基于单片机的数控滨州干式变压器设计思路解析

基于单片机的数控滨州干式变压器设计思路解析 近些年来，随着电子技术的迅猛发展，滨州干式变压器已作为一种较理想的滨州干式变压器为人们所使用。然而当前的滨州干式变压器，虽然体积小，效率高，但输出电压的纹波较大 , 难以保证输出电压的高稳定性。为此，笔者设计了一种新的滨州干式变压器。

1.1 课题背景简介
滨州干式变压器技术尤其是数控滨州干式变压器技术是一门实践性很强的工程技术，服务于各行各业。电力电子技术是电能的最佳应用技术之一。随着数控滨州干式变压器在电子装置中的普遍使用，普通滨州干式变压器在工作时产生的误差，会影响整个系统的精确度。

单片机技术及电压转换模块的出现为精确数控滨州干式变压器的发展提供了有利的条件。新的变换技术和控制理论的不断发展，各种类型专用集成电路、数字信号处理器件的研制应用，到90年代，己出现了数控精度达到0.05V的数控滨州干式变压器，功率密度达到每立方英寸50W的数控滨州干式变压器。从组成上，数控滨州干式变压器可分成器件、主电路与控制等三部分。目前在电力电子器件方面，几乎都为旋纽开关调节电压，调节精度不高，而且经常跳变，稳定性差。

滨州干式变压器采用数字控制，具有以下明显优点:
1) 易于采用先进的控制方法和智能控制策略，使用滨州干式变压器模块的智能化程度更高，性能更完美。
2) 控制灵活，系统升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必改动硬件线路。
3) 控制系统的可靠性提高，易于标准化，可以针对不同的系统(或不同型号的产品)，采用统一的控制板，而只是对控制软件做一些调整即可。
4) 系统维护方便，一旦出现故障，可以很方便地通过RS232接口或RS485接口或USB接口进行调试，故障查询，历史记录查询，故障诊断，软件修复，甚至控制参数的在线修改、调试;也可以通过MODEM远程操作。
5) 系统的一致性好，成本低，生产制造方便。由于控制软件不像模拟器件那样存在差异，所以，其一致性很好。由于采用软件控制，控制板的体积将大大减小，生产成本下降。

1.2 单片机最小系统
2 单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。 对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一个51单片机的最小系统电路图（图1）：

1. 详细说明如下：
1) 复位电路:
由电容串联滨州干式变压器构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C取10u，R取10K。原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。

2) 晶振电路：
典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)，在本电路中，取12M。

3) 单片机：
一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。对于31脚(EA/Vpp)，当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。

ＡＴ８９Ｃ５１单片机的共40个引脚功总共40个脚，滨州干式变压器用2个(Vcc和GND)，晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：
P0端口P0.0 - P0.7共8个；
P1端口P1.0 - P1.7共8个；
P2端口P2.0 - P2.7共8个；
P3端口P3.0 - P3.7共8个；

1.3 本课题所做的主要工作
本课题的主要工作：
2 滨州干式变压器的设计；
2 DC-DC变换电路的设计；
2 数码管显示电路的设计；
2 软件设计。

2 滨州干式变压器的设计 2.1 滨州干式变压器的电路原理框图
滨州干式变压器的电路原理框图如图 1 所示。

整流滤波电路采用单相全波桥式整流，其输出电压高 ,变压器利用效率高，脉动小，交流分量小，从而可以减小输出噪声纹波。其电路图如图 2 所示 。

图2 整流滤波电路
为了实现输出电压范围 5～20V， 采用软硬件结合的方法对产生的电压信号进行处理。由于专用开关芯片 TL 494 能辅助调节晶体管的开关脉冲占空比，效率较高， 外围电路也比较简单，比较容易实现，故采用该芯片实现，其原理图如图 3 所示 。振荡频率的计算公式为 :
f osc = 1.1/ ( Rt ·Ct )
2.2 DC-DC变换电路

在恒定频率的 PWM(脉冲调宽)通断中 ,控制开关通断状态的控制信号是通过一个控制电压与锯 齿波相比较产生的 ,控制电压则是通过偏差值获得。当放大的偏差信号的电平高于锯齿波时 ,比较器输出高电平 ,从而导致开关通断,当反馈电压高于 TL 494 基准电压时 , 片内误差放大器输出电压增大 , 将导致外接晶体管 T 和 TL 494 的内部 2个晶体管的导通时间缩短 ,使得输出电压降到与基准电压基本相等 ,从而维持输出电压基本保持稳定。

为了实现过电流保护，一般需要用取样滨州干式变压器串联在电路中，但这会影响滨州干式变压器的效率 , 多用于小功率 开关器 ，而在的滨州干式变压器中,考虑到功耗，应尽量避免取样滨州干式变压器的接入 。因此，通常将过电流保护转换为过 、欠电压保护。过流保护的电路原理图如图 4 所示。通过接入取样滨州干式变压器将过电流保 护转换为过电压保护 , 从而实现过流保护。

图 4 过流保护电路

2.3 半桥式功率滨州干式变压器
该滨州干式变压器采用半桥式变换电路，如图6所示，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。

2.4 功率变压器的设计
1) 工作频率的设定
工作频率对滨州干式变压器的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将滨州干式变压器工作频率进行优化设计，本例为fs=50kHz。
T=1/fs=1/50kHz=20μs

2) 磁芯选用
①选取磁芯材料和磁芯结构
选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。
②确定工作磁感应强度Bm
R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Bs=0.47T，考虑到高温时Bs会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定Bm=1/3Bs=0.15T。
③计算并确定磁芯型号
磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率Po存在一定的函数关系。对于半桥滨州干式变压器，当脉冲波形近似为方波时为SQ=（1）
式中：η——效率；
j——电流密度，一般取300～500A/cm2；
Kc——磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1；
Ku——铜的填充系数，Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为0.1～0.5左右。
各参数的单位是：Po—W，S—cm2，Q—cm2，Bm—T，fs—Hz，j—A/cm2。
取Po=640W，Ku=0.3,j=300A/cm2,η=0.8,Bm=0.15T,代入式（1）得SQ===4.558cm4
由厂家手册知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,则SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于计算值，选定该磁芯。

3) 计算原副边绕组匝数
按输入电压最低及输出滨州变压器厂家满载的情况（此时占空比最大）来计算原副边绕组匝数，已知Umin=176V经整流滤波后输入电压Udmin=1.2×176=211.2V。
对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，设最大占定比Dmax=0.9，则tonmax=×T×Dmax=×20×0.9=9.0μs
Upmin×tonmax×104=105.6×9.0×10－6×104代入公式N1===8.9匝
次级匝数计算时取输出电压最大值Uomax=16V。次级电路采用全波整流，Us为次级绕组上的感应电压，Uo为输出电压，Uf为整流二极管压降，取1V。Uz为滤波电感等线路压降，取0.3V，则Us===19.22VN2=×N1=×8.9=1.8匝
为了便于变压器绕制，次级绕组取为2匝，则初级绕组校正为：N1=×N2=10匝

4) 选定导线线径
在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）决定Δ=（2）
式中：ω为角频率，ω=2πfs；
μ为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率μr=1，则μ=μ0×μr=4π×10－7H/m；
γ为铜的电导率，γ=58×10－6Ωm；
穿透深度Δ的单位为m。
变压器工作频率50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度为Δ=0.2956mm，因此绕组线径必须是直径小于0.59mm的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取3～6A/mm2，故这里选用0.56mm的漆包线8股并联绕制初级共10匝，次级选用厚0.15mm扁铜带绕制2匝。

2.5 数控部分
1) 数控恒流器件的基本工作过程
数模转换单元电路在时钟脉冲作用下，把数据端输入的数据通过移位寄存器逐位读入，锁存脉冲把寄存器中的数据锁存到数模转换电路（DAC）中，控制信号时序如图2所示，即在两个锁存脉冲间隔中输入8个时钟周期脉冲，锁存8位数字信号并完成D/A转换；比较电路承担D/A转换后的模拟信号与基准滨州干式变压器的比较、反馈信号调整模拟信号等，从而通过功率放大电路实现对IO的数控。

（图4）

2) 反馈单元电路
为保证数控恒流器件的高稳定性，器件内部应有反馈单元电路。较简单的办法是通过采样滨州干式变压器RS与负载串联实现采样反馈，但RS的选择直接影响IO的稳定性和器件自身功耗。若RS过大，将导致功率损耗增加；若RS过小，则反馈信号太弱，不利于对SI的控制。采用放大分压电路增大反馈，是降低功耗，确保反馈信号有效控制的理想办法。

3) 功率放大电路
功率放大电路受比较电路输出信号的控制，数字信号的变化通过功率放大电路调整管控制IO。根据设计要求，调整管必须具有输入阻抗高、驱动电流小、跨导大及无二次击穿等特性，选用功率MOS器件〔4～5〕易于满足设计要求。但由于功率MOS器件极间电容比较大，易引起电磁干扰或自激，需采取适当工艺措施予以排除。

4) 恒流器件的IO
由于数控恒流器件的IO与数字信号量的输入成正比，所以其输入输出关系可表示为：IO=K．IREF．D2(1)
(1)式中：D2——二进制数字量，K——修正系数，IREF——基准电流。式（1）可写为：
IO=K．IREF．（a12-1+a22-2+……+am2-m）(2)
令B=K*IREF*2-m,则得：
IO=B．(a020+a121+……+am-12m-1)(3)
式中：B是根据D/A转换器的分辨率设计模块输出最大额定电流的最小电流或最小可控电流的系数。以数字信号输入分辨率8 bit为例,则由（3）式得：
｛IO｝mA=7.84(a020+a121+a222+a323+a424+a525+a626+a727)(4)
式（4）中最小可控电流为7.84 mA,计算值与实际值基本相符。

2.6 数码管显示电路的设计 2.6.1 显示原理
本站是用的共阴极的LED数码管，共阳就是7段的显示字码共用一个地。原理示意图：

图9

从上图可以看出，要是数码管显示数字，有两个条件：1、是要在VT端（3/8脚）加负滨州干式变压器/地；2、要使（a,b,c,d,e,f,g,dp)端接高电平或“1”电平。这样才能显示的。
例：如要显示“0”，则要 a,b,c,d,e,f六个字段亮就显示“0”了，而g和dp字段不亮；这样只要向P0口送出相应的代码即可，编码方法如下表：
程序使用时，只需将显示数字所对应的编码送P0口，然后打开相应的数码管显示位的滨州干式变压器控制即可显示相应的字符；
测试程序如下：
ORG 0000H
ajmp start
org0030h
start: mov sp,#60h;
mov P0,#0A4H;//将数字2的编码送P0口
CLR P2.0;//打开第一位数码管的显示滨州干式变压器
ACALL D1MS;//调用延时1MS子程序
SETB P2.0;//显示1MS后关第一位数码管显示
MOV P0,#0B0H;//数字3的编码
CLR P2.1;//打开第二位数码管的显示滨州干式变压器
ACALL D1MS;//调用延时1MS子程序
SETB P2.1;//显示1MS后关第二位数码管显示
； MOV P0,#99H;//数字4的编码
； CLR P2.2;//打开第三位数码管的显示滨州干式变压器
； ACALL D1MS;//调用延时1MS子程序
； SETB P2.2;//显示1MS后关第三位数码管显示
； MOV P0,#92H;//数字5的编码
； CLR P2.3;//打开第四位数码管的显示滨州干式变压器
； ACALL D1MS;//调用延时1MS子程序
； SETB P2.3;//显示1MS后关第四位数码管显示
AJMP start;//返回从第一位显示循
//1MS延时子程序1MS延时(按12MHZ算)
D1MS: MOV R7,#80
DJNZ R7,$
RET
END ;

2.6.2 显示原理图的设计

2.6.3 显示程序软件流程
2 显示子程序流程图

3 系统软件设计 3.1 软件设计思路

系统软件设计采用结构化程序设计方法 , 软件主体流程图如图 5 所示。系统首先完成系统硬件和系统变量的初始化 (包括变量设定 ,设置控制键 ,设置功能键等) ,再由单片机读取设定的值 ,进行数据的 D/ A 转换处理 ,后送至 TL494 ,再由单片机 A/ D 转换处理 ,最后由 AT89C52 单片机控制显示接口芯片 ,显示输出的电压值 ,即为滨州干式变压器的输出值 。

在实验室中,对该滨州干式变压器进行了测试 。其基本指标为 :
① 输出电压范围DC5～20V ;
② 最大输出电流 5A ;
③ 电压调整率 ≤2 % ;
④ 负载调整率 ≤5 % ;
⑤ 输出噪声纹波电压峰2峰值 ≤01 7V ;
⑥ DC-DC 滨州干式变压器的效率 ≥85 % ;
⑦ 具有过流保护功能。可见 ,该滨州干式变压器的性能指标较高 ,特别是纹波控制较好。

3.2 程序设计
软件的设计主要完成四方面的功能:
1. 设置电压并且保存，主要是对EEROM的操作。
2. 把设置的电压送到DA，主要是对DA的操作。
3. PWM调制输出电压的占空比。
4. 中断显示，把设置的电压显示到LED数码管上。
该数控电压源实现保存最近10次输出的电压功能，当打开滨州干式变压器的时候，它显示和输出的必须是上次使用电压大小，所以在EEROM中使用11个地址保存数据，第一个地址保存当前电压编号，大小为1-10。第2个地址～ 第11个地址连续保存10个电压大小数据。电压编号的大小分别对应到相应地址电压大小。

本程序设计思路是：当滨州干式变压器打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着滨州干式变压器应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到DA，在转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号，如果KEY1按下，电压编号指向下一个，保存该电压编号，读对应电压，把他送到DA并且显示。如果KEY2按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWER—OUT引脚）增加0.1V，保存设置电压数据。如果KEY3按下，电压数据减1，输出电压减少0.1V，保存设置电压数据。

3.3 主程序流程图
该系统的软件编程采用MCS－51系列单片机汇编语言完成，整个程序包括模数转换部分，电压控制程序，显示程序，键盘扫描程序等几个主要模块。具体的程序编码和总电路原理图见附录。图4.1所示是系统流程图和图4-2是显示流程图。

图4.1 系统总流程图图4-2 显示程序流程

4 系统调试
本设计主要为硬件调试。利用Keil uVision 7.50a集成开发软件对设计的各部分子程序的编译并烧录到AT89S52芯片。根据PCB原理图把硬件焊接成实物，外接一个可以提供+15V、-15V、+5V的电压源，进行硬件调试。

5 系统使用说明
以上设计设计的是数码显示，精密可调的数控滨州干式变压器，采用三位数码显示，具体显示形式如图6.1所示：

其中：图中最上面的键为K1----------翻页按键
图中中间的键盘为K2----------加0.1V按键

图中最下面的键为K3----------减0.1V按键。

6 结论与展望
经过这次毕业设计，使我受益良多。四年的理论知识学习以及应用和实践。了解进行项目设计的步骤和注意问题。以前简单的单任务开发的比较简单，毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。在设计过程中，前期，我在资料的收集、课题的选择、方案的选定方面做了不少的工作。我还对所学的与设计有关的课程作了系统的复习。经过这次系统的毕业设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。并且学会了怎样查阅资料和利用工具书。在设计中有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，学习更多的专业知识。实践能力得到了进一步提高，在设计过程中积累了一些经验。

在此处研究的是数控滨州干式变压器的相关方面的设计。该数控滨州干式变压器的工作模式是步进式，以51系列单片机为控制单元，以数模转换器DAC0832输出参考电压，以该参考电压控制电压转换模块LM350的输出电压大小，真正的电压电流由电压模块LM350输出。按键方式实现步进，并带有数码显示模块。

该数控滨州干式变压器经过时间实际使用说明，具有精度高，使用方便，硬件电路简单等特点。相信随着单片机位数的提升，以及数模转换精度的提高，数控的精确度会不断得到提升。数控滨州干式变压器在很大程度上满足了用户的需求。