摘 要：随着新能源技术的不断发展与应用，电源逆变器的应用范围越来越广，同时对电源输出的波形也提出了更高的要求，需要电源波形更接近于正弦波以满足负载的需求。为达到上述要求，本文选用STC中具有PWM功能的单片机作为核心部件，通过软件编程的方式输出一个PWM波形，而后通过滤波处理形成一个频率为50Hz、误差在0.1Hz以下的正弦波交流电。
关键词：单片机；逆变器；PWM；电源
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：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
随着新能源技术的不断发展，尤其是太阳能的广泛应用，人们对电源逆变器的开发与应用的关注度越来越高，同时对电源逆变器的性能提出了新的要求。在电源的输出波形上也要求要接近于正弦波或直接输出正弦波，以满足负载对电源波形的要求。当前在解决电源波形的正弦输出的技术上，较为成熟的理论基础是PWM技术。PWM技术又分为单极型和双极型两种调制方式，不管哪种调制方式，它的原理都是通过控制逆变电路开关器件的通断，使输出端得到一系列相同幅值但占空比按一定规律变化的波形，用这些脉冲波形来代替正弦波的波形，最后通过滤波电路在输出端恢复模拟的正弦波形。因此研究电源逆变器输出正弦波的核心问题之一便是如何产生一个符合技术要求的PWM波形。
1 硬件架构
当前，在PWM波形的产生上，有专用的PWM波形调制芯片，但是需要配上一定硬件电路，导致硬件资源开销较大。本文选择具有PWM波形输出的STC12c5a60s2单片机，这是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的增强型51单片机，并且指令代码完全兼容传统51单片机，运行速度比传统单片机要快8-12倍。内部集成有MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），抗干扰能力强，因此选择该款单片机足以满足电源逆变器输出正弦波时对PWM波形的要求。基于该单片机电源逆变器正弦波输出的硬件架构如图1所示。
工作原理是：由STC12c5a60s2单片机的P1_3、P1_4引脚交替输出PWM波形，且交替变化时间为10ms，即一个周期20ms，50Hz。通过耦合器隔离并驱动对应的桥管，输出得到一个单极性的高压PWM波形，并通过高压滤波电路处理，恢复并得到模拟的50Hz电源正弦交流电给用电设备进行供电。
2 软件实现
STC12c5a60s2单片机内部有两个可编程计数器（PCA）模块，均具有软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速输出以及PWM输出的功能。本文便是利用其PWM输出功能。PWM波产生原理：P1_3、P1_4引脚输出PWM波，其频率固定，占空比独立变化，变化规律与捕捉寄存器[EPCnL，CCAPnL]有关，具体如表1所示。
当CL的值由FFH变为00H溢出时，[EPCnH，CCA PnH]的数据值会自动赋值给[EPCnL，CCAPnL]，实现无干扰的改变PWM波的占空比。为使单片机的P1_3、P1_4引脚交替输出PWM波形，需要对该单片机做如下设置。
2.1 工作寄存器设置
对PCA工作模式寄存器CMOD中的CIDL（B7）、CPS2（B3）、CPS1（B2）、CPS0（B1）以及ECP（B0）位进行设置。本文采用中断的方式输出PWM波，因此需要将CIDL置“1”和ECP清零处理；PWM波周期（8位）等于时钟源周期乘以256，该单片机工作频率设置在12MHz；为使PWM的频率工作在超音频以上（避免产生噪声），故将时钟源周期设置为系统时钟周期，即PWM波的频率为46.875KHz，所以将CPS2（B3）/CPS1（B2）/CPS0（B1）设置为“1/0/0”。
2.2 控制寄存器设置
PCA控制寄存器CCON中的CF（B7）位为中断标志位，当PCA计数器阵列溢出时CF位由硬件置“1”，但是受ECP位控制，即ECP位要为“1”。中断程序运行之前，必须采用软件编程的方式对CF位清零。CR（B6）位，用于控制PCA计数器是否开始计数，为“1”时开启计数器，否则关闭计数器，该位只能通过软件的方式进行置位或清零操作。CCF1（B1）和CCF0（B0）位分别是PCA模块1与模块0的中断标志位，运行中断服务程序时，同时也要对对应的标志位进行清零处理。在编程的初始化过程中，必须对CF（B6）、CCF1（B1）和CCF0（B0）做清零处理，对CR置“1”。
2.3 比较/捕捉寄存器设置
PCA比较/捕捉寄存器有两个，分别是CCAPM0和CCAPM1。其中CCAPM0控制PCA模块0，CCAPM1控制PCA模块1。以PCA模块0为例，PWM0（B1）位是脉宽调节模式控制位。当PWM0置“1”时，允许CEX0（P1_3或P4_2）引脚用作PWM波形输出端口；ECOM0（B6）允许比较器功能控制位，ECOM0（B6）置“1”时，打开比较器功能；CAPP0（B5）为正捕捉控制位，当该位置置“1”时，允许上升沿捕捉；CAPN0（B4）为负捕捉控制位，当该位置置“1”时，允许下降沿捕捉；MAT0（B3）为匹配控制位，该位置置“1”时，CCON寄存器的中断标志位CCF0置位时，PCA计数器与模块的比较/捕捉寄存器的值要匹配；ECCF0为CCF0使能中断控制位，当该位置置“1”时，使CCON中CCF0的标志位有效，产生中断。CCAPM1寄存器同CCAPM0，因此给CCAPM0和CCAPM1赋值63H，即8位PWM输出，且由低变高可产生中断。
CCAPnL和CCAPnH在PWM输出中，用于控制输出波形的占空比。其中，n=0、1，分别对应于模块0和模块1。在本文中，CCAPnL与CCAPnH值相等，且按一定规律进行变化。对于CCAPnL与CCAPnH的取值范围确定如下：在本文中PWM波的频率为46.875KHz，电源频率为50Hz，在四分之一的周期内，得出PWM波形的个数为46875/200，即234.375个。取整数个波形则为234，误差为0.16%，符合我国市电频率误差变化范围，因此CCAPnL的取值范围为12～245，即占空比变化范围为4.3%-95.7%。
2.4 波形发生程序
3 结 论
本文中以STC12c5a60s2为核心部件，利用该单片机的两路可编程计数器（PCA）模块，由P1_3和P1_4引脚分别输出两路PWM波形，且该两路波形可以较好地满足电源逆变器对PWM的波形要求。从设计上充分利用了单片机的软件优势，大大降低了对硬件资源的依赖，同时还可以利用该单片机实现直流斩波升压控制及其高、低压交直流保护控制等，从而使电源逆变器的硬件电路结构更简单、设备更智能化。
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作者简介：肖海柳（1982.07-），女，江西新干人，副教授，硕士。研究方向：电子与通信工程及其高校教学研究；魏艳平（1982.07-），男，江西南昌人，副教授，硕士。研究方向：信号与信息处理及其高校教学研究。
