单片机控制交流稳压器.pdf

第22 卷第 4 期华东地质学院学报Vol?22No?41999 年 12 月Journal of East China Geological InstituteSum 68收稿日期:1999-07-18单 片 机 控 制 交 流 稳 压 器付?萍?涂水林?朱?(华东地质学院信息工程系,江西临川市,344000)摘?要?阐述了以 89C2051 单片机为核心的交流稳压器的设计原理,介绍了一种高精度的电网电压测量电路。关键词?单片机;?测量;?交流稳压分类号?TN710;TP368.20?前言我国电网电压波动较大,存在着各种干扰,严重影响仪器设备及家用电器的正常工作,因此,交流稳压器就成为许多重要设备必不可少的供电设备。一般来说,自耦变压器式交流稳压器经历了从手动调节自耦变压器到用伺服电机带动调节手柄的自动稳压器,再到用逻辑电路控制切换调压抽头稳压器的过程。近年来,随着单片机的不断发展,又出现了以单片机为核心的稳压器。本文采用高精度电网电压测量技术,用单片机控制相应的双向可控硅来切换变压器的抽头,实现交流稳压。该稳压器响应速度快、动作准确可靠。1?主要技术指标及硬件结构框图输入电压:160 260 V;输出电压:220 V;稳压精度:5%;响应时间:U0时,比较器A 输出为高电平;当 Ui U0时,比较器 A 输出为低电平;当电网电压波动时,其幅值 Umax会发生变化,从而使比较器输出高电平的时间宽度 T 发生变化。如图3 所示。取电压零点为坐标原点,比较器 A 正向输入端的电压瞬时值为:Ui=Umaxsin?t若已知比较器 A 输出的高电平时间宽度为T,当推出 Ui达到分压值 V 时,则有:U0=Umaxsin?(12(T2-T0)和Umax=U0/sin?(12(T2-T0)其中,T 为电网电压周期。从而推算出电网电压值。把比较器 A 的输出接到单片机的P3.2脚,并设定定时器/计数器 0 工作在模式 1的门控方式,为 16 位的计数器。门控制位 GATE0 使定时器/计数器 T。的启动计数由INT0控制,当GATE0=1 时,TR0=1时,只有当INT0引脚输入高电平时,T0才允许计数。若单片机选用6MHz?325?第4 期?付萍等:单片机控制交流稳压器图 3?电网电压测量波形图Fig.3?Demostratiue wave of measuring the network volageMHz 晶振工作时,16 位的计数器可计量 131.072 ms,可以满足计量最多 10ms的半波宽度的要求。开放单片机的外部中断 0,并设置其边沿触发方式,使单片机在高电平脉冲结束后触发中断。中断响应后,读取高电平脉冲宽度值,并复位计数器 0,为下一次测量做准备。3?整机工作原理电源开关闭合后,变压器 B1降压后输出交流电压,经桥式整流及滤波后,作为电路中低压部分的工作电源。变压器 B2降压输出交流电压经半波整流后送比较器 A,与给定的电压值V0进行比较,产生代表网压大小的脉冲信号。89C2051 执行完初始化后,即开始对代表电网电压的脉冲宽度进行测量,并对所测数据进行滑动中值滤波和查表处理。单片机根据处理结果进行判断,如果是过压或欠压,则切断所有变压器抽头,稳压器输出 OV,用发光二极管 D3慢闪或快闪告警,并鸣响蜂鸣器。否则,接通相应的一个抽头。当过流检测电路检测到过流时,则触发外部中断 INT1。中断响应后,同样关断所有变压器抽头,点亮发光二极管 D4告警,并鸣响蜂鸣器。自耦变压器有 10个抽头,分别由 89C2051 的 P1口及 P3.0,P3.1输出控制。这 10位中在同一时刻只能有 1位为低电平,通过 MOC3041 触发双向可控硅中相应的一个,接通相应的自耦变压器抽头,达到稳压的目的。4?硬件电路设计4.1?单片机 I/O 资源分配P1.0?P1.7:控制自耦变压器的抽头;P3.0,P3.1:控制自耦变压器的抽头;P3.2(INT0):脉冲宽度信号;P3.3(INT1):过流信号;?326?华 东 地 质 学 院 学 报?1999年P3.4,P3.5:控制过压、欠压、过流指示灯;P3.7:蜂鸣器告警。4.2?电网电压幅度-脉冲宽度转换电路电网电压幅度-脉冲宽度转换电路如图 2所示。变压器 B2按一定比例对电网电压进行降压和隔离。这里选择的比例系数为 220?3,当输入市电为 160 V 时,输出为 2.18 V(峰值为3.08 V);当输入市电为 260 V 时,输出为 3.54 V(峰值为 5.01 V)。所以,选择给定值 V 为 2.5V 即可。这时 R2=R3,便于仪器器件的选择和安装。由理论计算可知,当输入市电为 160 V时,比较器A 输出高电平脉冲宽度 T 为 3.972 ms;220 V 时,T 为 5.988 ms,260 V 时,T 为 6.674 ms。4.3?负载过流检测电路负载地过流电路如图 4 所示。图 4?负载过流检测电路图Fig.4?Circuit of detecting overcurrent of load负载电流信号可以通过交流电流互感器得到,互感器输出电压经整流滤波后,接到一个简单的稳压电路中。设稳压器 D2的稳压值 U1,互感器输出电压整流滤波后的值为 Ui?,由+5V经 R5,R6分压得到的电压值为 U2,当 Ui?U1+U2时,负载出现过流现象,使比较器 B 输出为低电平,触发单片机89C2051外部中断1,对电路进行保护。U1,U2值的确定主要依据交流稳压器提供的额定功率的大小和选择有交流电流互感器的型号。4.4?互斥型双向可控硅触发控制电路互斥型双向可控硅触发控制电路如图 5所示。MOC3041 是双向可控硅输出型光电耦合器带过零触发电路。它的作用是隔离弱电系统和强电系统,触发外部的双向可控硅。它的最大输出电流为 1 A,输入端电流小于 15 mA。因为89C2051 单片机 I/O 脚可提供最大 25 mA 的灌电流,所以,可由 89C2051 的 I/O 脚直接驱动光耦。在自耦变压器的 10 个抽头中,任何时刻应该最多只有一个抽头处于接通状态,如果有两个或多个抽头处于接通状态,则会损坏仪器,这是绝对不允许的。由于该交流稳压器采用?327?第4 期?付萍等:单片机控制交流稳压器图 5?互斥型双向可控硅触发控制电路Fig.5?Control circuit of bilateral thyristors by the mode of mutual repulsion的光耦器件都是同一型号的,因此,可以使它们共用一个限流电阻 R0。限流电阻的阻值有一个选择范围,阻值太小,会使输入端电流太大,易损坏光耦器件;阻值太大,会使输入端电流太小,不能触发输出端。这里要选择出这样的一个 R0值,即使 R0可以充分提供一输出所需的驱动电流,而不能提供足够的两路以上输出的驱动电流。这样当系统上电或掉电时,即使失控,导致单片机的多个 I/O 端口处于相同的低电平,也不会出现两路以上可控硅导通的情况,因而避免了由于失控而造成的不良后果。5?软件设计软件的任务是对网压高低的脉冲宽度进行测量,对测量数据进行处理并根据最终结果输出相应的控制信号和告警信号。电路要求实时控制,采用滑动中值滤波,利用查表算法求取电网电压值。此类算法因有众多文献介绍,故而从略。其主程序流程图和中断服务程序流程图见图 6。软件编程时应注意以下几点:?为了防止电网干扰所造成的对可控硅的频繁切换,可采用三次滑动中值滤波的算法,使单个周期的电网电压变化不会引起可控硅的切换。?可控硅的切换遵循以下原则:先撤去第一个正在导通的可控硅的触发信号,必须延时一段时间再给另一个可控硅输出触发信号,而使其导通。因为可控硅的完全关断需要一定的时间。这段时间是从撤去可控硅的触发信号开始,到下一个过零点时刻为止。这样做可以避免?328?华 东 地 质 学 院 学 报?1999年图 6?主程序流程图Fig.6?Flow diagram of the main program图 7?外部中断服务程序流程图Fig.7?Flow diagram of the serviceprogram of external interrupt两个可控硅同时导通的现象出现。延时多长可以结合交流电压的波形分析,通过程序的执行时间而得出。?没有必要求出电网电压的真实值。从电网电压幅度-脉冲宽度转换电路可知,每一个电网电压值都分别对应着一个脉冲宽度。因此,可以把稳压范围 160 260 V 分成 10 个区间,求出(也可测出)每一个区间的起点电压对应的脉冲宽度,再把这些脉冲宽度信息和所对应的控制 I/O 脚标信息(共 3个字节?10 区间=30个字节)组成一个表。每次测得的脉冲宽度,经中值滤波的脉冲宽度比较,当大于或等于某一脉冲宽度所对应的控制 I/O 脚标志信息时,便控制相应的自藕变压器抽头。参 考 文 献1?冯吉才,赵喜华.高精度电网电压测量系统.电子技术,1992(5):218 2202?高尚楷.单片机控制交流稳压器的设计.微计算机信息,1995(6):36 383?周航慈,卢?瑜.输出接口中的失控现象及其对策.东南大学学报,1998(2):337 340Voltage Regulator Controlled by Single Chip MicrocomputerFu ping?Tu shuilin?Zhu min(Department Information Engineering,East China Geological Institute,Linchuan,JX 344000)Abstract?This paper expounds the design of voltage regulator,based on single chip microcomputer sys-tem.At the same time,a measurement circuit of network voltage with high accuracy has been introduced.Which has network voltage transformed into pulse length.Key words?single chip microcomputer;measure;voltage regulator?329?第4 期?付萍等:单片机控制交流稳压器