基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究.doc

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1、辽宁工程技术大学 电力电子技术课程设计 设 计 题 目 基于51单片机触发的直流升压斩波电路 研究 指 导 教 师 刘春喜 院（系、部） 电气控制工程 专 业 班 级 电力10-1班 学 号 1005030104 姓 名 冯旭 日 期 2013年1月13日 电气工程系课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表学期2012/2013第1学期姓名冯旭专业电力系统及其自动化班级电力10-1班课程名称电力电子技术设计题目基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究 成绩 评分项目优良中及格不及格设计表现1.设计态度非常认真认真较认真一般不认真2.设计纪律严格遵守遵守基本遵守少量违反严重违反3.独立工作能力强较强

2、能独立设计完成基本独立设计完成不能独立设计完成4.上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天迟交一天以上设计说明书5.设计内容设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误6.设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版很好较

3、规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大7.封面、目录、参考文献完整较完整基本完整缺项较多不完整图纸8.绘图效果很出色较出色一般较差很差9.布局合理、美观较合理基本合理有些混乱布局混乱10.绘图工程标准符合标准较符合标准基本符合标准个别不符合标准完全不符合标准评定说明：不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评

4、定为优，否则评定为良好，以此类推。最终成绩： 评定教师签字：课程设计任务书一、设计题目基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究二、设计任务设计基于51单片机触发的直流升压斩波电路，并用MATLAB仿真软件对下列两个题目进行仿真： （1）周期设为1KHz ,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100时直流升压斩波电路的负载输出波形及输出电压大小。 （2）负载不变为100，频率1KHz，占空比从5%到95%以等百分比递增时，直流升压斩波电路的负载输出波形及输出电压大小。三、设计计划课程设计共一周内完成。第1天，选择设计题目，确定设计任务，查阅资料；第2天，主电路设计；第3天，

5、控制电路设计；第4天，仿真验证；第5天，完成设计。四、设计要求按设计任务和格式要求完成课程设计说明书一份。设计必须按期完成。指 导 教师：刘春喜 张继华 李国华教研室主任：李洪珠时 间：2013年 1 月 6 日摘要 本设计基于AT89S51单片机为核心的PWM升压斩波电路(Boost Chopper)。设计由硬件电路与软件电路组成。通过对升压斩波电路的分析来理解其典型应用，最后通过MATLAB仿真来进行验证。与传统的电路相比，本设计加入了MATLAB仿真，这样更直观的显示出了电路的工作状态。同时相对于单纯依靠电路元件而形成的触发脉冲进行的PWM调制，基于AT89S51单片机的PWM发生装置具

6、有电路简单，可调性高等特点。关键词：MATLAB 升压斩波 PWM目录0引言11 升压斩波电路的基本原理22 单片机PWM42.1综述42.2 总体硬件组成框图52.3 硬件组成52.3.1 AT89S51单片机的最小应用系统52.3.2 LED显示电路62.3.3 按键接口电路62.4 系统的软件设计72.4.1 定时中断子程序72.4.2 按键及显示子程序83 仿真结果及结论94 个人心得体会14参考文献15附录1 单片机程序语言16附录2 整体电路图190引言 直流斩波电路的种类较多，包括六种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepicc斩波电路和

7、Zeta斩波电路。直流斩波技术已被广泛运用开关电源及直流电动机驱动中，使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，这种电路把直流电压斩成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。PWM控制方式是目前采用最广泛的一种控制方式，它具有良好的调整特性。随电子技术的发展，近年来已发展各种集成式控制芯片，这种芯片只需外接少量元器件就可以工作，这不但简化设计，还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。1 升压斩波电路的基本原理 升压斩波电路的原理图如图1所示。该电路中使用一个全控型器件P-MOSFET，即为电力场效应晶体管。它是用栅极电压来控制漏极电流的，

8、因此它的一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。图1 升压斩波电路原理图分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感值极大，电容C值极大。当可控开关V处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为,同时电容C上的电压向负载R供电。因电感C值很大，基本保持输出电压为恒值，即为。设V处于通态的时间为，此阶段电感L上积蓄的能量为。当V处于断态E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。设V处于断态的时间为，则电感L释放的能量为。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即 (1-1) 化简的结果为 (1-2)式中，故称该电路

9、为升压斩波电路。电路中导通角与关断角的关系如下所示 （1-3） 因此，式（1-2）可表示为 （1-4）升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C的作用使得输出电压不变，但实际上C值不可能为无穷大，在此阶段其向负载放电，必然会有所下降，故实际输出电压会略低于式（1-4）所得结果。不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略。 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 （1-5） 该式表明，升压斩波电路可看成是直流变压器。 根据电路结构并结合式（1-4）得出输出电流的平均值为 （1-6） 由式（1-5）即可得

10、出电源电流为 （1-7） 2 单片机PWM2.1综述在升压斩波电路中，保持开关周期不变，调节开关导通时间，为脉冲宽度调制（PWM,Pulse Width Modulation）或脉冲调宽型。为获得精准的触发脉冲，通常选用AT89S51单片机做为脉冲发生器。AT89S51是一个低功耗，高性能8位单片机，片内含4K Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

11、 目前AT89S51单片机多采用40个引脚的双列直插封装（DIP）方式，其引脚分布如下图所示：图2-1 AT89S51双列直插封装方式的引脚AT89S51单片机无PWM输出功能，可以采用定时器配合软件的方法输出。这种方法精度相对较高，非常实用。其电路图如图3-2所示，采用高速光隔（6N137）输出，并将PWM的信号倒相。图2-2 AT89S51单片机PWM输出电路图2.2 总体硬件组成框图图2-3 总体硬件组成框图系统框图如图2-3所示，系统主要由五大模块组成即时钟电路、LED显示、复位电路、按键电路和示波器显示。2.3 硬件组成2.3.1 AT89S51单片机的最小应用系统AT89S51单片

12、机内部有4KB的闪烁存储器，本身就是一个数字量输入/输出的最小应用系统。在构建AT89S51单片机最小应用系统时，AT89S51单片机需要外接时钟电路和复位电路即可，如图2-4所示。注意，本最小应用系统只能作为小型的数字量测控单元。图2-4 AT89S51单片机构成的最小应用系统2.3.2 LED显示电路 如图2-5所示，由于外电路不需要占用很多的I/O口，因此在本设计中数码管与AT89S51的P0口和P2口直接相连，采用静态显示的方法，具有亮度高等优点。 图2-5 LED显示电路2.3.3 按键接口电路 如图2-6所示，图中K1与P3.2相连，控制占空比变化步进为1，K2与P3.3相连，控制

13、占空比变化步进为5。 图2-6 按键接口电路2.4 系统的软件设计 本系统中AT89S51单片机的主要功能就是实现占空比可调、产生方波并通过LED显示器和示波器显示出来。其主程序流程如图2-7所示。 图2-7 主程序流程图 2.4.1 定时中断子程序 定时器中断子程序中有定时器0和定时器1中断，定时器0控制占空比变化步进为1，如图2-8；定时器1控制占空比变化步进为5，如图2-9。 图2-8 定时器0中断流程图 图2-9 定时器1中断流程图2.4.2 按键及显示子程序 按键及显示子程序设计流程图如图2-10所示。图2-10 按键显示流程图3 仿真结果及结论物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、

14、连接及调试工作，其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用，且实验数据处理也不方便。但是计算机仿真却可以解决这个问题。只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究，而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单，主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。本系统采用MATLAB自带的动态仿真集成环境-SIMULINK进行仿真。SIMULINK是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。它为用户提供了一个图形化得用户界面（GUI）。它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。其仿真电路图如图4-

15、1所示：图3-1 仿真电路图 周期设为1KHz ,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100时进行仿真，仿真结果如下：图3-2 负载电压98.2V图3-3 流经电感L的电流值为0.982A 由图3-2中V1可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。即满足理论计算公式。 当负载不变为100，频率1KHz，占空比从5%到95%以等百分比递增时，输出电压，与输入电压和电路参数之间的关系。 占空比5%图3-4 负载电压51.8V图3-5 流经电感L的电流值为0.518A 从图3-4负载电压可以看出负载电压约为51.8V，基本上符合理论计算： 占空比15%图3-6 负载电

16、压57.4V图3-7 流经电感L的电流值为0.57A 从图3-6负载电压可以看出负载电压约为51.8V，基本上符合理论计算： 占空比25%图3-8 负载电压65.5V图3-9 流经电感L的电流值为0.65A 从图3-8负载电压可以看出负载电压约为65.5V，基本上符合理论计算：占空比35%图3-10 负载电压75.6V图3-11 流经电感L的电流值为0.75A 从图3-10负载电压可以看出负载电压约为75.6V，基本上符合理论计算： 占空比45%图3-12 负载电压89.3V图3-13 流经电感L的电流值为0.89A 从图3-12负载电压可以看出负载电压约为89.3V，基本上符合理论计算： 占

17、空比55%图3-14 负载电压109.1V图3-15 流经电感L的电流值为1.09A 从图3-14负载电压可以看出负载电压约为109.1V，基本上符合理论计算： 占空比65%图3-16 负载电压140.2V图3-17 流经电感L的电流值为1.042A 从图3-16负载电压可以看出负载电压约为140.2V，基本上符合理论计算：占空比75%图3-18 负载电压196.2V图3-19流经电感L的电流值为1.962A 从图3-18负载电压可以看出负载电压约为196.2V，基本上符合理论计算： 占空比85%图3-20 负载电压325V图3-21流经电感L的电流值为3.25A 从图3-20负载电压可以看出

18、负载电压约为325V，基本上符合理论计算： 通过仿真数值可得：该设计仿真值符合理论结算值。 4 个人心得体会经过近一个星期的努力我终于顺利的完成了此次电力电子的课程设计，其中遇到了许多的问题和困难但是也学到了很多的知识。 遇到的问题和困难： (1) 在计算元器件参数是缺少理论依据难以正确的计算相应的参数。 (2) 在选取元器件型号和参数时，缺少实际经验难以找到合适的元件。 (3) 在用MATLAB软件仿真是遇到了许多操作上的问题，致使仿真花费的很多时间才达到有效效果。(4) 在对单片机进行外电路设计时，失败了很多次。虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断的学习解决了这些难题。 学到的知识： (

19、1) 通过这次课程设计我夯实了电力电子和单片机的基础知识。 (2) 对直流斩波及单片机程序及外电路设计有了更深层次的理解。 (3) 对MATLAB软件和电路原理图的设计有了初步了解。 (4) 在面对学习上的困难时一定要坚持不懈的努力才能打败困难，获得更多以的知识。相信我在未来的学习与生活中，能牢记此次课程设计的教训，吸取此次课程设计的经验，从而追求更高的目标。参考文献1 王兆安，刘进军. 电力电子技术M. 5版. 北京：机械工业出版社,2009.2 张毅刚. 单片机原理及应用M. 2版. 北京：高等教育出版社,2012.3 周永金. 模拟电子技术与应用J. 西安：陕西国防学院电子教研室,200

20、5.4 边春远,王志强. MCS-51单片机应用开发实用子程序M. 北京：人民邮电出 版社,2005.5 康华光,陈大钦. 电子技术基础M. 4版. 北京：高等教育出版社,1998.6 李国勇,谢克明,杨丽娟. 计算机仿真技术与CAD-基于MATLAB的控制系统 M.北京：电子工业出版社,2008.附录1 单片机程序语言 COUNT EQU 30H AS EQU 30H M EQU 35H ORG 0000H LJMP START ORG 0003HLJMP INT00ORG 0013HLJMP INT11START: SETB EX0SETB PX0SETB IT0SETB EX1CLR P

21、X1SETB IT1SETB EACLR P1.5MOV TMOD,#21HMOV TH1,#38HMOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HSETB TR0SETB TR1MOV DPTR,#TABLEMOV M,#50MOV P0,#3FHMOV P2,#6DHMOV AS,#0 TOP:SETB TR1SETB P1.0CLR P1.1MOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HMOV AS,#0 MOV B,#10 MOV A,M MOV B,#100 DIV AB JZ TIME1 MOV B,#10 CLERK:SETB P1.5 LCALL DELAY CLR

22、P1.5 LCALL DELAY SETB P1.5 LCALL DELAY CLR P1.5 MOV M,#50 LCALL SHOW LJMP TOP TIME1:JBC TF1,NEXT SJMP TIME1 NEXT:INC AS MOV A,M CJNE A,AS,TIME1 CLR P1.0 SETB P1.1 CLR TR1 TIME0:JBC TF0,TOP SJMP TIME0 INT00:JNB P1.2,LOOP1 INC M LCALL SHOW RETI LOOP1:DEC M LCALL SHOW RETI INT11:JNB P1.2,LOOP MOV A,M A

23、DD A,#5 MOV M,A LCALL SHOW RETI LOOP:MOV A,M SUBB A,#5 MOV M,A LCALL SHOW RETI SHOW:MOV A,M MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV P2,A MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV P0,A MOV B,#10 RET DELAY:MOV R6,#0FFH DEY1:MOV R7,#0FFH DEY2:MOV R5,#3 DJNZ R5,$ DJNZ R7,DEY2 DJNZ R6,DEY1 RET TABLE:DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH END附录2 总电路图