1、遼寧工程技術大學 電力電子技術課程設計 設 計 題 目 基于51單片機觸發的直流升壓斬波電路 研究 指 導 教 師 劉春喜 院（系、部） 電氣控制工程 專 業 班 級 電力10-1班 學 號 1005030104 姓 名 馮旭 日 期 2013年1月13日 電氣工程系課程設計成績評定表課程設計成績評定表學期2012/2013第1學期姓名馮旭專業電力系統及其自動化班級電力10-1班課程名稱電力電子技術設計題目基于51單片機觸發的直流升壓斬波電路研究 成績 評分項目優良中及格不及格設計表現1.設計態度非常認真認真較認真一般不認真2.設計紀律嚴格遵守遵守基本遵守少量違反嚴重違反3.獨立工作能力強較強

2、能獨立設計完成基本獨立設計完成不能獨立設計完成4.上交設計時間提早或按時按時遲交半天遲交一天遲交一天以上設計說明書5.設計內容設計思路清晰，結構方案良好，設計參數選擇正確，條理清楚，內容完整，結果正確設計思路清晰，結構方案合理，設計參數選擇正確，條理清楚，內容較完整，極少量錯誤設計思路較清晰，結構方案基本合理，設計參數選擇基本正確，調理清楚，內容基本完整，有少量錯誤設計思路基本清晰，結構方案基本合理，設計參數選擇基本正確，調理清楚，內容基本完整，有些錯誤設計思路不清晰，結構方案不合理，關鍵設計參數選擇有錯誤，調理清楚，內容不完整，有明顯錯誤6.設計書寫、字體、排版規范、整潔、有條理，排版很好較

3、規范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規范、整潔、有條理，排版有問題較多不規范、不整潔、無條理，排版有問題很大7.封面、目錄、參考文獻完整較完整基本完整缺項較多不完整圖紙8.繪圖效果很出色較出色一般較差很差9.布局合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10.繪圖工程標準符合標準較符合標準基本符合標準個別不符合標準完全不符合標準評定說明：不及格標準：設計內容一項否決制，即5為不及格，整個設計不及格，其他4項否決；優、良、中、及格標準：以設計內容為主體，其他項超過三分之一為評定標準，否則評定為下一等級；如優秀評定，設計內容要符合5，其余九項要有4項符合才能評

4、定為優，否則評定為良好，以此類推。最終成績： 評定教師簽字：課程設計任務書一、設計題目基于51單片機觸發的直流升壓斬波電路研究二、設計任務設計基于51單片機觸發的直流升壓斬波電路，并用MATLAB仿真軟件對下列兩個題目進行仿真： （1）周期設為1KHz ,占空比為50%,電感為10mH,電容為2200uF,負載為100時直流升壓斬波電路的負載輸出波形及輸出電壓大小。 （2）負載不變為100，頻率1KHz，占空比從5%到95%以等百分比遞增時，直流升壓斬波電路的負載輸出波形及輸出電壓大小。三、設計計劃課程設計共一周內完成。第1天，選擇設計題目，確定設計任務，查閱資料；第2天，主電路設計；第3天，

5、控制電路設計；第4天，仿真驗證；第5天，完成設計。四、設計要求按設計任務和格式要求完成課程設計說明書一份。設計必須按期完成。指 導 教師：劉春喜 張繼華 李國華教研室主任：李洪珠時 間：2013年 1 月 6 日摘要 本設計基于AT89S51單片機為核心的PWM升壓斬波電路(Boost Chopper)。設計由硬件電路與軟件電路組成。通過對升壓斬波電路的分析來理解其典型應用，最后通過MATLAB仿真來進行驗證。與傳統的電路相比，本設計加入了MATLAB仿真，這樣更直觀的顯示出了電路的工作狀態。同時相對于單純依靠電路元件而形成的觸發脈沖進行的PWM調制，基于AT89S51單片機的PWM發生裝置具

6、有電路簡單，可調性高等特點。關鍵詞：MATLAB 升壓斬波 PWM目錄0引言11 升壓斬波電路的基本原理22 單片機PWM42.1綜述42.2 總體硬件組成框圖52.3 硬件組成52.3.1 AT89S51單片機的最小應用系統52.3.2 LED顯示電路62.3.3 按鍵接口電路62.4 系統的軟件設計72.4.1 定時中斷子程序72.4.2 按鍵及顯示子程序83 仿真結果及結論94 個人心得體會14參考文獻15附錄1 單片機程序語言16附錄2 整體電路圖19遼寧工程技術大學電力電子技術課程設計0引言 直流斬波電路的種類較多，包括六種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、C

7、uk斬波電路、Sepicc斬波電路和Zeta斬波電路。直流斬波技術已被廣泛運用開關電源及直流電動機驅動中，使其控制獲得加速平穩、快速響應、節約電能的效果。直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術，這種電路把直流電壓斬成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需要的輸出電壓。PWM控制方式是目前采用最廣泛的一種控制方式，它具有良好的調整特性。隨電子技術的發展，近年來已發展各種集成式控制芯片，這種芯片只需外接少量元器件就可以工作，這不但簡化設計，還大幅度的減少元器件數量、連線和焊點。1 升壓斬波電路的基本原理 升壓斬波電路的原理圖如圖1所示。該電路中使用一個全控型器件P-MOSFET，即為電力場效應晶體

8、管。它是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個顯著特點是驅動電路簡單，需要的驅動功率??；第二個顯著特點是開關速度快、工作頻率高。圖1 升壓斬波電路原理圖分析升壓斬波電路的工作原理時，首先假設電路中電感值極大，電容C值極大。當可控開關V處于通態時，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為,同時電容C上的電壓向負載R供電。因電感C值很大，基本保持輸出電壓為恒值，即為。設V處于通態的時間為，此階段電感L上積蓄的能量為。當V處于斷態E和L共同向電容C充電并向負載R提供能量。設V處于斷態的時間為，則電感L釋放的能量為。當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即 (1-1) 化簡

9、的結果為 (1-2)式中，故稱該電路為升壓斬波電路。電路中導通角與關斷角的關系如下所示 （1-3） 因此，式（1-2）可表示為 （1-4）升壓斬波電路之所以能使輸出電壓高于電源電壓，關鍵有兩個原因：一是電感L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C的作用使得輸出電壓不變，但實際上C值不可能為無窮大，在此階段其向負載放電，必然會有所下降，故實際輸出電壓會略低于式（1-4）所得結果。不過，在電容C值足夠大時，誤差很小，基本可以忽略。 如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量僅由負載R消耗，即 （1-5） 該式表明，升壓斬波電路可看成是直流變壓器。 根據電路結構并結合式（1-4）得出輸出電流的平均值

10、為 （1-6） 由式（1-5）即可得出電源電流為 （1-7） 2 單片機PWM2.1綜述在升壓斬波電路中，保持開關周期不變，調節開關導通時間，為脈沖寬度調制（PWM,Pulse Width Modulation）或脈沖調寬型。為獲得精準的觸發脈沖，通常選用AT89S51單片機做為脈沖發生器。AT89S51是一個低功耗，高性能8位單片機，片內含4K Bytes ISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾

11、多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。 目前AT89S51單片機多采用40個引腳的雙列直插封裝（DIP）方式，其引腳分布如下圖所示：圖2-1 AT89S51雙列直插封裝方式的引腳AT89S51單片機無PWM輸出功能，可以采用定時器配合軟件的方法輸出。這種方法精度相對較高，非常實用。其電路圖如圖3-2所示，采用高速光隔（6N137）輸出，并將PWM的信號倒相。圖2-2 AT89S51單片機PWM輸出電路圖2.2 總體硬件組成框圖圖2-3 總體硬件組成框圖系統框圖如圖2-3所示，系統主要由五大模塊組成即時鐘電路、LED顯示、復位電路、按鍵電路和示波器顯示。2.3 硬件組成2.3.1 AT89S51單

12、片機的最小應用系統AT89S51單片機內部有4KB的閃爍存儲器，本身就是一個數字量輸入/輸出的最小應用系統。在構建AT89S51單片機最小應用系統時，AT89S51單片機需要外接時鐘電路和復位電路即可，如圖2-4所示。注意，本最小應用系統只能作為小型的數字量測控單元。圖2-4 AT89S51單片機構成的最小應用系統2.3.2 LED顯示電路 如圖2-5所示，由于外電路不需要占用很多的I/O口，因此在本設計中數碼管與AT89S51的P0口和P2口直接相連，采用靜態顯示的方法，具有亮度高等優點。 圖2-5 LED顯示電路2.3.3 按鍵接口電路 如圖2-6所示，圖中K1與P3.2相連，控制占空比變

13、化步進為1，K2與P3.3相連，控制占空比變化步進為5。 圖2-6 按鍵接口電路2.4 系統的軟件設計 本系統中AT89S51單片機的主要功能就是實現占空比可調、產生方波并通過LED顯示器和示波器顯示出來。其主程序流程如圖2-7所示。 圖2-7 主程序流程圖 2.4.1 定時中斷子程序 定時器中斷子程序中有定時器0和定時器1中斷，定時器0控制占空比變化步進為1，如圖2-8；定時器1控制占空比變化步進為5，如圖2-9。 圖2-8 定時器0中斷流程圖 圖2-9 定時器1中斷流程圖2.4.2 按鍵及顯示子程序 按鍵及顯示子程序設計流程圖如圖2-10所示。圖2-10 按鍵顯示流程圖3 仿真結果及結論物

14、理仿真需要進行大量的設備制造、安裝、連接及調試工作，其投資大、周期長、靈活性差、改變參數難、模型難以重用，且實驗數據處理也不方便。但是計算機仿真卻可以解決這個問題。只要有一臺計算機就可以對不同的控制系統進行仿真和研究，而且進行一次仿真實驗研究的準備工作也比較簡單，主要是控制系統的建模、控制方式的確立和計算機編程。本系統采用MATLAB自帶的動態仿真集成環境-SIMULINK進行仿真。SIMULINK是一個用來對動態系統進行仿真和分析的軟件包。它支持連續、離散、及兩者混合的線性和非線性系統。它為用戶提供了一個圖形化得用戶界面（GUI）。它與用微分方程和差分方程建模的傳統仿真相比具有更直觀、更方便

15、、更靈活的優點。其仿真電路圖如圖4-1所示：圖3-1 仿真電路圖 周期設為1KHz ,占空比為50%,電感為10mH,電容為2200uF,負載為100時進行仿真，仿真結果如下：圖3-2 負載電壓98.2V圖3-3 流經電感L的電流值為0.982A 由圖3-2中V1可以看到負載兩端的電壓與輸入電壓基本上成2倍的關系。即滿足理論計算公式。 當負載不變為100，頻率1KHz，占空比從5%到95%以等百分比遞增時，輸出電壓，與輸入電壓和電路參數之間的關系。 占空比5%圖3-4 負載電壓51.8V圖3-5 流經電感L的電流值為0.518A 從圖3-4負載電壓可以看出負載電壓約為51.8V，基本上符合理論

16、計算： 占空比15%圖3-6 負載電壓57.4V圖3-7 流經電感L的電流值為0.57A 從圖3-6負載電壓可以看出負載電壓約為51.8V，基本上符合理論計算： 占空比25%圖3-8 負載電壓65.5V圖3-9 流經電感L的電流值為0.65A 從圖3-8負載電壓可以看出負載電壓約為65.5V，基本上符合理論計算：占空比35%圖3-10 負載電壓75.6V圖3-11 流經電感L的電流值為0.75A 從圖3-10負載電壓可以看出負載電壓約為75.6V，基本上符合理論計算： 占空比45%圖3-12 負載電壓89.3V圖3-13 流經電感L的電流值為0.89A 從圖3-12負載電壓可以看出負載電壓約為

17、89.3V，基本上符合理論計算： 占空比55%圖3-14 負載電壓109.1V圖3-15 流經電感L的電流值為1.09A 從圖3-14負載電壓可以看出負載電壓約為109.1V，基本上符合理論計算： 占空比65%圖3-16 負載電壓140.2V圖3-17 流經電感L的電流值為1.042A 從圖3-16負載電壓可以看出負載電壓約為140.2V，基本上符合理論計算：占空比75%圖3-18 負載電壓196.2V圖3-19流經電感L的電流值為1.962A 從圖3-18負載電壓可以看出負載電壓約為196.2V，基本上符合理論計算： 占空比85%圖3-20 負載電壓325V圖3-21流經電感L的電流值為3.

18、25A 從圖3-20負載電壓可以看出負載電壓約為325V，基本上符合理論計算： 通過仿真數值可得：該設計仿真值符合理論結算值。 4 個人心得體會經過近一個星期的努力我終于順利的完成了此次電力電子的課程設計，其中遇到了許多的問題和困難但是也學到了很多的知識。 遇到的問題和困難： (1) 在計算元器件參數是缺少理論依據難以正確的計算相應的參數。 (2) 在選取元器件型號和參數時，缺少實際經驗難以找到合適的元件。 (3) 在用MATLAB軟件仿真是遇到了許多操作上的問題，致使仿真花費的很多時間才達到有效效果。(4) 在對單片機進行外電路設計時，失敗了很多次。雖然遇到了許多的困難但是我還是通過不斷的學

19、習解決了這些難題。 學到的知識： (1) 通過這次課程設計我夯實了電力電子和單片機的基礎知識。 (2) 對直流斬波及單片機程序及外電路設計有了更深層次的理解。 (3) 對MATLAB軟件和電路原理圖的設計有了初步了解。 (4) 在面對學習上的困難時一定要堅持不懈的努力才能打敗困難，獲得更多以的知識。相信我在未來的學習與生活中，能牢記此次課程設計的教訓，吸取此次課程設計的經驗，從而追求更高的目標。13參考文獻1 王兆安，劉進軍. 電力電子技術M. 5版. 北京：機械工業出版社,2009.2 張毅剛. 單片機原理及應用M. 2版. 北京：高等教育出版社,2012.3 周永金. 模擬電子技術與應用J

20、. 西安：陜西國防學院電子教研室,2005.4 邊春遠,王志強. MCS-51單片機應用開發實用子程序M. 北京：人民郵電出 版社,2005.5 康華光,陳大欽. 電子技術基礎M. 4版. 北京：高等教育出版社,1998.6 李國勇,謝克明,楊麗娟. 計算機仿真技術與CAD-基于MATLAB的控制系統 M.北京：電子工業出版社,2008.附錄1 單片機程序語言 COUNT EQU 30H AS EQU 30H M EQU 35H ORG 0000H LJMP START ORG 0003HLJMP INT00ORG 0013HLJMP INT11START: SETB EX0SETB PX0SETB IT0SETB EX1CLR PX1SETB IT1SETB EACLR P1.5MOV TMOD,#21HMOV TH1,#38HMOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HSETB TR0SETB TR1MOV DPTR,#TABLEMOV M,#50MOV P0,#3FHMOV P2,#6DHMOV AS,#0 TOP:SETB TR1SETB P1.0CLR P1.1MOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0E0HMOV AS,#0 MOV B,#10 MOV A,M MOV