《电子信息科学与技术专业毕业论文12518.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子信息科学与技术专业毕业论文12518.doc（43页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、毕业论文（设计）基于PIC单片机单相SPWM逆变电源的设计The Design of Inverter Basing on PIC Microcontroller Single-phase SPWM 专 业： 电子信息科学与技术 摘要本系统以单片机PIC16F877A为控制核心的单相全桥式电压型SPWM逆变电源。系统主要由交流220V变压隔离成可调交流电，再整流变换成直流电，SPWM信号通过光耦隔离器控制由开关管MOEFET组成的逆变器件的工作状态，实现对输出的控制，即AC-DC-AC变换。从而得到频率和幅度都可调的正弦交流电，后端再对电压、电流以及频率的采样，从而实现闭环的控制。该逆变电源输
2、出的正弦交流电精度高，性能稳定，实用价值高，在电力电子技术中应用广泛。关键词：SPWM；逆变器；驱动电路；场效应管IRF840AbstractThis system is a single-phase full-bridge voltage-type inverter which is based on PIC16F877A microcontroller. It is mainly transformed from 220V AC to adjustable AC, then rectifies to DC. Signal SPWM controls the working status o
3、f the inverter device which consists of switch MOEFET through the photon coupled isolator. And this procedure achieves the control of the output. That is the AC-DC-AC conversion. Consequently, the sinusoidal alternating current whose frequency and amplitude are both adjustable comes into being. Late
4、r, the samples of voltage, current, and frequency are taken in order to control the closed-loop. The sinusoidal alternating current from this inverter is in possession of high accuracy, stable performance, and high practical utility. Thus, it is widely applied to power electronic technology. Key wor
5、ds: SPWM; inverter Driving; circuit；the field effect manage IRF840目录摘要IABSTRACTI1. 引言12. 系统设计12.1设计要求及思路12.2 PWM 技术基础32.3逆变电路的基本工作原理63.硬件设计73.1单片机电路设计73.2主电路设计83.3驱动电路设计93.4自举电路设计103.5辅助电源电路设计103.6死区电路设计113.7硬软件保护电路设计113.8检测电路设计123.9显示电路设计133.10电源电路设计144软件设计144.1 主程序设计154.2 PIC单片机设置154.3 SPWM 信号的产生过
6、程164.5程序清单（见附录）175 软硬件调试175.1 SPWM信号调试175.2 检测信号调试176测试结果187结束语18致谢19参考文献：20附录21附录1 元器件清单21附录2电路原理图22附录3电路PCB23附录4程序清单241. 引言 电能变换的类型有四种：（1）DC-DC变换器，它是将一种直流电能变换为另一种直流电能的变换器；（2）DC-AC变换器，它是将直流电能变换为交流电能的变换器，这种变流装置称为逆变器；（3）AC-DC变换器，它是将交流电能变换为直流电能的变换器；（4）AC-AC变换器，它是将一种交流电能变换为另一种电能的变换器。在逆变器示出现以前，DC-AC变换是通
7、过直流电动机-交流发电机组来实现的，这种组合称为旋转交流机。随着电力电子技术的高速发展，大功率开关器件和集成控制电路的研发成功，利用半导体技术就可以完成DC-AC变换，这种变换装置称为静止变流器，通常据说的逆变器均指静止逆变器，静止逆变器与旋转交流机相比，其电气特性优良、高效节能、可靠性高、重量轻和体积小。近来，燃料电池的发展方兴未艾，超大功率DC-AC变换器必将取代旋转交流机。现代逆变技术是一门实用技术，随着电力电子技术的高速发展，大量高功率开关器件相继出现，可以满足各行各业对逆变技术的需求，逆变技术的应用领域越来越广泛。2. 系统设计2.1设计要求及思路（1） 主电路设计：交流电220V经
8、隔离变压生成电压可调的交流电，再整流成直流电，由H桥逆变接到负载测量；（2） 控制电路设计：输出四路用于控制H桥逆变电路SPWM信号，上下管要有一定的死区效果(10usdeadtimeuc时使V4通，V3断，uo=Ud ; 当uruc时使V4断，V3通，uo=0; 当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud ； l 当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 5。图6 双极性PWM控制方式波形2.3逆变电路的基本工作原理图3 逆变电路以单相桥式逆变电路为例说明
9、最基本的工作原理，如图3；图中S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。l S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；如图4：图4 S1/S4闭合，S2/S3断开电路和波形图l S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负；如图5：图5 S1、S4闭合，S2、S3断开电路和波形图1) 逆变电路最基本工作原理：改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；2) 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同； 3) 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。3.硬件设计3.1单片机电路设计图17 单片机电路本单片机电路含有上电复位、按键复位和在线仿真接口电路
10、。主芯片PIC16F877A的复位引脚为低电平有效复位，在刚上电时，由于电容两端电压不能暂变，复位引脚为低电平，电容经过一段时间的充电，复位引脚电位逐渐上升，直到达到高电平，使单片机复位。当开关闭合时，MCLP输出底电平，单片机处理复位信号；开关断开时，MCLP输出高电平，不进行复位。3.2主电路设计图7 整流滤波及主电路主电路的工作原理图如图7所示，包括整流滤波电路、单相全桥逆变电路和LC滤波电路。整流滤波电路将输入的单相交流电变成直流电,再经电容的滤波形成文波较小的直流电。全桥逆变电路将直流电变成正弦交流电，经过滤波电路后得到标准的正弦波。此外为了保证安全，在交流电的输入端接一3A的保险丝
11、。 由于输入为交流220V,整流二极管能承受的最大反向电压必须大于612V,两个电容串联使用，耐压必须大于308V，输出功率为500W，输出电流为2.3A左右，所以整流二极管选择1000V/3A的1N5408，电容选择120u/450V的电解电容。IG 6,7取额定电压为462V以上、额定电流3.9A以上的开关器件即可，IRF840最大漏极电流为8A,最大漏源电压为500V可满足要求。电路中各场效应管的栅极控制信号和输出电压的波形，负载为感性负载，工作时IG1和IG4的控制信号完全相同，IG2和IG3的控制信号完全相同。IG1和IG2的通断状态互补，IG3和IG4的通断状态也互补。电路的工作原
12、理2是：当IG1、IG4导通时，IG2、IG3截止；当IG2、IG3导通时，IG1、IG4截止，每个PWM周期中IG1、IG4与 IG2、IG3交替导通截止，从而产生双极性的SPWM波。如此通过控制开关管的工作状态，使得输出脉冲的宽度按正弦规律变化，和正弦波等效，输出即为单相双极性正弦波。若要改变输出正弦波的大小，则只要按照同一调制率改变上述各脉冲的宽度即可。负载处采用LC滤波器来滤除开关频率及邻近频率的谐波，图8 栅极控制信号和输出电压波形3.3驱动电路设计驱动电路的工作原理图如图9所示：采用四路高速光耦隔离器HCPL312010来分别驱动H桥的四个MOS管及实现控制信号与主电路的IO隔离，
13、当信号输入端QG1或QG2为低电平时，芯片内部的光耦三极管导通，6脚和7脚相接可以产生2A的电流，在此处接入下拉电阻目的是为了拉低该处电压，防止在MOS管不工作时候对应的驱动管脚悬空，从而收到其它脉冲的干扰，导致管子误触发。此外，起限流作用，和二极管是为了让启动速度慢，关断时间快，有助于保护MOS管，此处的二极管采用快管4148。图9 驱动电路3.4自举电路设计图10 自举电路由于驱动四个MOS管工作都需要独立电源，为了不使电路结构复杂，故采用自举电路来提供。当下管导通时，输入15V电压通过快恢复二极管、电容、下管形成回路，向相应的电容充电，电容上的电压达到充电电压；下管断开时，电容的上电压维
14、持充电电压，负端的电位跟随下管的电压上升，自己将电位举起，这样电容上的电压就可以为上管驱动提供电源。此处二极管使用快恢复二极管UF4007，当电容充电饱和时，快速截止电容向充电回路放电，这样能够完全对驱动进行充电；采用18V稳压管，可以保证管子不会超出耐压。3.5辅助电源电路设计图11 辅助电源电路采用7815三端稳压电源来做辅助电源，输出15V电压对驱动芯片供电。由交流220 V的电压经过变压器的降压得到交流12 V的电压，该电压经过四个二极管1n4007构成的单相桥式整流电路进行全波整流，经滤波后送入7815的输入端，在输出端3脚输出15 V直流电压， 是滤波电容，分别滤除高频和低频的谐波
15、分量。根据,电容取值为13。3.6死区电路设计图12 死区电路为了防止上下管同时导通，必需设计死区电路来进行保护。单片机输出的SPWM信号，由CD4001或非门和RC延时环节构成死区时间为高电平有效的带死区信号。单片机输出的SPWM信号先经过9013扩流然后分为两路，一路信号经RC单边沿延迟再和输入信号或非生成信号，另一路信号先取反再经RC单边沿延迟后再和取反信号或非生成信号。为了使上下管有足够的保护时间，信号脉冲的前后边沿死区时间要求必需大于10uS，一般取为，根据RC延时时间计算公式,则取得，电阻R可利用电位器来调整。电路各参数取为、。3.7硬软件保护电路设计图13 硬软件保护电路由于主电
16、路出现故障时，应立即封锁SPWM控制信号来保护主电路。故应设计一个由数字逻辑电路和手动开关相结合的保护电路。由于主电路只有一路的过流判断，在过流时会不停的脉动，不能完全封锁SPWM控制信号，故设计时还应另加一路软件保护来同时进行信号的判断，从而让单片机来封锁SPWM控制信号。自锁开关M为手动封锁SPWM控制信号开关，当自锁开关未按下（即开关M的1、2脚相连）时，控制信号输出端QG1、QG210输出为高电平，即无效信号，使主电路不工作。此电路还有一作用是：在系统上电时，封锁了SPWM控制信号，对主电路起到上电保护作用。3.8检测电路设计如图14所示，输出电压电流检测模块通过TV19G采集后端电压
17、，然后通过全波整流电路在输入正弦波，当为正半周时，经过反向比例放大器后，输出电压极性为负，二极管D3导通， D4截止，输出电压为-，再经过反向比例放大器，然后根据叠加原理，可得 =。当为负半周时，经过反向比例放大器，输出电压极性为正，二极管D4导通，D3截止，根据虚短原理，输出电压为0，可得= -。频率检测电路则是利用比较电路，从而实现对频率的采样。在频率检测电路中利用TA060-1采集后端电流然后同样利用全波整流电路，从而实现对电流的采样。 图14 检测电路3.9显示电路设计图15 显示电路显示电路使用液晶12864来设计。液晶显示按照驱动方式不同可分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动
18、（Simple Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）3种10。矩阵LCD的驱动系统包括了行驱动器、列驱动器、偏压电路、驱动电源发生器以及温度补偿电路。从本质上看，行移位寄存器的数据传输方式为串行方式。列驱动器的数据传输方式有两种：其一为串行数据传输方式；其二为4位或8位并行数据传输方式。本系统使用8位并行数据传输方式，并行传输方式使用了一维并行数据接口的驱动器，利用其并行传输控制口RS、R/W、EN和八位数据传输口D0D7进行控制数据显示。PSB脚接高电平，3脚为调节液晶背光。3.10电源电路设计图16 电源电路由交流220 V的电压经过变压器的降压得到交流07.515
19、 V的电压，该电压经过四个二极管1N4007构成的单相桥式整流电路进行全波整流，经滤波后送入7805和7905的输入端，在输出端3脚输出正负5 V直流电压， 是滤波电容，分别滤除高频和低频的谐波分量。根据,电容取值为13。4 软件设计本系统主程序中主要需要实现的任务有：程序系统的初始化；SPWM信号的初始化，利用中断查PWM信号的脉宽值送入CCPR1L，从而实现SPWM信号产生的正弦波的频率从10Hz逐渐增加到75Hz，调制度跟随正弦波频率从0.0逐渐增加到0.8；可以分别根据时间和按键来调节正弦波的频率和调制度；采集后端频率、电压和电流；液晶实时显示正弦波的频率和采样回来的电流电压以及频率。
20、4.1 主程序设计图17 主程序流程图4.2 PIC单片机设置本系统所用晶振12MHz，计算得指令周期即计时步阶为0.33s。PIC单片机CCP外围功能模块的PWM功能实现主要依靠相关寄存器值的设定，且以定时器2（TMR2）作为PWM的时基。相关寄存器的设置如下。 1) SPWM周期的设定由寄存器PR2设定 (PWM)周期=（PR2）4Tosc（TMR2）预分频值2) 定时器TMR2的控制寄存器T2CON设定，因为SPWM频率高，周期短，但系统软件中采用查PWM脉宽的方式来修改PWM脉宽，所用时间少，可满足一个PWM周期改变一次脉宽的要求，故在此寄存器中设置后分频为1：16即可； 3) CCP
21、模块的控制寄存器CCP1CON的设定。选择CCP模块作用于PWM功能模式。 4) 根据PWM输出信号脉宽的公式PWM高电平（脉宽）=CCPR1L:CCP1CON(bit5,bit4)Tosc(TMR2)预分频值计算出每个PWM周期CCPR1L的值。CCPR1L脉宽写入寄存器后，写入的脉宽值在下个TMR2周期开始时转至自定义的单元，通过读自定义的脉宽值来改变PWM脉宽。 5) 寄存器TRISC 对应于CCP1的输入输出设置，应设置为输出形式，即TRISC的bit2 =0。 4.3 SPWM 信号的产生过程 软件控制PIC单片机使之产生SPWM波形，首先将之前设置的寄存器值写入相关寄存器，当PIC
22、的PWM功能开启后TMR2从0开始计数，同时CCP模块引脚输出高电平。 当TMR2CCPR1L时，PWM功能引脚开始输出低电平。 当TMR2PR2时，则TMR2=0，重新开始另一个周期计数，PWM功能引脚开始输出高电平。同时TMR2的中断标志位被系统置高，即TMR2IF=1，转去执行中断服务程序。在中断服务程序中查找脉宽表，将下一个脉宽值写入寄存器CCPR1L中。下个周期输出的PWM的脉宽即为刚写入CCPR1L中的脉宽值，也就是说脉宽的变化在中断程序中实现12、13，中断程序流程如图18所示。图18 中断程序流程图4.5程序清单（见附录）5 软硬件调试5.1 SPWM信号调试单片机输出的SPW
23、M信号经过普通的RC滤波后的到正弦波，如图19：其中R取为10K的普通电阻、C取为104瓷片电容。图19 SPWM信号对应的正弦波5.2 检测信号调试 利用TV19G采集后端的信号然后经过比较电路采集信号如图20所示： 图20采集信号和后端波形6测试结果在逆变器输出端接LC滤波和负载进行测试，负载为333的纯阻性负载，负载两端的输出波形如图21所示：图21负载输出波形负载后端电流电压用采样电路的直接测量，前端电流电压采用万用电表测得，测得的数据及根据测量数据计算所得的值如表2所示：表 2 测试数据输入电压输出电压输入电流输出电流输入功率输出功率效率2519.40.070.031.750.583
24、3.14%5038.90.130.076.502.7241.89%7559.70.220.1316.507.7647.01%125100.10.390.2748.7527.0255.38%175149.50.560.4198.0061.2862.54%本表为正弦信号频率为50Hz、调制度为0.98时所测结果由测试结果可知，负载输出波形基本为正弦波，但存在一定的失真，输入电压越高，效率越好。7结束语本系统利用PIC16F877A芯片的功能，基本上实现了设计的预期功能，能够较好的实现逆变电压的稳定输出，且有较好的带载能力和较高的效率，随输入电压增大后，效率有所提高。致谢在此，我首先要感谢我的指导老
25、师黄成老师对我的悉心指导。他做论文的经验和查找资料的方法对我起了非常大的帮助，多次面对面和电话的指导对我们论文及硬件设计给出了宝贵意见。同时也要感谢在大学四年里陪伴我成长的所有的老师和同学，感谢所有给过我指导和交流的同学。尤其感谢漳州师范学院物理与电子信息工程系的全体老师，教诲我知识，让我终身受益。深深感谢我的父母对我的支持，作为农民的他们虽然不能给我太多的大道理，但是他们用他们的独特方式，他们的兢兢业业，他们的慈爱的眼光，他们的默默无闻，教会了我人生的真谛，让我茁壮成长。父母的教诲是我一生最宝贵的财富，再一次感谢他们对我继续深造的支持。参考文献：1王兆安.黄俊.电力电子技术M.第4版.北京:
26、机械工业出版社，2010.12谢力华，苏彦民.正弦波逆变电源的数字控制技术J .电力电子技术，2001.12 52-54页3周志敏.逆变电源实用技术设计与应用M .中国电力出版社，20054李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用M.科学出版社，20005陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用M.电子工业出版社，20036王水平，王亚聪等编著.MOSFET/IGBT驱动集成电路及应用M. 北京：人民邮电出版社，2009.57周云，虞培义.采用IGBT的正弦波中频逆变电源J.电力电子技术，2003 266-269页8王水平，周培志，张耀进.PWM控制与驱动器使用指南及其应用电路M西安电子科技大学出版社，
27、2005 9夏尚学，田建设，贺春，魏晓光.数字式SPWM型逆变器的谐波分析J.电力自动化设备，2003.2 8-10页10窦伟，黄念慈，于玮，首福俊.单片机控制的正弦波逆变电源J.电力电子技术，2004.12 94-96页11 秦曾煌.电工学M高等教育出版社，2004.112 李荣正，陈启中，陈学军.PIC单片机原理及应用M.第二版.北京航空航天大学出版社，200513 张华林，周小方.电子设计竞赛实训教程M北京航空航天大学出版社，2007.7附录附录1 元器件清单器件型号数量器件型号数量芯片16F877A 1个电阻（）102个HCPL31204个824个IRF8404个1001个CD4001
28、1个1808个CD40112个4702个78151个1K8个78051个2K3个LF3532个10K8个二极管6A104个电解电容150uF/450V2个1N40078个120uF/450V2个UF40072个470uF/25V4个41484个10uF/25V5个稳压管18V2个电容105/630V10个发光二极管3个104/250V1个复位按键5个103/250V1个开关3个1046个晶振4M1个2212个128641快15pF2个保险丝5A1个电位器10K2个敷铜板6*102快5K1个12*121快锰铜丝0.11个15*151快转印纸3张TA060-11个TV19G1个附录2电路原理图附录
29、3电路PCB 附录4程序清单/* 文件: Main.c* 名称：主函数* 平台: PIC16F877A 12晶振* 编写：xiao06 2012-1-3* 修改：* 描述: 系统板 */#include#include#include math.h#include definition.h#include lcd12864.h#include key_scan.h#include myfunction.h #include WORK.h/*初始化*/void mainint(void)if(POR=0)PORTA=0x00;PORTB=0x00;PORTC=0x00;PORTD=0X00;PO
30、RTE=0X00;while(POR=0)POR=1;TRISA = 0x0f;TRISB = 0x00;TRISC = 0x00;/第二个IO口CCP1TRISD = 0x00;TRISE = 0x00;ADCON1= 0X06;INTCON= 0X00;/PIE1=0X00;OPTION= 0x05;/ 1:256TMR0 = 0X64;T1CON=0X31;/开启定时器table = 8; msta = 0;spwm_sta = 0;PIE1=0X00;ADCON1=0x06;/全部为数字口msta = 0;keycnt= 0;LCD_init(); /初始化 ClrBMP(); Dra
31、wRowLine(0,64,127,1); DrawRowLine(0,32,127,1); DrawRowLine(0,16,127,1); DrawRowLine(0,48,127,1); DrawRowLine(0,63,127,1); DrawCollumLine(0,0,63,1); DrawCollumLine(127,0,63,1); _delay_ms(10);RC0=1;TRISB0=1;INTEDG=0;/下降沿触发中断INTE=0;/使能外部中断GIE=0;PEIE=0;T0IE=0;msta=0x00;table = 10;/pwm();void main(void)m
32、ainint();while(1)while(T0IF)CLRWDT();T0IF=0;TMR0=0X64;key_scan();if(k0)ClrScreen(); msta = 1; if(k1)table = 25;/fsin();ClrScreen();LCDPrints(2, 1, 080502230);LCDPrints(0, 2, 工作模块); msta = 2; if(k2)table = 25;ClrScreen(); msta = 3; switch(msta) case 0: work0();break;case 1: work1();break;case 2: work
33、2();break;case 3: work3();break;default: break; /* *中断函数 */void interrupt pic (void) if(TMR2IF) TMR2IF = 0;/LCDPrints(0, 2, 单相逆变); spwm_sta+;if(spwm_sta94) spwm_sta = 0;if(flag0) CCPR1L =CCP_DATAspwm_sta; else CCPR1L =CCP_DATA1spwm_sta; if(CCP2IE&CCP2IF) /GIE=0;if(flag1 = 0)/RC0=0;TMR1L = 0;TMR1H =
34、0;T1CON = 0X31;if(flag1=1)/RC0=1;CCPR2L = TMR1L;CCPR2H= TMR1H;T1CON = 0X30;/GIE=1;CCP2IF = 0;flag1=flag1;/* 文件: WORK.h* 名称：工作函数* 平台: PIC16F877A 20晶振* 编写：xiao06 2011-1-3* 修改：* 描述: 系统板 */* *待机模块 */void work0(void)LCDDisplay1S();LCDPrints(2, 1, 080502230);LCDPrints(3, 2, 待机模块); LCDPrints(2, 3, 毕业设计); L
35、CDPrints(3, 4, .);time+;TMR2IE=0;PEIE=0; uchar i; TRISC2=0;/RC2设置为输出口CCP1CON=0x0c;T2CON=0x06;/设置为16分频GIE=1;TMR2IE=1;INTE = 0;PEIE=1;/* *工作模块 *固定频率50Hz */void work1()/LCDDisplay1S();uchar i;LCDPrints(2, 1, 080502230);LCDPrints(0, 2, 工作模块); LCDPrints(0, 3, 固定频率:);table = 75;Write_Data(table/10%10+0x30);Write_Data(table%10+0x30);LCDWrite(H);LCDWrite(z); LCDPrints(2, 4, .); CCP();/* *工作模块 *自动幅频变换 */void work2()uchar i;time+;if(time400) flag0=0;table+;time = 0; if(table=75) table=75;LCDPrints(0, 3, 幅频变换:);Write_Data(table/10%10+0x30);Write_Data(table%10+0x3
