恢復交流穩壓電源的設計

摘要：介紹了用AT89C2051單片機控制二進(jìn)制繞組變壓器抽頭，以構成交流電網(wǎng)調節器的設計思想。詳細闡述了二進(jìn)制繞組變壓器的調壓原理，給出了智能交流電網(wǎng)調節器的工作原理和控制電路，最后還介紹了該交流電網(wǎng)調節器的軟件設計思想。

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

智能型交流電網(wǎng)調節器的主控回路是一個(gè)具有二進(jìn)制繞組的變壓器。當交流電網(wǎng)電壓發(fā)生變化時(shí)，計算機將根據采樣電路采得的電壓值自動(dòng)選擇二進(jìn)制繞組變壓器初級相應的抽頭，以確保輸出電壓不發(fā)生變化。本設計采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C2051單片機控制下的繼電器來(lái)切換二進(jìn)制繞組變壓器的抽頭以實(shí)現穩壓，該系統響應速度快，顯示信息直觀(guān)，是一種低成本、高性能的交流電網(wǎng)調節設備。

1 硬件設計原理

圖1所示是該智能交流電網(wǎng)調節器的原理框圖，該系統的核心器件為AT89C2051單片機。當電網(wǎng)電壓經(jīng)采樣電路采樣后，通過(guò)8位串行A/D轉換器TLC0831將電網(wǎng)電壓值送入AT89C2051，計算機對數據進(jìn)行處理并自動(dòng)選擇開(kāi)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定。

1.1 二進(jìn)制繞組變壓器的調壓原理

圖2即為二進(jìn)制繞組變壓器的調壓原理示意圖。在交流調壓系統中，一般將變壓器初級設計為二進(jìn)制繞組，次級為普通繞組。變壓器初始可設置為最小電壓值為Uo的基本繞組n，再根據最小位調整設計其它繞組。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整電壓，以得到最高調整電壓為的調整電壓范圍。在本系統中，繞組電壓值Uo最小為1V，對應匝數為n匝，最高調整電壓為128V，對應匝數為128n匝。表1為開(kāi)關(guān)狀態(tài)與二進(jìn)制繞組對應的電壓關(guān)系。

由表1可知，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)工作模式來(lái)選擇二進(jìn)制繞組的串聯(lián)組合，即可實(shí)現繞組電壓按Uo的倍數調整。

表1 開(kāi)關(guān)狀態(tài)與二進(jìn)制繞組所對應的電壓關(guān)系

1.2 控制電路

圖3所示為智能交流電網(wǎng)調節器的原理電路圖。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轉換器。當單片機得到電網(wǎng)電壓值后，依據下式進(jìn)行數據處理，即：

N1=N2Vin/220

式中，N1為變壓器的初級繞組數；N2為變壓器的次級繞組數；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值，然后根據N1的數值來(lái)確定開(kāi)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動(dòng)電路和光電耦合電路來(lái)控制對應的繼電器，以實(shí)現二進(jìn)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）

根據以上計算式和二進(jìn)制繞組初級設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(jìn)制繞組的初級抽頭電壓應為141.25V。所以P1口的輸出狀態(tài)為10001101，繼電器K8、K4、K3、K1在各自的驅動(dòng)電路驅動(dòng)下閉合導通，以接通相應的二進(jìn)制繞組的初級抽頭。此時(shí)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(shí)，可確保輸出電壓維持穩定的220V。

1.3 控制過(guò)程的時(shí)間分配與電流過(guò)零觸發(fā)

考慮到波形的完整與連續，繼電器必須在主回路電流過(guò)零時(shí)進(jìn)行觸發(fā)，在其它時(shí)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(guò)零點(diǎn)可能超前于電壓的過(guò)零點(diǎn)（容性負載），也可能滯后于電壓的過(guò)零點(diǎn)（感性負感），但因變壓器初級存在電感、電容、電阻的分布參數，所以使得初級電流的相移不會(huì )是90°。而A/D轉換器的采樣是在交流輸入電壓的峰值開(kāi)始的，取樣時(shí)間為50μs（相夠為0.9°），所以該交流電網(wǎng)調節器適用于各種負載。

1.4 其它電路

該調節器的其它電路包括上電復位與看門(mén)狗電路、采樣電路和電壓顯示電路等。上電復位與看門(mén)狗電路工作過(guò)程是：當系統接通電源后，由MAX708發(fā)出復位信號給CPU，以確保系統可靠復位。同時(shí)與CD4060構成看門(mén)狗電路，在程序正常運行時(shí)，CPU定時(shí)向CD4060計數器發(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；一旦程序執行不正?；蛳到y死機，CPU不能定時(shí)向CD4060計數器發(fā)出清零脈沖，則CD4060將在計滿(mǎn)數后溢出，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(lái)強迫系統復位。

系統中的串行轉換芯片TLC0831與8031單片機組成數據采集系統來(lái)進(jìn)行采樣。該串行A/D轉換芯片的模數轉換過(guò)程與數據輸出過(guò)程都是在外部時(shí)鐘脈沖的控制下進(jìn)行的，其模數據轉換速度一般較低，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直接驅動(dòng)LED數碼管來(lái)實(shí)現的，該電路非常簡(jiǎn)單，顯示亮度也很高。

2 軟件設計

本程序流程框如圖5所示。加電初始化后，系統首先對P1口清零，經(jīng)延時(shí)采樣及數字濾波后由計算機進(jìn)行數值處理運算，以在P1口輸出控制字，并在過(guò)零觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)通過(guò)P1口輸出控制信號，來(lái)控制繼電器的通、斷以確定二進(jìn)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 結束語(yǔ)

交流電網(wǎng)調節器是一種新穎的電源控制器，該系統的輸出電壓穩定度很高（低于0.5%），同時(shí)對電網(wǎng)電壓變化范圍的適應性了很強?？紤]到實(shí)際因素的影響，該調節器可對AC60～255之間的電網(wǎng)電壓進(jìn)行調整，是一種較為實(shí)用的交流電網(wǎng)調節系統。