摘要：介紹了用AT89C2051單片機控制二進制繞組變壓器抽頭，以構成交流電網調節器的設計思想。詳細闡述了二進制繞組變壓器的調壓原理，給出了智能交流電網調節器的工作原理和控制電路，最后還介紹了該交流電網調節器的軟件設計思想。

關鍵詞：單片機 二進制繞組變壓 A/D采樣 AT89C2051

智能型交流電網調節器的主控回路是一個具有二進制繞組的變壓器。當交流電網電壓發生變化時，計算機將根據采樣電路采得的電壓值自動選擇二進制繞組變壓器初級相應的抽頭，以確保輸出電壓不發生變化。本設計采用ATMEL公司生產的AT89C2051單片機控制下的繼電器來切換二進制繞組變壓器的抽頭以實現穩壓，該系統響應速度快，顯示信息直觀，是一種低成本、高性能的交流電網調節設備。

1 硬件設計原理

圖1所示是該智能交流電網調節器的原理框圖，該系統的核心器件為AT89C2051單片機。當電網電壓經采樣電路采樣后，通過8位串行A/D轉換器TLC0831將電網電壓值送入AT89C2051，計算機對數據進行處理并自動選擇開關狀態后，快速切換二進制繞組變壓器的抽頭，從而保持輸出電壓的穩定。

1.1 二進制繞組變壓器的調壓原理

圖2即為二進制繞組變壓器的調壓原理示意圖。在交流調壓系統中，一般將變壓器初級設計為二進制繞組，次級為普通繞組。變壓器初始可設置為最小電壓值為Uo的基本繞組n，再根據最小位調整設計其它繞組。因此，可利用二進制繞組的不同串聯方式把二進制繞組中電壓值Uo最小的繞組電壓作為調整電壓，以得到最高調整電壓為的調整電壓范圍。在本系統中，繞組電壓值Uo最小為1V，對應匝數為n匝，最高調整電壓為128V，對應匝數為128n匝。表1為開關狀態與二進制繞組對應的電壓關系。

由表1可知，通過控制開關工作模式來選擇二進制繞組的串聯組合，即可實現繞組電壓按Uo的倍數調整。

表1 開關狀態與二進制繞組所對應的電壓關系

1.2 控制電路

圖3所示為智能交流電網調節器的原理電路圖。它利用采樣電路將電網電壓降壓后，再經濾波、分壓送至TLC0831串行A/D轉換器。當單片機得到電網電壓值后，依據下式進行數據處理，即：

N1=N2Vin/220

式中，N1為變壓器的初級繞組數；N2為變壓器的次級繞組數；Vin為電網輸入電壓。

這樣，就可得到變壓器初級繞組的匝數值，然后根據N1的數值來確定開關控制輸出狀態，并由P1口輸出。P1口的每一位都有獨立的驅動電路和光電耦合電路來控制對應的繼電器，以實現二進制繞組的初級抽頭切換。

若電網輸入電壓為165V，則可算出N1的值：

N1=N2Vin/220=0.75N2

假如N2=255(匝)，則N1值為：

N1=0.75×255=191.25（匝）

根據以上計算式和二進制繞組初級設計原理不難算出初級抽頭的電壓為191.25V。由于初級繞組中有一組50V的初始繞組，因此二進制繞組的初級抽頭電壓應為141.25V。所以P1口的輸出狀態為10001101，繼電器K8、K4、K3、K1在各自的驅動電路驅動下閉合導通，以接通相應的二進制繞組的初級抽頭。此時初級抽頭電壓為：

128+8+4+1=141(V)

若電網輸入電壓為250V，不難算出P1口的輸出狀態為11110000，因此理論上電網輸入電壓在45V～263V之間變化時，可確保輸出電壓維持穩定的220V。

1.3 控制過程的時間分配與電流過零觸發

考慮到波形的完整與連續，繼電器必須在主回路電流過零時進行觸發，在其它時刻，控制電路的輸出信號均被封鎖。由于負載的性質不同，電流的過零點可能超前于電壓的過零點（容性負載），也可能滯后于電壓的過零點（感性負感），但因變壓器初級存在電感、電容、電阻的分布參數，所以使得初級電流的相移不會是90°。而A/D轉換器的采樣是在交流輸入電壓的峰值開始的，取樣時間為50μs（相夠為0.9°），所以該交流電網調節器適用于各種負載。

1.4 其它電路

該調節器的其它電路包括上電復位與看門狗電路、采樣電路和電壓顯示電路等。上電復位與看門狗電路工作過程是：當系統接通電源后，由MAX708發出復位信號給CPU，以確保系統可靠復位。同時與CD4060構成看門狗電路，在程序正常運行時，CPU定時向CD4060計數器發出清零脈沖，以使MAX708的MR端始終維持在高電平，并保證RES端輸出低電平；一旦程序執行不正常或系統死機，CPU不能定時向CD4060計數器發出清零脈沖，則CD4060將在計滿數后溢出，并輸出高電平，從而使MR端為低電平，此時RES端輸出高電平來強迫系統復位。

系統中的串行轉換芯片TLC0831與8031單片機組成數據采集系統來進行采樣。該串行A/D轉換芯片的模數轉換過程與數據輸出過程都是在外部時鐘脈沖的控制下進行的，其模數據轉換速度一般較低，圖4為其工作時序圖。

電壓顯示電路是用串行變換芯片74LS164直接驅動LED數碼管來實現的，該電路非常簡單，顯示亮度也很高。

2 軟件設計

本程序流程框如圖5所示。加電初始化后，系統首先對P1口清零，經延時采樣及數字濾波后由計算機進行數值處理運算，以在P1口輸出控制字，并在過零觸發脈沖到來時通過P1口輸出控制信號，來控制繼電器的通、斷以確定二進制繞組變壓器初級抽頭的工作狀態，從而達到使輸出電壓維持恒定的目的。

3 結束語

交流電網調節器是一種新穎的電源控制器，該系統的輸出電壓穩定度很高（低于0.5%），同時對電網電壓變化范圍的適應性了很強。考慮到實際因素的影響，該調節器可對AC60～255之間的電網電壓進行調整，是一種較為實用的交流電網調節系統。