一種基于89C52單片機(jī)的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)*

丁 平

（92941部隊(duì) 葫蘆島 125001）

1 引言

系統(tǒng)測試是型號(hào)研制的重要環(huán)節(jié)，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過程的安全性、連續(xù)性和完整性，根據(jù)測試設(shè)備用電需求，本文提出了一種穩(wěn)壓電源裝置的設(shè)計(jì)方案，該方案以數(shù)字控制電路為核心，以可控硅［1］（電力電子功率器件）為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試設(shè)備供電電源的穩(wěn)壓和隔離功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

本文是基于89C52單片機(jī)進(jìn)行的穩(wěn)壓電源［2～4］設(shè)計(jì)，89C52單片機(jī)是INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)中基本的產(chǎn)品，具備CMOS高速、高密度和低功耗的特征。

該系統(tǒng)主要由控制模塊和交流穩(wěn)壓模塊組成，其中交流穩(wěn)壓模塊包括可控硅模塊組合及光耦隔離電路。根據(jù)測試設(shè)備的用電需求，控制模塊驅(qū)動(dòng)交流穩(wěn)壓模塊將輸出電壓調(diào)節(jié)在～220V±2%范圍內(nèi)，并通過隔離電路后端隔離變壓器對(duì)～220V電源進(jìn)行火線零線隔離并濾波，向外輸出凈化后的～220V電源。

3 總體設(shè)計(jì)方案

3.1 控制電路設(shè)計(jì)方案

以89C52單片機(jī)為核心，組成智能控制系統(tǒng)［5］，實(shí)現(xiàn)自采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換、光耦組合控制。RS232微機(jī)通訊接口具備遙測、遙控、通信功能。以A相電壓為例，智能控制電路工作原理如圖1所示。采樣電壓經(jīng)8位A/D轉(zhuǎn)化模塊為數(shù)字量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸入單片機(jī)的P1口，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)P2口連接的光耦，進(jìn)而控制相應(yīng)的Q1～Q7可控硅開關(guān)，再耦合給穩(wěn)壓模塊增強(qiáng)或減弱輸出電壓，將系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。其中Q7是市電直通的開關(guān)，起到閉環(huán)反饋起振作用，通過單片機(jī)連接的RS232，單片機(jī)與外接控制設(shè)備進(jìn)行雙向通信，達(dá)到遙測、遙控功能。交流接觸器與熱過載繼電器組成保護(hù)電路防止系統(tǒng)電流過載。

圖1 智能控制電路工作原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)［6］如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計(jì)框圖

程序開始后，啟動(dòng)通信模塊，用串口終端方式進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出和控制值輸入，然后導(dǎo)通Q7，延時(shí)穩(wěn)定后讀取P1口的電壓值，與初始化時(shí)預(yù)置的電壓控制表進(jìn)行比對(duì)，用得到的控制值控制相應(yīng)的P2端口，其后判斷P1的值是否滿足報(bào)警條件，滿足則調(diào)用子程序；如不滿足報(bào)警條件或報(bào)警子程序已返回，則調(diào)用延時(shí)子程序，最后返回到重新讀取P1值前，形成循環(huán)。此外，設(shè)計(jì)了看門狗程序，以便在程序跑飛的情況下自動(dòng)復(fù)位［7～8］。

3.3 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案

穩(wěn)壓電源工作原理圖如圖3所示。該交流穩(wěn)壓器電路由電源電壓采樣電路、補(bǔ)償電路、控制觸發(fā)隔離電路組成［9］。該交流穩(wěn)壓器的輸入電壓為188V～252V，輸出電壓為～220（1±2%）。

圖3 交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)框圖

～220V市電電源輸入到交流穩(wěn)壓電源的T1補(bǔ)償變壓器后，T3采樣變壓器對(duì)T1進(jìn)行電壓采集轉(zhuǎn)化，輸出給穩(wěn)壓控制板采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣分析，再進(jìn)過A/D轉(zhuǎn)化提供給單片機(jī)89C52。單片機(jī)根據(jù)輸入的電壓數(shù)值和人機(jī)交互的設(shè)定值，通過光耦控制模塊控制相應(yīng)可控硅處理模塊，同時(shí)控制指示報(bào)警電路。當(dāng)T1補(bǔ)償變壓器輸出電壓不在～220±2%范圍內(nèi)時(shí)，穩(wěn)壓控制板的補(bǔ)償觸發(fā)電路輸出相應(yīng)的補(bǔ)償觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)穩(wěn)壓輸出板中的可控硅改變T2調(diào)節(jié)變壓器的工作線圈匝數(shù)，進(jìn)而再補(bǔ)償T1變壓器的輸出電壓，使其穩(wěn)定在～220±2%范圍內(nèi)，完成閉環(huán)反饋的電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最后耦合給T4隔離變壓器，保證電源與負(fù)載的隔離，實(shí)現(xiàn)調(diào)整凈化后穩(wěn)定的電源電壓輸出。

3.4 電壓補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)方案

穩(wěn)壓器電路［10］原理圖如圖4所示，采用控制變壓器一次電壓來改變二次補(bǔ)償電壓，穩(wěn)壓器的輸出電壓與輸入電壓之間有如下關(guān)系：

圖4 交流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)框圖

式中，Uo為輸出電壓，V；Ui為輸入電壓，V；ΔUc為補(bǔ)償電壓，V。

穩(wěn)壓器輸入U(xiǎn)i，經(jīng)過L11的磁環(huán)濾波器，濾除電路中的高頻干擾雜波，再經(jīng)T1補(bǔ)償變壓器進(jìn)行電壓補(bǔ)償。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)或輸入電壓Ui在～220±2%范圍內(nèi)時(shí)，選通大功率可控硅Q7，不對(duì)T1變壓器輸出進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)輸入電壓Ui變化超出～220±2%范圍時(shí)，穩(wěn)壓輸出板根據(jù)補(bǔ)償觸發(fā)電路信號(hào)，相應(yīng)選通大功率Q1～Q6六組可控硅觸發(fā)電路（分別串接于調(diào)節(jié)變壓器二次電壓對(duì)應(yīng)接點(diǎn)），通過可控硅改變接入T2調(diào)節(jié)變壓器線圈匝數(shù)，T2進(jìn)而反饋補(bǔ)償T1的輸出電壓。Q1～Q3三組可控硅觸發(fā)電路提供反向補(bǔ)償，Q4～Q6三組可控硅觸發(fā)電路進(jìn)行正向補(bǔ)償，Q7不進(jìn)行補(bǔ)償。系統(tǒng)啟動(dòng)后，穩(wěn)壓輸出板首先選通Q7，進(jìn)過延時(shí)穩(wěn)定后，穩(wěn)壓控制板根據(jù)輸入電壓的采樣信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，自動(dòng)選通相應(yīng)的可控硅電路，反向補(bǔ)償輸出電壓，使其穩(wěn)定在設(shè)定精度范圍內(nèi)［11］。

T1補(bǔ)償變壓器電壓比設(shè)為110V/30V，即額定變比為11/3。當(dāng)Q6和Q1導(dǎo)通時(shí)，分別構(gòu)成了最大正補(bǔ)償電壓和最大負(fù)補(bǔ)償電壓。

例如，當(dāng)輸入電壓Ui為190V，為使得輸出電壓Uo為220V，ΔUc需為30V，補(bǔ)償變壓器一次側(cè)電壓為110V，選通Q6可控硅進(jìn)行電壓補(bǔ)償。

當(dāng)輸入電壓Ui為230V，為使得輸出電壓Uo為220V，ΔUc需為-10V，補(bǔ)償變壓器一次側(cè)電壓為-36.6V，選通Q3可控硅進(jìn)行電壓補(bǔ)償。

Q1～Q7七組可控硅觸發(fā)電路對(duì)應(yīng)電壓選通范圍如表1所示。

表1 可控硅電路電壓選通范圍對(duì)照表

3.5 過零觸發(fā)電路設(shè)計(jì)方案

交流電路雙向可控硅的觸發(fā)采用過零觸發(fā)電路，過零觸發(fā)是指當(dāng)加入觸發(fā)信號(hào)，晶閘管在交流負(fù)載電壓為零或者接近為零時(shí)，晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)斷開觸發(fā)信號(hào)，晶閘管要等到交流負(fù)載電壓為零或接近為零時(shí)才斷開。

圖5為單路晶閘管過零觸發(fā)輸出模塊的電路原理圖，該電路采用了MOC3081光電耦合器，該耦合器有6個(gè)引腳，1、2為輸入端，由單片機(jī)89C52控制；4、6為輸出端，當(dāng)單片機(jī)的P2引腳輸出脈沖信號(hào)時(shí)，光耦MOC3081的1、2引腳導(dǎo)通，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，MOC3081中的過零檢測電路檢測4、6引腳之間電壓，電壓出現(xiàn)過零則觸發(fā)可控硅，式4、6之間由斷開狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)1、2引腳之間電流消失時(shí)，4、6引腳之間由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，MOC3081 4、6引腳之間的通斷控制了可控硅1的通斷狀態(tài)，并從接線段子T1、T2輸出過零觸發(fā)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接通交流負(fù)載，對(duì)電壓進(jìn)行穩(wěn)壓輸出至調(diào)節(jié)變壓器和補(bǔ)償變壓器。為避免可控硅被擊穿，電路中在可控硅兩極間并聯(lián)一個(gè)RC阻容吸收電路，實(shí)現(xiàn)可控硅的過壓保護(hù)，C1、R1為RC阻容吸收電路［12］。

圖5 過零觸發(fā)電路工作原理圖

3.6 隔離電路設(shè)計(jì)方案

交流穩(wěn)壓電源后端為T4隔離變壓器，隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組帶電氣隔離的變壓器，其利用了電磁感應(yīng)原理，一次側(cè)、二次側(cè)繞組間有較高絕緣強(qiáng)度，以隔離不同電位抑制共模干擾，屬于安全電源；變通比為1：1，保證輸入電壓與輸出電壓參數(shù)的一致。

在穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)方案中實(shí)現(xiàn)濾波、保護(hù)、防雷的功能，即有效隔離市網(wǎng)電的雜質(zhì)，給用電設(shè)備提供純凈的電源電壓；保護(hù)工作人員人身安全，避免工作靜電干擾，如圖6所示。

圖6 隔離變壓器工作原理圖

4 結(jié)語

本文提供的穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)方案，有效保證了對(duì)電壓的穩(wěn)定調(diào)控，輸出特性良好且操作簡單，具有延時(shí)、過壓、欠壓及報(bào)警功能，交流穩(wěn)壓電源單獨(dú)封裝與電源機(jī)柜中，與測試設(shè)備連接，提高了庫房電源的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，消除了觸點(diǎn)開關(guān)所產(chǎn)生的共態(tài)電流沖擊和過電壓對(duì)測試設(shè)備的損害，保證了測試過程的安全性與可靠性。