恢復(fù)交流穩(wěn)壓電源的設(shè)計

摘要：介紹了用AT89C2051單片機控制二進制繞組變壓器抽頭，以構(gòu)成交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計思想。詳細闡述了二進制繞組變壓器的調(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)計思想。

關(guān)鍵詞：單片機 二進制繞組變壓 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具有二進制繞組的變壓器。當(dāng)交流電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時，計算機將根據(jù)采樣電路采得的電壓值自動選擇二進制繞組變壓器初級相應(yīng)的抽頭，以確保輸出電壓不發(fā)生變化。本設(shè)計采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機控制下的繼電器來切換二進制繞組變壓器的抽頭以實現(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。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，計算機對數(shù)據(jù)進行處理并自動選擇開關(guān)狀態(tài)后，快速切換二進制繞組變壓器的抽頭，從而保持輸出電壓的穩(wěn)定。

1.1 二進制繞組變壓器的調(diào)壓原理

圖2即為二進制繞組變壓器的調(diào)壓原理示意圖。在交流調(diào)壓系統(tǒng)中，一般將變壓器初級設(shè)計為二進制繞組，次級為普通繞組。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)計其它繞組。因此，可利用二進制繞組的不同串聯(lián)方式把二進制繞組中電壓值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，對應(yīng)匝數(shù)為n匝，最高調(diào)整電壓為128V，對應(yīng)匝數(shù)為128n匝。表1為開關(guān)狀態(tài)與二進制繞組對應(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制繞組的串聯(lián)組合，即可實現(xiàn)繞組電壓按Uo的倍數(shù)調(diào)整。

表1 開關(guān)狀態(tài)與二進制繞組所對應(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)單片機得到電網(wǎng)電壓值后，依據(jù)下式進行數(shù)據(jù)處理，即：

N1=N2Vin/220

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

這樣，就可得到變壓器初級繞組的匝數(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口的每一位都有獨立的驅(qū)動電路和光電耦合電路來控制對應(yīng)的繼電器，以實現(xiàn)二進制繞組的初級抽頭切換。

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)以上計算式和二進制繞組初級設(shè)計原理不難算出初級抽頭的電壓為191.25V。由于初級繞組中有一組50V的初始繞組，因此二進制繞組的初級抽頭電壓應(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)動電路驅(qū)動下閉合導(dǎo)通，以接通相應(yīng)的二進制繞組的初級抽頭。此時初級抽頭電壓為：

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，可確保輸出電壓維持穩(wěn)定的220V。

1.3 控制過程的時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進行觸發(fā)，在其它時刻，控制電路的輸出信號均被封鎖。由于負載的性質(zhì)不同，電流的過零點可能超前于電壓的過零點（容性負載），也可能滯后于電壓的過零點（感性負感），但因變壓器初級存在電感、電容、電阻的分布參數(shù)，所以使得初級電流的相移不會是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，取樣時間為50μs（相夠為0.9°），所以該交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)器適用于各種負載。

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)位信號給CPU，以確保系統(tǒng)可靠復(fù)位。同時與CD4060構(gòu)成看門狗電路，在程序正常運行時，CPU定時向CD4060計數(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)行不正常或系統(tǒng)死機，CPU不能定時向CD4060計數(shù)器發(fā)出清零脈沖，則CD4060將在計滿數(shù)后溢出，并輸出高電平，從而使MR端為低電平，此時RES端輸出高電平來強迫系統(tǒng)復(fù)位。

系統(tǒng)中的串行轉(zhuǎn)換芯片TLC0831與8031單片機組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來進行采樣。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鐘脈沖的控制下進行的，其模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度一般較低，圖4為其工作時序圖。

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

2 軟件設(shè)計

本程序流程框如圖5所示。加電初始化后，系統(tǒng)首先對P1口清零，經(jīng)延時采樣及數(shù)字濾波后由計算機進行數(shù)值處理運算，以在P1口輸出控制字，并在過零觸發(fā)脈沖到來時通過P1口輸出控制信號，來控制繼電器的通、斷以確定二進制繞組變壓器初級抽頭的工作狀態(tài)，從而達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%），同時對電網(wǎng)電壓變化范圍的適應(yīng)性了很強?？紤]到實際因素的影響，該調(diào)節(jié)器可對AC60～255之間的電網(wǎng)電壓進行調(diào)整，是一種較為實用的交流電網(wǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。