I乙简易逆变电源.docx
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I乙简易逆变电源
目录
摘要…………………………………………………..……………………..…………….……..2
1.系统方案选择与论证
1.1主控模块………………………………………………………………………………………3
1.2PWM波产生模块.......................................................................................................................3
1.3逆变驱动模块……………………………………………………..…………………………..3
1.4逆变器模块...............................................................................................................................3
1.5交流电流电压采样电路………………………………………………………………....….3
1.6显示和键盘模块……………………………………………………………………….…...4
1.7温度测量电路............................................................................................................................4
2.系统设计
2.1系统功能框图........................................................................................................................4
2.2逆变器模块................................................................................................................................5
2.3PWM波产生电路...........…………………………………………………….………...….......6
2.4电压电流采样及保块模块........................................................................................................6
2.5键盘及显示..….....……………………………………………………….…………………...7
3单片机控制部分与软件实现.....................................................................................................7
4理论分析与计算
4.1交流电压电流采样计算.................……………...................………..…………………….....8
5．测试数据及测试结果分析.
5.1测试步骤.....................................................................................................................................8
5.2测量波形图.................................................................................................................................9
5.3测试仪器.....…………………………………..………………………..………………………11
6.总结………………………………………………………………..………………………....11
参考文献……………………………………………………………….……………………….....11
附录...................................................................................................................................................12
摘要
该简易逆变电源以PIC16F876为主控模块，由PWM波产生模块（非集成芯片产生）、驱动模块、逆变器模块、电压电流采样模块、保护模块以及键盘显示模块组成。
主控模块采用PIC16F876单片机作为控制核心，对电流电压采样得到的数据进行A/D转换处理、分析计算，数据经显示模块进行显示。
显示模块采用数码管驱动及键盘控制芯片CH452。
通过三角波和正弦波比较产生4路PWM波，利用三极管组成的驱动电路驱动逆变模块产生交流电，输出滤波后得到额定交流输出电压。
保护模块具有过热、过载保护、短路保护、欠压保护功能，当系统出现非正常运行状态时，进行报警并且自动断开电路，以保证安全。
本方案结构简单，功能齐全，运行稳定可靠。
关键词：
PWM逆变器RLC滤波温度检测PIC16F876CH452
Abstract
Thissimpleinvertercontrolmodule,forinPIC16F876PWMwavesgeneratedmodule（integrated）drivermodule,chip,invertermodules,thevoltageprotectionmodulesandsamplingmodule,keyboarddisplaymodule.PIC16F876MCUcontrolmoduleUSESascontrolcoreofelectriccurrentandvoltage,thesamplingdataofA/Dconversionprocessing,analysisandcalculation,thedatashowthatthemodule.UsingdigitaldisplaymoduledrivingandkeyboardcontrolchipCH452.ThroughthecomparisonandthesinewavetrianglePWMwavesgeneratedbyfourroad,composedoftransistorcircuitdriveinvertermodules,produceacratedoutputfilteraftercommunicationoutputvoltage.Protectmoduleisoverheating,overloadprotection,shortcircuitprotection,voltageprotectionfunction,whenthesystemisoperatingconditionappearabnormal,alarmandautomaticallydisconnectcircuit,inordertoensuresafety.Thesolutionissimpleinstructure,completefunctions,operationisstableandreliable.
Keywords:
PWMinverterRLCfiltertemperaturedetectionPIC16F876CH452
1系统方案选择与论证
1.1主控模块（单片机的选择）
单片机控制模块在本系统中处于核心地位，其工作包括电压电流信号的采集，进行数据处理，控制执行机构的运行等。
对单片机控制模块的基本要求是具有较高的速度且资源配置满足要求。
方案一：
采用传统的8位89C51单片机作为运动物体的控制核心。
经典51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，没有内置A/D转换模块，对于信号的采集需要外加A/D转换，其硬件工作量必然大大增加。
方案二：
采用PIC16F876,，其具有价钱低、速度快、功耗低、体积小、抗干扰性强等优点，且PIC16F876内置A/D转换性能模块，可大大简化硬件电路和软件编程。
根据题目要求，系统稳定性以及资源利用等方面考虑。
我们选择了方案二。
1.2PWM波产生模块
方案一：
由专用集成芯片产生的PWM波，波形稳定，使用方便，但由于不符合题目要求，所以放弃此方案。
方案二：
采用单片机产生脉冲信号，即用方波信号让开关管交替导通和截止。
此方案易于实现，不需要附加其他硬件电路，但单片机同时进行采样处理，会大大增加单片机的负担，对脉冲信号的干扰比较大，不易于实现标准的PWM波。
方案三：
利用硬件电路生成PWM波信号，即利用三角波和正弦波相比较可得到所需要的方波信号，此方案由硬件电路实现，从而减轻了单片机负担。
综合以上考虑，我们选择方案三。
1.3逆变驱动模块
方案一：
采用专门的驱动芯片，使用方便，简化硬件电路设计，但其价格昂贵。
方案二：
自己动手制作，结构简单，实用经济，降低了制作成本。
综合以上考虑，我们选择方案二
1.4逆变器模块
方案一：
半桥式DC-AC变换器。
在驱动电压的轮流开关作用下，半桥电路的场效应管交替导通和截止，它们在变压器T原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应岀交变的方波脉冲，实现功率转换。
方案二：
全桥DC-AC变换器。
全桥电路中互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压成幅值为Vin的交流电压，加在变压器一次侧。
通过改变开关的占空比来改变输出电压Vout.
方案一与方案二都可以作为DC-AC变换器的逆变桥，由两者的工作原理可知：
半桥需要两个开关管，全桥需要四个开关管。
半桥和全桥的开关管的耐压都为Vdc,而半桥输出的电压峰值是1/2Vdc，全桥输出电压的峰值是Vdc，所以获得同样的输出电压的时候，全桥的供电电压可以比半桥的供电电压低一半。
综上考虑，我们选择方案二。
1.5交流电压电流采样
因为本系统需要测量电压电流参量，而现有测量芯片无法对大电流和高电压进行测量，故需要对这两个量进行采样。
方案一：
采用电阻分压对电压和电流进行采样。
这种方法简单易行，电路结构简单。
但是电阻分压提取电压值，对电阻精度要求较高，且浪费在分压电阻上的能量较高，不符合节能环保要求；同时这样对电流采样也会改变原有电路的参数。
方案二：
采用互感器对电压电流进行采样。
这种方法稍复杂，但其有很多优点。
一方面互感器对电流参数采样可以最大程度减小对原有电路特性的改变；另一方面，互感器有一定的隔离作用，这样对独立处理后级电路有帮助。
综上考虑，我们采用方案二。
1.6显示和键盘模块
数码管具有低功耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防高温，对外界环境要求低，易于维护等优点，因此显示部分我们使用四位数码管（LED）显示。
键盘部分选用键盘控制芯片CH452。
1.7温度测量模块
方案一：
采用PT100
PT100温度传感器是一种以铂金（Pt）做成的电阻式温度检测器。
会随温度的上升而改变电阻值的物质材料做成的电阻，如果它随温度的上升而电阻值也跟着上升就称为正电阻系数，如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。
大部分电阻式温度检测器是以金属做成的，其中以铂金（Pt）做成的电阻式温度检测器最为稳定。
PT100传感器是利用温度变化与铂电阻的阻值变化呈现出的函数关系来进行测温的，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。
但使用起来比较复杂。
方案二：
采用DS18B20做温度传感器，DS18B20的数字温度输出通过“一线”总线，独特的单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，接口的温度传感器，其数字式传输大大进步了其抗干扰能力，简化了硬件电路。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面比其他温度传感器有了很大的进步，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
通过比较，DS18B20直接输出数字温度值，不需要校正，且较易实现。
综上考虑，我们采用方案二。
2系统设计
2.1系统功能框图
系统功能框图如图1所示。
图1系统功能框图
2.2逆变器模块
2.2.1逆变电路
该部分采用全桥逆变（电路图见图2），根据设计要求输出电压36V，功率200W选择场效应管PHM0201。
为保护场效应管，在源极与漏极间加续流二极管，并在栅极加驱动电阻。
为使输出波形更加平滑加滤波电容和电阻。
在驱动电路的控制下1与4，2与3路分别导通，实现逆变
图2全桥逆变电路
2.2.2驱动电路
该部分采用三极管构成驱动电路，电路如图3所示。
为保证场效应管安全导通与关断，为各路场效应管提供独立电源且为栅极提供正负10V电压。
由NPN与PNP型三极管轮流导通来实现。
为了避免逆变过程产生的干扰信号对单片机的采样带来干扰，由光耦TLP250进行隔离
图3全桥逆变驱动电路
2.3PWM波产生电路
本系统设计通过三角波与基准正弦波经比较电路之后产生PWM波。
通过555定时器产生的19.6KHz方波经二分频电路，用9.6KHz方波经TL072产生的三角波与输出幅值可调的基准正弦波比较之后产生PWM波，可以实现对PWM的控制，通过对PWM波形的控制，使直流电压的利用率高，并且减小了死区，减小谐波分量的干扰，使逆变之后的波形经滤波升压后的波形更平整。
原理图如下：
（a）正弦波产生电路（b）三角波产生电路
（c）PWM波产生电路
图4控制波形产生电路
2.4电压电流采样及保护模块
交流电压采样：
电压互感器对输出交流电压进行采样，采样经信号处理电路，将信号传送给单片机进行电压处理，电路见附录图1。
交流电流采样：
电流互感器对逆变器输出电流进行采样，采样信号经信号处理电路，将信号传送给单片机进行电压处理，电路见附录图2。
直流电压采样：
对直流输入电压进行分压采样，采样信号经信号处理电路，将信号传送给单片机进行电压处理，电路见附录图3。
直流电流采样：
直流电流采用感应微电流串电阻升压方式采样，采样信号经信号处理电路，将信号传送给单片机进行电压处理，电路见附录图4。
所有采样信号送入主控单片机进行A/D转换，经单片机进行分析处理后，分别显示电压、电流、功率，判断电路的工作状态进行实时保护。
过热保护：
经温度传感器DS18B20对逆变电路进行温度采样，在逆变器发生过热故障时进行实时保护，电路如附录图7。
2.5键盘及显示模块
键盘显示部分采用数码管驱动及键盘控制芯片CH452，能对显示器自动扫描，能识别键盘上按下的键号，故而可代替CPU完成对键盘和显示器的控制，从而减轻了CPU的负担。
CH452可以通过经济的2线串行接口与单片机交换数据，有效减少I/O口的资源占用。
CH452自身具有锁存功能，使单片机可以方便的控制数码的显示，而不必不断输出显示数据，有效解决了动态显示占用CPU时间较长的缺点，CH452与PIC16F876系列接口方便。
CH452对数码管采取动态扫描驱动，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。
支持扫描扫描极限，只为有效数码管分配扫描时间。
CH452定期在显示驱动扫描过程中插入键盘扫描。
电路图见附图6
3单片机控制部分与软件实现
单片机采用PIC16F876，由于其其具有价钱低、速度快、功耗低、体积小、抗干扰性强等优点，且PIC16F876内置A/D转换性能模块，因此采用PIC16F876作为控制芯片对逆变电路进行采样与实时保护。
其程序主要实现了对逆变电路的输入输出电流电压、功率、效率、温度的实时采样，并完成了对过热、欠压等故障的保护，其具体流程图如图5所示。
图5系统程序框图
4理论分析与计算
交流电压电流采样计算分析如下：
交流信号的采样采用最小二乘方滤波器，通过一个周波四点采样，经整形变换和查表求根等优化算法，可在单片机中实现相量的快速测量。
我们将每周波采样次数定为四次（即采样周期5毫秒），输入函数可表示为u（t）=P0*e-λt+ΣPk*sin（kωt=θk）,我们规定：
P0为直流分量，P1为基波峰-峰值θ1为基波分量在采样时刻相对于零点的相位角。
以最近连续四次采样值为样本，可得到四个采样方程，将P0、-P0λ、P1cos（θ1）、P1sin（θ1）作为待测未知函数，将采样方程表示成矩阵
Χ
=
若分别用符号A表示系数矩阵X表示未知参数相量U表示采样值则：
X=A-1*U
A-1表示A的逆矩阵，即X最小二乘方滤波器。
A-1=
经计算可得，P1=
5测试方式、测量数据及测试结果分析
5.1测试步骤：
①首先对逆变模块输出的波形进行分析，看是否是如下图6所示波形。
②若波形正确则将电路接上滤波、变压器，当其波形为正弦波（如下图6）时，对其进行空载测试，并将测试数据填入下表1。
③空载测试完后，将其电路断开，接入一可调负载，对其进行负载测试，并将测试数据填入下表2。
组号
类型
输出电压
（V）
频率
（Hz）
失真度
（%）
直流电压
（欠压保护）
（V）
1
35.9
50.00
0.1
24.0
2
36.2
50.00
0.2
24.1
3
35.8
50.00
0.1
24.0
4
36.1
50.01
0.3
24.0
5
36.2
50.00
0.1
24.0
6
0
0
无
20
表1空载测试
组号
类型
测量电流
（A）
输出电压
（V）
频率
（Hz）
功率显示
（W）
测量计算
1
1
37.0
50.00
37.0
37.1
2
2
36.6
50.00
73.2
73.2
3
3
36.4
50.00
109.2
109.3
4
3.5
36.4
50.00
127.4
127.3
5
4
36.2
49.97
144.8
144.7
6
5
36.0
49.91
180
179.8
7
5.5
35.9
49.95
197.45
197.5
表2负载测试
5.2测量波形图
（a）三角波波形（b）正弦波波形
（c）三角波与正弦波经比较后产生的方波信号（d）逆变之后的波形
（e）滤波后的波形
（f）满载时电压波形（g）满载时电流波形
图6测量波形图
5.3测试使用的仪器：
编号
名称、型号
数量
1
DS1502E数字存储示波器
1
2
数字万用表
1
3
信号发生器
1
4
直流稳压源
1
5
自制功率负载
1
6总结：
该单相正弦波逆变电源的输入为24VDC,输出为36V/50Hz交流电。
该设计基本完成了各项要求，输出功率大于200W，同时该电源具有过热保护，输出短路保护，电池电压过低报警，逆变器过载报警的功能，增强了电池的安全性，系统整体性能稳定可靠。
通过设计整个系统，使我们深刻体会到电源设计的综合性，既要考虑到整个系统的构造以及电路的布局，又要注意把握器件参数、滤波及保护电路等细节；既要注意强电部分的稳定性，又要加强控制电路功能的实现。
通过本次竞赛，培养了我们严谨认真的态度和独立解决分析问题的能力，以及注重细节的习惯。
我们将继续延续大赛带给我们的精神与斗志，不断取得新的进步。
参考文献：
[1]武锋PIC系列单片机开发应用实战北京航空航天大学出版社
[2]武锋PIC单片机C语言开发入门北京航空航天大学出版社
[3]孙肖子张企民模拟电子线路基础西安电子科技大学出版社
[4]贾伯年传感器技术东南大学出版社
[5]丁卫东，丁颖韩冬单片机中最小二乘滤波器的向量测量和功率计算山东电力研究院
[6]李雅轩杨秀敏电力电子技术（第二版）中国电力出版社
附录：
图1：
交流电压采样电路：
图2：
交流电流采样电路：
图3：
直流电压采样
图4：
直流电流采样
图5：
逆变器驱动模块
图6：
键盘显示控制电路
图7温度采集电路：
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