基于RS232接口的交流电源系统设计

郭宝军，高贝贝，崔金龙，张亚娟

沧州交通学院，河北 沧州 061100

0 引言

电力电子器件的使用对电源技术的发展具有重要影响，电力电子器件的迭代更新推动着电源技术的发展。晶闸管具有制作工艺简单、体积较小、使用寿命长等优点，广泛应用于各领域。国外对晶闸管的开发应用较早，如英国早在20世纪80年代就已经将晶闸管用于交流电源的研究中，美国则在1990年开始研究晶闸管控制的交流电源，日本在2002年左右已将可调交流电源用于转动电机的供电中。国内许多学者对交流电源也有较深入的研究。顾雪峰[1]提出了一种基于脉宽调制（PWM）交流调压电路新型交流-交流调压变换拓扑结构，通过采用绝缘栅极双极晶体管实现了交流-交流电压变换；石冰[2]以ARM控制器为核心，并结合模拟电子技术中稳压、稳流模块设计的电源系统，具有过载、过压、过流保护、响应速度快、性能安全可靠等优点；朱福星[3]用DSP为处理器,设计了一种运用于程控交换机的数字电源，该数字电源具有控制灵活、处理迅速等优点，有更高的输出电压精度。

文章研究设计了一种由微控制器模块、RS232通信模块、板卡稳压模块、可控硅控制模块等构成的交流电源系统，通过可调PWM波控制双向可控硅的导通和关断，从而控制电流和电压的大小。同时，用RS232通信接口使其与计算机进行通信，传输导通时间、延时时间等数据，可以实现对交流电源电压和电流的实时控制。

1 工作原理

可调交流电源主要通过利用晶闸管的单相导电性与晶闸管反并联后串联的特殊电路结构，通过控制晶闸管的通断实现电压的正向导通和反向导通[4]。其主要通过对变换电路中晶闸管开通相位的控制，实现对输出电压的调节。通过电阻负载电压情况可以准确地反映经过调压回路后电压的变化情况。输入的交流电源电压在经过调压回路时，由于晶闸管在触发延迟角的作用下，会在不同时间段经过负载。正负半周起始时刻均为电压过零时刻。

2 系统结构设计

基于RS232接口设计的交流电源系统，其系统结构如图1所示。该系统主要由交流调压模块、可控硅模块和PWM发生模块、键盘模块、RS232通信模块、同步电路模块等构成，RS232通信模块可实现交流电控制系统与PC及之间的数据传输。在系统工作时，定时开始时间是不确定的，单片机需要在交流电零点开始定时，为了确定该控制系统的交流电零点，在设计时需要同步电路，将正弦波转换成方波，检测方波的下降沿，从而得知交流电零点，以便在零点时开始定时斩波。

图1 系统结构框图

3 系统软件设计

当系统开始运行时，首先对工程参数进行初始化，然后对串口进行配置并读取单片机内部Flash阵列数值，锁定程序。当检测到触发信号后读取Modbus总线上的数据并进行数据解析，然后开始RS232通信检测，检查硬件系统中是否由数码管连接，当保护标志位置为0时，则进行word data标志位的清除，然后读取键值，延时2 ms后继续检测触发信号。当保护标志位置为1时，则直接继续循环检测触发信号。主程序设计流程如图2所示。

图2 主程序设计流程图

该控制系统采用循环冗余检查，是一种数据传输检错功能，通过对数据进行多项式计算，将所得结果附在帧的后面，从而保证数据传输的正确性和完整性。编程时将传递信号进行数据化处理，得到一串字符码的信号（通过多位数据加上多位校验码组合成的信息信号），系统接收到该信号后，会自动对信息进行解析校对，进而保证信息的正确传输。

4 系统调试

根据上述硬件功能框图以及设计要求，对硬件系统进行选型。器件清单如下：12C5A60S2单片机及芯片座1个，7805-3及芯片座1个，LM393及芯片座1个，24C08及芯片座1个，MAX813L及芯片座1个，485及芯片座1个，3081 2个，4N36 1个，PC817 2个，10 kΩ排阻1个，12M/11.0592M晶振1个，30 pF电容2个，按键3个，10 μf电容1个，二极管若干，电容电阻若干，DC电源及电源座多个，电路板1个，实物如图3所示。

图3 实物图

将可调用交流电接入输入端，用万用表测量输入端的电压，观察到电压值不足220 V，记录数据，然后开启机箱，观察电路工作情况，用示波器检查输出端电路的输出电压波形为5 V方波，但是方波中有部分杂波，信号不够平整。因此，进行系统调试，用小灯泡代替负载，以小灯泡的亮度判断负载电压大小。将RS232接口转USB接入计算机，打开STC烧录器串口助手，选择“02”，输入“02 10 00 00 00 03 06 00 00 00 08 00 0A E2 86”，表示延时时间为160 ms，电压值为10 V，小灯泡较暗，如图4（a）所示。输入“02 10 00 00 00 03 06 00 00 00 20 00 41 22 B9”，表示定时640 ms，电压值为65 V，小灯泡较亮，如图4（b）所示。

图4 现场调试图

5 结束语

文章设计了基于RS232接口的交流电源系统。该系统通过RS232接口进行数据传输，可以实现系统的集中控制、远距离控制、随时调控等。该系统通过同步电路实现对零点的检测；通过设置单片机的定时时间实现对双向可控硅导通、关断；通过硬件电路实现对输出电流、电压大小调整，将示波器接入交流电源输出端，计算输入数值，出现正负交替且正弦与方波交替出现的波形。将电压值调大后，正弦波明显变长，方波明显变短，反之，将电压值调小，正弦波明显变短，方波明显变长，最终实现交流电源的可控。根据系统调试结果可知，该系统具有较好的实时性，且动态性好。