基于單片機控制單相交流調(diào)功器的設計—電氣工程課程設計

1、課程設計任務書課程 電氣工程課程設計 題目 基于單片機控制單相交流調(diào)功器的設計 專業(yè) 電氣工程及其自動化 姓名 學號 100603140216 主要內(nèi)容：基于單片機的單相交流調(diào)功器主要分為四大模塊：信號放大模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、單片機控制模塊、調(diào)功電路。工作流程：來自傳感器的模擬信號經(jīng)過放大?？斓膬杉壏糯筝敵龅絘/d轉(zhuǎn)換模塊，a/d轉(zhuǎn)換模塊在調(diào)功器啟動的時候已經(jīng)準備就緒，此時它接受到了信號在單片機的配合下進行a/d轉(zhuǎn)換工作，轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過單片機傳送到調(diào)功模塊，這個信號跟調(diào)功模塊的信號進行運算，輸出到光耦合器件，通過光耦合器件控制驅(qū)動電路，實現(xiàn)對信號的放大，從而驅(qū)動控制晶閘管的通斷，達到對負載調(diào)

2、功的目的。參考資料：1 王 鑫，李 威.plc機電控制系統(tǒng)應用設計技術.北京：電子工業(yè)出版社，20102 范永勝，王 岷.電氣控制與plc應用.北京：中國電力出版社，20073 魯遠東.plc機電控制系統(tǒng)應用設計技術.北京：中國電力出版社，20104 張華宇.數(shù)控機床電氣及plc控制技術.北京：中國電力出版社，20105 肖 峰，賀哲榮.plc編程100例. 北京：中國電力出版社，2009完成期限 2013.12.2至2013.12.15 指導教師 專業(yè)負責人 2013年 12 月 15 日電氣工程課程設計（報告）目 錄1 設計要求12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計13 方案論證1 3.1 信號放大典論1 3

3、.2 a/d轉(zhuǎn)換模式2 3.3 單片機3 3.4 調(diào)功電路34 最佳方案45 硬件設計6 5.1 信號放大器的設計6 5.2 a/d轉(zhuǎn)換器的設計7 5.3 單片機對ad574的控制7 5.4 調(diào)功電路的設計8 6 結(jié)論10附錄一.13 附錄二.14附錄三.151 設計要求1對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。2. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。3. 對項目設計結(jié)果進行分析。3. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。4.課程設計說明書應嚴格按統(tǒng)一格式打印，資料齊全，堅決杜絕抄襲，雷同現(xiàn)象。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計基于單片機的單相

4、交流調(diào)功器，顧名思義是要通過單片機編程控制實現(xiàn)交流調(diào)功。通常來自傳感器的信號是伏級的模擬信號，而單片機的接口電壓為+5v，因此需要一個信號放大電路和一個a/d轉(zhuǎn)換電路。信號通過放大轉(zhuǎn)換之后輸送到單片機，單片機通過運行指令，控制輸出脈沖，通過脈沖驅(qū)動主電路晶閘管，從而達到調(diào)功的目的。系統(tǒng)框圖如圖1.1所示：圖1-1基于單片機的單相交流調(diào)功器設計框圖3 方案論證3.1 信號放大典論通信系統(tǒng)中使用的小信號放大器分為兩類，一類是諧振放大器，諧振放大器都是選頻的窄帶放大器，并聯(lián)諧振回路、耦合諧振回路和各種固體濾波器是其負載。諧振放大器的主要參數(shù)除了電壓放大倍數(shù)（增益）、輸入阻抗、輸出阻抗外，通頻帶和選擇

5、性是有別于其它放大器的重要的參數(shù)。另一類是寬帶放大器，實用中的寬帶放大器多為集成放大器。分離元件的諧振放大器通常采用y參數(shù)等效電路來分析計算，單管單調(diào)諧放大器和單管雙調(diào)諧放大器的分析計算是本章的重點，這一章要注意計算公式的靈活應用。小信號放大器能否穩(wěn)定工作是電路設計和調(diào)整中必須考慮的問題，但是穩(wěn)定性涉及的問題比較多，計算只能為電路調(diào)整指一個方向，需要根據(jù)實際情況進行仔細地調(diào)整。集成寬帶放大器+集中選頻濾波器是目前小信號放大器的方向。寬帶放大器也存在穩(wěn)定工作的問題，當頻率比較高時，需要認真考慮阻抗匹配問題。在本系統(tǒng)中放大電路可以采用集成芯片，集成放大芯片具有精度高、穩(wěn)定性好、輸入阻抗高、穩(wěn)定性好

6、等優(yōu)點?？梢圆捎玫男酒衋d620、op725、op07等。3.2 a/d轉(zhuǎn)換模式a/d轉(zhuǎn)換的作用是將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號。a/d轉(zhuǎn)換要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的。一般取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉(zhuǎn)換過程中同時實現(xiàn)的。由于實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的a/d轉(zhuǎn)換芯片。a/d轉(zhuǎn)換器按分辨率分為4位、6位、8位、10位、14位、16位和bcd碼的31/2位、51/2位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速（轉(zhuǎn)換時間330ns），次超高速（3303.3s），高速（轉(zhuǎn)換時間3.3333

7、s），低速（轉(zhuǎn)換時間330s）等。a/d轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接a/d轉(zhuǎn)換器和間接a/d轉(zhuǎn)換器。所謂直接a/d轉(zhuǎn)換器，是把模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實現(xiàn)，且能達到較高的分辨率和速度，故目前集成化a/d芯片采用逐次逼近型者多；間接a/d轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時間轉(zhuǎn)換型（積分型），電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型a/d轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。位數(shù)越高，分辨率越高。若小于最小變化量的輸入模擬電壓的任何變化，將不會引起輸出數(shù)字值的變化

8、。 采用12-bit 的ad574，若是滿刻度為10v的話，分辨率即為10v / 212 = 2.44mv。 而常用的8-bit 的adc0804，若是滿刻度為5v的話，分辨率即為5v / 28 = 19.53mv。 選擇適用的a/d轉(zhuǎn)換器是相當重要的，并不是分辨率越高越好。 不需要分辨率高的場合，所擷取到的大多是噪聲。 分辨率太低，會有無法取樣到所需的信號。 （1）轉(zhuǎn)換誤差 通常以相對誤差的形式輸出，其表示a/d轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字值與理想輸出數(shù)字值的差別，并用最低有效位lsb的倍數(shù)表示。 （2）轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是a/d轉(zhuǎn)換完成一次所需的時間。 從啟動信號開始到轉(zhuǎn)換結(jié)束并得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出值

9、為止的時間間隔。轉(zhuǎn)換時間越短則轉(zhuǎn)換速度就越快。 （3）精準度 對于a/d轉(zhuǎn)換器，精準度指的是在輸出端產(chǎn)生所設定的數(shù)字數(shù)值，其實際需要的模擬輸入值與理論上要求的模擬輸入值之差。 常用的芯片有：ad574、mc14433、ad7711a3.3 單片機單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器cpu隨機存儲器ram、只讀存儲器rom、多種i/o口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、a/d轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)對單片機的性能要求不是很高，用stc51的單片機就

10、可以。3.4 調(diào)功電路調(diào)功是應用晶閘管及其觸發(fā)控制電路用于調(diào)整負載功率。一般調(diào)功電路由四個部分：電壓比較、控制電路、驅(qū)動放大、主電路。過零電壓比較電路由整流電路和電壓比較器組成，通過整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再將該直流電輸入到電壓比較芯片與比較電壓進行比較運算，輸出方波脈沖。輸出脈沖經(jīng)過放大驅(qū)動晶閘管導通。運放可以做比較器電路，但性能較好的比較器比通用運放的開環(huán)增益更高，輸入失調(diào)電壓更小，共模輸入電壓范圍更大，壓擺率較高(使比較器響應速度更快)。另外，比較器的輸出級常用集電極開路結(jié)構(gòu)，如圖6所示，它外部需要接一個上拉電阻或者直接驅(qū)動不同電源電壓的負載，應用上更加靈活。但也有一些比較器為互補輸出

11、，無需上拉電阻。比較器電路本身也有技術指標要求，如精度、響應速度、傳播延遲時間、靈敏度等，大部分參數(shù)與運放的參數(shù)相同。在要求不高時可采用通用運放來作比較器電路。如在a/d變換器電路中要求采用精密比較器電路。其中電壓比較器可以選擇：lm393、lm339、op07、op27等。4 最佳方案放大電路采用集成芯片ad620，ad620具有精度高、噪聲低、使用簡單的優(yōu)點。通過在1號管腳和8號管腳之間串接一個電位器就可以調(diào)整放大倍數(shù)。其3號腳為信號輸入腳，6號腳為信號輸出腳，4號和7號管腳分別接-5v和+5v直流電源，其它的腳都接地。最大增益可達1000倍。ad620放大倍數(shù)的計算公式為。通過調(diào)整電位器

12、r可以調(diào)節(jié)其放大倍數(shù)ad620的管腳示意圖如圖4-1所示：圖4-1 ad620的管腳示意圖a/d轉(zhuǎn)換采用芯片ad574，ad574a是美國模擬數(shù)字公司（analog）推出的單片高速12位逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的a/d轉(zhuǎn)換器。ad574a的部分引腳說明：1 pin1(+v)+5v電源輸入端。2.pin2()數(shù)據(jù)模式選擇端，通過此引腳可選擇數(shù)據(jù)是12位或8位輸出。3.pin3()片選端。4.pin4(a0)字節(jié)地址短周期控制端。與端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的

13、方式和數(shù)據(jù)輸出格式。須注意的是，端ttl電平不能直接+5v或0v連接。5.pin5()讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。 6.pin6(ce)使能端。其引腳圖如圖4-2所示： 圖4-2 ad620引腳圖由于本系統(tǒng)對單片機的性能要求不高，本次使用stc89c51單片機，其引腳圖如圖4-3所示：圖4-3stc89c51rc引腳示意圖在本系統(tǒng)中調(diào)功電路的電壓比較可以用op07，op07具有極低的輸入失調(diào)電壓（op07e的最大值為75 v），通過在晶圓階段執(zhí)行調(diào)整而獲得，而且這種低失調(diào)電壓一般不需要進行任何外部零點校準。此外還具有低輸入偏置電流（op07e為4 na）和高開環(huán)增益（op07e為200 v/mv）特性。

14、op07芯片引腳功能說明：1和8為偏置平衡(調(diào)零端)，3為反向輸入端，2為正向輸入端，4接地，5空腳 7為輸出，6接電源。op07的引腳示意圖如圖4-4所示：圖4-4op07的引腳示意圖5 硬件設計5.1 信號放大器的設計ad620芯片通過在1號引腳和8號引腳之間串接電阻，達到調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的目的，ad620的最大放大倍數(shù)為1000倍，由于ad620放大倍數(shù)越大，誤差就越大，故本電路用了兩片ad620形成二級放大，其中u1放大50倍，u2的放大倍數(shù)通過電位器進行調(diào)節(jié)。信號放大電路如圖5-1所示：圖5-1信號放大電路圖5.2 a/d轉(zhuǎn)換器的設計ad574a是高速12位逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙

15、極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的a/d轉(zhuǎn)換器。其應用電路如圖5-2所示：圖5-2ad574輸入信號的雙極性接法5.3 單片機對ad574的控制模擬量從10vin或20vin輸入，輸入極性由refin，refout和bipoff的外部電路確定。不論輸入模擬量是單極性還是雙極性，均按從小到大的順序?qū)⑤斎肽M量變換為數(shù)字量000hfffh。對單極性的模擬量， 0伏對應000h,最大電壓值對應fffh，對雙極性的模擬量，負幅值對應0，0伏對應800h，正幅值對應fffh。如果把轉(zhuǎn)換結(jié)果減去8

16、00h，可以得到與模擬量極性與大小對應的數(shù)字量。0-800h=800h(負幅值)，800h-800h=0（零值）fffh-800h=7ffh（正幅值）。refin：片內(nèi)基準電壓輸入線；bipoff：極性調(diào)節(jié)線。ad574a的初始化以中斷方式編程如下：org0003hljmpints0org0100h；主程序movr0,#30h；設定數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址movdptr,#5fffh；ad574a的啟動地址setbie.2；外部中斷1允許setbie.7；開cpu中斷movxdptr,a；啟動12位轉(zhuǎn)換org1000hints0: mov dptr，#5ffeh；準備數(shù)據(jù)高8位地址movx a,dpt

17、r；讀入a/d轉(zhuǎn)換值的高8位movr0,a；存a/d轉(zhuǎn)換值的高8位數(shù)據(jù)incdptr；準備數(shù)據(jù)低4位地址incr0；調(diào)整數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針movxa,dptr；讀入a/d轉(zhuǎn)換值的低4位movr0,a；保存低4位數(shù)據(jù)reti；中斷返回5.4 調(diào)功電路的設計所謂調(diào)功就是通過控制晶閘管的通斷周期來控制負載上的功率。一般的調(diào)功電路分為四個部分：電壓比較、控制電路、驅(qū)動放大、主電路。過零電壓比較電路由整流電路和電壓比較器組成，通過整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再將該直流電輸入到電壓比較芯片op07的正極與負極的輸入比較電壓進行比較運算，輸出方波脈沖。調(diào)節(jié)與op07負極相連的滑動變阻器可以調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。過

18、零電壓比較電路如圖5-3所示：圖5-3過零電壓比較電路 控制電路由兩個非門和兩個與非門組成，其中u1a接收來自單片機的信號，u2a接收過零電壓比較器的輸出信號，u3、u4的輸出連接到驅(qū)動電路。當且僅當u1a、u2a的輸入信號同時為低電平時u3、u4的輸出才是低電平，其它情況u3、u4的輸出都為高電平?？刂齐娐啡鐖D5-4所示：圖5-4控制電路由于從與非門輸出的信號不足以驅(qū)動晶閘管的導通，因此需要驅(qū)動放大電路對控制電路的輸出信號進行放大。驅(qū)動電路通過光耦合器件與控制電路連接。由于主電路有兩個方向并聯(lián)的晶閘管，所以在實際的電路中，有兩個相同的驅(qū)動電路。其電路圖如圖5-5所示：圖5-5驅(qū)動放大電路主電

19、路由兩個反向并聯(lián)的晶閘管串接負載組成。主電路的輸入電壓為220v的交流電壓，晶閘管的控制端接驅(qū)動電路的輸出。當晶閘管的導通周期不同，負載上的功率也不同。主電路如圖5-6所示：圖5-6主電路6 結(jié)論隨著科學技術的不斷進步，電氣工程與自動化技術正以令人矚目的發(fā)展速度，改變著我國工業(yè)的整體面貌。同時，對社會的生產(chǎn)方式、人們的生活方式和思想觀念也產(chǎn)生了重大的影響，并在現(xiàn)代化建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著與信息科學、計算機科學和能源科學等相關學科的交叉融合，它正向著智能化、網(wǎng)絡化和集成化的方向發(fā)展。課程設計是工科學生十分重要的實踐教學環(huán)節(jié)，通過課程設計，培養(yǎng)學生綜合運用先修課程的理論知識和專業(yè)技能，

20、解決工程領域某一方面實際問題的能力。課程設計報告是科學論文寫作的基礎，不僅可以培養(yǎng)和訓練學生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達能力，也是規(guī)范課程設計教學要求、反映課程設計教學水平的重要依據(jù)。本課程設計的課題是單片機控制單相交流調(diào)功器的設計，整個課程設計計劃在四周之內(nèi)完成，第一周指導老師對這個課程設計做了一個簡要的介紹，講解了本課程設計需要注意的幾個關鍵部分，并對發(fā)布了課程設計的任務書。經(jīng)過幾天的小組討論與研究，明確了設計原理與要求，最終確定了這次設計的總體方案，下面就本次課程設計單片機控制單相交流調(diào)功器的原理作一詳細介紹。基于單片機的單相交流調(diào)功器主要分為四大模塊：信號放大模塊、a/d轉(zhuǎn)換

21、模塊、單片機控制模塊、調(diào)功電路。信號放大模塊采用集成芯片ad620作為主芯片，ad620具有精度高、噪聲低、使用簡單的優(yōu)點。通過在1號管腳和8號管腳之間串接一個電位器就可以調(diào)整放大倍數(shù)。信號增益在11000倍之間，由于ad620放大倍數(shù)越大，誤差就越大，故本電路用了兩片ad620形成二級放大，其中u1放大50倍，u2的放大倍數(shù)通過電位器進行調(diào)節(jié)。由于對于不同類型的傳感器，其輸出信號的電壓伏值不一樣，因此對放大電路的放大倍數(shù)的要求也就不同，所以需要通過電位器的調(diào)節(jié)，測試整定最佳放大倍數(shù)。從而擴展了本調(diào)功器的對不同電路的適應性，降低了輸出信號的失真度 。a/d轉(zhuǎn)換模塊采用芯片ad574，ad574

22、a是美國模擬數(shù)字公司推出的單片高速12位逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的a/d轉(zhuǎn)換器。ad574采用雙極性接法，能夠兼容不同極性的輸入信號，通過對ad574的ce、rc、128、a0腳的同時控制，設定輸出信號的位數(shù)。單片機采用stc89c51,stc公司的單片機主要是基于8051內(nèi)核,是新一代增強型單片機,指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,速度快812倍,帶adc,4路pwm,雙串口,有全球唯一id號,加密性好,抗干擾強。單片機在本系統(tǒng)中起著重要的作用，它是

23、本系統(tǒng)數(shù)字運算的核心，需要完成pid運算、對ad574的初始化、完成對模擬信號的采集和數(shù)字信號的輸出、完成調(diào)功脈沖波形的調(diào)整。調(diào)功電路是本次設計的重點，所謂調(diào)功就是通過控制晶閘管的通斷周期來控制負載上的功率。一般的調(diào)功電路分為四個部分：電壓比較、控制電路、驅(qū)動放大、主電路。過零電壓比較電路由整流電路和電壓比較器組成，通過整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，再將該直流電輸入到電壓比較芯片op07的正極與負極的輸入比較電壓進行比較運算，輸出脈沖經(jīng)過放大驅(qū)動晶閘管導通。在這個過程中電壓比較器的輸出信號需要與來自單片機的信號進行比較運算，最終輸出到光耦合器件，通過光耦合器件來控制驅(qū)動電路的通斷從而驅(qū)動晶閘管的導

24、通。當上訴四個模塊結(jié)合在一起工作時就是一個完整的單片機控制的單相交流調(diào)功器，它的工作流程是這樣子的：來自傳感器的模擬信號經(jīng)過放大?？斓膬杉壏糯筝敵龅絘/d轉(zhuǎn)換模塊，a/d轉(zhuǎn)換模塊在調(diào)功器啟動的時候已經(jīng)準備就緒，此時它接受到了信號在單片機的配合下進行a/d轉(zhuǎn)換工作，轉(zhuǎn)換的結(jié)果通過單片機傳送到調(diào)功模塊，這個信號跟調(diào)功模塊的信號進行運算，輸出到光耦合器件，通過光耦合器件控制驅(qū)動電路，實現(xiàn)對信號的放大，從而驅(qū)動控制晶閘管的通斷，達到對負載調(diào)功的目的。通過這個專業(yè)方向的課程設計，加深了對自動化專業(yè)課程的理解，加強了對理論知識的運用能力，對電路的設計思路有了更清晰的認識。由于個人水平有限和時間關系，本課程

25、設計還有不足的地方，懇請老師指正。參考文摘1李群芳 張士軍 黃建.單片微型計算機與接口技術(第3版).北京.電子工業(yè)出版社.20082 于海生.計算機控制技術. 北京.機械工業(yè)出版社.20093王兆安 劉進軍. 電力電子技術(第5版). 北京.機械工業(yè)出版社.20094 袁東. 51單片機應用開發(fā)實戰(zhàn)手冊.電子工業(yè)出版社. 北京.電子工業(yè)出版社.20115 宋立博 李勁松 費燕.運動控制系統(tǒng)原理、結(jié)構(gòu)與設計. 上海.上海科學技術文獻出版社.20116 郝成.計算機控制技術工業(yè)控制工程應用理論與實踐. 北京.電子工業(yè)出版社.20117 王威 主編工業(yè)生產(chǎn)自動化 科學出版社.14ostrirov,

26、vn. experience of design and application of the complete energy saving electric drives in systems of towns water supply and feculence water pump. elektrichestvo, 2003(4):68-7115lewis b w,candello m r.variable frequency drive(vfd)technology is here and it works:a comparison of prevailing control tech

27、nologies.journal of the new england water works association,1998,112(3):227-240附錄一： 信號放大、a/d轉(zhuǎn)換與單片機接口電路附錄二：調(diào)功電路附錄三程序清單：sbit ad_status = p33;uchar xdata ad_convert _at_ 0x6000; /開始轉(zhuǎn)換uchar xdata ad_read_hi _at_ 0x6002; /讀取高字節(jié)uchar xdata ad_read_lo _at_ 0x6003; /讀取低字節(jié)uint ad_1674 (void)union adcuint adcc;uchar ad2;union adc add;ad_convert=0xff;while(ad_status);add.ad0=ad_read_hi;add.ad1 =ad_read_lo;a