基于单片机控制单相交流调功器的课程设计

东北石油大学课程设计2013年12月15日课程电气工程课程设计题目基于单片机控制单相交流调功器的设计院系电气信息工程学院电气工程系专业班级电气10-2学生姓名学生学号指导教师高金兰付光杰东北石油大学课程设计任务书课程电气工程课程设计题目基于单片机控制单相交流调功器的设计专业电气工程及其自动化姓名学号100603140216主要内容：基于单片机的单相交流调功器主要分为四大模块：信号放大模块、A/D转换模块、单片机控制模块、调功电路。工作流程：来自传感器的模拟信号经过放大模快的两级放大输出到A/D转换模块，A/D转换模块在调功器启动的时候已经准备就绪，此时它接受到了信号在单片机的配合下进行A/D转换工作，转换的结果通过单片机传送到调功模块，这个信号跟调功模块的信号进行运算，输出到光耦合器件，通过光耦合器件控制驱动电路，实现对信号的放大，从而驱动控制晶闸管的通断，达到对负载调功的目的。参考资料：[1]王鑫，李威.PLC机电控制系统应用设计技术.北京：电子工业出版社，2010[2]范永胜，王岷.电气控制与PLC应用.北京：中国电力出版社，2007[3]鲁远东.PLC机电控制系统应用设计技术.北京：中国电力出版社，2010[4]张华宇.数控机床电气及PLC控制技术.北京：中国电力出版社，2010[5]肖峰，贺哲荣.PLC编程100例.北京：中国电力出版社，2009完成期限2013.12.2至2013.12.15指导教师专业负责人2013年12月15日电气工程课程设计（报告）目录1设计要求..............................................................................................................12系统结构设计......................................................................................................13方案论证..............................................................................................................13.1信号放大典论...............................................13.2A/D转换模式...............................................23.3单片机.....................................................33.4调功电路...................................................34最佳方案..............................................................................................................45硬件设计..............................................................................................................65.1信号放大器的设计...........................................65.2A/D转换器的设计...........................................75.3单片机对AD574的控制.......................................75.4调功电路的设计.............................................86结论....................................................................................................................10附录一....................................................................................................................13附录二.....................................................................................................................14附录三.....................................................................................................................15电气工程课程设计（报告）电气工程课程设计（报告）11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。2系统结构设计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3方案论证3.1信号放大典论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，实用电气工程课程设计（报告）2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。3.2A/D转换模式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。电气工程课程设计（报告）3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、AD7711A3.3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。3.4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，电气工程课程设计（报告）4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。4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4-1所示：图4-1AD620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：电气工程课程设计（报告）5[1]Pin1(