恢復(fù)交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了用AT89C2051單片機(jī)控制二進(jìn)制繞組變壓器抽頭，以構(gòu)成交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)思想。詳細(xì)闡述了二進(jìn)制繞組變壓器的調(diào)壓原理，給出了智能交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器的工作原理和控制電路，最后還介紹了該交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)思想。

關(guān)鍵詞：單片機(jī) 二進(jìn)制繞組變壓 A/D采樣 AT89C2051

智能型交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器的主控回路是一個(gè)具有二進(jìn)制繞組的變壓器。當(dāng)交流電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算機(jī)將根據(jù)采樣電路采得的電壓值自動(dòng)選擇二進(jìn)制繞組變壓器初級(jí)相應(yīng)的抽頭，以確保輸出電壓不發(fā)生變化。本設(shè)計(jì)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機(jī)控制下的繼電器來切換二進(jìn)制繞組變壓器的抽頭以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快，顯示信息直觀，是一種低成本、高性能的交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備。

1 硬件設(shè)計(jì)原理

圖1所示是該智能交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器的原理框圖，該系統(tǒng)的核心器件為AT89C2051單片機(jī)。當(dāng)電網(wǎng)電壓經(jīng)采樣電路采樣后，通過8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC0831將電網(wǎng)電壓值送入AT89C2051，計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并自動(dòng)選擇開關(guān)狀態(tài)后，快速切換二進(jìn)制繞組變壓器的抽頭，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。

1.1 二進(jìn)制繞組變壓器的調(diào)壓原理

圖2即為二進(jìn)制繞組變壓器的調(diào)壓原理示意圖。在交流調(diào)壓系統(tǒng)中，一般將變壓器初級(jí)設(shè)計(jì)為二進(jìn)制繞組，次級(jí)為普通繞組。變壓器初始可設(shè)置為最小電壓值為Uo的基本繞組n，再根據(jù)最小位調(diào)整設(shè)計(jì)其它繞組。因此，可利用二進(jìn)制繞組的不同串聯(lián)方式把二進(jìn)制繞組中電壓值Uo最小的繞組電壓作為調(diào)整電壓，以得到最高調(diào)整電壓為的調(diào)整電壓范圍。在本系統(tǒng)中，繞組電壓值Uo最小為1V，對(duì)應(yīng)匝數(shù)為n匝，最高調(diào)整電壓為128V，對(duì)應(yīng)匝數(shù)為128n匝。表1為開關(guān)狀態(tài)與二進(jìn)制繞組對(duì)應(yīng)的電壓關(guān)系。

由表1可知，通過控制開關(guān)工作模式來選擇二進(jìn)制繞組的串聯(lián)組合，即可實(shí)現(xiàn)繞組電壓按Uo的倍數(shù)調(diào)整。

表1 開關(guān)狀態(tài)與二進(jìn)制繞組所對(duì)應(yīng)的電壓關(guān)系

1.2 控制電路

圖3所示為智能交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器的原理電路圖。它利用采樣電路將電網(wǎng)電壓降壓后，再經(jīng)濾波、分壓送至TLC0831串行A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)單片機(jī)得到電網(wǎng)電壓值后，依據(jù)下式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即：

N1=N2Vin/220

式中，N1為變壓器的初級(jí)繞組數(shù)；N2為變壓器的次級(jí)繞組數(shù)；Vin為電網(wǎng)輸入電壓。

這樣，就可得到變壓器初級(jí)繞組的匝數(shù)值，然后根據(jù)N1的數(shù)值來確定開關(guān)控制輸出狀態(tài)，并由P1口輸出。P1口的每一位都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路和光電耦合電路來控制對(duì)應(yīng)的繼電器，以實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制繞組的初級(jí)抽頭切換。

若電網(wǎng)輸入電壓為165V，則可算出N1的值：

N1=N2Vin/220=0.75N2

假如N2=255(匝)，則N1值為：

N1=0.75×255=191.25（匝）

根據(jù)以上計(jì)算式和二進(jìn)制繞組初級(jí)設(shè)計(jì)原理不難算出初級(jí)抽頭的電壓為191.25V。由于初級(jí)繞組中有一組50V的初始繞組，因此二進(jìn)制繞組的初級(jí)抽頭電壓應(yīng)為141.25V。所以P1口的輸出狀態(tài)為10001101，繼電器K8、K4、K3、K1在各自的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)下閉合導(dǎo)通，以接通相應(yīng)的二進(jìn)制繞組的初級(jí)抽頭。此時(shí)初級(jí)抽頭電壓為：

128+8+4+1=141(V)

若電網(wǎng)輸入電壓為250V，不難算出P1口的輸出狀態(tài)為11110000，因此理論上電網(wǎng)輸入電壓在45V～263V之間變化時(shí)，可確保輸出電壓維持穩(wěn)定的220V。

1.3 控制過程的時(shí)間分配與電流過零觸發(fā)

考慮到波形的完整與連續(xù)，繼電器必須在主回路電流過零時(shí)進(jìn)行觸發(fā)，在其它時(shí)刻，控制電路的輸出信號(hào)均被封鎖。由于負(fù)載的性質(zhì)不同，電流的過零點(diǎn)可能超前于電壓的過零點(diǎn)（容性負(fù)載），也可能滯后于電壓的過零點(diǎn)（感性負(fù)感），但因變壓器初級(jí)存在電感、電容、電阻的分布參數(shù)，所以使得初級(jí)電流的相移不會(huì)是90°。而A/D轉(zhuǎn)換器的采樣是在交流輸入電壓的峰值開始的，取樣時(shí)間為50μs（相夠?yàn)?.9°），所以該交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器適用于各種負(fù)載。

1.4 其它電路

該調(diào)節(jié)器的其它電路包括上電復(fù)位與看門狗電路、采樣電路和電壓顯示電路等。上電復(fù)位與看門狗電路工作過程是：當(dāng)系統(tǒng)接通電源后，由MAX708發(fā)出復(fù)位信號(hào)給CPU，以確保系統(tǒng)可靠復(fù)位。同時(shí)與CD4060構(gòu)成看門狗電路，在程序正常運(yùn)行時(shí)，CPU定時(shí)向CD4060計(jì)數(shù)器發(fā)出清零脈沖，以使MAX708的MR端始終維持在高電平，并保證RES端輸出低電平；一旦程序執(zhí)行不正?；蛳到y(tǒng)死機(jī)，CPU不能定時(shí)向CD4060計(jì)數(shù)器發(fā)出清零脈沖，則CD4060將在計(jì)滿數(shù)后溢出，并輸出高電平，從而使MR端為低電平，此時(shí)RES端輸出高電平來強(qiáng)迫系統(tǒng)復(fù)位。

系統(tǒng)中的串行轉(zhuǎn)換芯片TLC0831與8031單片機(jī)組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來進(jìn)行采樣。該串行A/D轉(zhuǎn)換芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程與數(shù)據(jù)輸出過程都是在外部時(shí)鐘脈沖的控制下進(jìn)行的，其模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度一般較低，圖4為其工作時(shí)序圖。

電壓顯示電路是用串行變換芯片74LS164直接驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)的，該電路非常簡(jiǎn)單，顯示亮度也很高。

2 軟件設(shè)計(jì)

本程序流程框如圖5所示。加電初始化后，系統(tǒng)首先對(duì)P1口清零，經(jīng)延時(shí)采樣及數(shù)字濾波后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值處理運(yùn)算，以在P1口輸出控制字，并在過零觸發(fā)脈沖到來時(shí)通過P1口輸出控制信號(hào)，來控制繼電器的通、斷以確定二進(jìn)制繞組變壓器初級(jí)抽頭的工作狀態(tài)，從而達(dá)到使輸出電壓維持恒定的目的。

3 結(jié)束語

交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器是一種新穎的電源控制器，該系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定度很高（低于0.5%），同時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓變化范圍的適應(yīng)性了很強(qiáng)?？紤]到實(shí)際因素的影響，該調(diào)節(jié)器可對(duì)AC60～255之間的電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)整，是一種較為實(shí)用的交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。