单相ACDC变换电路电子设计竞赛A题.doc

2013年全国大学生电子设计竞赛单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】2013年9月7日制作人：MichaelBeechan and Pan and Wang摘要：在电子产品盛行的时代，电源是很重要的一个部分，变换电路的用途越来越广泛。单相AC-DC变换电路是将交流电转换成直流电的电路，即通常所说的整流电路。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。本设计通过变压器产生24V交流电，经过整流、滤波、AC-DC变换等，最后输出实验所要求的电压，由单片机控制将检测得到的数据在液晶屏上显示出来。在实验过程中，还需设计功率因数测量电路，实现AC-DC变换电路输入侧功率因数的测量，设计的电路还应该有过流保护功能，最终实现实验要求。关键词： AC-DC变换电路、功率因素校正、稳压电路、输出过流保护电路、LCD液晶显示目录1.设计任务与要求21.1 设计任务（见附录1）21.2 设计要求（见附录1）21.3 题目分析22.系统方案选择22.1 整流滤波电路论证与比较22.2 稳压电路的论证与比较42.3 系统方案的论证53.系统硬件电路设计63.1单元电路设计及参数计算63.1.1 整流滤波电路63.1.2稳压电路73.1.3输出过流保护电路93.1.4功率因数检测电路103.1.5显示电路103.2 主电路设计103.3 主电路板电路原理图（见附录3）114.系统软件设计114.1总体的程序设计流程114.2程序清单（见附录4）125.运行调试125.1电路的测试方法125.2 测试仪器125.3 测试结果126.结论137.参考文献13附录1：13附录2：元器件清单：14附录3：完整的电路原理图16附录4:程序代码：17单相AC-DC变换电路（A题）【本科组】1.设计任务与要求1.1 设计任务（见附录1）1.2 设计要求（见附录1）1.3 题目分析电源转换电路被广泛的应用在各种电子领域，单相AC-DC变换电路是将交流电转换成直流电的电路，即通常所说的整流电路。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。在这道题目中，基本要求是在输入交流电压、输出直流电流条件下，输出直流电压；并且同时完成功率因数测量电路，实现输入侧功率因数的测量。这类AC-DC变换器的优点是控制简单、效率高、功率容量大；主要问题在输入电流中存在大量的低次谐波、功率因数也较低、影响速度也慢，为了能达到实验要求，设计过程中同时采用了稳压电路、输出电流保护电路等。2.系统方案选择2.1 整流滤波电路论证与比较题目要求经过AC-DC转换电路，将输入电压24V转变为36V，应该考虑升压方案。整流电路按交流输入相数大致可分为单相和多相整流，按电路形式可分为半波、全波与桥式整流等。方案一：采用单相半波整流电路是最简单的整流电路。整流电路如图2-1所示。利用整流管的单向导电特性，在交流电源的作用下，周期性导通和截止，实现变换，将交流转换成脉动直流。由于半波整流引起电流的畸变，电流中包含直流成分，会引起输入电源变压器饱和，因此在实际中采用较少。图2-1 单相半波不控整流电路（阻性负载）方案二：采用全波整流电路。二极管全波整流电路输出的仍然是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。通过与半波整流相类似的计算，可以得到全波整流输出电压有效值Vo=0.9Vi。全波整流输出的直流脉动电压仍然不能满足电子电路对直流电源的要求，必须经过平滑（滤波）处理，如图2-2。与半波整流相同，平滑处理电路是在全波整流的输出端接一个电容。电容在脉动电压的两个峰值之间向负载放电，使输出电压得到相应的平滑。实际电路中，全波整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。图2-2 单相全波不控整流电路方案三：采用单相全桥整流电路。单相全桥整流电路中，整流二极管分两组轮流导通，对角二极管同时导通，同时截止；带中心抽头的全波整流电路中，两个二极管轮流导通。 如图2-3所示。图2-3 单相全波桥式整流电路二极管桥式整流电路输出的也是一个方向不变的脉动电压，但脉动频率是半波整流的一倍。 与半波整流输出电压有效值计算相类似，可以得到桥式整流输出电压有效值Vomrs=0.9Umrs。桥式整流电路的基本特点如下： （1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。 （2）桥式整流电路的交流利用率为100%。 （3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。 （4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。 （5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足负载对电流的要求。方案选择：按照题目所给要求来选择，,AC电源经桥式整流后，再接一个电容器滤波，得到直流电压。由上述分析可以得出，第三方案是最优选择。2.2 稳压电路的论证与比较方案一：Boost升压电路，如图2-4。Boost 型变换器也叫并联开关变换器或者升压式开关变换器。当要求较高输出电压的场合就经常使用升压式变换器电路。开关闭合时，能量从电源注入并存储于电感之中。由于二极管被反偏，负载电流完全由滤波电容通过释放电荷的形式提供。当开关断开后，由于电感中的电流不能突变，将产生左负右正极性的电势，这个电势与输入电源叠加并迫使二极管导通将电感储能馈送至输出端。开关闭合的时间越长，电感中的电流也就越大，磁储能也就越多，开关断开期间向输出端馈送的能量越多，因此输出端的电压也就越高。这样，调节占空比D就可以实现调节输出电压。同样，当输入电压发生变化时(变高或变低)也可以通过改变占空比达到稳定输出电压的目的。输入电压Vin与输出电压Vo的关系：Vo/Vin=1/(1-D)。图2-4 Boost升压电路方案二： LM2577-ADJ是单片开关电源控制器，用于DC转换，输入电压范围是3.5V40V，内有52kHz固定频率的振荡器，具有过流保护、低电压锁定和过滤保护功能。利用LM2577可以构成一种升压型稳压电源，电路如图2-5所示。它调整功率管工作于开关状态，通过改变调整功率管导通和截止时间比例来稳定输出电压。图2-5 升压型稳压电路方案选择：Boost升压电路缺点:负载侧电流波动大、只能升压、不能降压；从设计要求分析可知，需要的是高效率的稳压电路，LM2577模块正好符合这一要求，所以选择方案二。 2.3 系统方案的论证 由以上各模块方案论证，得出总体框架设计如图2-6所示。该系统主要由整流滤波模块、稳压电路模块、输出电流保护电路模块、功率因数检测电路模块组成，由上面各模块的分析讨论可以确定最终选择方案。由选定的变压器将220V电压转变为24V交流电压，经过桥式整流、滤波，由稳压电路最终产生36V直流电压，将电压、电流通过液晶屏LCD显示出来。在稳压电路的LM2577控制端外接输出过流保护电路，AMS1117稳压芯片产生3.3V基准电压，在LM311P的2脚与采样电压进行比较，从而实现电路保护。图2-6 原理框图3.系统硬件电路设计3.1单元电路设计及参数计算3.1.1 整流滤波电路图3-1整流滤波模块原理图1和3组成共阴极组，加触发脉冲后，阳极电位高者导通。2和4组成共阳极组，加触发脉冲后，阴极电位低者导通。触发脉冲每隔180°发一次，分别触发1、4、2、3。以单相桥式整流电路为例,AC电源经全波整流后，再接一个电容器滤波，得到直流电压。输入电压Vi是正弦，但输入整流脉动电压仅在高于电容电压的瞬间对电容充电，所以输入交流电流i 波形严重畸变，呈脉冲状（在滤波电容C=1000uF，负载电阻R=100时，脉宽为4mS）。脉冲状的输入电流，含有大量谐波，一方面使谐波噪声水平提高，同时ACDC整流电路输入端必需增加滤波器，成本高，体积、重量大。如果把基波分量定为100%，则电流的三次谐波分量达77.5%,而五次谐波分量也达到50.3%，；总的谐波电流分量有效值（或称总谐波畸变Total Harmonic Distortion，用THD表示，其表达式为 ）为95.6%，输入端功率因数只有68.3%。3.1.2稳压电路图3-2稳压电路模块原理图LM2577是National Semicnductor公司生产的一种典型的升压式集成开关电源调整器，广泛应用在许多电子产品的电源电路中。它具有外接元器件少、输入直流电源电压范围宽(3.540V)、输出开关电流达到3A、内部有固定频率(52kHz)振荡器、电流反馈型工作方式、有软启动、电流限制、欠压锁定和热关闭保护等功能。可以接成简单升压、隔离和多输出电压的开关电源电路。它的封装有5引脚的TO-220形式与4引脚的TO-3P形式等,输出直流电压有12V、15V和可调(ADJ)。参数计算：设计实例的输入指标是：输入电压范围是20V30V，额定输入电压为24V，输出稳定电压，最大输出电流Iomax=2.0A。线圈电感量L：，使用的快恢复二极管MUR420正向导通压降为0.8V，开关管的最大占空比可得知。 （1） （2）线圈中储蓄能量（3）满负载时线圈中平均电流（4）如果<0.85,由上述计算的和在下图求得交点即为电感值，如果0.85，这时用公式计算电感值。（5）由图可以得到L的值在330 uH220 uH之间，我们选择L=250uH。补偿网络、和输出电容的确定：（6）同时器件要求3K,所以2.84K符合。 （7） （8）因要取较大些，选择。（9）实际取，采用0.1uF的瓷片电容和220uF的电解电容组成。输出电压调节电阻、选择：与的关系为（10）一般取2，则（11）3.1.3输出过流保护电路图3-3过流保护电路原理图图3-3所示为单相电压变换电路的过流保护电路，在因某种原因（如输出短路）使电路输出过流时，保护电路即成恒流源，使电路不至因输出过流而损坏。AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。LM311P是高灵活性的电压比较器，能工作于5.0到30伏单个电源，该设备的输入可以是与系统地隔离的，而输出则可以驱动以地为参考或以VCC为参考，或以VEE电源为参考的负载。微调管脚（管脚5和6）用作不需要的辅助输入，如果没有连接到微调电位计上，应该短接。3.1.4功率因数检测电路电压过零检测电流过零检测比较器STC-51单片机最小系统LCD显示图3-4功率因数检测电路原理框图功率因数是供用点网络的一个重要参数，它是衡量电力系统是否经济运行的一个重要指标，所以准确测量功率因数在电力系统中具有重要的意义。在正弦电路中，可以通过测量电压、电流间的相位差，计算出功率因数，并根据电流滞后或者超前电压，判断出负载是感性还是电容性的。对于某一正弦信号，周期性地出现过零点，测出过零点的时间即可以测出该信号的相角。通过电压互感器和电流互感器得到低压交流信号，然后通过整形电路将交流信号转换为TTL方波脉冲。相位差的计算原理是利用输入两路信号过零点的时间差，以及信号的频率来计算2路信号的相位差。两路信号的相位差：（12）其中，N为两路信号的上升沿分别触发计数器的差值，Fk为单片机时钟频率，T为输入信号的周期。单片机对模拟信号的读取时通过A/D转换器来实现的，并有效的进行输出，它具有全集成化、高精度化、高性能、高可靠性等优点。3.1.5显示电路 显示电路采用的是单片机控制液晶显示，从功率因数检测电路输出的电压、电流进入单片机控制的中断系统，利用单片机的计数功能测量出电压和电流的相位差，进而计算出功率因数并显示出来。3.2 主电路设计 本系统采用LM2577作为主控器件，利用AMS1117和LM311P组成输出电流保护电路，通过单片机采样，按照程序中计算公式进行计算，计算结果用来判断电路中此时的电流，并根据要求的条件来控制显示。3.3 主电路板电路原理图（见附录3）4.系统软件设计4.1总体的程序设计流程在本设计中，电网输出的功率因数检测程序是通过AT89C51的外部中断0、外部中断1和定时器来完成，通过设置TMOD寄存器，使定时器T0在工作方式1模式下工作。基本要求下的程序流程图如下所示。主要功能有，系统工作状态的控制及显示，在软件上充分利用了单片机的强大功能，实现了信息的快速处理和控制、显示功能、能精确检测。图4-1 总体程序流程图 4.2程序清单（见附录4）5.运行调试5.1电路的测试方法 在系统电压输出端子外接并联数字万用表，用滑动变滑动到最佳阻值条件下，在输入端接YB1713A直流稳压电源产生的24V交流电，接在输出端的两个万用表分别检测输出端的电压值和电流值。利用滑动变阻器，使负载在一定的范围变化，输出端并联数字万用表测量直流电压相对于原来的变化率，测得负载调整率。利用自耦变压器，使输入交流变化，调节滑动变阻器使Io为一个固定值，输出端并联数字万用表测量直流电压的变化率，测得电压调整率。通过观察液晶显示器上的数据显示，并结合万用表的测量结果，判断液晶显示能否正常工作。5.2 测试仪器电路测试中使用的仪器设备及其用途如表所示。序号仪器名称及型号用途1自耦变压器用于电压调整率测试2滑线变阻器作可变负载3YB1713A直流稳压电源内部采用IGBT模块调整模式，具体高效能、高精度、高稳定性等特性4VC890D万用表金属屏蔽板，防磁，抗干扰, 自动恢复保险管保护5DS-5120M 100MHz示波器测量电源电压波形5.3 测试结果输出电压Uo可调范围：30V36V，最大输出电流Iomax为2A；负载调整率（Us=24V）：在规定范围内，Io在0.2A2.0A范围变化，即在规定范围内改变负载值，测的输出电压数据如下：电流（A）0.51.01.52.0输出电压（V）36.1536.1036.0836.05根据公式,计算负载调整率为：0.41%。电压调整率（Io=2A）：在规定范围内，Us在20V30V范围变化，即在规定范围内改变电压值，测的输出电压数据如下：电压（V）20222630输出电压（V）36.0536.0636.0836.09根据公式，计算电压调整率为：0.22%。6.结论经过四天三夜的奋斗，我们有得有失，遇到了许多没有接触过的困难，我们不断的尝试，努力，认真分析，从细节入手，从小模块电路入手，一个一个的取得了突破。通过这次比赛我们终身难忘，同时也学到的不少。 本设计是采用一个单片机系统来进行对电路检测控制系统的设计与制作，并有效的进行控制输出，它具有全集成化，智能化，高精度，高性能，高可靠性和低价格等优点。在设计本作品时，通过查阅网络与图书馆搜集到的资料，再加上指导老师的指导与资料提供，与生活中对于单片机的工作原理的观察和同单相电源的转换研究相结合，设计出了这一套单相AC-DC变换电路的主要硬件结构和软件结构，基本上达到了题目的各项要求，特别是在效率方面表现突出。但是由于手工制作的原因，以及开关电源电路本身的限制，导致电路的测量不够准确，使系统的一些参数不是很理想，但本设计通过稳压电路以及滤波整流电路，也得到了比较理想的结果。测试的时间不能太长，时间太长LM2577会发烫更有可能烧坏器件，可以通过加散热片来稍微缓解这一问题。7.参考文献： 1 高吉祥主编，刘希顺 刘菊荣 编著全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 北京：电子工业出版 社 2007.52余永权.单片机在控制系统中的应用.北京：电子工业出版社， 2003.103陈永真 陈之勃 全国大学生电子设计竞赛 硬件电路设计精解北京：电子工业出版社 2011.54肖看 李群芳 单片机原理、接口及应用北京：清华大学出版社 2010.9附录1：设计任务：设计并制作如图所示的单相AC-DC变换电路。输出直流电压稳定在36V，输出电流额定值为2A。技术指标：在输入交流电压Us=24V、输出直流电流Io=2A条件下，使输出直流电压Uo=36V±0.1V。当Us=24V，Io在0.2A2.0A范围内变化时，负载调整率Si0.5%。当Io=2A，Us在20V30V范围内变化时，电压调整率Su0.5%。设计并制作功率因数测量电路，实现AC-DC变换电路输入侧功率因数的测量，测量误差绝对值不大于0.03。具有输出过流保护功能，动作电流为2.5A±0.2A。附录2：元器件清单：型号位号数量备注0.1uFC1, C2, C4, C540.1uFC31MUR420D11肖特基二极管60V/2.5AD21全桥，电流大于2.5V，耐压大于50V即可1N4007D3, D4, D53100U/50VE1, E2, E8, E94直插电解电容，最好是铝电解1000U/50VE3, E4, E5, E6, E7510U/10VE10,E11, E12, E134100U/16VE14, E152250uH/3AL11100uH/3AL21功率电感，电流一定大于3A，要选择质量好的，如果不好电流会上不去56.3KR112.8KR212KR313A/0.05欧姆R41功率取样水泥电阻，电流要大于3A，阻值要准确，也可以用一截导线代替，但是阻值要测量准确30KR512K电位器R613296电位器2A/3欧姆R71功率取样电阻1KR8, R9, R11, R13,R14,R15, R17, R1984K7R10,R12, R16, R184LM2577SX-ADJU11最好选直插的LM311PU21最好选直插的AMS1117-S33U31稳压芯片，获取也可以选择其他厂家LM393NU41P521-1U5, U6, U7, U84直插光耦其他物料：220V转正负5V的开关电源2个，做辅助电源用，电流1A即可；单片机最小系统，包括单片机、液晶屏显示等，用于功率因素的测量显示；自由变压器和隔离变压器等。附录3：完整的电路原理图附录4:程序代码：#include<reg52.h>#include<math.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit P30=P30;sbit P31=P31;sbit RS=P35; /1602sbit RW=P36;sbit E=P37;uint i=0,j=0,m=0,n=0;uint a6=0,0,0,0,0,0;uint s=0;float cos(float x);void Delay() _nop_(); _nop_();void Delay_1ms(uchar del) uchar x=0,y=0;for(x=0;x<del;x+) for(y=0;y<148;y+) void Busy(void) bit busy_flag=1; P0=0x80; RS=0; Delay(); RW=1; Delay(); E=1; Delay(); while(1) busy_flag=(bit)(P0&0x80); if( busy_flag=0) break; E=0;void wcmd(uchar del)/写 指令 RS=0; Delay(); RW=0; Delay(); E=0; Delay(); P2=del; Delay(); E=1; Delay(); E=0;void wdata(uchar del)/写 shuju RS=1; Delay(); RW=0; Delay(); E=0; Delay(); P2=del; Delay(); E=1; Delay(); E=0;void L1602_init(void)/初始化 复位 Delay_1ms(15); wcmd(0x38); Delay_1ms(5); wcmd(0x38); Delay_1ms(5); wcmd(0x38); Busy(); wcmd(0x38); Busy(); wcmd(0x08); Busy(); wcmd(0x01); Busy(); wcmd(0x06); Busy(); wcmd(0x0c);void L1602_char(uchar hang,uchar lie,uchar sign)/xianshizifu uchar x=0; if(hang=1) x=0x80; if(hang=2) x=0xc0; x=x+lie; Busy(); wcmd(x); Busy(); wdata(sign);void L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p) uchar x=0; if(hang=1) x=0x80; if(hang=2) x=0xc0; x=x+lie; while(1) Busy(); wcmd(x); Busy(); wdata(*p); x+; p+; if(*p='0')|(x=0x90)|(x=0xd0) break; void Time0_Init(void)TMOD=0X01; TH0=0xFF;TL0=0xFF;ET0=1;EA=1;TR1=1; void Time0() interrupt 1 TH0=0xFF;TL0=0xFF;i+;/*void Time1_init(void) TMOD=0X01; TH0=0xFF;TL0=0xFF;ET0=1;EA=1;void Time1() interrupt 1 TH0=0xFF;TL0=0xFF;m+; */void out1_int(void)PX0=1;EX0=1;EA=1;void out2_int(void) PX1=1;EX1=1;EA=1;void out1(void) interrupt 0 TR0=1;void out2(void) interrupt 0 TR0=0;aj=i;i=0;j+;if(j>5) j=0;for(n=0;n<6;n+) s=s+an;m+;s=s/6;void main() float n=0.0;float num=0;uint x=0; L1602_init(); Time0_Init();out1_int();out2_int();while(1)if(m=2) m=0;n=(18*s)/1000; num=(cos(n);x=100*num; L1602_string(1,1,"PCF:");Delay();Delay(); L1602_char(1,6,0+48);Delay();Delay(); L1602_char(1,7,'.');Delay();Delay(); L1602_char(1,8,(x/10+48);Delay();Delay(); L1602_char(1,9,(x%10+48);Delay(); Delay(); Delay_1ms(10); 22