基于51單片機(jī)觸發(fā)的直流升壓斬波電路研究

1、遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電力電子技術(shù)課程設(shè)計 設(shè) 計 題 目 基于51單片機(jī)觸發(fā)的直流升壓斬波電路 研究 指 導(dǎo) 教 師 劉春喜 院（系、部） 電氣控制工程 專 業(yè) 班 級 電力10-1班 學(xué) 號 1005030104 姓 名 馮旭 日 期 2013年1月13日 電氣工程系課程設(shè)計成績評定表課程設(shè)計成績評定表學(xué)期2012/2013第1學(xué)期姓名馮旭專業(yè)電力系統(tǒng)及其自動化班級電力10-1班課程名稱電力電子技術(shù)設(shè)計題目基于51單片機(jī)觸發(fā)的直流升壓斬波電路研究 成績 評分項目優(yōu)良中及格不及格設(shè)計表現(xiàn)1.設(shè)計態(tài)度非常認(rèn)真認(rèn)真較認(rèn)真一般不認(rèn)真2.設(shè)計紀(jì)律嚴(yán)格遵守遵守基本遵守少量違反嚴(yán)重違反3.獨(dú)立工作能力強(qiáng)較強(qiáng)

2、能獨(dú)立設(shè)計完成基本獨(dú)立設(shè)計完成不能獨(dú)立設(shè)計完成4.上交設(shè)計時間提早或按時按時遲交半天遲交一天遲交一天以上設(shè)計說明書5.設(shè)計內(nèi)容設(shè)計思路清晰，結(jié)構(gòu)方案良好，設(shè)計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容完整，結(jié)果正確設(shè)計思路清晰，結(jié)構(gòu)方案合理，設(shè)計參數(shù)選擇正確，條理清楚，內(nèi)容較完整，極少量錯誤設(shè)計思路較清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設(shè)計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有少量錯誤設(shè)計思路基本清晰，結(jié)構(gòu)方案基本合理，設(shè)計參數(shù)選擇基本正確，調(diào)理清楚，內(nèi)容基本完整，有些錯誤設(shè)計思路不清晰，結(jié)構(gòu)方案不合理，關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)選擇有錯誤，調(diào)理清楚，內(nèi)容不完整，有明顯錯誤6.設(shè)計書寫、字體、排版規(guī)范、整潔、有條理，排版很好較

3、規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規(guī)范、整潔、有條理，排版有問題較多不規(guī)范、不整潔、無條理，排版有問題很大7.封面、目錄、參考文獻(xiàn)完整較完整基本完整缺項較多不完整圖紙8.繪圖效果很出色較出色一般較差很差9.布局合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10.繪圖工程標(biāo)準(zhǔn)符合標(biāo)準(zhǔn)較符合標(biāo)準(zhǔn)基本符合標(biāo)準(zhǔn)個別不符合標(biāo)準(zhǔn)完全不符合標(biāo)準(zhǔn)評定說明：不及格標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計內(nèi)容一項否決制，即5為不及格，整個設(shè)計不及格，其他4項否決；優(yōu)、良、中、及格標(biāo)準(zhǔn)：以設(shè)計內(nèi)容為主體，其他項超過三分之一為評定標(biāo)準(zhǔn)，否則評定為下一等級；如優(yōu)秀評定，設(shè)計內(nèi)容要符合5，其余九項要有4項符合才能評

4、定為優(yōu)，否則評定為良好，以此類推。最終成績： 評定教師簽字：課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目基于51單片機(jī)觸發(fā)的直流升壓斬波電路研究二、設(shè)計任務(wù)設(shè)計基于51單片機(jī)觸發(fā)的直流升壓斬波電路，并用MATLAB仿真軟件對下列兩個題目進(jìn)行仿真： （1）周期設(shè)為1KHz ,占空比為50%,電感為10mH,電容為2200uF,負(fù)載為100時直流升壓斬波電路的負(fù)載輸出波形及輸出電壓大小。 （2）負(fù)載不變?yōu)?00，頻率1KHz，占空比從5%到95%以等百分比遞增時，直流升壓斬波電路的負(fù)載輸出波形及輸出電壓大小。三、設(shè)計計劃課程設(shè)計共一周內(nèi)完成。第1天，選擇設(shè)計題目，確定設(shè)計任務(wù)，查閱資料；第2天，主電路設(shè)計；第3天，

5、控制電路設(shè)計；第4天，仿真驗證；第5天，完成設(shè)計。四、設(shè)計要求按設(shè)計任務(wù)和格式要求完成課程設(shè)計說明書一份。設(shè)計必須按期完成。指 導(dǎo) 教師：劉春喜 張繼華 李國華教研室主任：李洪珠時 間：2013年 1 月 6 日摘要 本設(shè)計基于AT89S51單片機(jī)為核心的PWM升壓斬波電路(Boost Chopper)。設(shè)計由硬件電路與軟件電路組成。通過對升壓斬波電路的分析來理解其典型應(yīng)用，最后通過MATLAB仿真來進(jìn)行驗證。與傳統(tǒng)的電路相比，本設(shè)計加入了MATLAB仿真，這樣更直觀的顯示出了電路的工作狀態(tài)。同時相對于單純依靠電路元件而形成的觸發(fā)脈沖進(jìn)行的PWM調(diào)制，基于AT89S51單片機(jī)的PWM發(fā)生裝置具

6、有電路簡單，可調(diào)性高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：MATLAB 升壓斬波 PWM目錄0引言11 升壓斬波電路的基本原理22 單片機(jī)PWM42.1綜述42.2 總體硬件組成框圖52.3 硬件組成52.3.1 AT89S51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)52.3.2 LED顯示電路62.3.3 按鍵接口電路62.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計72.4.1 定時中斷子程序72.4.2 按鍵及顯示子程序83 仿真結(jié)果及結(jié)論94 個人心得體會14參考文獻(xiàn)15附錄1 單片機(jī)程序語言16附錄2 整體電路圖19遼寧工程技術(shù)大學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計0引言 直流斬波電路的種類較多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、C

7、uk斬波電路、Sepicc斬波電路和Zeta斬波電路。直流斬波技術(shù)已被廣泛運(yùn)用開關(guān)電源及直流電動機(jī)驅(qū)動中，使其控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應(yīng)、節(jié)約電能的效果。直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術(shù)，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前采用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調(diào)整特性。隨電子技術(shù)的發(fā)展，近年來已發(fā)展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設(shè)計，還大幅度的減少元器件數(shù)量、連線和焊點(diǎn)。1 升壓斬波電路的基本原理 升壓斬波電路的原理圖如圖1所示。該電路中使用一個全控型器件P-MOSFET，即為電力場效應(yīng)晶體

8、管。它是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個顯著特點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率??；第二個顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度快、工作頻率高。圖1 升壓斬波電路原理圖分析升壓斬波電路的工作原理時，首先假設(shè)電路中電感值極大，電容C值極大。當(dāng)可控開關(guān)V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為,同時電容C上的電壓向負(fù)載R供電。因電感C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，即為。設(shè)V處于通態(tài)的時間為，此階段電感L上積蓄的能量為。當(dāng)V處于斷態(tài)E和L共同向電容C充電并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間為，則電感L釋放的能量為。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即 (1-1) 化簡

9、的結(jié)果為 (1-2)式中，故稱該電路為升壓斬波電路。電路中導(dǎo)通角與關(guān)斷角的關(guān)系如下所示 （1-3） 因此，式（1-2）可表示為 （1-4）升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關(guān)鍵有兩個原因：一是電感L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C的作用使得輸出電壓不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負(fù)載放電，必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于式（1-4）所得結(jié)果。不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。 如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負(fù)載R消耗，即 （1-5） 該式表明，升壓斬波電路可看成是直流變壓器。 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)并結(jié)合式（1-4）得出輸出電流的平均值

10、為 （1-6） 由式（1-5）即可得出電源電流為 （1-7） 2 單片機(jī)PWM2.1綜述在升壓斬波電路中，保持開關(guān)周期不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間，為脈沖寬度調(diào)制（PWM,Pulse Width Modulation）或脈沖調(diào)寬型。為獲得精準(zhǔn)的觸發(fā)脈沖，通常選用AT89S51單片機(jī)做為脈沖發(fā)生器。AT89S51是一個低功耗，高性能8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K Bytes ISP的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾

11、多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 目前AT89S51單片機(jī)多采用40個引腳的雙列直插封裝（DIP）方式，其引腳分布如下圖所示：圖2-1 AT89S51雙列直插封裝方式的引腳AT89S51單片機(jī)無PWM輸出功能，可以采用定時器配合軟件的方法輸出。這種方法精度相對較高，非常實用。其電路圖如圖3-2所示，采用高速光隔（6N137）輸出，并將PWM的信號倒相。圖2-2 AT89S51單片機(jī)PWM輸出電路圖2.2 總體硬件組成框圖圖2-3 總體硬件組成框圖系統(tǒng)框圖如圖2-3所示，系統(tǒng)主要由五大模塊組成即時鐘電路、LED顯示、復(fù)位電路、按鍵電路和示波器顯示。2.3 硬件組成2.3.1 AT89S51單

12、片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有4KB的閃爍存儲器，本身就是一個數(shù)字量輸入/輸出的最小應(yīng)用系統(tǒng)。在構(gòu)建AT89S51單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)時，AT89S51單片機(jī)需要外接時鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖2-4所示。注意，本最小應(yīng)用系統(tǒng)只能作為小型的數(shù)字量測控單元。圖2-4 AT89S51單片機(jī)構(gòu)成的最小應(yīng)用系統(tǒng)2.3.2 LED顯示電路 如圖2-5所示，由于外電路不需要占用很多的I/O口，因此在本設(shè)計中數(shù)碼管與AT89S51的P0口和P2口直接相連，采用靜態(tài)顯示的方法，具有亮度高等優(yōu)點(diǎn)。 圖2-5 LED顯示電路2.3.3 按鍵接口電路 如圖2-6所示，圖中K1與P3.2相連，控制占空比變

13、化步進(jìn)為1，K2與P3.3相連，控制占空比變化步進(jìn)為5。 圖2-6 按鍵接口電路2.4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 本系統(tǒng)中AT89S51單片機(jī)的主要功能就是實現(xiàn)占空比可調(diào)、產(chǎn)生方波并通過LED顯示器和示波器顯示出來。其主程序流程如圖2-7所示。 圖2-7 主程序流程圖 2.4.1 定時中斷子程序 定時器中斷子程序中有定時器0和定時器1中斷，定時器0控制占空比變化步進(jìn)為1，如圖2-8；定時器1控制占空比變化步進(jìn)為5，如圖2-9。 圖2-8 定時器0中斷流程圖 圖2-9 定時器1中斷流程圖2.4.2 按鍵及顯示子程序 按鍵及顯示子程序設(shè)計流程圖如圖2-10所示。圖2-10 按鍵顯示流程圖3 仿真結(jié)果及結(jié)論物

14、理仿真需要進(jìn)行大量的設(shè)備制造、安裝、連接及調(diào)試工作，其投資大、周期長、靈活性差、改變參數(shù)難、模型難以重用，且實驗數(shù)據(jù)處理也不方便。但是計算機(jī)仿真卻可以解決這個問題。只要有一臺計算機(jī)就可以對不同的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和研究，而且進(jìn)行一次仿真實驗研究的準(zhǔn)備工作也比較簡單，主要是控制系統(tǒng)的建模、控制方式的確立和計算機(jī)編程。本系統(tǒng)采用MATLAB自帶的動態(tài)仿真集成環(huán)境-SIMULINK進(jìn)行仿真。SIMULINK是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析的軟件包。它支持連續(xù)、離散、及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。它為用戶提供了一個圖形化得用戶界面（GUI）。它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真相比具有更直觀、更方便

15、、更靈活的優(yōu)點(diǎn)。其仿真電路圖如圖4-1所示：圖3-1 仿真電路圖 周期設(shè)為1KHz ,占空比為50%,電感為10mH,電容為2200uF,負(fù)載為100時進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下：圖3-2 負(fù)載電壓98.2V圖3-3 流經(jīng)電感L的電流值為0.982A 由圖3-2中V1可以看到負(fù)載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關(guān)系。即滿足理論計算公式。 當(dāng)負(fù)載不變?yōu)?00，頻率1KHz，占空比從5%到95%以等百分比遞增時，輸出電壓，與輸入電壓和電路參數(shù)之間的關(guān)系。 占空比5%圖3-4 負(fù)載電壓51.8V圖3-5 流經(jīng)電感L的電流值為0.518A 從圖3-4負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為51.8V，基本上符合理論

16、計算： 占空比15%圖3-6 負(fù)載電壓57.4V圖3-7 流經(jīng)電感L的電流值為0.57A 從圖3-6負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為51.8V，基本上符合理論計算： 占空比25%圖3-8 負(fù)載電壓65.5V圖3-9 流經(jīng)電感L的電流值為0.65A 從圖3-8負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為65.5V，基本上符合理論計算：占空比35%圖3-10 負(fù)載電壓75.6V圖3-11 流經(jīng)電感L的電流值為0.75A 從圖3-10負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為75.6V，基本上符合理論計算： 占空比45%圖3-12 負(fù)載電壓89.3V圖3-13 流經(jīng)電感L的電流值為0.89A 從圖3-12負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為

17、89.3V，基本上符合理論計算： 占空比55%圖3-14 負(fù)載電壓109.1V圖3-15 流經(jīng)電感L的電流值為1.09A 從圖3-14負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為109.1V，基本上符合理論計算： 占空比65%圖3-16 負(fù)載電壓140.2V圖3-17 流經(jīng)電感L的電流值為1.042A 從圖3-16負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為140.2V，基本上符合理論計算：占空比75%圖3-18 負(fù)載電壓196.2V圖3-19流經(jīng)電感L的電流值為1.962A 從圖3-18負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為196.2V，基本上符合理論計算： 占空比85%圖3-20 負(fù)載電壓325V圖3-21流經(jīng)電感L的電流值為3.

18、25A 從圖3-20負(fù)載電壓可以看出負(fù)載電壓約為325V，基本上符合理論計算： 通過仿真數(shù)值可得：該設(shè)計仿真值符合理論結(jié)算值。 4 個人心得體會經(jīng)過近一個星期的努力我終于順利的完成了此次電力電子的課程設(shè)計，其中遇到了許多的問題和困難但是也學(xué)到了很多的知識。 遇到的問題和困難： (1) 在計算元器件參數(shù)是缺少理論依據(jù)難以正確的計算相應(yīng)的參數(shù)。 (2) 在選取元器件型號和參數(shù)時，缺少實際經(jīng)驗難以找到合適的元件。 (3) 在用MATLAB軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費(fèi)的很多時間才達(dá)到有效效果。(4) 在對單片機(jī)進(jìn)行外電路設(shè)計時，失敗了很多次。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學(xué)

19、習(xí)解決了這些難題。 學(xué)到的知識： (1) 通過這次課程設(shè)計我夯實了電力電子和單片機(jī)的基礎(chǔ)知識。 (2) 對直流斬波及單片機(jī)程序及外電路設(shè)計有了更深層次的理解。 (3) 對MATLAB軟件和電路原理圖的設(shè)計有了初步了解。 (4) 在面對學(xué)習(xí)上的困難時一定要堅持不懈的努力才能打敗困難，獲得更多以的知識。相信我在未來的學(xué)習(xí)與生活中，能牢記此次課程設(shè)計的教訓(xùn)，吸取此次課程設(shè)計的經(jīng)驗，從而追求更高的目標(biāo)。13參考文獻(xiàn)1 王兆安，劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)M. 5版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.2 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用M. 2版. 北京：高等教育出版社,2012.3 周永金. 模擬電子技術(shù)與應(yīng)用J

20、. 西安：陜西國防學(xué)院電子教研室,2005.4 邊春遠(yuǎn),王志強(qiáng). MCS-51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)實用子程序M. 北京：人民郵電出 版社,2005.5 康華光,陳大欽. 電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 4版. 北京：高等教育出版社,1998.6 李國勇,謝克明,楊麗娟. 計算機(jī)仿真技術(shù)與CAD-基于MATLAB的控制系統(tǒng) M.北京：電子工業(yè)出版社,2008.附錄1 單片機(jī)程序語言 COUNT EQU 30H AS EQU 30H M EQU 35H ORG 0000H LJMP START ORG 0003HLJMP INT00ORG 0013HLJMP INT11START: SETB EX0SETB PX0SETB IT0SETB EX1CLR PX1SETB 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