淮安市电子设计竞赛参赛设计报告书

淮安市电子设计竞赛参赛设计报告书（本报告一式5份，参赛前交评委）项目名称单相正弦波变频电源设计设计人参赛单位、专业、班级1、研究目的和意义目的：(1)在着重基础、注重前沿的前提下，注重培养学生的创新能力；(2)加强学生动手能力的培养和工程实践素质的训练，提高学生针对实际问题进行电子设计、制作的能力；(3)加强学生综合运用基础知识进行理论设计的能力，培养学生的团队合作精神和工程实践意识。意义：为石油行业中采用过套管电阻率测井方法中求解地层电阻率困难，提供了可行性，能满足现场之急需，对于在现场的推广应用有着重要意义。2、主要功能及技术指标1.主要功能实现（1）输出频率范围为20Hz～100Hz，且输出电压有效值为15V～36V可调的单相交流电；（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（3）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～1A时，输出电压有效值应保持在15V，误差的绝对值小于5%；（4）具有过流保护(输出电流有效值达1.5A时动作)，保护时自动切断输入交流电源。2.扩展功能实现（1）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～1A时，输出电压有效值应保持在15V，误差的绝对值小于2%；（2）具备测量显示功能。3、项目特色、创新点、实用性方面该单相正弦波变频电源具有以下特色：（1）具有过流保护功能；（2）正弦波发生器的频率范围可扩展到1Hz～200Hz；（3）输出电压有效值为15V～36V可调；（4）误差的绝对值小于3%；（5）具备测量显示功能。SPWM（正弦波脉宽调制）技术是目前应用最为广泛的逆变用PWM技术，本文提出一种不使用生成SPWM信号的专用芯片，而实现单相正弦波变频电源的设计方案。在频率从1Hz～200Hz范围内可调的基础上，实验样机输出的正弦波质量高，失真度小于5％，输出相电压稳定可靠。该单相正弦变频电源是利用STC单片机实现的一种便于蓄电池供电、现场携带的低功耗、低成本、低畸变、高可靠性的单相交流变频电源，为石油行业中采用过套管电阻率测井方法中求解地层电阻率困难，提供了可行性，能满足现场之急需，对于在现场的推广应用有着重要意义。4、研究方案（含原理图、流程图、电路图）(可附页)题目要求设计个单相正弦变频稳压电源，输出电压波形尽量为正弦波，输出的频率范围为1Hz～200Hz，输出电压幅值稳定在15V～36V的正弦交流电，系统设计框图如图1所示。该变频电源的供电电源为±55V蓄电池，整体结构由正弦信号发生器电路、功率放大电路、过流保护电路、控制电路、显示电路、A/D转换电路和D/A转换电路组成，系统原理图如图2所示，具体电路的设计方案如下叙述。图1系统设计框图D/AD/A0832功率放大单片机A/D显示按键稳压电源图2系统原理图正弦信号发生器的设计方案：此系统设计中，要求输出正弦波的电压频率可调范围在20Hz～100Hz之间，单片机定时器控制D/A0832输出的电压值和时间，D/A输出的电压值是通过查正弦数据表，频率可调是通过temp=65536-24000000/256/FREQ计算值作为定时器的初值，幅度可调是通过改变DAC0832的基准电压，采用运算放大器LM358将DAC0832的电流输出转换为电压输出。为了实现振荡频率连续可调，通过按键输入FREQ的值来改变定时时间，进而改变了输出频率。具有使输出可调频率正弦波信号更加稳定，带负载能力强，输出电压失真小的优点。功率放大电路设计方案：课题的关键部分就是功效，基于SHM1150II芯片设计的电路是一种具有频响宽、信号失真小等优点的功放电路，SHM1150II技术参数如下：电源电压±55V中点电压-70~+70mV额定输出功率2*50W静噪电压-5V谐波失真0.3%热阻1.8℃/W频率响应20Hz~50Hz结温150℃输入阻抗55KΩ工作壳温125℃输入噪声电压1.2mV允许负载短路时间2s根据其功耗、结热、热阻选取适当大小的散热片进行安装，电路图如图3所示。图3SHM1150II功放电路图过流保护电路的设计方案：电流通过6瓦/1欧姆的电阻采样，送到运放LM358，进行半波整流放大、阻容滤波后送给A/D转换，单片机根据电流的大小在数码管上进行显示，当显示的电流值大于1.5A时，继电器吸合，漏电保护器动作，实现过流保护，电路图如图4所示。16W10K10K6K85W104100uF1N41481N4148LM3581K1KGNDGNDGNDGNDGNDA/D单片机+5V功率电阻漏保NL图4电流检测与过流保护电路控制电路设计方案：系统设置有四个按键，分别为设置键、移位键、加1键和运行键，并配有相应的指示灯。测定频率时，相应的频率指示灯点亮，测定电压时，相应的电压指示灯点亮；处在设置状态时(设置状态灯点亮状态)，移位键和加1键有效，用移位键来选定要显示数值数码管，用加1键来控制对应数码管上数字量，按下运行键，即处在运行状态时(运行指示灯点亮状态)，移位键和加1键无效，通过示波器观察产生频率或电压值。按键的使用具体安排如下所述：1#键S1实现数据的输入，相应的数码管小数点点亮，称该键为“设置键”；2#键S2实现对小数点点亮的数码管上欲修改数据的那一位进行移位，被修改的那一位数码管小数点呈点亮状态，称该键为“移位键”；3#键S3实现对已经移位到的那一位LED数码管显示器上的数据加1，当加到9时若再按该键则变为0。被加的那一位LED区别于其他LED为“闪烁”。该键配合移位键可实现对4个LED数码管显示器输入任意的数据，称该键为“加1键”；4#键S4实现程序的运行，配有相应的指示灯，称该键为“运行键”。显示电路设计方案：由于系统显示信息量少，数码管显示驱动简单，故采用4位共阴极LED数码管进行静态显示，单片机外接4个每秒传输1兆bit数据的HEF4094移位寄存器(每个对应1个LED数码管)来控制数码管，通过串行口工作在方式0把数据先送第一个数码管，依次向后传，直到一次(四个数据一组)传输结束，显示产生的频率和电压值，键盘与显示电路如图5所示。该变频电源可以显示频率值和电压值，同时启用定时/计数器1配合工作，把0～359度的正弦波信号对应值通过查表计算求得，定时时间＝1/设定值(赫兹)*1000000(微秒)/256(微秒)。此外系统中还设置有四个LED指示灯，以表明当前所处的状态。如：①运行状态指示灯；②设置状态指示灯；③频率参数输入（或频率参数显示）指示灯；④电压参数输入（或电压参数显示）指示灯。图5键盘和显示电路图1#2#3#4#移位寄存器MCU移位寄存器移位寄存器移位寄存器移位寄存器移位寄存器S1S2S3S4A/D转换电路设计方案：系统采用的ADC0832是8位、双通道逐次逼近型A/D转换芯片，通过内部多路器来控制选择通道，处理器的控制命令通过DI引脚输入，输入配置可在多路器寻址时序中进行。多路器地址可通过DI端移入转换器。多路器地址选择模拟输入通道可决定输入是单端输入还是差分输入。在选择差分输入方式时，极性也可以选择。一对输入通道的两个输入端的任何一个都可以作为正极或负极。通常ADC0832在输出以最高位(MSB)开头的数据流后，会以最低位(LSB)开头重输出一遍。因此,编程时要发两轮脉冲,第一轮脉冲就已取出了从高位到低位的全部数据。若不要相同的从低位到高位的数据，也要发一轮8个脉冲将0832寄存器中的数据移出。(1)ADC0832芯片接口说明如图6所示。图6ADC0832芯片引脚图·CS片选使能，低电平芯片使能；·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；·GND芯片参考0电位（地）；·DI数据信号输入，选择通道控制；·DO数据信号输出，转换数据输出；·CLK芯片时钟输入；·Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832的时序如图7所示。图7ADC0832的时序图(2)ADC0832具有的特点·8位分辨率；·双通道A/D转换；·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；·一般功耗仅为15mW；·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；·商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为?40°Cto+85°C。(3)单片机对ADC0832的控制原理：正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号，在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。单片机以P2.0，P2.1，P2.2提供ADC0832所需的信号片选端、时钟端、设置和数据输入端，控制信号全部由编制的程序提供，ADC0832与单片机的接口电路如图8所示。图8ADC0832与单片机的接口电路图附件2：“金恒泰”杯第五届电子设计竞赛参赛作品信息课题编号：2-12课题名称：单相正弦波变频电源设计课题来源：指定课题8号参赛单位：淮安信息职业技术学院参赛人员：张鹏飞、朱小龙、马海成指导老师：孙云龙、刘泽志1、作品性能及技术指标：课题是单相正弦波变频电源的设计，主要由正弦信号发生器电路、功率放大电路、过流保护电路、控制电路、显示电路、A/D转换电路和D/A转换电路组成。此设计输出的电压波形可接近正弦波，输出的频率范围可达到1Hz～200Hz，电压的有效值为15V～36V。同时此系统还在负载端装有过流保护，动作电流可达1.5A时动作，经测试当输入的电压为198V～242V，负载电流有效值可为0.5～1A，且电压稳定在15V，误差2.1%，波形没有明显的失真，具有测量显示功能。2、操作方法：测试使用的仪器设备如表1所示。表1测试使用到的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1UNI-T数字万用表2胜利公司2TDS210双踪示波器1江苏扬中电子仪器厂（1）指标测试a．输出电压频率范围和电压有效值测试测试方法：采用万用表测量负载端的电压有效值，用示波器测量单相正弦波的频率，实验数据记录如表2所示。表2输出频率范围为20Hz～100Hz变化时，电压有效值测量数据测量次数1234平均值频率值（Hz）20508010062.5电压有效值（V）15.1715.3015.3415.3715.30b.输入电压为198V～242V，负载电流有效值0.5～1A时，输出电压稳定在15V的误差测试测试方法：空载状态下，通过调压器改变输入电压，用数字万用表测量，选取测试用输入电压，接通电源，接入数字万用表，从而读取输出电压有效值和负载电流有效值，计算求得误差，实验数据记录如表3所示。表3电压稳定在15V误差数据记录测量次数1234平均值输入有效值电压（V）198210.6220242217.65输出电压有效值（V）15.2815.3515.315.315.31计算误差（%）0.0190.0230.020.020.021c.变频电源输出电压、电流、功率的测量测试方法：同上，实验数据记录如表4所示。表4输出电压、电流、功率测量值记录测量次数1234平均值输入电压有效值（V）198210.6220242217.65输出电压有效值（V）15.2815.3515.315.315.31输出电流有效值（A）0.850.850.850.850.85计算功率（W）12.9913.0513.0113.0113.02（2）测试结果表5基本要求完成指标测试对象题目要求实测记录结论单相正弦波电源的频率范围20Hz~100Hz1Hz~2