摘要：介绍了用AT89C2051单片机控制二进制绕组变压器抽头,以构成交流电网调节器的设计思想。详细阐述了二进制绕组变压器的调压原理,给出了智能交流电网调节器的工作原理和控制电路,最后还介绍了该交流电网调节器的软件设计思想。

    关键词：单片机 二进制绕组变压 A/D采样 AT89C2051

智能型交流电网调节器的主控回路是一个具有二进制绕组的变压器。当交流电网电压发生变化时,计算机将根据采样电路采得的电压值自动选择二进制绕组变压器初级相应的抽头,以确保输出电压不发生变化。本设计采用ATMEL公司生产的AT89C2051单片机控制下的继电器来切换二进制绕组变压器的抽头以实现稳压,该系统响应速度快,显示信息直观,是一种低成本、高性能的交流电网调节设备。

1 硬件设计原理

图1所示是该智能交流电网调节器的原理框图,该系统的核心器件为AT89C2051单片机。当电网电压经采样电路采样后,通过8位串行A/D转换器TLC0831将电网电压值送入AT89C2051,计算机对数据进行处理并自动选择开关状态后,快速切换二进制绕组变压器的抽头,从而保持输出电压的稳定。

1.1 二进制绕组变压器的调压原理

图2即为二进制绕组变压器的调压原理示意图。在交流调压系统中,一般将变压器初级设计为二进制绕组,次级为普通绕组。变压器初始可设置为最小电压值为Uo的基本绕组n,再根据最小位调整设计其它绕组。因此,可利用二进制绕组的不同串联方式把二进制绕组中电压值Uo最小的绕组电压作为调整电压,以得到最高调整电压为的调整电压范围。在本系统中,绕组电压值Uo最小为1V,对应匝数为n匝,最高调整电压为128V,对应匝数为128n匝。表1为开关状态与二进制绕组对应的电压关系。

由表1可知,通过控制开关工作模式来选择二进制绕组的串联组合,即可实现绕组电压按Uo的倍数调整。

表1 开关状态与二进制绕组所对应的电压关系

1.2 控制电路

图3所示为智能交流电网调节器的原理电路图。它利用采样电路将电网电压降压后,再经滤波、分压送至TLC0831串行A/D转换器。当单片机得到电网电压值后,依据下式进行数据处理,即：

N1=N2Vin/220

式中,N1为变压器的初级绕组数;N2为变压器的次级绕组数;Vin为电网输入电压。

这样,就可得到变压器初级绕组的匝数值,然后根据N1的数值来确定开关控制输出状态,并由P1口输出。P1口的每一位都有独立的驱动电路和光电耦合电路来控制对应的继电器,以实现二进制绕组的初级抽头切换。

    若电网输入电压为165V,则可算出N1的值：

N1=N2Vin/220=0.75N2

假如N2=255(匝),则N1值为：

N1=0.75×255=191.25（匝）

根据以上计算式和二进制绕组初级设计原理不难算出初级抽头的电压为191.25V。由于初级绕组中有一组50V的初始绕组,因此二进制绕组的初级抽头电压应为141.25V。所以P1口的输出状态为10001101,继电器K8、K4、K3、K1在各自的驱动电路驱动下闭合导通,以接通相应的二进制绕组的初级抽头。此时初级抽头电压为：

128+8+4+1=141(V)

若电网输入电压为250V,不难算出P1口的输出状态为11110000,因此理论上电网输入电压在45V～263V之间变化时,可确保输出电压维持稳定的220V。

1.3 控制过程的时间分配与电流过零触发

考虑到波形的完整与连续,继电器必须在主回路电流过零时进行触发,在其它时刻,控制电路的输出信号均被封锁。由于负载的性质不同,电流的过零点可能超前于电压的过零点（容性负载）,也可能滞后于电压的过零点（感性负感）,但因变压器初级存在电感、电容、电阻的分布参数,所以使得初级电流的相移不会是90°。而A/D转换器的采样是在交流输入电压的峰值开始的,取样时间为50μs（相够为0.9°）,所以该交流电网调节器适用于各种负载。

1.4 其它电路

该调节器的其它电路包括上电复位与看门狗电路、采样电路和电压显示电路等。上电复位与看门狗电路工作过程是：当系统接通电源后,由MAX708发出复位信号给CPU,以确保系统可靠复位。同时与CD4060构成看门狗电路,在程序正常运行时,CPU定时向CD4060计数器发出清零脉冲,以使MAX708的MR端始终维持在高电平,并保证RES端输出低电平;一旦程序执行不正常或系统死机,CPU不能定时向CD4060计数器发出清零脉冲,则CD4060将在计满数后溢出,并输出高电平,从而使MR端为低电平,此时RES端输出高电平来强迫系统复位。

系统中的串行转换芯片TLC0831与8031单片机组成数据采集系统来进行采样。该串行A/D转换芯片的模数转换过程与数据输出过程都是在外部时钟脉冲的控制下进行的,其模数据转换速度一般较低,图4为其工作时序图。

电压显示电路是用串行变换芯片74LS164直接驱动LED数码管来实现的,该电路非常简单,显示亮度也很高。

2 软件设计

本程序流程框如图5所示。加电初始化后,系统首先对P1口清零,经延时采样及数字滤波后由计算机进行数值处理运算,以在P1口输出控制字,并在过零触发脉冲到来时通过P1口输出控制信号,来控制继电器的通、断以确定二进制绕组变压器初级抽头的工作状态,从而达到使输出电压维持恒定的目的。

3 结束语

交流电网调节器是一种新颖的电源控制器,该系统的输出电压稳定度很高（低于0.5%）,同时对电网电压变化范围的适应性了很强。考虑到实际因素的影响,该调节器可对AC60～255之间的电网电压进行调整,是一种较为实用的交流电网调节系统。