单片机控制单相交流调功器的设计

武汉理工大学华夏信息工程课程设计报告书课程名称单片机控制单相交流调功器的设计课程设计总评成绩学生姓名、学号102212408225学生专业班级自动化1082指导教师姓名课程设计起止日期2011.11.28--2011.12.25一、课程设计项目名称单片机控制单相交流调功器的设计二、项目设计目的及技术要求设计目的设计基于单片机的单相交流调功器技术要求及初始条件：1.被控对象参数：电阻性负载，功率PN＝2.2KW2.进线交流电源：单相220V3.性能指标：输出功率连续可调，调功误差不超过3%设计任务:1.单片机的选型及扩展2.调功器电路及控制电路的设计3.可调放大倍数的信号放大电路的设计4.A/D转换电路的设计5.功率主电路的设计6.扩展4*4键盘及4位LED显示电路（选做）设计要求:1．对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。2.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。3.对项目设计结果进行分析。3.画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。4.课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB图)1系统结构设计1.1系统设计框图基于单片机的单相交流调功器，顾名思义是要通过单片机编程控制实现交流调功。通常来自传感器的信号是伏级的模拟信号，而单片机的接口电压为+5V，因此需要一个信号放大电路和一个A/D转换电路。信号通过放大转换之后输送到单片机，单片机通过运行指令，控制输出脉冲，通过脉冲驱动主电路晶闸管，从而达到调功的目的。系统框图如图1.1所示：图1.1基于单片机的单相交流调功器设计框图2方案论证2.1信号放大电路通信系统中使用的小信号放大器分为两类，一类是谐振放大器，谐振放大器都是选频的窄带放大器，并联谐振回路、耦合谐振回路和各种固体滤波器是其负载。谐振放大器的主要参数除了电压放大倍数（增益）、输入阻抗、输出阻抗外，通频带和选择性是有别于其它放大器的重要的参数。另一类是宽带放大器，实用中的宽带放大器多为集成放大器。分离元件的谐振放大器通常采用y参数等效电路来分析计算，单管单调谐放大器和单管双调谐放大器的分析计算是本章的重点，这一章要注意计算公式的灵活应用。小信号放大器能否稳定工作是电路设计和调整中必须考虑的问题，但是稳定性涉及的问题比较多，计算只能为电路调整指一个方向，需要根据实际情况进行仔细地调整。集成宽带放大器+集中选频滤波器是目前小信号放大器的方向。宽带放大器也存在稳定工作的问题，当频率比较高时，需要认真考虑阻抗匹配问题。在本系统中放大电路可以采用集成芯片，集成放大芯片具有精度高、稳定性好、输入阻抗高、稳定性好等优点。可以采用的芯片有AD620、OP725、OP07等。2.2A/D转换模块A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。A/D转换要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的。一般取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。由于实现这种转换的工作原理和采用工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。A/D转换器按分辨率分为4位、6位、8位、10位、14位、16位和BCD码的31/2位、51/2位等。按照转换速度可分为超高速（转换时间≤330ns），次超高速（330~3.3μs），高速（转换时间3.3~333μs），低速（转换时间＞330μs）等。A/D转换器按照转换原理可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。所谓直接A/D转换器，是把模拟信号直接转换成数字信号，如逐次逼近型，并联比较型等。其中逐次逼近型A/D转换器，易于用集成工艺实现，且能达到较高的分辨率和速度，故目前集成化A/D芯片采用逐次逼近型者多；间接A/D转换器是先把模拟量转换成中间量，然后再转换成数字量，如电压/时间转换型（积分型），电压/频率转换型，电压/脉宽转换型等。其中积分型A/D转换器电路简单，抗干扰能力强，切能作到高分辨率，但转换速度较慢。位数越高，分辨率越高。若小于最小变化量的输入模拟电压的任何变化，将不会引起输出数字值的变化。采用12-bit的AD574，若是满刻度为10V的话，分辨率即为10V/212=2.44mV。而常用的8-bit的ADC0804，若是满刻度为5V的话，分辨率即为5V/28=19.53mV。选择适用的A/D转换器是相当重要的，并不是分辨率越高越好。不需要分辨率高的场合，所撷取到的大多是噪声。分辨率太低，会有无法取样到所需的信号。（1）转换误差通常以相对误差的形式输出，其表示A/D转换器实际输出数字值与理想输出数字值的差别，并用最低有效位LSB的倍数表示。（2）转换时间转换时间是A/D转换完成一次所需的时间。从启动信号开始到转换结束并得到稳定的数字输出值为止的时间间隔。转换时间越短则转换速度就越快。（3）精准度对于A/D转换器，精准度指的是在输出端产生所设定的数字数值，其实际需要的模拟输入值与理论上要求的模拟输入值之差。常用的芯片有：AD574、MC14433、AD7711A2.3单片机单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。由于本系统对单片机的性能要求不是很高，用STC51的单片机就可以。2.4调功电路调功是应用晶闸管及其触发控制电路用于调整负载功率。一般调功电路由四个部分：电压比较、控制电路、驱动放大、主电路。过零电压比较电路由整流电路和电压比较器组成，通过整流将交流电转换成直流电，再将该直流电输入到电压比较芯片与比较电压进行比较运算，输出方波脉冲。输出脉冲经过放大驱动晶闸管导通。运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高(使比较器响应速度更快)。另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，如图6所示，它外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。但也有一些比较器为互补输出，无需上拉电阻。比较器电路本身也有技术指标要求，如精度、响应速度、传播延迟时间、灵敏度等，大部分参数与运放的参数相同。在要求不高时可采用通用运放来作比较器电路。如在A/D变换器电路中要求采用精密比较器电路。其中电压比较器可以选择：LM393、LM339、OP07、OP27等。3最佳方案放大电路采用集成芯片AD620，AD620具有精度高、噪声低、使用简单的优点。通过在1号管脚和8号管脚之间串接一个电位器就可以调整放大倍数。其3号脚为信号输入脚，6号脚为信号输出脚，4号和7号管脚分别接-5V和+5V直流电源，其它的脚都接地。最大增益可达1000倍。AD620放大倍数的计算公式为49.41gKAR。通过调整电位器R可以调节其放大倍数AD620的管脚示意图如图1.2所示：图1.2AD620的管脚示意图A/D转换采用芯片AD574，AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。AD574A的部分引脚说明：[1]Pin1(+V)——+5V电源输入端。[2].Pin2()——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据是12位或8位输出。[3].Pin3()——片选端。[4].Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。[5].Pin5()——读转换数据控制端。[6].Pin6(CE)——使能端。其引脚图如图1.3所示：图1.3AD574引脚图由于本系统对单片机的性能要求不高，本次使用STC89C51单片机，其引脚图如图1.4所示：图1.4STC89C51RC引脚示意图在本系统中调功电路的电压比较可以用OP07，OP07具有极低的输入失调电压（OP07E的最大值为75µV），通过在晶圆阶段执行调整而获得，而且这种低失调电压一般不需要进行任何外部零点校准。此外还具有低输入偏置电流（OP07E为±4nA）和高开环增益（OP07E为200V/mV）特性。OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡(调零端)，3为反向输入端，2为正向输入端，4接地，5空脚7为输出，6接电源。OP07的引脚示意图如图1.5所示：图1.5OP07的引脚示意图3硬件设计3.1信号放大电路的设计AD620芯片通过在1号引脚和8号引脚之间串接电阻，达到调节放大倍数的目的，AD620的最大放大倍数为1000倍，由于AD620放大倍数越大，误差就越大，故本电路用了两片AD620形成二级放大，其中U1放大50倍，U2的放大倍数通过电位器进行调节。信号放大电路如图3.1所示：图3.1信号放大电路图3.2A/D转换器的设计AD574A是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。其应用电路如图3.2所示：图3.2AD574输入信号的双极性接法3.3单片机对AD574的控制模拟量从10VIN或20VIN输入，输入极性由REFIN，REFOUT和BIPOFF的外部电路确定。不论输入模拟量是单极性还是双极性，均按从小到大的顺序将输入模拟量变换为数字量000H～FFFH。对单极性的模拟量，0伏对应000H,最大电压值对应FFFH，对双极性的模拟量，负幅值对应0，0伏对应800H，正幅值对应FFFH。如果把转换结果减去800H，可以得到与模拟量极性与大小对应的数字量。0-800H=800H(负幅值)，800H-800H=0（零值）FFFH-800H=7FFH（正幅值）。REFIN：片内基准电压输入线；BIPOFF：极性调节线。AD574与单片机的接口电路如图3.3所示：图3.3AD574与单片机的接口电路图AD574A的初始化以中断方式编程如下：ORG0003HLJMPINTS0ORG0100H；主程序MOVR0,#30H；设定数据缓冲区首地址MOVDPTR,#5FFFH；AD574A的启动地址SETBIE.2；外部中断1允许SETBIE.7；开CPU中断MOVX@DPTR,A；启动12位转换ORG1000HINTS0:MOVDPTR，#5FFEH；准备数据高8位地址MOVXA,@DPTR；读入A/D转换值的高8位MOV@R0,A；存A/D转换值的高8位数据INCDPTR；准备数据低4位地址INCR0；调整数据缓冲区指针MOVXA,@DPTR；读入A/D转换值的低4位MOV@R0,A；保存低4位数据RETI；中断返回3.4调功电路的设计所谓调功就是通过控制晶闸管的通断周期来控制负载上的功率。一般的调功电路分为四个部分：电压比较、控制电路、驱动放大、主电路。过零电压比较电路由整流电路和电压比较器组成，通过整流将交流电转换成直流电，再将该直流电输入到电压比较芯片OP07的正极与负极的输入比较电压进行比较运算，输出方波脉冲。调节与OP07负极相连的滑动变阻器可以调节输出脉冲的占空比。过零电压比较电路如图3.4所示：图3.4过零电压比较电路控制电路由两个非门和两个与非门组成，其中U1A接收来自单片机的信号，U2A接收过零电压比较器的输出信号，U3、U4的输出连接到驱动电路。当且仅当U1A、U2A的输入信号同时为低电平时U3、U4的输出才是低电平，其它情况U3、U4的输出都为高电平。控制电路如图3.5所示：图3.5控制电路由于从与非门输出的信号不足以驱动晶闸管的导通，因此需要驱动放