基于单片机的逆变电源设计.doc
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摘要
本设计是基于单片机STC而设计的纯正弦波逆变电源。
额定输入电压为12V的直流电，输出为50Hz,220V的交流电。
额定输出功率为300W。
设计了全方位的保护电路。
包含了可以根据温度来控制散热风扇的开启。
实现了输入低压、过压的关断功能。
当输入的电压过低时，停止逆变，可以防止损坏蓄电池，当输入的电压过高时，停止逆变，可以防止损坏芯片。
拥有输入防反接功能，当输入正负极接错时，关断输入与后级电路的连接，不会烧坏芯片或蓄电池。
采用了一个液晶屏来显示输出的电压，输出频率等信息。
采用了两个发光二极管来指示工作状态。
采用了一个蜂鸣器，当产生错误时，发出蜂鸣报警。
输出的交流电为标准的正弦波，而不是方波或修正波，可以实现更宽范围的带负载能力。
根据测试，转换效率在85%以上，输出稳定，达到了良好的实验效果。
关键词：
单片机，逆变电源，正弦波，反接保护
Abstract
ThedesignisbasedonSTCmicrocontrollerdesignedforpuresinewaveinverter.Ratedinputvoltageof12VDC,outputis50Hz,220VAC.Ratedoutputpowerof300W.Designedafullrangeofprotectioncircuits.Canbeincludedtocontrolthetemperatureonthecoolingfan.Achieveainputvoltage,overvoltageshutdownfunction.Whentheinputvoltageistoolow,theinverterisstopped,topreventdamagetothebattery,whentheinputvoltageistoohigh,theinverterisstoppedtopreventdamagetothechip.Hastheinputanti-reversefunctionwhentheinputisnegativethenthewrongtime,andaftertheshutdowninputstagecircuitconnectionswillnotburnchipsorbatteries.Usesaliquidcrystalscreentodisplaytheoutputvoltage,outputfrequencyandotherinformation.Usestwolightemittingdiodestoindicatetheoperatingstatus.Usesabuzzerwhenanerroroccurs,thealarmbeeps.ThestandardACoutputsinewave,ratherthanasquarewaveormodifiedwave,awiderrangecanbeachievedwithaloadcapacity.Accordingtothetest,theconversionefficiencyofmorethan85%,stableoutput,toachieveagoodexperimentalresults.
KeyWords:
MCU,Inverter,Sinewave,reversepolarityprotection
目录
1 引言 3
1.1系统研究的背景 4
1.2系统研究的意义 5
2系统的工作原理与结构 5
2.1系统的工作原理 5
2.2系统的硬件结构 9
2.3系统的软件设计 10
3系统的硬件设计 11
3.1主控制器 11
3.2DC-DC模块 12
3.3DC-AC模块 16
3.4保护模块 21
3.5直流5V电路设计 24
3.6显示与报警模块 25
4.系统的软件设计 26
4.1开发环境介绍 27
4.2SPWM程序设计 30
4.4液晶驱动程序设计 36
4.5输出采样程序设计 40
5结束语 42
致谢 43
参考文献 43
附录一系统原理图 44
附录二系统源程序 45
1引言
1.1系统研究的背景
逆变电源是指将直流电源转换为交流电源的的装置。
随着光伏发光的推广，汽车和车载电器数量的增加，UPS的广泛应用，逆变电源的应用场合也越来越多，成了电力电子技术中不可缺少的部件。
而随着电子技术的发展，逆变电源也有一个高速发展的历程。
最早的逆变系统采用的是，通过将直流电源供给直流电动机，直流电机通过机械传动带动交流发电机，来完成直交流的转换。
这种转换方式占用空间大，重量大，产生一定的噪声，而且效率十分低下。
到二十世纪六、七十年代，晶闸管的问世使得逆变电源的技术得到了发展。
逆变电源开始广泛使用晶闸管来作为主要器件，与传统的机械式转换相比，效率明显提高。
但缺点也十分明显，转换的波形为方波，而不是正弦波，无法带动电感类负载。
限于晶闸管的功率，电源的输出功率较小。
进入八十年代以后，电子元件的种类也越来越多，诞生了功率场效应管、MOS管、可关断晶闸管、电力用晶体管、绝缘栅极晶体管等类型的功率型器件。
这些器件的出现为逆变电源技术的高速发展奠定了坚实的基础。
使得逆变电源从容量到频率等参数越来越高，占用的体积减小，逆变转换效率提高，各种品质指标也进一步提升。
进入21世纪以后，随着微电子技术的发展，逆变电源在设计上，也渐渐使用微电子元件。
得益于微电子元件的精密程度，逆变电源的输出的稳定性，波形的精确度等都得到了保证。
目前的逆变电源按照输出波形可分为三种。
第一种是方波逆变电源。
输出波形是标准的方波。
这种逆变电源的优点是结构简单，转换效率较高，技术成熟。
缺点是变压器和滤波器的体积、重量较大，工作的噪音较大。
而由于输出波形是方波，上升和下降是突变的，当负载为感性负载时，由于电感对储能特性，会产生尖峰脉冲高压。
造成负载或电源的损坏。
第二种是修正波逆变电源。
输出波形是将多个方波叠加而成的修正正弦波。
大大减小了输出波形的谐波含量。
与方波逆变电电源相比，性能得到了很大的提升。
第三种是纯正弦波逆变电源。
其输出波形为谐波含量很小的正弦波。
与市电相比波形基本一致。
可以带动所有类型的负载。
但缺点是技术不够成熟。
成本较高。
1.2系统研究的意义
一方面目前私家车已经走进千家万户，而车内可使用电器却因为电源受到诸多的限制。
汽车的携带的蓄电池输出直流12V，而大部分电器的额定电压是市电交流220V。
而目前常见的车载逆变电源有诸多缺点。
如无输入低压保护，超额使用后，导致汽车无法启动。
没有设计显示屏，用户无法查看输出参数。
没有配置短路保护，过载保护等。
另一方面随着太阳能发光的大力推广，逆变电源在太阳能发光的过程中有着不可缺少的作用。
太阳能发光是将光能转换为电能存储在蓄电池中。
而人们使用的家电无法直接通过蓄电池供电。
必须通过逆变电源将直流电转换为交流电。
随着逆变电源应用的场合越来越多，对逆变电源技术的发展要求也越来越高。
目前逆变电源的设计多采用纯硬件设计的分立式元件组成的结构。
随着人们使用的电器数量和种类的增加，对逆变电源的波形、容量等参数的要求也越高，使得设计的逆变电源的复杂度也越来越高，采用的元件也越来越多。
而由于元件数量过多，造成的电源稳定性较差，往往由于某一个元件的质量差而导致整个系统的损坏。
而且传统逆变电源基于模拟元件的设计，没有可编程的能力，使得逆变电源的可扩展能力差，没有显示功能等问题。
因此针对单片机来作为逆变电源主控制芯片的研究显的十分重要。
2系统的工作原理与结构
2.1系统的工作原理
逆变电源是一种将低压直流电转换为高压交流电的过程。
一个直流电源对一个负载的两端轮流供电时便在负载的两端形成一个交流电的过程。
工作模型如图2-1所示。
图2-1逆变电源工作模型
当图中的S1、S4闭合，S2、S3断开时。
电流从负载的左侧流向右侧。
负载两端的电压U0是一个正电压。
电流方向和波形如图2-2所示。
图2-2S1、S4闭合时的电流方向和波形
当图中的S2、S3闭合，S1、S4断开时。
电流从负载的右侧流向左侧。
负载两端的电压U0是一个负电压。
电流方向和波形如图2-3所示。
图2-3S2、S3闭合时的电流方向和波形
当开关开始和闭合的速度很快时，负载两端的电压便形成了一个交流电的过程。
实际应用中，只要将图中的开关，改为可控的开关器件，这些开关器件组成的电路称为全桥。
全桥逆变电源主电路结构如图2-4所示。
图2-4全桥逆变电源结构图
V1、V2、V3和四个开关管以及VD1、VD2、VD3和VD4四个续流二极管构成了左右两个桥臂。
在任何时刻，左右两个桥臂的上下两个开关器件不可以同时打开，否则输入电源将短路。
四个开关器件也不可同时判断，否则输出出现不可控的状态。
这些开关器件的控制信号可以采用周期调制信号。
而这些周期信号经过正弦脉宽调制，称为SPWM调制，电路结构称为SPWM全桥结构。
典型的SPWM调制方式有两种，分别为单极性调制和双极性调制。
单极性调制是指全桥的输出包括正负两个电平，输出载波频率与开关工作频率相同。
单极性调制的波形图如图2-5所示。
图2-5单极性调制波形图
在ur和uc的交点时刻控制开关管的通断，uof表示uo的基波分量。
在波形ur的正半周，V1的状态为通，V2的状态为断。
在ur>uc时，V3的状态为断，V4的状态为通。
此时的uo=ud。
在ur在波形ur的负半周，V1的状态为断，V2的状态为通。
在ur>uc时，V3的状态为通，V4的状态为断。
此时的uo=0。
在ur此时的uo=－ud。
双极性调制与单极性调制相比，多了一个零电平，即输出电平包括正、负和零三个电平。
双极性调制波形如图2-6所示。
图2-6双极性调制波形图
对于双极性调制，在ur和uc的交点时刻控制开关管的通断。
uof表示uo的基波分量。
在ur的每半个周期中，调制载波的三角波有正有负，所得PWM波的幅值有±Ud两种电平。
在ur的正负半周，对各开关管的控制规律相同。
在ur>uc时，开关管V1和V4的状态为通，开关管V2和V3状态为断。
此时的uo=Ud。
在ur此时的uo=-Ud。
这两种调制方式中，双极性调制的实现简单，缺点是四个开关管都处在高频的工作状态，开关的损耗较大，电路可靠性降价。
单极性调制时一个桥臂为低频状态，另一个为高频状态，因此，开关管的导通损耗较低。
降低了制作成本。
本次设计采用单极性调制方式。
2.2系统的硬件结构
逆变电源实现直流电转换为交流电的过程可以分为三个步骤。
第一步是通过震荡电路将直流电变为交流电。
第二步是将得到的交流电通过变压器进行升压，此时输出波形为一个高压的方波，也就是方波逆变电源的波形。
第三步是将升压后的交流电进行整流，得到一个正弦波波形的交流输出。
本设计是基于单片机的正弦波输出逆变电源，根据实现功能和逆变电源的转换流程。
系统的硬件可分为几大模块：
主控制器，DC-DC驱动模块，DC-AC模块，保护模块，显示模块。
系统的硬件结构框图如图2-7所示。
图2-7逆变电源系统框图
主控制
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