光伏并网发电模拟装置软件设计初稿.doc

毕 业 设 计题目： 光伏并网发电模拟装置软件设计 学 生： 孙 濛 濛 学 号： 200606010204 院 （系）： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 许 德 玉 2010 年 06 月 03日光伏并网发电模拟装置软件设计摘 要 随着科学技术发展，逆变电路在生产和生活中得到了广泛的应用，光伏并网发电技术也越来越受国家的重视。在此，设计了一个光伏并网发电模拟装置，它主要由以直流稳压电源和电阻模拟的光伏电池、逆变电路（DC-AC）和滤波电路、工频变压器、反馈回路、控制系统和显示系统组成；其中,反馈回路的检测信号经MAX197模数转换后输入控制系统，通过以STC12C5A32S2单片机为控制核心的控制系统数据处理后以实现最大功率点跟踪、频率相位跟踪、并网运行、过流欠压等功能。经过测试，该装置有较高的效率，能够在误差许可范围内实现基本要求和部分发挥部分的功能，且表现出较强的鲁棒性和稳定性。另外，该装置带有友好的人机界面，操作十分方便。关键词：脉宽调制，逆变，频率相位跟踪， STC12C5A32S2单片机，MAX197，并网运行Photovoltaic Grid Power-producing Simulator Software DesignABSTRACT With science technology developing, inverter circuit has been widely applied in many field, similarly, Photovoltaic Grid Power-producing technology has attracted more and more attention. On this basis, a photovoltaic grid power-producing simulative device which is mainly composed of simulative PV, inverter circuit, power frequency transformer, feedback loop, control system and display system is designed here. In the device, the checking signal from feedback loop is sent to control system after Analog-digital conversion by AD converter MAX197, through the control system whose hardcore is STC12C5A32S2 single chip processing, the function of tracking maximum power point, tracking frequency and phase, Parallel Grid working, over-current and under-voltage protection easily comes true. The device has relatively high efficiency by carefully and accurately tested, also, it can achieve the function of basis requirement and some exerting part requirement, whats more, the device shows relatively strong robustness as well as stability.KEY WORDS: PWM, frequency and phase tracking, MAX197, Parallel Grid working, STC12C5A32S2, Electricity grid operation目 录摘要IABSTRACTII1绪论11.1 课题背景11.2 国内外太阳能应用发展现状11.3 光伏发电原理22 PWM波形工作原理42.1 PWM波形的基本原理42.2 SPWM波的生成与原理分析52.2.1 自然采样法生成SPWM波52.2.2 规则采样法生成SPWM波62.2.3 PWM型逆变电路的控制方式63 系统设计方案103.1 DC-AC模块113.1.1 SPWM波发生模块113.1.2 驱动模块143.1.3 主电路153.2 滤波电路153.3 控制模块163.4 检测模块183.4.1 AD转换模块183.4.2 欠压过流保护模块193.5 频率相位检测电路194 STC12C5A32S2系列IT单片机简介214.1 概述214.2 特性214.3 STC12C5A32S2系列单片机引脚介绍224.4 指令系统分类总结245 系统软件设计255.1 系统主流程流图255.2 AD7528子程序265.2.1 AD7528子程序流程图265.2.2 AD7528子程序265.3 MAX197子程序305.3.1 MAX197子程序流程图305.3.2 MAX197子程序315.4 LCD12864显示字符串345.4.1 LCD12864显示子程序流程图345.4.2 LCD12864显示字符串356 结论41致谢42参考文献43 1绪论1.1 课题背景随着经济的发展，环境污染日趋严重及能源危机的到来，人们迫切地认识到，要走可持续发展的道路，必须寻找一种清洁、价廉而且可循环利用的能源。太阳能既是一次能源，又是可再生的清洁能源。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1367kw/。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173, 000TW。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（3.751026W）的22亿分之一，但己高达173, OOOTW,太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。但它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，同时能节省大量不可再生能源（如，煤，石油等）。因此太阳能是一种方便、经济的能源。但必须完成从补充能源向替代能源的转变。并网逆变装置是有效利用太阳能的重要技术手段，同时该课题主要用到滤波、电力电子（逆变）等专业知识，因此，研究和开发优质价廉的高效逆变装置具有十分重要的意义。1.2 国内外太阳能应用发展现状1974年至1997年，美日等发达国家硅半导体光电池发电成本从每瓦50美元降到了5美元。此后世界各国专家大都认为，要使太阳能电站与传统电站（主要是火电站）相比具有经济竞争力，还有一段同样长的路要走，需要其成本再降低一个数量级。目前美国等国家建的利用太阳池发电的项目很多。在死海之畔有一个1979年建立的7000平方米的实验太阳池，能够为一台150千瓦发电机供热。美国计划将其盐湖总面积的8.3%（约8000平方千米）建成太阳池，为600兆瓦的发电机组供热1。俄罗斯学者在太阳池研究方面也取得了令人瞩目的进展。一家公司将其研制的太阳能喷水式推进器和喷冷式推进器与太阳池工程相结合，给太阳池附设冰槽等设施，设计出了适用于农家的新式太阳池。按这种设计，一个6到8口人的农户建一个70平方米的太阳池，便可满足其100平方米住房全年的用电需要。另一家研究机构提出了组合式太阳池电站的设计思想，即利用热泵、热管等技术将太阳能和地热、居室废热等综合利用起来，使太阳池发电的成本大大下降，在北高加索地区能与火电站竞争，并且一年四季都可用，夏天可用于空调，冬天可用于采暖。对于淡水资源缺乏的国家来说，太阳池还有另一项不可多得的好处：据专家测算，在近海浅水区建一个面积2163平方千米、深1.2米的太阳池，可为发电机组供热，并可每年产淡水2立方千米。欧美一些先进国家目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”。这是一种能将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，从而安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的促进了太阳能在新型建材产品中的应用。在发展中国家，各国也在积极发展利用太阳能。如菲律宾政府早在1999年就已批准了首个太阳能计划，在澳大利亚政府“海外援助计划”的协助下，在全国263个社区安装1000个太阳能系统。目前菲政府正在推行全球最大太阳能应用计划，整个计划耗资4800万美元。太阳能发电计划共分两期，受惠的除了民居外，还包括25个灌溉系统、97个净水及分配系统、68间学校和社区中心与35间诊所。在我国，太阳能的利用也一直是最热门的话题12。经过多年的发展，我国国内的集热器（含太阳能热水器）已成为太阳能应用最为广泛、产业化最迅速的产业之一。1998年销售总额达到了35亿元，其产量位居世界榜首。我国的太阳能产业已开始运作。中国科学院宣布启动西部行动计划，将在两年内投入2.5亿元人民币开展研究，建立若干个太阳能发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。但从整体上分析，国内太阳能利用整体起步较晚，尤其是在各种新型产品的开发、生产上还落后于国际水平，整体上仍比较落后。但随着我国政府的大力支持，目前我国在太阳能利用方面有了长足的发展。2008年的奥运会，北京成为了我国在太阳能应用方面的最大展示窗口，“新奥运”充分体现了“环保奥运、节能奥运”的新概念，奥运会场馆周围8090的路灯利用的是太阳能光伏发电技术；采用全玻璃真空太阳能集热技术，供应奥运会90的洗浴热水。在整个奥运会期间，太阳能路灯、太阳能电话，太阳能手机、太阳能无冲洗卫生间等一系列太阳能技术的应用充分体现出了我国在太阳能应用领域的发展成果。1.3 光伏发电原理太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于PN结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池2。2 PWM波形工作原理2.1 PWM波形的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，指环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅式变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如图2-1所示的三个窄脉冲形状不同，图2-1a为矩形脉冲，图2-1b为三角形脉冲，图2-1c为正弦半波脉冲，但它们的面积(即冲量)都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。当窄脉冲变为图2-1d的单位脉冲函数(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数3。 a) 矩形脉冲 b) 三角波脉冲 c) 正弦波脉冲 d) 单位脉冲函数图2-1冲量相同的脉冲上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替一个正弦半波，把图2-2a所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等，就得到图2-2b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM (Sinusoidal PWM)波形。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述脉冲的宽度即可。 图2-2 用PWM波代替正弦波较为实用的方法是采用调制的方法，即把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作为载波，因为等腰三角形上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波形相交时，如在交点时刻控制电路中开关器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。一般根据三角波载波在半个周期内方向的变化，又可以分为两种情况。三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式，如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的，这时称为双极性PWM控制方式4。2.2 SPWM波的生成与原理分析2.2.1 自然采样法生成SPWM波自然法生成SPWM波又称模拟电路法生成SPWM波，通常用模拟比较器比较生成SPWM波，如果用信号正弦波作为比较器的同相端输入信号，三角载波作为比较器的反相端输入信号，便实现了自然法生成SPWM波，如图2-3所示，比较器输出经死区形成电路即可生成带死区的SPWM波。这种方法是所有生成SPWM波方法中最精确的一种，其它方法都是与它近似等效，存在一定的等效误差。 图2-3自然采样法生成SPWM波2.2.2 规则采样法生成SPWM波规则采样法是从自然采样法演变而来的，它由经过采样的正弦波(实际上是阶梯波)与三角波相交，由交点得出脉冲宽度。这种方法只在三角波的顶点或底点位置对正弦波采样而形成阶梯波，其原理如图2-4所示:图2-4规则采样法生成SPWM波2.2.3 PWM型逆变电路的控制方式（1）单极性SPWM控制与双极性SPWM控制a)单极性SPWM控制三角波载波在半个周期内的方向只在一个方向变化，所得到的SPWM波形也只在一个方向变化的控制方式成为单极性SPWM控制方式，如图3-5所示。图中的为正弦调制波，为三角形载波。载波在的正半周为正极性的三角波，在的负半周为负极性的三角波。通过和的比较，获取SPWM 控制信号来控制图3-6主电路中开关元件的导通或关断，IGBT 的通/断发生在和的交点时刻。从而在主电路的输出端获得SPWM 输出电压。在的正半周期间，给T1始终施加开通控制信号，使其始终保持导通状态，使T2、T3始终保持关断状态，只控制T4。当时，控制T4导通，此时输出电压为+Ud；当时，控制T4关断，则负载电流通过D3续流输出电压为0V。图2-5 单极性PWM控制原理 在的负半周，使T3保持始终受控导通状态，使T1、T4一直保持关断，只控制T2。当时，控制T2导通，输出电压为；在时，使T2关断，则负载电流通过D4续流，输出电压为0V。这种调制方式中，在调制波的正、负半个周期内，三角形载波只在一个方向变化，输出电压也只在一个方向变化。输出电压波形如图3-5所示，输出的电压有、0V、三种电压值。其中的为基波分量的波形，与正弦调制电压的形状相同。图中的虚线表示中的基波分量。像这种在的半个周期内三角形载波只在单一的正极性或负极性范围内变化，所得到的SPWM 波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性SPWM 控制方式。b)双极性SPWM控制和单极性SPWM 控制方式相对应的是双极性控制方式，如果三角波载波在半个周期内的方向是在正负两个方向变化的，所得到的SPWM波形也是在两个方向变化的，这时就成为双极性SPWM控制方式，如图3-6所示。其控制和输出波形如图3-6所示。其中为正弦调制波，为三角形载波。但的波形与单极性时有明显的不同，在的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负的双极性三角波。双极性调制方式在的正、负半周控制规律相同。当时，同时给T1和T4导通信号，给T2和T3关断信号，此时若，则T1和T4导通，若，则Dl和D4导通，两种情况下输出电压均为；当时，给T2和T3导通信号，给Tl和T4关断信号，若此时，则T2和T3导通，若，则D2和D3导通，两种情况下输出电压均为。可见，在的一个周期内，输出的PWM 波只有两种电平，而不再出现单极性控制时的零电平状态。主电路的输出电压波形如图3-6所示，其幅值只有、两种。为输出的基波波形，形状与正弦调制波相同。从以上的分析可见，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。当对开关器件通/断控制的规律不同时，它们的输出PWM 波形也会出现较大的差别。 图2-6 双极性SPWM控制原理（2）同步调制与异步调制在PWM逆变电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比N= fc/fr。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM逆变电路可以有异步调制和同步调制两种控制方式。 a)异步调制载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步方式。在异步调制方式中，调制信号频率fr，变化时，通常保持载波频率fc。固定不变，因而载波比N是变化的。这样，在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，同时，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当调制信号频率较低时，载波比N较大，半周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时，载波比N就减小，半周期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大，还会出现脉冲的跳动，同时输出波形和正弦波之间的差异就变大，电路输出特性变坏。因此，在采用异步调制方式时，希一望尽量提高载波频率，以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比，改善输出特性。b)同步调制载波比N等于常数，并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。3 系统设计方案设计并制作的光伏并网发电模拟装置，其结构框图应如下5：图3-1 光伏并网发电模拟装置结构框图该系统主要由控制电路、逆变电路、滤波电路、检测回路组成，系统结构如下：图3-2 光伏并网发电模拟装置结构框图 在图中，单片机控制两个8位DA转换AD7528，用于输出两路正弦波，由于AD7528中有两路独立的DA输出，这样单片机可以比较方便地调节输出正弦波的相位和幅值；输出的正弦波和三角波比较，得两路PWM波；经过延时电路和光电隔离后，PWM波接入驱动电路，控制主回路输出电压的频率、幅值和相位，经过LC滤波电路后，输出波形就是比较标准的正弦电压波。 在检测回路中，有三个检测电路：频率相位检测电路、过流检测电路、欠压检测电路6。3.1 DC-AC模块3.1.1 SPWM波发生模块 设计调制SPWM波电路。考虑到简化设备，控制系统只输出两路路正弦波用于SPWM波调制，控制系统产生的正弦波与三角波发生器产生的三角波经过比较器的比较以后就可以得到要求的调制SPWM波。此电路设计简单、精度高、相位易于控制、波形幅值可以调节、成本较低、且功耗较小。SPWM调制波离不开正弦波产生电路和三角波发生电路。（）正弦波产生电路：为了满足SPWM波的相位、幅度、频率能够通过单片机直接进行精确控制。本电路的正弦波由单片机直接生成。首先把标准正弦波离散为n多个点，但考虑到单片机的运行速度等实际问题，实验证明最好离散为256个点。然后把这些点存储在单片机开辟的连续的存储单元中，即正弦表。最后根据频率要求，定时间输出相应的正弦值，由DA转换为对应的电压值。正弦波产生电路如图3-3所示。 AD7528是一款单芯片、双通道、8位高速数模转换器，具有出色的DAC间匹配特性。所以在图3-3中，我们用稳压管Z1为U2的A路提供了稳压源，然后通过控制A路的输出大小来控制其他三路的转化精度，从而控制了其他三路输出的正弦波的幅值。也就满足了正弦波幅值可调的要求。图3-4所示此电路单片机控制AD7528实际输出50HZ的正弦波形。图3-3 单片机正弦波产生外围电路图3-4 测试的AD7528生成的50HZ正弦波形（2）三角波生成电路：电路的设计是通过一个方波发生器和积分器构成的，如图3-5所示。U5：2过零比较构成方波发生器，而U5：2则为一积分器。图3-5 三角波生成电路图3-6 实际电路生成的三角波和方波波形3.1.2 驱动模块由于调制SPWM波驱动能力弱，不能够直接驱动MOS管的导通，故需要加驱动电路。采用集成芯片IR2110驱动。IR2110芯片具有体积小、驱动能力强、控制方便、电能利用效率高等优点，尤其突出的是采用R2110芯片能够大大减少驱动电源的个数（仅需1个），充分简化驱动电路的设计。图3-7 IR2110典型驱动电路3.1.3 主电路主电路采用MOS管6N60A构成。并且采用全桥式。在下图中，采用四个MOS管6N60A组成全桥式主电路，四路控制信号分别接G1和G2端、G3和G4端；其中，左半桥的两路控制信号反相，右半桥的两路控制信号也反相。为了避免上下管同时导通，还需要增加延时电路。采用此方案可以使电路结构清晰，输出有效值增加（为半桥式的2倍），输出电流较大，且电路的功耗较小7。图3-8 全桥式主电路3.2 滤波电路为了简化电路结构，滤波电路采用简单电路，通常采用的滤波电路设计应用LC滤波电路。采用LC滤波电路，一方面可以大大简化电路结构，实现滤波功能；另一方面，通过电感L和电容C适当匹配，可以使得输出电压相位和输入电压相位一致，方便电压相位的控制；此外LC的合理搭配还可以降低无功功率，抑制电压和电流的脉动8。3.3 控制模块 控制模块以单片机为控制核心，这部分主要是设计STC12C5A32S2外围电路，包括时钟电路、复位电路、AD电路、模拟量输入跟随电路、通讯电路等部分组成9。时钟电路是系统的核心，它决定了整个系统能否正常工作，需要尽量地靠近单片机，同时要在其围铺地以减轻干扰，图3-9为STC12C5A32S2推荐的时钟电路PCB布局。图3-9 STC12C5A32S2推荐时钟电路布局 复位电路也是确保单片机正常工作的关键电路之一，STC12C5A32S2单片机为高电平复位，因此最简单的复位电路只需在RESET引脚与电源连接一个电容和一个接地电阻即可。元件布局时应当尽量靠近 RESET 引脚，图3-10显示了STC12C5A32S2推荐的复位电路10。图3-10 STC12C5A32S2推荐复位电路 考虑到光伏并网装置工作的户外恶劣环境，复位电路选用了高电平复位微处理器专用复位芯片X5045。X5045 有上电复位、高电压复位控制、可编程看门狗定时器、4Kbit3-WIRE接口非易失性EEPROM、仅有8个引脚的封装。11 12（1）上电复位(POR)当系统上电时， X5045的上电复位电路使得RESER引脚保持250ms 激活状态。这防止了微控制器在电源稳定之前的误操作，提高了系统启动的可靠性。（2）低电压复位(LVR)工作过程中，低电压复位电路可以检测到供电电压。如果电压低于某一特定值， X5045激活RESET引脚，停止了微控制器的工作，防止意想不到的操作。如果微控制器工作电压太低，微处理器或外设就会失效，导致系统“锁死”或数据丢失。（3）看门狗定时器上电复位(POR)和低电压复位(LVR)系统出现问题，看门狗定时器帮助系统从问题中恢复出来。计数时间到，看门狗复位系统。作为软件循环的一部分，定时器计时完成前，微处理器复位看门狗定时器。如果有软件问题，如死循环或等待外部器件，看门狗定时到，就会复位微控制器。（4）复位硬件电路图3-11显示了本设计所用的复位电路。图3-11 X5045复位电路3.4 检测模块3.4.1 AD转换模块AD转换模块可以采用MAX197。MAX197是一个12位高精度逐次逼近模数转换芯片，8个模拟信号输入端口，可通过程序选择输入通道，转换时间仅需几微秒，完全满足设计要求。 图3-12 AD电路3.4.2 欠压过流保护模块电压检测电路输入端连接，经过电位器分压后输出05V电压信号，该信号号经过MAX197模数转换后接入单片机进行相应数据处理。当检测到的电压低于要求的欠压保护电压时，单片机封锁SPWM波输出，使得DC-AC模块输出电压为零，实现欠压保护功能；当电压恢复正常后，单片机开启SPWM波输出，逆变器输出恢复正常。图3-13 电压检测原理图电流检测采霍尔传感器。霍尔传感器能够间接测电流信号，当电流增加时，霍尔元件两端输出电压上升，将该信号经过运放两次反相放大后接入MAX197，经AD转换后输入单片机，单片机经过换算以后就可以检测电流；当电流值大于设定值时，单片机封锁SPWM波输出，使得DC-AC模块输出电压为零，实现过流保护功能；当电流恢复正常后，单片机开启SPWM波输出，逆变器恢复输出。图3-14 电流检测原理图3.5 频率相位检测电路模拟电网电压的参考正弦信号接入比较器LM339的反相端，LM339的同相端接地以实现过零比较，经过比较以后，LM339输出端的信号为方波信号，将该信号接入反相器经过两次反相整形后分别接入连接单片机P3.4（T0）端和P3.5（T1）端，考虑到正弦波的频率较低，采用“T”法测量，当P3.4检测到一个上升沿跳变时，同时启动计数器0，采用方式1计数，考虑到正弦波的周期为在18.2ms22.2ms之间，方式1计数溢出需要65.5ms，故无需打开计数器0中断；当下一个上升沿跳变来临时，停止计数器0，由于计数器每计数一次耗时1us，将计数器0的寄存器TH0和寄存器TL0数据取出后就可以算出频率。 频率、相位跟踪的原理图如下：图3-15 频率相位跟踪连接图当将模拟电网的频率测出以后，以模拟电网信号的频率为标准，通过单片机的数据处理后，调节单片机输出控制的正弦波频率，就可以实现频率跟踪。相位跟踪原理与频率跟踪原理比较类似，不同的是需要将两路输出信号接入一个或非门，再将或非门的输出接入单片机的外部中断0；两路信号的信号相位不同，与非门输出低电平,使单片机产生中断。此时，P3.4和P3.5不再计数，而是作为检测模拟电网的正向过零点和反馈信号的正向过零点，这样模拟电网和反馈信号的相位都可以测出，并且可以计算出两路信号的相位差。以模拟电网的相位为标准，可以计算出相位超前或滞后的时间。计算出超前或滞后的时间后，就可以通过单片机进行数据处理后，调节输出正弦波的相位，实现相位跟踪。4 STC12C5A32S2系列IT单片机简介4.1 概述STC12C5160S2/AD/PWM系列单片机是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/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。4.2 特性（1）增强型8051CPU，IT,单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。（2）工作电压：5.5V-3.3V(5V单片机)。（3）工作频率范围：0-35MHz。（4）用户应用程序空间1K/2K/4K/6K/8K/10K/12K字节（5）片上集成 512 字节 RAM(STC12C5410AD 系列), STC12C2052AD 系列单片机为256 字节RAM。（6）通用I/O口（27/23/15/个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）。可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。（7）ISP（在系统可编程）/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。（8）有EEPROM功能。（9）看门狗。（10）内部集成MAX810专用复位电路（片上集成 512外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路）。（11）时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部R/C 振荡器。（12）共2 个16 位定时器/ 计数器。（13）外部中断2 路。（14）PWM(4 路）。（15）A/D 转换, 10 位精度ADC，共8 路。STC12C2052AD 系列只有8 位精度。（16）通用全双工异步串行口(UART) 。（17）SPI 同步通信口，主模式/ 从模式。（18）工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +85。（19）封装：PLCC-32, PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，TSSOP-20 PLCC-32有27个I/O口，PDIP28/SOP28有23个I/O口，PDIP20/SOP20/TSSOP20 有15个I/O口，I/O口不够时，可用74HC595 / 74HC165串行扩展I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。STC12C5410AD系列及STC12C2052AD系列单片机是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/ 超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12 倍，内部集成MAX810 专用复位电路。4 路PWM,8 路高速10 位A/D 转换,针对电机控制，强干扰场合。STC12C2052AD 系列只有2 路PWM,8 路高速8 位A/D 转换。4.3 STC12C5A32S2系列单片机引脚介绍本系统选用的STC12C5A32S2单片机引脚分布如图4-1所示图4-1 STC12C5Axx引脚分布（1）主电源引脚VCC和Gnd。VCC（40脚）：+5V直流电源的输入端。Gnd（20脚）：接地端。（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机的内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一个引脚。在单片机的内部，接至上述振荡器反相放大器的输出端。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号；对CHMOS单片机，此引脚应悬浮。（3）控制或与其它电源复用引脚、和、（9脚）：RST是复位引脚，当此输入端保持两个机器周期(24个振荡周期）的高电平，就可以完成复位工作；VPD为备用电源输入端，在VCC掉电时为RAM供电，保持信息不丢。（30脚）：ALE是地址锁存允许信号。在访问外部存储器时，用来锁存由P0口送出的低8位地址信号，在不访问外部存储器时，ALE以振荡频率1/6的固定频率输出脉冲信号。（29脚）：外部程序存储器ROM的选通信号。在执行外部程序存储器的程序时，会自动产生信号，在访问外部数据存储器RAM或访问内部ROM时，不产生信号。（31脚）：访问外部存储器信号。当为高电平时，访问内部程序存储器，但当程序计数器PC的值超过1FFFH时（对AT89S52单片机），将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当保持低电平时，只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）P0.0P0.7（39脚32脚）：8位双向I/O口。访问外部存储器时，可分时用作低8位地址和数据总线，可作为8路AD转换使用。P1.0P1.7（1脚8脚）：8位准双向I/O口。在EPROM编程和程序验证时，接收低8位地址。P2.0P2.7（21脚28脚）：8位准双向I/O口。访问外部存储器时，输出高8位地址，对EPROM编程和程序验证时，接收高8位地址。P3.0P3.7（10脚17脚）：8位准双向I/O口。作为普通I/O口时，与P1口相同，作为第二功能使用时，每个管脚各自的功能定义如表4-1所示。表4-1 P3口第二功能定义端口管脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212（外部中断0）P3.313（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616（外部数据存储器写脉冲输出线）P3.717（外部数据存储器读脉冲输出线）4.4 指令系统分类总结STC12C5A60AD指令代码与8051指令代码完全兼容，但执行的时间效率大幅提升，其中INC DPTR指令的执行速度大幅提升24倍，共有12条指令，一个时钟就可以执行完成，平均速度快812倍13。如果按功能分类，STC12C5A60AD单片机指令系统可分为：（1）数据传送类指令；（2）算术操作类指令；（3）逻辑操作类指令；（4）控制转移类指令；（5）布尔变量操作类指令。5 系统软件设计5.1 系统主流程流图光伏并网发电模拟装置软件系统采用模块化程序设计。从结构上看，系统控制软件主要包括主程序，过流保护子程序，欠压保护子程序，按键子程序，频率调整子程序，相位调整子程序等14 15。 图5-1 系统主流程图5.2 AD7528子程序5.2.1 AD7528子程序流程图图5-2 AD7528子程序流程图5.2.2 AD7528子程序#ifndef AD7528#define AD7528#define DA_AD7528 P0char code sin_table256=0x80,0x83,0x86,0x89,0x8c,0x8f,0x92,0x95,0x98,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae, 0xb0,0xb3,0xb6,0xb9,0xbc,0xbf,0xc1,0xc4,0xc7,0xc9,0xcc,0xce,0xd1,0xd3,0xd5,0xd8, 0xda,0xdc,0xde,0xe0,0xe2,0xe4,0xe6,0xe8,0xea,0xec,0xed,0xef,0xf0,0xf2,0xf3,0xf4, 0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfc,0xfd,0xfe,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfe,0xfd,0xfc,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7, 0xf6,0xf5,0xf3,0xf2,0xf0,0xef,0xed,0xec,0xea,0xe8,0xe6,0xe4,0xe3,0xe1,0xde,0xdc, 0xda,0xd8,0xd6,0xd3,0xd1,0xce,0xcc,0xc9,0xc7,0xc4,0xc1,0xbf,0xbc,0xb9,0xb6,0xb4, 0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x92,0x8f,0x8c,0x89,0x86,0x83, 0x80,0x7d,0x79,0x76,0x73,0x70,0x6d,0x6a,0x67,0x64,0x61,0x5e,0x5b,0x58,0x55,0x52, 0x4f,0x4c,0x49,0x46,0x43,0x41,0x3e,0x3b,0x39,0x36,0x33,0x31,0x2e,0x2c,0x2a,0x27, 0x25,0x23,0x21,0x1f,0x1d,0x1b,0x19,0x17,0x15,0x14,0x12,0x10,0x0f,0x0d,0x0c,0x0b, 0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x03,0x02,0x01,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08, 0x09,0x0a,0x0c,0x0d,0x0e,0x10,0x12,0x13,0x15,0x17,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x23, 0x25,0x27,0x29,0x2c,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3b,0x3d,0x40,0x43,0x46,0x48,0x4b, 0x4e,0x51,0x54,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66,0x69,0x6c,0x6f,0x73,0x76,0x79,0x7c;sbit CS1_AD7528=P25;sbit CS2_AD7528=P26;sbit DACA_B =P24;sbit WR_AD7528=P27;unsigned char REF=0; /幅值变量unsigned int sin;/相位变量void Init_AD7528()EA=1;ET0=1;TMOD|=0x02;/频率变量TH0=0x64;TL0=0x64;TR0=1;void Sin_wave(unsigned char CS,uns