备自投实验装置电压自动调节系统设计

曹利刚，郭改琴

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌　712100)



备自投实验装置电压自动调节系统设计

曹利刚，郭改琴

(杨凌职业技术学院，陕西 杨凌712100)

摘要：为实现输出电压的连续自动控制，简单介绍了各部分硬件的作用和相互关系，详细说明了各部分软件的设计流程以及设备的安装调试过程。结果表明师生认可度高，教学效果得到了显著提升。

关键词:步进电机；单片机；连续调压

调节电压一般采用变压器，但由于变压器的输出侧档位有限，所以输出的是间断变化的电压。滑动变阻器是利用连续改变输出侧线圈的匝数来实现输出电压的连续变化，但由于滑动变阻器的体积和重量都比较大，使用不安全，不能实现自动调压等原因，在备自投实验教学时不能取得良好的教学效果。可控硅电子调压器因为体积小、价格低，受到了5 KW以下用户的欢迎，但该原件只有手动调节旋钮，不能实现电压的自动调节，所以为备自投实验开发一种能够自动输出连续调节电压的设备是很有必要的。

1设计思路

可控硅电子调压器是通过手动调压旋钮来实现电压的连续调节，为了实现电压的自动连续调节，可通过单片机程序模块，用遥控器来实现对步进电机的连续控制，再通过一定的机械工艺把步进电机和调压旋钮的主轴连接在一起，便可实现自动连续调压的目的。

2硬件设计

通过微型变压器将220 V的交流电转化为9 V的交流电，经过4个二极管整流后经滤波装置输出大约8.8 V的直流电，再经三段滤波器LM7805输出5 V直流电，最后再经电容滤波、电阻和开关，为步进电机提供5 V直流电源。

通过STC89C52RC单片机程序模块，遥控器的动作信号由T1838一体红外线接收头接收，给ULN2003A电机驱动器一个信号使电机运转起来，从而实现电机的监控和调节。另外还设置了LED灯光报警功能,声音报警功能,C1、C2和Y1组成的时钟电路，C3、S1和R1组成的故障复位按钮。

在为步进电机提供5 V的直流电源后，当遥控器动作时，步进电机就开始转动，与步进电机同轴的可控硅调压旋钮开始转动，从而在输入端有220 V交流电时，输出端的电压在0～220 V之间变化，将该变化的电压输送给电压变送器，变送器能将输入的0～220 V之间的交流电转化成0～5 V之间的直流电输出。输出的0～5 V直流电输送给型号为8591的AD转换模块，该模块将输入的0～5 V的直流电转化为0～255之间的数字信号，并输送给液晶显示屏和单片机程序模块。

3软件设计

为了实现交流电压在220～0 V之间连续调节和监控，调压监控部分利用单片机控制实现，该部分软件采用模块化设计，主要包括单片机初始化模块、液晶显示模块、遥控键盘输入模块、电压检测模块、AD转换模块、数字滤波模块等。

3.1控制系统主程序

主程序是单片机控制系统必不可少的部分，其主要用于协调各个模块之间的工作，使各个模块工作有序，保证程序流程周而复始地可靠运行，实现系统运行的自动化。本控制系统主程序流程如图1所示。

系统通电后，首先对单片机、中断、液晶模块、AD模块等进行初始化，接着通过AD转换模块采集电压变送器的电压值，将该电压值处理及滤波后显示在液晶显示器上，然后通过步进电机控制旋钮调节输出电压，单片机则根据电机状态标志确定程序的流向。若A电机正转标志位为0，则电机正转一定的角度后停止，若反转标志位为0，则电机反转一定的角度后停止，B电机工作状态同A电机，而A、B电机的状态则通过遥控键盘来实现，遥控键盘通过4个按键设定A和B电机正转、反转等工作状态。

图1　主程序流程图

3.2控制系统子程序

控制系统子程序很多，包括电压采集子程序、数字滤波子程序、数据计算处理子程序、液晶显示子程序、电机状态判断子程序、键盘输入子程序等。

3.2.1电压采集子程序。调压回路电压采集，先采用交流电压传感器将220 V及以下的交流电压转换成5 V以下的直流电压，然后通过A/D转换模块转换成数字信号送给单片机处理。

PCF8591在A/D变换过程中利用DAC以及高增益的比较器，通过逐次比较进行A/D变换。单片机对PCF8591发出读写指令后，就立刻开始A/D转换，同时把A/D转换完成后的数据取出，在每个应答信号的下降沿开始A/D变换周期，采样模拟信号同时读取上次变换完成后的结果。

3.2.2键盘输入子程序。键盘模块主要用来控制电机的旋转方向，然后调节模拟变压器或者输电线路的输出电压。为了减少单片机I/O接口的使用，键盘模块部分采用遥控输入的方式实现，通过红外遥控键盘的按键控制电机调节电压。遥控按键模块采用中断方式实现，程序流程如图2所示。

图2　遥控键盘模块程序流程图

3.2.3液晶显示子程序。液晶显示模块主要用来实时显示A、B回路的电压及A、B回路的工作状态，工作人员可以直观地看到当前回路处于何种工作状态。液晶模块采用12864并行通信方式，并行读写时序如图3所示。该液晶模块显示4行汉字和数据，包括系统名称、具体电压值、电路工作状态等，液晶模块显示程序流程如图4所示。

图3　液晶模块并行读写时序图

图4　液晶显示模块程序流程图

3.2.4数字滤波子程序。数字滤波采用中位值滤波法。该方法的基本原理是在某一个数据采样周期的N次采样中，把最大值和最小值去掉，然后再将其余的数据按照算术平均法计算平均值，作为最后较为客观的值。这种方式可以消除外界扰动引起的数据偏差，减少突发事件造成的干扰误差。数字滤波程序流程如图5所示。

图5　数字滤波程序流程图

4安装与调试

4.1安装

电压自动调节系统的控制回路元件包括一个AD转换器、两个电压变送器、两个可控硅电子调压器、两个步进电机、两个万能转换开关、一个液晶显示屏、一个单片机集成模块、交流电源插板。

按照不同元件的大小和作用以及操作方便、布置美观整齐的原则，在面板的中间偏下的位置安装单片机集成模块，在模块的两侧分别安装步进电机、可控硅电子调压器和电压变送器，在模块的正上方安装AD转换器，在模块的正下方两个万能转换开关的中间位置安装液晶显示屏，在面板的背面安装交流电源插板。其他控制元件也按照以上要求进行布置安装。

在安装步进电机和可控硅调压器之前，需要先将步进电机的转轴用砂轮打磨成扁平状，刚好能塞进可控硅调压器的转动旋钮中间的细缝中，在确保步进电机的转轴和调压旋钮的转轴可靠连接，并能在同一中心线上转动后进行安装固定。

4.2调试

明备用和暗备用实验开发电压自动控制系统调试过程相同，下面以明备用为例进行说明。

第一步：按照设计的要求，将主回路的引出线和控制回路的引出线连接在一起。

第二步：将明备用的万能转化开关(在控制面板的左下角)切换到“停止”状态，关闭单片机集成面板上的直流5 V电源开关。

第三步：打开总回路交流电源开关，因无电压，所以A路和B路均处于断开状态。

第四步：将万能转换开关切换至“A路工作B路备用”位置。

第五步：按下遥控器的“+”按钮，使A路(左回路)电压逐渐升高到200 V左右，这时A路断路器闭合，处于正常供电状态。再按下遥控器“▲”按钮，使B路(右回路)电压逐渐升高到200 V左右，因程序设置，B路不投入运行，处于断电备用状态。

第六步：按下“-”按钮，使A路电压逐渐下降到160 V时，经2秒后因低电压继电器常闭触电闭合，发出跳开A路变压器两端的断路器命令，同时发出闭合B路变压器两端的断路器命令，使A路处于停止状态B路处于供电状态。

第七步：使两路均处于断电状态，将万能转化开关切到“B路工作A路备用”的位置。

第八步：按下遥控器的“▲”按钮，使B路(右回路)电压逐渐升高到200 V左右，这时B路断路器闭合，处于正常供电状态。再按下遥控器“+”按钮，使A路(左回路)电压逐渐升高到200 V左右，因程序设置，A路不投入运行，处于断电备用状态。

第九步：按下“▼”按钮，使B路电压逐渐下降到160 V时，经2秒后因低电压继电器常闭触电闭合，发出跳开B路变压器两端的断路器命令，同时发出闭合A路变压器两端的断路器命令，使B路处于停止状态A路处于供电状态。

4.3故障分析

控制系统出现了故障后，可以用以下方法进行分析处理。

(1)目测：首先看保险丝是否完好，再看原件是否有烟熏、融化和烧焦等现象，最后看是否有异物导致短路，确定故障的位置和故障的性质。

(2)手摸：戴上绝缘手套，轻摇元件，查看是否存在焊接头开裂和元件松动等现象。

(3)鼻子闻：用鼻子闻是否有绝缘烧焦的味道，从而判断故障的位置。

(4)通电：做好相关安全措施后通电，用万用表检查是否有短路或者开路的现象。

5结语

备自投实验装置电压自动调节系统设计过程，思路简单、条理清晰，涉及专业知识广泛，增强了学生实践动手能力，激发了学生的设计和创作热情，教学效果显著提升，得到了学生的高度认可。

参考文献

[1]万隆.单片机原理及应用技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]耿红旗，吕冬梅.可编程序控制器应用教程[M].北京：中国水利水电出版社，2001.

[3]周瑛.单片机备用电源自动投入监控装置研究川[J].湖南电力,2000，20(4)：22-24.

[4]周海波.可编程序控制器在厂用电备自投系统中的应用[J].水电自动化与大坝监测,2004，28(3):82-84.

[5]宋国堂，于海鹏，赵文静，等.备用电源自动投入装置应用中的误动问题分析及应对措施[J].电力自动化设备，2010，30(7)：147-150.

[6]陈曦,张庆.备自投装置的若干应用问题及改进措施探讨[J].科技创新导报,2010(8):88-89.

[责任编辑：赵伟]

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

中图分类号:TM774

文献标志码:A

文章编号：1008-6811(2016)01-0022-04

作者简介：曹利刚(1980—)，男，陕西澄城人，杨凌职业技术学院机电工程学院教师，主要研究方向为水电站自动化及水力机械等。

基金项目：杨凌职业技术学院2014年度科学研究基金项目(A2014009)

收稿日期：2015-12-02