CN101431288B - 多功能电源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能电源控制器，它是采用微控制器作为中央处理器，连接同步信号采集电路、触发驱动电路、数字量输入电路、A/D转换电路、按钮输入与液晶显示电路以及频率调制电路和电源滤波电路，构成完整的计算机系统，由编写的程序控制完成工作。本发明以微控制器作为主控制单元，配合适当的外围电路组成控制精确、功能完善、人机界面友好的多功能电源控制器，其中包括三路继电器输出、三路模拟量输入、四路数字量输入、六路可控硅触发信号。多功能电源控制器上集成了参数设置按钮、汉字液晶显示屏、AD转换电路与RS232串行通信电路，所有部分均由程序控制相互配合达到控制要求，是一个高度集成化，多功能化，智能化的控制器。

Description

多功能电源控制器

一、技术领域

本发明涉及对三相电源电压的控制及实现自动控制的装置。 

二、背景技术

在很多设备中，都不会直接使用三相电源，都需要对其进行变换，包括直流设备、启动设备等。传统方法采用模拟电路和专用可控硅触发集成电路对三相电源进行控制，但控制方式单一，控制灵活性差，无人机控制界面，控制精度底，无法实现自动控制。迫切需要一种更先进、更智能化的方式来控制三相电源系统。微控制器的出现为解决上述问题提供了理想的方案。微控制器是在一块半导体上集成了CPU、ROM、RAM、EEPROM、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等功能，构成了一套完整的计算机系统，其工作完全由编写的程序来控制，接口丰富，可扩展性强，运算速度快，每秒可做上亿次；定时精度高，可精确到μs级。用它作为主控制器完全可以达到对控制电路的智能化，多功能化，高精度化以及自动化的需要。微控制器广泛应用在直流调速、交流调压、节能软启动器、无触点开关等多种设备上。 

三、发明内容

本发明的目的是提供一种智能化的多功能电源控制器，克服现有技术的缺点，实现电源的精确控制以及人机界面等多种功能。 

本发明采用的技术方案是：多功能电源控制器包括中央处理器、RS232接口电路、A/D转换电路及数字量输入电路、继电器输出电路，本发明采用微控制器(MCU)作为中央处理器，连接同步信号采集电路、可编程逻辑器件、触发驱动电路、数字量输入电路、继电器输出电路、A/D转换电路、按钮输入与液晶显示电路以及调制频率产生电路和电源滤波电路，以上电路与微控制器的时钟电路和上电复位电路共同构成完整的计算机系统，由编写的程序控制完成工作；同步信号采集电路是对三相电源进行星形电阻网络分压，将分压后的随每相电压同步变化的三路信号给运算放大器进行运算放大，输出三路与电源同步的方波信号作为微控制器与三相电源的同步信号；三路方波信号经光电隔离送至微控制器。 

本发明以微控制器作为主控制单元，配合适当的外围电路组成控制精确、功能完善、人机界面友好的多功能电源控制器，其中包括三路继电器输出、三路模拟量输入、四路数字量输入、六路可控硅触发信号以及触发驱动电路和串行通信电路、同步信号采集电路。实现了控制可控硅触发并配以逻辑控制功能、反馈和PID调节功能、参数设置与显示功能、串行通信功能等。完全改变了以往模拟电路采用的三角波与比较电压配合的调压方式，以及采用专用集成电路所组成的调压电路的功能单一、自动化程度低、无法实现人机对话等不足。多功能电源控制器上集成了参数设置按钮、汉字液晶显示屏、AD转换电路与RS232串行通信电路，所有部分均由程序控制相互配合达到控制要求，是一个高度集成化，多功能化，智能化的控制器。 

四、附图说明

图1为同步信号采集电路图； 

图2为微控制器的P1端口与可编程逻辑器件连接电路图； 

图3为可控硅触发驱动电路图； 

图4为数字量输入电路图； 

图5为继电器输出电路图； 

图6为A/D转换电路图； 

图7为RS232串行接口电路图； 

图8为按钮输入与数据显示电路图； 

图9为本发明的电路总图； 

图10为本发明的程序流程图； 

图11为本发明的电路逻辑框图。 

五、具体实施方式

本发明通过下述技术手段予以实现，图1中，首先对三相电源进行星型电阻网络分压，将分压后的随每相电压同步变化的三路信号给运算放大器MAX324进行运算放大，输出三路与电源同步的方波信号作为微控制器与三相电源的同步信号，与传统的采用同步变压器相比更直接，在相位上没有变压器的滞后30°的情况，MAX324工作 在无限放大区，将正负变化的交流信号变成微控制器可识别的高低电平再通过光电隔离送至微控制器。 

运算放大器输入最大电压＝220V×(R62÷(R27+R28+R62))，三路运算放大器输出为波形与电源同步的50Hz方波。 

同步信号通过光电隔离送到微控制器MCU的P3.5、P3.6、P3.7，运行时微控制器先读取三路同步信号，以其中一相为基准确定相序是顺相序还是逆相序，比如以A相为基准和B相比效，当A相由低变高时B相为高电平时，为逆相序，为低电平时为顺相序，相序确定后会置相应的标志位，之后微控制器会根据参数设置延时之后采用查表的方法来控制六只可控硅的导通。 

六路可控硅触发信号的产生：首先电路通过同步电路的转换将三相电源的频率变成与电源同步的高低电平，通过光电隔离后供MCU读取，当外部命令要求触发可控硅时，MCU首先读取同步信号，并判断三相电源的相序是A、B、C还是A、C、B，然后MCU会根据程序和参数设置的要求采取延时处理，延时时间(ms)＝(65536-x)×1μs，x为微控制器内部定时器，初始值为0～65536之间的一个数值。由于我国电源频率为50Hz，所以一个周期的时间为20ms，一个正半周期为10ms，所以延时的时间，为0～10ms就可实现，电源电压从0到最大的无级调压。此时微控制器会通过P1端口输出触发信号，通过可编程逻辑器件GAL-16V8D将宽脉冲触发信号与调制信号发生器的高频信号，频率为1KHz进行混合调制，MCU内部有三个定时器分别为T0、T1、T2，T0作为导通延时使用，延时时间为0～10ms就可实现，电源电压从0到最大的无级调压，T1为触发脉冲间隔定时器，由于采用的是双触发脉冲，所以一个周期要产生6组触发脉冲，每组触发脉冲的间隔时间为3.333333(ms)，T1为脉冲间隔定时并记数顺序产生6组触发脉冲。每组触发两个可控硅，触发脉冲的分配通过查表来完成，每相上有正反两个可控硅分别用+和-表示，由于相序的不同共有两种表，分别对应相序为A、B、C和A、C、B两种情况。 

两表如下：

表1 

A+相触发脉冲＝第1个和第2个； 

A-相触发脉冲＝第4个和第5个； 

B+相触发脉冲＝第5个和第6个； 

B-相触发脉冲＝第2个和第3个； 

C+相触发脉冲＝第3个和第4个； 

C-相触发脉冲＝第1个和第6个； 

表2 

A+相触发脉冲＝第1个和第2个； 

A-相触发脉冲＝第4个和第5个； 

B+相触发脉冲＝第3个和第4个； 

B-相触发脉冲＝第6个和第1个； 

C+相触发脉冲＝第5个和第6个； 

C-相触发脉冲＝第2个和第3个； 

每次触发至少有+、-两只可控硅导通，使电路形成通路。此时微控制器会通过P1端口输出触发信号，通过可编程逻辑器件GAL-16V8D的调制后送到触发驱动部份，GAL-16V8D内部可通过程序进行配置，图2是微控制器MCU的P1端口与可编程逻辑器件GAL-16V8D连接。 

微控制器的控制信号经可编程逻辑器件的处理后，控制驱动电路产生触发信号触发可控硅，实现对主电路的控制，GAL-16V8D产生的调制信号控制功率管TIP122的通断，使隔离脉冲变压器的输出端产生与控制信号相同的触发脉冲，TIP122为中功率三极管，其主要功能为功率放大；隔离脉冲变压器主要作用使控制电路与主电路隔离，二极管起整形作用。图3为可控硅触发驱动电路。 

通过数字量接口，可方便的对系统进行控制和输出状态信息，四路输入和三路输出，均可通过程序灵活配置。图4中的数字量输入通过外部开关信号由阻容滤波后控制光电隔离IC的输出，数字量信号为无源开关量，其一端接地，另一端先由电容与电阻网络滤波后通过电阻接到光电隔离IC TLP521-4的2、4、6、8脚上，其1、3、5、7 脚接+24V，当开关闭合时，使+24至地形成通路，IC内部的发光元件发光，把输出端由原来的高电位变成低电位，微控制器通过连接到TLP521-4的输出端的P2.3～P2.6读取TLP521-4的状态后，判断是不是有开关按下与抬起，并进行处理。图5的继电器输出也是通过光电隔离，由微控制器的P2.0、P2.1、P2.2产生的高低电平控制继电器的吸合与释放，当P2.0、P2.1、P2.2是高电平时由于TLP521-4输入为等电位，故输出端无输出，继电器驱动三极管无驱动信号，三极管不导通，继电器不吸合；当为低电平时，TLP521-4的输入端产生电位差，有电流流过使内部发光元件发光，使输出端产生输出并驱动三极管使继电器吸合，通过继电器引到端子上的触点就可对外部电路进行控制。 

电路通过三路10位同步AD来采集运行时的信息，数据通过P0口读入微控制器供计算时调用，图6为AD采集电路，采用三块独立TLC1549串行10位A/D转换IC，前端采用阻容网络滤波，MCU的P0.4为时钟输出，P0.5为片选控制，当P0.5为低电平时，MCU从TLC1549的6脚按位读取数据并存入内部变量中，由于三路TLC1549共用片选与时钟信号，所以三路同步工作。 

图7为RS232接口电路，串行通信功能主要由MAX232专用串行通信IC完成，控制器上集成了RS232串行通信接口以用来对控制进行编程、通信，采用MAX232专用串行通信IC实现TTL电平与232协议电平的转换，MCU的P3.0与P3.1串行通信接口，通过MAX232可实现全双工串行通信。 

图8为按钮输入和数据显示电路图，人机界面由四个按钮与一个汉字液晶显示模块组成，以完成参数设置与数据信息显示功能，按钮一端分别与MCU的P0.0、P0.1、P0.2、P4.2相连，别一端接地。当按钮按下时把相连的MCU的端口由高电平拉到低电平，产生输入信号；液晶显示为一个集成的4行8位汉字液晶显示模块，工作在串行模式下，由专用驱动程序控制向模块传送数据与命令，MCU通过5个I/O口与模块进行数据传输。

本发明的各功能电路通过MCU的I/O端口实现相互协作，并由MCU统一调用各功能模块工作。MCU为8位高性能微处理器，集成36个双向I/O端口，一路串行通信接口，并可在线更新内部程序，集成4K EEPROM，最高时钟频率为64M。图9包括上述各功能块和调制频率产生电路、电源输入的滤波电路，与MCU的上电复位电路和时钟电路组成。调制频率产生电路主要由NE555IC和电阻电容组成，通过电阻与电容的充放电形成振荡，由NE555产生方波供可编程逻辑器件调制使用。电源滤波电路主要采用电解电容进行稳压，采用瓷片电容进行滤波，并由LED做电源指示。上电复位电路由10K电阻R51与10微法电容C11组成，使上电时MCU运行延后。时钟电路由晶振X1与电容C41、C42组成，为MCU提供工作时序。电路板设计时采用双面板，整个电路集成在一块PCB电路板上，各接口通过端子与外部连接，使用时可方便的嵌入到其它设备中。 

控制器程序采用C语言编写，通过串口下载到控制器中灵活可靠，可在线更新程序。软件由main()主函数、run()运行函数、xwxz()相序选择函数、key()输入按钮处理函数、display()显示函数、myad()A/D模拟量数据采集函数以及一些中间处理函数组成，软件运行时main()函数扫描各端口状态，判断是否有命令需要处理，然后根据命令参数，调用其它功能函数来执行相应命令。程序开始运行后会先调用初始化功能函数，对程序的运行环境进行初始化，主要是对变量赋值；对工作寄存器进行初始化，对定时器、计数器工作方式进行设置。初始化完成后转到主函数，进行输入命令判断，其命令包括，参数设置命令输入端口与运行命令输入端口，当相应端口为0值时，也就是端口上有低电平产生时，MCU认为此端口有命令输入，通过软件滤波后，调用相应命令的处理函数对命令进行处理执行。信息显示函数根据不同情况来显示相应信息，当进行参数设置时，显示参数项和参数值及提示；当进入到运行状态时显示运行状态信息，以上信息均可由程序定制显示内容。程序运行后会无限循环执行上述步骤。

Claims (3)

1.一种多功能电源控制器，包括中央处理器、RS232接口电路、A/D转换电路及数字量输入电路、继电器输出电路，其特征是：它采用微控制器作为中央处理器，连接同步信号采集电路、可编程逻辑器件、触发驱动电路、数字量输入电路、继电器输出电路、A/D转换电路、按钮输入与液晶显示电路以及调制频率产生电路和电源滤波电路，以上电路与微控制器的时钟电路和上电复位电路共同构成完整的计算机系统，由编写的程序控制完成工作；同步信号采集电路是对三相电源进行星形电阻网络分压，将分压后的随每相电压同步变化的三路信号给运算放大器进行运算放大，输出三路与电源同步的方波信号作为微控制器与三相电源的同步信号；三路方波信号经光电隔离送至微控制器。

2.根据权利要求1所述的多功能电源控制器，其特征是：RS232接口电路的串行通信功能主要由MAX232专用串行通信IC完成，微控制器集成的串行通信端口为P3.0、P3.1，通过MAX232的转换将TTL电平转换成232协议电平，实现全双工串行通信。

3.根据权利要求1所述的多功能电源控制器，其特征是：微控制器程序采用C语言编写，通过串口下载到微控制器中，程序运行后先调用初始化功能函数，对程序的运行环境进行初始化，对变量赋值；对工作寄存器进行初始化，对定时器、计数器工作方式进行设置；初始化完成后转到主函数，进行输入命令判断，包括参数设置命令输入端口与运行命令输入端口，微控制器调用相应命令的处理函数对命令进行处理执行；信息显示函数根据不同情况来显示相应信息。

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