基于STC單片機電源逆變器正弦波的實現

摘 要：隨著新能源技術的不斷發展與應用，電源逆變器的應用范圍越來越廣，同時對電源輸出的波形也提出了更高的要求，需要電源波形更接近于正弦波以滿足負載的需求。為達到上述要求，本文選用STC中具有PWM功能的單片機作為核心部件，通過軟件編程的方式輸出一個PWM波形，而后通過濾波處理形成一個頻率為50Hz、誤差在0.1Hz以下的正弦波交流電。

關鍵詞：單片機；逆變器；PWM；電源

中圖分類號：TM464 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）09-0045-03

Abstract：With the development and application of new energy technology，the application range of power inverter is more and more wide，At the same time，the power output of the waveform also put forward higher requirements，which need power waveform is more close to the sine wave to meet the needs of the load. In order to achieve the above requirements，in this paper，we use PWM as the core component of STC with the function of SCM，a PWM waveform output by way of software programming，in the latter part of the filtering process is formed by an error in the frequency of 50Hz sine wave AC 0.1Hz below.

Keywords：SCM；inverter；PWM；power supply

0 引 言

隨著新能源技術的不斷發展，尤其是太陽能的廣泛應用，人們對電源逆變器的開發與應用的關注度越來越高，同時對電源逆變器的性能提出了新的要求。在電源的輸出波形上也要求要接近于正弦波或直接輸出正弦波，以滿足負載對電源波形的要求。當前在解決電源波形的正弦輸出的技術上，較為成熟的理論基礎是PWM技術。PWM技術又分為單極型和雙極型兩種調制方式，不管哪種調制方式，它的原理都是通過控制逆變電路開關器件的通斷，使輸出端得到一系列相同幅值但占空比按一定規律變化的波形，用這些脈沖波形來代替正弦波的波形，最后通過濾波電路在輸出端恢復模擬的正弦波形。因此研究電源逆變器輸出正弦波的核心問題之一便是如何產生一個符合技術要求的PWM波形。

1 硬件架構

當前，在PWM波形的產生上，有專用的PWM波形調制芯片，但是需要配上一定硬件電路，導致硬件資源開銷較大。本文選擇具有PWM波形輸出的STC12c5a60s2單片機，這是由宏晶科技生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的增強型51單片機，并且指令代碼完全兼容傳統51單片機，運行速度比傳統單片機要快8-12倍。內部集成有MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），抗干擾能力強，因此選擇該款單片機足以滿足電源逆變器輸出正弦波時對PWM波形的要求。基于該單片機電源逆變器正弦波輸出的硬件架構如圖1所示。

工作原理是：由STC12c5a60s2單片機的P1_3、P1_4引腳交替輸出PWM波形，且交替變化時間為10ms，即一個周期20ms，50Hz。通過耦合器隔離并驅動對應的橋管，輸出得到一個單極性的高壓PWM波形，并通過高壓濾波電路處理，恢復并得到模擬的50Hz電源正弦交流電給用電設備進行供電。

2 軟件實現

STC12c5a60s2單片機內部有兩個可編程計數器（PCA）模塊，均具有軟件定時器、外部脈沖的捕捉、高速輸出以及PWM輸出的功能。本文便是利用其PWM輸出功能。PWM波產生原理：P1_3、P1_4引腳輸出PWM波，其頻率固定，占空比獨立變化，變化規律與捕捉寄存器[EPCnL，CCAPnL]有關，具體如表1所示。

當CL的值由FFH變為00H溢出時，[EPCnH，CCA PnH]的數據值會自動賦值給[EPCnL，CCAPnL]，實現無干擾的改變PWM波的占空比。為使單片機的P1_3、P1_4引腳交替輸出PWM波形，需要對該單片機做如下設置。

2.1 工作寄存器設置

對PCA工作模式寄存器CMOD中的CIDL（B7）、CPS2（B3）、CPS1（B2）、CPS0（B1）以及ECP（B0）位進行設置。本文采用中斷的方式輸出PWM波，因此需要將CIDL置“1”和ECP清零處理；PWM波周期（8位）等于時鐘源周期乘以256，該單片機工作頻率設置在12MHz；為使PWM的頻率工作在超音頻以上（避免產生噪聲），故將時鐘源周期設置為系統時鐘周期，即PWM波的頻率為46.875KHz，所以將CPS2（B3）/CPS1（B2）/CPS0（B1）設置為“1/0/0”。

2.2 控制寄存器設置

PCA控制寄存器CCON中的CF（B7）位為中斷標志位，當PCA計數器陣列溢出時CF位由硬件置“1”，但是受ECP位控制，即ECP位要為“1”。中斷程序運行之前，必須采用軟件編程的方式對CF位清零。CR（B6）位，用于控制PCA計數器是否開始計數，為“1”時開啟計數器，否則關閉計數器，該位只能通過軟件的方式進行置位或清零操作。CCF1（B1）和CCF0（B0）位分別是PCA模塊1與模塊0的中斷標志位，運行中斷服務程序時，同時也要對對應的標志位進行清零處理。在編程的初始化過程中，必須對CF（B6）、CCF1（B1）和CCF0（B0）做清零處理，對CR置“1”。

2.3 比較/捕捉寄存器設置

PCA比較/捕捉寄存器有兩個，分別是CCAPM0和CCAPM1。其中CCAPM0控制PCA模塊0，CCAPM1控制PCA模塊1。以PCA模塊0為例，PWM0（B1）位是脈寬調節模式控制位。當PWM0置“1”時，允許CEX0（P1_3或P4_2）引腳用作PWM波形輸出端口；ECOM0（B6）允許比較器功能控制位，ECOM0（B6）置“1”時，打開比較器功能；CAPP0（B5）為正捕捉控制位，當該位置置“1”時，允許上升沿捕捉；CAPN0（B4）為負捕捉控制位，當該位置置“1”時，允許下降沿捕捉；MAT0（B3）為匹配控制位，該位置置“1”時，CCON寄存器的中斷標志位CCF0置位時，PCA計數器與模塊的比較/捕捉寄存器的值要匹配；ECCF0為CCF0使能中斷控制位，當該位置置“1”時，使CCON中CCF0的標志位有效，產生中斷。CCAPM1寄存器同CCAPM0，因此給CCAPM0和CCAPM1賦值63H，即8位PWM輸出，且由低變高可產生中斷。

CCAPnL和CCAPnH在PWM輸出中，用于控制輸出波形的占空比。其中，n=0、1，分別對應于模塊0和模塊1。在本文中，CCAPnL與CCAPnH值相等，且按一定規律進行變化。對于CCAPnL與CCAPnH的取值范圍確定如下：在本文中PWM波的頻率為46.875KHz，電源頻率為50Hz，在四分之一的周期內，得出PWM波形的個數為46875/200，即234.375個。取整數個波形則為234，誤差為0.16%，符合我國市電頻率誤差變化范圍，因此CCAPnL的取值范圍為12～245，即占空比變化范圍為4.3%-95.7%。

2.4 波形發生程序

3 結 論

本文中以STC12c5a60s2為核心部件，利用該單片機的兩路可編程計數器（PCA）模塊，由P1_3和P1_4引腳分別輸出兩路PWM波形，且該兩路波形可以較好地滿足電源逆變器對PWM的波形要求。從設計上充分利用了單片機的軟件優勢，大大降低了對硬件資源的依賴，同時還可以利用該單片機實現直流斬波升壓控制及其高、低壓交直流保護控制等，從而使電源逆變器的硬件電路結構更簡單、設備更智能化。

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作者簡介：肖海柳（1982.07-），女，江西新干人，副教授，碩士。研究方向：電子與通信工程及其高校教學研究；魏艷平（1982.07-），男，江西南昌人，副教授，碩士。研究方向：信號與信息處理及其高校教學研究。