AVR控制的逆變電路設(shè)計(jì)

1、基于AVR控制的逆變電路設(shè)計(jì)2016.5.4摘 要逆變電源是一種采用電力電子技術(shù)進(jìn)行電能變幻的裝置，主要應(yīng)用與銀行、通信、醫(yī)院、金融等重要機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括逆變電路原理分析、微機(jī)控制電路設(shè)計(jì)、主電路設(shè)計(jì)、主要開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)，保護(hù)設(shè)計(jì)，主電路設(shè)計(jì)采用開關(guān)頻率高導(dǎo)通壓降低功耗低的絕緣柵雙極晶體管AVR。逆變電源輸入輸出都經(jīng)過變壓器進(jìn)行電氣隔離，使整個(gè)電路系統(tǒng)與外接電網(wǎng)和負(fù)載完全電氣隔離。電源保護(hù)電路主要有過流保護(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)，通過將主電路中的電壓電流信號(hào)反饋到控制電路中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自我保護(hù)功能。為保證輸出穩(wěn)定的交流電壓，對(duì)交流輸出電壓進(jìn)行取樣，經(jīng)過采樣電路處理反饋到控制

2、電路中進(jìn)行分析，使輸出電壓幅值穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)。關(guān)鍵詞：逆變電源；AVR；微機(jī)控制；保護(hù)電路；設(shè)計(jì)方案目 錄一、AVR簡(jiǎn)介二、逆變電路設(shè)計(jì)概述1.直流端調(diào)壓 2.逆變器內(nèi)部調(diào)壓 三、AVR 單片機(jī)簡(jiǎn)介及芯片介紹（一）AVR 單片機(jī)簡(jiǎn)介1.AVR 系列單片機(jī)四、AVR 單片機(jī)的主要特點(diǎn)五、逆變電路溫度控制系統(tǒng)方案（一）系統(tǒng)方案介紹六、AVR控制的逆變電路設(shè)計(jì)方案1、總體設(shè)計(jì)框圖2、SPWM方案選擇2.1、PWM電源芯片方案2.2、CPU軟件方案3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 CPU控制器3.2 驅(qū)動(dòng)和逆變電路3.3 濾波電路3.4 推挽升壓電路4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)論參考文獻(xiàn)一、AVR簡(jiǎn)介A

3、VR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 1997年，由Atmel公司挪威設(shè)計(jì)中心的A先生和V先生，利用Atmel公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡(jiǎn)指令集高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR。 本段AVR的主要特性高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位 , 一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)、賴以生存的必要條件。早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高和

4、抗干擾性能差等原因，所以采取穩(wěn)妥方案：即采用較高的分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。以后的 CMOS單片機(jī)雖然采用提高時(shí)鐘頻率和縮小分頻系數(shù)等措施，但這種狀態(tài)并未被徹底改觀(51以及51兼容)。此間雖有某些精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)(RISC)問世,但依然沿襲對(duì)時(shí)鐘分頻的作法。AVR單片機(jī)的推出，徹底打破這種舊設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可

5、靠性為其后盾的。AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器存堆(32個(gè)寄存器文件)和單體高速輸入/輸出的方案(即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯)。提高了指令執(zhí)行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶頸現(xiàn)象，增強(qiáng)了功能；同時(shí)又減少了對(duì)外設(shè)管理的開銷，相對(duì)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了成本。故AVR單片機(jī)在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。AVR單片機(jī)內(nèi)嵌高質(zhì)量的Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫方便，支持ISP和IAP，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、生產(chǎn)、更新。內(nèi)嵌長(zhǎng)壽命的EEProm可長(zhǎng)期保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，避免斷電丟失。片內(nèi)大容量的RAM不

6、僅能滿足一般場(chǎng)合的使用，同時(shí)也更有效的支持使用高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)系統(tǒng)程序，并可像MCS-51單片機(jī)那樣擴(kuò)展外部 RAM。AVR單片機(jī)的I/O線全部帶可設(shè)置的上拉電阻、可單獨(dú)設(shè)定為輸入/輸出、可設(shè)定（初始）高阻輸入、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)（可省去功率驅(qū)動(dòng)器件）等特性，使的得I/O口資源靈活、功能強(qiáng)大、可充分利用。AVR單片機(jī)片內(nèi)具備多種獨(dú)立的時(shí)鐘分頻器，分別供URAT、I2C、SPI使用。其中與8/16位定時(shí)器配合的具有多達(dá)10 位的預(yù)分頻器，可通過軟件設(shè)定分頻系數(shù)提供多種檔次的定時(shí)時(shí)間。AVR單片機(jī)獨(dú)有的“以定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（單）雙向計(jì)數(shù)形成三角波，再與輸出比較匹配寄存器配合，生成占空比可變、頻率可變、相位可變方

7、波的設(shè)計(jì)方法(即脈寬調(diào)制輸出PWM)”更是令人耳目一新。增強(qiáng)性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測(cè)和校驗(yàn)偵錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖、波特率自動(dòng)調(diào)整定位（接收時(shí)）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大超過MCS-51/96單片機(jī)的串口，加之AVR單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通訊。面向字節(jié)的高速硬件串行接口TWI、SPI。TWI與I2C接口兼容，具備ACK信號(hào)硬件發(fā)送與識(shí)別、地址識(shí)別、總線仲裁等功能，能實(shí)現(xiàn)主/從機(jī)的收/發(fā)全部4種組合的多機(jī)通信。SPI支持主/從機(jī)等4種組合的多機(jī)通信。AVR單片機(jī)有自

8、動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測(cè)電路BOD，多個(gè)復(fù)位源(自動(dòng)上下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD復(fù)位)，可設(shè)置的啟動(dòng)后延時(shí)運(yùn)行程序，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。AVR單片機(jī)具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運(yùn)行（5-1.8V），抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般8位機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)工作量和硬件的使用量。AVR單片機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了單片機(jī)集多種器件(包括FLASH程序存儲(chǔ)器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI、SPI、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等)和多種功能(增強(qiáng)可靠性的復(fù)位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)

9、器、具替換功能的I/O端口 )于一身，充分體現(xiàn)了單片機(jī)技術(shù)的從“片自為戰(zhàn)”向“片上系統(tǒng)SoC”過渡的發(fā)展方向。 綜上所述，AVR單片機(jī)博采眾長(zhǎng)，又具獨(dú)特技術(shù)，不愧為8位機(jī)中的佼佼者。 編輯本段AVR 最大特點(diǎn) 哈佛結(jié)構(gòu)，具備1MIPS / MHz的高速運(yùn)行處理能力； 超功能精簡(jiǎn)指令集（RISC），具有32個(gè)通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用單一ACC進(jìn)行處理造成的瓶頸現(xiàn)象； 快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，大大優(yōu)化了目標(biāo)代碼的大小、執(zhí)行效率，部分型號(hào)FLASH非常大，特別適用于使用高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)； 作輸出時(shí)與PIC的HI/LOW相同，可輸出40mA（單一輸出），作輸入時(shí)可設(shè)置為

10、三態(tài)高阻抗輸入或帶上拉電阻輸入，具備10mA-20mA灌電流的能力； 片內(nèi)集成多種頻率的RC振蕩器、上電自動(dòng)復(fù)位、看門狗、啟動(dòng)延時(shí)等功能，外圍電路更加簡(jiǎn)單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠； 大部分AVR片上資源豐富：帶E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等； 大部分AVR除了有ISP功能外，還有IAP功能，方便升級(jí)或銷毀應(yīng)用程序 AVR系列單片機(jī)的選型AVR單片機(jī)系列齊全,可適用于各種不同場(chǎng)合的要求。AVR單片機(jī)有3個(gè)檔次: 低檔Tiny系列AVR單片機(jī): 主要有Tiny11/12/13/15/26/28等；中檔AT90S系列AVR

11、 單片機(jī): 主要有AT90S1200/2313/8515/8535等； (正在淘汰或轉(zhuǎn)型到Mega中)高檔ATmega系列AVR單片機(jī): 主要有ATmega8/16/32/64/128（ 存儲(chǔ)容量為8/16/32/64/128 KB）以及ATmega8515/8535等。AVR也是自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器的縮寫Stanford AVR SX440，AVR Studio ATMEL的AVR單片機(jī)的集成環(huán)境匯編級(jí)開發(fā)調(diào)試軟件，完全免費(fèi)。ATMEL AVR Studio(IDE) ,包括了AVR Assembler、AVR Studio調(diào)試功能、AVR Prog串行、并行下載功能和JTAG ICE仿真等功能。

12、二、逆變電路設(shè)計(jì)概述逆變電路輸出電壓基波方均根值隨外加控制信號(hào)電壓的大小作連續(xù)調(diào)節(jié)。逆變電路的基本功能固然是將直流電能改變成所需頻率的交流電能，但含逆變電路的工業(yè)特殊交流電源，除了必須具備變頻功能之外，還要求其出端電壓在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。例如，為了防止交流電動(dòng)機(jī)磁路飽和，用于變頻調(diào)速的電源輸出電壓需要與工作頻率同步調(diào)節(jié),以保持U/f值為常數(shù)（其中U 為電源輸出基波電壓方均根值,f為工作頻率）。為了適應(yīng)不同工件和工藝規(guī)范的需要，用于感應(yīng)加熱的電源輸出功率需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)（相當(dāng)于電源輸出電壓可調(diào)）。為了在電網(wǎng)和負(fù)載波動(dòng)條件下維持輸出電壓恒定，各種恒壓電源（如不停電電源等）必須具備輸出電壓

13、快速調(diào)節(jié)的功能等等。截至20世紀(jì)80年代，已發(fā)展了多種調(diào)壓方式以適應(yīng)不同場(chǎng)合的要求，主要有直流端調(diào)壓和逆變器內(nèi)部調(diào)壓兩類。1.直流端調(diào)壓 逆變輸出電壓的調(diào)節(jié)由直流電壓為可調(diào)來實(shí)現(xiàn)。這時(shí)逆變器僅具有變頻功能，而直流側(cè)則具有可控整流的功能（見相控整流電路和直流變換電路）。該功能可由以下電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)：相控整流電路；不控整流電路加直流斬波電路；斬控整流電路；交流調(diào)壓電路加不控整流電路。較常用的是前兩種。2.逆變器內(nèi)部調(diào)壓 直流端采用不控整流電路。直流電壓不變，逆變輸出電壓的調(diào)節(jié)在逆變器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。這時(shí)逆變器兼具變頻和調(diào)壓兩種功能。這種調(diào)壓方式較之直流端調(diào)壓具有主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、電壓調(diào)節(jié)動(dòng)

14、態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因而得到更多的應(yīng)用。 逆變電路內(nèi)部調(diào)壓功能以調(diào)壓范圍和線性度等工作指標(biāo)來衡量。但由于在調(diào)壓過程中也會(huì)影響逆變輸出電壓的諧波含量，而諧波含量的高低對(duì)逆變器出端濾波器容量、體積和重量、整機(jī)效率、輸出功率都有影響，因此在評(píng)價(jià)各種調(diào)壓方式時(shí)，除了考慮上述調(diào)壓功能之外，還要兼顧諧波含量的影響。常見的逆變器內(nèi)部調(diào)壓方式有以下兩種。橋內(nèi)移相調(diào)壓方式。各橋臂用自關(guān)斷元件的通用符號(hào)表示，其控制極脈沖分布狀態(tài)如圖1b。由圖可見，ug1和ug4、ug2和ug3保持相位互補(bǔ)關(guān)系, 但 ug3和ug2分別引前于ug1和ug4某一電角度，該角度在0°180°范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖1a中虛線

15、框A內(nèi)兩臂稱為基準(zhǔn)臂，B內(nèi)兩臂則稱為移相臂。改變移相臂對(duì)基準(zhǔn)臂的相位差即可改變輸出電壓波形，從而改變輸出電壓基波方均根值。對(duì)輸出電壓進(jìn)行分析，可得式中n為正奇數(shù),為脈沖寬度。上式表明，改變參數(shù)（相當(dāng)于改變相移角）,即可改變各次諧波幅值。其中基波方均根值可表示為橋內(nèi)移相調(diào)壓方式的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單,調(diào)壓線性度好,但輸出電壓諧波含量較大。 正弦脈寬調(diào)制(SPWM)調(diào)壓方式：仍以單相電壓型逆變電路為例（圖2a），為簡(jiǎn)單計(jì)，各橋臂仍用自關(guān)斷元件（如GTO、 GTR和Power MOSFET等，若采用普通晶閘管則需附加換流電路），顯然，主電路結(jié)構(gòu)與圖1完全相同，脈寬調(diào)制（英文縮寫 PWM）控制方式是高頻電力

16、電子電路常用的控制方式。在逆變電路的范圍內(nèi)，它可視為頻控方式與斬控方式的結(jié)合，其基本思路是使電路中可控元件以遠(yuǎn)高于逆變器輸出頻率 f 的載波頻率 fc開關(guān)工作,而可控元件在每一載波周期 (Tc1/fc)中的占空比D(D/Tc，為元件導(dǎo)通時(shí)間，即控制極脈沖寬度)則受控于控制信號(hào)ug的幅值，因此所謂正弦波脈寬調(diào)制（英文縮寫SPWM）是指在一個(gè)逆變周期T(T1/f)中,脈寬隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，即式中K為比例常數(shù)，是控制信號(hào)幅值。圖2b為門極脈沖的形成方式，其脈寬由載波信號(hào)uc（三角波）和調(diào)制信號(hào)ug（正弦波）的交點(diǎn)決定。圖2a橋左側(cè)虛線框A的導(dǎo)電臂稱為頻控臂（含T1和T4），由調(diào)制頻率f控制；虛線

17、框B的臂（含T2和T3）稱為斬控臂,由載波頻率fc控制。逆變橋輸出電壓u0的波形如圖2c。由圖可見，u0的脈沖個(gè)數(shù)由比值fc/f決定，u0的脈寬隨時(shí)間按正弦變化,(t)值則取決于比值/Ucm，Ucm為載波電壓信號(hào)幅值。改變實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的目的。 的值即可改變(t),從而改變逆變輸出電壓基波方均根值SPWM調(diào)壓方式的優(yōu)點(diǎn)是低次諧波含量低、調(diào)壓線性度好，但輸出電壓低，即在同一直流電壓Ud值下。三、AVR 單片機(jī)簡(jiǎn)介及芯片介紹（一）AVR 單片機(jī)簡(jiǎn)介1.AVR 系列單片機(jī)ATMEL 公司的AVR 單片機(jī)有三個(gè)系列的產(chǎn)品。為滿足不同的需求和應(yīng)用，ATMEL 公司對(duì)AVR 單片機(jī)的內(nèi)部資源進(jìn)行了相應(yīng)的擴(kuò)展和刪

18、減，推出了tinyAVR、low power AVR 和megaAVR，分別對(duì)應(yīng)低、中、高三個(gè)不同檔次數(shù)十種型號(hào)的產(chǎn)品三個(gè)系列的所有型號(hào)的AVR 單片機(jī)，其內(nèi)核都是相同的，指令系統(tǒng)兼容。只是在內(nèi)部資源的配備（存儲(chǔ)器容量的大小等）、以及片內(nèi)集成的外圍接口的數(shù)量和功能上有所不同。tinyAVR 系列的AVR 內(nèi)部的資源相對(duì)少一些，引腳也少。適合應(yīng)用在家用電器、簡(jiǎn)單的控制方面的應(yīng)用，如：空調(diào)、冰箱、微波爐、煙霧報(bào)警器等。mega 系列單片機(jī)的性能不僅優(yōu)越，同時(shí)也有非常好的性能價(jià)格比。引腳數(shù)最少(28 個(gè)引腳)的ATmega8，目前在我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的價(jià)格不超過10 元人民幣，卻有1K 的SRAM、8K

19、 的Flash、512 個(gè)字節(jié)的E2PROM，2 個(gè)8 位和1 個(gè)16 位共3 個(gè)超強(qiáng)功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以及USART、SPI、8 路10 位ADC、WDT、RTC、ISP、IAP、TWI（I2C）、片內(nèi)高精度RC 振蕩器等多種功能的接口和特性。ATmega2560 是目前AVR 中配置最全、功能最強(qiáng)的一款。它的引腳數(shù)最多(100 個(gè)引腳)，在片內(nèi)集成了8K 字節(jié)的SRAM、256K 字節(jié)的Flash、4K 字節(jié)的EEPROM，支持64K 空間的外部并行擴(kuò)展，2 個(gè)8 位和4 個(gè)16 位共6 個(gè)超強(qiáng)功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以及4 路USART、SPI、多路10 位ADC、WDT、RTC、IS

20、P、IAP、TWI（I2C）、片內(nèi)高精度RC 振蕩器等多種功能的接口和特性，適合高檔電子產(chǎn)品的應(yīng)用。AVR 采用了RISC 結(jié)構(gòu)，其在速度、內(nèi)存容量、外圍接口的集成化程度、以及向串行擴(kuò)展，更適合使用高級(jí)語(yǔ)言編程的等眾多的特性，以及其所使用的開發(fā)技術(shù)和防真調(diào)試技術(shù)等方面，都充分體現(xiàn)出和代表了當(dāng)前單片嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。也正是由于這些顯著特點(diǎn)，和具有極高的性價(jià)比，使得AVR 得到廣泛的應(yīng)用，在短時(shí)間內(nèi)成為市場(chǎng)上的主流芯片之一。四、AVR 單片機(jī)的主要特點(diǎn)AVR 單片機(jī)吸取了PIC 及8051 等單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上還作了一些重大改進(jìn)，其主要的優(yōu)點(diǎn)如下：1.程序存儲(chǔ)器為價(jià)格低廉、可擦寫1

21、 萬次以上、指令長(zhǎng)度單元為16 位(字)的FlashROM（即程序存儲(chǔ)器寬度為16 位，按8 位字節(jié)計(jì)算時(shí)應(yīng)乘2）。而數(shù)據(jù)存貯器為8 位。因此AVR 還是屬于8 位單片機(jī)。2.采用CMOS 技術(shù)和RISC 架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速(50ns)、低功耗(A)、具有SLEEP(休眠)功能。AVR 的一條指令執(zhí)行速度可達(dá)50ns(20MHz)，而耗電則在1uA2.5mA 間。AVR 采用Harvard結(jié)構(gòu)，以及一級(jí)流水線的預(yù)取指令功能，即對(duì)程序的讀取和數(shù)據(jù)的操作使用不同的數(shù)據(jù)總線，因此，當(dāng)執(zhí)行某一指令時(shí)，下一指令被預(yù)先從程序存儲(chǔ)器中取出，這使得指令可以在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)被執(zhí)行。3.高度保密?？啥啻螣龑懙腇la

22、sh 且具有多重密碼保護(hù)鎖定(LOCK)功能，因此可低價(jià)快速完成產(chǎn)品商品化，且可多次更改程序(產(chǎn)品升級(jí))，方便了系統(tǒng)調(diào)試，而且不必浪費(fèi)IC 或電路板，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量及競(jìng)爭(zhēng)力。4.工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。具有大電流1020mA(輸出電流)或40mA(吸電流)的特點(diǎn)，可直接驅(qū)動(dòng)LED、SSR 或繼電器。有看門狗定時(shí)器(WDT)安全保護(hù)，可防止程序走飛，提高產(chǎn)品的抗干擾能力。超功能精簡(jiǎn)指令。具有32 個(gè)通用工作寄存器(相當(dāng)于8051 中的32 個(gè)累加器)，克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象。片內(nèi)含有128-4K 字節(jié)SRAM，可靈活使用指令運(yùn)算，適合使用功能很強(qiáng)的C 語(yǔ)言編程，易學(xué)、易寫、易移植。5.程

23、序?qū)懭肫骷r(shí)，可以使用并行方式寫入(用編程器寫入)，也可使用串行在線下載 (ISP)、在應(yīng)用下載（IAP）方法下載寫入。也就是說不必將單片機(jī)芯片從系統(tǒng)板上拆下拿到萬用編程器上燒錄，而可直接在電路板上進(jìn)行程序的修改、燒錄等操作，方便產(chǎn)品升級(jí)，尤其是對(duì)于使用SMD 表貼封裝器件，更利于產(chǎn)品微型化。6.通用數(shù)字I/O 口的輸入輸出特性與PIC 的HI/LOW 輸出及三態(tài)高阻抗HI-Z 輸入類同，同時(shí)可設(shè)定類同與8051 結(jié)構(gòu)內(nèi)部有上拉電阻的輸入端功能，便于作為各種應(yīng)用特性所需(多功能I/O 口)，AVR 的I/O 口是真正的I/O 口，能正確反映I/O 口的輸入/輸出的真實(shí)情況。7.單片機(jī)內(nèi)集成有模

24、擬比較器，可組成廉價(jià)的A/D 轉(zhuǎn)換器。8.像8051 一樣，有多個(gè)固定中斷向量入口地址，可快速響應(yīng)中斷，而不是像PIC 一樣所有中斷都在同一向量地址，需要以程序判別后才可響應(yīng)，這會(huì)浪費(fèi)且失去控制時(shí)機(jī)的最隹機(jī)會(huì)。9.同PIC 一樣，帶有可設(shè)置的啟動(dòng)復(fù)位延時(shí)計(jì)數(shù)器。AVR 單片機(jī)內(nèi)部有電源上電啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，當(dāng)系統(tǒng)RESET 復(fù)位上電后，利用內(nèi)部的RC 看門狗定時(shí)器，可延遲MCU 正式開始讀取指令執(zhí)行程序的時(shí)間。這種延時(shí)啟動(dòng)的特性，可使MCU 在系統(tǒng)電源、外部電路達(dá)到穩(wěn)定后再正式開始執(zhí)行程序，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，同時(shí)也可節(jié)省外加的復(fù)位延時(shí)電路。10.具有多種不同方式的休眠省電功能和低功耗的工作方式

25、。11.許多AVR 單片機(jī)具有內(nèi)部的RC 振蕩器，提供1/2/4/8MHz 的工作時(shí)鐘，使該類單片機(jī)無需外加時(shí)鐘電路元器件即可工作，非常簡(jiǎn)單和方便。12.有多個(gè)帶預(yù)分頻器的8 位和16 位功能強(qiáng)大的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器（C/T），除了實(shí)現(xiàn)普通的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能外，還具有輸入捕獲、產(chǎn)生PWM 輸出等更多的功能。13.性能優(yōu)良的串行同/異步通訊USART 口，不占用定時(shí)器?？蓪?shí)現(xiàn)高速同/異步通信。14.Mega8515 及Mega128 等芯片具有可并行擴(kuò)展的外部接口，擴(kuò)展能力達(dá)64KB。15.工作電壓范圍寬2.7V6.0V，具有系統(tǒng)電源低電壓檢測(cè)功能，電源抗干擾性能強(qiáng)。16.有多通道的10 位A/D 及

26、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC。許多AVR 芯片內(nèi)部集成了8 路10 位A/D 接口，如：mega8、mega16等。17.AVR 單片機(jī)還在片內(nèi)集成了可擦寫10 萬次的EEPROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，等于又增加了一個(gè)芯片，可用于保存系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)、固定表格和掉電后的數(shù)據(jù)的保存。即方便了使用，減小了系統(tǒng)的空間，又大大提高了系統(tǒng)的保密性。五、逆變電路溫度控制系統(tǒng)方案（一）系統(tǒng)方案介紹本系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的溫度控制系統(tǒng)，以高速AVR系列單片機(jī)中的MEGA16為主控制器，采用DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)采集被控對(duì)象的溫度信息，采集到的溫度信息經(jīng)轉(zhuǎn)換后送至顯示電路進(jìn)行顯示，同時(shí)送至主控制器，主控制器根據(jù)按照預(yù)設(shè)的控制規(guī)律進(jìn)行處

27、理并輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出相應(yīng)動(dòng)作使溫度回到設(shè)定范圍并維持。溫度控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的硬件方案以單片機(jī)微控制器為核心，外接晶振，電源，復(fù)位電路，溫度測(cè)量電路，鍵盤掃描電路，顯示電路，報(bào)警電路，執(zhí)行電路等組成。硬件方案框圖如下圖所示。本系統(tǒng)的軟件方案采用PID控制規(guī)律，通過改變AVR單片機(jī)輸出PWM 波形的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行溫度控制。 主控制器模塊：系統(tǒng)核心。溫度掃描模塊：采用美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的18B20溫度傳感器，直接采集溫度信息。溫度顯示模塊：外接LED數(shù)碼管顯示測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度。鍵盤掃描模塊：設(shè)定溫

28、度最高限、最低限，設(shè)定溫度值的增加和減小功能鍵。 溫度控制執(zhí)行模塊：采用PWM對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4-1 系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)以下功能通過鍵盤設(shè)定溫度控制的范圍，溫度傳感器連續(xù)對(duì)被控對(duì)象的溫度進(jìn)行采集。1.當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到被控對(duì)象的溫度在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，散熱風(fēng)扇低速運(yùn)行，并顯示當(dāng)前溫度；2.當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到被控對(duì)象的溫度高于設(shè)定時(shí)，散熱風(fēng)扇根據(jù)主控制器的PWM波形高速運(yùn)行；并顯示當(dāng)前溫度；3.當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到被控對(duì)象的溫度低于設(shè)定時(shí)，散熱風(fēng)扇停止運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并顯示當(dāng)前溫度。六、AVR控制的逆變電路設(shè)計(jì)方案1、總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示， 逆變器系統(tǒng)由升壓電路、逆變電路、控制電

29、路和反饋電路組成。低壓直流電源DC12V經(jīng)過升壓電路升壓、整流和濾波后得到約DC170V高壓直流電，然后經(jīng)全橋逆變電路DC/AC轉(zhuǎn)換和LC濾波器濾波后得到AC110V的正弦交流電。逆變器以AVR控制器為控制核心，輸出電壓和電流的反饋信號(hào)經(jīng)反饋電路處理后進(jìn)入AVR處理器的片內(nèi)AD，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換和數(shù)字PI運(yùn)算后，生成相應(yīng)的SPWM脈沖信號(hào)，改變SPWM的調(diào)制比就能改變輸出電壓的大小，從而完成整個(gè)逆變器的閉環(huán)控制。2、SPWM方案選擇2.1、PWM電源芯片方案采用普通的PWM電源控制芯片，如SG3525、TL494、KA7500等，此類芯片的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接的產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，但是它缺點(diǎn)是波形線性不好，

30、而且振蕩發(fā)生器是依賴充放電電路而產(chǎn)生波形，當(dāng)要PWM芯片產(chǎn)生SPWM信號(hào)需要附加額外很多電路。2.2、CPU軟件方案采用CPU產(chǎn)生SPWM脈沖，如單片機(jī)、AVR或DSP等，此種方法的優(yōu)點(diǎn)是脈寬可以通過軟件的方式來調(diào)節(jié)，不僅精度較高，而且外圍電路也很簡(jiǎn)單便宜。終上所述，選擇STM32F107（AVR）完成SPWM脈沖的產(chǎn)生和整個(gè)逆變器的控制。3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 CPU控制器CPU 是整個(gè)逆變器的核心部分，主要負(fù)責(zé)反饋信號(hào)的采集、數(shù)字PI閉環(huán)計(jì)算、PWM波輸出、參數(shù)設(shè)置和外部通信。CPU采用的是ST公司最新推出的 STM32F107系列AVR芯片。該系列芯片采用AVR公司32位的Corte

31、x M3為核心，最高主頻為72MHz，Cortex核心內(nèi)部具有單周期的硬件乘法和除法單元，所以適合用于高速數(shù)據(jù)的處理。芯片具有三個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換周期，最低為1s的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，三個(gè)獨(dú)立的數(shù)模轉(zhuǎn)換器帶有各自獨(dú)立的采樣保持電路，所以特別適合三相電機(jī)控制、數(shù)字電源和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。芯片還帶有豐富的通訊單元，包括1個(gè)以太網(wǎng)接口、5個(gè)異步串行接口、1個(gè)USB從器件、1個(gè)CAN器件、I2C和SPI等模塊。3.2 驅(qū)動(dòng)和逆變電路逆變主電路如圖2所示采用基于H橋的單相全橋逆變電路。單相全橋逆變電路主要由Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)MOSFET構(gòu)成。在AC于OUT之間如果加入負(fù)載就構(gòu)成了逆變回路?？刂芉1、Q2、Q3、Q

32、4按一定的順序?qū)?、截止就能夠得到所要的正弦波形。?duì)于本設(shè)計(jì)，開關(guān)管的選擇主要以它的額定電壓和額定電流為依據(jù)。這里選擇額定電壓為500V，額定電流為20A的IRFP460N溝道增強(qiáng)型MOS管為開關(guān)管?？蓾M足設(shè)計(jì)的要求。為了限制MOSFET門極的驅(qū)動(dòng)電流，需要在門極串聯(lián)限流電阻，防止由過流導(dǎo)致的器件損壞。3.3 濾波電路經(jīng)過兩路SPWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)在負(fù)載電阻上產(chǎn)生的電壓波形是按正弦規(guī)律變化的方波。它是一個(gè)雙極性的SPWM波形。實(shí)際需要的是頻率為50Hz的正弦波，因此需要將SPWM波進(jìn)行濾波。一般的PWM逆變器采用LC低通濾波器。對(duì)于LC濾波器的設(shè)計(jì)，首先考慮濾波器的截止頻率，LC濾波器的截止頻率見

33、式 （1）。綜合考慮濾波器輸出電壓諧波失真度、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及體積、重量等因素，選取截止頻率，選取。3.4 推挽升壓電路推挽升壓電路采用兩個(gè)參數(shù)相同的MOSFET管和升壓變壓器組成，推挽變壓器的特點(diǎn)是效率高，損耗低，適用于低輸入高輸出。推挽升壓電路如圖3所示，采用兩個(gè)MOS管分別開通的結(jié)構(gòu)，選取IPRF250場(chǎng)效應(yīng)管，額定電流為30A，額定電壓為250V，在可以滿足要求的同時(shí)內(nèi)阻較小，是最為合理的選擇。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)CPU主要功能是完成閉環(huán)PI控制算法、發(fā)送SPWM脈沖、故障保護(hù)、數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程通信。系統(tǒng)軟件主要是對(duì)STM32芯片的編程，開發(fā)環(huán)境采用德國(guó)Keil公司KeiluVision4

34、軟件，編程語(yǔ)言采用C語(yǔ)言。程序由主程序和若干子程序：通信程序、采樣子程序、PWM中斷程序、顯示程序等組成。進(jìn)入PWM中斷后，首先對(duì)各路反饋信號(hào)進(jìn)行采集和處理，該流程圖如圖4 所示，然后經(jīng)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器運(yùn)算后產(chǎn)生PWM脈沖輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后驅(qū)動(dòng)MOSFET，實(shí)現(xiàn)整個(gè)逆變電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制。逆變器采用全數(shù)字控制，所有參數(shù)均能通過顯示面板進(jìn)行設(shè)置，數(shù)碼管夠?qū)崟r(shí)顯示逆變器系統(tǒng)的輸入電壓、輸入電流、輸出電流、輸出電壓、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，CPU將所有PWM脈沖全部封鎖，然后將過壓、過流、過載等故障信息顯示出來，并且蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果其中圖5（a）是CPU發(fā)出的兩路互補(bǔ)對(duì)

35、稱的SPWM脈沖波形，死區(qū)時(shí)間是3us；圖5（b）是全橋逆變電路其中一個(gè)橋臂上下MOSFET的驅(qū)動(dòng)波形；圖 5（c）是逆變器輸出交流正弦電壓波形；圖5（d）是逆變器電流輸出波形。從圖中我們可看出逆變器輸出電壓波形幾乎不失真，輸出電流THD控制在5%以內(nèi)，達(dá)到了很好的控制效果?？?結(jié)本文提出的一種AVR控制的逆變器的設(shè)計(jì)方案，是基于AVR（STM32F107）的全數(shù)字控制的逆變器，其具有高精度、小體積、全數(shù)字等特點(diǎn)，所有電源參數(shù)直接通過人機(jī)界面設(shè)定并存儲(chǔ)，并具備與上位機(jī)遠(yuǎn)程通信的功能。實(shí)驗(yàn)表明，該方案中做設(shè)計(jì)的逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)功能，當(dāng)出現(xiàn)過流、過壓、過載情況時(shí)，能夠迅速封鎖PWM脈沖和關(guān)斷MOSFET，并及時(shí)將故障信息顯示出來，實(shí)現(xiàn)了逆變器的智能化。參考文獻(xiàn)1 AVR單片機(jī)開發(fā)從入門到精通 溫正，何嘉揚(yáng)，趙志鵬編北京：中國(guó)電力出版社 20092ATmega系列單片機(jī)原理及應(yīng)用-C語(yǔ)言教程 海濤主編北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.13AVR