基于单片机操纵单相交流调功器的设计电气工程课程设计.docx
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基于单片机操纵单相交流调功器的设计电气工程课程设计
课程设计任务书
课程电气工程课程设计
题目基于单片机操纵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
要紧内容：
基于单片机的单相交流调功器要紧分为四大模块：
信号放大模块、A/D转换模块、单片机操纵模块、调功电路。
工作流程：
来自传感器的模拟信号通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预备就绪，现在它同意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，那个信号跟调功模块的信号进行运算，输出到光耦合器件，通过光耦合器件操纵驱动电路，实现对信号的放大，从而驱动操纵晶闸管的通断，达到对负载调功的目的。
参考资料：
[1]王鑫，李威.PLC机电操纵系统应用设计技术.北京：
电子工业出版社，2020
[2]范永胜，王岷.电气操纵与PLC应用.北京：
中国电力出版社，2007
[3]鲁远东.PLC机电操纵系统应用设计技术.北京：
中国电力出版社，2020
[4]张华宇.数控机床电气及PLC操纵技术.北京：
中国电力出版社，2020
[5]肖峰，贺哲荣.PLC编程100例.北京：
中国电力出版社，2020
完成期限至
指导教师
专业负责人
2021年12月15日
附录一..........................................................................................................13
附录二.............................................................................................................14
附录三............................................................................................................15
1设计要求
1．对系统设计方案的先进性、有效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，给出系统参数计算进程。
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，坚决杜绝剽窃，类似现象。
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操纵实现交流调功。
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。
信号通过放大转换以后输送到单片机，单片机通过运行指令，操纵输出脉冲，通过脉冲驱动主电路晶闸管，从而达到调功的目的。
系统框图如下图：
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
信号放大典论
通信系统中利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、耦合谐振回路和各类固体滤波器是其负载。
谐振放大器的要紧参数除电压放大倍数（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，有效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纳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。
小信号放大器可否稳固工作是电路设计和调整中必需考虑的问题，可是稳固性涉及的问题比较多，计算只能为电路调整指一个方向，需要依如实际情形进行认真地调整。
集成宽带放大器+集当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固工作的问题，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能够采纳集成芯片，集成放大芯片具有精度高、稳固性好、输入阻抗高、稳固性好等优势。
能够采纳的芯片有AD620、OP72五、OP07等。
A/D转换模式
A/D转换的作用是将时刻持续、幅值也持续的模拟量转换为时刻离散、幅值也离散的数字信号。
A/D转换要通过取样、维持、量化及编码4个进程。
在实际电路中，这些进程有的是归并进行的。
一样取样和维持，量化和编码往往都是在转换进程中同时实现的。
由于实现这种转换的工作原理和采纳工艺技术不同，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。
依照转换速度可分为超高速（转换时刻≤330ns），次超高速（330~μs），高速（转换时刻~333μs），低速（转换时刻＞330μs）等。
A/D转换器依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芯片采纳逐次逼近型者多；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/时刻转换型（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。
假设小于最小转变量的输入模拟电压的任何转变，将可不能引发输出数字值的转变。
采用12-bit的AD574，若是满刻度为10V的话，分辨率即为10V/212=。
而常用的8-bit的ADC0804，若是满刻度为5V的话，分辨率即为5V/28=。
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不同，并用最低有效位LSB的倍数表示。
（2）转换时刻转换时刻是A/D转换完成一次所需的时刻。
从启动信号开始到转换终止并取得稳固的数字输出值为止的时刻距离。
转换时刻越短那么转换速度就越快。
（3）精准度
关于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。
经常使用的芯片有：
AD574、MC14433、AD7711A
单片机
单片机是一种集成在电路芯片，是采纳超大规模集成电路技术把具有数据处置能力的中央处置器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、按时器/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）集成到一块硅片上组成的一个小而完善的运算机系统。
由于本系统对单片机的性能要求不是很高，用STC51的单片机就能够够。
调功电路
调功是应用晶闸管及其触发操纵电路用于调整负载功率。
一样调功电路由四个部份：
电压比较、操纵电路、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。
输出脉冲通过放大驱动晶闸管导通。
运放能够做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，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，比较器的输出级经常使用集电极开路结构，如图6所示，它外部需要接一个上拉电阻或直接驱动不同电源电压的负载，应用上加倍灵活。
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、传播延迟时刻、灵敏度等，大部份参数与运放的参数相同。
在要求不高时可采纳通用运放来作比较器电路。
如在A/D变换器电路中要求采纳周密比较器电路。
其中电压比较器能够选择：
LM393、LM33九、OP07、OP27等。
4最正确方案
放大电路采纳集成芯片AD620，AD620具有精度高、噪声低、利用简单的优势。
通过在1号管脚和8号管脚之间串接一个电位器就能够够调整放大倍数。
其3号脚为信号输入脚，6号脚为信号输出脚，4号和7号管脚别离接-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
。
通过调整电位器R能够调剂其放大倍数AD620的管脚示用意如图4-1所示：
图4-1AD620的管脚示用意
A/D转换采纳芯片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，内置双极性电路组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，而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组成一个完整的A/D转换器。
AD574A的部份引脚说明：
[1]Pin1（+V）——+5V电源输入端。
[2].Pin2（）——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据是12位或8位输出。
[3].Pin3（）——片选端。
[4].Pin4（A0）——字节地址短周期操纵端。
与端用来操纵启动转换的方式和数据输出格式。
须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。
[5].Pin5（）——读转换数据操纵端。
[6].Pin6（CE）——使能端。
其引脚图如图4-2所示：
图4-2AD620引脚图
由于本系统对单片机的性能要求不高，本次利用STC89C51单片机，其引脚图如图4-3所示：
图4-3STC89C51RC引脚示用意
在本系统中调功电路的电压比较能够用OP07，OP07具有极低的输入失调电压（OP07E的最大值为75µV），通过在晶圆时期执行调整而取得，而且这种低失调电压一样不需要进行任何外部零点校准。
另外还具有低输入偏置电流（OP07E为±4nA）和高开环增益（OP07E为200V/mV）特性。
OP07芯片引脚功能说明：
1和8为偏置平稳（调零端），3为反向输入端，2为正向输入端，4接地，5空脚7为输出，6接电源。
OP07的引脚示用意如图4-4所示：
图4-4OP07的引脚示用意
5硬件设计
信号放大器的设计
AD620芯片通过在1号引脚和8号引脚之间串接电阻，达到调剂放大倍数的目的，AD620的最大放大倍数为1000倍，由于AD620放大倍数越大，误差就越大，故本电路用了两片AD620形成二级放大，其中U1放大50倍，U2的放大倍数通过电位器进行调剂。
信号放大电路如图5-1所示：
图5-1信号放大电路图
A/D转换器的设计
AD574A是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路组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，而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组成一个完整的A/D转换器。
其应用电路如图5-2所示：
图5-2AD574输入信号的双极性接法
单片机对AD574的操纵
模拟量从10VIN或20VIN输入，输入极性由REFIN，REFOUT和BIPOFF的外部电路确信。
不论输入模拟量是单极性仍是双极性，均按从小到大的顺序将输入模拟量变换为数字量000H～FFFH。
对单极性的模拟量，0伏对应000H,最大电压值对应FFFH，对双极性的模拟量，负幅值对应0，0伏对应800H，正幅值对应FFFH。
若是把转换结果减去800H，能够取得与模拟量极性与大小对应的数字量。
0-800H=800H（负幅值），800H-800H=0（零值）FFFH-800H=7FFH（正幅值）。
REFIN：
片内基准电压输入线；BIPOFF：
极性调剂线。
AD574A的初始化以中断方式编程如下：
ORG0003H
LJMPINTS0
ORG0100H；主程序
MOVR0,#30H；设定数据缓冲区首地址
MOVDPTR,#5FFFH；AD574A的启动地址
SETB；外部中断1许诺
SETB；开CPU中断
MOVX@DPTR,A；启动12位转换
ORG1000H
INTS0:
MOVDPTR，#5FFEH；预备数据高8位地址
MOVXA,@DPTR；读入A/D转换值的高8位
MOV@R0,A；存A/D转换值的高8位数据
INCDPTR；预备数据低4位地址
INCR0；调整数据缓冲区指针
MOVXA,@DPTR；读入A/D转换值的低4位
MOV@R0,A；保留低4位数据
RETI；中断返回
调功电路的设计
所谓调功确实是通过操纵晶闸管的通断周期来操纵负载上的功率。
一样的调功电路分为四个部份：
电压比较、操纵电路、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OP07的正极与负极的输入比较电压进行比较运算，输出方波脉冲。
调剂与OP07负极相连的滑动变阻器能够调剂输出脉冲的占空比。
过零电压比较电路如图5-3所示：
图5-3过零电压比较电路
操纵电路由两个非门和两个与非门组成，其中U1A接收来自单片机的信号，U2A接收过零电压比较器的输出信号，U3、U4的输出连接到驱动电路。
当且仅当U1A、U2A的输入信号同时为低电平常U3、U4的输出才是低电平，其它情形U3、U4的输出都为高电平。
操纵电路如图5-4所示：
图5-4操纵电路
由于从与非门输出的信号不足以驱动晶闸管的导通，因此需要驱动放大电路对操纵电路的输出信号进行放大。
驱动电路通过光耦合器件与操纵电路连接。
由于主电路有两个方向并联的晶闸管，因此在实际的电路中，有两个相同的驱动电路。
其电路图如图5-5所示：
图5-5驱动放大电路
主电路由两个反向并联的晶闸管串接负载组成。
主电路的输入电压为220V的交流电压，晶闸管的操纵端接驱动电路的输出。
当晶闸管的导通周期不同，负载上的功率也不同。
主电路如图5-6所示：
图5-6主电路
6结论
随着科学技术的不断进步，电气工程与自动化技术正以令人注视的进展速度，改变着我国工业的整体面貌。
同时，对社会的生产方式、人们的生活方式和思想观念也产生了重大的阻碍，并在现代化建设中发挥着愈来愈重要的作用。
随着与信息科学、运算机科学和能源科学等相关学科的交叉融合，它正向着智能化、网络化和集成化的方向进展。
课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培育学生综合运用先修课程的理论知识和专业技术，解决工程领域某一方面实际问题的能力。
课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅能够培育和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是标准课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。
本课程设计的课题是单片机操纵单相交流调功器的设计，整个课程设计打算在周围之内完成，第一周指导教师对那个课程设计做了一个简要的介绍，讲解了本课程设计需要注意的几个关键部份，并对发布了课程设计的任务书。
通过几天的小组讨论与研究，明确了设计原理与要求，最终确信了这次设计的整体方案，下面就本次课程设计——单片机操纵单相交流调功器的原理作一详细介绍。
基于单片机的单相交流调功器要紧分为四大模块：
信号放大模块、A/D转换模块、单片机操纵模块、调功电路。
信号放大模块采纳集成芯片AD620作为主芯片，AD620具有精度高、噪声低、利用简单的优势。
通过在1号管脚和8号管脚之间串接一个电位器就能够够调整放大倍数。
信号增益在1~1000倍之间，由于AD620放大倍数越大，误差就越大，故本电路用了两片AD620形成二级放大，其中U1放大50倍，U2的放大倍数通过电位器进行调剂。
由于关于不同类型的传感器，其输出信号的电压伏值不一样，因此对放大电路的放大倍数的要求也就不同，因此需要通过电位器的调剂，测试整定最正确放大倍数。
从而扩展了本调功器的对不同电路的适应性，降低了输出信号的失真度。
A/D转换模块采纳芯片AD574，AD574A是美国模拟数字公司推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路组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，而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组成一个完整的A/D转换器。
AD574采纳双极性接法，能够兼容不同极性的输入信号，通过对AD574的CE、R／C、12／八、A0脚的同时操纵，设定输出信号的位数。
单片机采纳STC89C51,STC公司的单片机主若是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8~12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全世界唯一ID号,加密性好,抗干扰强。
单片机在本系统中起着重要的作用，它是本系统数字运算的核心，需要完成PID运算、对AD574的初始化、完成对模拟信号的搜集和数字信号的输出、完成调功脉冲波形的调整。
调功电路是本次设计的重点，所谓调功确实是通过操纵晶闸管的通断周期来操纵负载上的功率。
一样的调功电路分为四个部份：
电压比较、操纵电路、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OP07的正极与负极的输入比较电压进行比较运算，输出脉冲通过放大驱动晶闸管导通。
在那个进程中电压比较器的输出信号需要与来自单片机的信号进行比较运算，最终输出到光耦合器件，通过光耦合器件来操纵驱动电路的通断从而驱动晶闸管的导通。
当上诉四个模块结合在一路工作时确实是一个完整的单片机操纵的单相交流调功器，它的工作流程是如此子的：
来自传感器的模拟信号通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预备就绪，现在它同意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，那个信号跟调功模块的信号进行运算，输出到光耦合器件，通过光耦合器件操纵驱动电路，实现对信号的放大，从而驱动操纵晶闸管的通断，达到对负载调功的目的。
通过那个专业方向的课程设计，加深了对自动化专业课程的明白得，增强了对理论知识的运用能力，对电路的设计思路有了更清楚的熟悉。
由于个人水平有限和时刻关系，本课程设计还有不足的地址，恳请教师指正。
参考文摘
[6]郝成.运算机操纵技术——
[7]王威主编《工业生产自动化》科学出版社.
[14]Ostrirov,VN.Experienceofdesignandapplicationofthecompleteenergysavingelectricdrivesinsystemsoftown’swatersupplyandfeculencewaterpump.Elektrichestvo,2003（4）:
68-71
[15]LewisBW,candelloMfrequencydrive（VFD）technologyishereanditworks:
acomparisonofprevailingcontroloftheNewEnglandwaterworksAssociation,1998,112（3）:
227-240
附录一：
信号放大、A/D转换与单片机接口电路
附录二：
调功电路
附录三
程序清单：
sbitad_status=P3^3;
ucharxdataad_convert_at_0x6000;//开始转换
ucharxdataad_read_hi_at_0x6002;//读取高字节
ucharxdataad_read_lo_at_0x6003;//读取低字节
uintad_1674（void）
{
unionadc
{
uintadcc;
ucharad[2];
};
unionadcadd;
ad_convert=0xff;
while（ad_status）;
[0]=ad_read_hi;
[1]=ad_read_lo;
=>>4;
return;
}ORG0000H
AJMPMAIN;主程序
ORG0013H
LJMPXAD;中断1A/D采样子程序
;*********************************************
;*初始化ad574a程序*
;*********************************************
ORG0030H
MAIN:
MOVSP,#60H;设置堆栈
;SETBEA
clrie1
SETBIT1
START:
LCALLMNLCJ
;*****************************************
;*A/D采样子程序初始化*
;*****************************************
AD1:
PUSHDPH
PUSH
DPL
PUSHACC
MOVDPTR,#0C000H;打开0通道
MOVA,#08H
MOVX@DPTR,A
MOVDPTR,#9000H;启动A/D转换
MOVX@DPTR,A
SETBEX1
POPACC
POPDPL
POPDPH
RET
;*****************************
;*A/D574的中断子程序*
;*****************************
XAD:
PUSHDPH
PUSHDPL
PUSHACC
MOVDPTR,#9002H;读入高8位结果放入50H
MOVXA,@DPTR
MOV50H,A
INCDPTR
MOVXA,@DPTR;读入低4位结果放入51H
MOV51H,A
CLREX1
POPACC
POPDPL
POPDPH
RETI
;*********************************************
;模拟量搜集*
;*********************************************
MNLCJ:
MOVR0,#40H
LCALLAD1;第一端口模拟量搜集
ajmp$
MOVA,50H
MOV@R0,A
INCR0
MOVA,51H
MOV@R0,A
END
NOP
NOP
LJMPmain
东北石油大学课程设计成绩评判表
课程名称
电气工程课程设计
题目名称
基于单片机控制单相交流调功器的设计
学生姓名
学号
指导教
师姓名
职称
序号
评价项目
指标
满分
评分
1
工作量、工作态度和出勤率
按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。
20
2
课程设计质量
课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。
45
3
创新
工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。
5
4
答辩
能正确回答指导教师所提出的问题。
30
总分
评语：
指导教师：
年月日
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