基于單片機控制的相序檢測器設計

陳登峰 陳輝

摘要：在現代化生產實踐中，為保證生產設備正常運行，三相交流異步電動機[3]的供電電源相序就必須正確。以確保我們生產、生活的用電安全，避免由供電相序錯誤導致的事故。相序檢測器主要有相序檢測、自動倒相、斷相保護的功能。三相交流電經過降壓整形后的矩形波經光耦電氣隔離輸入到單片機的三個I/O口，邊沿檢測實現相序檢測的功能。繼電器接單片機的兩個I/O口，通過單片機的這兩個I/O口輸出高低電平來控制兩個繼電器的吸合，繼而實現自動倒相和斷相保護的功能。單片機控制電路[10]屬于弱電控制強電，結構簡單、控制效率高，實時性強、體積小、維修方便。

關鍵詞：三相交流異步電動機；三相交流電；相序檢測；自動倒相

中圖法分類號 TP391

本設計研究的是“基于單片機控制的相序檢測器設計”。在工業供電系統中，對于大部分電機、電器設備，保證三相交流供電電源的相序正確是至關重要的。若供電相序發生錯誤，輕則會影響生產，重則可能發生重大人身和設備安全事故。所以在工業和民用供電、配電系統中，設計具有相序判別、斷相保護和自動倒相功能的相序檢測器，以確保生產、生活的安全用電和保障生產的正常運行，避免由供電相序錯誤導致的事故發生，具有很高的[12]實用價值。主要設計具有相序判別、斷相保護和自動倒相功能的相序檢測器。在工業快速發展的今天，三相電源作為工控系統的最直接能源來源其突出作用是顯而易見的，因此對其進行合理的邏輯知識控制顯得尤為重要。在傳統工業控制中，我們強調的是確保外部電源相序接線的準確性，否則將會出現生產事故，這無疑對我們的操作增添了較高的要求。而有了相序檢測器[11]以后，就可以確保我們生產、生活的用電安全，從而避免了由供電相序錯誤導致的事故發生。

1系統總體方案設計

1.1 總體思路

本文是一種基于AT89C51單片機制作的相序檢測器的設計方法，其主要思路是三相交流電經降壓，半波整流和整形，將整形后的三相電壓波形送入單片機P1口的低三位，單片機依據三段脈沖[9]到來的高低電平進行邊沿檢測，從而實現相序檢測的功能，通過控制繼電器的吸合與斷開繼而實現自動倒相和斷相保護的功能。相序檢測器設計的總體框圖如圖1所示。

1.2 硬件選型

相序檢測器的硬件方面主要包含四大模塊，它們分別是：變壓模塊、整形模塊、主控制模塊、電源模塊。各個模塊分析如下：

變壓模塊：主要功能為把輸入的交流電降低為同一頻率的交流電輸出電壓。器件選用三相變壓器。

整形模塊：半波整流電路利用二極管的單向導電性進行整流，常用來將交流電轉變為直流電。施密特觸發器可以將非矩形波變換成矩形波。器件選用1N5822型肖特基二極管（I=3A，U=28V）；74LS132施密特觸發器（Vcc=5V）；TLP521光電耦合器（I=50mA，U=5V）。

主控制模塊：以AT89C51單片機為控制核心，完成相序檢測的功能。通過控制繼電器動作，繼而完成自動倒相和斷相保護的功能。器件選用AT89C51單片機、9014型三極管、MY3繼電器。

電源模塊：為整個系統提供合適又穩定的電源，主要為施密特觸發器、光電耦合器、單片機提供電源，電壓要求穩定、噪聲小及性價高的電源。器件選用電源變壓器T1、1N4001二極管、LM7805三端穩壓器。

2硬件設計

2.1變壓模塊設計

三相變壓器T2的作用是將380V交流電變換成同一頻率的6V交流電[8]。變壓器原邊與副邊扎數比電壓的正比，電流的反比。三相變壓器如圖2所示。

2.2整流電路

三相半波整流橋：半橋是將連接好的3個整流二極管（和一個電容器）封裝在一起，組成一個橋式、半波整流電路。三相半波整流橋必須輸入電源的零線（中性線），脈動周期是120°。三相半波整流原理如圖 3所示。

在半波整流電路中，三相中的每一相都和零線單獨形成了半波整流電路，其整流出的三個電壓半波在時間上依次相差疊加，并且整流輸出波形不過點，其最點電壓Umin=Up×sin[（1/2）×（180°-120°）]=（1/2）Up。式中的Up是交流電壓輸入幅值。由于三相半波整流在一個周期中有三個寬度為120°的整流半波，因此它的濾波電容器的容量可以比三相中的每一相的單相半波整流和單相全波整流時的電容量都小。三相半波整流電壓波形如圖4所示。

2.3主控模塊設計

采用AT89C51[2]單片機進行主要控制，依據三段脈沖到來的高低電平進行邊沿檢測，從而實現相序檢測的功能，通過控制繼電器的吸合與斷開繼而實現自動倒相和斷相保護的功能。

圖5 AT89C51引腳圖

控制電路的電源電壓[4]，能提供的最大電流；被控制電路中的電壓和電流；被控電路需要幾組、什么形式的觸點[7]。選用繼電器時，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據。控制電路應能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩定的。

電路中有兩個電磁繼電器用來調整相序。因為單片機輸出的信號的電壓太小不足于使繼電器工作，則須通過三極管將信號放大，再接繼電器。若相序正確，單片機輸出信號驅動繼電器[5]K1吸合，接通三相交流電源； 否則，單片機輸出信號驅動繼電器K2吸合，反相接通三相交流電源。單片機的三個輸入口若接收到一路或者多路低電平信號時（即無脈沖），則可認為斷相。單片機的兩個輸出口同時動作，兩個繼電器K1和K2的常開觸點斷開。主電路三相電被切斷，即完成了斷相保護功能。具體實現圖如圖6所示。

3 軟件設計

主程序必須具有初始化功能，開機后首先執行初始化程序，系統初始化程序模塊主要的主要功能是完成對AT89C51單片機[1]系統資源的初始分配。主要包括變量的初始化，時鐘振蕩器的設置，I/O端口的初始化以及標志位的初始化。本設計主要是對定時器產生中斷次數和標志位的初始化。軟件設計總流程圖如圖7所示。

4 仿真與調試

4.1硬件仿真

硬件仿真采用Multisim仿真。Multisim是美國國家儀器[6]（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。

4.2軟件調試

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。單片機的開發軟件在不斷發展，是目前最流行開發MCS-51系列單片機的軟件，Keil提供了一個集成開發環境IDE uVision，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過集成開發環境（uVision）將這些部分組合在一起。先用編輯器編寫程序，接著調用編輯器進行編譯，連接后即可直接運行。這樣避免了過去先用編輯器進行編輯，然后退出編輯狀態進行編譯，調試后又要調用編輯器的重復過程，可以縮短開發周期。

本設計通過Keil軟件實現軟件部分的調試，過程如下：

首先建立工程文件，點擊“Project->New project”菜單，出現一個對話框，要求給將要建立的工程起一個名字，你可以在編緝框中輸入一個名字，點擊“保存”按鈕，出現第二個對話框，按要求選擇目標器件片。建立新文件并增加到組。分別設置“target1”中的“Target，output，debug”各項，使程序匯編后產生HEX文件。

接著的工作需要把匯編語言源文件加入工程之中。選擇工程管理器窗口的子目“Source Group 1”，再單擊鼠標右鍵打開快捷菜單。在快捷菜單中選擇“Add File to Group ‘Source Group 1”，加入文件對話框被打開。在這個對話框的“查找范圍（I）”下拉列表框中選擇存儲匯編語言源文件的文件夾，在“文件類型（T）” 下拉列表框選擇“Asm Source file（*.a*；*.src）”，這時存儲的匯編語言[23]源文件將顯示出來。雙擊要加入的文件名或者選擇要加入的文件名再單擊“Add”按鈕即可完成把匯編語言源文件加入工程。文件加入以后，加入文件對話框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。如果不需要加入其它文件，單擊“Close”按鈕可以關閉加入文件對話框。這時工程管理窗口的文件選項卡中子目錄“Source Group 1”下出現一個匯編語言源文件。 需要注意，當把匯編語言源文件加入工程但還沒有關閉加入文件對話框，這時有可能被誤認為文件沒有成功地加入工程而再次進行加入操作，系統將顯示所需的文件已經加入的提示。在這種情況下，單擊提示框中的“確定”按鈕，再單擊“Close”按鈕可以關閉加入文件對話框。

編譯源程序出現錯誤時，返回上一級對錯誤更改后重新編譯，直到沒有錯誤。

本設計調試結果如圖8所示。

5總結

本文主要設計了一種具有相序判別、斷相保護和自動倒相功能的相序檢測器。以AT89C51單片機為控制核心，完成相序檢測的功能。通過控制繼電器動作，實現了自動倒相和斷相保護的功能。

參考文獻：

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[12]謝自美.電子線路設計與實驗[M].華中科技大學出版社.

基金項目：國家自然科學基金項目（61673192）；山東省中學杰出青年基金（ZR2016JL023）；北京郵電大學基礎科學研究項目（2018RC31）

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China （61673192）， the Fund for Outstanding Youth of Shandong Provincial High School （ZR2016JL023）， and the Basic Scientific Research Project of Beijing University of Posts and Telecommunications （2018RC31）.通信作者：彭濤

西安市科技計劃項目（JKZD0011） 西安市碑林區科技計劃項目（GX1705）