單相AC-DC 變換電路 2013年全國大學生電子設(shè)計競賽

ID:142955 · 發(fā)表于 2016-10-16 23:36

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2013年全國大學生電子設(shè)計競賽

單相AC-DC 變換電路（A題）

【本科組】

2013年9月7日

摘要：本設(shè)計利用PFC控制系統(tǒng)和51單片機控制系統(tǒng)，通過對電路系統(tǒng)實施監(jiān)控和調(diào)整，來達到對電路性能的提升，以保證電路輸出滿足題目要求，負載電壓誤差不超過±0.1V,負載調(diào)整率和電壓調(diào)整率均不超過0.5%，功率因數(shù)在95%以上。并且能夠使電路在出現(xiàn)過流時能系統(tǒng)斷電，實現(xiàn)保護，保證整個電路系統(tǒng)安全、高效的運行。

關(guān)鍵詞：PFC控制，單片機控制，自行校正

1.設(shè)計任務(wù).... 5

2.設(shè)計要求.... 5

2.1基本要求... 5

2.2發(fā)揮部分... 5

3.設(shè)計方案評定與選擇.... 6

方案一：... 6

方案二：... 6

方案三：... 6

4.單元模塊設(shè)計.... 7

4.1 AC/DC電源模塊... 7

4.2 Boost升壓模塊... 7

4.2.1Boost升壓結(jié)構(gòu)特性分析... 7

4.2.2 樣機電路設(shè)計... 9

4.2.3儲能電感L. 10

4.2.4 輸出電壓取樣電阻R1、R2. 11

4.2.5 開關(guān)S. 11

4.2.6 輸出二極管D和輸出電容器C2. 11

4.2.7 外補償網(wǎng)絡(luò)... 11

4.2.8 斜坡補償... 12

4.3 功率因數(shù)校正模塊... 14

4.4 功率因數(shù)測量模塊... 14

4.5 電路保護模塊... 15

4.6 89C54單片機控制模塊... 15

4.7 LCD液晶顯示模塊... 15

4.7.1液晶顯示原理... 15

4.7.2引腳功能說明... 16

4.7.3 1602液晶模塊的指令（說明：1為高電平、0為低電平）... 16

4.8 直流電源供電模塊... 17

5.程序設(shè)計.... 17

6.系統(tǒng)調(diào)試與分析.... 18

6.1測試儀器：... 18

6.2 硬件調(diào)試... 18

6.3 軟件調(diào)試... 18

6.4 軟硬聯(lián)調(diào)... 19

6.5結(jié)果分析（系統(tǒng)對題目完成情況）... 19

7．結(jié)束語.... 19

參考文獻：.... 19

附錄一：控制電路.... 20

附錄二：源程序.... 20

單相AC-DC 變換電路（A題）

【本科組】

1.設(shè)計任務(wù)

設(shè)計并制作如圖1 所示的單相AC-DC變換電路。輸出直流電壓穩(wěn)定在36V，輸出電流額定值為2A。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg

圖1 單相AC-DC 變換電路原理框圖

2.設(shè)計要求2.1.基本要求

（1）在輸入交流電壓Us=24V、輸出直流電流Io=2A 條件下，使輸出直流電壓Uo=36V±0.1V。

（2）當Us=24V，Io在0.2A～2.0A 范圍內(nèi)變化時，負載調(diào)整率SI ≤ 0.5%。

（3）當Io=2A，Us在20V～30V 范圍內(nèi)變化時，電壓調(diào)整率SU ≤ 0.5%。

（4）設(shè)計并制作功率因數(shù)測量電路，實現(xiàn)AC-DC 變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測量，測量誤差絕對值不大于0.03。

（5）具有輸出過流保護功能，動作電流為2.5A±0.2A。

2.2.發(fā)揮部分

（1）實現(xiàn)功率因數(shù)校正，在Us=24V，Io=2A，Uo=36V 條件下，使AC-DC 變換電路交流輸入側(cè)功率因數(shù)不低于0.98。

（2）在Us=24V，Io=2A，Uo=36V條件下，使AC-DC 變換電路效率不低于95%。

（3）能夠根據(jù)設(shè)定自動調(diào)整功率因數(shù)，功率因數(shù)調(diào)整范圍不小于0.80~1.00，穩(wěn)態(tài)誤差絕對值不大于0.03

3.設(shè)計方案評定與選擇

89C52單片機控制模塊、LCD液晶顯示模塊、按鍵控制模塊、直流電源供電模塊組成。在本設(shè)計中，核心采用PFC校正技術(shù)，因此重點對PFC控制方案的選取進行論證。

方案一：使用PWM斬波后利用高頻變壓器隔離升壓的方案。該方案電路原理簡單，所需元器件少，方便焊接。但由于高頻變壓器的加工設(shè)計等問題，改進難度大，使用受到限制，而且其電壓需要高頻整流濾波，電壓毛刺較大，精度低，所以不用該方案。

方案二：選用TI公司的UC3854。UC3854封裝引腳多，從而導(dǎo)致應(yīng)用電路復(fù)雜，線路之間的干擾較大，因此產(chǎn)品的噪聲較大。對焊接工藝要求較高，而且調(diào)試電路的難度較大。UC3854 組成的PFC 電路還需要調(diào)節(jié)電壓放大器電流、放大器和乘法器。

方案三：采用帶PFC的Boost型DC—DC升壓器。該電路有專用的控制芯片，容易實現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡單，同時采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，功耗低，輸出電壓范圍寬。輸出電壓波形中毛刺也比方案一要小。選用TI公司的UCC28019。UCC28019交流輸入市電電流總諧波畸變率低，功率校正因數(shù)高，抗干擾能力強，封裝引腳較少，PFC控制部分電路相對簡單。只需調(diào)節(jié)一個放大器的補償網(wǎng)絡(luò)即可, 高壓起動源直接接在高壓輸入端，光耦直接接到IC 的端子，不再處理放大器的補償，前沿消隱做在IC 內(nèi)部，IC 外部只有電流取樣。這樣的做法使設(shè)計的步驟減少了。

綜合比較，選擇方案三。

方案流程圖如圖2所示

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif

圖2 方案流程圖

4.單元模塊設(shè)計4.1 AC/DC電源模塊

自耦變壓器是輸出和輸入共用一組線圈的特殊變壓器。通過改變初、次級的線圈匝數(shù)比的關(guān)系來改變初、次級線圈端電壓，實現(xiàn)電壓的變換。由于初級和次級線圈直接相連，致使會有跨級漏電的危險。

隔離變壓器是一種1/1的變壓器，它的輸出端跟輸入端是完全“斷路”隔離的，這樣就有效的對變壓器的輸入端起到了一個良好的過濾作用，從而給用電設(shè)備提供了純凈的電源電壓。加之它的次級不與大地相連，任意兩線與大地之間沒有電位差，人接觸任意一條線都不會發(fā)生觸電，這樣就比較安全。

由于MOSFET管工作時頻繁的開關(guān)，因此對電路的干擾較大，在整流電路前加入EMI濾波電路，從而達到降低噪聲的作用。設(shè)計中還加入了壓敏電阻VAR1,當電路中回路電流過大時，壓敏電阻VAR1閉合保險絲F1熔斷從而達到保護電路的目的。當輸入為220V交流電壓時，首先經(jīng)過隔離變壓器降至18V左右交流電壓。再經(jīng)過保護和濾波后輸出端接入整流橋，整流部分選用了全波橋式整流電路，輸出為直流電壓。在選擇二極管時，其額定正向電流必須大于流過它的平均電流ID，其反向擊穿電壓必須大于它兩端承受的最大反向電壓VRM 。由此確定整流二極管的參數(shù)。

利用上述特點，按自耦變壓器、隔離變壓器和橋式整流器的順序?qū)⑷哌B接起來，就夠成了一個可調(diào)、濾波、安全的AC/DC降壓模塊，如圖3所示。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg

圖3 AC/DC降壓模塊

4.2 Boost升壓模塊

4.2.1Boost升壓結(jié)構(gòu)特性分析

Boost升壓電路，可以工作在電流斷續(xù)工作模式(DCM)和電流連續(xù)工作模式(CCM)。CCM工作模式適合大功率輸出電路，考慮到負載達到10％以上時，電感電流需保持連續(xù)狀態(tài)，因此，按CCM工作模式來進行特性分析。Boost拓撲結(jié)構(gòu)升壓電路基本波形如圖3所示

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg

圖4 Boost升壓電路基本波形

ton時，開關(guān)管S為導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D處于截止狀態(tài)，流經(jīng)電感L和開關(guān)管的電流逐漸增大，電感L兩端的電壓為Vi，考慮到開關(guān)管S漏極對公共端的導(dǎo)通壓降Vs，即為Vi-Vs。ton時通過L的電流增加部分△ILon滿足式(1)。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.giffile:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif (1)

式中：Vs為開關(guān)管導(dǎo)通時的壓降和電流取樣電阻Rs上的壓降之和，約0.6~0.9V。
toff時，開關(guān)管S截止，二極管D處于導(dǎo)通狀態(tài)，儲存在電感L中的能量提供給輸出，流經(jīng)電感L和二極管D的電流處于減少狀態(tài)，設(shè)二極管D的正向電壓為Vf，toff時，電感L兩端的電壓為Vo+Vf-Vi，電流的減少部分△ILoff滿足式(2)。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif(2)
式中：Vf為整流二極管正向壓降，快恢復(fù)二極管約0.8V，肖特基二極管約0.5V。
在電路穩(wěn)定狀態(tài)下，即從電流連續(xù)后到最大輸出時，△ILon=△ILoFf，由式(1)和(2)可得

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif (3)

因占空比file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif，即最大占空比file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.gif

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.gif (4)

如果忽略電感損耗，電感輸入功率等于輸出功率，即

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.gif (5)

由式(4)和式(5)得電感器平均電流

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.gif (6)

同時由式(1)得電感器電流紋波

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.gif (7)

式中：f為開關(guān)頻率。為保證電流連續(xù)，電感電流應(yīng)滿足

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.gif (8)

考慮到式(6)、式(7)和式(8)，可得到滿足電流連續(xù)情況下的電感值為

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image034.gif (9)
另外，由Boost升壓電路結(jié)構(gòu)可知，開關(guān)管電流峰值Is(max)=二極管電流峰值Id(max)=電感器電流峰值ILP，

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.gif (10)

開關(guān)管耐壓 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.gif (11)

二極管反向耐壓file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image040.gif (12)

4.2.2 樣機電路設(shè)計

樣機的電路圖如圖2所示，是基于UCC28019控制的升壓式DC／DC變換器。電路的技術(shù)指標為：輸入Vi=18V，輸出Vo=30V、Io=2A，頻率f≈49 kHz，輸出紋波噪聲1％。根據(jù)技術(shù)指標要求，結(jié)合Boost電路結(jié)構(gòu)的定性分析，對圖5的樣機電路設(shè)計與關(guān)鍵參數(shù)的選擇進行具體的說明。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image042.jpg

圖5 Boost升壓模塊

4.2.3儲能電感L
根據(jù)輸入電壓和輸出電壓確定最大占空比。由式(4)得

DMAX≈file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image044.gif＝file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image046.gif=0.4當輸出最大負載時至少應(yīng)滿足電路工作在CCM模式下，即必須滿足式(9)，

L≥file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image048.gif=file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image050.gif=220μH同時考慮在10％額定負載以上電流連續(xù)的情況，實際設(shè)計時可以假設(shè)電路在額定輸出時，電感紋波電流為平均電流的20％~30％，因增加△IL可以減小電感L，但為不增加輸出紋波電壓而須增大輸出電容C2，取30％為平衡點，即

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image052.gif

流過電感L的峰值電流由式（10）得

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image054.gif
L可選用電感量為200~500μH且通過4.5A以上電流不會飽和的電感器。電感的設(shè)計包括磁芯材料、尺寸選擇及繞組匝數(shù)計算、線徑選用等。電路工作時重要的是避免電感飽和、溫升過高。磁芯和線徑的選擇對電感性能和溫升影響很大，材質(zhì)好的磁芯如環(huán)形鐵粉磁芯，承受峰值電流能力較強，EMI低。而選用線徑大的導(dǎo)線繞制電感，能有效降低電感的溫升。

4.2.4 輸出電壓取樣電阻R1、R2

因UCC28019的腳2為誤差放大器反向輸入端，芯片內(nèi)正向輸入端為基準2.5v，可知輸出電壓Vo=2.5(1+R1／R2)，根據(jù)輸出電壓可確定取樣電阻R1、R2的取值。由于儲能電感的作用，在開關(guān)管開啟和關(guān)閉時會形成大的尖峰電流，在檢測電阻Rs上產(chǎn)生一個尖峰脈沖，為防止造成UC3842的誤動作，在Rs取樣點到UC3842的腳3間加入R、C濾波電路，R、C時間常數(shù)約等于電流尖峰的持續(xù)時間。
4.2.5 開關(guān)管S
開關(guān)管的電流峰值由式(10)得
Iv(max)=ILP=4.17A
開關(guān)管的耐壓由式(11)得
Vds(off)=Vo+Vf=30+0.8=30.8V
按20％的余量，可選用6A／50V以上的開關(guān)管。為使溫升較低，應(yīng)選用Rds較小的MOS開關(guān)管，要考慮的是通態(tài)電阻Rds會隨PN結(jié)溫度T1的升高而增大。
下圖為實測開關(guān)管的開關(guān)電壓波形和電流瞬態(tài)波形圖如圖6所示。

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圖6 實測開關(guān)管的開關(guān)電壓波形和電流瞬態(tài)波形圖

4.2.6 輸出二極管D和輸出電容器C2

升壓電路中輸出二極管D必須承受和輸出電壓值相等的反向電壓，并傳導(dǎo)負載所需的最大電流。二極管的峰值電流Id(max)=ILP=5.11A，本電路可選用6A／50V以上的快恢復(fù)二極管，若采用正向壓降低的肖特基二極管，整個電路的效率將得到提高。輸出電容C2的選定取決于對輸出紋波電壓的要求，紋波電壓與電容的等效串聯(lián)電阻ESR有關(guān)，電容器的容許紋波電流要大于電路中的紋波電流。電容的ESR<△Vo/△IL=30x1％/1.33=0.22Ω。另外，為滿足輸出紋波電壓相對值的要求，濾波電容量應(yīng)滿足

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image058.gif1157μF

根據(jù)計算出的ESR值和容量值選擇電容器，由于低溫時ESR值增大，故應(yīng)按低溫下的ESR來選擇電容，因此，選用1000μF／50V以上頻率特性好的電解電容可滿足要求。
4.2.7 外補償網(wǎng)絡(luò)
UCC28019誤差放大器的輸出端腳l與反相輸入端腳2之間外接補償網(wǎng)絡(luò)Rf、Cf。 Rf、Cf的取值取決于UCC28019環(huán)路電壓增益、額定輸出電流和輸出電容，通過改變Rf、Cf的值可改變放大器閉環(huán)增益和頻響。為使環(huán)路得到最佳補償，可測試環(huán)路的穩(wěn)定度，測量Io脈動時輸出電壓Vo的瞬態(tài)響應(yīng)來加以判斷。
圖7為Cf選用0.0lμF和470pF時動態(tài)響應(yīng)控制波形的區(qū)別，上沖下降幅度和復(fù)位時間都有差別。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image060.jpg

圖7 Cf選用0.0lμF和470pF時動態(tài)響應(yīng)控制波形

4.2.8 斜坡補償

在實用電路中，增加斜坡補償網(wǎng)絡(luò)，一般有二種方法，一是從斜坡端腳4接補償網(wǎng)絡(luò)Rx、Cx至誤差放大器反相輸入端腳2，使誤差放大器輸出為斜坡狀，再與Rs上感應(yīng)的電壓比較。二是從斜坡端腳4接補償網(wǎng)絡(luò)Rx、Cx到電流感應(yīng)端腳3，將在Rs的感應(yīng)電壓上增加斜坡的斜率，再與平滑的誤差電壓進行比較，作用是防止諧波振蕩現(xiàn)象，避免UC3842工作不穩(wěn)定，同時改善電流型控制開關(guān)電壓的噪聲特性。本文采用方法二。
4.3 功率因數(shù)校正模塊

該系統(tǒng)（如圖7所示）采用有源功率因數(shù)校正，可改善電源輸入功率因數(shù)，減小輸入電流諧波。其主要實現(xiàn)方式有2 種：(1)兩級PFC技術(shù)，即在整流濾波和DC／DC功率級之間加入有源PFC電路為前置級，用于提高功率因數(shù)和實現(xiàn)DC／DC級輸入的預(yù)穩(wěn)，該技術(shù)一般用于較大功率輸出場合；(2)單級PFC技術(shù)，即將PFC級與DC／DC級中的元件共用，實現(xiàn)統(tǒng)一控制，通常共用器件為MOSFET。該方式設(shè)計與優(yōu)化尤為重要，適用于小功率應(yīng)用。

有源功率因數(shù)校正的控制方式又可根據(jù)電感電流是否連續(xù)分為平均電流型控制、CCM／DCM邊界控制和電流箝位控制模式。其中CCM／DCM邊界控制 Boost PFC是一種滯后控制技術(shù)，其上限為正弦基準電流，由輸出檢測信號經(jīng)誤差放大后與輸入全波電壓檢測信號相乘得到，下限為零。具體工作過程為：檢測電感電流并與正弦電流基準信號相比較，當電感電流達到該基準時，關(guān)斷開關(guān)：當電感電流為零則再次導(dǎo)通，使電感電流為臨界電流工作狀態(tài)。即CCM／DCM邊界，可消除二極管的反向恢復(fù)損耗，大大減小主開關(guān)的非零電壓導(dǎo)通損耗。該技術(shù)優(yōu)點是控制簡單，使用專用器件的外圍元件數(shù)量少。運用Boost電路的PFC，在 CCM模式下輸入電流畸變小且易于濾波，開關(guān)管的電流應(yīng)力也小，可以處理較大的功率并保持較高的效率。

這里選用CCM模式PFC控制器UCC28019實現(xiàn)最終的功率因數(shù)校正。該器件采用軟啟動機制，動態(tài)響應(yīng)良好，結(jié)合外圍電路可實現(xiàn)輸入欠壓保護，開環(huán)保護，輸出過壓保護，軟過流控制(SOC)和峰值電流限制等功能。系統(tǒng)輸出電壓由該器件VSENSE引腳所接分壓電阻與其內(nèi)部+5 V的基準決定。由公式 file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image062.gif可得，通過調(diào)節(jié)分壓電阻的比率實現(xiàn)輸出電壓的數(shù)字可調(diào)。

PFC控制部分的電路設(shè)計見附錄1，芯片管腳3電流信號的采集通常采用串聯(lián)一個電阻，這種方案電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，開關(guān)電流通過MOSFET開關(guān)源串連的分路電阻轉(zhuǎn)換為一個電壓。該分壓電阻從源極（地）連接到輸入整流器返回引腳3。這種檢測電流的方法會產(chǎn)生一個負電壓，這對于IC而言并不理想，但方案容易實現(xiàn)，所以本方案采用串聯(lián)一個電阻。

經(jīng)計算file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image064.gif ，本方案用0.05file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image066.gif。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image068.gif

圖7 功率因數(shù)校正框架

4.4 功率因數(shù)測量模塊

變壓器副邊處通過電流互感器和電壓互感器取樣交流信號，然后經(jīng)雙路比較器LM393整形后利用等精度法測量相位差，得到系統(tǒng)功率因數(shù)。LM393的整形電路如圖8所示。

根據(jù)公式file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image070.gif進行編程，即可算出功率因數(shù)。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image072.jpg

圖8 功率因數(shù)測量模塊

4.5 電路保護模塊

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image074.gif

圖9 繼電器驅(qū)動電路圖

繼電器驅(qū)動接口電路如圖9所示，如果輸入信號為低電平，三極管的基極就會被拉低而產(chǎn)生足夠的基極電流，使三極管導(dǎo)通，繼電器就會得電吸合，從而斷電保護。繼電器的輸出端并聯(lián)100Ω的電阻和6800pF的電容，目的是避免繼電器吸合與釋放期間產(chǎn)生火花。每個繼電器都有一對常開常閉的觸點，便于在其他電路中使用，繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管是起到吸收反向電動勢的功能，保護相應(yīng)的驅(qū)動三極管，這種繼電器驅(qū)動方式硬件結(jié)構(gòu)比較簡單。

4.6 89C54單片機控制模塊

該系統(tǒng)采用AT89C52為控制和運算核心，通過等精度測相法測量出系統(tǒng)的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正則以UCC28019為核心，利用硬件電路形成閉環(huán)反饋電路，實時監(jiān)測輸出電壓、電流。單片機提供過流保護來控制繼電器以及采樣和顯示電壓電流。通過單片機實時采樣輸出電流。當電流過大時單片機控制繼電器模塊使其斷開，系統(tǒng)斷電；當故障排除后測得電流值小于預(yù)定值時單片機再次發(fā)出指令使繼電器閉合，電路重新開始正常工作。

4.7 LCD液晶顯示模塊 4.7.1液晶顯示原理

液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。

4.7.2引腳功能說明

編號	符號	引腳說明	編號	符號	引腳說明
1	VSS	電源地	9	D2	數(shù)據(jù)
2	VDD	電源正極	10	D3	數(shù)據(jù)
3	VL	液晶顯示偏壓	11	D4	數(shù)據(jù)
4	RS	數(shù)據(jù)/命令選擇	12	D5	數(shù)據(jù)
5	R/W	讀/寫選擇	13	D6	數(shù)據(jù)
6	E	使能信號	14	D7	數(shù)據(jù)
7	D0	數(shù)據(jù)	15	BLA	背光源正極
8	D1	數(shù)據(jù)	16	BLK	背光源負極

4.7.3 1602液晶模塊的指令（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H,光標復(fù)位到地址00H位置。

指令2：光標復(fù)位，光標返回到地址00H。

指令3：光標和顯示模式設(shè)置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。

指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標的開與關(guān)，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。

指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時

為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

指令8：DDRAM地址設(shè)置。

指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

設(shè)計測量輸出電壓、電流電路圖如圖5所示，該電路采用霍耳傳感器采集電流信號，提高了采集信號的精度，減小了測量誤差。單片機內(nèi)部具有D/A轉(zhuǎn)換功能，通過編程即可將輸出電壓、電流顯示在LCD上。

4.8 直流電源供電模塊

電源按功能分為主電源模塊和輔助電源模塊兩類。主電源由變壓部分、濾波部分和穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供高電壓或者大電流，確保電路的正常穩(wěn)定的工作。這部分電路由自耦變壓器、隔離變壓器和整流橋組成。輔助電源是控制電路、驅(qū)動電路的電源。其作用是給控制電路、驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的低壓穩(wěn)壓電源。要求能輸出12V、5V的穩(wěn)壓直流電。

5.程序設(shè)計

程序功能設(shè)計，該設(shè)計采用相位差測量法，即分別對變壓器副邊檢測的電壓、電流信號先經(jīng)比較器整形，然后通過計算得到電壓電流的相位差，再進行余弦運算，即可得到系統(tǒng)的功率因數(shù)。負載端輸出電壓、電流經(jīng)采樣得到系統(tǒng)視在功率。根據(jù)P=S×COSQ=S2-P2(Q表示無功功率)計算電源的有功功率、無功功率等參數(shù)。具體算法見圖10。該方法易于操作，而且通過等精度法測相，可達到很高精度，從而能很好滿足系統(tǒng)要求（程序見附錄）。

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image076.gif

圖10 程序算法

6.系統(tǒng)調(diào)試與分析6.1測試儀器：

(1)數(shù)字萬用表

(2)雙蹤示波器GOS—6051(50MHz)

(3)失真度測試儀

6.2 硬件調(diào)試

整個主電路比較復(fù)雜，有三部分：AC\DC電路，boost電路及控制電路，當電路焊接好后，首先要做的就是檢查電路的連接狀況，看是否有短路的地方或者是接錯了的地方，然后測量輸入電壓是不是在預(yù)定的范圍內(nèi)，通常是沒有什么問題的，因為前級的電路就是一個整流橋加一個電感濾波輸出通常是輸入的0.9-1.2倍，具體值與電容值有關(guān)。輸出只會有兩種情況，一是有輸出但輸出的電壓不是設(shè)定值，這種情況很好解決就是改變電壓反饋電阻的值，如果怎么改都沒有效果則電路元件的參數(shù)沒有選好，需要好好的將電路的參數(shù)重新計算一遍，二是沒有輸出，導(dǎo)致這個結(jié)果的可能有很多的情況，需要認真讀控制器的數(shù)據(jù)手冊查看芯片，然后根據(jù)電路的狀態(tài)確定控制器的工作情況，這是最麻煩的事情了。而且問題比較難找到！很幸運我們沒有碰到這個問題，雖然電路的輸出與設(shè)定值有一定的差距但改變反饋電阻后可以達到設(shè)定值。

6.3 軟件調(diào)試

與硬件相比，軟件的調(diào)試麻煩的多了，對輸出電壓采樣顯示來說，為了達到一定的準確度好多的參數(shù)需要校準，將采樣值轉(zhuǎn)換為實際的電壓值時，其結(jié)果與ADC的參考電壓與硬件電路的放大比率值有直接關(guān)系，雖然參考電壓的值在數(shù)據(jù)手冊已經(jīng)給定了但實際的參考電壓與數(shù)據(jù)手冊上有一定的差距，信號調(diào)理電路的放大比例也可以通過計算得到但元件的容差會使其不準確，而且這兩個量是獨立的沒有聯(lián)系，所以要在兩者之間權(quán)衡，根據(jù)多次的調(diào)試校準，獲得相對準確的值，具體的值在附件程序里見。調(diào)試功率因數(shù)檢測時首先觀察程序能不能進入外部中斷服務(wù)程序，其實只要硬件做好了，這一點問題也沒有，實際上也是這樣的，程序能夠進入中斷服務(wù)程序，然而在顯示器上卻看不到結(jié)果，顯示的只有亂碼，后來在線仿真可以看到在數(shù)據(jù)緩存時出了錯，在C54中sfr16 是定義一個寄存器變量，但必須是連續(xù)的兩字節(jié)才能這樣，然而定時器0的高低字節(jié)不是連續(xù)的所以把高字節(jié)的值沒有緩存，修改后就好了但顯示的數(shù)據(jù)一直在跳動，后來才知道計數(shù)值緩存后沒有清零，修改后就好了

6.4 軟硬聯(lián)調(diào)

控制系統(tǒng)先加載程序，然后開始輸入電壓。改變輸入條件，檢測并記錄各類參數(shù)值，分析參數(shù)值的變化情況，判斷系統(tǒng)的運行情況，改進電路以提高電路效率和性能。

6.5結(jié)果分析（系統(tǒng)對題目完成情況）

①在輸入交流電壓file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image078.gif=24、輸出直流電流file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image080.gif=2A條件下，我們的設(shè)計作品能穩(wěn)定輸出，但離指標還有一定的距離。

②當file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image078.gif=24、file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image080.gif在0.2A~2.0A范圍變化時，負載調(diào)整率file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image082.gif。

③當file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image080.gif=2A、file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image078.gif在20V~30V范圍變化時，電壓調(diào)整率file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image082.gif。

④通過計算可得，電路的功率因數(shù)計算值和測量值相似，在誤差范圍內(nèi)，

⑤當電路出現(xiàn)過流現(xiàn)象時，系統(tǒng)斷電，實現(xiàn)了過流保護功能。

⑥在人為改變電路，導(dǎo)致功率因數(shù)下降時，系統(tǒng)會自動校正功率因數(shù)，來提高功率因數(shù)值，但未達到題目的要求。

⑦在file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image084.gif=24V,file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image080.gif=2A條件下，file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image078.gif值穩(wěn)定，但與指標有一定差距。

⑧本設(shè)計可以自動校正功率因數(shù)，穩(wěn)態(tài)誤差絕對值與測量值接近，但未能達到0.89~1.00這樣的水平。

⑨本設(shè)計的特點之處在于，可以實時顯示輸出電壓、輸出電流和功率因數(shù)，且誤差率極小。

7．結(jié)束語

通過此次競賽，加深了同學間的友誼，培養(yǎng)了學生間的合作能力，提高了學生的動手能力、創(chuàng)新能力和思考能力，使得我們受益匪淺。

參考文獻：

[1] 毛興武等. 功率因數(shù)校正原理與控制IC及其應(yīng)用設(shè)計－北京：中國電力出版社，2007

[2] 王兆安等. 電力電子技術(shù)－北京：機械工業(yè)出版社，2000

[3] 張乃國. 電子電源技術(shù)與應(yīng)用－北京：機械工業(yè)出版社，2007.4　

[4] 劉勝利. 現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001

[5] 劉生建. 兩種功率因數(shù)校區(qū)（PFC）—龍巖市：控制方法分析與比較龍巖學院報，2007

附錄一：控制電路

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image088.jpg

附錄二：源程序

#include <reg52.h>

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

float num;

uchar xx=0;

ucharmsg1[]="0123456789";

ucharmsg2[]="00.000";

ucharmsg3[]="0.0000";

ucharmsg4[]="U:";

sbit c_rs=P3^4;

sbit c_rw=P3^5;

sbit c_e=P3^6;

sbit AD_OUT=P1^0;

sbit AD_IN=P1^1;

sbit AD_CS=P1^2;

sbit AD_CLK=P1^3;

sbit EOC=P1^4;

sbit P3_0=P3^0;

void delay(unsigned int tt)

{

while(tt--);

}

voidWrite_Cmd(uchar dd)

{

c_rs=0;

c_rw=0;

c_e=0;

delay(50);

P2=dd;

c_e=1;

delay(50);

c_e=0;

delay(50);

}

void Write_Dat(uchar dd)

{

c_rs=1;

c_rw=0;

c_e=0;

delay(50);

P2=dd;

c_e=1;

delay(50);

c_e=0;

delay(50);

}

void Lcd_Init()

{

Write_Cmd(0x38);

delay(200);

Write_Cmd(0x38);

delay(200);

Write_Cmd(0x38);

delay(200);

Write_Cmd(0x38);

delay(200);

Write_Cmd(0x08);

delay(200);

Write_Cmd(0x01);

delay(200);

Write_Cmd(0x06);

delay(200);

Write_Cmd(0x0c);

delay(200);

Write_Cmd(0x80+0x00);

}

uint tlc1543(ucharport)

{

uint m=0;

uint h;

uchar i;

AD_CS=0;

EOC=1;

port<<=4;

for(i=0;i<10;i++)

{

AD_IN=(bit)(port&0x80);

AD_CLK=1;

m<<=1;

h=AD_OUT;

m=m|h;

AD_CLK=0;

port<<=1;

}

EOC=0;

AD_CS=1;

return(m);

}

void main()

{

float res;

uchar i=0;

TCON=0x01;

IP=0x01;

IE=0x81;

Lcd_Init();

while(1)

{

if(xx==0)

{

num=tlc1543(0);

res=num*5.0/1023.0;

msg2[4]=msg1[(int)(res*1000)%10];

msg2[3]=msg1[(int)(res*100)%10];

msg2[1]=msg1[(int)(res*10)%10];

msg2[0]=msg1[(int)res];

if(msg2[0]==0x30)

{

msg2[1]=0x20;

}

Write_Cmd(0x80+0x02);

Write_Dat(0x55);

Write_Cmd(0x80+0x03);

Write_Dat(0x3A);

i=0;

Write_Cmd(0x80+0x44);

while(msg2!=0x00)

{

Write_Dat(msg2);

i++;

}

Write_Cmd(0x80+0x50);

Write_Dat(0x56);

}

if(xx==1)

{

num=tlc1543(1);

res=num*5.0/1023.0/1.61;

if(res<2.5)

{P3_0=1;}

if(res>=2.5)

{P3_0=0;}

msg3[4]=msg1[(int)(res*1000)%10];

msg3[3]=msg1[(int)(res*100)%10];

msg3[2]=msg1[(int)(res*10)%10];

msg3[0]=msg1[(int)res];

Write_Cmd(0x80+0x02);

Write_Dat(0x49);

Write_Cmd(0x80+0x03);

Write_Dat(0x3A);

i=0;

Write_Cmd(0x80+0x44);

while(msg3!=0x00)

{

Write_Dat(msg3);

i++;

}

Write_Cmd(0x80+0x50);

Write_Dat(0x41);

}

if(xx==2)

{

num=tlc1543(2);

res=num*5.0/1023.0/40.16;

msg3[4]=msg1[(int)(res*1000)%10];

msg3[3]=msg1[(int)(res*100)%10];

msg3[2]=msg1[(int)(res*10)%10];

msg3[0]=msg1[(int)res];

Write_Cmd(0x80+0x02);

Write_Dat(0xE0);

Write_Cmd(0x80+0x03);

Write_Dat(0x3A);

i=0;

Write_Cmd(0x80+0x44);

while(msg3!=0x00)

{

Write_Dat(msg3);

i++;

}

Write_Cmd(0x80+0x50);

Write_Dat(0x20);

}

void ISR_INT0()interrupt 0 using 1

{

xx++;

if(xx==3)

xx=0;

}

ID:546381 · 發(fā)表于 2020-8-11 11:36

如果有原理圖那就好了

ID:511461 · 發(fā)表于 2020-9-2 19:31

樓主的文檔里面的程序和你帖子上的程序不一樣

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單相AC-DC 變換電路 2013年全國大學生電子設(shè)計競賽

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