基于单片机的无触点补偿式交流稳压装置设计.doc

本科生毕业设计（论文）学 院: 专 业：学 生：指导教师： 完成日期 2012 年 5 月 本科生毕业设计（论文）基于单片机的无触点补偿式交流稳压装置设计Design of compensation for non-contact AC voltage regulator based on MCU总 计： 30 页表 格： 2 个插 图： 16 幅本 科 毕 业 设 计（论文）基于单片机的无触点补偿式交流稳压装置设计Design of compensation for non-contact AC voltage regulator based on MCU 学 院： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 基于单片机的无触点补偿式交流稳压装置设计电气工程及其自动化专业 摘 要随着电力电子技术的发展，很多设备都要求稳定的交流电源供电，但是交流供电系统存在电力欠缺、电网不尽合理等问题,这一切都会导致用电设备出现工作不正常、精度下降等问题，甚至造成意外的损坏,交流供电品质的改善成了保证系统正常工作的前提。传统的交流稳压电源存在效率低、触点磨损、反应时间长、稳压精度低等问题，针对目前交流稳压电源的不足，本文设计了一种基于单片机的无触点自动补偿式交流稳压器，主电路采用交流斩波以脉冲宽度调制的方式进行电压补偿，通过过零点检测电路和单片机控制使补偿电压与输入电压同步来实现功率因数的提高，输出电压为严格的正弦波电压，该稳压器通过单片机实时将电源输出电压幅值、电流幅值、功率及功率因数显示在液晶屏幕上。 关键词单片机；脉冲宽度调制；无触点；交流斩波；自动补偿Design of compensation for non-contactAC voltage regulator based on MCUElectrical Engineering and Automation Speciality Li MengAbstract: With the development of power electronics technology, many devices require stabilized AC power supply AC power supply system, but there is lack of power, power system is unreasonable wait for a problem, it will lead to the electrical equipment is not working properly, precision drops appear such problems, and even cause accidental damage, AC power supply quality improvement to ensure the normal work of the system.The traditional AC regulated power supply are low efficiency, contact wear, long reaction time, low voltage accuracy.In view of the present AC regulated power supply shortage, this paper introduces the design of a microcontroller based on the non-contact automatic compensation type AC voltage stabilizer.The main circuit uses AC chopper to Pulse Width Modulation method of voltage compensation.Through the zero crossing detection circuit and a single chip microcomputer control makes the compensation voltage and the input voltage synchronous to achieve power factor improvement.The output voltage is strictly sinusoidal voltage.The regulator through the single-chip real-time power output voltage, current, power and power factor are displayed on the LCD screen.Keywords：Micro controller unit；pulse width modulation；non-contact；acvoltagestabilizer；automaticcom- pensation 目录1 引言21.1 论文的研究背景与意义21.2 国内交流稳压电源的发展现状31.3 国外交流稳压电源的发展现状41.4 论文的主要研究工作及本文内容结构42 交流稳压电源的总体结构42.1 主要设计技术参数42.2补偿原理52.3电源整体结构介绍62.4 系统主要器件的选择72.4.1 补偿变压器的选择72.4.2 IGBT的选择72.4.3 双向晶闸管的选择73 系统硬件电路83.1 稳压电源主电路83.1.1 补偿电路83.1.2 交流斩波电路83.1.3 短路保护报警电路93.2 电源控制电路93.2.1 控制芯片简介93.2.2 控制电路原理103.3 采样电路123.4 过零点检测电路133.5 过、欠压保护电路143.6双向晶闸管触发电路153.7 电源功率因数检测电路163.8 控制单片机接口电路173.9 显示部分接口电路194 系统软件204.1 控制部分程序204.2 检测与显示部分程序224.2.1 A/D转换程序224.2.2 功率因数检测程序224.2.3 液晶显示程序235 试验结果与分析245.1 调试注意事项245.2试验结果245.2.1 输入电压变化时的输出电压结果245.2.2 负载变化时所测的输出电压结果245.2.3 结果分析25结束语25参考文献26附录27致谢301 引言1.1 论文的研究背景与意义随着信息技术的飞速发展，特别是计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子产品在系统中大量投入使用，它们对系统干扰比机电设备更加敏感，对供电质量等外部环境的要求更高，为了提高生产效率，节约能源和减小环境污染，大量采用基于电力电子技术的现代化设备正成为电能质量问题的主要来源，现实生活中大量使用的开关电源、公共照明系统中的荧光照明灯正逐渐成为供电系统中主要的谐波源和波动源。另外，系统侧发生的雷击，短路、断路故障、重合闸，及正常的电容器、电抗器的投切，变压器抽头的改变，都会给供电质量造成程度不同的干扰。可以说，这些技术在日常生活中给人们带来了方便并推动了科技的发展，但也造成电力系统中新的污染问题1。计算机技术、通信技术以及建立在其基础下的用电设备应用的越来越广泛，这些系统对供电质量有着很高的要求：首先，供电应连续、可靠。其次，应该保证良好的电能质量，而供电电压幅值的不稳是最容易造成用电设备不能正常工作而使产品质量下降，甚至损坏生产设备,尤其是计算机、仪器设备、通讯系统、工业自动化设备、医疗设备、测试系统带来工作不正常、精度下降等问题，甚至对用电设备造成意外的损坏。电网直接供电己不能满足需要，为了解决这些问题，提高供电质量，交流稳压器的使用是非常必要的2,4。本课题的研究是采用PWM方式控制交流斩波，实现对交流电压的补偿。这是一种新型的无触点自动补偿式交流稳压装置，通过单片机和PWM控制芯片SG3525的组合代替目前交流斩波式稳压器的控制算法系统来控制交流斩波以实现电压补偿。这种控制方式简洁，有效，造价低，稳定性高。本课题开发一种具有无噪声、寿命长、造价低、稳压精度高、反应速度快、带载能力强、功率因数和效率高等特点的新型无触点自动补偿式交流稳压器。1.2 国内交流稳压电源的发展现状随着国内交流稳压电源技术不断改进，先后出现以下几种形式7, 8：(1)铁磁谐振式交流稳压器：利用铁磁饱和元件与谐振电容组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。它结构简单，制造方便，工作可靠，输入电压允许变化范围宽。但输出波形失真较大，稳定度不高，称为非线性交流稳压器。近年发展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压功能的电源装置。(2)磁放大器式交流稳压器：它是由自耦变压器，磁放大器，电子检测，控制回路等部分组成。这类稳压器具有反馈控制作用，所以稳定度高，输出波形好，称为线性交流稳压器，但因采用惯性较大的磁放大器，所以该种交流稳压器反应慢一些，恢复时间长。(3)滑动式交流稳压器：通过改变变压器滑动接点位置，来使输出电压获得稳定的装置，它由控制电路控制一个伺服电机，带动调压器进行电压自动调整的交流稳压器。这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。(4)感应式交流稳压器：靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差，获得输出稳定交流电压的装置。它在结构上类似线绕式异步电动机。它的稳压范围宽，输出电压波形好，功率可做到很大，但反应慢，体积庞大笨重，且转子经常处于堵转状态，故功耗较大，效率低。(5)晶闸管交流稳压器：用晶闸管作功率调整元件的交流稳压器。它具有反应快、无噪声、功率大、稳定度高等优点。但对市电波形有损害，对电网造成污染，对通信设备和电子设备造成干扰。(6)补偿式交流稳压器：该种稳压器又称部分调整式稳压器。补偿变压器的附加电压串接在电源与负载之间，随着输入电压的高低，用连续式的伺服电动机带动补偿变压器滑点的移动或通过算法改变变压器初级线圈匝数来改变附加电压的大小或极性，把输入电压高出的部分电压减去，把输入电压不足的部分电压加上，以达到稳定输出电压的目的。1.3 国外交流稳压电源的发展现状为了实现高性能交流稳压系统，国外目前主要研究采用交流斩波方式、单位功率因数变换器及串联电压源调节方式等方案。(1)交流斩波方式。随着全控型开关器件和PWM技术的应用，出现了交流PWM斩波方式的交流稳压电源。对于单相电路，它们可以根据输入和输出电压决定丌关元件的开关方式，电感器和电容器所承受的谐波应力大大减小，解决了因换相引起的高电压尖峰，特别对输入端的谐波电流分量大大减小，由于其开关元件仅在半周期内进行调制，开关损耗大幅度的降低，对三相电路，可以采用三相交流电压调节器。(2)单位功率因数变换器方式。它是由PWM逆变器和PWM整流器构成的双PWM变换器，这类变换器能量可以双向流动。对这种变换器的研究主要集中在PWM技术上，通过对电路和控制方法优化设计，可以进一步的降低谐波畸变，但其电路结构复杂，所用开关器件较多，开关应力大，装置容量要大于负载容量，适用于中小容量，需要变频电流的负载。(3)串联电压源方式。该类调节器可以采用交流斩波器或逆变器。采用相电压型逆变器的串联型电压调节器的基本结构与串联型稳压电源相似，但这类稳压电源所用功率开关元件数目大，电路结构比较复杂，造价较高。1.4论文的主要研究工作及本文内容结构本论文针对国内交流稳压电源的不足及存在的问题，提出部分相对解决方案和研究内容及主要工作：(1)交流补偿电路的设计；(2)高频交流斩波电路的设计；(3)主功率控制的无触点的设计；(4)稳压性能的提高；(5)单片机控制、液晶显示和保护电路设计和调试。2 交流稳压电源的总体结构设计2.1补偿原理对交流电压的调节通常有两种方法，调节补偿电压U的大小或者同输入电压Ui的夹角，就可以调节输出电压Uo的大小和相位。根据实际应用，通常情况是调节补偿电压（1） 的大小，而相位与输入电压Ui同相位，或者反相位，通过叠加维持电压Uo不变。当输入电压Ui降落U时，通过补偿变压器同相补偿+U，从而维持输出电压Uo不变，如图21所示；而当输入电压Ui升高U时，通过补偿变压器反相补偿U，依然维持输出电压Uo不变，如图2.2所示：图2.1正补偿示意图图2.2反补偿示意图该补偿电路对输入电压的正、负补偿是通过切换双向晶闸管S1、S4的工作顺序来实现的。当输入电压比正常电压低时，使S1、S3开通，补偿电路进行正补偿，相反当输入电压比正常电压高时，使S2、S4开通时，补偿电路进行负补偿。本论文中采用交流斩波的方式进行交流电压补偿。这种补偿方式使电源稳压速度快，精度高，无噪声，简单可靠。为了使补偿电压不失真，提高系统功率因数，交流斩波电路只在电压波形由正到负过零点时刻改变脉冲宽度，保证在一个电压波形周期内脉冲宽度不变。若需要对输入电压进行继续补偿，则交流斩波电路在下一个电压波形过零点时刻进一步改变脉冲宽度，直到输出电压符合要求为止，补偿电路原理图如图2.3所示：图2.3补偿电路原理图2.2电源整体结构介绍本文设计的交流稳压器是通过单片机控制SG3525芯片，以PWM方式控制交流斩波，在交流斩波电路的作用下，改变补偿电压的大小以保证输出电压稳定，实现对交流输入电压的补偿。通过过零点检测电路，正弦波电压由正到负过零点时改变SG3525的输出脉宽，达到补偿电压与输出电压波形一致的目的，从而保证补偿电压波形不失真。当输入电压比正常要求低时，单片机控制双向晶闸管S1、S3按顺序导通，进行对输入电压的正向补偿，来实现输出电压的稳定。当输入电压比正常要求高时，单片机控制双向晶闸管S2、S4按顺序导通，进行对输入电压的反向补偿，使输入电压适当降低来实现输出电压的稳定, 交流稳压器整体框图如下:U1补偿电路电流互感器保护单元电压互感器高频斩波控制与驱动D/A采样比较单片机液晶显示交流斩波电路U0图2.4交流稳压器整体框图电源的主要电路包括主电路(由补偿电路、交流斩波电路、短路报警电路等部分组成)、电压采样电路、过零点检测电路、功率因数检测电路、保护电路及辅助电源电路。保护电路主要包括过压、欠压、温度保护电路。2.3系统主要器件的选择在对补偿原理和电源整体结构有了清楚的认识以后，对主要器件的选择是非常必要的。2.3.1 补偿变压器的选择根据设定要求，当输入电压变化很大时，最高的补偿电压Vmax为： Vmax=220V20=44V （1） 稳压电源的额定输出功率为3KW，由此可知变压器的输出功率W为： W=44/2203000W=600W （2）所以补偿变压器的最大输出功率为600W。考虑到PWM控制芯片输出的最大脉冲占空比为49，而且在大负载的补偿过程中变压器会有一定的压降，这里设计补偿变压器初次级匝数比为2：1,留有一定的裕量。2.3.2 IGBT的选择虽然双极性功率晶体管能够做到耐高压、载流密度大、饱和压降低，但是开关速度不够快且驱动电流较大；而MOSFET开关速度快、驱动功率很小、高输入阻抗但导通压降大，载流密度小，不能做到耐高压、大容量。所以在此选用具有上述两者优点的IGBT。当IGBT栅极加上适当的正向电压，提供栅极电流，使IGBT导通。当IGBT栅极加上适当的反向电压，切断栅极电流，使IGBT关断10。IGBT是电压控制型器件，其工作原理由栅极和发射极之间的正向电压或负向电压决定，驱动电压的大小一般由具体型号的IGBT决定，栅极电压可由不同的驱动电路产生，一般在15伏左右。2.3.3 双向晶闸管的选择双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外引出三个电极，它有两个主极T1和他，一个门极G。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极9。双向晶闸管与单向晶闸管一样，具有触发控制特性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，即无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，不管该脉冲是什么极性的，都可以使双向晶闸管导通。由于双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通，是一种理想的交流开关器件。在本设计中，分为电压正向补偿和电压反向补偿。需要4个双向晶闸管。对输入电压进行正补偿时双向晶闸管S1，S3导通，对输入电压进行反补偿时双向晶闸管S2，S4导通。3 系统硬件电路设计整个电源系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统包括主电路，保护电路，控制电路，检测电路，显示部分电路，驱动电路等。3.1 稳压电源主电路结构在主电路中，采用PWM方式来控制交流斩波，以实现电压补偿。这种补偿方式具有精度高，造价低，响应速度快，输出功率因数高等优点。主电路结构如图31所示。主电路中包括补偿电路，交流斩波电路，短路报警电路等，主电路结构图如下：图3.1主电路结构示意图3.1.1 补偿电路图31所示电路中的补偿方式为同相补偿或反相补偿。当输入电压U1低于220V时，由控制单片机发出指令，导通双向晶闸管S1、S3。当输入电压U1高于220V时，导通双向晶闸管S2、S4。补偿电压的大小由控制单片机通过电压采样电路来决定。这种无触点补偿方式使整个电源功耗低，寿命长，精度高，反应速度快。补偿电压只承担电网基于单片机的无触点补偿式交流稳压装置设计电压升高或降低的部分，所以变压器的额定功率不大，整机的功耗和造价比较低。3.1.2 交流斩波电路本论文中是采用交流斩波技术来改变补偿变压器的初级电压，进而改变补偿变压器的次级电压即补偿电压，以实现对补偿电压大小的调节。电路主要器件是双向晶闸管S1-S4、IGBT、二极管D1-D4，控制电路确定后，开关频率也就确定。当补偿电压需要增大时，采样电路将反馈电压值送到控制单片机中，控制单片机经过运算增大PWM调制电路的输出脉宽，补偿电压变大。反之PWM调制电路的输出脉宽变窄，补偿电压变小5 6。当开关管关断时，在补偿变压器初级会产生较高的反压加到开关管Tr上，这就要求开关管的反向耐压必须很高，而且较高的反压容易对开关管造成永久性的损害。在此选用对关断浪涌电压抑制效果明显且最适合交流斩波电路的RC缓冲电路。通过实验证明这种缓冲电路用在交流斩波电路中效果明显。3.1.3 短路保护报警电路在电源稳压过程中，要不断进行正、负补偿，即双向晶闸管S1、S3和S2、S4交替导通。由于干扰和不确定因素存在，为防止S1、S4或S2、S3同时导通，在同桥臂电路中加上熔断器F1和F2。若S1、S2同时导通时，F1瞬间烧断，保护电源。同时继电器J1动作，铃响报警,通知工作人员及时检查维修。3.2 电源控制电路设计3.2.1 控制芯片简介系统采用两个控制芯片来对交流斩波电路的控制脉冲宽度进行调节，选用AT89C51控制芯片作为主控芯片，满足对输出各项参数的设定，单片机通过反馈的电压采样信号来控制脉宽调制芯片SG3525，进而通过交流斩波电路来调整补偿电压。下面即介绍控制芯片和脉冲产生电路的硬件电路设计。在本课题中采用双列直插式封装的SG3525芯片，CMOS工艺，具有功耗小、驱动能力强、开关动作快、外接元件少等优点。SG3525为定频PWM控制集成芯片，非常适用于驱动高频功率开关管。芯片内部具有参考电压电路、逻辑电路、误差放大器、振荡电路、PWM锁存器、欠电压锁定电路等组成，SG3525输出电路的输出级吸收电流与允许输出电流超过200mA，基准电压误差为10.01V。当PWM比较器为零占空比时，输入典型阈值电压为0.9V；PWM比较器为最大占空比时，输入典型阈值电压为3.3V。SG3525内部结构框图如图3.2所示，它是在定频PWM控制集成芯片SG3524的基础上进行了优化和改进，主要表现在以下几个方面15：第一，SG3525内部电路中设置了欠电压锁定电路和限流关断控制电路，SG3524内部没有欠电压锁定电路。第二，SG3525改进了振荡电路。与SG3524相比，SG3525设置了同步端与放电端。第三，输出电路的改进。SG3525输出级采用了图腾柱输出电路，它能使输出管更快地关断，更适用于MOSFET的需求。第四，SG3525具有PWM锁存功能，另外SG3525具有软启动功能，这样可以更好保护电路和用电设备。3.2.2 控制电路原理该控制电路的基本原理是通过主控单片机控制SG3525的9脚电压来调整11脚与14脚的脉冲占空比。在本课题设计中，是对SG3525的9脚电压直接进行控制，芯片SG3525的9脚接酬A转换芯片MAX517的输出端，由单片机控制D/A转换芯片输出电压的高低，进而控制芯片SG3525的9脚的电压大小。E、F为过流保护电路输入端，当系统输出电流超出设定值时，E、F两端整流后P点电压升高，使脉冲控制芯片SG3525的10脚电压升高到保护电压(1V左右)。10脚为检测输人端，在这用作过流检测和温度检测,当10脚输入高电位时，将关闭11，14脚的脉冲输出，以保护开关管不受损坏。W点处为温控开关。当开关管温度达到设定温度时，温控开关由断开变为闭合，温度保护电路导通，12V电压接到SG3525的10脚。从而脉冲控制芯片SG3525将关闭11，14脚的脉冲输出，以保护功率开关管不会因为过热而损坏。在图3.3中，脉宽控制芯片SG3525的11脚与14脚输出接IGBT的驱动电路，K、L分别接交流斩波电路中的IGBT的栅极、发射极。该驱动电路为全隔离型电压驱动电路16。IGBT的驱动电路必须具备3个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲；三是提高由SG3525芯片输出的脉冲驱动功率，有效的驱动IGBT的开通与关断，控制电路原理图如图3.2所示。图3.2控制电路原理图在本论文设计的交流稳压电源中，控制电路属于弱电部分，而交流斩波电路属于电气部分，电压较高,为了防止电气部分的高电压对控制电路造成损害，需要将控制电路与交流斩波电路隔离，驱动电路的变压器在此起到隔离保护控制电路的作用。从SG3525的11脚与14脚输出的方波电压幅值约为12V，方波脉冲信号控制2个NPN和2个PNP三极管的导通与关断来控制IGBT的工作状态。当n脚输出高电平时，T1、T4导通，K点为高电平，IGBT导通；当14脚输出高电平时，T2、T3导通，L点为高电平，开关管栅极受反压，IGBT加速关断。电容C为隔直电容，防止驱动变压器直流磁化而损坏开关管。电阻R1是用来抑制寄生振荡和防止过大的驱动电流变化率对开关管造成损坏，而电阻R2是用来加速场效应管关断的。这里设计驱动变压器初级线圈匝数为20匝，次级线圈匝数为24匝，使K、L两端能够达到合适的驱动电压对IGBT的开关状态进行有效的控制。当需要增大补偿电压时，单片机控制D/A转换芯片MAX517使其输出电压升高。由于D/A转换芯片输出与芯片SG3525的9脚连接，所以9脚电压也升高，从而使11脚与14脚的脉冲占空比变大，交流斩波电路的控制脉冲变宽，补偿电压升高。当需要减小补偿电压时，单片机控制D/A转换芯片MAX517使其输出电压降低。SG3525的9脚电压也降低，从而使11脚与14脚的脉冲占空比变小。交流斩波电路的控制脉冲变窄，补偿电压降低。3.3 采样电路在本课题设计中，需要对输出交流电压进行检测。控制单片机通过输出电压检测值来决定用正向补偿程序还是反向补偿程序。首先用电压互感器使电源输出高电压变换为设定的低电压，以保证后续的低压电路的运行安全，再将该变换后的交流电压送入电压采样电路。电压采样电路将输入的交流电压用电阻分压取样，再将交流取样电压通过精密检波电路部分变换成相应大小的直流电压即K点处电压。K点电压能够准确快速的反应电源输出电压的大小。将K点电压通过比较器与预先设定值比较，最后将比较器输出值分压取样后送到控制单片机。该采样电路的输出值决定电源对电网电压进行正向补偿还是反向补偿，采样电路如图3.3所示：图3.3电压采样电路原理图该采样电路的准确度很大程度影响整个电源的稳压效果，所以在此用精密检波电路来对交流电压进行有效值检测。大大提高了交流电压有效值的检测精度。这里选用当初级电压为220V时，次级电压为8V的变压器作为电压互感器，电压互感器的输出端与电压采样电路的输入端相连接，调节滑动变阻器R2使K点处电压值能精确反应采样电压。采样电路的输出端接控制单片机28脚，当采样电压为220V时，调节滑动变阻器R1使电路在采样电压大于220V时输出高电平，小于220V时输出低电平。K点处电压值反映该电路输入端交流电压有效值。当采样电路输入端接电压互感器时，K点处电压值反映了稳压装置的输出电压大小。由于检测输出电压、电流值所用到的A/D转换芯片MAXl97单极性输入电压范围是010V，这旱设计当电压互感器的初级为300V时，调节滑动变阻器R2，使K点电压为10V。这样可以保证电压在整个变化范围内能够有效的检测。同样，当检测系统输出电流值时，该电路输入端接电流互感器，K点处电压值反映稳压电源的输出电流大小,这罩设计当电流互感器的初级为30A时，调节滑动变阻器R2，使K点电压为10V。所以通过检测K点处的电压，就可以得到本课题设计的稳压电源的输出电压、电流值。当检测稳压电源输出电压值时，K点接MAXl97的16脚；当检测稳压电源输出电流值时，K点接MAXl97的17脚。3.4 过零点检测电路设计一般来说，在二端口网络中，提高用电器的功率因数有两方面的意义，一是可以减小输电线路上的电能损失；二是可以充分发挥电力设备的潜力。因为用电器总是在一定电压U和一定功率P的条件下工作11，由公式: I=P/Ucos （3） 可知，如果功率因数太低，要想达到同样的功率，就要用较大的电流来保障用电设备的正常工作，这就导致输电线路上的输电电流增大，从而导致线路的热损耗增大。另外，由于输电线路的电阻上和电源的内阻上都具有电压降，所以当输电线路电流增大，必然也会增大输电线路和电源内部的电压损失。因此，提高用电器的功率因数，可以减小输电电流，进而减小了输电线路上的功率损失及电压损失。为了使补偿电压不失真，提高系统功率因数，设计过零点检测电路。本论文设计的电压补偿思想是在每次电网电压由正到负过零点时刻改变一次交流斩波电路的脉冲宽度，保证在这个电压波形周期内斩波电路中脉冲宽度不变。若需要对输入电压进行继续补偿，则交流斩波电路在下一个电压波形过零点时刻进一步改变脉冲宽度，直到输出电压符合要求。这种补偿方式有效的保障了补偿电压的正弦性，使补偿电压不失真，能够提高整机的功率因数。电网电压经过变压器变化后再经过电阻R4、R5分压取样后，送到比较器的J下输入端。调节R3阻值使电网电压在由正到负过零点时，S点处输出一个下降沿，该下降沿信号送给控制单片机的INT0处。所以当需要补偿正电压时，在电网电压每个周期过零点时刻，控制单片机响应中断程序，进行一个单位的正电压补偿。当需要补偿负电压时，在电网电压每个周期过零点时刻，控制单片机响应中断程序，进行一个单位的负电压补偿。这种补偿方式能够有效的保证补偿电压波形不失真，提高电源整机的的功率因数, 过零点检测电路如图3.4所示：图3.4过零点检测电路原理图3.5 过、欠压保护电路为了保护负载的安全，需要设计过、欠压保护电路。当电压过高或者过低时，切断输出电压保护负载，同时响铃发出警报12, ICl是过压比较放大电路，IC2是欠压比较放大电路。当电压在允许的范围内时，T不动作。过压保护电路中取样电路接到ICl的正输入端，基准在负输入端。当电压高于过压设定值时，ICl的正输入端电压就大于负输入端电压而输出高电平，使T导通，J吸合，主电路中的常闭触点断开，切断输出并响铃报警。当电压低于过压保护值时，ICl的正输入端电压就小于负输入端电压而输出低电平，使T关断，J关断，主电路中的常闭触点闭合，电源恢复正常输出，过、欠压保护电路原理图如下：图3.5过、欠压保护电路原理图3.6双向晶闸管触发电路目前晶闸管触发方式有两种：一种是移相触发方式，另一种是过零触发方式，在这里选择MOC3053，它是一种新型的光电耦合器件，可用直流低电压、小电流来控制交流高电压、大电流。一般用于固态继电器、交流电源开关等场合。MOC3053的管脚排列如下：1、2脚为输入端；4、6为输出端。MOC3053采用了光电隔离，并且能用TTL电平驱动，它很容易与微处理器接口。参考补偿电路原理图如图2.3，S1-S4为4个双向晶闸管，其中P1.0控制双向晶闸管S1，P1.1控制双向晶闸管S2，P1.2控制双向晶闸管S3，P1.3控制双向晶闸管S4。我们以双向晶闸管S1为例，S2-S4双向晶闸管的触发控制与S1相似，M、N为其上下两端，其触发电路如图3.7所示。控制单片机使P1.0输出低电平时，设定R1的阻值，MOC3053的输入端1脚和2脚之间就流过5-15mA的触发电流，控制单片机加为低电平时，流入单片机中的灌电流完全能够满足MOC3061的触发电流大小，能够良好的对MOC3053芯片进行驱动。单片机给出低电平的触发信号后，MOC3053的4脚、6脚在电压过零时内部双向晶闸管导通，触发外部双向晶闸管导通。控制单片机使P1.0输出高电平时，双向晶闸管关断。在电路图中，R2为限流电阻，使其4脚、6脚输入电流不超过1A，当双向晶闸管导通时，M、N两端电压很低，在过零关断时的检测电压为20V左右。考虑负载为感性负载R2适当大一些，本设计中取100欧。为了防止晶闸管的J下向电压上升率du/dt过大对双向晶闸管造成损坏，在电路中设计RC缓冲电路，对电压上升率du/dt有一定的限制，保证du/dt在双向晶闸管和MOC3053所能接受的范围之内，双向晶闸管触发电路原理图如下：图3.6双向晶闸管触发电路原理图3.7 电源功率因数检测电路把有功功率与视在功率的比值称之为功率因数，通常用COSF表示。在J下常的交流电路中，最简单的测量方法是测量交流电压与交流电流之间的相位差F，用COSF计算后得出的结果就是功率因数。功率因数是交流电路中重要技术参数之一。功率因数的大小对于电气设备对电能的利用率和研究电能消耗等问题都具有非常重要的意义。功率因数高，说明用电设备的有功功率大，对电能利用率高。功率因数低，说明电路用于电磁转换而消耗的无功功率大，所以能够有效的检测用电设备的功率因数具有非常大的现实意义。在本课题的设计中，功率因数检测电路主要是通过对交流稳压电源输出电压和输出电流过零点时刻的检测，单片机通过计算它们过零点时刻的时间差，换算出电源输出电压和输出电流的相位差F，最后通过公式计算出稳压电源的功率因数值。电源的输出电压和输出电流首先通过电压互感器、电流互感器同比例缩小为可处理的交流电压弱信号，再将变换后的所对应的弱电压信号分别与一个设定好的基准电压通过比较器进行比较，转换成两路矩形波信号送入显示单片机的INT0、INTl口，在每路矩形波电压下降沿时单片机响应中断程序。利用单片机定时器功能测定出电源输出电压和输出电流的相位差F，进而计算出稳压电源的功率因数,功率因数检测电路原理图如图3.7所示：图3.7功率因数检测电路原理图3.8 控制单片机接口电路这里首先介绍一下电路中所用到的D/A转换器MAX517，它是一种电压输出型的8位串行数模转换器，采用5V单电源供电。具有自身功率损耗低、外围电路设计简单、转换时间短等优点。MAX517具有自校正结构，其增益、线性度和偏置电压等参数均作了一定的优化调整。因此，不需要用其他的外接元件进行调整。在本课题设计中，MAX539采用低功耗8脚DIP封装，MAX517的引脚排列如图3.10所示：图3.8 MAX517引脚排列图控制单片机接口电路如图3.10示，在电源上电开始补偿时，当输出电压低于220V时，通过采样电路控制单片机的28脚检测到低电平，单片机执行控制算法中的正补偿部分，使23、25脚输出高电平，双向晶闸管S1、S3导通，对主电路进行正电压补偿。通过过零点检测电路，当在电压波形由J下到负过零点时，单片机12脚接收到下降沿，外部中断响应，在中断程序中增加D/A的输入数字量。控制单片机通过D/A芯片MAX517使其输出增加一个单位的电压值，即SG3525的9脚也相应增加了一个单位的电压值，11脚、14脚的输出脉冲宽度也增加一定的宽度，最后补偿部分通过交流斩波电路亦增加一个电压波形良好的补偿电压值。若输出电压还是低于220V，则在中断程序中继续增加D/A的输入数字量，通过控制单片机与SG3525继续补偿，直到输出电压值满足要求为止；在电源上电开始补偿时，当输出电压高于220V时，AT89C51的28脚检测到高电平，单片机执行控制算法中的负补偿部分，使24、26脚输出高电平，双向晶闸管S2、S4导通，对主电路进行负电压补偿。补偿电压与输出电压反相，补偿电压的增大方式与正补偿部分相同，若输出电压还是高于220V，则在中断程序中继续增加D/A的输入数字量，通过控制单片机与SG3525继续补偿，直到输出电压值满足要求为止。这种补偿方式能够有效的保障补偿电压不失真，控制单片机接口电路图3.9如下：图3.9控制单片机接口电路图3.9 显示部分接口电路根据课题的设计要求，要求整机能够实时显示输出电压、电流、功率、功率因数。本课题选用显示控制芯片为AT89C51，检测电压、电流值所用的A/D转换芯片为MAXl97。MAXl97有28脚DIP等多种封装形式。本课题设计中采用DIP封装，其引脚使用情况如图3.10示：图3.10显示部分接口电路原理图在本设计中，设定MAXl97的工作模式由控制字，取ACQMOD=1，外部控制转化模式。取BIP=0、RNG=I时，使得检测输入电压为010V的单极性电压。系统输出电压由电压互感器降压后，通过电阻分压取样，将取样电压信号送到电压采样电路，(如上图34所示)检测出交流电压的有效值。将该电压接到MAXl97的16脚。系统输出电流通过电流互感器变换后，通过电阻取电压信号，将取样电压信号送到电压采样电路，(如上图34所示)检测出交流电流的有效值。将该电压接到MAXl97的17脚。MAXl97的16、17脚的电压值通过A/D转换，再根据采样电路的电路设计计算出实际输出电压、电流值。在本课题设计中，实际输出交流电压有效值与A/D转换芯片16脚的电压值的比例关系为30：1实际输出交流电流有效值与A/D转换芯片17脚的电压值的比例关系为3：1。通过检测所得到输出电压和输出电流值，可以方便的求出整机的输出功率。功率因数检测电路的作用是对电源输出电压和输出电流的过零点检测，检测电路输出的两路矩形波信号送到显示单片机的两个外部中断口INT0、INTl，单片机通过两个外部中断响应计算它们过零点时刻的时间差，通过计算公式计算出电机的功率因数值。并将该功率因数值与电压、电流、功率一同在液晶上实时显示。4 系统软件软件的设计主要是针对系统核心微处理器AT89C51的嵌入式编程，使其在各模块软件的控制下，有序高效的实现电压补偿及显示功能。简单、稳定、高效的软件系统是提高稳压电源性能所必须具备的另外一个重要因素。本系统软件设计主要包括两部分：控制部分和检测、显示部分。为了保证电源具有较高的功率因数而且不污染电网，电压补偿必须在外部中断口响应过零点时刻进行补偿，所以控制部分程序对时间要求非常高，作用非常重要，关系到整个电源的供电质量。而且一片AT89C51只有两个外部中断，功率因数检测电路中需要两个外部中断口，来完成对功率因数的计算,所以控制部分与显示部分各用一片AT89C51。4.1 控制部分程序控制部分程序包括电压控制程序设计和D/A转换程序设计13。电压控制程序设计主要完成对输出电压检测、正向补偿或者反向补偿选择、控制补偿电压大小等功能。电压控制程序设计的基本思想是在上电开始对单片机进行初始化，然后通过采样电路对输出电压进行检测，根据输出电压的大小分为两种补偿情况，若输出电压大于220V，进行电压反向补偿，单片机给出驱动信号使双向晶闸管S1、S2、S3、S4都关断，然后使S4开通，延时一段时间后，开通S2，补偿变压器以负电压的形式进行电压反向补偿。若输出电压小于220V，进行电压正向补偿，单片机给出驱动信号使双向晶闸管S1、S2、S3、S4都关断，然后使S3开通，延时一段时间后，开通S1，补偿变压器以正电压的形式与电网电压进行叠加。两种补偿方式都是在电压每个周期由J下到负过零点时，改变酬A转换芯片输出电压值，从而改变SG3525的9脚电压即改变交流斩波电路的驱动脉宽，补偿电压也随之改变。为了保证稳压精度，每次只改变D/A转换器的一个单位的数字量，对应主电路中一个单位的补偿电压，下图为电压控制流程图：NNN输出大于220V脉宽是否为零脉宽减小一步检测输出电压输出大于220V脉宽是否为零脉宽减小一步反响补偿脉宽增大一步输出大于220V开始初始化检测输出电压检测输出电压正向补偿脉宽增大一步NNYYYY图4.1电压控制流程图4.2 检测与显示部分程序检测与显示部分程序包括A/D转换程序，功率因数检测程序，液晶显示程序。下面分别介绍各功能模块。4.2.1 A/D转换程序设计MAXl97是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用AT89C51单片机作为主处理器。通过AT89C51的P0.0P0.7与MAXl97的D0D7相连，既用于输入MAXl97的初始化控制字，也用于读取转换结果数据。控制中，采用查询方式处理INT信号，根据设计的需要，对应于MAXl97模拟输入通道0，程序设置的控制字为01010000，对应于MAXl97模拟输入通道1，程序设置的控制字为01010001。转化开始后顺次检测其模拟输入通道0与模拟输入通道1，两模拟输入通道输入电压范围为单极性010V，通过检测得到的输出电压、输出电流值，计算得到电源的输出功率，最后将真实的输出电压值、输出电流值、输出功率值显示在LCD中。4.2.2 功率因数检测程序设计在本课题的设计中，稳压电源输出的功率因数检测程序是通过显示主处理器AT89C51的外部中断INT0、INTl和定时器T1来完成的。通过设置TMOD寄存器，使定时器T1在工作方式1模式下工作。功率因数检测程序流程图如图43所示。在单片机初始化后，打开外部中断INT0、INTl。通过功率因数采样电路，当外部中断INT0响应后，打开定时器T1，定时器T1开始计时，外部中断INTl响应时，关闭定时器T1，并读取外部中断INT0、INTl之间响应的时间间隔。由流程图可以看到，为了检测输出功率因数的准确与可靠，本程序每次显示功率因数要进行10次功率因数检测，然后取这10次测量结果的平均值来计算电源的输出功率因数，流程图如下：开始设置检测次数n=10初始化开定时器T0开外部中断计算时间关定时器T0计算功率因数并显示外部中断0响应外部中断1响应n10NNNYYY图4.2功率因数检测程序流程图4.2.3 液晶显示程序单片机首先连续发送5个“1”，当液晶控制器收到该数据后，将内部寄存器初始化，准备正常接收数据。起始位后的第一位数据RW决定数据传输方向(其中RW=1写入数据；RW=0：读数据)，起始位后的第二位数据RS是寄存器选择数据位(其中RS-0：紧跟在其后的是指令；RS-1：紧跟在其后的是数据)，最后再发送一位“0”。对液晶操作工程中，执行读命令与执行写命令时序类似，只需要相应的改变RW位信号的电平符号。每个指令和数据主机都将顺序分两组发送，其中高4位(DB7DB4)放在第一组的LSB位置，低4位(DB3DB0)放在第二组的LSB位置，其余位都为“0” 14。通过单片机对液晶进行初始化后，然后往液晶的控制芯片罩写数据进行显示，无论是输入指令还是输入数据，输入时都要使用到液晶的写命令。首先要用单片机将E口置低，然后置高，为液晶产生一个复位信号使其复位，然后控制液晶的CS端，对液晶进行选通，这时才可以向液晶内写命令了。初始上电后，首先应往液晶控制器内写初始化命令，包括对光标的选择、显示字符的位置、反白显示、清零等相应的命令，保证液晶工作在所需要的状态，接着根据SCLK端的时钟信号把SID端的数据相应的读到液晶内部控制器中