吉林工程技术师范学院毕业论文第一章 绪 论 1.1 课题背景随着电子计算机技术应用到各工业、科研领域后，各种电子设备都要求稳定的交流电源供电，而交流稳压电源的出现解决了这一问题。车站信号电源屏从功能上分为调压、转换(包括2路电源转换和输出转换)、输出(包括交流输出和直流输出)几部分,其中稳压部分是电源屏质量的关键。目前铁路车站现场应用的电源屏稳压部分其最主要的缺点是响应速度慢,在两路电网转换过程中容易产生过压或欠压;有机械磨损,易损坏;输出失真大。随着技术进步,继电式设备正逐步被电子设备所取代,设备对电源质量要求越来越高。稳压电路具有效率高、可靠性高、抗干扰能力强。补偿变压器功率较小,从而明显降低材料成本及功率损耗,达到提高效率,减小重量体积的目的。微机控制使控制电路大大简化,还可加入辅助功能,如故障诊断、稳压指示、超限声光报警、延时启动、故障检测、缺相保护等各种功能。因此智能交流稳压电源控制器器正逐步进入电源屏应用领域。交流稳压电源用途广泛，类型较多，大致可分为以下5种。 铁磁谐振式交流稳压器：利用饱和扼流圈与相应的电容器组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。它结构简单,制造方便，输入电压允许变化范围宽，工作可靠,过载能力较强。但波形失真较大，稳定度不高。近年发展起来的稳压变压器，也是借助电磁元件的非线性实现稳压功能的电源装置。它与磁饱和式稳压器的区别在于磁路结构形式的不同，而基本工作原理则相同。它在一个铁心上同时实现稳压和变压双重功能，所以优于普通电源变压器和磁饱和稳压器。 磁放大器式交流稳压器：将磁放大器和自耦变压器串联起来，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。其电路形式可以是线性放大，也可以是脉宽调制等。这类稳压器带有反馈控制的闭环系统，所以稳定度高，输出波形好。但因采用惯性较大的磁放大器，故恢复时间较长。又因采用自耦方式，所以抗干扰能力较差。 感应式交流稳压器：靠改变变压器次级电压相对于初级电压的相位差，使输出交流电压获得稳定的装置。它在结构上类似线绕式异步电动机，而原理上又类似感应调压器。它的稳压范围宽，输出电压波形好，功率可做到数百千瓦。但由于转子经常处于堵转状态，故功耗较大，效率低。另因铜、铁用料多，故较少生产。 滑动式交流稳压器：用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。但稳定度较低，恢复时间较长。 1.2 交流稳压电源的发展现状我国20世纪50年代流行的是磁放大器调整型电子交流稳压器，随着技术水平和用电设备对稳压电源性能指标要求的提高，在此基础上出现了净化型稳压电源;净化型交流稳压器抗干扰性能好、稳压精度较高、响应时间短、电路简单、工作可靠;但其带非线性负载时，有时有低频振荡现象、输入电压调节、范围较窄、而且源电流的谐波分量较多。到了70年代，主要存在的是用继电器触点改变变压器抽头和以炭刷移动接触点为主要控制方式的机械调整型交流稳压电源;调压型交流稳压器制作简单、工作可靠、功率较大、负载适应性好等优点;但这种类型的交流稳压器存在机械磨损、响应时间长、工作寿命短、抗干扰能力差等缺点。到了90年代，随着电力电子技术的发展，又出现了功率补偿式稳压电源和开关型交流稳压器。功率补偿型三相电力稳压器电压调节范围宽、效率高、波形失真小;但其采用电动机调节炭刷触头方式，调节速度慢，并且存在机械磨损，使用寿命短。而开关型交流稳压器响应速度快、体积小、重量轻、波形失真小、效率较高;但其电路复杂。滑动式交流稳压器：用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求,稳定度较低，恢复时间较长。1第二章 系统的基本原理和主电路结构2.1 系统统的基本原理和主电路结构2.1.1 系统总体设计和原理框图此稳压器又叫做滑动式交流稳压器，用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。但稳定度较低，恢复时间较长。总体方案原理框图，如图2-1所示:主控补偿单元驱动单元Ui电源输入Uo电源输出全波波精密整流电路私服电机可控调节节数码管显示采样电压信号放大电路A/D单片机控制系统键盘输入基准电压图2-1 稳压单元的总体方案原理框图2.1.2 系统工作原理系统主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路包括变压器主控补偿单元、可控调节单元等，3主控单元有，3个键，4位LED显示，交流互感器信号放大电路，A/D转换电路等。控制电路以单片机AT89C51为控制核心，主要包括输入电压精密全波整流电路，继电器驱动电路、A/D转换电路、故障检测电路、保护电路等。当输入电压Ui波动或负载电流变化时，通过采样元件x5045获取前馈电压（由变压器将电网交流量转化成相应的0V-5V的交流信号），经放大电路将信号放大，再经整流电路进行半波整流后，最后经A/D转换模块后输入单片机与基准值进行比较，由单片机软件进行判断处理，输出控制指令，让伺服电机正反转，改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器，从而快速地达到稳定输出电压的目的。电源的补偿原理如图2-2所示，当电网电压负波动时（U为负），伺服电机两端为负电压将反转，使变压器滑动接点向上移动，将提升输出电压并使之趋于稳定，使之工作在稳定的电压精度内。同理，当电网电压正波动超出稳压值时，伺服电机正反转。图2-1-2 系统原理图2.1.3 主电路研究 图2-1-3-1 图2-1-3-21当ui小于给定电压时，单片机判断补偿负电压，伺服电机正转使变压器的触点上移动,使Uo保持一定的电压值。如图2-1-3-1。2.当ui大于给定电压值时，单片机判断补偿正电压，伺服电机反转，使变压器的触点下移动,使Uo保持一定的电压值。 如图2-1-3-2。第三章 控制系统硬件方案的设计3.1 AT89C51型单片机性能及功能简介本课题设计的直流稳压电源的核心控制器件选用AT89C51,AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT8920C51是他的精简版，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.1.1 引脚说明 图3-1-1 AT89C51引脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3-1-1所示： 表3-3-1 P3口第二功能 P3口第二功能P3.0RXD(串行口输入)P3.1TXD(串行口输出)P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1) P3.4T0(外部定时输入0)P3.5T1(外部定时输入1) ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.2 主要性能与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 3.1.3 芯片擦除 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储