基于Proteus軟件的逆變電源設計內容提要當前對于電源逆變技術的開發(fā)，發(fā)展最快的為正弦脈寬調制技術（SPWM）。當變頻器的控制過程中加入SPWM時，可以有效改進變頻器的輸出波形,減少電機的諧波損失，進而使得轉矩脈動降低，并且對逆變器的整體構造進行了簡化處理,使得調節(jié)速度明顯加快,系統(tǒng)的響應速度加快?？傊琒PWM既便捷、經濟、抗噪性能強，又是一項便于廣大工程師在眾多設計實踐中使用的技術。正因為正弦脈寬調制技術相對其他技術有眾多突出優(yōu)勢，才被廣泛應用于電力電子的方方面面。本文闡述了一個逆變電源的軟件仿真，平臺以Proteus仿真軟件為基礎，使用52單片機作為設計主體。文章分別從硬件電路和軟件程序兩個角度詳細說明此次設計。本文選用Proteus中的AT89C52單片機，對其進行軟件編程使其輸出一連串占空比按照正弦規(guī)律排列的矩形波，這一系列矩形波通過整流電路后變?yōu)檎也?。關鍵詞SPWM；52單片機；目錄TOC\o"1-2"\h\u內容提要 第一章緒論1.1Proteus仿真平臺仿真是利用軟件中的模型模擬實際實驗，利用模擬工具的模擬功能對各種系統(tǒng)進行仿真，從而達到真正想要的目的。嵌入式仿真是模擬企業(yè)電子控制電路的一種教學方法，模擬系統(tǒng)一方面使用Proteus，另一方面使用各種類型的編程軟件，就能夠實現(xiàn)真正的工作基本原理。Proteus是一款可以進行原理圖布局、電路仿真與布線的軟件，我們通過Proteus可以進行許多仿真實驗，可以突破經費和環(huán)境條件的限制，便于我們做各種各樣的自動化實驗，幫助我們消化在課堂上學習的知識，更好的掌握單片機的知識。Proteus中包含了很多元件，結合了圖像顯示、智能采集等方面的器件，便于我們自動化和各行各業(yè)結合，為便利人們的生活做出了很大貢獻。第一，Proteus擁有非常豐富的元器件選擇，可以通過選擇不同種類的仿真器件，搭建不同的仿真回路，完成各種各樣的實驗。它還解決了學校在實物硬件上更新?lián)Q代的難處，提高了學生進行自主實踐運用和理論學習的能力。第二，在搭建仿真時，通過顯示電路連接，可以直觀便利地顯示平?，F(xiàn)實環(huán)境看不到的實驗過程和分析結果，增強學生對實驗的深刻理解。第三，對于實驗教學來看，Proteus可以對實驗室漓實際硬件設計難以做到的部分讓學生進行深入虛擬仿真，觀察一些現(xiàn)實無法看到的現(xiàn)象。第四，界面設計直觀化，操作簡單化，使初學者在起步階段能夠更加容易上手。1.2課題的研究背景及意義近現(xiàn)代以來，從法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應到愛迪生對燈泡進行改良，再到如今五花八門的電源設備，人們對電源性能的需求也愈來愈高。因此，逆變電源技術在各個領域當中受到了前所未有的關注，被廣泛應用。在不斷的技術革新中，SPWM的反饋控制出現(xiàn)了重大改變:首先，由原來單一的單環(huán)控制過程變?yōu)榭梢赃\用于復雜系統(tǒng)的多環(huán)控制;其次，對有效值的反饋由恒定值改為了瞬時值，這種改進能夠對所有負載、尤其是在非線性負載下，系統(tǒng)輸出的波形進行有效控制并且使得控制系統(tǒng)的動態(tài)響應速度明顯加快。設計雙環(huán)控制系統(tǒng)時，一般選擇電壓內、外環(huán)同用的方案。這是由于電壓環(huán)能夠對輸出電壓進行跟蹤并使其穩(wěn)定，因此其設計一般選擇PI控制方式。因此，雙環(huán)反饋控制的核心技術之一為電流環(huán)技術。Proteus虛擬仿真平臺可以模擬眾多類型和不同深度的實際操作，使用者在使用時不僅需要編寫目標程序，還需要真正了解硬件連接，對實驗的理解更加透徹。而且Proteus在疫情之下，更是被廣泛的使用。理論與虛擬實踐相結合，對鞏固使用者的相關理論知識非常有效。在一次次的模擬實踐下，使用者可以熟練地搭建控制系統(tǒng)，提高專業(yè)素質，增強其在行業(yè)內的競爭力。1.3SPWMSPWM原理SPWM的信號波是正弦波。形成正弦波波形的方法有很多種，其中主要使用的方法是：1、平均對稱采樣法。此方法最大的缺陷在于輸出的負載側電壓較低，最大時也只能與輸入電壓大小持平，但是由于該方法結合了很多其他方法的優(yōu)點并且能夠形成三項電壓，它是所有方法中被使用最廣泛的方法，尤其在科研領域受重視度很高；2、對稱規(guī)則采樣法。這種方法因為形成的脈沖寬度較小，使得變頻器負載側的電壓大小無法與輸入側的電壓大小相平，只在小眾范圍內適用；3、不對稱規(guī)則采樣法。此方法在一個載波周期內需要采樣兩次正弦波，從而輸出電壓明顯高于第二種方法所產生的輸出電壓，但對于微處理器來言，增加了所需處理數(shù)據(jù)的數(shù)量。在載波頻率較高的情況下，對于微機性能的要求較高。SPWM法是一種相對完善的、當下應用也較為普遍的脈寬調制技術。SPWM法的理論依據(jù)為以采樣控制理論中的沖量等效原理。由于PWM波形在變頻器電路中用于控制開關元件的開/關，脈沖寬度取決于正弦標尺，與正弦波相同，因此輸出脈沖電壓的面積在此間隔內與所需的輸出正弦面積相同。通過調整調制波的頻率，可以控制電路的輸出采樣頻率。SPWM的軟件控制方法通過微型計算機去控制SPWM的方法叫做軟件控制法，是當前普遍適用于大多數(shù)領域的一種方法。根據(jù)它不同的軟件化方式，有以下幾類:1、表格法（又稱ROM法）：此方法是要將SPWM波的相關數(shù)據(jù)提前計算出后才放入只讀存儲器中，然后再根據(jù)調頻指令把這些數(shù)據(jù)依次提取，由輸出口輸出來控制逆變器的開關動作。此方法的劣勢在于不能夠對數(shù)據(jù)進行實時處理并且所消耗的儲存空間較大。2、實時計算法：實時計算法需要用到數(shù)學模型。構建數(shù)學模型的方式很多，最常用的有以下幾種：（1）等效面積法：該方法就是通過面積相等的原則近似出與正弦波形等效的一連串幅值相同但寬度不同的矩形脈沖波形。根據(jù)已知的數(shù)據(jù)和正弦數(shù)值可以分別計算出各個脈沖的寬度。這是實時控制中最簡單的算法。（2）自然采樣法：自然采樣法（NaturalSampling）借鑒了模擬控制的原理，計算正弦調制波與三角載波的交點，進而求出相應的脈寬和脈沖間歇時間，生成SPWM波形。（3）規(guī)則采樣法（RegularSampling）：實踐應用中選取的方案要求運算量小，過程簡單，只要結果差距不多，可以采用近似結果，這就使得出現(xiàn)了五花八門的方法。規(guī)則采樣法就是在三角載波每一周期性的正峰值時刻尋找正弦調制波中的相應點,從中得到電流值,再利用此電流值對三角波進行取樣,并求得這二點。就可以證明它們正是SPWM波形中脈沖時間的正確產生時間,此時間段也正是脈沖寬度時間T2。相較于自然采樣，該方法的運算量較少，但是實時采樣與三角載波的重合處都位于正弦波的相同一邊，從而所得的脈沖寬度將明顯地偏小，進而形成的控制誤會偏大。本方法的本質是通過用矩形波近似取代正弦波來縮減運算量。只要載波比適當，并且不同的矩形波不斷接近正弦波，就可以忽略由此產生的偏差值。常用的逆變器一般都是三相式，因此還應形成三相正弦波形。三相正弦波在時間上彼此相差一百二十度，但是三者來源于同一個三角載波，從而能夠在一個三角載波的時間周期內得到三相正弦波。運用微型計算機形成的SPWM波形正是根據(jù)上述的采樣原理和計算公式實現(xiàn)的。1.4論文主要內容及章節(jié)安排本次研究設計將實現(xiàn)逆變電源的軟件設計仿真實驗，52單片機在實驗中會主要應用，實驗通過單片機的中斷完成電壓頻率的采集，經過SPWM法發(fā)送不同占空比大小的方波逆變?yōu)檎也?，最終通過LCD將主要信息顯示出來方便觀察。本文將通過這幾個方面進行說明：第二章主要講述此次設計的整體方案，并通過方案決定元件選擇。第三章主要對此次設計需要的元件進行簡述，并講述各模塊的詳細信息。第四章主要對各部分的代碼進行介紹，并對各部分的編程思路進行敘述，將畢業(yè)設計的總體流程詳細說明。第五章主要在Proteus的仿真進行驗證，檢驗結果的正確性。第六章主要反思此次畢業(yè)設計的經歷，總結不足之處，闡述心得體會以及對于Proteus虛擬仿真的展望。第二章逆變的方案設計2.1設計方案圖2.1為硬件電路的總體結構圖。本設計的內容是模仿逆變電源的逆變原理，并且要用到SPWM方法。由于要使用正弦波脈寬調制技術，因此選用52單片機作為核心元件。通過編程使得52單片機輸出具有一定規(guī)律的占空比大小不同的方波，再通過整流電路，把波形整理為正弦波。方波方波正弦波AT89C52整流電路正弦波AT89C52整流電路圖2.1硬件電路總體結構圖2.2設計方案的改進在原有方案的基礎上，增加了電壓頻率可調功能，選用另一個AT89C52單片機來接收電壓頻率并改變之，再傳回第一個52單片機使得輸出的電壓改變，形成不同的波形并且通過LCD將當前電壓頻率顯示出來。圖2.2是改進后的硬件電路的總體結構圖：圖2.2改進后的硬件電路結構圖本章介紹了設計方案的整體思路，簡述了本設計的實現(xiàn)方式及其所需選用的部分元器件，接下來就開始詳細介紹所選用的各個元器件的功能及其在本設計中的作用。第三章硬件電路設計3.1系統(tǒng)組成總體介紹本次設計主要研究內容是逆變電源的軟件設計。設計主體由SPWM控制部分、整流電路、顯示部分和電壓頻率控制部分構成。本文中SPWM控制部分與電壓頻率控制部分各需要一個AT89C52單片機，軟件需要編寫正弦波程序和電壓頻率調節(jié)程序。整流電路采用簡單的電路:選用LC濾波電路，濾去高頻雜波，通過電感L和電容C的恰當配合，可以使得輸出電壓相位和輸入電壓相位保持一致，便于控制。硬件電路設計、仿真和軟件編程分別使用Proteus和Keil等軟件。3.2AT89C52單片機3.2.1簡述本文選用的單片機型號為AT89C52。該型號單片機是一款高性能的8位互補金屬氧化物半導體類52單片機，兼顧了51的5種指令功能。AT89C52一共有40個端口，其中32個外部輸入輸出端口，2個電源端口，2個振蕩器輸入輸出口，2個輸出允許端，1個訪問允許端和1個復位端口。3.2.2引腳功能圖3.3AT89C52引腳圖輸入輸出引腳：1~8為P1口；10~17為P3口；21~28為P2口；32~39為P0口。其中P0口為普通的漏極開路型，P1口和P2口都帶有內部上拉電阻，P3口除了當作普通輸入輸出口外，還可以當作控制信號接收閃速存儲器的編程和校驗。供電端口：20引腳VSS接5V電源負極，40引腳VCC接5V電源正極。復位端：9引腳RST通過外接RC電路，當振蕩器動作時，產生2個時間周期的高電平信號實現(xiàn)復位。振蕩器輸出端：18（XTAL2）和19(XTAL1)引腳為振蕩器反相放大器的輸出端，其中XTL1還可以作為內部時鐘發(fā)生器的輸出端。本設計中將這兩個引腳外接12MHz的晶振。地址鎖存允許：30引腳ALE。ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。外部訪問允許端：31引腳（EA非）。要使單片機僅訪問外部程序存儲器，該引腳必須接地（低電平）。程序儲存允許輸出端：29引腳（PSEN非）。當AT89C52由外部程序存儲器讀取數(shù)據(jù)時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。3.3LCD顯示模塊3.3.1概述本次設計所選用的液晶顯示屏為LCD1602，是一種字符型液晶數(shù)據(jù)顯示功能模塊。字符型液晶顯示的原理是：它的顯示單元是由一個個發(fā)光點組成，這和照相機像素的原理相似，需將每一行進行分組，每八個點受一個字節(jié)控制，所以一行需要的字節(jié)數(shù)num=Y/8。該LCD模塊可以用來顯示字母、數(shù)字等，常用規(guī)格有16×1、16×2、20×2三種，而且有模塊化函數(shù)可以直接用于顯示，十分方便。圖3.4LCD1602引腳3.3.2技術參數(shù)本次使用的LCD的具體參數(shù)如下：顯示容量：16×2個字符芯片工作電壓：4.5-5.5V工作電流：2.0mA（5.0V）模塊最佳的工作電壓：5.0V字符尺寸：2.95mm×4.35mm（寬×高）3.3.3引腳功能LCD1602中有14個引腳（不需要背光），它的1-3引腳為電源端口，4-6引腳為工作控制端口，最后的7-14引腳為數(shù)據(jù)端口。3.4系統(tǒng)硬件連接圖3.5硬件連接圖如圖3.5所示，所用到的硬件經過端口的功能進行搭建，將各個部分電路連接成為一個閉環(huán)電路。以AT89C52（U1）為核心，P0.0-P0.7接LCD的八位數(shù)據(jù)端用來輸入數(shù)據(jù)，顯示電壓頻率；P2.5-P2.7是LCD的控制端。至此硬件連接完畢，下章開始介紹本次設計的程序。第四章軟件設計4.1程序設計總體思路本次設計需要的編程有LCD1602數(shù)據(jù)接受并顯示，AT89C52(U2)監(jiān)測來自U1的電壓頻率并適時按需要發(fā)送所改變的電壓頻率，生成方波等。圖4.1程序總體流程圖4.2系統(tǒng)程序開發(fā)軟件此次設計以AT89C52為核心，在眾多軟件中KeilμVision5與其最為契合。它支持許多種內核的編程，可以將程序燒錄到實際設備中，也可以將其轉為Hex文件用于仿真，所以Proteus和Keil5有非常好的聯(lián)動功能[10-11]。因為模擬是在Proteus上進行的，所以要將配置里的HEX文件生成并且呈打開狀態(tài)，最后可以在Output文件夾里面找到這個文件。在建立工程文件后就開始編寫User里面自己要用到的程序。4.3電壓頻率的改變程序總共設置了5Hz、10Hz、20Hz三種電壓頻率，默認的電壓頻率為5Hz。每按動一次key1按鍵，電壓頻率按照5、10、20依次變化。當頻率為20Hz時再次按下key1鍵后，頻率變換回5Hz。4.4LCD1602部分這次設計需要使用一個LCD1602顯示當前的電壓頻率。LCD1602可以顯示16×2的字符，想要通過D0~D7八個數(shù)據(jù)口在顯示屏某一個位置具體顯示出來字符，就需要通過命令控制指令和數(shù)據(jù)顯示指令來具體實現(xiàn)字符的顯示。本實驗中LCD1602的RW、RS、E分別由P2.5、P2.6、P2.7三個串口去控制，7-14引腳與AT89C52（U1）的P0.0-P0.7端口相連作為電壓頻率信號的傳輸端口。在LCD的編程部分，首先，命令控制指令函數(shù)，它決定了符在LCD1602顯示屏上的具體位置。顯示屏總共有兩行，第一行的起始地址為80H，有十六個位置用來顯示字符；第二行的起始地址為C0H，同樣有十六個位置用來顯示字符，在具體決定字符的顯示位置時，可以通過調用編寫好的LcdWriteCom（）函數(shù)，在括號里面填寫該字符所要具體顯示的地址。其次，在確定了字符位置后。數(shù)據(jù)顯示指令可以在自己的位置上顯示特定的字符，同樣命令控制指令也可以在指定的位置顯出某一字符。但是，這兩個指令在一起只能顯示出單個字符，本次實驗需要顯示一組數(shù)據(jù)，為了簡化主程序，在這兩個命令基礎上添加了LCD_Write_String指令，這個指令可以顯示出一組數(shù)據(jù)，簡化了整體的編程思路。除了上面幾個重要的操作指令，我還需要對LCD1602進行初始化編程，需要完成開顯示、清屏和設置數(shù)據(jù)指針等操作。詳細程序如4.2所示：結束是否取字符代碼顯示第二行循環(huán)完？調取字庫設置地址，在第一行顯示設置顯示數(shù)據(jù)首地址循環(huán)量設置結束是否取字符代碼顯示第二行循環(huán)完？調取字庫設置地址，在第一行顯示設置顯示數(shù)據(jù)首地址循環(huán)量設置 圖4.2LCD顯示流程圖4.5定時器程序定時器是52單片機中很常用的一個功能，它是單片機自帶的，因此不需要外接電路。AT89C52單片機中一般有T0、T1、T2定時器。定時器最重要的是如何設置定時時間，設置定時時間之前需要先設置定時器的時鐘。實驗使用定時器時鐘設為8MHz，所以定時器的頻率可由公式算出：F=T/（P+1），則其計一個數(shù)的時間就是1/（T/（P+1）），此時需設置一個變量A，這個變量的值設為需要定時的數(shù)，定時時間即為1/（T/（P+1））*A。如果這里的最大定時間時間不夠，則可以再添加一個變量TIME，用來記錄中斷次數(shù)，當?shù)皆O定的次數(shù)時，執(zhí)行中斷函數(shù)。定時器的初始化也是與其功能框圖相一致。在分頻里面可以設置其數(shù)值，它可設置為0到65535中任何一個數(shù)值實現(xiàn)分頻；在模式里面可以設置一個定時器計數(shù)工作方式，因為使用了基本定時器，所以只計數(shù)，不需要初始化；最后需要設置的是一個算好的數(shù)值，這里設定的值就是定時器通過計算要定時的值。以10ms的定時器為例，100ms定時器子程序入口100ms定時器子程序入口是清除中斷標志，F(xiàn)LAG=1否檢查定時器標志位是否為1否檢查定時器標志位是否為1電壓頻率=外部中斷函數(shù)計數(shù)值,將外部中斷計數(shù)值清零電壓頻率=外部中斷函數(shù)計數(shù)值,將外部中斷計數(shù)值清零結束結束圖4.310ms定時器邏輯流程圖4.6中斷設置在配置外部中斷時，需要設置外部中斷信號源的端口、觸發(fā)方式和中斷模式，最后要打開中斷使能。在使用中斷或定時器時，若同時發(fā)生中斷時，哪一個先響應哪一個后響應會是一個問題，因此選用多個定時器或中斷時切記要配置中斷優(yōu)先級。外部中斷子程序入口外部中斷子程序入口是檢查端口的狀態(tài)清除中斷標志，計數(shù)值count+1否端口否端口狀態(tài)為1？結束結束圖4.4邏輯流程圖成果展示逆變電源的軟件設計的最終結果如下所示：按下key1按鍵可以改變電壓的頻率，觀察5Hz、10Hz、20Hz三種頻率下波形的情況。開始驗證結果：仿真開始，LCD顯示初始頻率為5Hz,數(shù)字示波器的畫面中顯示出方波按照SPWM法逆變出的正弦波，通過扭動水平時基的旋鈕調整出合適的圖像。詳情如圖5.1和5.2所示：圖5.1開啟仿真畫面圖5.2初始波形按動key1按鈕一次后，LCD顯示電壓頻率變?yōu)?0Hz，此頻率下波形的逆變情況如圖5.3和5.4所示：圖5.310Hz時的電路圖圖5.410Hz下的波形再次按動key1按鍵后，LCD上顯示的頻率變?yōu)?0Hz，仿真畫面如圖5.5和圖5.6所示：圖5.520Hz時的電路圖圖5.620Hz下的波形經過上面的測試，通過SPWM法發(fā)送不同占空比大小的方波進行逆變，并且通過改變頻率觀察輸出電壓的變化，所以這次虛擬仿真設計成功完成?？偨Y和展望6.1總結這次畢業(yè)設計的目標是理解和掌握正弦脈寬調制（SPWM）技術并以此為核心進行逆變電源的軟件仿真。畢業(yè)設計以電壓逆變?yōu)槔?，通過Proteus虛擬仿真平臺和Keil5來實現(xiàn)軟件仿真。本文先介紹所用到的各個模塊，接著介紹每個模塊引腳的作用，最后將各個模塊搭建起來，為之后的編程做好準備。然后開始闡述軟件編程部分的內容，先將編程的大體思路進行說明，然后由總到分的順序介紹每個模塊的函數(shù)邏輯功能。在第五章，對虛擬仿真平臺進行測試，驗證實驗成功。這次設計進一步說明Proteus虛擬仿真實驗的諸多好處，并且深入了我對52單片機、Proteus以及Keil5編程方法的學習。經過本次畢業(yè)設計從起初毫無思路，到后來通過學習知網上的材料逐漸理清頭緒；從元件選型到軟件編程；從對Proteus的淺顯理解到可以熟練尋找模塊部件并且模塊化編程，從對正弦脈寬調制技術由淺入深的理解，每一步驟都要靜下心才能做出成果?；ヂ?lián)網有非常多的資源可以供我們學習，但這種學習需要我們積極自主，才能收獲碩果。我深刻明白：如果什么都不做，明日復明日，困難永遠得不到解決。不管有多難，邁出第一步最為關鍵，這樣才可以趕緊跟上第二步、第三步……其實仿真并不難，只要認真學習，多找資料，把有用的東西整合起來，積少成多，就可以做出成果。。這次畢業(yè)設計教會我在做一件事情時，首先一定要有一個提綱、思路，而且要有很大的可行性，否則在第一步就出錯，只會在錯誤的道路上越走越遠，浪費大量時間。做畢業(yè)設計時投入的精力讓我體會到