基于RS232接口的交流電源系統(tǒng)設(shè)計

郭寶軍，高貝貝，崔金龍，張亞娟

滄州交通學(xué)院，河北 滄州 061100

0 引言

電力電子器件的使用對電源技術(shù)的發(fā)展具有重要影響，電力電子器件的迭代更新推動著電源技術(shù)的發(fā)展。晶閘管具有制作工藝簡單、體積較小、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。國外對晶閘管的開發(fā)應(yīng)用較早，如英國早在20世紀80年代就已經(jīng)將晶閘管用于交流電源的研究中，美國則在1990年開始研究晶閘管控制的交流電源，日本在2002年左右已將可調(diào)交流電源用于轉(zhuǎn)動電機的供電中。國內(nèi)許多學(xué)者對交流電源也有較深入的研究。顧雪峰[1]提出了一種基于脈寬調(diào)制（PWM）交流調(diào)壓電路新型交流-交流調(diào)壓變換拓撲結(jié)構(gòu)，通過采用絕緣柵極雙極晶體管實現(xiàn)了交流-交流電壓變換；石冰[2]以ARM控制器為核心，并結(jié)合模擬電子技術(shù)中穩(wěn)壓、穩(wěn)流模塊設(shè)計的電源系統(tǒng)，具有過載、過壓、過流保護、響應(yīng)速度快、性能安全可靠等優(yōu)點；朱福星[3]用DSP為處理器,設(shè)計了一種運用于程控交換機的數(shù)字電源，該數(shù)字電源具有控制靈活、處理迅速等優(yōu)點，有更高的輸出電壓精度。

文章研究設(shè)計了一種由微控制器模塊、RS232通信模塊、板卡穩(wěn)壓模塊、可控硅控制模塊等構(gòu)成的交流電源系統(tǒng)，通過可調(diào)PWM波控制雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制電流和電壓的大小。同時，用RS232通信接口使其與計算機進行通信，傳輸導(dǎo)通時間、延時時間等數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對交流電源電壓和電流的實時控制。

1 工作原理

可調(diào)交流電源主要通過利用晶閘管的單相導(dǎo)電性與晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)的特殊電路結(jié)構(gòu)，通過控制晶閘管的通斷實現(xiàn)電壓的正向?qū)ê头聪驅(qū)╗4]。其主要通過對變換電路中晶閘管開通相位的控制，實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。通過電阻負載電壓情況可以準確地反映經(jīng)過調(diào)壓回路后電壓的變化情況。輸入的交流電源電壓在經(jīng)過調(diào)壓回路時，由于晶閘管在觸發(fā)延遲角的作用下，會在不同時間段經(jīng)過負載。正負半周起始時刻均為電壓過零時刻。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于RS232接口設(shè)計的交流電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由交流調(diào)壓模塊、可控硅模塊和PWM發(fā)生模塊、鍵盤模塊、RS232通信模塊、同步電路模塊等構(gòu)成，RS232通信模塊可實現(xiàn)交流電控制系統(tǒng)與PC及之間的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)工作時，定時開始時間是不確定的，單片機需要在交流電零點開始定時，為了確定該控制系統(tǒng)的交流電零點，在設(shè)計時需要同步電路，將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，檢測方波的下降沿，從而得知交流電零點，以便在零點時開始定時斬波。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)開始運行時，首先對工程參數(shù)進行初始化，然后對串口進行配置并讀取單片機內(nèi)部Flash陣列數(shù)值，鎖定程序。當(dāng)檢測到觸發(fā)信號后讀取Modbus總線上的數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)解析，然后開始RS232通信檢測，檢查硬件系統(tǒng)中是否由數(shù)碼管連接，當(dāng)保護標志位置為0時，則進行word data標志位的清除，然后讀取鍵值，延時2 ms后繼續(xù)檢測觸發(fā)信號。當(dāng)保護標志位置為1時，則直接繼續(xù)循環(huán)檢測觸發(fā)信號。主程序設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 主程序設(shè)計流程圖

該控制系統(tǒng)采用循環(huán)冗余檢查，是一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯功能，通過對數(shù)據(jù)進行多項式計算，將所得結(jié)果附在幀的后面，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。編程時將傳遞信號進行數(shù)據(jù)化處理，得到一串字符碼的信號（通過多位數(shù)據(jù)加上多位校驗碼組合成的信息信號），系統(tǒng)接收到該信號后，會自動對信息進行解析校對，進而保證信息的正確傳輸。

4 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)上述硬件功能框圖以及設(shè)計要求，對硬件系統(tǒng)進行選型。器件清單如下：12C5A60S2單片機及芯片座1個，7805-3及芯片座1個，LM393及芯片座1個，24C08及芯片座1個，MAX813L及芯片座1個，485及芯片座1個，3081 2個，4N36 1個，PC817 2個，10 kΩ排阻1個，12M/11.0592M晶振1個，30 pF電容2個，按鍵3個，10 μf電容1個，二極管若干，電容電阻若干，DC電源及電源座多個，電路板1個，實物如圖3所示。

圖3 實物圖

將可調(diào)用交流電接入輸入端，用萬用表測量輸入端的電壓，觀察到電壓值不足220 V，記錄數(shù)據(jù)，然后開啟機箱，觀察電路工作情況，用示波器檢查輸出端電路的輸出電壓波形為5 V方波，但是方波中有部分雜波，信號不夠平整。因此，進行系統(tǒng)調(diào)試，用小燈泡代替負載，以小燈泡的亮度判斷負載電壓大小。將RS232接口轉(zhuǎn)USB接入計算機，打開STC燒錄器串口助手，選擇“02”，輸入“02 10 00 00 00 03 06 00 00 00 08 00 0A E2 86”，表示延時時間為160 ms，電壓值為10 V，小燈泡較暗，如圖4（a）所示。輸入“02 10 00 00 00 03 06 00 00 00 20 00 41 22 B9”，表示定時640 ms，電壓值為65 V，小燈泡較亮，如圖4（b）所示。

圖4 現(xiàn)場調(diào)試圖

5 結(jié)束語

文章設(shè)計了基于RS232接口的交流電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過RS232接口進行數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制、遠距離控制、隨時調(diào)控等。該系統(tǒng)通過同步電路實現(xiàn)對零點的檢測；通過設(shè)置單片機的定時時間實現(xiàn)對雙向可控硅導(dǎo)通、關(guān)斷；通過硬件電路實現(xiàn)對輸出電流、電壓大小調(diào)整，將示波器接入交流電源輸出端，計算輸入數(shù)值，出現(xiàn)正負交替且正弦與方波交替出現(xiàn)的波形。將電壓值調(diào)大后，正弦波明顯變長，方波明顯變短，反之，將電壓值調(diào)小，正弦波明顯變短，方波明顯變長，最終實現(xiàn)交流電源的可控。根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果可知，該系統(tǒng)具有較好的實時性，且動態(tài)性好。