基于RS232接口的交流電源系統設計

郭寶軍，高貝貝，崔金龍，張亞娟

滄州交通學院，河北 滄州 061100

0 引言

電力電子器件的使用對電源技術的發展具有重要影響，電力電子器件的迭代更新推動著電源技術的發展。晶閘管具有制作工藝簡單、體積較小、使用壽命長等優點，廣泛應用于各領域。國外對晶閘管的開發應用較早，如英國早在20世紀80年代就已經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年左右已將可調交流電源用于轉動電機的供電中。國內許多學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制（PWM）交流調壓電路新型交流-交流調壓變換拓撲結構，通過采用絕緣柵極雙極晶體管實現了交流-交流電壓變換；石冰[2]以ARM控制器為核心，并結合模擬電子技術中穩壓、穩流模塊設計的電源系統，具有過載、過壓、過流保護、響應速度快、性能安全可靠等優點；朱福星[3]用DSP為處理器,設計了一種運用于程控交換機的數字電源，該數字電源具有控制靈活、處理迅速等優點，有更高的輸出電壓精度。

文章研究設計了一種由微控制器模塊、RS232通信模塊、板卡穩壓模塊、可控硅控制模塊等構成的交流電源系統，通過可調PWM波控制雙向可控硅的導通和關斷，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，傳輸導通時間、延時時間等數據，可以實現對交流電源電壓和電流的實時控制。

1 工作原理

可調交流電源主要通過利用晶閘管的單相導電性與晶閘管反并聯后串聯的特殊電路結構，通過控制晶閘管的通斷實現電壓的正向導通和反向導通[4]。其主要通過對變換電路中晶閘管開通相位的控制，實現對輸出電壓的調節。通過電阻負載電壓情況可以準確地反映經過調壓回路后電壓的變化情況。輸入的交流電源電壓在經過調壓回路時，由于晶閘管在觸發延遲角的作用下，會在不同時間段經過負載。正負半周起始時刻均為電壓過零時刻。

2 系統結構設計

基于RS232接口設計的交流電源系統，其系統結構如圖1所示。該系統主要由交流調壓模塊、可控硅模塊和PWM發生模塊、鍵盤模塊、RS232通信模塊、同步電路模塊等構成，RS232通信模塊可實現交流電控制系統與PC及之間的數據傳輸。在系統工作時，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的交流電零點，在設計時需要同步電路，將正弦波轉換成方波，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 系統結構框圖

3 系統軟件設計

當系統開始運行時，首先對工程參數進行初始化，然后對串口進行配置并讀取單片機內部Flash陣列數值，鎖定程序。當檢測到觸發信號后讀取Modbus總線上的數據并進行數據解析，然后開始RS232通信檢測，檢查硬件系統中是否由數碼管連接，當保護標志位置為0時，則進行word data標志位的清除，然后讀取鍵值，延時2 ms后繼續檢測觸發信號。當保護標志位置為1時，則直接繼續循環檢測觸發信號。主程序設計流程如圖2所示。

圖2 主程序設計流程圖

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

4 系統調試

根據上述硬件功能框圖以及設計要求，對硬件系統進行選型。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，記錄數據，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，進行系統調試，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 現場調試圖

5 結束語

文章設計了基于RS232接口的交流電源系統。該系統通過RS232接口進行數據傳輸，可以實現系統的集中控制、遠距離控制、隨時調控等。該系統通過同步電路實現對零點的檢測；通過設置單片機的定時時間實現對雙向可控硅導通、關斷；通過硬件電路實現對輸出電流、電壓大小調整，將示波器接入交流電源輸出端，計算輸入數值，出現正負交替且正弦與方波交替出現的波形。將電壓值調大后，正弦波明顯變長，方波明顯變短，反之，將電壓值調小，正弦波明顯變短，方波明顯變長，最終實現交流電源的可控。根據系統調試結果可知，該系統具有較好的實時性，且動態性好。