1、重庆交通大学电力电子技术课程设计直流降压斩波电路学生姓名：周瑶小组成员：周瑶、姜飞、王圆月专业班级：电气工程与自动化 2012 级 1 班学学号号：631224060133指导老师：余腾伟老师设计时间：2015 至 2016 学年第一学期- 1 -目录一、 摘要.2二、 设计要求与方案.22.1 设计要求.22.2 方案确定.3三、 主电路设计.33.1 主电路方案.33.2 工作原理.33.3 参数分析.4四、 电路方案设计.5五、 驱动电路设计.6六、 采样模块设计.6七、 显示电路设计.7八、 单片机程序.8九、 课程设计总结10十、 参考文献.10十一、 附图.11- 2 -一、摘要摘
2、要论文设计基于 52 单片机的直流降压斩波电路，分析 buck 电路降压原理，利用 STC89C52 单片机实现从 9V 到 5V 降压电源的设计，利用采样芯片对输出电压采样，用四段八位数码管进行显示，已达到课程设计的要求。关键字：52 单片机、buck 电路、采样、显示AbstractThis thesis is a design of DC Buck chopper circuit based on 52 SCM.With analysis of the principle of buck circuit,this design use STC89C52 MCU to realize th
3、e reduce of the power supply from 9V to 5V. The sampling chip take sample of the output voltage and the four section eight bit digital tube display it.Finally ,this circuit has reached the requirements of curriculum design.Keywords: Buck circuit , 52 SCM , sampling , display二、 设计要求与方案2.1 设计要求2.1.1 课
4、程设计目的1、培养文献检索的能力，特别是如何利用 Internet 检索需要的文献资料。2、培养综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高课程设计报告撰写水平。2.1.2 课程设计要求（1）设计制作一个直流斩波电路，实现 9V 电压输入到 5V 电压输出，并- 3 -EVDLREm显示电压值。通过降压斩波电路将高电压转变为稳定的低电压； （2）合理选择 IGBT 以及各元器件的参数；（3）驱动电路的设计以及通过单片机控制驱动电路发出控制信号作用于IGBT 门极实现降压斩波电路功能。2.2 方案确定电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路
5、，保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成整个系统的功能，当控制电路所产生的控制信号能够足以驱动电力电子开关时就无需驱动电路。根据降压斩波电路设计任务要求设计主电路、控制电路、驱动电路。控制电路是用来产生降压斩波电路的控制信号，控制电路产生的控制信号传到驱动电路。驱动电路把控制信号转换为加在开关控制端，可以使其开通或关断的信号。通过控制开关的开通和关断来控制降压斩波电路的主电路工作。三、 主电路设计3.1 主电路方案根据所选课题设计要求设计一个降压斩波电路，可运用电
6、力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。这就可以根据所学的 buck 降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。至于开关的选择，选用比较熟悉的全控型的 IGBT 管，而不选半控型的晶闸管，因为 IGBT 控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。3.2 工作原理根据所学的知识，直流降压斩波主电路如下图所示：- 4 -直流降压斩波主电路使用一个全控器件 IGBT 控制导通。用控制电路
7、和驱动电路来控制 IGBT 的通断，当 t=0 时，驱动 IGBT 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 =E，负载电流 按指数曲线上升。电路工作时波形图如下图所示：0u0i降压电路波形图当 时刻，控制 IGBT 关断，负载电流经二极管 续流，负载电压1t DV近似为零，负载电流指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，故串联0uL 值较大的电感。至一个周期 T 结束，再驱动 IGBT 导通，重复上一周期的过程。当电力工作于稳态时负载电流在一个周期的初值和终值相等，负载电压的平均值为iiittUUTononf为 IGBT 处于通态的时间； 为处于断态的时间；T 为开关周期；ont oft为导通
8、占空比。通过调节占空比 使输出到负载的电压平均值 最大为 E，若减小占空0比 ，则 随之减小。由此可知，输出到负载的电压平均值 Uo 最大为 U i，0若减小占空比 ，则 Uo 随之减小，由于输出电压低于输入电压，故称该电路为降压斩波电路。3.3 参数分析主电路中需要确定参数的元器件有 IGBT、二极管、直流电源、电感、电阻值的确定，其参数确定如下：实验材料为 L=1mH，R=30 。计算电感断续与连续时的临界频率。 0)(0lliitOOOE OtttEMiGttTiGtontofioi1i2I10I20t1uo a) b)OOTE EiGtontofio txi1 i2I20t1 t2uo
9、- 5 -零状态响应： REIm)()1(tl eti当 时，1t11)()(IRETiTml 之后为零输入： tleIti143100L当时间 ， 。5tli选用占空比为 50%时，周期 T= ，则临界频率 。3-10kHZf3选取 作为开关管的频率。kHZf2四、 电路设计方案控制芯片为 STC89C52。此控制芯片没有内置 AD 采样电路，所以需要自己添加采样电路，我们选取 ADC0809 作为采样芯片，考虑需要显示 3 位数字，四位八段共阴极数码管足够满足要求。驱动芯片选取 IR2103 半桥功放，因为驱动芯片的地与主电路的地需要隔开，所以加一个光耦进行隔离。如下图：- 6 -五、 驱
10、动电路设计IR2103 是半桥驱动器，也可以用两个组成 H 桥驱动。HIN 输入高电平 HO 就输出高电平，但这个电平是相对 Vs 而言的；LIN 输入低电平 LO 就输出低电平，但这个电平是相对 COM 而言的。自举电容的作用是提供高端驱动的电源 VB，高端驱动输出 TC 是高频振荡的，当上管导通时是高压端电压，当下管导通时是低电平，当 TC 为低电平时，由 Vcc 经二极管给自举电容充电之接近 Vcc 电压，Vcc 同时给 VB 供电，当 TC为高电平时，二极管截至，自举电容放电给 VB 供电。自举电容只有在高频振荡时才能起作用。因为我们只需要驱动一个 MOS 管，所以我们简化电路采用低边
11、输出，将二极管和电容去掉，HIN 接地。光耦选取 4N25，因为单片机的驱动能力有限，光电二极管采用上拉电阻与单片机接口连接。如下图：六、 采样模块设计ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式A/D 模数转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。分辨率为 8 位，具有转换起停控制端，转换时间为 100s(时钟为 640KHz 时)，130s（时钟为 500KHz 时） ，单个+5V 电源供电。模拟输入电压范围 0+5V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-40+
12、85 摄氏度，低功耗约 15mW。原理图与引脚图- 7 -如下所示：各引脚功能：IN0IN7：8 路模拟量输入端。2-12-8：8 位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入端，产生一个正脉冲以锁存地址。START： A/D 转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少 100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使 0809 复位，下降沿启动 A/D 转换） 。EOC： A/D 转换结束信号，输出端，当 A/D 转换结束时，此端输出一个高电平OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当 A/D 转换结束时，此端输入一
13、个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHz。REF（+） 、REF（-）：基准电压Vcc：电源，单一+5V。GND：地。我们选取 IN0 作为输入，则 ADDA、ADDB、ADDC 三个引脚都接地，为了节约单片机内部资源采用定时等待方式进行采样。七、 显示电路设计- 8 -STC89C52 单片机可以直接驱动八段数码管，因为是共阴极数码管，则高电平点亮段选。低电平选中位选。如下图：八、 单片机程序/* 名称：ADC0809 数模转换与显示说明：ADC0809 采样通道 0 输入的模拟量，转换后的结果显示在数码管上。*/#include#d
14、efine uchar unsigned char#define uint unsigned int/各数字的数码管段码（共阴）uchar code table= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x7, 0x7f,0x6f; /正常数码uchar code table1= 0xbf,0x86,0xdb,0xcf, 0xe6,0xed,0xfd,0x87, 0xff,0xef; /带小数点的数码/*uchar code wela= 0xfe,0xfc,0xfb,0xf7; */sbit CLK=P04; /时钟信号sbit ST=P03; /启动信号sb
15、it EOC=P02; /转换结束信号- 9 -sbit OE=P01; /输出使能sbit PWM=P00; /输出使能uchar num,ii,aa=0;/延时void DelayMS(uint ms)uchar i;while(ms-) for(i=0;i120;i+);/显示转换结果void Display_Result(uchar d)num=d*0.39;d=num%10;ii=num/10%10;P2=0xf7;/ 第 1 个数码管显示整数P1=table1ii;DelayMS(9);P2=0xfb;/ 第 2 个数码管显示小数P1=tabled; DelayMS(9);/主程序
16、void main()TMOD=0x02; /T1 工作模式 2TH0=0x14;TL0=0x00;IE=0x82;TR0=1;while(1)- 10 -ST=0;ST=1;ST=0; /启动 A/D 转换while(EOC=0)Display_Result(aa); /等待转换完成OE=1;aa=P3; OE=0; /T0 定时器中断给 ADC0808 提供时钟信号void Timer0_INT() interrupt 1CLK=CLK;PWM=PWM;九、 课程设计总结经过两周多的电力电子课程设计，真的是获益不少。当接到这个任务时候感觉真正要学的东西来了，以前所学的理论知识终于可以用上了
17、。于是拿起了课题认真的看了看，结果发现一头雾水，就大概知道一个主电路而已。而至于控制电路和保护电路根本就不知道怎么回事，只知道以前做实验有用过控制电路而不知道里面的内部是怎么接线的。于是通过慢慢的看书，我在直流-直流变流电路那一章中掌握了 IGBT 降压斩波电路主电路的设计，在 PWM控制技术那一章中掌握了控制电路的设计。 一周半的设计，不仅让我加深了很多课本上的知识，也让我懂得了很多其它的。虽然已经会设计电路图了，但把它画出来也不是件容易的事啊，后来经过多次画图操作渐渐地也较熟悉了。通过这个设计，要做成一个可用的、实际的实物靠得是细节。以前课本上所学的东西只是理论上的，要把理论变为实际还需要很多大量细节的东西，如何使你设计出来的电路是最简单的 ，最容易实现的；所用的器件应该用什么型号的才合适等等，都是需要我们在设计过程中要好好考虑的。十、 参考文献1周克宁，电力电子技术 北京：机械工业出版社，2004；2黄家善， 电力电子技术 北京： 机械工业出版社；- 11 -3王兆安、黄俊，电力电子技术第四版 北京：机械工业出版社，2000；4李 宏，电力电子设备用器件与集成电路应用指南（14 册）北京：机械工业出版社，2001；十一、 附图模拟电路图- 12 -实物图
