基于可控硅的交流可调变压器.docx

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基于可控硅的交流可调变压器

[摘要]

目前使用的交流可调电压源,普遍是改变自耦变压器滑动触点位置的调压方式。

其调压精度低，响应速度慢，结构复杂,可靠性差。

本设计将探求一种新型交流调压稳压技术，用一片89C51单片机作控制器，通过采用整周波过零关断和触发技术，对自耦变压器的次级不等量输出。

绕组用双向可控硅进行组合控制，从而输出可调交流电压，由于没有滑动触点且可控硅采用过零触发，输出的交流电压波形是连续不断，且几乎不失真的，也不产生高次谐波的空间辐射。

[关键词]单片机；过零触发；可控硅开关；交流调压

[Abstract]

Atpresenttheuseoftheexchangeadjustablevoltagesource,thegeneralistochangetheauto-transformersslidingcontactlocationofthesurgeway.Surgeofitslowaccuracyinresponsetoslow,complexstructures,poorreliability.Thedesignwillexploreanewtypeofexchangeregulatorregulatortechnology,witha89C51microcontrollerforthecontroller,throughtheuseofthewholecycleoffandonthetrigger,theauto-transformersub-rangingoutput.Windingwithtwo-waycombinationofSCRcontrol,outputvoltageadjustableexchange,intheabsenceofslidingcontactandtheuseofSCRistriggered,theoutputvoltageoftheexchangewascontinuing,andreallyalmostyet,norhaveahighHarmonicspaceradiation.

[Keywords]MCU；zerotriggerSCR

Abstract:

thepresentuse'sexchangeadjustablepotentialsource,isgenerallythechangepressesthewayfromthepairtransformerslidingcontactpositionaccent.Itsaccentpressestheprecisiontobelow,thespeedofresponseisslow,thestructureiscomplex,thereliabilityisbad.Thisdesignwillseekonekindofnewexchangeaccenttopresstheconstantvoltagetechnology,makesthecontrollerwithapieceof89C51monolithicintegratedcircuit,throughusestheentirecyclezerocrossingshutdownandthetriggeringtechnology,tofrompairtransformer'ssecondarynotisometricoutput.Thewindingcarriesonthecompositecontrolwiththebidirectionalsilicon-controlledrectifier,thusoutputstheadjustablealternatingvoltage,becausedoesnothavetheslidingcontactandthesilicon-controlledrectifieruseszerocrossingtriggering,theoutputalternatingvoltageprofileiscontinuously,andnearlynotdistorted,alsodoesnotproducethehigherharmonicspaceradiation.

keyword:

MonolithicintegratedcircuitZerocrossingtriggeringSilicon-controlledrectifier

1.系统方案设计

1.1系统构成框图

1.2器件选择

1.3基本功能描述

1.4关键技术介绍

2.系统硬件电路的组成

2.1AT89c51

2.2过零检测电路

2.3给定输入电路

2.4显示输出电路

2.5可控硅调压控制电路

2.6变压器调压工作

2.7交流输出电压检测电路

2.7.1压/频变换电路LM331

2.7.2AT89c51计时系统

2.7.3检测电路分析

2.7.4自动稳压调整及计算

3.系统工作总过程

4.单片机软件设计思路

5.部分源代码

附录

1、系统方案设计

1、1系统构成框图

单片机是一种集成电路芯片，有着微处理器所不具备的功能，它可以单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能。

芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的完整的微型计算机控制系统，以及其他集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。

本设计是以单片机AT89c51芯片为核心，借助可控硅开关和其他单片机外围设备来达到数控交流调压的目的。

为了保证输出电压误差、失真较小，无高次谐波，在设计中用到了过零触发、压/频转换、光电隔离等技术。

系统构成框图如下：

图1系统构成框图

1.2器件选择

本系统在设计过程中主要选取了以下的一些器件

（1）单片机：

AT89c51

（2）光电耦合器：

TIL117

（3）锁存触发器：

74LS273，74LS74

（4）压/频变换电路：

LM331

（5）双向可控硅光电隔离器：

MOC3041

（6）四进八出译码器：

74LS139

（7）六高压输出缓冲器/驱动器：

74LS07

（8）可控硅开关及三等分抽头绕组变压器

（9）BCD码拨盘或4*4矩阵式键盘

（10）LED七段显示器：

LTS547R

（11）其它器件：

与非门驱动器：

75452；八进八出非门组74LS04；晶体二极管：

IN4148晶体三极管8550等

1.3基本功能描述

如图1所示，通过BCD拨盘或4*4键盘给定输入电路向89c51输入需求的电压值，电压范围为0~255.5V，经软件调节后分别送给调压控制电路和显示电路。

当过零检测电路作出中断判断后，系统给调压控制电路一个工作允许信号，通过译码后控制可控硅调压电路的工作。

输出电压再经降压滤波检测后送给89c51，和给定值比较后作为反馈信号再送给控制电路，进行误差调整。

最后通过LED七段显示器显示输出电压值。

1.3.1显示及给定输入

本设计中，交流控制电路和交流输出检测电路分别占用了一个外部中断端口INT0、INT1，所以没有扩展常用的外围设备8255或8279，而是直接与89c51的I/O端口相连。

输入电路扩展了更为简便的4位BCD码拨盘，同时，设计中也给出了4*4键盘输入的方案。

显示设备是4位七段共阴极LED显示器。

显示和输入设备分别按一定的方式与89c51相连。

当输入电压时，按照拨盘顺序，分别按百、十、个、分位输入电压值，每位拨盘输入范围为0~9，即二进制码0000~1001。

同时LED显示器依次显示输出电压，完成人机信息交换过程。

1.3.2变压器调压过程

变压器调压分为控制电路与工作电路。

工作电路中，变压器初级输入电压为220V交流电压，次级有4个三等分抽头的绕组和一个单绕组，每个抽头与一个双向可控硅开关相连。

在控制过程中采用了过零触发与光电隔离技术。

通过过零检测电路检测中断脉冲信号来控制电路锁存器的开断，实现过零同步。

再经译码、驱动、光电隔离器来控制可控硅开关，以达到精确调压的目的。

1.3.3交流电压检测及反馈

为了检验调压电路中电气过程是否精确、减少误差、提高产品性能，系统增加了交流输出检测与反馈这一环节。

检测电路由外部电路实现，反馈功能配合软件完成。

当输出电压经变压器降压后，用两个运放进行整流滤波，变成与交流电压成比例的直流电压信号。

同时采用压/频变化电路LM331转化为频率变化，通过光隔输入单片机。

这时系统软件再根据压频比计算出实际输出电压，与给定电压值比较，形成偏差信号，再经位置式PI运算，结果通过反馈给CPU，再次通过单片机控制相应的可控硅，从而达到自动稳压的目的。

1.4关键技术介绍

由于近年来电力电子技术的飞速发展及智能化控制的广泛应用，大多数的工业控制产品都在进行新的研发。

其中可控硅元件，单片机技术，及过零触发理念已经被国外被大多数产品成熟采用，我国的部分厂家也正在努力探求中。

本设计即从实验的角度充分采用了这些技术。

1.4.1单片机技术

单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势具有以下的技术优势。

（1）单片机长寿命这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。

这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。

一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。

、不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。

长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。

随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。

单片机速度越来越快MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。

一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多。

（2）低电压与低功耗自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3μm工艺发展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35近而实现0.2μm工艺，全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选，都使功耗不断下降。

几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。

允许使用的电源电压范围也

越来越宽。

一般单片机都能在3到6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。

低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。

0.9V供电的单片机已经问世。

（3）低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。

现在，单片机技术已经渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡等。

1.4.2可控硅控制

可控硅是一种新型的半导体器件，它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快以及使用方便等优点。

可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。

它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。

双向可控硅又称为双向晶闸管，普通晶闸管（VS）实质上属于直流控制器件。

要控制交流负载，必须将两只晶闸管反极性并联，让每只SCR控制一个半波，为此需两套独立的触发电路，使用不够方便。

双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，由于导通时通过干簧管的电流很小，时间仅几微秒，所以开关的寿命很长。

它可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。

是目前比较理想的交流开关器件。

现在，双向可控硅已广泛用于工业、交通、家用电器等领域，实现电机调速、交流开关、路灯自动开启与关闭、温度控制、台灯调光、舞台调光等多种功能，它还被用于固态继电器（SSR）和固态接触器电路中。

1.4.3过零关断及触发

过零触发是在设定时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来实现电压或功率的控制。

过零触发的主要缺点是当通断比太小时会出现低频干扰，当电网容量不够大时会出现照明闪烁、电表指针抖动等现象，通常只适用于热惯性较大的电热负载。

过零触发方式，可减小触发瞬间的冲击电流，但不能控制每个半波内的输出大小，所以不适用于对输出量的连续控制系统，一般用于可控加热，调温。

过零时有触发信号才能触发过零型光藕，因此如果不能检测过零的点就需要保证触发信号有足够的宽度。

1.4.4光电隔离技术

光电隔离电路的作用是在电隔离的情况下,以光为煤介传送信号,对输入和输出电路可以进行隔离.因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。

所谓光电隔离其实质就是一种信号的耦合过程，它采用光电耦合器来实现信号的传输过程。

光电隔离器由发光源和受光器两部分组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。

光电耦合器有四个脚，其中两个是发光二极管的脚，用万用表检测时有正反向导通的反应；另外两个就是光敏三机关的管脚，用万用表检测时没有正反向导通的反应。

两者之间通过发光二极管所发的光进行耦合，从而实现内外信号的传递。

隔离的目的是要将两股需要与对方通信的电流隔离。

可透过光电耦合器将电子信号转换成光，到了另一端再将光转换回电子信号。

用此方法，就可将两股电流完全隔离。

光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。

光电耦合器的响应速度极快，其响应延迟时间只有10μs左右，适于对响应速度要求很高的场合。

常用在组成开关电路、逻辑电路、隔离耦合电路、高压稳压电路中。

2.系统硬件电路的组成

2.1AT89c51

89c51也称AT8c51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4KB的可反复擦写的程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM）,兼容标准MCS-51指令系统,片内配置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元,功能强大的AT89c51单片机可灵活应用于各种控制领域.。

2.1.189c51内部结构

图289c51单片机基本结构

1、8位中央处理器（CPU）

（1）运算器由算术/逻辑运算单元ALU、累加器ACC、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW组成。

（2）控制器由指令寄存器IR、指令译码器ID、定时及控制逻辑电路和程序计数器PC等组成

2、内存储器

（1）程序存储器（ROM）容量为4KB，地址范围0000H~0FFFH

（2）数据存储器（RAM）容量为128B，地址范围00H~7FH

3、特殊功能寄存器（SFR），80C91内部有SP、DPTR（DPH、DPL）、PCON、IE、IP等21个特殊功能寄存器，地址范围是80H~FFH，并且离散分布。

4、89c51单片机内部集成有2个16位的定时/计数器和一套完善的中断系统。

2.1.2AT89c51的封装形式和引脚排列

1、电源及时钟引脚

（1）VCC：

电源

（2）GND：

接地

（3）XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端

（4）XTAL2：

振荡器反相放大器的输入端

2、控制线引脚 

（1）RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

（2）ALE/PROG：

当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。

在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。

另外,该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。

（3）PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。

（4）EA/VPP：

当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

图389c51引脚（PDIP封装形式）

3、I/0断口P0、P1、P2和P3

（1）P0口（P0.0~P0.7）：

通用I/O引脚或数据/地位地址总线自用引脚

（2）P1口（P1.0~P1.7）：

通用I/O引脚

（3）P2口（P2.0~P2.7）：

通用I/O引脚或高位地址总线引脚

（4）P3口（P3.0~P3.7）：

通用I/O引脚或第2功能引脚

P3口第2功能引脚：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号

2.2过零检测电路

此电路的主要用途是提供一个信号作为单片机的中断请求信号和可控硅的过零同步信号。

为了确保调压器输出完整的正弦波，避免可控硅在通断转换时对电网产生冲击，可控硅控制电路采用电压过零触发方式。

2.2.1检测电路

如图4所示，电路主要由两个反向并联的光电耦合器GD1，GD2及整形“非”门74LS04（图6）组成。

图4过零检测电路

设计中使用了由发光二极管与光电晶体管封装的光电耦合器TIL117（图5），该耦合器结构为双列直插6引脚塑封。

当电信号送人光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；当输入端无信号，发光二极管不亮光敏三极管截止，CE不通。

对于数字量，当输人为低电子"0"时，光敏三极管截止，输出为高电平"1"；当输人为高电平"1"时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平"0"。

若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。

图5光电耦合器TTL117

74LS04是由六个非门及Vcc、GND端构成的组合非们元件，在后面的电路中还要用到。

图674LS04内部结构及引脚图

图4中，调压器初级的220V交流电压经电阻R1限流后直接加到两个反向并联的TIL117两端。

在交流电源的正半周，GD1导通、GD2不导通，A点接地，输出低电平；在交流电源正弦过零的瞬间，GD1和GD2均不导通，U0电压为A点电压，输出高电平。

经过“非”门整形后，分别向74LS273，74LS74的CK端口输入高电平，即“1”信号，使74LS273，74LS74选通输入数据。

同时向89C51的INT0（外部中断0）输入低电平，即信号“0”，响应中断请求，调用中断程序，完成所需电压信号输入。

2.2.2AT89c51外部中断的控制

89C51共有5个中断源，两个外部中断源INT0、INT1（P3.2，P3.3）输入。

两个为片内的定时/计数器T0和T1的溢出中断请求源TI或RI。

这些中断请求源分别由特殊功能寄存器Tcon,Scon的相应位来锁存（见表2，其中IE为中断标志位，IT为触发标志位）这是暂时只考虑外部中断的控制。

89c51有两个外部中断源INT0、TNT1输入，并可通过IT0（Tcon.0）和IT1（Tcon.2）选择工作于哪种中断触发方式。

当IT0=0或IT1=0时为电平触发方式；当IT0=1或IT1=1时为边沿触发方式，这里选择的为电平触发方式。

CPU对所有中断的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的，1为中断允许，0为中断屏蔽。

（见表3）

表2Tcon寄存器（中断控制部分）

IE1/IE0：

中断标志位

IT1/IT0：

触发标志位

表3IE寄存器

EA：

中断允许位（总允许位）

EX0：

外部INT0中断

EX1：

外部INT1中断

2.3给定输入电路

51系列单片机一般采用两种给定输入方式，即键盘输入和拨码开关输入。

本设计中，给了两种给定输入方案。

即分别用拨码开关和4*4键盘与89c51的P1口配合来完成电压控制的初始输入。

2.3.1并行接口P1

89c51有4个8位的并行I/O接口P0、P1、P2和P3。

个借口编址于特殊功能寄存器中，既有字节地址又有位地址。

对接口锁存器的读写，就可以实现接口的输入/输出操作。

P1接口是89c51的唯一的单功能接口，仅能用作通用的数据输入/输出借口。

P1接口的位结构如图（7）所示，由1个输出锁存器、2个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成，输出驱动电路内部设有上拉电阻

图7P1口的位结构图

（1）当作为输出口时，1写入锁存器，Q非=0，T截止，内上拉电阻将输出电位拉至“1”输出1；0写入锁存器时，Q非=1。

T导通，则输出为0。

（2）当作为输入口时，锁存器置1，Q非=0，T截止，此时该位既可以由外部电路拉成低电平，也可由内部上拉电阻拉成高电平。

2.3.2BCD码拨盘工作方式

BCD拨盘开关的结构如图9所示，其功能为将1个十进制数字转换成4个二进制数字，例如0→0000；1→0001；9→1001。

每个BCD拨盘里有4个拨动开关，通过拨动开关控制四条信号线的通断。

每四条信号线有一个公共端，作为位选信号或置0端。

图9BCD码拨盘开关

拨盘输入方式的电路相对简单，如图10。

四个拨盘开关组合就可以满足设计需求。

用4个I/O接口连接拨盘的位选端提供位选信号，另4个接口连接拨盘的输出端提供给定输入信号，配合软件调节完成不同组合的所需电压输入。

图10BCD拨盘给定输入电路图

BCD码的读取采用查询工作方式。

这种工作方式是直接在空程序中插入输入信号检测子程序，主程序每执行依次则子程序执行一次。

初始状态下，将P1.0~P1.3锁存器置0,作为输出口;将P1.4~P1.7锁存器置1作为输入口。

此时，拨盘位选端为高电平，不读入信号，引脚Ｐ1.4~P