基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究课程设计.docx
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基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究课程设计
辽宁工程技术大学
电力电子技术课程设计
设计题目基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究
院(系、部)电气控制工程
专业班级电力10-1班
日期2013年1月13日
电气工程系课程设计成绩评定表
课程设计成绩评定表
学期
2012/2013第1学期
姓名
冯旭
专业
电力系统及其自动化
班级
电力10-1班
课程名称
电力电子技术
设计题目
基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究
成绩
评分项目
优
良
中
及格
不及格
设计表现
1.设计态度
非常认真
认真
较认真
一般
不认真
2.设计纪律
严格遵守
遵守
基本遵守
少量违反
严重违反
3.独立工作能力
强
较强
能独立设计完成
基本独立设计完成
不能独立设计完成
4.上交设计时间
提早或按时
按时
迟交半天
迟交一天
迟交一天以上
设计说明书
5.设计内容
设计思路清晰,结构方案良好,设计参数选择正确,条理清楚,内容完整,结果正确
设计思路清晰,结构方案合理,设计参数选择正确,条理清楚,内容较完整,极少量错误
设计思路较清晰,结构方案基本合理,设计参数选择基本正确,调理清楚,内容基本完整,有少量错误
设计思路基本清晰,结构方案基本合理,设计参数选择基本正确,调理清楚,内容基本完整,有些错误
设计思路不清晰,结构方案不合理,关键设计参数选择有错误,调理清楚,内容不完整,有明显错误
6.设计书写、字体、排版
规范、整洁、有条理,排版很好
较规范、整洁、有条理,个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理,个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理,排版有问题较多
不规范、不整洁、无条理,排版有问题很大
7.封面、目录、参考文献
完整
较完整
基本完整
缺项较多
不完整
图纸
8.绘图效果
很出色
较出色
一般
较差
很差
9.布局
合理、美观
较合理
基本合理
有些混乱
布局混乱
10.绘图工程标准
符合标准
较符合标准
基本符合标准
个别不符合标准
完全不符合标准
评定说明:
不及格标准:
设计内容一项否决制,即5为不及格,整个设计不及格,其他4项否决;
优、良、中、及格标准:
以设计内容为主体,其他项超过三分之一为评定标准,否则评定为下一等级;如优秀评定,设计内容要符合5,其余九项要有4项符合才能评定为优,否则评定为良好,以此类推。
最终成绩:
评定教师签字:
课程设计任务书
一、设计题目
基于51单片机触发的直流升压斩波电路研究
二、设计任务
设计基于51单片机触发的直流升压斩波电路,并用MATLAB仿真软件对下列两个题目进行仿真:
(1)周期设为1KHz,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100
时
直流升压斩波电路的负载输出波形及输出电压大小。
(2)负载不变为100
,频率1KHz,占空比从5%到95%以等百分比递增时,直流升压斩波电路的负载输出波形及输出电压大小。
三、设计计划
课程设计共一周内完成。
第1天,选择设计题目,确定设计任务,查阅资料;
第2天,主电路设计;
第3天,控制电路设计;
第4天,仿真验证;
第5天,完成设计。
四、设计要求
按设计任务和格式要求完成课程设计说明书一份。
设计必须按期完成。
指导教师:
刘春喜张继华李国华
教研室主任:
李洪珠
时间:
2013年1月6日
摘要
本设计基于AT89S51单片机为核心的PWM升压斩波电路(BoostChopper)。
设计由硬件电路与软件电路组成。
通过对升压斩波电路的分析来理解其典型应用,最后通过MATLAB仿真来进行验证。
与传统的电路相比,本设计加入了MATLAB仿真,这样更直观的显示出了电路的工作状态。
同时相对于单纯依靠电路元件而形成的触发脉冲进行的PWM调制,基于AT89S51单片机的PWM发生装置具有电路简单,可调性高等特点。
关键词:
MATLAB升压斩波PWM
0引言
直流斩波电路的种类较多,包括六种基本斩波电路:
降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepicc斩波电路和Zeta斩波电路。
直流斩波技术已被广泛运用开关电源及直流电动机驱动中,使其控制获得加速平稳、快速响应、节约电能的效果。
直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术,这种电路把直流电压斩成一系列脉冲,改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。
PWM控制方式是目前采用最广泛的一种控制方式,它具有良好的调整特性。
随电子技术的发展,近年来已发展各种集成式控制芯片,这种芯片只需外接少量元器件就可以工作,这不但简化设计,还大幅度的减少元器件数量、连线和焊点。
1升压斩波电路的基本原理
升压斩波电路的原理图如图1所示。
该电路中使用一个全控型器件P-MOSFET,即为电力场效应晶体管。
它是用栅极电压来控制漏极电流的,因此它的一个显著特点是驱动电路简单,需要的驱动功率小;第二个显著特点是开关速度快、工作频率高。
图1升压斩波电路原理图
分析升压斩波电路的工作原理时,首先假设电路中电感
值极大,电容C值极大。
当可控开关V处于通态时,电源E向电感L充电,充电电流基本恒定为
同时电容C上的电压向负载R供电。
因电感C值很大,基本保持输出电压
为恒值,即为
。
设V处于通态的时间为
,此阶段电感L上积蓄的能量为
。
当V处于断态E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。
设V处于断态的时间为
,则电感L释放的能量为
。
当电路工作于稳态时,一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等,即
(1-1)
化简的结果为
(1-2)
式中,
,故称该电路为升压斩波电路。
电路中导通角与关断角的关系如下所示
(1-3)
因此,式(1-2)可表示为
(1-4)
升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压,关键有两个原因:
一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用,二是电容C的作用使得输出电压
不变,但实际上C值不可能为无穷大,在此阶段其向负载放电,
必然会有所下降,故实际输出电压会略低于式(1-4)所得结果。
不过,在电容C值足够大时,误差很小,基本可以忽略。
如果忽略电路中的损耗,则由电源提供的能量仅由负载R消耗,即
(1-5)
该式表明,升压斩波电路可看成是直流变压器。
根据电路结构并结合式(1-4)得出输出电流的平均值
为
(1-6)
由式(1-5)即可得出电源电流
为
(1-7)
2单片机PWM
2.1综述
在升压斩波电路中,保持开关周期
不变,调节开关导通时间
,为脉冲宽度调制(PWM,PulseWidthModulation)或脉冲调宽型。
为获得精准的触发脉冲,通常选用AT89S51单片机做为脉冲发生器。
AT89S51是一个低功耗,高性能8位单片机,片内含4KBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
目前AT89S51单片机多采用40个引脚的双列直插封装(DIP)方式,其引脚分布如下图所示:
图2-1AT89S51双列直插封装方式的引脚
AT89S51单片机无PWM输出功能,可以采用定时器配合软件的方法输出。
这种方法精度相对较高,非常实用。
其电路图如图3-2所示,采用高速光隔(6N137)输出,并将PWM的信号倒相。
图2-2AT89S51单片机PWM输出电路图
2.2总体硬件组成框图
图2-3总体硬件组成框图
系统框图如图2-3所示,系统主要由五大模块组成即时钟电路、LED显示、复位电路、按键电路和示波器显示。
2.3硬件组成
2.3.1AT89S51单片机的最小应用系统
AT89S51单片机内部有4KB的闪烁存储器,本身就是一个数字量输入/输出的最小应用系统。
在构建AT89S51单片机最小应用系统时,AT89S51单片机需要外接时钟电路和复位电路即可,如图2-4所示。
注意,本最小应用系统只能作为小型的数字量测控单元。
图2-4AT89S51单片机构成的最小应用系统
2.3.2LED显示电路
如图2-5所示,由于外电路不需要占用很多的I/O口,因此在本设计中数码管与AT89S51的P0口和P2口直接相连,采用静态显示的方法,具有亮度高等优点。
图2-5LED显示电路
2.3.3按键接口电路
如图2-6所示,图中K1与P3.2相连,控制占空比变化步进为1,K2与P3.3相连,控制占空比变化步进为5。
图2-6按键接口电路
2.4系统的软件设计
本系统中AT89S51单片机的主要功能就是实现占空比可调、产生方波并通过LED显示器和示波器显示出来。
其主程序流程如图2-7所示。
图2-7主程序流程图
2.4.1定时中断子程序
定时器中断子程序中有定时器0和定时器1中断,定时器0控制占空比变化步进为1,如图2-8;定时器1控制占空比变化步进为5,如图2-9。
图2-8定时器0中断流程图图2-9定时器1中断流程图
2.4.2按键及显示子程序
按键及显示子程序设计流程图如图2-10所示。
图2-10按键显示流程图
3仿真结果及结论
物理仿真需要进行大量的设备制造、安装、连接及调试工作,其投资大、周期长、灵活性差、改变参数难、模型难以重用,且实验数据处理也不方便。
但是计算机仿真却可以解决这个问题。
只要有一台计算机就可以对不同的控制系统进行仿真和研究,而且进行一次仿真实验研究的准备工作也比较简单,主要是控制系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。
本系统采用MATLAB自带的动态仿真集成环境-SIMULINK进行仿真。
SIMULINK是一个用来对动态系统进行仿真和分析的软件包。
它支持连续、离散、及两者混合的线性和非线性系统。
它为用户提供了一个图形化得用户界面(GUI)。
它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真相比具有更直观、更方便、更灵活的优点。
其仿真电路图如图4-1所示:
图3-1仿真电路图
周期设为1KHz,占空比为50%,电感为10mH,电容为2200uF,负载为100
时进行仿真,仿真结果如下:
图3-2负载电压98.2V
图3-3流经电感L的电流值为0.982A
由图3-2中V1可以看到负载两端的电压与输入电压基本上成2倍的关系。
即
满足理论计算公式。
当负载不变为100
,频率1KHz,占空比从5%到95%以等百分比递增时,输出电压,与输入电压和电路参数之间的关系。
占空比5%
图3-4负载电压51.8V
图3-5流经电感L的电流值为0.518A
从图3-4负载电压可以看出负载电压约为51.8V,基本上符合理论计算:
占空比15%
图3-6负载电压57.4V
图3-7流经电感L的电流值为0.57A
从图3-6负载电压可以看出负载电压约为51.8V,基本上符合理论计算:
④占空比25%
图3-8负载电压65.5V
图3-9流经电感L的电流值为0.65A
从图3-8负载电压可以看出负载电压约为65.5V,基本上符合理论计算:
④占空比35%
图3-10负载电压75.6V
图3-11流经电感L的电流值为0.75A
从图3-10负载电压可以看出负载电压约为75.6V,基本上符合理论计算:
⑤占空比45%
图3-12负载电压89.3V
图3-13流经电感L的电流值为0.89A
从图3-12负载电压可以看出负载电压约为89.3V,基本上符合理论计算:
⑥占空比55%
图3-14负载电压109.1V
图3-15流经电感L的电流值为1.09A
从图3-14负载电压可以看出负载电压约为109.1V,基本上符合理论计算:
⑦占空比65%
图3-16负载电压140.2V
图3-17流经电感L的电流值为1.042A
从图3-16负载电压可以看出负载电压约为140.2V,基本上符合理论计算:
⑧占空比75%
图3-18负载电压196.2V
图3-19流经电感L的电流值为1.962A
从图3-18负载电压可以看出负载电压约为196.2V,基本上符合理论计算:
⑨占空比85%
图3-20负载电压325V
图3-21流经电感L的电流值为3.25A
从图3-20负载电压可以看出负载电压约为325V,基本上符合理论计算:
通过仿真数值可得:
该设计仿真值符合理论结算值。
4个人心得体会
经过近一个星期的努力我终于顺利的完成了此次电力电子的课程设计,其中遇到了许多的问题和困难但是也学到了很多的知识。
遇到的问题和困难:
(1)在计算元器件参数是缺少理论依据难以正确的计算相应的参数。
(2)在选取元器件型号和参数时,缺少实际经验难以找到合适的元件。
(3)在用MATLAB软件仿真是遇到了许多操作上的问题,致使仿真花费的很多时间才达到有效效果。
(4)在对单片机进行外电路设计时,失败了很多次。
虽然遇到了许多的困难但是我还是通过不断的学习解决了这些难题。
学到的知识:
(1)通过这次课程设计我夯实了电力电子和单片机的基础知识。
(2)对直流斩波及单片机程序及外电路设计有了更深层次的理解。
(3)对MATLAB软件和电路原理图的设计有了初步了解。
(4)在面对学习上的困难时一定要坚持不懈的努力才能打败困难,获得更多以的知识。
相信我在未来的学习与生活中,能牢记此次课程设计的教训,吸取此次课程设计的经验,从而追求更高的目标。
参考文献
[1]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].5版.北京:
机械工业出版社,2009.
[2]张毅刚.单片机原理及应用[M].2版.北京:
高等教育出版社,2012.
[3]周永金.模拟电子技术与应用[J].西安:
陕西国防学院电子教研室,2005.
[4]边春远,王志强.MCS-51单片机应用开发实用子程序[M].北京:
人民邮电出版社,2005.
[5]康华光,陈大钦.电子技术基础[M].4版.北京:
高等教育出版社,1998.
[6]李国勇,谢克明,杨丽娟.计算机仿真技术与CAD-基于MATLAB的控制系统[M].北京:
电子工业出版社,2008
.
附录1单片机程序语言
COUNTEQU30H
ASEQU30H
MEQU35H
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0003H
LJMPINT00
ORG0013H
LJMPINT11
START:
SETBEX0
SETBPX0
SETBIT0
SETBEX1
CLRPX1
SETBIT1
SETBEA
CLRP1.5
MOVTMOD,#21H
MOVTH1,#38H
MOVTH0,#0B1H
MOVTL0,#0E0H
SETBTR0
SETBTR1
MOVDPTR,#TABLE
MOVM,#50
MOVP0,#3FH
MOVP2,#6DH
MOVAS,#0
TOP:
SETBTR1
SETBP1.0
CLRP1.1
MOVTH0,#0B1H
MOVTL0,#0E0H
MOVAS,#0
MOVB,#10
MOVA,M
MOVB,#100
DIVAB
JZTIME1
MOVB,#10
CLERK:
SETBP1.5
LCALLDELAY
CLRP1.5
LCALLDELAY
SETBP1.5
LCALLDELAY
CLRP1.5
MOVM,#50
LCALLSHOW
LJMPTOP
TIME1:
JBCTF1,NEXT
SJMPTIME1
NEXT:
INCAS
MOVA,M
CJNEA,AS,TIME1
CLRP1.0
SETBP1.1
CLRTR1
TIME0:
JBCTF0,TOP
SJMPTIME0
INT00:
JNBP1.2,LOOP1
INCM
LCALLSHOW
RETI
LOOP1:
DECM
LCALLSHOW
RETI
INT11:
JNBP1.2,LOOP
MOVA,M
ADDA,#5
MOVM,A
LCALLSHOW
RETI
LOOP:
MOVA,M
SUBBA,#5
MOVM,A
LCALLSHOW
RETI
SHOW:
MOVA,M
MOVB,#10
DIVAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,A
MOVA,B
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
MOVB,#10
RET
DELAY:
MOVR6,#0FFH
DEY1:
MOVR7,#0FFH
DEY2:
MOVR5,#3
DJNZR5,$
DJNZR7,DEY2
DJNZR6,DEY1
RET
TABLE:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH
END
附录2总电路图
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:
按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月
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