稳压及调压功能；相控交流调压电路输入、输出含有较严重的谐波分量，一般只适用于热或机械惯性较大的负载功率调整[15]；交-直-交变换器变换级数过多，其变换效率不高，且对电网谐波污染严重；电子变压器体积重量小，其开关器件数量众多，且同样没有稳压及调压功能；高频交流环节AC/AC交流变换器虽然可实现电气隔离，但拓扑结构及控制电路复杂，另开关器件数量众多；矩阵变换器同样存在开关器件多、控制策略复杂的问题，另其最大增益仅为0.866；Buck型和Boost型AC/AC交流变换器虽然电路结构简单，但前者只能实现降压功能，后者只具有升压功能；Buck-Boost型AC/AC交流变换器同样电路结构简单，且能实现升降压功能，但其开关管电压应力高，输入输出之间无直接能量传递通路，从而变换效率不高，且输入输出相位相反。图2-3BUCK电路基本结构图2-3所示电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。

这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。图2-4电感电流连续工作模式图（CCM）输出电压采样与反馈电路：电压采样及反馈电路由光耦PS2701、TL431和阻容网络组成，图中R5和C5用于TL431的频率补偿，不能缺少。通过调节由R6，R7组成的分压网络后得到采样电压，该采样电压与三端可调稳压块TL431提供的2.5V基准电压进行比较，当输出电压正常时，采样电压与TL431提供的2.5V电压基准相等，则TL431的K极电位保持不变，从而流过光耦U3二极管的电流不变，进而流过光耦CE的电流也不变，UC384脚2的反馈电位Uf保持不变，则引脚6输出驱动的占空比不变，输出电压稳定在设定值不变。当输出5V电压因为某种原因升高时，分压网络上得到的输出电压采样值会随之升高，从而TL431的K极电位下降，流过光耦二极管的电流增大，进而流过CE的电流增大，从而UC3842的引脚2的电位升高。由UC3842内部示意图可知：误差放大器A1的输出电压减小，亦即电流检测比较器钳位电压减小，所以由图2可知：UC3842引脚6输出驱动的占空比减小，从而使输出电压减小，这样就完成了反馈稳压的过程。从低通滤波器的对数幅频特性可知，当输入信号频率低于fh时，输出信号与输入信号几乎完全相同;当输人信号频率高于fh时，输出信号会大幅度衰减。利用示波器可以测量Rs采样电阻上的信号频率，因此，选择低通滤波器的RC参数时必须要保证Rs电阻上正常的采样电压不能被滤波器衰减。设计开关电源时，如果RC参数选择不当，使滤波器的上限截止频率fh偏小，导致正常的Rs采样信号被衰减，这样当负载增大时，PWM无法将控制脉冲的占空比调大，变压器会因为负载过重而发生啸叫。为解决这一问题，将滤波电容C的取值减小，进而提高fh，使正常的Rs采样信号通过滤波器，当负载加重时，开关电源可以很好地稳压，变压器的啸叫现象也没有出现。作品特点：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。在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。编写单片机调压控制程序并仿真运程序稳定。电压电流运行正常，电路安全可行。51单片机介绍51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。图3-151系列单片机常见的单片机*Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；*ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；*Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的许多产品国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能，占据着国内51单片机较大市场。基础51单片机·8位CPU·4kbytes程序存储器(ROM)(52为8K)·128bytes的数据存储器(RAM)（52有256bytes的RAM）·32条I/O口线·111条指令，大部分为单字节指令·21个专用寄存器·2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级（52有6个）·一个全双工串行通信口·外部数据存储器寻址空间为64kB·外部程序存储器寻址空间为64kB·逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装·单一+5V电源供电CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。

第三部分设计成果1、单片机控制SPWM单相交流可调稳压电源仿真图图3-12、Proteus仿真调试方法(1)proteus

的工作过程运行proteus

的ISIS

程序后，进入该仿真软件的主界面。在工作前，要设置view

菜单下的捕捉对齐和system下的颜色、图形界面大小等项目。通过工具栏中的p(从库中选择元件命令)命令，pick

devices

窗口中选择电路所需的元件，放置元件并调整其相对位置，元件参数设置，元器件间连线，编写程序；在source

菜单的Definecode

generation

tools

菜单命下，选择程序编译的工具、路径、扩展名等项目；在source

菜单的Add/removesource

files

命令下，加入单片机硬件电路的对应程序；通过debug

菜单的相应命令仿真程序和电路的运行情况。(2)Proteus

软件所提供的元件资源Proteus

软件所提供了30

多个元件库，数千种元件。元件涉及到数字和模拟、交流和直流等。（3）Proteus

软件所提供的仪表资源对于一个仿真软件或实验室，测试的仪器仪表的数量、类型和质量，是衡量实验室是否合格的一个关键因素。Proteus

软件包中，不存在同类仪表使用数量的问题。Proteus

还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似但功能更多。(4)Proteus

软件所提供的调试手段Proteus

提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。对于单片机硬件电路和软件的调试，Proteus

提供了两种方法：一种是系统总体执行效果，一种是对软件的分步调试以看具体的执行情况。对于总体执行效果的调试方法，只需要执行debug

菜单下的execute

菜单项或F12

快捷键启动执行，用debug菜单下的pause

animation菜单项或pause键暂停系统的运行；或用debug

菜单下的stop

animation

菜单项或shift-break

组合键停止系统的运行。其运行方式也可以选择工具栏中的相应工具进行。对于软件的分步调试，应先执行debug

菜单下的start/restart

debugging

菜单项命令，此时可以选择stepover

、step

into

和

step

out

命令执行程序(可以用快捷键F10、F11

和ctrl+F11)，执行的效果是单句执行、进入子程序执行和跳出子程序执行。在执行了start

/

restart

debuging

命令后，在debug菜单的下面要出现仿真中所涉及到的软件列表和单片机的系统资源等，可供调试时分析和查看。

第四部分结束语本文设计的交流稳压电源具有无触点、调压范围宽、稳压精度高、动态响应速度快、功率因数和效率比较高等特点。最后，对机样进行了实验测试，并对实验结果进行分析，实验结果完全符合设计要求。毕业设计归纳和总结：通过这次毕业设计使我学到了更多的单片机知识。了解了更多的原理。对电路的理解更进一步。基于单片机控制的单相交流可调稳压电源这一课题博大精深，实验的过程我遇到很多麻烦。同时也通过自己动手解决了很多问题。为此我很满足。但不能骄傲，了解到了自己的不足。为此我要更加努力丰富自己的能力。建议和设想：我希望实验室设备更加完善同时图书馆增加更多关于单片机资料的知识。我希望下次我能通过自己的双手做出更好的作品。为同学和老师带来惊喜。

第五部分致谢通过这次做毕业设计的锻炼，使我学到了许多书本中没有的东西，从选题到构思设计方案，尤其是在确立设计方案的过程中了解到了很多东西，特别是在芯片的选择上，了解到了许多平时很少接触的芯片的功能及优缺点。通过这次锻炼也给自己树立起了信心，同时也深刻体会到了“遇到困难，解决困难”这句话的含义，只有这样才能真正提高自己的水平，真正的把学到的知识应用到实际中去，真正做到学以至用。经过这一段时间的努力，在指导教师以及同学们的帮助下终于把毕业设计做完。毕竟自己能力有限，没有他们的帮助与支持，不可能靠一个人的力量去完成毕业论文，在此向他们表示真诚的感谢！本课题我多次向高老师提出问题