基于at89c52单片机的风力发电机电压控制系统Word格式文档下载.docx
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而它激式的激励脉冲来自专门的激励脉冲形成电路。
本系统中采用逻辑元件和微处理机构成控制电路，按输入电压高低产生激励脉冲来控制开关器件的通断，改变占空比，从而稳定输出电压；
而且由微处理器构成的控制电路，可操作性更强，效率更高。
3.1.3稳压系统的工作原理
垂直轴风力发电机所发出的不稳定的交流电，经输入模块滤波和一次整流滤波电路后，经中间环节稳压模块电路进行稳压，包括降压斩波、二次平滑整流后，输出稳定的直流电供给负载；
另外控制模块通过单片机对供电电压进行采样，在内部进行调理、比较后，发出PWM波控制绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断时间，继而改变占空比，形成闭环控制供电电压[8]。
如图3.1所示。
图3.1稳压系统框图
Fig.3.1Thediagramofregulatorsystem
3.2输入模块设计
本设计中的输入模块包括交流输入和整流滤波两部分。
发电机输出的40～80
的单相交流电通过交流输入电路，将交流信号中的高频干扰信号进行滤除，再通过桥式整流电路转化成近似直流电。
3.2.1交流输入滤波电路
交流输入滤波采用由电感L3、滤波电容C5-C8共同组成了EMI滤波器进行滤波，如图3.2所示。
图3-2交流输入电路
Fig.3-2ACinputcircuit
其中C5和C6为差模电容，典型的取值范围为0.047uf
0.47uf，有一定的耐压值要求。
L3为共模电感，设其电感值为L3，取值范围一般为1
10mH；
C7和C8为共模电容，总是对称取值，取值范围低于4000pF，典型值是1000pF。
L3对高频的交流信号来讲阻抗是很大的，且高频信号在磁芯中的损耗比较严重；
而对于低频交流信号来说，这两条线圈就相当于两条导线，故可以将输入的电压中的高频信号通过L3大幅度地滤除，而使低频信号顺利通过。
同时，C5、C6跟线圈一起形成一个π形
滤波器，可在不减小输出电压的条件下获得较好的滤波效果，从而增加该部分滤波的效果[9]。
为了避免交流导线上有不同相位的交流高频干扰，加入C7和C8.
3.2.2整流滤波电路
垂直轴风力发电机组输出40～80
不稳定的交流电，要把风力发电所输出的交流电变成需要的直流电，就必须通过整流电路将交流电转化为脉动的直流电。
整流滤波电路包括整流电路、滤波电路。
这是由于整流后的电压还会有较大的交流成分存在，所以需要通过滤波电路加以过滤，从而得到波形比较平滑的直流电压。
1、单向整流电路的性能参数：
整流电路中既有交流量，又有直流量[10]。
半波整流和桥式整流比较分析如表3.1
（1）（交流）输入---用有效值或最大值，
；
（2）（直流）输出---用平均值，
、
（3）二极管正向电流---用平均值，
（4）二极管反向电压---用最大值，
表3.1半波整流与桥式整流比较分析
Tab.3.1Half-waverectifierbridgerectifierandcomparativeanalysis
电路名称
S
单相半波
0.45
1.57
1
1.414
单相桥式
0.90
0.67
1/2
由上表可知，桥式整流电路中的整流器件两端所受的电压较半波整流电路低；
且桥式整流电路输出电压的纹波系数比半波电路小的多；
且桥式整流电路适用于功率较大、电压较高的负载。
故在本设计中，选用单相桥式整流电路，如图3.3所示.
图3-3整流滤波电路
Fig.3-3ThecircuitofRectifierfilter
2、电容滤波电路的特点
（1）
与时间常数
有关[11]。
越大，
越大。
当电路空载时，
。
当
=
时，
（2）二极管只有在整流电路的交流输入电压大于电容两端电压时，二极管才导通，所以导通角小于л。
一般在选管时，取
（3）当负载电阻
或
变化时，输出波形改变，
和
也随之改变。
如，当
愈小，即
愈大时，
下降而
增大。
滤波特性和电路外特性较差，所以适用于输出电压较高，负载电流小且负载变动不大的场合。
3.3稳压电路模块设计
稳压模块电路包括降压斩波、二次平滑整流。
输出稳定的直流电经整流滤波电路后所得到的直流电压，虽然脉动小了，但由于发电机的输出电压波动很大，所以得到直流电压很不稳定[12]。
就需要通过对发电机输出电压进行调理。
本设计中，将稳压模块分为BUCK降压斩波电路和二次平滑整流。
稳压模块电路图如图3.4所示。
在BUCK降压斩波电路使用的为全控型换流器件，根据系统功率、电压分析，通过换流器件的电流较大，需要通流能力较强的换流器件，故设计中选择通流能力较强的IGBT（绝缘栅双极晶体管）。
图3.4稳压模块
Fig.3.4Theregulationmodule
3.3.1稳压模块工作原理
当IGBT闭合时，输入模块的输出电压经过IGBT、电感L4向电容C9、L5、C10、C11充电，为负载提供电流；
当IGBT关断时，由储能电感L4中的能量继续向负载供电，当输出电压要下降时，电容C9中的能量也向负载供电，此时，肖特基二极管D5起续流作用，构成电流回路。
在这个过程中，电容C10、电感L5、C11进行二次平滑整流后供电，IGBT作为斩波开关完成升降压斩波变换[13]。
系统通过阻值分别为70kΩ、10kΩ的电阻R1和R2组成的分压器对充电电压进行采样，而后采样信号经调理后反馈到CPU中，同CPU内部已经设置好的基准电压进行比较，CPU发出的PWM信号通过驱动模块控制IGBT的通断时间，即改变占空比，从而控制充电电压。
当发电机的输出电压升高时，占空比减小；
当发电机的输出电压降低时，占空比增大。
3.3.2主要元件参数的设定
（1）斩波频率的参数设定
由于较高的斩波频率有利于提高调整速度和滤波效果而得到稳定的输出电压。
但频率高时IGBT有可能不能及时关断而无法正常工作，另外频率高时电感中电流受充电时间常数的影响无法通过足够大的电流来满足输出电压和输出功率的要求,同时考虑到C51输出所能正常工作的脉冲频率，故本设计中斩波频率选为200Hz。
（2）IGBT的参数设定
当二极管VD导通时V的C和E两端承受的电压为电源电压，假设
=80V，考虑其安全裕度则IGBT的额定电压可以为2
3倍峰值电压，所以额定电压可为160
240V，选择IGBT的型号为IRG4PC40U其额定电压为600V，额定电流为40A。
（3）续流二极管VD的参数设定
续流二极管VD所承受的最大反向电压是当IGBT导通是的电源电压80V。
所承受的最大电流是当IGBT关断瞬间电感L作用在VD上的电流，可选择续流二极管的型号为HFA25TB60，其而定电压为600V，额定电流为25A。
3.4驱动模块设计
IR2101是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，该器件采用高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性，同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他IC驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。
图3.5IR2101的内部结构框图
Fig.3.5TheinternalstructureofIR2101blockdiagram
IR2101采用HVIC和门锁抗干扰制造工艺，集成DIP、SOIC封装。
其主要特性包括：
悬浮通道电源采用自举电路；
功率器件栅极驱动电压范围10～20V；
逻辑电源范围5～20V,而且逻辑电源地和功率地之间允许+5V的偏移量；
带有下拉电阻的CNOS施密特输入端，方便与LSTTL和CMOS电平匹配，独立的低端和高端输入通道，IR2101的内部结构框图如图3.5所示。
HIN为逻辑输入高，LIN为逻辑输入低，VB为高端浮动供应，HO为高变栅极驱动器输入，VS为高端浮动供应返回，Voc为电源，Lo为底边栅极驱动器输出，COM为公共端。
各端口工作要求如表3.2所示。
表3.2各端口工作要求
Tab.3.2Eachportworkdemands
Symbol
Definition
Min.
Max.
Units
VB
Highsidefloatingsupplyabsolutelyvoltage
VS+10
VS+20
V
VS
Highsidefloatingsupplyoffsetvoltage
Note1
600
VHO
Highsidefloatingoutputvoltage
VS
VCC
Lowsideandlogicfixedsupplyvoltage
10
20
VLO
Lowsideoutputvoltage
0
VIN
Logicinputvoltage（HIN&
LIN）（RI2101）
TA
Ambienttemperature
-40
125
℃
由于单片机输出的PWM波不能驱动大功率的MOS管，因此利用IR2101的电容自举功能，通过二极管（采用肖特基管所具有的快恢复功能，提升电容充电电压，关段过程中减少消耗能量）对自举电容进行充电，以此提升驱动MOS管的信号电压，使其具有扩大信号输出的功能，扩大后的信号PWM就能有序的控制IGBT的通断[14]。
如图3.6所示。
当HIN输入高电平时，HO输出则为高电平，通过IR2101的电容自举功能，从而使IGBT导通。
当HIN输入低电平时，HO输出则为低电平，IGBT截止，使其处于关断状态。
图3.6驱动IR2101的端口连接
Fig.3.6DriveIR2101portconnection
3.5本章小结
本章首先简单介绍了稳压系统的设计要求，然后详细介绍了稳压系统的总体设计方案，依据总的设计方案将该稳压系统分为输入、稳压、驱动三个模块，最后对各模块中电路和工作原理进行了具体的设计和分析。
4测控系统的软硬件设计
4.1测控系统的设计方案
测控系统是以AT89C51为核心对风轮的转速、输出的电压进行采集，并通过LCD1602液晶显示器进行显示,另外通过单片机控制其输出PWM的占空比对输出电压进行控制。
4.1.1测控系统的工作原理
图4.1测控系统工作原理
Fig.4.1Thediagramofmonitoringsystem
本设计中的测控系统（其原理如图4.1所示）分为三部分，一部分是对负载供电电压进行控制。
取样电阻R2通过分压将充电电压的变化按一定比例取样下来，并同电路中已经设置的基准电压进行比较，其差值信号用以控制IGBT通断时间，即改变开关脉冲的占空比，从而稳定输出电压。
当风变大时，风轮转增大引起发电机输出电压增大，此时经取样电路产生的取样电压也增大，经调整环节使IGBT的导通频率降低，即减小占空比，从而使输出电压减小；
当风变小时，风轮转速减小引起发电机输出电压减小，此时经取样电路产生的取样电压也减小，经调整环节使IGBT的导通时间升高，即增大占空比，从而使输出电压升高[15]。
第二部分是对风轮转速进行测量并显示。
风轮转速通过光电式传感器，将传感器输出的正弦脉冲信号转化为脉冲信号；
单片机通过计算出其一定时间内脉冲的数目，由脉冲的数目就可知道所侧转速值。
最后，稳压系统输出的电压进行测量并显示，取样电阻R2通过分压经过ADC0809将模拟信号转换成数字信号，有单片机进行进一步的运算处理，最后由显示屏以数字方式显示出风轮转速和电压。
4.1.2测控系统的主程序方案
系统的主程序设计主要实现的是各模块程序的链接，如图4.2所示。
系统上电后，首先对AD模数转换器、外部中断、定时器中断、LCD1602液晶显示器等各参数进行初始化；
接下来进入数据采集与处理模块，单片机通过光电式传感器和供电电路的采样电阻分别循环采样垂直轴发电机的风轮转速和充电电压，然后将采样值经AD转化处理后进入显示模块，将采样值显示在液晶屏上；
同时在PWM模块中，将系统输出反馈电压与预先设置的基准电压按一定比例进行比较，调整脉宽，改变占空比。
图4.2系统主程序设计
Fig.4.2Systemofthemainprogramdesign
4.2控制芯片及最小系统设计
4.2.1AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[16]。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4.3是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。
图4.3AT89C51单片机
Fig.4.3AT89C51MicroControllerUnit
1．89C51单片机的基本组成
89C51单片机由CPU和8个部件组成，它们都通过片内单一总线连接，其基本结构依然是通用CPU加上外围芯片的结构模式，但在功能单元的控制上采用了特殊功能寄存器的集中控制方法。
其基本组成如图4.4：
图4.489C51单片机的基本组成
Fig.4.4Thebasiccomponentof89c51
2．CPU及部分部件的作用功能介绍如下
中央处理器CPU：
它是单片机的核心，完成运算和控制功能。
内部数据存储器：
89C51芯片中共有256个RAM单元，能作为存储器使用的只是前128个单元，其地址为00H—7FH。
通常说的内部数据存储器就是指这前128个单元，简称内部RAM。
内部程序存储器：
89C51芯片内部共有4K个单元，用于存储程序、原始数据或表格，简称内部ROM。
定时器：
89C51片内有2个16位的定时器，用来实现定时或者计数功能，并且以其定时或计数结果对计算机进行控制。
中断控制系统：
该芯片共有5个中断源，即外部中断2个，定时/计数中断2个和串行中断1个。
3．数据存储器
89C51单片机有128BRAM[17]，当数据量超过128B也需要把数据存储区进一步扩展。
常用RAM芯片分静态和动态两种。
静态RAM有6116（2KB）、6264（8KB）等，动态DRAM2164（8KB）等，另外还有集成IRAM和E2PROM。
使用E2PROM作数据存储器有断电保护数据的优点。
4．程序存储器
存储器是单片机的又一个重要组成部分，其中程序存储器是单片机中非常重要的存储器，但由于其存储空间不足，常常需要对单片机的存储器空间进行扩展，扩展程序存储器常用芯片有EPROM（紫外线可擦除型），如2716（2KB）、2732（4KB）、2764（8KB）、27128（16KB）、27256（32KB）等，另外还有＋5V电擦除E2PROM，如2816（2KB）、2864（8KB）等等。
5．AT89C51单片机引脚
AT89C51单片机引脚如图4.5所示。
图4.5AT89C51单片机引脚
Fig.4.5AT89C51pins
P0.7---P0.0：
这8个引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。
第一种情况是8051不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7---P0.0用于传送CPU的I/O数据。
第二种情况是8051带片外存储器，P0.7---P0.0在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P2.7---P2.0：
这组引脚的第一功能可以作为通用的I/O使用。
它的第二功能和P0口引脚的第二功能相配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储器单元，但是并不能像P0口那样还可以传送存储器的读写数据。
P3.7---P3.0：
这组引脚的第一功能为传送用户的输入/输出数据。
它的第二功能作为控制用，每个引脚不尽相同。
VCC为+5V电源线，VSS为接地线。
ALE/
：
地址锁存允许/编程线，配合P0口引脚的第二功能使用，在访问片外存储器时，8051CPU在P0.7---P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/
线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7---P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器的读写数据。
/
允许访问片外存储器/编程电源线，可以控制8051使用片内ROM还是片外ROM。
如果
=1，那么允许使用片内ROM；
=0，那么允许使用片外ROM。
XTAL1和XTAL2：
片内振荡电路输入线，这两个端子用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接8051片内OSC的定时反馈电路。
4.2.2最小系统设计
1复位电路
MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。
单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因而，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现如图4.6。
图4.6复位电路
Fig.4.6ResetCircuit
①复位功能：
复位电路的基本功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。
片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。
复位电路通常采用上电自动复位（如图4.7（a））和按钮复位（如图4.7（b））两种方式。
（a）上电复位电路（b）按键复位电路
图4.7上电复位和按键复位
Fig.4.7Poweronresetandtheresetbutton
②单片机复位后的状态:
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。
单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表1。
值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。
PSW＝00H，表明选寄存器0组为工作寄存器组；
SP＝07H，表明堆栈指针指向片内RAM07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法则，第一个被压入的内容写入到08H单元中；
Po-P3＝FFH，表明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出。
IP＝×
×
00000B，表明各个中断源处于低优先级；
IE＝0×
00000B，表明各个中断均被关断；
系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。
51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。
2晶振电路
晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。
AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。
引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。
外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30pF。
在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。
晶体振荡电路如图4.8：
晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。
图4.8晶振电路
Fig.4.8Crystalresonancecircuit
3最小系统的仿真
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