单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统的设计和实现
这次毕业设计，以单片机为基础，去实现晶闸管的直流调压控制从而达到调压范围0-220V，输出电流要求大于等于1A的模糊控制系统，很大程度上能够学习研究晶闸管功能的开发利用，以及在当下模拟电路，数字电路为主的大环境下，能够体现其意义。本系统以AVR单片机作为控制核心,以模糊控制为主要的控制思想。介绍了一种利用MEGA16系列单片机控制的可调节控制角的三相半控桥可控硅整流触发器。3组触发脉冲是由软件控制产生的，通过调节控制角达到效果。导通角的大小决定了电压的大小。通过MEGA16单片机自带的ADC转化采集电路数据，经过模糊处理加以控制。同时，采集到的数据输出到数码管上显示。以单片机为核心电路易于实现,成本低.该系统结构简单,参数调整灵活,控制效果良好,具有一定的使用价值.论文从硬件模块和软件模块入手，以控制思想和实现功能为目的，充分利用了单片机的简易但有效的特点，再加以提前预防，保护电路的思想进行电路的设计和模块功能的仿真.最终基本实现了实验的可行性操作。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 III
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的研究内容章节安排 2
第2章 系统硬件设计 4
2.1 单片机的选择和介绍 4
2.2 整流电源模块的设计 9
2.3 触发电路模块 13
2.4 信号发生模块 15
2.5 数据采集模块 16
2.6 反馈传输模块 17
2.7 电压显示模块 19
第3章 系统软件设计 22
3.1 系统软件整体框图 22
3.2 系统开发平台 22
3.3 触发模块 23
3.4 数据采集模块 28
3.5 模糊控制程序 33
3.6 电压的数码管显示 35
第4章 运行和调试 38
4.1 常见问题分析和解决办法 38
4.2模糊控制PID算法的调试 39
4.3触发电路调试 42
第5章 总结和展
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
望 43
5.1总结 43
5.2展望 43
参考文献 45
致谢 47
附录1 图片 48
附录2 外文翻译 48
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
单片机是当下流行的一种微型集成电路芯片，一般包括了输入输出口、RAM、ROM、定时器等的一种微型但实用的控制信号芯片。[1]单片机应用越来越普遍，它的控制功能不断的强化，使用渗透到生活和工业生产的方方面面。
而作为传统的电力行业，电压的控制往往是整个行业的中心技术。传统控制是以模电为基础的，从而带来的问题就是电路复杂，不易操作。模电的控制能力还不强。在这样的背景下，如何将基于单片机模糊控制的方法融入到直流调压系统中，是非常有意义的。[2]此举可以大大提高被广泛运用于工业控制，轻工业行业，航天航空行业，汽车电子行业的电压控制和电机调速中。
虽然晶闸管由于半控性，并且触发电路相对困难的原因，已经在低压领域逐渐的被新的电力电子器件替代。[3]传统的电压控制的电力电子芯片包括晶闸管，IGBT，MOSEFT等中，前者在高压大功率领域中仍然是应用的最广泛的。
研究和设计基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统对于改善直流电压控制方法，是很有意义的。基于此，本文深入探讨研究了基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统的设计与实现。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统在当下我国得到了大量的运用。直流调压系统的主要应用是电机的调控。由于其控制的电机具有大动力，不易损坏，微型等特点，广泛用于电机的调速中。[4]国内已经自行生产了低功率晶闸管，由此延伸出来的相应的晶闸管整流器件，功率在0.4至200KV。[5]晶闸管直流调压已经开始在直流拖动，钢铁行业，机床，轻工业和航天航海领域有了一席之地。
越来越多的国内高校，研发单位，企业开始关注，生产直流调压系统的开发。数字化的调压已经不再是梦想，而是真真切切的应用到日常生产中了。不少新兴的模糊控制方法开始运用到调压系统中。当下国内比较有前景的模糊控制方法主要有参数识别，内模糊控制和各类智能控制。更多的方法正在被研究，本文单片机引入到晶闸管的电压调控是符合现今的发展方向的。
1.2.2 国外研究现状
从上世纪八十年代开始，微处理器的诞生和繁荣促进了一大批传统的模拟电力控制向数字控制的转换。[6]其中，将直流电机进行数字化的控制和调压的研究和进步也从未间断过。本文涉及的晶闸管在大功率场合被用做大型电机调控的作用一直未被取代。[7]基于此，国外也已经研发出多种模糊控制算法，相对于国内，国外基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压体统更加完善，模糊控制水平也愈发成熟。国内常见的内模糊控制阀，PID模糊控制法很多都是借鉴于国外的研究。
1.3 本文的研究内容章节安排
本文主要研究了基于单片机的晶闸管直流调压系统的设计与实现。通过对电路参数的采集得到采集数据。将采集到的数据发送到单片机处理。通过模糊PID调控做出反应。将反馈通过反馈电路作用于触发电路。从而实现调压。调压范围50V～220V，电流≥1A。基于此选择相应的软件硬件。
设计的系统主要完成了:
（1）电源模块的设计和实现。
（2）触发电路对晶闸管进行触发。
（3）采集电路中参数，传输到单片机中。
（4）通过模糊算法的PID控制方法控制导通角从而调控电压。
（5）将电压实时的用数码管显示出来。
在学习了一般基于单片机体统设计的先例之后，本文将从软硬件两个方面向大家说明了基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统的设计和实现。这符合完成设计过程中工作安排的，能够很好的体现出系统设计的整理过程，清楚的阐述这个系统的完成过程。本文任务主要有：
第1章，绪论。介绍相关背景。简要分析课题形式。研究课题意义。
第2章，系统的硬件设计。介绍课题所要涉及的相关硬件的介绍。
第3章，系统的软件设计。介绍课题中用到的软件以及一些主要的模块的主要控制程序。
第4章，运行和调试。主要是课题进行中在组合模块和功能实现中遇到的主要的一些问题和解决方案。
第5章，总结和展望。对本次设计进行总结，分析。对可以完善的改进的地方做出展望。
这是论文整体大概的论述框架，也是我书写系统的主要思路。
第2章 系统硬件设计
本章节主要说明了基于单片机的晶闸管直流调压系统的硬件整体设计结构，包括了整流电源模块的设计，触发电路模块的设计，信号发生模块，数据采集模块。各个模块之间相互连接形成的系统硬件的整体框架如图2.1。
图2.1系统硬件框图
图中是本文涉及的模块及其联系。单片机通过触发电路控制调压电路晶闸管的导通角大小。同时，信号发生模块触发晶闸管的导通。调压电路的运行产生一系列的电路参数信息，通过采集作用传输到MEGA单片机进行转换。在单片机中，通过数据的处理运算，反馈传输给调压电路使其产生相应的动作。每次采集到的数据都实时的显示到数码管上。
2.1 单片机的选择和介绍
本小节介绍系统选择的单片机。当下微型的单片系统在当下越来越流行，相对开发完善，功能强大。本文中主要选择了ATMEGA16型的单片机的功能。之所以选择MEGA16单片机，是因为MEGA16单片机自带数据采集模块，而不像80C51单片机需外接AD模块。[8]这一选择能够简化设计的数据采集模块，使硬件框架变得简单。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 III
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的研究内容章节安排 2
第2章 系统硬件设计 4
2.1 单片机的选择和介绍 4
2.2 整流电源模块的设计 9
2.3 触发电路模块 13
2.4 信号发生模块 15
2.5 数据采集模块 16
2.6 反馈传输模块 17
2.7 电压显示模块 19
第3章 系统软件设计 22
3.1 系统软件整体框图 22
3.2 系统开发平台 22
3.3 触发模块 23
3.4 数据采集模块 28
3.5 模糊控制程序 33
3.6 电压的数码管显示 35
第4章 运行和调试 38
4.1 常见问题分析和解决办法 38
4.2模糊控制PID算法的调试 39
4.3触发电路调试 42
第5章 总结和展
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
望 43
5.1总结 43
5.2展望 43
参考文献 45
致谢 47
附录1 图片 48
附录2 外文翻译 48
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
单片机是当下流行的一种微型集成电路芯片，一般包括了输入输出口、RAM、ROM、定时器等的一种微型但实用的控制信号芯片。[1]单片机应用越来越普遍，它的控制功能不断的强化，使用渗透到生活和工业生产的方方面面。
而作为传统的电力行业，电压的控制往往是整个行业的中心技术。传统控制是以模电为基础的，从而带来的问题就是电路复杂，不易操作。模电的控制能力还不强。在这样的背景下，如何将基于单片机模糊控制的方法融入到直流调压系统中，是非常有意义的。[2]此举可以大大提高被广泛运用于工业控制，轻工业行业，航天航空行业，汽车电子行业的电压控制和电机调速中。
虽然晶闸管由于半控性，并且触发电路相对困难的原因，已经在低压领域逐渐的被新的电力电子器件替代。[3]传统的电压控制的电力电子芯片包括晶闸管，IGBT，MOSEFT等中，前者在高压大功率领域中仍然是应用的最广泛的。
研究和设计基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统对于改善直流电压控制方法，是很有意义的。基于此，本文深入探讨研究了基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统的设计与实现。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统在当下我国得到了大量的运用。直流调压系统的主要应用是电机的调控。由于其控制的电机具有大动力，不易损坏，微型等特点，广泛用于电机的调速中。[4]国内已经自行生产了低功率晶闸管，由此延伸出来的相应的晶闸管整流器件，功率在0.4至200KV。[5]晶闸管直流调压已经开始在直流拖动，钢铁行业，机床，轻工业和航天航海领域有了一席之地。
越来越多的国内高校，研发单位，企业开始关注，生产直流调压系统的开发。数字化的调压已经不再是梦想，而是真真切切的应用到日常生产中了。不少新兴的模糊控制方法开始运用到调压系统中。当下国内比较有前景的模糊控制方法主要有参数识别，内模糊控制和各类智能控制。更多的方法正在被研究，本文单片机引入到晶闸管的电压调控是符合现今的发展方向的。
1.2.2 国外研究现状
从上世纪八十年代开始，微处理器的诞生和繁荣促进了一大批传统的模拟电力控制向数字控制的转换。[6]其中，将直流电机进行数字化的控制和调压的研究和进步也从未间断过。本文涉及的晶闸管在大功率场合被用做大型电机调控的作用一直未被取代。[7]基于此，国外也已经研发出多种模糊控制算法，相对于国内，国外基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压体统更加完善，模糊控制水平也愈发成熟。国内常见的内模糊控制阀，PID模糊控制法很多都是借鉴于国外的研究。
1.3 本文的研究内容章节安排
本文主要研究了基于单片机的晶闸管直流调压系统的设计与实现。通过对电路参数的采集得到采集数据。将采集到的数据发送到单片机处理。通过模糊PID调控做出反应。将反馈通过反馈电路作用于触发电路。从而实现调压。调压范围50V～220V，电流≥1A。基于此选择相应的软件硬件。
设计的系统主要完成了:
（1）电源模块的设计和实现。
（2）触发电路对晶闸管进行触发。
（3）采集电路中参数，传输到单片机中。
（4）通过模糊算法的PID控制方法控制导通角从而调控电压。
（5）将电压实时的用数码管显示出来。
在学习了一般基于单片机体统设计的先例之后，本文将从软硬件两个方面向大家说明了基于单片机模糊控制的晶闸管直流调压系统的设计和实现。这符合完成设计过程中工作安排的，能够很好的体现出系统设计的整理过程，清楚的阐述这个系统的完成过程。本文任务主要有：
第1章，绪论。介绍相关背景。简要分析课题形式。研究课题意义。
第2章，系统的硬件设计。介绍课题所要涉及的相关硬件的介绍。
第3章，系统的软件设计。介绍课题中用到的软件以及一些主要的模块的主要控制程序。
第4章，运行和调试。主要是课题进行中在组合模块和功能实现中遇到的主要的一些问题和解决方案。
第5章，总结和展望。对本次设计进行总结，分析。对可以完善的改进的地方做出展望。
这是论文整体大概的论述框架，也是我书写系统的主要思路。
第2章 系统硬件设计
本章节主要说明了基于单片机的晶闸管直流调压系统的硬件整体设计结构，包括了整流电源模块的设计，触发电路模块的设计，信号发生模块，数据采集模块。各个模块之间相互连接形成的系统硬件的整体框架如图2.1。
图2.1系统硬件框图
图中是本文涉及的模块及其联系。单片机通过触发电路控制调压电路晶闸管的导通角大小。同时，信号发生模块触发晶闸管的导通。调压电路的运行产生一系列的电路参数信息，通过采集作用传输到MEGA单片机进行转换。在单片机中，通过数据的处理运算，反馈传输给调压电路使其产生相应的动作。每次采集到的数据都实时的显示到数码管上。
2.1 单片机的选择和介绍
本小节介绍系统选择的单片机。当下微型的单片系统在当下越来越流行，相对开发完善，功能强大。本文中主要选择了ATMEGA16型的单片机的功能。之所以选择MEGA16单片机，是因为MEGA16单片机自带数据采集模块，而不像80C51单片机需外接AD模块。[8]这一选择能够简化设计的数据采集模块，使硬件框架变得简单。
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