《以STM32F103CBT6為主控芯片的車載逆變電源設(shè)計(jì)》12000字

以STM32F103CBT6為主控芯片的車載逆變電源設(shè)計(jì)摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們物資條件的改善和消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變，私家車得到了廣泛應(yīng)用。隨之，對(duì)車載系統(tǒng)的要求越來(lái)越多，如：筆記本電腦、平板電腦、打印機(jī)及電動(dòng)工具、車載冰箱等，還有現(xiàn)在流行的旅途中各類旅游、醫(yī)療急救電器。這些產(chǎn)品基本上都是由工頻交流電供電，而車上大多只提供12V的直流電。因此，在汽車功能與配置的多樣化的同時(shí)，不僅如上述直流設(shè)備搬入車內(nèi)，各類交流設(shè)備也被裝配到汽車上，如車載DVD、車載冰箱、可移動(dòng)電視等，這些用電設(shè)備工作都需要220V交流電。車載逆變電源可將蓄電池24V直流電進(jìn)行升壓逆變得到220V交流電供多種電子設(shè)備使用，因此，其能夠支持的應(yīng)用越來(lái)越多。能夠給我們帶來(lái)更大更廣泛的幫助。本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)以STM32F103CBT6為主控芯片的車載逆變電源，將12V直流電壓轉(zhuǎn)換為220V/50Hz的交流電壓。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，采用了兩級(jí)式變換電路結(jié)構(gòu)，包括前級(jí)DC-DC推挽升壓電路和后級(jí)DC-AC全橋逆變電路。首先對(duì)前級(jí)DC-DC推挽升壓電路進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，選用IR2110S作為H橋驅(qū)動(dòng)芯片，為使推挽電路輸出電壓穩(wěn)定，采用了電壓閉環(huán)控制，同時(shí)增加了對(duì)電源的溫度檢測(cè)控制。從而提高了電源的安全性;其次對(duì)后級(jí)DC-AC全橋逆變電路進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)具有很好的可行性與分析性，同時(shí)前景廣闊。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)、車載逆變電源、單相逆變目錄TOC\o"1-2"\h\u16959第1章緒論 414071.1研究背景和意義 4312561.2發(fā)展現(xiàn)狀 526751.3發(fā)展趨勢(shì) 6213441.4研究安排說(shuō)明 832082第2章方案論證 9228482.1設(shè)計(jì)要求 9164732.2方案對(duì)比 916851第3章控制電路單元電路設(shè)計(jì) 16252833.1控制芯片與外圍電路 16293913.2電壓電流以及溫度采集 183273.3推挽逆變輸入PWM生成電路 1952433.4IR2110外圍電路及其應(yīng)用 2028602第4章升壓電路單元電路設(shè)計(jì) 2527995第5章總結(jié) 277307參考文獻(xiàn) 2825892附錄 31緒論研究背景和意義隨著當(dāng)今智能汽車的普及和科技的發(fā)展，汽車已成為一種與人日常生活密不可分的交通工具之一。人們會(huì)在汽車上裝載更多的電子設(shè)備來(lái)豐富生活或滿足其他需求,比如車載TV、音箱和空氣加濕器等,同時(shí)還會(huì)在車內(nèi)安裝一個(gè)充電孔以便于給其他電子設(shè)備進(jìn)行充電，從而達(dá)到便于使用的目的，比如筆記本或平板及手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備。這些設(shè)備都離不開(kāi)220V/50Hz的電源供電,但車內(nèi)卻只能提供12V的直流電壓,所以有必要設(shè)計(jì)一款性能可靠、安全性高的車載逆變電源。由于車載逆變電源與電子設(shè)備和汽車的安全息息相關(guān),更重要的是與車內(nèi)人身安全也脫離不開(kāi)關(guān)系，所以確保車載逆變電源具有更高的安全性是必須滿足的條件。基于這個(gè)原因，所以需要更可靠的保護(hù)電路設(shè)計(jì)，用來(lái)提高逆變電源的安全性。畢竟就現(xiàn)下這個(gè)講究高效率同時(shí)還要保證節(jié)能環(huán)保的時(shí)代，效率過(guò)低的產(chǎn)品必然逃脫不了被淘汰的命運(yùn)。就以上的眾多原因，對(duì)這款設(shè)備提出了很高的要求。其一是在空間占用方面提出了要求，由于此款逆變器是在密閉一個(gè)容器里安置，而小車同時(shí)被其他電子設(shè)備占據(jù)了空間，所能提供給逆變器的空間是十分有限的。所以，一般的車載逆變器都難以擺脫被安置在較小的空間下。其二是從安全性方面提出了要求，由于這是一款可以直接使用的電源設(shè)備，因此對(duì)要求這款設(shè)備的系統(tǒng)的安全可靠性有很高的要求。所以在設(shè)計(jì)逆變器時(shí)，需要配備有相應(yīng)的保護(hù)系統(tǒng)及輸入輸出隔離電路。還有就是從功率角度提出了要求，車載逆變電源的功率提高能力與使用能力是相矛盾的。原因是如果這款逆變器的使用功率提高，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，熱能散發(fā)的局限性制約了系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和能力。車載逆變器的研制不僅可以解決車載電器使用困難的問(wèn)題，同時(shí)也可以給只能提供12V直流電的用電場(chǎng)合使用。比如一些依靠太陽(yáng)能供電的地區(qū)，這些地方是通過(guò)太陽(yáng)能電池板或蓄電池來(lái)儲(chǔ)存電能的，如果將這些儲(chǔ)能設(shè)備的輸出接到車載逆變器的輸入端，就可以產(chǎn)生普通電器設(shè)備所需的交流電。這給用電困難地區(qū)帶來(lái)了極大的便利。發(fā)展現(xiàn)狀在當(dāng)今時(shí)代，各種電器設(shè)備不斷涌現(xiàn)，但這些用電設(shè)備對(duì)供電電壓的要求各不相同，它們可能需要提供不同電壓不同頻率質(zhì)量的電能來(lái)供電。有許多電器設(shè)備需要220V／50HZ交流電供電。比如有家用電視、家用電吹風(fēng)等。也有些電器需要380V/50Hz交流電供電。比如廠用電、家用空調(diào)等。還有些電器需要特定的電壓和頻率的電能來(lái)供電。比如通信系統(tǒng)采用8V直流電源電壓，弧焊電源一般40v~80V直流電壓，400Hz特種電源等。所以，這就需要通過(guò)電力電子變換技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同電壓不同頻率的電壓的變換。電力電子變換電路實(shí)現(xiàn)電壓大小、波形和頻率的變化。電力電子變換技術(shù)可劃分為四中基本變換，即AC/DC即交流變直流的整流電路、DC/AC即直流變交流的逆變電路、DC/DC即直流變直流的電壓變換電路、AC/AC即交流變交流的電壓變換電路四種變換。一般為了實(shí)現(xiàn)上述各種電壓頻率的電壓，通常需要采用四種變換電路相互結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這幾種組合電路中，使用最廣泛的變換技術(shù)是逆變技術(shù)?，F(xiàn)代逆變技術(shù)綜合性很強(qiáng)，它包含了最基礎(chǔ)的模電數(shù)電技術(shù)、電力電子器件技術(shù)，還有控制變流技術(shù)等。如今，逆變技術(shù)的應(yīng)用隨處可見(jiàn)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域都可以看到它的身影，人們的生活也與其脫不了關(guān)系，給人們的生活帶來(lái)了諸多便利。目前，逆變技術(shù)的實(shí)用性很高，能夠應(yīng)用逆變技術(shù)的場(chǎng)合越來(lái)越多。主要包括有通信電源、不間斷電源UPS系統(tǒng)、新能源發(fā)電(主要是用風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電)、工業(yè)自動(dòng)化及實(shí)用醫(yī)用電源、治理污染等各個(gè)領(lǐng)域。自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，隨著開(kāi)關(guān)器件的高速發(fā)展以及高頻逆變技術(shù)的不斷進(jìn)步，逆變技術(shù)已經(jīng)到了前所未有的發(fā)展階段。發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)代電力電子所呈現(xiàn)的各種各樣變換電路，一般是由幾種基本的變換電路組合而成，而逆變技術(shù)一般處于整個(gè)系統(tǒng)占據(jù)著重要地位。二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，現(xiàn)代逆變電源技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸變得越來(lái)越成熟。以下幾個(gè)方面最能體現(xiàn)它的發(fā)展趨勢(shì)：模塊化：模塊化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一點(diǎn)是各種功率器件的模塊化，第二點(diǎn)是電源單元的模塊化。功率器件模塊化指的是在一個(gè)小模塊上集中了多個(gè)功率器件，有的模塊內(nèi)部還包含了功率開(kāi)關(guān)器件的保護(hù)電路及驅(qū)動(dòng)電路，以此來(lái)縮小元器件所占用的空間，以便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。與此同時(shí)，元器件之間的引線連接少，減少了電路可能存在的寄生電感與寄生電容，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源模塊化指的是將一些電源電路進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)模塊化，電源模塊一旦便可直接進(jìn)行組裝和調(diào)試，這樣對(duì)縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期有很大的幫助。(2)高頻化：發(fā)展初期由于受到電力電子器件的低速特性的影響，電路結(jié)構(gòu)通常占用很大的重量及體積。但是隨著電力電子器件的發(fā)展逐漸成熟，場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣山雙極晶體管（IGBT）功率開(kāi)關(guān)器件具有很高的工作頻率。大家應(yīng)該都知道，磁性元件的體積和重量與開(kāi)關(guān)器件的工作頻率f的平方成反比。所以，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的嵌入性與便攜性，高頻率的方向發(fā)展逐漸成了現(xiàn)代電力電子器件的主要方向，這樣不僅減少了系統(tǒng)的重量和體積，還節(jié)約了制造材料，從而降低了成本。(3)數(shù)字化：逆變技術(shù)的控制要求早已不是過(guò)去的模擬控制技術(shù)可以滿足的，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷完善以及數(shù)字控制芯片的不斷提高，系統(tǒng)的控制電路采用數(shù)字控制逐漸成為主流。數(shù)字控制技術(shù)相較于模擬控制技術(shù)而言，提高系統(tǒng)的抗干擾能力的同時(shí)還可以避免較大的波形失真畸變，這有利于系統(tǒng)的外圍電路拓展。(4)綠色化：綠色化包含了兩層意義：首先，系統(tǒng)的效率要以最大限度提升，通過(guò)節(jié)省電能來(lái)減少發(fā)電造成的環(huán)境污染。其次，諧波分量要以最大限度減少，以此來(lái)達(dá)到減少電網(wǎng)污染的目的。智能化：

一個(gè)智能化的逆變電源除了能夠完成普通逆變電源的所有功能外，還應(yīng)具有以下功能：①實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行中的逆變電源，隨時(shí)將采樣點(diǎn)的狀態(tài)信息送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，這不僅僅可以監(jiān)視電路中各部分的狀態(tài)，還可以獲取電源工作時(shí)的有關(guān)參數(shù)，以此來(lái)分析和判斷電路的各部分是否正常工作；②當(dāng)逆變電源發(fā)生故障時(shí)，可依據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，迅速進(jìn)行故障診斷，找出故障部位，并及時(shí)想出處理方法；③監(jiān)測(cè)的參數(shù)可自動(dòng)顯示，如有非正常運(yùn)行或故障時(shí)，可以自動(dòng)保存有關(guān)非正常運(yùn)行或故障的信息；④根據(jù)技術(shù)說(shuō)明書所給出的指標(biāo)，可自行定期地進(jìn)行自檢，并形成自檢記錄文件；⑤可以用程序控制逆變電源的啟停，實(shí)現(xiàn)無(wú)人工值守的自動(dòng)操作；⑥具有信息交換功能，可以隨時(shí)從上位機(jī)獲取信或向上位機(jī)輸入信息。研究安排說(shuō)明本次設(shè)計(jì)的車載逆變電源需要使用一定的電路制作的基本知識(shí)還有電路逆變的知識(shí)，本次書寫的文章通過(guò)不同的方面和側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作的說(shuō)明及其闡述，各個(gè)說(shuō)明模塊闡述如下所示：1、第一章緒論：通過(guò)在基本的相關(guān)文章資料查詢闡明此次研究的背景與意義，講述這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)用。2、第二章設(shè)計(jì)目標(biāo)和方案對(duì)比：對(duì)車載逆變器需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行簡(jiǎn)述，并對(duì)常見(jiàn)的方案進(jìn)行描述對(duì)比，分析其中優(yōu)缺點(diǎn)從而找出適合本次設(shè)計(jì)的方案3、第三章電路整體設(shè)計(jì)：對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的整體電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，從整體框圖上對(duì)電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行講解。4、第四章逆變電源單元電路設(shè)計(jì)：對(duì)逆變電源各個(gè)單元具體電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，對(duì)各個(gè)單元能實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析。

方案論證設(shè)計(jì)要求在本次設(shè)計(jì)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)車載直流電轉(zhuǎn)換為交流電給220V交流電的用電器使用，所以本設(shè)計(jì)對(duì)逆變電源的要求有：輸入直流電壓為12V或24V，經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換后能輸出220V50Hz交流電。由于是在汽車上使用，因此設(shè)備通常工作在空間狹隘、干擾大、環(huán)境惡劣的情況下。這些因素對(duì)電源的設(shè)計(jì)要求也很高，笑死具有良好的電氣性能同時(shí)還必須具備成本低、重量輕、體積小，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。逆變器電源的質(zhì)量電子設(shè)備的可靠性造成了極大的影響。它的負(fù)載能力和轉(zhuǎn)換效率能力與其應(yīng)用范圍有很大的關(guān)系。因此，以輸出電壓波形為準(zhǔn)正弦波作為本設(shè)計(jì)的要求，使其能夠克服方波逆變器不能承載感性負(fù)載的劣勢(shì)。方案對(duì)比根據(jù)本文設(shè)計(jì)的車載逆變電源，一般都需要升壓與逆變兩個(gè)過(guò)程，這里主要有兩種系統(tǒng)拓?fù)淇晒┻x擇。其一，結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)逆變電路結(jié)構(gòu)的工頻逆變電源，其二，則是廣泛應(yīng)用的兩級(jí)式變換電路結(jié)構(gòu)。這里就對(duì)這兩種結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。2.2.1工頻逆變電源工頻逆變電源是由逆變電路和工頻變壓器電路兩部分組成。其原理框圖如下所示。輸入的車載電池的直流電壓通過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)換為交流電壓當(dāng)然這個(gè)交流電為50Hz，這個(gè)交流電壓不高，不能用于家用電器的使用，所以使用工頻變壓器進(jìn)行升壓，得到所需的交流電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)固然簡(jiǎn)單，只需一次逆變即可完成，但因?yàn)楣ゎl的頻率小，將導(dǎo)致工頻變壓器的制作體積變大，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化，以至于逆變電源也會(huì)隨之變得龐大笨重，不便于安裝，同時(shí)噪聲也大。圖2-1工頻逆變電源原理框圖2.2.2兩級(jí)式變換電路結(jié)構(gòu)還有一種方式是通過(guò)兩級(jí)式變換電路后再轉(zhuǎn)換為交流電。由于50Hz的交流電升壓所需的工頻變壓器較大，如果想要減小變壓器，則必然是需要增加接入變壓器電壓的頻率。因此輸入的直流電壓將通過(guò)前級(jí)DC/DC電路升至直流高電壓，常見(jiàn)的前級(jí)升壓電路拓?fù)溆邪霕蚝腿珮螂娐贰⒄ず头醇る娐?，以及推挽電路。直流高壓再通過(guò)后級(jí)DC/AC電路轉(zhuǎn)換為交流電壓，可選用的逆變器電路拓?fù)溆腥珮蚝桶霕蚰孀冸娐?。高頻變壓器取代了這種兩級(jí)式結(jié)構(gòu)中所用到的傳統(tǒng)工頻變壓器，從而降低了逆變電源的重量體積與成本。與此同時(shí)，還可以讓電能的質(zhì)量變得更好，轉(zhuǎn)換效率變得更高，有效地減少了蓄電池的電能浪費(fèi)，所以這種逆變電源的使用變得十分廣泛。圖2-2兩級(jí)式變換電路原理框圖2.2.3方案選擇單片機(jī)方案選擇：方案一：89C52單片機(jī)這款單片機(jī)是AT公司最新推出的一種新型51內(nèi)核的單片機(jī)。片內(nèi)含有Flash程序存儲(chǔ)器、UART、SRAM、PWM、SPI等模塊。封裝圖如下：圖2-389C52RC單片機(jī)引腳圖主要特性如下：

增強(qiáng)型8051單片機(jī)，可以任意選擇6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼可完全兼容傳統(tǒng)8051。第三方士大夫水電費(fèi)第三方第三方士大夫2.工作電壓：5.5V～3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V～2.0V（3V單片機(jī)）。第三方水電3.工作頻率范圍：0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的兩倍，即0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。

第三方士大夫水電費(fèi)第三方第三方4.用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)。

5.片上集成512字節(jié)RAM。在實(shí)習(xí)實(shí)習(xí)生存手冊(cè)生存手冊(cè)從在實(shí)習(xí)實(shí)習(xí)生存手6.通用I/O口（32個(gè)），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開(kāi)路輸出，在作為I/O口用時(shí)，要加上拉電阻，再作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻。第三方士大夫水電費(fèi)第三方第三方士大

7.ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），不用專用編程器，不用專用仿真器，可通過(guò)串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成。第8.具有EEPROM功能。

9.具有看門狗功能。

10.共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2。

11.外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power

Down模式 可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒第三方士大夫水電費(fèi)第三方第三方

12.通用異步串行口（UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART通信第三方士13.工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)）第三方士大夫水電費(fèi)第三方方士大夫水電費(fèi)第三方圖2-489C52原理圖方案二：STM32F103系列單片機(jī)STM32系列單片機(jī)是arm系列單片機(jī)，被廣大電子發(fā)燒友和開(kāi)發(fā)者喜愛(ài)和使用。STM使用的Cortex-M3內(nèi)核具有強(qiáng)大的內(nèi)部資源，可以在各種各樣的環(huán)境中處理微信號(hào)。由于特殊處理芯片的選擇，使得多個(gè)模塊同時(shí)高效地反應(yīng)和工作，同時(shí)具有高性能和高效的故障保護(hù)的特點(diǎn)。其穩(wěn)定性功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，市場(chǎng)前景好。由于各種智能設(shè)備的迅速發(fā)展，STM32系列單片機(jī)具有利用率高的優(yōu)點(diǎn)，具有十分豐富的經(jīng)驗(yàn)和開(kāi)發(fā)信息，非常適合用來(lái)設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)與開(kāi)發(fā)。同時(shí)STM32F103系列單片機(jī)具有下列功能：編譯出來(lái)的效率十分高，所占用的存儲(chǔ)1.STM32F103系列單片機(jī)的外部快速I/O多達(dá)21個(gè)，并且每個(gè)I/O口都可以進(jìn)行其內(nèi)部16個(gè)外部中斷的映像，雖然STMF103系列單片機(jī)的工作電壓范圍為2.0V~3.6V，但這不影響5V的信號(hào)可以從其幾乎所有的端口進(jìn)行輸入。通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)，可以將其每一個(gè)端口都能夠配置成開(kāi)漏輸出、推挽輸出、上拉電阻輸入、上拉電阻輸出、下拉電阻輸出、下拉電阻輸出等其他外設(shè)功能，可以從軟件層面上優(yōu)化外部電路，這樣其I/O就可以無(wú)需在外部電路上進(jìn)行關(guān)于輸出能力的設(shè)置。2.多個(gè)高精度的ADC轉(zhuǎn)換器集成于STM32F103系列單片機(jī)中，而其強(qiáng)大的處理能力也可以維持雙通道采樣和保持的功能，其兩個(gè)ADC轉(zhuǎn)換器的16個(gè)輸入通道可采集從0V~36V的電壓。3.STM32F103系列單片機(jī)具有七路能夠跳過(guò)CPU的干擾而直接進(jìn)行設(shè)備與存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以很大程度上節(jié)省CPU資源，所釋放的CPU的空間可用于其去進(jìn)行另外操作。編譯出來(lái)的效率十分高，所占用的存儲(chǔ)空間也4.能夠通過(guò)20腳的JTAG仿進(jìn)行真調(diào)試以及具備SWD功能。STM32F103性能線系列集成了以72MHz頻率運(yùn)行的高性能ARM?Cortex?-M332位RISC內(nèi)核，高速嵌入式存儲(chǔ)器（SRAM存儲(chǔ)器最大可達(dá)64KB，閃存存儲(chǔ)器最大可達(dá)512KB），以及連接到兩條APB總線的各種增強(qiáng)型I/O和外圍設(shè)備。所有器件均提供三個(gè)12位ADC，四個(gè)通用16位定時(shí)器以及兩個(gè)PWM定時(shí)器，還有標(biāo)準(zhǔn)和高級(jí)通信接口。這些特性使得STM32F103高密度性能線微控制器系列適用于各種應(yīng)用，例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用控制、醫(yī)療的相關(guān)設(shè)備、PC端以及游戲外圍設(shè)備、空調(diào)、工業(yè)應(yīng)用、PLC、逆變器、打印機(jī)、掃描儀、報(bào)警系統(tǒng)、可視對(duì)講機(jī)和HVAC等。由于STM32F103C8T6的出色性能和表現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)將予以采用。方案三：使用MSP430單片機(jī)作為處理控制的核心芯片。MSP430單片機(jī)是一款十六位的單片機(jī)，低功耗是它的特點(diǎn)之一。MSP430單片機(jī)一般用于對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的電路或嚴(yán)格控制功耗的儀表行業(yè)中。MSP430單片機(jī)具有精簡(jiǎn)指令集、性能高、使用方便的優(yōu)點(diǎn)。但是MSP430單片機(jī)的成本相對(duì)而言會(huì)較高，且本次設(shè)計(jì)中對(duì)于功耗的控制有要求，但不是特別的嚴(yán)格，所以放棄采用此方案。綜上所述，選擇采用STM32F103為本次的MCU。逆變方案選擇：方案一：推挽逆變推挽式DC/DC變換器較適用在需要將直流由低壓轉(zhuǎn)換為高壓的場(chǎng)合，優(yōu)點(diǎn)是使用的功率開(kāi)關(guān)器件不多，雙端工作的變壓器體積也較小，便于提高占空比，從而增大輸出功率。在抗不平衡方面而言性能較差，但在1kW以下場(chǎng)合，可利用合適開(kāi)關(guān)管來(lái)提高開(kāi)關(guān)管控制脈沖的對(duì)稱性，另外，還可以加上高頻變壓器原邊的兩個(gè)繞組對(duì)稱來(lái)提升其抗不平衡性能。推挽電路與功放電路密切相關(guān)。從能量控制方面看，功放電路和電壓放大電路就本質(zhì)而言，并沒(méi)有什么區(qū)別，但從要求的方面而言，后者的要求是讓負(fù)載得到電壓信號(hào)且信號(hào)不失真，而前者的要求是獲得一定的不失真的輸出功率。二者要求不同。在放大電路中，整個(gè)周期內(nèi)的輸入信號(hào)都有電流流過(guò)，這種現(xiàn)象稱為甲類放大；如果只有大半個(gè)周期內(nèi)的輸入信號(hào)有電流流過(guò)，則稱之為甲乙類放大；如果只有半個(gè)周期內(nèi)有電流流過(guò)，則稱之為乙類放大。乙類雙電源互補(bǔ)對(duì)稱電路，也叫OCL電路。如下圖，兩晶體管分別為NPN管和PNP管，由于它們的特性十分相近，故將其稱為互補(bǔ)對(duì)稱管。靜態(tài)時(shí)，兩管的ICQ=0；有輸入信號(hào)時(shí)，兩管輪流導(dǎo)通，達(dá)到了相互補(bǔ)充的目的，使得負(fù)載中時(shí)刻都有電流流過(guò)。既保證了輸出波形的不失真，又提高了電路的總體效率。由因?yàn)閮晒芏荚诨パa(bǔ)對(duì)方的不足，工作性能又對(duì)稱，故將通常將這種電路稱為互補(bǔ)對(duì)稱電路。電壓源逆變器是按照控制電壓的方式將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，是逆變技術(shù)中既常見(jiàn)又簡(jiǎn)單的一種，下面將從單相電壓源逆變器著手，且由淺入深。要從一個(gè)直流電源中獲取交流電能，有很多種方法，我認(rèn)為至少應(yīng)該用兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)元件，單相逆變器有推挽式、半橋式、全橋式三種電路拓樸結(jié)構(gòu)，假如每半個(gè)工頻周期內(nèi)只能輸出一個(gè)脈沖，將稱之為方波逆變器；假如每半個(gè)周期內(nèi)有多個(gè)脈寬組成，且脈沖寬度都符合正弦波調(diào)制（SPWM）的規(guī)律，則稱之為正弦波脈寬調(diào)制輸出。方波逆變技術(shù)本質(zhì)上就是一個(gè)單脈沖調(diào)制技術(shù)。圖2-5推挽逆變?cè)韴D方案二：H橋逆變H橋（H-Bridge），以此命名的原因是外形似H，常用于逆變器DC/AC轉(zhuǎn)換，即直流變交流。開(kāi)關(guān)開(kāi)合的過(guò)程中，將直流電（由電源發(fā)出）逆變?yōu)槟硞€(gè)頻率或可變頻率的交流電，用于驅(qū)動(dòng)交流或異步電機(jī)等。在以頻率f交替切換開(kāi)關(guān)T1、T4和T2、T3時(shí)，負(fù)載電阻R上可以獲得交變電壓波形，此波形為正負(fù)交替的方波，其周期Ts=1/f，這樣，就將直流電壓E變成了交流電壓。含有各次諧波，如果想得到正弦波電壓，則可通過(guò)濾波器濾波獲得。主電路開(kāi)關(guān)T1~T4，它實(shí)際是各種半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開(kāi)關(guān)器件有快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵晶體管。圖2-6H橋逆變?cè)韴D控制電路單元電路設(shè)計(jì)3.1控制芯片與外圍電路圖3-1STM32F103控制芯片及外圍電路STM32F103是一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器（arm公司采用ARM11之后的Cortex，分為A、R、M三類，M系列包括M0、M0+、M3、M4、M7）。該設(shè)備采用lqfp48封裝，由STM32系列推出（st也有spc5x系列微控制器）。其212位ADC共12個(gè)通道（僅外部通道PA0、PB0、PB1，而不是18個(gè)通道），兩個(gè)通用I/O端口的模塊組（PA0-PA15、PB0-PB15、PC13-PC15、PD0-PD1），4個(gè)16位計(jì)時(shí)器（TIM1（高級(jí)控制計(jì)時(shí)器、死區(qū)插入，通常為用于產(chǎn)生PWM控制電機(jī)），TIM2，TIM3，TIM4），2*IIC，2*SPI，3*USART，1*can，工作電壓2V~3.6V，工作溫度-40°C~85°C，系統(tǒng)時(shí)鐘高達(dá)72MHZ（一般8MHz外部時(shí)鐘乘以9~72mhzPLL）使用時(shí)還應(yīng)注意，凡是帶有ADC功能的引腳，都是3.3V的耐壓值，不可使用5V電壓，否則將會(huì)引起引腳燒毀或芯片損壞。這里選擇STM32F103作為逆變控制器的原因是相對(duì)于AT89S51等8/16位單片機(jī)來(lái)說(shuō)，STM32F103具有集成PWM模塊、ADC采樣模塊、時(shí)鐘頻率高、指令運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于集成逆變器芯片或者DSP等芯片來(lái)說(shuō)，具有價(jià)格低、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。所以綜合考慮，選擇STM32作為本文設(shè)計(jì)的主控芯片。復(fù)位電路如圖3-2所示，當(dāng)單片機(jī)上NRST引腳出現(xiàn)一個(gè)低電平時(shí)，會(huì)在STM32單片機(jī)觸發(fā)外部上電復(fù)位事件。R33電阻為上拉電阻，用于給電容C3充電。根據(jù)STM32手冊(cè)，單片機(jī)復(fù)位需要一個(gè)持續(xù)時(shí)間大于2.5ms的低電平，根據(jù)復(fù)位電路計(jì)算復(fù)位時(shí)間：程序存儲(chǔ)器閃存容量為64kb（64kx8位），RAM容量為20kb（20kx8位），（3-1）滿足設(shè)計(jì)要求。圖3-2復(fù)位電路STM32有三種時(shí)鐘信號(hào)源（高速內(nèi)部時(shí)鐘HSI、高速外部時(shí)鐘HSE、PLL時(shí)鐘）且這些設(shè)備還有兩種二級(jí)時(shí)鐘（40K低速內(nèi)部時(shí)鐘、32.768K低速外部時(shí)鐘），考慮系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘的需求，本設(shè)計(jì)只接了主系統(tǒng)外部時(shí)鐘。如圖3-3所示：圖3-3時(shí)鐘電路3.2電壓電流以及溫度采集圖3-4LM324放大器LM324系列屬于四路運(yùn)算放大器，成本較低，差分輸入也是它們的特點(diǎn)之一。在單電源應(yīng)用中，與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器類型相比它們具有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。該四路放大器可以工作在低至3.0V，也可以工作在高達(dá)32V的電源電壓下，共模輸入范圍包括負(fù)電源，所以在眾多應(yīng)用中不需再添加外部偏置元器件。輸出電壓范圍也包括負(fù)電源電壓。STM32的ADC控制器通道很多，因此模塊可以利用內(nèi)部的模擬多路開(kāi)關(guān)，以切換到不同的輸入通道來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。STM32中還特別地加入了多種成組轉(zhuǎn)換的形式，可以將程序設(shè)置好之后，對(duì)多個(gè)模擬通道逐個(gè)地進(jìn)行自動(dòng)采樣轉(zhuǎn)換。注入通道組和規(guī)則通道組是它們可以組成的兩個(gè)組別。通過(guò)霍爾傳感器合AD采樣，可以對(duì)溫度以及電壓電流進(jìn)行采集，更好的保證了電路運(yùn)行所要求的穩(wěn)定性和可靠性。單片機(jī)內(nèi)部ADC程序處理策略：電池電壓：（3-2）電流采樣：（3-3）溫度采樣：（3-4）溫度采樣對(duì)于防止系統(tǒng)過(guò)熱也有很大的幫助。3.3推挽逆變輸入PWM生成電路圖3-5PWM生成電路脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制（PWM）。本質(zhì)上是利用微控制器的數(shù)字輸出調(diào)制實(shí)現(xiàn)，也是對(duì)模擬電路控制技術(shù)中最有效的一種，廣泛應(yīng)用于個(gè)領(lǐng)域，如測(cè)量、通信、功率控制與變換等。沖量相等而形狀不同的窄波加載具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，PWM技術(shù)就是以此為基本理論。對(duì)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相同、寬度不同的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。由三極管構(gòu)成的PWM生成電路，其工作非常穩(wěn)定，最高工作頻率滿足72MHZ。對(duì)此進(jìn)行100分頻得到需要的20KHZ的時(shí)鐘頻率。每輸出100個(gè)時(shí)鐘脈沖能夠通過(guò)單片機(jī)的輸入TIM2而觸發(fā)。具有與設(shè)定值相等的占空比波形，波形分辨率為1%因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)電路是一樣的，這里只闡述上面部分電路的原理：這是一個(gè)典型的MOS驅(qū)動(dòng)電路，輸入接單片機(jī)的PWM引腳，輸出接MOS管的柵極引腳。實(shí)現(xiàn)的功能是將3.3V的單片機(jī)電壓升壓到12V的MOS驅(qū)動(dòng)電壓，并可以提供較大的驅(qū)動(dòng)電流。R1起限流左右，起到保護(hù)單片機(jī)的作用；根據(jù)引腳最大電流4mA計(jì)算，限流電阻應(yīng)滿足：（3-5）R2起保護(hù)三極管基極輸入的作用，一般取值為10K。R3、R4、Q1、Q2組成電壓變換電路，將單片機(jī)電壓提升到12V。當(dāng)單片機(jī)給高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，電路輸出12V；反之，電路輸出0V。Q11、Q12組成圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路，主要的作用是提高輸出電流。3.4IR2110外圍電路及其應(yīng)用在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，所選用的功率開(kāi)關(guān)器件通常采用直接驅(qū)動(dòng)或隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式。在采用隔離驅(qū)動(dòng)方式時(shí)需要將多路驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、主電路互相隔離，這樣可以避免相互之間產(chǎn)生干擾，給設(shè)計(jì)帶來(lái)不必要的麻煩。隔離驅(qū)動(dòng)又可分為兩種方式，即電磁隔離和光電隔離。光電隔離雖具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著共模抑制能力弱，傳輸速度慢的缺，快速光耦的速度也僅幾十kHz。脈沖變壓器作為電磁隔離用的隔離元件，與光電隔離相反，其具有響應(yīng)速度快（脈沖的前沿和后沿），原副邊的絕緣強(qiáng)度高，dv/dt共模干擾抑制能力強(qiáng)。但信號(hào)的最大傳輸寬度受磁飽和特性的限制，所以信號(hào)的頂部不易于傳輸。而且最大占空比被限制在50％。同時(shí)信號(hào)的最小寬度又受磁化電流所限。脈沖變壓器體積大，笨重，加工繁瑣。一旦采用了隔離驅(qū)動(dòng)方式，則每路驅(qū)動(dòng)都需要裝設(shè)一組輔助電源，若是采用三相橋式變換器，則需要裝設(shè)六組，同時(shí)還要滿足互相懸浮的要求，加大了電路的復(fù)雜性。隨著驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷成熟，已有很多不同種類的集成厚膜驅(qū)動(dòng)器推出。如EXB840/841、EXB850/851、M57959L/AL、M57962L/AL、HR065等等，它們均采用的是光耦隔離，仍然沒(méi)有解決以上缺點(diǎn)的限制。美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器,它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選品種。IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，DIP14腳封裝。由于采用了閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，因此可以有效的防止閂鎖效應(yīng)。此芯片具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，dv/dt=±50V/ns，15V下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍10～20V；邏輯電源電壓范圍（腳9）5～15V，可方便地與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500kHz；開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；圖騰柱輸出峰值電流為2A。圖3-6IR2110外圍電路驅(qū)動(dòng)芯片IR2110外圍電路如上圖所示：其中引腳1和引腳7交替輸出高低電平，通過(guò)電阻后驅(qū)動(dòng)四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管交替導(dǎo)通，IR2110驅(qū)動(dòng)半橋的電路如圖所示，其中C11，D13分別為自舉電容和自舉二極管，C10為VCC的濾波電容。假定7腳輸出低電平期間，C11已經(jīng)充到足夠的電壓VC1≈VCC。

IR2110工作原理如圖3-7所示：當(dāng)HIN為高電平時(shí)：VM1開(kāi)通，VM2關(guān)斷，VC1加到S1的柵極和源極之間，C1通過(guò)VM1，Rg1和柵極和源極形成回路放電，這時(shí)C1就相當(dāng)于一個(gè)電壓源，從而使S1導(dǎo)通。由于LIN與HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)，所以此時(shí)LIN為低電平，VM3關(guān)斷，VM4導(dǎo)通，這時(shí)聚集在S2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg2迅速對(duì)地放電，由于死區(qū)時(shí)間影響使S2在S1開(kāi)通之前迅速關(guān)斷。當(dāng)HIN為低電平時(shí)：VM1關(guān)斷，VM2導(dǎo)通，這時(shí)聚集在S1柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)Rg1迅速放電使S1關(guān)斷。經(jīng)過(guò)短暫的死區(qū)時(shí)間LIN為高電平，VM3導(dǎo)通，VM4關(guān)斷使VCC經(jīng)過(guò)Rg2和S2的柵極和源極形成回路，使S2開(kāi)通。在此同時(shí)VCC經(jīng)自舉二極管，C1和S2形成回路，對(duì)C1進(jìn)行充電，迅速為C1補(bǔ)充能量，如此循環(huán)反復(fù)。圖3-7IR2110工作原理圖其11引腳（SD）為芯片關(guān)斷控制端，當(dāng)SD為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片關(guān)斷輸出。場(chǎng)效應(yīng)管無(wú)輸入信號(hào)，逆變電源停止輸出。在該電路中用于電池的輸入過(guò)壓保護(hù)。當(dāng)電池電壓高于設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路輸出高電平，使逆變電路停止工作，因?yàn)檩敵鲭妷汉洼斎腚妷阂彩敲芮邢嚓P(guān)的，對(duì)輸入的過(guò)壓保護(hù)在一定程度上也是輸出的過(guò)壓保護(hù)。3.4.1IR2110工作特點(diǎn)及其引腳說(shuō)明IR2110工作特點(diǎn)：(1)具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道。

(2)懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V。

(3)輸出的電源端（腳3）的電壓范圍為10—20V。

(4)邏輯電源的輸入范圍（腳9）5—15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有5V的便移量。

(5)工作頻率高，可達(dá)500KHz。

(6)開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns。

(7)圖騰柱輸出峰值電流2A圖3-8IR2110引腳說(shuō)明升壓電路單元電路設(shè)計(jì)4.1DC/DC轉(zhuǎn)換電路圖4-1DC/DC轉(zhuǎn)換電路常用DC/DC電路可以分為非隔離型變換電路和隔離型變換電路，隔離型電路的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)原副邊的隔離，與此同時(shí)變壓器的存在也可以提升電路增益，更容易實(shí)現(xiàn)高升壓比，本節(jié)主要對(duì)隔離型DC/DC變換器進(jìn)行分析。隔離型變換器可分為最基本的三類：BUCK類隔離變換器、BOOST類隔離變換器、BUCK-BOOST類隔離變換器。輸入直流電壓通過(guò)前級(jí)DC-DC電路升高到高直流電壓。常見(jiàn)的前置升壓電路拓?fù)浒ㄕず头醇る娐?、半橋和全橋電路以及推挽電路。然后，直流高壓通過(guò)隨后的直流-交流電路轉(zhuǎn)換為交流電壓?，F(xiàn)有的逆變電路拓?fù)浒ò霕蚝腿珮蚰孀冸娐贰Ｓ捎诒疚脑O(shè)計(jì)的電路是低電壓大電流輸入，前端DC/DC變換電路的功率管需要實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)以降低開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，在中大功率應(yīng)用中，由于開(kāi)關(guān)管的存在，全橋移相變換器的電壓應(yīng)力較低。3.2.2DC/AC轉(zhuǎn)換電路圖4-2DC/AC轉(zhuǎn)換電路輸入的直流電壓通過(guò)前級(jí)DC/DC電路升至直流高電壓，常見(jiàn)的前級(jí)升壓電路拓?fù)溆幸韵聨追N：正激和反激電路、半橋和全橋電路、以及推挽電路。直流高壓再通過(guò)后級(jí)DC/AC電路轉(zhuǎn)換為交流電壓，可選用的逆變器電路拓?fù)溆邪霕蚝腿珮蚰孀冸娐贰：蠹?jí)DC/AC逆變電路可將前一級(jí)輸出的直流高壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。當(dāng)前主要控制方法為通過(guò)單片機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)來(lái)控制，同時(shí)根據(jù)負(fù)載的變化將反饋到單片機(jī)實(shí)時(shí)更新脈沖信號(hào)占空比，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間，從而確保逆變電路具有穩(wěn)定輸出。本文設(shè)計(jì)的車載逆變電源需要輸出的波形為正弦波，而目前有交流變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為橋式拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)可以較好的輸出正弦波，此類拓補(bǔ)分別有半橋變換與全橋變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過(guò)以上論證可知，這兩種逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從各方面分析對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)，全橋逆變電路相對(duì)而言控制更加靈活，在相同輸出功率下體積更小，重量更輕，相對(duì)于半橋更適合用于具有中高功率特性的逆變電源。最終本文決定采用全橋逆變電路作為本次設(shè)計(jì)的后級(jí)DC/AC逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)本文所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的數(shù)字電流表基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求，能夠隨意切換0~10mA、0~100mA、0~1000mA三種量程，而且誤差不超過(guò)千分之一，同時(shí)輸入阻抗也是小于0.19Ω，所以是完成了設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中，學(xué)習(xí)到了更多關(guān)于模擬電路的知識(shí)，學(xué)到了如何轉(zhuǎn)變電壓值，如何獲得基準(zhǔn)電壓，如何運(yùn)放電壓值等。同時(shí)對(duì)于IV轉(zhuǎn)換電路也有了一定的了解。這極大程度上提升了在學(xué)術(shù)方面的認(rèn)知。在設(shè)計(jì)過(guò)程中也是遇到了不少的困難，多虧了同學(xué)的熱心幫助和老師的耐心指導(dǎo)，讓我度過(guò)一個(gè)又一個(gè)難關(guān)。然而學(xué)習(xí)理論與實(shí)際制作之間是有一個(gè)很大鴻溝的，要想將理論知識(shí)變成實(shí)際水平需要不斷練習(xí)。同時(shí)，這次項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)也對(duì)自己能夠完成其他項(xiàng)目增加了信心。正所謂細(xì)節(jié)決定成敗，在整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之前多種信息的采集以及不同方案的對(duì)比能夠使得我們對(duì)于整體的開(kāi)發(fā)流程有進(jìn)一步的了解，讓我們深刻得了解到當(dāng)前開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)要求以及實(shí)現(xiàn)具體的任務(wù)重點(diǎn)。本文的系統(tǒng)在滿足開(kāi)發(fā)要求的基礎(chǔ)上，可能在特定