曹利剛，郭改琴

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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備自投實(shí)驗(yàn)裝置電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹利剛，郭改琴

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：為實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)自動(dòng)控制，簡單介紹了各部分硬件的作用和相互關(guān)系，詳細(xì)說明了各部分軟件的設(shè)計(jì)流程以及設(shè)備的安裝調(diào)試過程。結(jié)果表明師生認(rèn)可度高，教學(xué)效果得到了顯著提升。

關(guān)鍵詞:步進(jìn)電機(jī)；單片機(jī)；連續(xù)調(diào)壓

調(diào)節(jié)電壓一般采用變壓器，但由于變壓器的輸出側(cè)檔位有限，所以輸出的是間斷變化的電壓?；瑒?dòng)變阻器是利用連續(xù)改變輸出側(cè)線圈的匝數(shù)來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)變化，但由于滑動(dòng)變阻器的體積和重量都比較大，使用不安全，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓等原因，在備自投實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)不能取得良好的教學(xué)效果。可控硅電子調(diào)壓器因?yàn)轶w積小、價(jià)格低，受到了5 KW以下用戶的歡迎，但該原件只有手動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕，不能實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，所以為備自投實(shí)驗(yàn)開發(fā)一種能夠自動(dòng)輸出連續(xù)調(diào)節(jié)電壓的設(shè)備是很有必要的。

1設(shè)計(jì)思路

可控硅電子調(diào)壓器是通過手動(dòng)調(diào)壓旋鈕來實(shí)現(xiàn)電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)電壓的自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)，可通過單片機(jī)程序模塊，用遙控器來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的連續(xù)控制，再通過一定的機(jī)械工藝把步進(jìn)電機(jī)和調(diào)壓旋鈕的主軸連接在一起，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)調(diào)壓的目的。

2硬件設(shè)計(jì)

通過微型變壓器將220 V的交流電轉(zhuǎn)化為9 V的交流電，經(jīng)過4個(gè)二極管整流后經(jīng)濾波裝置輸出大約8.8 V的直流電，再經(jīng)三段濾波器LM7805輸出5 V直流電，最后再經(jīng)電容濾波、電阻和開關(guān)，為步進(jìn)電機(jī)提供5 V直流電源。

通過STC89C52RC單片機(jī)程序模塊，遙控器的動(dòng)作信號(hào)由T1838一體紅外線接收頭接收，給ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)信號(hào)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的監(jiān)控和調(diào)節(jié)。另外還設(shè)置了LED燈光報(bào)警功能,聲音報(bào)警功能,C1、C2和Y1組成的時(shí)鐘電路，C3、S1和R1組成的故障復(fù)位按鈕。

在為步進(jìn)電機(jī)提供5 V的直流電源后，當(dāng)遙控器動(dòng)作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就開始轉(zhuǎn)動(dòng)，與步進(jìn)電機(jī)同軸的可控硅調(diào)壓旋鈕開始轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在輸入端有220 V交流電時(shí)，輸出端的電壓在0～220 V之間變化，將該變化的電壓輸送給電壓變送器，變送器能將輸入的0～220 V之間的交流電轉(zhuǎn)化成0～5 V之間的直流電輸出。輸出的0～5 V直流電輸送給型號(hào)為8591的AD轉(zhuǎn)換模塊，該模塊將輸入的0～5 V的直流電轉(zhuǎn)化為0～255之間的數(shù)字信號(hào)，并輸送給液晶顯示屏和單片機(jī)程序模塊。

3軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)交流電壓在220～0 V之間連續(xù)調(diào)節(jié)和監(jiān)控，調(diào)壓監(jiān)控部分利用單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，該部分軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)初始化模塊、液晶顯示模塊、遙控鍵盤輸入模塊、電壓檢測(cè)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊等。

3.1控制系統(tǒng)主程序

主程序是單片機(jī)控制系統(tǒng)必不可少的部分，其主要用于協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作，使各個(gè)模塊工作有序，保證程序流程周而復(fù)始地可靠運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化。本控制系統(tǒng)主程序流程如圖1所示。

系統(tǒng)通電后，首先對(duì)單片機(jī)、中斷、液晶模塊、AD模塊等進(jìn)行初始化，接著通過AD轉(zhuǎn)換模塊采集電壓變送器的電壓值，將該電壓值處理及濾波后顯示在液晶顯示器上，然后通過步進(jìn)電機(jī)控制旋鈕調(diào)節(jié)輸出電壓，單片機(jī)則根據(jù)電機(jī)狀態(tài)標(biāo)志確定程序的流向。若A電機(jī)正轉(zhuǎn)標(biāo)志位為0，則電機(jī)正轉(zhuǎn)一定的角度后停止，若反轉(zhuǎn)標(biāo)志位為0，則電機(jī)反轉(zhuǎn)一定的角度后停止，B電機(jī)工作狀態(tài)同A電機(jī)，而A、B電機(jī)的狀態(tài)則通過遙控鍵盤來實(shí)現(xiàn)，遙控鍵盤通過4個(gè)按鍵設(shè)定A和B電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等工作狀態(tài)。

圖1　主程序流程圖

3.2控制系統(tǒng)子程序

控制系統(tǒng)子程序很多，包括電壓采集子程序、數(shù)字濾波子程序、數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序、液晶顯示子程序、電機(jī)狀態(tài)判斷子程序、鍵盤輸入子程序等。

3.2.1電壓采集子程序。調(diào)壓回路電壓采集，先采用交流電壓傳感器將220 V及以下的交流電壓轉(zhuǎn)換成5 V以下的直流電壓，然后通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理。

PCF8591在A/D變換過程中利用DAC以及高增益的比較器，通過逐次比較進(jìn)行A/D變換。單片機(jī)對(duì)PCF8591發(fā)出讀寫指令后，就立刻開始A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)把A/D轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)據(jù)取出，在每個(gè)應(yīng)答信號(hào)的下降沿開始A/D變換周期，采樣模擬信號(hào)同時(shí)讀取上次變換完成后的結(jié)果。

3.2.2鍵盤輸入子程序。鍵盤模塊主要用來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，然后調(diào)節(jié)模擬變壓器或者輸電線路的輸出電壓。為了減少單片機(jī)I/O接口的使用，鍵盤模塊部分采用遙控輸入的方式實(shí)現(xiàn)，通過紅外遙控鍵盤的按鍵控制電機(jī)調(diào)節(jié)電壓。遙控按鍵模塊采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，程序流程如圖2所示。

圖2　遙控鍵盤模塊程序流程圖

3.2.3液晶顯示子程序。液晶顯示模塊主要用來實(shí)時(shí)顯示A、B回路的電壓及A、B回路的工作狀態(tài)，工作人員可以直觀地看到當(dāng)前回路處于何種工作狀態(tài)。液晶模塊采用12864并行通信方式，并行讀寫時(shí)序如圖3所示。該液晶模塊顯示4行漢字和數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)名稱、具體電壓值、電路工作狀態(tài)等，液晶模塊顯示程序流程如圖4所示。

圖3　液晶模塊并行讀寫時(shí)序圖

圖4　液晶顯示模塊程序流程圖

3.2.4數(shù)字濾波子程序。數(shù)字濾波采用中位值濾波法。該方法的基本原理是在某一個(gè)數(shù)據(jù)采樣周期的N次采樣中，把最大值和最小值去掉，然后再將其余的數(shù)據(jù)按照算術(shù)平均法計(jì)算平均值，作為最后較為客觀的值。這種方式可以消除外界擾動(dòng)引起的數(shù)據(jù)偏差，減少突發(fā)事件造成的干擾誤差。數(shù)字濾波程序流程如圖5所示。

圖5　數(shù)字濾波程序流程圖

4安裝與調(diào)試

4.1安裝

電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制回路元件包括一個(gè)AD轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)電壓變送器、兩個(gè)可控硅電子調(diào)壓器、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、兩個(gè)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)、一個(gè)液晶顯示屏、一個(gè)單片機(jī)集成模塊、交流電源插板。

按照不同元件的大小和作用以及操作方便、布置美觀整齊的原則，在面板的中間偏下的位置安裝單片機(jī)集成模塊，在模塊的兩側(cè)分別安裝步進(jìn)電機(jī)、可控硅電子調(diào)壓器和電壓變送器，在模塊的正上方安裝AD轉(zhuǎn)換器，在模塊的正下方兩個(gè)萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)的中間位置安裝液晶顯示屏，在面板的背面安裝交流電源插板。其他控制元件也按照以上要求進(jìn)行布置安裝。

在安裝步進(jìn)電機(jī)和可控硅調(diào)壓器之前，需要先將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸用砂輪打磨成扁平狀，剛好能塞進(jìn)可控硅調(diào)壓器的轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕中間的細(xì)縫中，在確保步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和調(diào)壓旋鈕的轉(zhuǎn)軸可靠連接，并能在同一中心線上轉(zhuǎn)動(dòng)后進(jìn)行安裝固定。

4.2調(diào)試

明備用和暗備用實(shí)驗(yàn)開發(fā)電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)試過程相同，下面以明備用為例進(jìn)行說明。

第一步：按照設(shè)計(jì)的要求，將主回路的引出線和控制回路的引出線連接在一起。

第二步：將明備用的萬能轉(zhuǎn)化開關(guān)(在控制面板的左下角)切換到“停止”狀態(tài)，關(guān)閉單片機(jī)集成面板上的直流5 V電源開關(guān)。

第三步：打開總回路交流電源開關(guān)，因無電壓，所以A路和B路均處于斷開狀態(tài)。

第四步：將萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至“A路工作B路備用”位置。

第五步：按下遙控器的“+”按鈕，使A路(左回路)電壓逐漸升高到200 V左右，這時(shí)A路斷路器閉合，處于正常供電狀態(tài)。再按下遙控器“▲”按鈕，使B路(右回路)電壓逐漸升高到200 V左右，因程序設(shè)置，B路不投入運(yùn)行，處于斷電備用狀態(tài)。

第六步：按下“-”按鈕，使A路電壓逐漸下降到160 V時(shí)，經(jīng)2秒后因低電壓繼電器常閉觸電閉合，發(fā)出跳開A路變壓器兩端的斷路器命令，同時(shí)發(fā)出閉合B路變壓器兩端的斷路器命令，使A路處于停止?fàn)顟B(tài)B路處于供電狀態(tài)。

第七步：使兩路均處于斷電狀態(tài)，將萬能轉(zhuǎn)化開關(guān)切到“B路工作A路備用”的位置。

第八步：按下遙控器的“▲”按鈕，使B路(右回路)電壓逐漸升高到200 V左右，這時(shí)B路斷路器閉合，處于正常供電狀態(tài)。再按下遙控器“+”按鈕，使A路(左回路)電壓逐漸升高到200 V左右，因程序設(shè)置，A路不投入運(yùn)行，處于斷電備用狀態(tài)。

第九步：按下“▼”按鈕，使B路電壓逐漸下降到160 V時(shí)，經(jīng)2秒后因低電壓繼電器常閉觸電閉合，發(fā)出跳開B路變壓器兩端的斷路器命令，同時(shí)發(fā)出閉合A路變壓器兩端的斷路器命令，使B路處于停止?fàn)顟B(tài)A路處于供電狀態(tài)。

4.3故障分析

控制系統(tǒng)出現(xiàn)了故障后，可以用以下方法進(jìn)行分析處理。

(1)目測(cè)：首先看保險(xiǎn)絲是否完好，再看原件是否有煙熏、融化和燒焦等現(xiàn)象，最后看是否有異物導(dǎo)致短路，確定故障的位置和故障的性質(zhì)。

(2)手摸：戴上絕緣手套，輕搖元件，查看是否存在焊接頭開裂和元件松動(dòng)等現(xiàn)象。

(3)鼻子聞：用鼻子聞是否有絕緣燒焦的味道，從而判斷故障的位置。

(4)通電：做好相關(guān)安全措施后通電，用萬用表檢查是否有短路或者開路的現(xiàn)象。

5結(jié)語

備自投實(shí)驗(yàn)裝置電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程，思路簡單、條理清晰，涉及專業(yè)知識(shí)廣泛，增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)生的設(shè)計(jì)和創(chuàng)作熱情，教學(xué)效果顯著提升，得到了學(xué)生的高度認(rèn)可。

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[責(zé)任編輯：趙偉]

Design of Automatic Adjustment System for the Automatic Input Device of Standby Power Supply

CAO Ligang, GUO Gaiqin

(Yangling Vocational and Technical College, Yangling 712100, China)

Abstract:In order to realize the automatic control of the output voltage, the function and the relationship of each part of the hardware are introduced, and the design flow of a part of the software and the installation and debugging of the equipment are described in detail. The results show that the recognition of teachers and students is high, and the teaching effect is improved obviously.

Key words:stepping motor; MCU; continuously regulated voltage

中圖分類號(hào):TM774

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-6811(2016)01-0022-04

作者簡介：曹利剛(1980—)，男，陜西澄城人，楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教師，主要研究方向?yàn)樗娬咀詣?dòng)化及水力機(jī)械等。

基金項(xiàng)目：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014年度科學(xué)研究基金項(xiàng)目(A2014009)

收稿日期：2015-12-02