调压器系统设计

SHANDONG毕业设计说明书调压器系统设计学 院：电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 李海涛 学 号： 0812103666 指导教师： 解红军 2012年 6月摘要摘要本设计在分析了调压器的设计目标后，根据实际的设计情况，设计出了以ATMEL公司生产的AT89C52为控制中心的整体方案。在该总体思路下，设计出了模块化的部分电路，直流稳压电源模块、模/数转换模块、电压电流采集模块、脉冲触发模块、LED显示模块、按键模块等。本设计要求电压在0-220V的电压范围内连续可调，用键盘进行增减调节就可以实现设计的需要。这次设计的重点是电压的控制，根据输入单片机的设定的温度，经过A/D转换将电压转变成数字信号输入到单片机，然后经过过零检测电路模块，根据设定的电压值在不同的时间对双向可控硅进行脉冲触发，从而得到不同的电压有效值，满足各种生产的需要。该系统的硬件采用模块化设计，以AT89C52单片机为核心，与过零检测电路、模/数转换电路、键盘电路、LED显示电路等构成一个电压电流检测及控制系统。该系统硬件主要包括以下几个模块：电源模块、AT89C52主控模块、模/数转换模块、电压电流采集模块、脉冲触发模块、LED显示模块、按键模块等。其中单片机主要完成对外围硬件的控制及一些运算功能；模/数模块主要由模/数芯片组成完成对电压电流信号的转换，脉冲触发模块的产生脉冲触发信号触发可控硅导通，从而达到调节电压的目的。硬件设计的原理图用Protel画图实现。该系统的应用软件件采用模块化设计，该系统的软件包括：主程序、模数转换子程序、按键扫描子程序、LED显示子程序等模块组成。总之，该调压器系统通过硬件与软件的配合达到设计要求，完成电压连续调节。关键词：AT89C52单片机 ；调压器；可控硅 -II- AbstractAbstract After anglicizing of the design goals of the regulator, the design devices the whole scheme using AT89C52 control center produced by ATMEL Corporation, according to the actual fact. Under the general idea, we design modular parts of the circuits, Paul DC power supply module, A / D converter module, voltage and current acquisition modules, pulse trigger module, LED display module, keypad module etc. The design requires the voltage is continuously adjustable in the voltage range of 0 220V , using the keyboard to increase or decrease in adjustment can achieve the design needs. The design of the focus on voltage control, the A / D conversion according to the set temperature of the inputted microcontroller transforms from voltage into a digital signal and input to the MCU, then after the zero-crossing detection circuit module, according to the set temperature value ,MCU exports the triac trigger pulse in different the time, resulting in different voltage valid values , to meet the needs of a variety of production.The system hardware includes the following modules: AT89C52 master module, the power supply module, analog/digital converter module, voltage and current acquisition modules, pulse trigger module, LED display module, and key module. MCU completes the control of peripheral hardware and computing capabilities; analog / digital modules mainly the A / D chip completes the conversion of voltage and current signals, pulse trigger module produces pulse trigger signal to trigger the thyristor, so as to achieve the purpose of voltage regulation. We can draw the hardware design schematics with ProtelThe application software is modular in design, the system software includes: the main program, subroutine analog to digital conversion, key scan subroutine, the LED display subroutine module etc.Keyword: AT89C52; regulator; silicon controlled rectif -44-目录 目录摘要IAbstractII第一章 前言11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的意义11.3 课题研究的内容11.3.1 调压器系统的硬件设计2第二章 调压器系统概述32.1 调压器系统的主要原理及功能32.2 主要设计技术指标与参数32.3 方案的比较与选择42.3.1 复位电路的选择42.3.2 模数转换元件的选择4第三章 调压器系统的硬件设计63.1 主控制芯片AT89C52单片机简介63.1.1 AT89C52主要性能特性63.1.2 AT89C52功能特征描述63.1.3 AT89C52引脚结构63.1.4 看门狗定时器93.1.5 晶振特性93.1.6 定时器103.2 直流稳压电源模块的设计113.2.1 直流稳压电源的组成113.2.2 直流稳压电源各部分原理113.3 数据A/D转换模块的硬件设计143.3.1 数据采集模块的硬件设计143.3.2 A/D转换模块的硬件设计143.4.3 A/D转换模块电路图173.3过零检测模块的硬件设计193.4.1 LM339的引脚图与功能简介193.4.2 过零检测模块的电路图203.5 脉冲触发模块的硬件设计213.5.1 光电耦合芯片MOC3041的简介213.5.2 双向可控硅KS100的简介223.5复位模块的硬件设计233.5.1 MAX813L芯片的主要性能特点233.5.2 MAX813L的引脚及功能233.5.3MAX813L复位电路的电路图243.6 显示电路模块的设计253.6.1 数码管显示原理253.6.2 数码管的驱动方式263.6.3 数码管显示电路的电路图263.7按键电路模块设计27第四章 调压器系统软件的设计284.1 软件设计任务分析284.2 程序流程图的分析284.2.1 主程序流程图的分析284.2.2 电压值设定程序流程图294.2.3 A/D转换程序流程图304.2.4 过零检测与脉冲触发程序的设计31结论33参考文献34致谢及声明36附录A 汇编语言源程序37附录B 调压器系统原理44第一章 前言 第一章 前言1.1 课题研究的背景 调压器又名电压调整器，其作为一类可带负载无级调节输出电压及电流的交流电器，伴随着电的发明和使用，已经有近一百的历史了。目前调压器的主要用途有两个：一是作为稳压电源，称为自动调压器或稳压器，当电网电压波动时，可自动调节输出电压并稳定在整定值的一定精确范围内；二是作为可调电源，在一定范围内根据用电设备的需要调节输出的电压及功率。调压器按结构型式大体可分三大类：电子型（如晶闸管调压器）、电机型（如感应调压器）、变压器型（如接触调压器）。 在我国调压器产业经历了一个从有到无，从粗到细，从单品种到多品种，从机械式到电子式，从人工控制到智能控制的过程。随着生产力发展的需要，我国开始开发更大容量的电压控制器，并积极采用新材料、新工艺、新技术，努力提高产品质量，延长其使用寿命。展望未来，随着经济、科技及生产力的不断发展，对调压器的要求会不断提高，调压器会继续向着高电压大容量的方向发展，而现有产品会向多功能、数字化、智能化、抗干扰、净化电源等方向发展以满足更高的生产要求。1.2 课题研究的意义众所周知，单片机在现代科技领域的应用已经非常普遍，并且发挥着重要作用，这与它体积小、功能强、易开发、性价比高等特点有着密切的关系。本设计以单片机为核心控制可控硅的导通角实现交流调压，提高了调节的精度，实现了控制的智能化和数字化，改善了人机界面的性能，简化了控制系统；同时降低了成本，提高整个系统的性价比，有着非常积极的意义。1.3 课题研究的内容该课题设计的调压器系统以单片机为核心部件，检测电位器给定的电压值，通过计算控制可控硅的导通角来调节调压器的输出电压以满足生产要求。主要内容：1.3.1 调压器系统的硬件设计该系统是以AT89C52单片机为核心，构成一个电压电流控制系统。（1）直流稳压电源电路的硬件设计 直流稳压电源输出5V电压，对整个系统进行供电。（2）模数转化模块的硬件设计 模数转化模块将电压电流模拟信号转化成数字信号输入单片机。（3）过零检测模块的硬件设计 过零检测电路完成对交流电压过零点的控制，以便单片机完成导通角控制的起点的位置的确定。（4）晶闸管脉冲出发模块的硬件设计 脉冲触发电路完成对晶闸管的导通角的控制，以改变输出电压。（5）复位电路的硬件设计 复位电路保证单片机每次都从0开始计时，保证单片机计时的准确性。1.3.2 调压器系统的软件设计（1）系统初始化以及主程序模块的设计。（2）电压值设定模块的设计。（3）过零检测以及晶闸管脉冲触发模块的设计。（4）模数转换模块的设计。（5）数码管显示电压电流模块的设计。 第二章 调压器系统概述 第二章 调压器系统概述2.1 调压器系统的主要原理及功能本系统以单片机为核心通过软硬件协调工作控制可控硅的导通角实现交流调压。该系统的功能由以下几个模块实现：电源模块、AT89C52主控模块、交流电压过零检测模块、模/数转换模块、电压电流采集模块、数码管显示模块、脉冲触发模块等。其主要工作过程：电源模块为调压器系统提供电压为5V的电源，开机后由程序自动刷新复位，然后根据生产要求所需要的电压值设定调压器系统需要输出的电压值，由AT89C52单片机接受过零检测模块的信号判断主电路的过零点，再根据设定的电压值控制可控硅的导通角，并控制脉冲触发电路适时发出脉冲信号触发可控硅调节调压器的输出电压，达到输出电压的设定值。模块功能原理图如图2-1所示： 图2-1 调压器模块原理图2.2 主要设计技术指标与参数：（1）具有电压、电流的检测、输出功能。（2）电压输出范围 0220V 内连续可调电流输出范围090A电压电流输0.5级。（3）具有过压和过流保护功能。2.3 方案的比较与选择2.3.1 复位电路的选择现今大体存在以下两种复位方案供选择：（1）人工手动复位设计复位电路与单片机复位引脚RST相连，一般采用一个按键，需要复位时按一下按键，这时复位电路给单片机的复位引脚施加了一个满足要求宽度的脉冲电平，单片机复位。（2）专用芯片复位 MAX813L是一种体积小、功耗低、性价比较高的看门狗及复位专用芯片，使用方便可靠，易于实现自动化控制。在使用中，MAX813L提供的复位信号为高电平。采用MAX813L看门狗及复位专用芯片来构成复位电路，可以实现上点复位，瞬时掉电复位以及程序运行死机自动复位。专用芯片的使用有利于实现系统控制的自动化，因此采用第二种方案。2.3.2 模数转换元件的选择模数转换方法主要有以下几种:（1）逐次逼近型模数转换的方法（如ADC0809）逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器和A/D转换器构成，从MSB开始，依次将输入的每一位电压与内置A/D转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。其优点是速度快、功耗低，在低分辩率（1000）Flash ROM 2568bit内部RAM 可编程UART串行通道 软件设置睡眠和唤醒功能3.1.2 AT89C52功能特征描述AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k字节的可反复擦写的Flash ROM和256字节的RAM，有40个引脚，32个I/O端口，同时内含2个外部中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可应用于许多较复杂控制系统。3.1.3 AT89C52引脚结构（1）主电源引脚 VCC（40脚） 接+5V电源（直流电源正端） GND（20脚） 接地（直流电源负端）（2）时钟引脚 XTAL1（18脚） 接外部晶体的一个引脚，在单片机内部是个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。 XTAL2（19脚） 接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输出端。（3）输入/输出引脚图3-1 单片机芯片的引脚图P0口（P0.0P0.7） P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，可作为地址/数据总线出口。P1口（P1.0P1.7） P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可以分别作为定时/计数器2的外部输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。表3-1 P1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）P2口（P2.0P2.7） 是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。 P3口（P3.0P3.7） P3口实一组带有内部上拉电阻的7位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P3口出来作为一般的 I/O口接线外，更重要的用途是它的第二功能，见表2。表3-2 P3口的第二功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7（外部数据存储器读选通）（4）控制引脚RST（9脚） 复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现2个机器周期以上的高电平将使单片机复位。PSEN（29脚） 片外程序储存器读选通信号信号输出端，低电平有效。AT89C52由外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。但是在此期间，当访问外部数据存储器时，2次PSEN信号将不出现。ALE/PROG（30脚） 当单片机访问外部数据存储器或程序存储器时，ALE位将输出脉冲用于锁存地址的低8位。它可以用作对外输出时钟或定时使用，因为正常情况下，ALE以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号。EA/VPP（31脚） 片外程序存储器选用端。要想让CPU只访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平。注意：如果给加密位LB1编程，在复位时内部会锁存EA端状态。当EA端是高电平时，CPU执行内部程序存储器中的指令。当对Flash 存储器进行编程操作时，该引脚加上需要加编程允许电源 Vpp（+12V）。3.1.4 看门狗定时器看门狗定时器是一个计数器，其主要功能是在软件问题或程序跑飞后使系统复位启动。看门狗计数器正常工作时自动计数，依靠程序按时将其复位清零，如果系统或程序在某处卡死或跑飞，该定时器计数将溢出，系统将中断。在定时器中断执行部分复位操作，使系统恢复正常状态。看门狗定时器是一种利用软件控制的复位方式。看门狗定时器是由13位计数器和特殊功能寄存（看狗定时器复位存储器）构成。看门狗定时器在默认情况下无法工作，为了激活看门狗定时器，用户必须往看门狗定时器RST寄存器中按序写入01EH和0E1H。当激活看门狗定时器后，每个机器周期看门狗定时器都会增加。看门狗定时器计时周期依赖于外部时钟频率。硬件复位或看门狗定时器溢出复位，不能使看门狗定时器工作。若看门狗定时器溢出，RST引脚将被驱动输出一个高电平。3.1.5 晶振特性AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。晶振电路原理图如图3-2所示：图3-2 晶振电路图这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路见上图。外接石英晶体或陶瓷谐振器及两个电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。虽然对外接电容的电容值大小没有统一的要求，但电容值的大小会对振荡器工作的稳定性、振荡频率的高低、起振的难易程度及温度稳定性构成轻微影响，因此有以下选择标准:如果使用石英晶体，电容值为30pF10pF，如果使用陶瓷谐振器，电容值为40pF10pF。3.1.6 定时器在AT89C52中，定时器0和定时器1的操作与AT89C51相同，这里不做详细介绍。定时器2是一个16位定时/计数器，由两个8位寄存器TH2和TL2组成。它能够由特殊功能寄存器T2CON的C/T2位选择被当作定时器使用或被当做外部事件计数器使用。定时器2有三种工作方式，由T2CON的控制位来选择。在作为定时器工作方式中，由于一个机器周期由12个振荡时钟构成，因此计数频率为振荡频率的1/12，且每个机器周期TL2寄存器的值加1。在作为计数器的工作方式中，当T2引脚上的外部输入信号出现由1至0的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的S5P2期间，对外部输入进行采样。若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在接下来的下一个周期的S3P1期间寄存器加1。由于识别1到0的跳变需要2个机器周期即24个振荡周期，因此，最高计数速率仅为振荡频率的1/24。因此为了保证采样的正确性，要求输入的信号在变化前至少要维持一个完整周期的时间，以保证信号至少被采样一次。3.2 直流稳压电源模块的设计3.2.1 直流稳压电源的组成常用的直流稳压电源由电源变压器、整流器、滤波器、稳压器等部分组成，其组成框图如图3-3所示。图3-3 直流稳压电源的组成框图3.2.2 直流稳压电源各部分原理（1）电源变压器电源变压器的作用是降低电压，把220V或380V的电网电压降低到所需要的幅值，同时还能起到隔离直流电源与电网的作用。电压变换图如图3-4所示：图3-4 电压变换电路图其中，U1/U2=N1/N2=1/n（2）整流部分整流电路的作用是将经过电压变换后的低压交流电转换为单方向的脉动电压。由于这种电压存在着很大的脉动成分（称为纹波）。因此一般还不能作为电源给负载直接供电；否则，脉动的电压会严重影响负荷电路的性能指标。常见的整流二极管有1N4007，1N5148等桥堆有RS210等。整流电路的电路形式主要有半波整流、全波整流和桥式整流三种方式，本设计采用桥式整流。电路原理如图3-5所示： 图3-5 桥式整流电路图电路中4只二极管连接成电桥的形式，名由此而来。该电路输出的直流电压值见公式 ： （3-1）（3）滤波部分经桥式整流后，输出电压中仍然含有较多的脉动成分，与理想的直流量还相差甚远。因此，必须加上滤波电路，使电压电流的波形更加平滑。常见的滤波电路主要有电容滤波、电感滤波和L型滤波等。在小功率整流波电路中，电容滤波是最常用的一种，其特点是结构简单，效果较好。所以本次设计采用电容滤波，电路原理如图3-6所示： 图3-6 滤波电路图电容是一个能储存电荷的元件。有了电荷，两极板之间就有电压Uc=Q/C.在电容量不变时，要改变两端电压就必须改变两端电荷，而改变电荷的速度，取决于充放电时间常数。时间常数越大，电荷改变得越慢，则电压变化也越慢，即交流分量越小，也就“滤除”了交流分量。RC越大，放电越慢，输出电压Uo的脉动越小，其直流量Uo也就越大。（1）RC(负载开路)时，将被充电到的最大值后不再放电，则保持不变。此时。（2）当RC0(不接电容C)时，此时。（3）当整流电路内阻不大时，可按下式估算全波整流，电容滤波电路的输出电压，即：（4）稳压部分经过整流滤波后电压接近于直流电压，但是其电压值得稳定性较差，易受到负载、温度以及电网电压波动等因素的影响，因此还必须有稳压电路来保证输出电压的稳定性。稳压部分的设计采用三端稳压集成芯片LM7805。三端IC是指这种稳压用的集成电路只有三个引脚输出，分别为输入端（脚）、接地端（脚）和输出端（脚）。它的样子像普通的三极管。用LM78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外文元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的LM78后的数字表示该三端集成稳压电源电路的输出电压，即LM7805是一个输出+5V直流电压的稳压电源电路。IC集成稳压器LM7805，当输出电流较大时应配上散热板。稳压电源见图3-7：图3-7 直流稳压电源电路图3.3 数据A/D转换模块的硬件设计3.3.1 数据采集模块的硬件设计数据的A/D转换分为两部分进行：首先进行数据采集，然后将采集来的信息经过ADC0809模数转换芯片将采集来的模拟信号转换成数字信号输入到单片机中进行数据的处理。数据信号采集的电路原理如图3-8所示： 图3-8 电压电流信号采集模块电路图3.3.2 A/D转换模块的硬件设计单片机只能够对数字信号进行处理，处理的结果也是数字量，它在用于自动控制时，所要处理的量往往是连续变化的物理量（如温度、压力等都是模拟量），这些非电子信号的模拟量要先经过传感器变成电压或者电流信号，然后再转换成数字量，才能够送往计算机进行处理。本设计中就是测量电压电流值，所以不必用传感器转化，而是直接模数转换即可。1 .A/D的性能指标以及芯片的选择 A/D转换器的主要技术指标：(1)分辨率 指数字量变成一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与的比值。(2)转换速率 指完成一次从模拟转换到数字的转换所需要的时间的倒数。(3)量化误差 由于A/D的有限的分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D的阶梯状态转移特性曲线与无限分辨率A/D（理想A/D）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是一个或者半个最小数字量的模拟变化量，表示为1LSB、1/2LSB。(4)偏移误差 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。(5)满刻度误差 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值得差。(6)线性度 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。根据题目设计参数指标选择ADC0809芯片即可以满足设计的需要，所以本设计采用模数转化芯片ADC0809。2. ADC0809芯片的简介ADC0809是美国国家半导体公司生产的模数转换芯片，核心是8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。目前8位通用A/D芯片在我国应用广泛。(1)ADC0809的主要特性： 8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。 具有转换起停控制端。 转换时间为100us（时钟为640KHz时），130us（时钟为500KHz时）。 +5V电源供电。 模拟输入电压范围0+5V。 工作温度范围为-40+85摄氏度。 消耗功率低，约15mW。(2)ADC0809的引脚结构：IN0IN7 模拟量的8个输入端。START 为A/D转换启动端口。当START为高电平时，A/D开始转换。EOC 转换结束信号。当A/D转换结束时，由低电平转为高电平。OE 输出允许信号。 CLK 工作时钟，最高允许值为1.2MHz。当CLK为640KHz时，转换时间 为100us。ALE 通道地址锁存允许。A，B，C 通道地址输入。D0D7 数字量输出。图3-9 ADC0809的引脚图 为参考电压，为A/D转换器提供基准参考电压。一般 接+5V高精度参考电压，接地。 Vcc 接+5V电源电压。3.4.3 A/D转换模块电路图 A/D转换模块将传感器采集到的电压电流信号转换成数字信号，供单片机进行数字处理。A/D转换的电路原理如图3-10所示： 图3-10 ADC0809电路连接图本设计中，通过单片机端口与A，B，C的连接来控制ADC0809的输入通道，其中经过电流互感器的信号从IN0输入，电压互感器的信号从IN1输入，转换完成后经数据总线D0D7传输到单片机。ADC0809具有输出三态锁存器，数据输出引脚D0D7与数据线直接相连，地址译码引脚A，B，C分别于P2.0，P2.1，P2.2相连。将P3.0作为片选信号，由单片机的写信号引脚WR和P3.0控制ADC0809的地址锁存和转换的开始。由于ADC0809的ALE和START连在一起，因此在锁存通道地址的同时，开始进行转换。在读取转换结果时，用低电平的读信号和P3.0经过或非门产生的正脉冲作为OE信号，并以此开启三态输出锁存器，将转化成数字信号输出到数据总线上送入单片机中。A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认转换的完成后，才能进行传送。为此有三种方式：定时传送方式，查询方式，中断方式。在本设计的软件部分我们采用的是中断方式来确定转换是否结束。3.3 过零检测模块的硬件设计过零检测电路为单片机AT89C52提供一个计时开始的标准，这个标准的起点就是零电压，在本设计中控制晶闸管的导通角就是一次为计时的标准的。过零比较器采用的是最常用电压比较器的形式，采用的比较器芯片为LM339，其中LM339为低功耗、低失调电压比较器，在允许温度范围内失调电压漂移低，输入差动电压范围等于电源电压，具有与TTL、DTL、ECL、MOS等逻辑系统兼容等特点，在测量和控制领域中用途广泛。3.4.1 LM339的引脚图与功能简介 失调电压小，典型值为2V。 电源电压范围宽，单电源为236V，双电源电压为1V18V。 对比信号源的内阻限制较宽。 共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo。 差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压。 输出端点位可灵活方便的选用。图3-11 LM339的引脚图LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端，一个是用“+”表示的同向输入端，另一个是用“-”表示反相输入端。比较两个电压时，加一个固定电压到任意一个输入端做为参考电压，待比较的电压信号加到另一端。若“+”端电压高于“-”端时，输出端截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端电压时，输出端饱和，相当于输出端接低电位。当两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出输出出现状态的变换，因此，可以把LM339用在信号比较弱的场合作为检测原件。LM339的输出端可以看作是一只集电极不接电阻的晶体三极管，在使用时输出端到Vcc一般需要接一只上拉电阻。输出端高电位的值会因选用的上拉电阻的阻值不同而受影响。因此当晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。3.4.2 过零检测模块的电路图过零检测模块的电路原理如图3-12所示：图3-12 过零检测的电路连接图电路连接中，输入端连接电源变压器，输出端接AT89C52单片机。电路的连接情况：7脚连输入电压信号且通过稳压二极管接地，进行稳压。6脚进行接地，作为基准电压。工作流程如下：首先，假设输入端的电压信号小于6脚的值，此时1脚处输出的是低电位；当输入端的电压信号大于6脚的值，此时1脚输出的是高电位。所以，当电压值由负值跳变成正值时，1脚的电位由低电位跳变成高电位，单片机检测到上升沿，即完成了过零检测的任务要求。3.5 脉冲触发模块的硬件设计脉冲触发模块是本设计的重点内容，在准确的时间触发双向可控硅导通，以获得满足要求的电压值。在该模块中，采用光电耦合器将单片机与负载电路进行隔离，保证系统运行的安全性，然后与晶体三极管相配合，触发双向可控硅导通。3.5.1 光电耦合芯片MOC3041的简介以光为媒介来传输电信号的器件称作光电耦合器，一般在同一管壳内封装发光二极管与光敏半导体管，当加电信号到输入端时发光器有光线发出，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电” 转换。这种器件是一种单片机输出与双向可控硅之间较理想的接口器件。它由输入和输出两部分组成，输入部分是一砷化镓发光二极管。该二极管在5-15mA正向电流作用下发出足够强度的红外线,触发输出部分。输出部分是一硅光敏双向可控硅，在紫外线的作用下可双向导通。该器件为六引脚双列直插式封装，其引脚配置及连接情况见图3-13。有的型号的光耦合双向开关可控硅驱动器还带有过零检测器。以保证电压为零(接近于零)时才可触发可控硅导通。如MOC3030/31/32(用于115V交流)，MOC3040/41(用于220V交流)。 本设计中选用MOC3041芯片即可满足要求。 当电信号送入光电耦合的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后导通流过电流，导通。当电信号没有加到输入端时，发光二极管不会发光，光敏元件也就不会导通。 图3-13 MOC3041管脚连接图3.5.2 双向可控硅KS100的简介KS型双向晶闸管，是KP型晶闸管派生器件之一，在两主端子（T1与T2）之间加入交流电压后，当门极（G）上给予一合适的触发信号，器件则可输出一个可以可控制的交流电流。因此，它是一个可以控制的交流开关。它可以用来作交流无触点开关。主要技术参数：表3-3 KS100的技术参数型号通态方均根电流IT(A)通态峰值电压(V)断态重复峰值电压(V)断态重复峰值电流(A)门极触发电流(A)门极触发电压(V)结壳热阻R10冷却方式KS1001002.01002000202503.50.2强制风冷3.5.3 触发电路的电路图 图3-14 触发电路电路图3.5复位模块的硬件设计3.5.1 MAX813L芯片的主要性能特点 加电、断电以及电源电压下降时的有脉冲宽度为200ms复位 输 出。 独立的看门狗输出，如果看门狗输入在1.6s内未被触发，其输出将变为高电平。 1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V以外的电源。 门限电压为4.65V。 低电平有效的手动复位输入。 8引脚DIP封装。3.5.2 MAX813L的引脚及功能 图3-15 MAX813L的引脚图 手动复位输入端。向该输入端输入低电平能够保持140ms以上时，MAX813L就能够输出复位信号。对该输入端的最小输入脉宽需要可以有效地消除开关的抖动。注意：兼容TTL/CMOS。VCC 接+5V电源。GND 接0V参考电平。PFI 为电源故障输入端。当该端输入电压低于1.25V时，5号引脚的输出信号由高电平变为低电平。 为电源故障输出端。电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。WDI 在程序正常运转时作为看门狗信号输入端。每1.6s的时间间隔内向输入端发送一个脉冲信号，用来去除芯片的内部看门狗定时器。如果超过1.6秒的输出端没有接收到一个脉冲信号，在内部的定时器将会溢出，8号引脚由高电平变成低电平。RST 为复位信号输出端。电源接通时，能够自动产生200ms的复位脉冲；向手动复位端输入低电平时，该端口也可以输出复位信号。 在正常工作时保持高电平输出，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。3.5.3 MAX813L复位电路的电路图MAX813L的典型电路如图3-15所示 图3-16 MAX813L的典型电路如图图中，MAX813L的1脚与8脚相连。在7脚接单片机AT89C52的复位脚（RST）；6脚与单片机的P2.7相连，在软件设计中P2.7出脉冲信号。运行过程中，假如单片机因为某种原因进入死循环，则PF0无脉冲输出。并且1.6s后MAX813L的8脚输出低电平，该低电平加到1脚，使MAX813L产生复位输出操作，单片机复位，脱离程序死循环。且当电源电压低于门限值4.65V时，也会造成MAX813L复位输出，使单片机复位，此过程一直持续到电源电压恢复正常，有效的防止了单片机因电压过低出现误动作。3.6 显示电路模块的设计3.6.1 数码管显示原理通常的七段LED显示器中有8个发光二极管，引脚如图 a、b、c、d、e、f、g、dp称为LED的段。从管脚adp输入不同的8位二进制数，可现实不同的数字或字符。根据公共端的连接情况有共阴极和共阳极两种。对共阴极LED，显示器的发光二极管的公共端com接地，当某发光二极管的阳极为高电平时，相应的发光二级管点亮；共阴极LED显示器则相反，本设计采用共阴极的连接方法。本设计采用移位寄存器74LS164扩展的显示数码管。这种显示电路属于静态显示方式，与动态显示比较起来，静态显示的显示亮度更大些。由于74LS164在低电平输出时，允许通过的电流达到8mA，故不必加驱动电路，亮度也较理想。与动态扫描相比较，节省了CPU的时间，软件的设计也比较简单。3.6.2 数码管的驱动方式74LS164芯片是一种常用的七段数码管译码驱动器，常用在单片机显示系统中，下面介绍一下74LS164的一些特性。（1）74LS164的逻辑特性： 门控串行数据输入 异步中央的复位符合JEDEC标准 静电放电（ESD）保护 HBM EIA/JESD22-A114-B超过2000V MM EIA/JESD22-A115-A超过200V 多种封装形象（2）74LS164的引脚图图3-17 74LS164的引脚图3.6.3 数码管显示电路的电路图 图3-18 数码管显示电路图本显示电路采用5个数码管显示，前三个显示电压值，后两个显示电流值。3.7按键电路模块设计键盘输入电路的工作原理：通过S1、S2、S3与P2.3、P2.4、P2.5连接来完成电压值的设定，其中S1用来选择位，按下一次换一次位，S2、S3用来进行数值的增、减。从而完成电压值得设定。按键电路的电路原理图如图2-17所示：图3-19 按键电路原理 第四章 调压器系统软件的设计 第四章 调压器系统软件的设计4.1 软件设计任务分析软件设计任务就是与设计好的硬件系统相结合，完成系统设计所需要完成的任务。软件分析环节是为软件的设计做一个整体的规划。软件从执行的功能来看分为两类：一类是执行软件，他能完成各种实质性的功能，如测量、计算、输出控制和通信等；另一类是监控软件，它是专门用来协调各个执行模块与操作者之间的关系的，在软件执行过程中起到一个组织调度的角色。这两类软件的设计方法各有特色，相互配合，使软件执行的更加顺利与流畅。在进行软件分析过程中，首先进行执行软件的设计：先将各个执行模块一一列出，然后对各个执行模块的功能进行定义（如输入输出定义）。在对各执行模块进行定义时，要将牵连到的数据结构、数据类型都一并规划好。软件设计任务的另一个任务就是如何安排监控软件和执行模块。整个系统分为前台执行和后台执行程序。前台执行程序安排一些实时性要求比较高的内容，如定时系统和中断程序，后台程序指的是主程序以及其调用的子程序，这类程序对实时性的要求不是很高，延时十几毫秒甚至几百毫秒也没关系，所以通常将监控程序、显示程序和打印程序等于操作者打交道的程序放在后台程序进行。也可以将所有的程序都在前台执行，后台程序为“使系统进入睡眠状态”，以利于系统节点和抗干扰。4.2 程序流程图的分析4.2.1 主程序流程图的分析首先对单片机AT89C52进行复位操作，使得系统处于最初的状态，然后单片机输入键盘输入的设定值，调用子程序根据设定值来确定在电压值过零后脉冲触发的时刻，在正确的时间进行脉冲触发得到设定的电压值，最后调用显示程序通过A/D转换电路，以及数码显示电路将电压值输出显示。 图4-1 主程序的流程图4.2.2 电压值设定程序流程图通过按键K1、K2、K3来加减电压设定值，从而完成电压设定值的设定。在此过程中K1实现不同位的选择操作，K2、K3实现位的设定值加减。图4-2 电压设定的流程图4.2.3 A/D转换程序流程图A/D转换子程序实现的是将已经处理好的电压值，电流值经过ADC0809的转化，得到转换的数值，并存入相关的单元中。并且在进行软件设计时与硬件的连接一一对应。 图4-3 A/D转换的子程序流程图4.2.4 过零检测与脉冲触发程序的设计当电压值过零时，LM339的信号跳变被单片机的中断引脚接收，启动中断计时程序，计时程序结束后即调用脉冲触发，发出脉冲触发信号，控制可控硅的导通。图4-4 过零检测及脉冲触发子程序的流程图 结论 结论