1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書論文題目：基于單片機(jī)的正弦波逆變電源設(shè)計(jì) 年 月 日摘要本次設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)STC而設(shè)計(jì)的純正弦波逆變電源。額定輸入U(xiǎn)=12V的直流電，輸出為50Hz,220V的交流電。額定輸出功率為300W。設(shè)計(jì)了全方位的保護(hù)電路。包含了可以根據(jù)溫度來控制散熱風(fēng)扇的開啟。實(shí)現(xiàn)了輸入低壓、過壓的關(guān)斷功能。當(dāng)輸入U(xiǎn)過低時(shí)，逆變現(xiàn)象停止，這樣可以防止蓄電池的損壞。當(dāng)輸入U(xiǎn)過高時(shí)，停止逆變，可以防止損壞芯片。擁有輸入防反接功能，當(dāng)輸入正負(fù)極接錯(cuò)時(shí)，關(guān)斷輸入與后級(jí)電路的連接，不會(huì)燒壞芯片或蓄電池。采用了一個(gè)液晶屏來顯示輸出的電壓，輸出頻率等信息。采用一對(duì)發(fā)光二極管來指示工作狀態(tài)。采用了一個(gè)蜂鳴器

2、，當(dāng)產(chǎn)生錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)出蜂鳴報(bào)警。輸出的交流電為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而不是方波或修正波，可以實(shí)現(xiàn)更寬范圍的帶負(fù)載能力。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，最終轉(zhuǎn)換效率達(dá)到85%以上，輸出結(jié)果穩(wěn)定，達(dá)到了理想的實(shí)驗(yàn)效果。關(guān)鍵詞單片機(jī)，逆變電源，正弦波，反接保護(hù)AbstractThe design is based on STC microcontroller designed for pure sine wave inverter. Rated input voltage of 12V DC, output is 50Hz, 220V AC. Rated output power of 300W. I designed a f

3、ull range of protection circuits. It can be included to control the temperature on the cooling fan. Achieve a input voltage, overvoltage shutdown function. When the input voltage is too low, the inverter is stopped, to prevent damage to the battery, when the input voltage is too high, the inverter i

4、s stopped to prevent damage to the chip. Has the input anti-reverse function when the input is negative then the wrong time, and after the shutdown input stage circuit connections will not burn chips or batteries. It uses a liquid crystal screen to display the output voltage, output frequency and ot

5、her information. It uses two light emitting diodes to indicate the operating status. It uses a buzzer when an error occurs, the alarm beeps. The standard AC output sine wave, rather than a square wave or modified wave, a wider range can be achieved with a load capacity. According to the test, the co

6、nversion efficiency of more than 85%, stable output, to achieve a good experimental result.Key WordsMCU, Inverter, Sine wave, reverse polarity protection 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc370034516 摘要 PAGEREF _Toc370034516 h I HYPERLINK l _Toc370034517 Abstract PAGEREF _Toc370034517 h II HYPERLINK

7、l _Toc370034518 第一章 緒論 PAGEREF _Toc370034518 h 1 HYPERLINK l _Toc370034519 系統(tǒng)研究的背景 PAGEREF _Toc370034519 h 1 HYPERLINK l _Toc370034520 1.2 系統(tǒng)研究的意義 PAGEREF _Toc370034520 h 2 HYPERLINK l _Toc370034521 第二章 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc370034521 h 3 HYPERLINK l _Toc370034522 系統(tǒng)的工作原理 PAGEREF _Toc370034522 h 3

8、HYPERLINK l _Toc370034523 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc370034523 h 6 HYPERLINK l _Toc370034524 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034524 h 7 HYPERLINK l _Toc370034525 第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034525 h 8 HYPERLINK l _Toc370034526 主控制器 PAGEREF _Toc370034526 h 8 HYPERLINK l _Toc370034527 3.2 DC-DC模塊 PAGEREF _Toc370034527

9、 h 9 HYPERLINK l _Toc370034528 3.2.1 PWM脈沖產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc370034528 h 9 HYPERLINK l _Toc370034529 變壓器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034529 h 10 HYPERLINK l _Toc370034530 輸出整流電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034530 h 12 HYPERLINK l _Toc370034531 3.3 DC-AC模塊 PAGEREF _Toc370034531 h 12 HYPERLINK l _Toc370034532 波驅(qū)動(dòng)隔離 PAGEREF

10、 _Toc370034532 h 13 HYPERLINK l _Toc370034533 3.3.2 開關(guān)電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034533 h 14 HYPERLINK l _Toc370034534 3.3.3 LC濾波電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034534 h 15 HYPERLINK l _Toc370034535 3.4 保護(hù)模塊 PAGEREF _Toc370034535 h 16 HYPERLINK l _Toc370034536 3.4.1 溫度保護(hù) PAGEREF _Toc370034536 h 16 HYPERLINK l _Toc370

11、034537 輸入保護(hù) PAGEREF _Toc370034537 h 16 HYPERLINK l _Toc370034538 輸出保護(hù) PAGEREF _Toc370034538 h 17 HYPERLINK l _Toc370034539 直流5V電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034539 h 18 HYPERLINK l _Toc370034540 顯示與報(bào)警模塊 PAGEREF _Toc370034540 h 18 HYPERLINK l _Toc370034541 液晶顯示 PAGEREF _Toc370034541 h 18 HYPERLINK l _Toc370034

12、542 蜂鳴器報(bào)警 PAGEREF _Toc370034542 h 20 HYPERLINK l _Toc370034543 第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034543 h 21 HYPERLINK l _Toc370034544 開發(fā)環(huán)境介紹 PAGEREF _Toc370034544 h 21 HYPERLINK l _Toc370034545 4.2 SPWM程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034545 h 23 HYPERLINK l _Toc370034546 液晶驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc370034546 h 28 HYPERLINK

13、l _Toc370034548 第五章 結(jié)束語 PAGEREF _Toc370034548 h 32 HYPERLINK l _Toc370034549 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc370034549 h 33 HYPERLINK l _Toc370034550 致謝 PAGEREF _Toc370034550 h 34 HYPERLINK l _Toc370034551 附錄一系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc370034551 h 35 HYPERLINK l _Toc370034552 附錄二系統(tǒng)源程序 PAGEREF _Toc370034552 h 36第一章 緒論系統(tǒng)研究的背

14、景逆變電源是指將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源的的裝置。隨著光伏發(fā)光的推廣，汽車和車載電器數(shù)量的增加，UPS的廣泛應(yīng)用，逆變電源的應(yīng)用場(chǎng)合也越來越多，成了電力電子技術(shù)中不可缺少的部件。而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源也有一個(gè)高速發(fā)展的歷程。最早的逆變系統(tǒng)采用的是，通過將直流電源供給直流電動(dòng)機(jī)，直流電機(jī)通過機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，來完成直交流的轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換方式占用空間大，重量大，產(chǎn)生一定的噪聲，而且效率十分低下。到二十世紀(jì)六、七十年代，晶閘管的問世使得逆變電源的技術(shù)得到了發(fā)展。逆變電源開始廣泛使用晶閘管來作為主要器件，與傳統(tǒng)的機(jī)械式轉(zhuǎn)換相比，效率明顯提高。但缺點(diǎn)也十分明顯，轉(zhuǎn)換的波形為方波，而不是正弦波

15、，無法帶動(dòng)電感類負(fù)載。限于晶閘管的功率，電源的輸出功率較小。進(jìn)入八十年代以后，電子元件的種類也越來越多，誕生了功率場(chǎng)效應(yīng)管、MOS管、可關(guān)斷晶閘管、電力用晶體管、絕緣柵極晶體管等類型的功率型器件。這些器件的出現(xiàn)為逆變電源技術(shù)的高速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。使得逆變電源從容量到頻率等參數(shù)越來越高，占用的體積減小，逆變轉(zhuǎn)換效率提高，各種品質(zhì)指標(biāo)也進(jìn)一步提升。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，逆變電源在設(shè)計(jì)上，也漸漸使用微電子元件。得益于微電子元件的精密程度，逆變電源的輸出的穩(wěn)定性，波形的精確度等都得到了保證。目前的逆變電源按照輸出波形可分為三種。第一種是方波逆變電源。此電源結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率較高

16、，技術(shù)成熟。不足的是變壓器和濾波器的體積、重量較大，工作的噪音較大。而由于輸出波形是方波，上升和下降是突變的，當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，由于電感對(duì)儲(chǔ)能特性，會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖高壓。造成負(fù)載或電源的損壞。第二種是修正波逆變電源。輸出波形是將多個(gè)方波疊加而成的修正正弦波。大大減小了輸出波形的諧波含量。與方波逆變電電源相比，性能得到了很大的提升。第三種是純正弦波逆變電源。其輸出波形為諧波含量很小的正弦波。與市電相比波形基本一致。可以帶動(dòng)所有類型的負(fù)載。但缺點(diǎn)是技術(shù)不夠成熟。成本較高。 系統(tǒng)研究的意義一方面目前私家車已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，而車內(nèi)可使用電器卻因?yàn)殡娫词艿街T多的限制。汽車的攜帶的蓄電池輸出直流12V，而

17、大部分電器的額定電壓是市電交流220V。而目前常見的車載逆變電源有諸多缺點(diǎn)。如無輸入低壓保護(hù)，超額使用后，導(dǎo)致汽車無法啟動(dòng)。沒有設(shè)計(jì)顯示屏，用戶無法查看輸出參數(shù)。沒有配置短路保護(hù)，過載保護(hù)等。另一方面隨著太陽能發(fā)光的大力推廣，逆變電源在太陽能發(fā)光的過程中有著不可缺少的作用。太陽能發(fā)光是將光能轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)在蓄電池中。而人們使用的家電無法直接通過蓄電池供電。必須通過逆變電源將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。隨著逆變電源應(yīng)用的場(chǎng)合越來越多，對(duì)逆變電源技術(shù)的發(fā)展要求也越來越高。目前逆變電源的設(shè)計(jì)多采用純硬件設(shè)計(jì)的分立式元件組成的結(jié)構(gòu)。隨著人們使用的電器數(shù)量和種類的增加，對(duì)逆變電源的波形、容量等參數(shù)的要求也越高，

18、使得設(shè)計(jì)的逆變電源的復(fù)雜度也越來越高，采用的元件也越來越多。而由于元件數(shù)量過多，造成的電源穩(wěn)定性較差，往往由于某一個(gè)元件的質(zhì)量差而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的損壞。而且傳統(tǒng)逆變電源基于模擬元件的設(shè)計(jì)，沒有可編程的能力，使得逆變電源的可擴(kuò)展能力差，沒有顯示功能等問題。因此針對(duì)單片機(jī)來作為逆變電源主控制芯片來研究成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。第二章 系統(tǒng)的工作原理與結(jié)構(gòu)逆變電源是一種將低壓直流電轉(zhuǎn)換為高壓交流電的過程。一個(gè)直流電源對(duì)一個(gè)負(fù)載的兩端輪流供電時(shí)便在負(fù)載的兩端形成一個(gè)交流電的過程。工作模型如圖2-1所示。圖2-1 逆變電源工作模型當(dāng)圖中的S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)。電流從負(fù)載的左側(cè)流向右側(cè)。負(fù)載兩端的電壓U0

19、是一個(gè)正電壓。電流方向和波形如圖2-2所示。圖2-2 S1、S4閉合時(shí)的電流方向和波形當(dāng)圖中的S2、S3閉合，S1、S4斷開時(shí)。電流從負(fù)載的右側(cè)流向左側(cè)。負(fù)載兩端的電壓U0是一個(gè)負(fù)電壓。電流方向和波形如圖2-3所示。圖2-3 S2、S3閉合時(shí)的電流方向和波形當(dāng)開關(guān)開始和閉合的速度很快時(shí)，負(fù)載兩端的電壓便形成了一個(gè)交流電的過程。實(shí)際應(yīng)用中，只要將圖中的開關(guān)，改為可控的開關(guān)器件，這些開關(guān)器件組成的電路稱為全橋。全橋逆變電源主電路結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4 全橋逆變電源結(jié)構(gòu)圖V1、V2、V3和四個(gè)開關(guān)管以及VD1、VD2、VD3和VD4四個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成了左右兩個(gè)橋臂。在任何時(shí)刻，左右兩個(gè)橋臂的上

20、下兩個(gè)開關(guān)器件不可以同時(shí)打開，否則輸入電源將短路。四個(gè)開關(guān)器件也不可同時(shí)關(guān)斷，否則輸出出現(xiàn)不可控的狀態(tài)。這些開關(guān)器件的控制信號(hào)可以采用周期調(diào)制信號(hào)。而這些周期信號(hào)經(jīng)過正弦脈寬調(diào)制，稱為SPWM調(diào)制，電路結(jié)構(gòu)稱為SPWM全橋結(jié)構(gòu)。典型的SPWM調(diào)制方式有如下兩種。單極性調(diào)制是指H橋輸出包括兩個(gè)相反的電平，輸出載波f1與開關(guān)工作f2相同。單極性調(diào)制的波形圖如圖2-5所示。圖2-5 單極性調(diào)制波形圖在ur和uc的相交的時(shí)刻控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉，uof表示uo的基波分量。在波形ur的正半周，V1的狀態(tài)為通， V2的狀態(tài)為斷。在uruc時(shí)， V3的狀態(tài)為斷， V4的狀態(tài)為通。此時(shí)的uo=ud。在uru

21、c時(shí)，V3的狀態(tài)為通， V4的狀態(tài)為斷。此時(shí)的uo=0。在uruc時(shí)，開關(guān)管V1和V4的狀態(tài)為通， 開關(guān)管V2和V3狀態(tài)為斷。此時(shí)的uo=Ud。在ur2Qg/(VCC101.5)。經(jīng)過計(jì)算，本次設(shè)計(jì)的自舉電容為100uf/35V。自舉二極管是組成自舉電路的重要的自舉器件，主要作用是阻斷直流干線上的高壓。自舉二極管所需承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。本次設(shè)計(jì)采用的自舉二極管為恢復(fù)二極管FM1S。該二極管擁有較小的反向漏電流，可以有效的減小電荷損失。3.3.2 開關(guān)電路的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中開關(guān)管的輸入電壓在400V左右，輸出功率在300W以上。因此必須使用功率足夠的功率開關(guān)管。本次設(shè)計(jì)采用的是IR

22、F840作為開關(guān)管。IRF840的最大漏源電壓在500V，漏極電流為8A左右，足以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。設(shè)計(jì)的電路如圖3-7所示。圖3-7 開關(guān)電路原理圖開關(guān)管的控制信號(hào)為IR2110S隔離后的SPWM正弦波，輸入電壓為400V左右的直流電，經(jīng)過SPWM波形調(diào)制后，輸出220V，50Hz的正弦波交流電。經(jīng)過后級(jí)的LC濾波電路后，使輸出波形的更加純凈。3.3.3 LC濾波電路設(shè)計(jì)為了濾除開關(guān)管輸出的交流電中高頻成分，以及增強(qiáng)電源的EMI特性。設(shè)計(jì)了一個(gè)LC濾波電路。電路原理圖如圖3-8所示。圖3-8 LC濾波電路L1采用的是磁環(huán)繞制導(dǎo)線而成的差模電感。磁環(huán)為直徑40MM的鐵硅鋁材料制作。采用1.1

23、8的線在磁環(huán)上繞90圈左右，使用的線長在4.5米左右。磁環(huán)的導(dǎo)磁率為125，電感量為1.5mH，導(dǎo)磁率為60。繞制時(shí)分兩層，第一層為45圈，內(nèi)圈的線緊密繞制，外圈線的每圈留有一個(gè)空隙。第二層為45圈，內(nèi)圈疊在第一層線上，外圈嵌在第一層的空隙中。3.4 保護(hù)模塊3.4.1 溫度保護(hù)設(shè)計(jì)的電路如圖3-9所示。圖3-9 散熱風(fēng)扇電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)有兩路溫度控制電路。一個(gè)是當(dāng)溫度超過一定值時(shí)開啟散熱風(fēng)扇。另一個(gè)是作為DC-DC模塊的溫度補(bǔ)償模塊，當(dāng)溫度過高時(shí)，停止前級(jí)DC-DC的轉(zhuǎn)換。散熱風(fēng)扇的控制采用的是熱保護(hù)器KSD9700。KSD9700是由兩片不同材料的金屬片組成的。正常溫度情況下，兩個(gè)金屬片斷開

24、，相當(dāng)于開關(guān)斷開。風(fēng)扇不工作。當(dāng)金屬片感知溫度超過40攝氏度時(shí)，兩個(gè)金屬片粘合，相當(dāng)于開關(guān)閉合，此時(shí)風(fēng)扇開始工作。當(dāng)溫度恢復(fù)正常時(shí)，兩個(gè)金屬片又重新斷開。DC-DC模塊的溫度補(bǔ)償傳感器采用NTC熱敏電阻。熱敏電阻接入DC-DC模塊中PWM脈沖產(chǎn)生芯片SG3525的關(guān)斷端。當(dāng)溫度過高時(shí)，SG3525停止工作。輸入的保護(hù)主要有三部分。一是防止輸入反接。二是防止輸入電壓過低。因此，設(shè)計(jì)了一避免反接電路。如果電路接反時(shí)，立刻切斷電源的輸入，防止損壞后續(xù)電路。設(shè)計(jì)的電路如圖3-10所示。圖3-10 反接保護(hù)原理圖當(dāng)輸入電源正確接入時(shí)，MOS管體二極管正向?qū)ǎ琈OS管的柵極電壓大于源極電壓，因此MOS管

25、導(dǎo)通。后級(jí)負(fù)載正常工作。當(dāng)輸入電源接錯(cuò)時(shí)，二極管反射截止，MOS的截止，電路中沒有電流流過，切斷了后級(jí)負(fù)載與電源的連接。電路中Ri1與電容Ci1為緩沖電路，防止上電瞬間電壓過高損壞MOS管。Z1為穩(wěn)壓管，防止MOS管的柵極和源極兩端電壓過高，損壞MOS管。輸入電壓保護(hù)采用一個(gè)LM324運(yùn)放組成的電壓比較器。當(dāng)輸入電壓過高或過低時(shí)，關(guān)斷DC-DC模塊中PWM的產(chǎn)生，即可停止轉(zhuǎn)換。同時(shí)，輸出一個(gè)信號(hào)控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲報(bào)警。設(shè)計(jì)電路如圖3-11。圖3-11 輸入電壓保護(hù)電路原理圖輸出保護(hù)的設(shè)計(jì)采用的是從開關(guān)管的輸出部分取樣，反饋到一個(gè)LM393組成的電壓比較器，一路送入單片機(jī)的AD端，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換

26、后修正輸出。另一路送入IR2110S的關(guān)斷端(SD端)。當(dāng)IR2110S的SD端接收到信號(hào)后，停止驅(qū)動(dòng)隔離，則不再輸出SPWM波形。有效的保護(hù)的電路。設(shè)計(jì)的電路如圖3-12所示。3-12 輸出保護(hù)電路原理圖系統(tǒng)輸入的電壓為直流的12V，輸出為交流220V，而系統(tǒng)內(nèi)各芯片工作電壓為直流5V。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)直流5V的產(chǎn)生電路，作為芯片的電源使用。本設(shè)計(jì)采用的方案為將輸入的12V直流電壓經(jīng)過7805三端穩(wěn)壓集成電路，芯片輸出穩(wěn)定的直流5V電源。7805包含三條引腳，分別是輸入、輸出端和接地端。因此，所組成的穩(wěn)壓電路也十分簡單，僅需配置幾個(gè)濾波電容，便可以組成一個(gè)穩(wěn)壓電路。芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了過流、過

27、熱的保護(hù)電路。設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路如圖3-13所示。3-13 直流5V電源原理圖3.6顯示與報(bào)警模塊3.6.1液晶顯示本設(shè)計(jì)采用的液晶顯示是12832液晶模塊。常見的液晶模塊的驅(qū)動(dòng)方式有三種，分別為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)、單矩陣驅(qū)動(dòng)和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)。矩陣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括行驅(qū)動(dòng)器，列寄存器，偏壓電路，電源等電路。行寄存器在內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸為串行方式，列寄存器有兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，一種是單一方向傳輸，一種是雙向數(shù)據(jù)傳輸。12832液晶模塊引腳定義如表3-2所示。表3-2 LCD12831管腳 引腳名稱功能說明1VO亮度調(diào)整，外部接電阻2VR亮度調(diào)整，外部接電阻3GND地4VCC電源5NC保留端6RS(CS)并行：選擇寄存器；串

28、行：數(shù)據(jù)寄存器片選端7RW(SID)并行：讀寫控制器；串行：數(shù)據(jù)輸入端8E(SCLK)并行：讀寫數(shù)據(jù)起始端；串行：輸入脈沖9D0數(shù)據(jù)0位，僅在并行有效10D1數(shù)據(jù)1位，僅在并行有效11D2數(shù)據(jù)2位，僅在并行有效12D3數(shù)據(jù)3位，僅在并行有效13D4數(shù)據(jù)4位，僅在并行有效14D5數(shù)據(jù)5位，僅在并行有效15D6數(shù)據(jù)6位，僅在并行有效16D7數(shù)據(jù)7位，僅在并行有效17PSB控制信號(hào)，0為串行，1為并行18RST低有效的復(fù)位信號(hào)19LK液晶內(nèi)部背光源負(fù)極20LA液晶內(nèi)部背光源正極為了節(jié)約管腳的使用，簡化電路連接，本次設(shè)計(jì)采用的是串行口連接。當(dāng)PSB引腳連接低電平時(shí)，液晶進(jìn)入串行工作模式。在串行工作模式

29、下，根據(jù)同步時(shí)鐘線SCLK和串行數(shù)據(jù)線SID配合完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。設(shè)計(jì)的電路如圖3-14所示。圖3-14 液晶顯示模塊原理圖3.6.2蜂鳴器報(bào)警當(dāng)輸入電壓過高或過低時(shí)，會(huì)通過蜂鳴器產(chǎn)生蜂鳴聲，蜂鳴器的電路設(shè)計(jì)如圖3-15所示。圖3-15 蜂鳴器電路原理圖第四章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)硬件是一個(gè)設(shè)計(jì)的身體，而軟件則是一個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂。兩者缺一不可。因此，對(duì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也很重要。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)步驟有三個(gè)，一是選擇開發(fā)環(huán)境的，即程序的編寫、調(diào)試、編譯等操作的環(huán)境與軟件；二是各功能模塊程序的設(shè)計(jì)；三是最終的程序調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)要求的功能。開發(fā)環(huán)境介紹本次設(shè)計(jì)采用Keil uVision3軟件，由于Keil u

30、Vision3的庫中并不包含STC系列的單片機(jī)，但STC與51系列單片機(jī)的內(nèi)部核心基本相同。因此，可以選擇51的內(nèi)核，在程序中加入STC12C5410AD單片機(jī)宏定義的頭文件即可使用。創(chuàng)建的步驟如下。首先需要新建一個(gè)文件夾，用于存放程序的工程文件。新建文件夾完成后啟動(dòng)Keil uVision3軟件。之后新建一個(gè)工程，并將該工程保存在新建的文件夾中。創(chuàng)建工程的步驟為，點(diǎn)擊Project下的New Project菜單，彈出一個(gè)對(duì)話框。在對(duì)話框中選擇保存該工程的文件夾和工程名。將該工程保存在新建的文件夾中。點(diǎn)擊保存按鈕即可。如圖4-1所示圖4-1 新建工程點(diǎn)擊保存按鈕后，需要選擇單片機(jī)型號(hào)。選擇At

31、mel的AT89C51即可。選擇之后，點(diǎn)擊確定按鈕。如圖4-2所示。圖4-2 選擇型號(hào)我們不需要仿真的配置文件，因此，在彈出的是否添加仿真配置文件的對(duì)話框中，選擇“NO”。如圖4-3所示。圖4-3 添加仿真配置一個(gè)新的工程創(chuàng)建成功。工程創(chuàng)建完成后，需要新建一個(gè)程序文件。點(diǎn)擊File下的New菜單，在軟件中彈出一個(gè)新的文本輸入窗口。默認(rèn)文件名為Text1,在該窗口中可以輸入源程序。如圖圖4-4所示。圖4-4 新建程序文件 源程序輸入完成后，點(diǎn)擊保存。將該程序文件保存在工程的目錄下。文件名需要加上擴(kuò)展名，本次設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)采用C語言編寫，因此，將程序文件命名為main.c。程序文件雖然創(chuàng)建保存成功

32、，但并沒有與工程關(guān)聯(lián)，加入到工程中。因此，需要將程序文件加入到工程中。右擊左側(cè)目錄樹中的“Source Group1”，在彈出的下拉菜單中選擇“Add file to Group”，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，雙擊創(chuàng)建的main.c即可。如圖4-5所示。圖4-5 添加文件程序文件添加完成后，需要將編寫的程序編譯成單片機(jī)能識(shí)別的hex文件。右擊“Target 1”，在彈出的菜單中選擇“Options for Target Target1”。選擇“output”選項(xiàng)卡，將“create HEX file”項(xiàng)打鉤，點(diǎn)確定。便會(huì)在編譯時(shí)，在工程文件的目錄中產(chǎn)生hex文件。編譯的快捷鍵是F7。每次修改程序后，按F7

33、，都將重新產(chǎn)生一個(gè)hex文件，新hex文件將覆蓋舊文件。編譯完成后，在軟件的下方狀態(tài)欄中可以查看該程序生成的代碼大小。4.2 SPWM程序設(shè)計(jì)單片機(jī)STC12C5410AD自帶四路可編程計(jì)數(shù)器陣列PCA/PWM模塊電路，只需配置相關(guān)的寄存器便可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的PWM波形。SPWM也是PWM的一種特殊形式，是指在PWM的基礎(chǔ)上方式有所改變，I相等但不同大小，脈沖的大小按照一定的規(guī)律變化，輸出結(jié)果即為正弦波。STC12C5410AD單片機(jī)PCA模塊輸出管腳如表4-1所示。表4-1 PCA/PWM模塊管腳對(duì)應(yīng)表管腳第一功能第二功能15PCA0/PWM09PCA1/PWM126PCA2/PWM210PCA3

34、/PWM3STC12C5410AD內(nèi)部的PCA模塊是一個(gè)16位的特殊功能的定時(shí)器，連接了四個(gè)捕獲/比較模塊。PCA定時(shí)器決定了這四個(gè)模塊的時(shí)間基準(zhǔn)。PCA模式寄存器CMOD的位定義如表4-2所示。表4-2 CMOD寄存器定義名稱地址Bit7Bi6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0CMOD0XD9CIDLCPS1CPS0ECF表中的CPSl和CPS0位是PCA計(jì)數(shù)脈沖選擇位。兩個(gè)位的決定了PCA脈沖源輸入。PCA計(jì)數(shù)脈沖選擇如表4-3所示。表4-3 PCA計(jì)數(shù)脈沖選擇表CPS1CPS0脈沖源00系統(tǒng)時(shí)鐘/1201系統(tǒng)時(shí)鐘/210T0的溢出脈沖11ECI外部時(shí)鐘PCA/PWM模塊共有

35、四種工作模式，分別為：上升/下降沿捕獲模式，PWM脈沖輸出模式，軟件定時(shí)器模式，高速輸出模式。SPWM生成主要工作PWM脈沖輸出模式。 PWM輸出模式的工作原理如下：當(dāng)工作在PWM脈沖輸出模式時(shí)。CL的值小于EPCn時(shí)，輸出為低。當(dāng)CL的值大于或等于EPCn時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值為FF時(shí)，繼續(xù)增加將產(chǎn)生溢出，溢出時(shí)變?yōu)?，此時(shí)EPCn的值裝載到EPCnL和CCAPnL中。從而實(shí)現(xiàn)了在更新PWM時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生干擾。CCAPMn寄存器中的PWMn位和ECOMn位置位時(shí)可以使能PWM模式。本次設(shè)計(jì)采用的SPWM波形通過軟件中斷的形式來實(shí)現(xiàn)，綜合使用了PWM模式和16位定時(shí)器模式。流程圖如圖4-6所示

36、。圖4-6 中斷服務(wù)程序流程圖設(shè)計(jì)的中斷服務(wù)子程序如下。void int_time0(void) interrupt 1TH0=0XFE;/重裝初值TL0=0X09;/重裝計(jì)數(shù)值/TR0=1;/使能定時(shí)器CCAP0H=pwm0;/裝入第一路脈沖寬度值/CCAP1H=pwm1; /裝入第二路脈沖寬度值/CCAP2H=pwm2; /裝入第三路脈沖寬度值/ CCAP3H=pwm3; /裝入第四路脈沖寬度值/ k+;/中斷次累計(jì) if(k159)/正半周/i=k;/重新賦值pwm_1=m*pwmi/216;/計(jì)算寬度值 pwm1=(unsigned char)pwm_1;/轉(zhuǎn)換為8位數(shù)值pwm2=0;

37、 /清0 else if(k=317)j=k-159;pwm1=0;/清0pwm_2=m*pwmj/216; /計(jì)算寬度值 pwm2=(unsigned char)pwm_2; /轉(zhuǎn)換為8位數(shù)值pwm1=0; /清0 else/周期結(jié)束/k=0;/清0i=k; /清0pwm_1=m*pwmi/216;pwm1=(unsigned char)pwm_1; pwm2=0;voltage_regulation();/占空比調(diào)整實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓v_bat=ad(AD_BATTERY)*400/256; /取得電壓的值i_out=ad(AD_IOUT)*i_c/256; /取得電流 STC12C5410AD產(chǎn)生

38、SPWM波形的基本原理是將載波周期值賦給CCAP1H和CCAP1L。PCA定時(shí)器的CH與CCAP1H，CL與CCAL1L比較，兩者相等時(shí)，產(chǎn)生中斷。在中斷的服務(wù)程序中，將下一個(gè)SPWM波要求的脈沖寬度裝載到CCAPOL中。SPWM波形脈寬示意圖如圖4-7所示。圖4-7 SPWM波形脈寬示意圖脈沖寬度值需要通過MATLAB來計(jì)算出220V，50Hz交流電的正弦表，本次設(shè)計(jì)選出了159個(gè)典型值，存入數(shù)組中。選出的正弦數(shù)組如下。unsigned char code pwm159=0,4,8,13,17,21,25,29,34,38,42,46,50,54,59,63,67,71,75,79,83,8

39、6,90,94,98,102,105,109,113,116,120,123,127,130,134,137,140,143,147,150,153,156,159,161,164,167,170,172,175,177,179,182,184,186,188,190,192,194,196,198,199,201,203,204,205,207,208,209,210,211,212,213,213,214,214,215,215,216,216,216,216,216,216,215,215,214,214,213,213,212,211,210,209,208,207,205,204,2

40、03,201,199,198,196,194,192,190,188,186,184,182,179,177,175,172,170,167,164,161,159,156,153,150,147,143,140,137,134,130,127,123,120,116,113,109,105,102,98,94,90,86,83,79,75,71,67,63,59,54,50,46,42,38,34,29,25,21,17,13,8,4;脈沖寬度值通過正弦表格的形式存入程序中的數(shù)組中，在每個(gè)載波周期，輸入對(duì)應(yīng)數(shù)值。設(shè)計(jì)如下。將PCA模塊0的工作模式通過寄存器定義為8位的PWM模式。16位計(jì)數(shù)/

41、定時(shí)器CH、CL清0。PCA模式輸助寄存器清0。PCA比較/捕獲模塊寄存CCAPMn定義為使能比較模式，匹配中斷設(shè)為允許。將脈沖寬度值sinn裝入CCAPnH。開PCA模塊中斷及總中斷。啟動(dòng)PCA計(jì)數(shù)。直到最大數(shù)值N，完成循環(huán)。經(jīng)過以上的步驟后，在對(duì)應(yīng)的PWM引腳上不斷的產(chǎn)生隨著正弦規(guī)律變化的脈沖寬度，顯示出來的便為準(zhǔn)確的SPWM波形。寄存器定義的實(shí)現(xiàn)程序如下。void pwm_init() CMOD=0X02; /該指令為選擇PCA計(jì)數(shù)器的工作頻率輸入源/ CCON=0X00; /*標(biāo)志位清零*/ CL=0X00; /*寄存器低8位置零*/ CH=0X00;/*寄存器高8位置零*/ CCAP

42、M0=0X42; /設(shè)置第一路PWM口/ CCAPM1=0X42; /設(shè)置第二路PWM口/ CCAPM2=0X42; /設(shè)置第三路PWM口/ CCAPM3=0X42; /設(shè)置第四路PWM口/ CCAP0L=0X00; /清空第一路的比較/捕捉寄存器的低8位/ CCAP0H=0X00; /清空第一路的比較/捕捉寄存器的高8位/ CCAP1L=0X00; /清空第二路的比較/捕捉寄存器的低8位/ CCAP1H=0X00; /清空第二路的比較/捕捉寄存器的高8位/ CCAP2L=0X00; /清空第三路的比較/捕捉寄存器的低8位/ CCAP2H=0X00; /清空第三路的比較/捕捉寄存器的高8位/

43、CCAP3L=0X00; /清空第四路的比較/捕捉寄存器的低8位/ CCAP3H=0X00; /清空第四路的比較/捕捉寄存器的高8位/ CR=1;/使能PCA計(jì)數(shù)器/本設(shè)計(jì)采用的12832液晶屏的控制器為臺(tái)灣矽創(chuàng)公司生產(chǎn)的ST7920。具有較強(qiáng)的控制顯示功能。在程序編寫時(shí)，僅需根據(jù)指令集輸入對(duì)應(yīng)的指令便可實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶屏顯示的控制。常用如下命令。(1)設(shè)定DDRAMDDRAM是指Display Data RAM，可以設(shè)置顯示地址計(jì)數(shù)器。第一行地址為80H到87H，第二行的地址為90H到97H。(2)設(shè)定CGRAM即輸入要顯示的字符的ASCII碼。(3)設(shè)定進(jìn)入點(diǎn)當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，位地址增減用光標(biāo)的移動(dòng)

44、來觀察。(4)顯示狀態(tài)(5)讀取忙碌標(biāo)志讀取忙碌標(biāo)志位BF，可以查看上條指令是否完成。返回值包含了位地址計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)。在每次發(fā)送指令前，都要判斷忙碌標(biāo)志位。在對(duì)液晶屏進(jìn)行顯示之前要根據(jù)這些常用指令對(duì)液晶進(jìn)行初始化操作。初始化的程序流程如圖4-8所示。圖4-8 液晶初始化流程圖液晶屏intial程序如下。void init_lcd (void)/LCD的初始化程序 psb=0;/置為串行工作模式 wr_lcd (comm,0 x30); wr_lcd (comm,0 x01);/*清屏命令*/ delay (100);/延時(shí) wr_lcd (comm,0 x06); /*設(shè)置光標(biāo)的移動(dòng)方向?yàn)橄蛴?/p>

45、*/ wr_lcd (comm,0 x0c); 當(dāng)片選端CS=0時(shí)，同步時(shí)鐘線SCLK無效，數(shù)據(jù)無法輸入。當(dāng)片選端CS=1時(shí)，同步時(shí)鐘線SCLK有效。可以正常的輸入數(shù)據(jù)。CS從0跳變到1時(shí)，將要傳輸?shù)囊唤M串行數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)重新定義第一位。12832液晶模塊的串行工作模式的時(shí)序如圖4-9所示。圖4-9 LCD 12832串行模式時(shí)序圖單片機(jī)向液晶模塊發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí)，一共需要24個(gè)有效的時(shí)鐘脈沖。首先傳輸5位全是1的同步位元字串，實(shí)現(xiàn)的功能是重置傳輸計(jì)數(shù)以及同步串行傳輸。后兩個(gè)位元為RW和RS。RW代表了數(shù)據(jù)的傳輸方向，即控制讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)。RS代表了數(shù)據(jù)與指令的選擇，即本次發(fā)送的命令為數(shù)據(jù)或指令

46、。第8位位元為固定的0。在前8位數(shù)據(jù)傳輸完成后，將傳輸一個(gè)字節(jié)的命令。一個(gè)有效的一字節(jié)命令分兩將傳輸，第一次傳輸命令的高4位，低4位置0，組成一個(gè)字節(jié)傳輸。第二次傳輸命令的低4位，低4位置0，組成一個(gè)字節(jié)傳輸。將這24位數(shù)據(jù)傳輸完成后，收發(fā)數(shù)據(jù)。再利用該時(shí)序圖設(shè)計(jì)如下程序。void wr_lcd (uchar dat_comm,uchar content)/液晶屏發(fā)送數(shù)據(jù)子程序/兩個(gè)參變量，第一個(gè)定義了命令是數(shù)據(jù)還是指令，第二個(gè)為具體的內(nèi)容uchar a,i,j;/定義臨時(shí)變量delay (50);/延時(shí)a=content;/賦值命令的內(nèi)容cs=1;/置CS為1sclk=0;/置SCLK為0s

47、id=1;/置SID為1，前5個(gè)1為同步元字串for(i=0;i5;i+)/發(fā)送5次時(shí)鐘sclk=1;/將時(shí)鐘線置1sclk=0;/將時(shí)鐘線置0/產(chǎn)生了一個(gè)下降沿，即為一個(gè)有效的時(shí)鐘脈沖sid=0;/置SID為0，即為寫指令sclk=1;/置SCLK為1sclk=0;/置SCLK為0，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖if(dat_comm)/判斷是指令還是數(shù)據(jù)sid=1; /如果1，則為數(shù)據(jù)，將sid置1elsesid=0; /如果0，則為命令，將sid置0sclk=1; /置SCLK為1sclk=0; /置SCLK為0，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖sid=0;/傳輸?shù)牡?位為0sclk=1; /置SCLK為1sclk=

48、0; /置SCLK為0，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖for(j=0;j3;j+)/傳輸后兩個(gè)字節(jié)，for(i=0;i4;i+)/將命令拆分 a=a1;/將數(shù)據(jù)移位sid=CY;/得到數(shù)據(jù)的溢出位，進(jìn)行傳輸sclk=1; /置SCLK為1sclk=0; /置SCLK為0，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖sid=0; /將后兩個(gè)字節(jié)的低4位置0for(i=0;i4;i+)/輸出低4位的0sclk=1; /置SCLK為1sclk=0; /置SCLK為0，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖第五章 結(jié)束語本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC12C5410AD控制的標(biāo)準(zhǔn)正弦波逆變電源。由于單片機(jī)的引入，使得輸出的波形形狀得到了保證。設(shè)計(jì)了液晶顯示模塊，可以顯示輸出

49、的電壓、頻率等參數(shù)。得益于單片機(jī)自帶AD轉(zhuǎn)換器和四路PWM模塊，使得設(shè)計(jì)出的電路簡單、可靠。擁有全方位的保護(hù)功能，可以方便的使用。調(diào)試時(shí)，采用一個(gè)12V的蓄電池作為輸入，經(jīng)過示波器十倍衰減后觀察輸出的波形，正弦波很標(biāo)準(zhǔn)。負(fù)載分別測(cè)試了白熾燈、小功率洗衣機(jī)、電視機(jī)等電器。均正常使用。帶動(dòng)感性負(fù)載時(shí)無方波逆變電源式“嗞嗞”響。經(jīng)過測(cè)試，可帶動(dòng)負(fù)載為300W左右。由于電器在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的瞬間電流較大，調(diào)序的峰值輸出功率在800W左右。達(dá)到了良好的轉(zhuǎn)換效果。參考文獻(xiàn)1 田闖,. HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E7%9B%B4%E6%B5%81%E7%94%

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54、arch?word=%E5%BC%A0%E6%97%AD%E4%B8%9C&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 張旭東, HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E7%8E%8B%E7%AB%8B&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 王立賢,眭眾國,. MCS96系列單片機(jī)與IBM-PC系列微機(jī)之間通訊 的實(shí)現(xiàn)J. 電站設(shè)備自動(dòng)化,2001,(1).7 HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E6%9D%8E%E5%B9%BF&fr=qb_search_e

55、xp&ie=utf8 t _blank 李廣弟等.單片機(jī)基礎(chǔ)M.北京航空航天出版社，2001.8 HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E7%8E%8B%E4%B8%9C%E5%B3%B0&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 王東峰等.單片機(jī)C語言應(yīng)用100例M. HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%B7%A5%E4%B8%9A%E5%87%BA%E7%89%88%E7%A4%BE&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _b

56、lank 電子工業(yè)出版社，2009.9 HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%8F%8A%E5%BA%94%E7%94%A8&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 單片機(jī)原理及應(yīng)用M. HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E5%8C%97%E4%BA%AC%E8%88%AA%E7%A9%BA%E8%88%AA%E5%A4%A9%E5%A4%A7%E5%AD%A6&fr=qb_search_

57、exp&ie=utf8 t _blank 北京航空航天大學(xué)出版社，2010.10 劉守義等.單片機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)M. HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E8%A5%BF%E5%AE%89%E7%94%B5%E5%AD%90%E7%A7%91%E6%8A%80%E5%A4%A7%E5%AD%A6&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 西安電子科技大學(xué)出版社，2007.11 HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=51%E5%8D%95%E7%89%87%E6%9C%BA&fr=qb_searc

58、h_exp&ie=utf8 t _blank 51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用M. HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E4%BA%BA%E6%B0%91%E9%82%AE%E7%94%B5%E5%87%BA%E7%89%88%E7%A4%BE&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 人民郵電出版社，2007.12 李平等.單片機(jī)入門與開發(fā)M. HYPERLINK :/zhidao.baidu /search?word=%E6%9C%BA%E6%A2%B0%E5%B7%A5%E4%B8%9A%E5%87%BA%E7%89%88%

59、E7%A4%BE&fr=qb_search_exp&ie=utf8 t _blank 機(jī)械工業(yè)出版社，2008.致謝經(jīng)過半年多的努力，本設(shè)計(jì)終于順利的完成。在此，首先感謝我的導(dǎo)師對(duì)我的培養(yǎng)、悉心指導(dǎo)和關(guān)心。從選題到幫助解決實(shí)際遇到的問題，從做論文的經(jīng)驗(yàn)到查找資料的方法，從硬件的設(shè)計(jì)到后期論文的審閱，導(dǎo)師都投入了很大的心血。同時(shí)，導(dǎo)師兢兢業(yè)業(yè)的精神也深深感染了我，教會(huì)了我人生的真諦，讓我少了些浮躁、多了些踏實(shí)。感謝在大學(xué)里陪伴我成長的老師，教誨了我很多的知識(shí)。同時(shí)也要感謝所有給過我指導(dǎo)和交流的同學(xué)。經(jīng)過這次設(shè)計(jì)，對(duì)即將工作的我，有了很大的作用，讓我在以后的工作保持認(rèn)真的態(tài)度，增加了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

60、。附錄一系統(tǒng)原理圖附錄二系統(tǒng)源程序#include STC12C5410AD.H#include intrins.h#include sidlib.h#include math.h#include absacc.h#define AD_FEEDBACK 1#define x1 0 x80#define x2 0 x88#define AD_BATTERY 0 #define AD_IOUT 2 #define y 0 x80#define mingling 0#define shuju 1#define NONE_PARITY 0#define ODD_PARITY 1#define EVEN