1、摘 要二次電源作為負載的能量供應裝置，在電路系統中起著非常重要的作用。尤其在我國，交流電網的電壓波動較大、干擾較多，二次電源已成為許多電子設備不可缺少的供電裝置。安全可靠、技術性能符合負載要求的電源，可使負載的功能得以充分發揮，否則，可能使負載的技術指標降低，甚至會損壞負載。因此，作為二次供電電源，交流穩壓電源己廣泛用于工業生產、軍事設施、醫療儀器及日常生活等各個方面，成為電子設備和機電設備可靠運行的基礎設備，為了延長用電設備的使用壽命，降低工廠的經濟損失，應保證其供電電壓的穩定。尤其在工業現場環境下，電網品質差，電網波形畸變嚴重。因此，研制一種高效可靠的交流穩壓電源作為負載的二次供電電源十分

2、必要。本課題是利用單片機（at89s52）控制技術控制開關器件的通斷，并按補償電壓的大小接入或切除某個補償變壓器，進行快速適時調節，保證了了供電電壓的穩定。該設計主要分為以下六個模塊：補償單元、調節單元、單片機控制單元、半波整流單元、a/d轉換單元、保護單元及報警單元。關鍵詞：補償式、交流穩壓器、單片機、a/d轉換abstractsecondary power sources took tthe energy supply device of the load, is playing a very important role in the circuitry.especially in ou

3、r country, in alternate current network the voltage is more fluctuations, and more interference, secondary power sources have become indispensable power supply device in many electronic devices. safe and reliable, with technical performance requirements of the power load, the load can be fully funct

4、ional play, or else possibly causes the load the technical specification to reduce, even can damage the load. therefore, as a secondary power supply,ac voltage-stabilized source has been widely uses in the industrial production, the military installation, the medical instrument and the daily life an

5、d so on each aspect, becomes the electronic installation and the electromechanical device reliable movement foundation equipment, in order to lengthen the service life of current collector, reduces the economic loss of factory . should guarantee its power line voltage the stability. especially in th

6、e industrial field environment,the electrical network quality is especially bad, the electrical network waveform distortion is serious. therefore,it is very necessary to develop a highly efficient and reliable ac voltage-stabilized source as the second power supply of load.this topic is use singlech

7、ip microcomputer (at89s52) to control switch component the make-and-break, and according to the size of the compensation voltage access or the removal of a transformer compensation for quick timely adjust, guaranteed a supply voltage stability. the main design is divided into the following six major

8、 modules : compensation module, regulatory module, singlechip microcomputer control module, voltage detection module, a/d conversion module, protection module and alarm module.key words ：compensated mode ，ac voltage stabilize ，singlechip microcomputer，the a/d conversion 目 錄1 緒論.11.1 課題背景.11.2 交流穩壓電源

9、的發展現狀.12 系統的基本原理和主電路結構.32.1 系統的總體結構和基本原理.32.1.1 系統總體設計和原理框圖.32.1.2 系統工作原理.42.2 主電路研究.42.2.1 主電路結構.42.2.2 主電路工作過程.53 控制系統軟件方案的設計 .63.1 控制系統的工作原理.63.2 相關元器件介紹.63.2.1 atmel公司at89s52型單片機性能及功能簡介.63.2.1.1 主要性能：.63.2.1.2 功能特性描述.73.2.1.3 引腳說明.7 3.2.2 adc0809型a/d轉換器. 10 3.2.2.1 adc0809的內部邏輯結構.10 3.2.2.2 時序圖.

10、12 3.2.2.3 adc0809應用說明.123.3 設計任務.133.4 a/d 模塊程序設計.133.5 采樣程序設計.14 3.6 數據處理.17 3.7控制指令輸出.173.8 連鎖設計.18 4 軟件仿真與調試.21 結束語.23 致謝.23參考文獻.24附錄1 硬件電路原理圖.25 1 緒 論1.1 課題背景隨著電子技術的發展，特別是電子計算機技術應用到各工業、科研領域后，各種電子設備都要求穩定的交流電源供電，而交流穩壓電源的出現解決了這一問題。 車站信號電源屏從功能上分為調壓、轉換(包括2路電源轉換和輸出轉換)、輸出(包括交流輸出和直流輸出)幾部分,其中穩壓部分是電源屏質量的

11、關鍵。目前鐵路車站現場應用的電源屏穩壓部分其最主要的缺點是響應速度慢,在兩路電網轉換過程中容易產生過壓或欠壓;有機械磨損,易損壞;輸出失真大。隨著技術進步,繼電式設備正逐步被電子設備所取代,設備對電源質量要求越來越高。補償式穩壓電路具有效率高、可靠性高、抗干擾能力強。補償變壓器功率較小,從而明顯降低材料成本及功率損耗,達到提高效率,減小重量體積的目的。微機控制使控制電路大大簡化,還可加入輔助功能,如故障診斷、穩壓指示、超限聲光報警、延時啟動、故障檢測、缺相保護等各種功能。因此補償式穩壓器正逐步進入電源屏應用領域。1.2 交流穩壓電源的發展現狀我國 20 世紀50年代流行的是磁放大器調整型電子交

12、流穩壓器，隨著技術水平和用電設備對穩壓電源性能指標要求的提高，在此基礎上出現了凈化型穩壓電源;凈化型交流穩壓器抗干擾性能好、穩壓精度較高、響應時間短、電路簡單、工作可靠;但其帶非線性負載時，有時有低頻振蕩現象、輸入電壓調節、范圍較窄、而且源電流的諧波分量較多。到了70年代，主要存在的是用繼電器觸點改變變壓器抽頭和以炭刷移動接觸點為主要控制方式的機械調整型交流穩壓電源;調壓型交流穩壓器制作簡單、工作可靠、功率較大、負載適應性好等優點;但這種類型的交流穩壓器存在機械磨損、響應時間長、工作壽命短、抗干擾能力差等缺點。到了90年代，隨著電力電子技術的發展，又出現了功率補償式穩壓電源和開關型交流穩壓器。

13、功率補償型三相電力穩壓器電壓調節范圍寬、效率高、波形失真小;但其采用電動機調節炭刷觸頭方式，調節速度慢，并且存在機械磨損，使用壽命短。而開關型交流穩壓器響應速度快、體積小、重量輕、波形失真小、效率較高;但其電路復雜。當前鐵路信號電源屏中兩種主流穩壓器-交流參數穩壓器和數字補償式交流穩壓。交流參數穩壓器：交流參數穩壓器基于非線性無源四端網絡原理，特殊的松耦合分散式磁路設計，使其在輸入電壓波動或輸出電流變化時，由磁性材料的bh特性的非線性變化來及時調節大功率無功功率振蕩器的參數，完成穩定的輸出電壓，抑制干擾。交流參數穩壓器利用了保守系統的能量不可躍變的原理，能有效抑制電源電壓的的尖峰和凹坑，使其不

14、能傳輸到負載上，同時也能抑制負載的躍變電流，使其不能滲透到電源電路中，具有隔離和雙向抗干擾功能。但交流參數穩壓器也存在溫升較高、體積大、重量重、噪聲大、電容器易漏液等缺點，能夠在自然冷卻條件下滿足溫升不大于60，體積又能滿足信號電源屏安裝要求，其容量一般不超過7.5kva。數字補償式交流穩壓器：數字補償式交流穩壓器由多臺補償變壓器串聯構成，雙向可控硅作為交流開關元件，采用數字電路控制技術控制開關器件的通斷，并按補償電壓的大小接入或切除某個補償變壓器，進行快速無觸點適時調節。開關器件網絡安排在補償變壓器的輸出側，可以提高硅網絡的抗干擾能力，這時3個獨立的補償變壓器都有濾波作用，可以吸收電網側的瞬

15、態干擾。由于開關器件不在負載電流的主通路中，從而開關器件易于選擇，保證可靠工作。數字控制電路還可實時檢測開關狀態，故障時及時報警，并接通旁路開關k1、k2、k3，保證不間斷供電。另外，該電路還具有效率高、響應快、不產生附加失真等特點。補償變壓器功率較小，從而明顯降低材料成本及功率損耗，達到提高效率，減輕重量體積的目的。數字補償式交流穩壓器的最大問題是，在啟動或運行過程中，可能出現同一橋臂上2只開關器件共同導通的現象。為此在數字控制電路上采用電壓過零轉換、限流和緩啟動等措施，完全克服了由于開關元件共同導通時產生電流沖擊造成的器件損害，從而保證了整個電路正常工作。2 系統的基本原理和主電路結構2.

16、1 系統的總體結構和基本原理2.1.1 系統總體設計和原理框圖本課題根據在鐵路信號電源屏中用電設備對穩壓電源的要求，從穩壓精度、調節方式、抗干擾能力、可靠性等多方面考慮。本電源主電路采用繼電器補償式電路結構。由單片機at89s52控制電磁繼電器調節控制變壓器與補償變壓器繞組組合實現輸出電壓的穩定。總體方案原理框圖如圖2-1所示:主控補償單元半波精密整流電路單片機控制系統故障指示延時供電（保護單元）繼電器可控調節單元ui電源輸入uo電源輸出驅動單元a/d基準電源dc12v電源gnddc5v圖2-1 穩壓單元的總體方案原理框圖 圖 2-2 補償原理波形圖電源的補償原理如圖2-2所示。當電網電壓負波

17、動時，通過檢測計算，正向投入某個(某幾個)補償變壓器，補償適當的電壓，將提升輸出電壓并使之趨于穩定，使之工作在穩定的電壓精度內。同理，當電網電壓正波動超出穩壓值時，反相投入補償變壓器。2.1.2 系統工作原理系統主要由主電路和控制電路兩部分組成。主電路包括變壓器主控補償單元、開關器件可控調節單元等。控制電路以單片機at89s52為控制核心，主要包括輸入電壓半波整流電路，繼電器驅動電路、a/d轉換電路、故障檢測電路、保護電路等。當輸入電壓ui波動或負載電流變化時，通過采樣變壓器獲取前饋電壓（由變壓器將電網交流量轉化成相應的0v-5v的交流信號），經整流電路進行半波整流后再經a/d轉換模塊后輸入單

18、片機與基準值進行比較，由單片機軟件進行判斷處理，輸出控制指令，切換對應的補償變壓器的組合繞組，改變補償電壓u值，從而快速地達到穩定輸出電壓的目的。2.2 主電路研究2.2.1 主電路結構根據鐵路信號電源屏中用電設備對穩壓電源的要求，本電源的每個主回路串聯三個補償變器。采用補償方式，利用繼電器作為開關器件切換補償變壓器的接入形式。其中一相的主電路原理如圖2-3所示： 圖2-3主電路原理圖圖中b1、b2、b3是3個獨立的補償變壓器,根據穩壓精度及輸入電壓范圍的要求,可以選擇補償變壓器的臺數,其中次級繞組上的補償電壓ur可以設計為6v、12v、24v等,當順極性(或反極性)疊加全部投入時,可以獲得最

19、大正、負補償電壓42v，電源屏輸入電壓范圍為(176-253)v,當ur最小值為6v時,穩壓精度可滿足正負3%的要求。s1-s8是繼電器開關器件,s7和s8為公共橋臂,分別與s1和s2、s3和s4、s5和s6組成3個全橋電路。2.2.2 主電路工作過程該穩壓電路的工作過程如下：當輸入電壓ui高于額定值uin時，要求補償變壓器b1、b2、b3中的一個、兩個或三個同時工作，產生反極性的電動勢來抵消ui升高的那部分電壓。例如：經單片機程序判斷僅需b1投入時(設ui極性為a正n負)，可觸發s1和s8導通,電流通路為：ab1(上繞組)一s1一b1(下繞組)一s8一n。當a、n反極性時，沿上述通路反向流動

20、。當輸入電壓ui低于額定值uin時,需要b1產生順極性電動勢補足ui所缺的那部分電壓，可使s2和s7導通。如果ui升高(或降低)較多，需要b1和b2同時投入在ui高于額定值uin時，可使s1、s3和s8導通；在ui低于額定值uin時，可使s2，s4和s7導通。如果需要b1、b2、b3都投入，在ui高于額定值uin時，使s1、s3、s5和s8導通。在ui低于額定值uin時，使s2、s4、s6 和s7導通。3 控制系統軟件方案的設計3.1 控制系統的工作原理由硬件電路圖附錄1知控制系統的工作原理為： 交流穩壓過程是通過對電網輸入電壓取樣，經半波整流電路進行整流后輸入到a/d轉換器，經a/d轉換，將

21、轉換數據輸入到單片機p0口，經單片機與基準值比較后由軟件進行判斷處理，經單片機p1口輸出相應地調整信號，經繼電器驅動電路驅動相應的繼電器導通以調整補償輸出電壓u，輸出電壓uo=ui+u。當電網交流電壓超過規定范圍時，通過調整補償電壓u控制穩定輸出電壓。穩壓電源運行時，如果補償輸出電壓u保持在所規定的輸入電壓ui與額定輸入電壓uin=220v的電壓差ui范圍內，繼電器將保持原工作狀態，輸出電壓不變。當電網輸入電壓在175v u 265v)和欠壓(ux?x=y延時15 ms調用讀數據子程序，采樣值y，yx?ynnyyn延時17 msy求取平均值nan=x,n+,n50?開始1圖3-8 采樣部分流程

22、圖3.6 數據處理既然本課題是對進網電壓進行檢測并判斷是否對此進行補償，如果補償又要補償多少。顯然，能夠解決這一問題的方法是通過程序對采樣值進行計算，判斷，并給出控制結果。adc0809對被測量采樣并轉換成數字量再輸入給單片機，所以單片機接收到的自然是數字量，且單片機能夠執行并處理的也只能是數字量。首先，我們先對采樣出數字形式平均峰值vd換算成相應的被測電壓的峰值vf，adc0809參考電壓為+5v，所對應的數字值為255，比例系數為k。比例系數k指的是被測電壓即進網電壓與整流電路后輸出電壓之比，而不是變壓器的一次測電壓與二次測電壓之比，因為整流電路中增益不為1，整流后的電壓不等于變壓器二次測

23、電壓，所以k不能取變壓器的一次測電壓與二次測電壓之比。通過實際測量我們取比例系數k=97。因此得出：vf=vd（5/255）973.7 控制指令根據式ui=ui-uin（既ui=ui-220），我們可以通過ui的大小來確定補償電壓的大小及對過欠電壓予報警顯示。在系統運行時，實際上根據輸出穩壓精度的要求，控制系統通過ui的范圍將ui分為17個檔次，按邏輯表輸出相應的驅動控制指令字，不僅控制繼電器驅動路使相應的繼電器導通以調整補償輸出電壓，達到穩定輸出電壓的目的，且對過欠電壓予報警顯示。其控制指令邏輯表如下表3-4所示。表3-4 繼電器控制指令邏輯表 控制指令值uip1.7s1p1.6s2p1.5

24、s3p1.4s4p1.3s5p1.2s6p1.1s7p1.0s8備注ui 45v01010110-3v=ui=3v11111111p3.4=1正常運行3vui=9v011111109vui=15v1101111015vui=21v0101111021vui=27v1111011027vui=33v0111011033vui=39v1101011039vui=45v01010110-9v=ui-3v10111101-15v=ui-9v11101101-21v=ui-15v10101101-27v=ui-21v11111001-33v=ui-27v10111001-39v=ui-33v111010

25、01-45v=ui-39v101010013.8 連鎖設計：軟件設計同一臂上兩個繼電器之間的連鎖（即同一橋臂上兩個繼電器同時導通的解決方案）：由jqc3f型繼電器的相關資料得知，其吸合時間在10ms以內，而釋放時間在5ms以內。若向同一橋臂上的兩個繼電器同時分別發送導通及斷開信號，其很有可能在要斷開的繼電器在還沒完全斷開的時候，要導通的繼電器已經合上，此時將會導致兩個繼電器都處于導通狀態，造成元件的燒毀，這種現象是絕不允許發生的。由表3-3 繼電器控制指令邏輯表得知，當ui-3v時 ，通過繼電器s2、s4及s6中1個，2個或者是3個同時導通來實現正補償電壓的大小，但無論是哪幾個導通公共橋臂s7

26、處于導通狀態；當3vui時，通過繼電器s1、s3及s5中1個，2個或者是3個同時導通來實現負補償電壓的大小，但無論是哪幾個導通公共橋臂s8處于導通狀態。對此，我的設計方案是：繼電器s7、s8所對應的是p1.1及p1.0，進行正電壓補償時控制指令為p1=1x1x1x01，進行負電壓補償時控制指令為p1=x1x1x110（x=0，1）。因此，繼電器s1、s2、s3、s4、s5、s6當中無論哪一臂上的兩個繼電器同時導通，則公共橋臂上的兩個繼電器s7、s8都處于導通狀態。以上可觀察正電壓補償時p1.1p1.0=01，負電壓補償時p1.1p1.0=10，不補償時p1.1p1.0=11，因此我們在程序上可

27、以先假設，正電壓補償為1，負電壓補償為2，不補償為0。通過當前執行指令值與下次要執行指令值的和來判斷它們當中是否是正電壓補償與負電壓補償之間的切換，如果由當前處于正補償電壓1（或是負補償電壓2），而在處理下個采樣時判斷出下次操作要切換成負補償電壓2（或是正補償電壓1）時，其和就一定是3，不為3則有以下情況：（1） 正電壓補償與不進行補償之間的切換；（2） 負電壓補償與不進行補償之間的切換；（3） 仍要繼續執行正電壓補償；（4） 仍要繼續執行負電壓補償；這些不等于3的情況中其兩者之間的切換都不會使同一臂上的兩個繼電器同時導通，因此程序中對這些情況可以直接處理，即可以直接切換。而和等于3時，說明要

28、執行的是正電壓補償與負電壓補償之間的切換，此時就會可能發生同一臂上的兩個繼電器同時導通，這種情況下就不能直接切換了，必須先對它們在程序上建立連鎖（對于程序上的連鎖實際就是正電壓補償與負電壓補償之間的連鎖），以避免同一橋臂上要斷開的繼電器在還沒完全斷開的時候，要導通的繼電器已經合上，導致兩個繼電器都處于導通狀態。當和為3時，先給p1口發送0x0ff，即先對當前正處于通電的繼電器發送斷開信號，再延時17ms（資料中繼電器的釋放時間為5ms，但實踐證明其釋放時間已經超過這個值，所以在設計中我們取17ms）,確保要斷開的繼電器已經完全斷開后，再向p1口發送將要執行的指令值。把數據的處理，控制指令值及補

29、償狀態編入一個綜合子程序中，其流程如圖3-9所示：開始求出電壓有效值ui求壓差ui=ui-220確定正負補償c，控制指令值b，及過欠壓處理返回圖3-9 綜合流程圖其連鎖流程如圖3-10： p1=0x0ff后延時17ms對當前補償狀態值d與要執行補償狀態值c求和，和x=3？yn向p1口發送執行指令值調用綜合子程序，讀出補償狀態值c及控制指令b1保存當前補償狀態值d=c圖3-10 連鎖流程4 軟件仿真及調試使用c 語言肯定要使用到c 編譯器，以便把寫好的c 程序編譯為機器碼，這樣單片機才能執行編寫好的程序。keil uvision2 是眾多單片機應用開發軟件中優秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的m

30、cs51 架構的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體，同時還支持，plm，匯編和c 語言的程序設計，它的界面和常用的微軟vc+的界面相似，界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。為了確定程序無誤及其運行結果滿足我們所要實現的功能。我們使用keil uvision2對我們所編的程序進行仿真，調試進行驗證。啟動keil uvision2后創建第一個項目，將所編的c 程序文件加到了項目中后，點擊編譯運行。左下方出現如圖4-1，說明已經編譯完成，且零錯誤，零報警。 圖4-1 編譯結果編譯完成，確定程序語法上無誤后，點擊進行調試，點擊運行。剛開始時如果將采樣值設定為小于100的值，此時程序執行的情況是：采樣然后與100比較，比較后又采樣，又比較，如此循環。當采樣值改為大于100的值110，重新編譯，再進行調試后，運行時發現程序將改后大于100的值110與100比較后直接進入下一段程序，再次啟動a/d，將采到的值與110比較，如果