基于8051型單片機實現周波跌落模擬器的設計

引言

電磁兼容（EMC）要求電子電氣裝置必須具備在一定的電磁環(huán)境下正常工作的能力。而進行抗電磁干擾的測試和研究離不開符合國家標準的電磁干擾模擬器。以前這些設備都是依賴進口，且價格昂貴。為此研制了這臺周波跌落模擬器。該儀器計量精密，能模擬電網電壓中斷或增大/減小，具有顯示直觀、輸出穩(wěn)定、使用方便、成本低等特點。

工作原理

當電網或變電設備發(fā)生故障或負荷突然變化時會引起電壓瞬時跌落、短時中斷，在某些情況下還會連續(xù)出現兩次或更多次的電壓跌落與中斷。這些現象本質上是隨機的，其特征表現為偏離額定電壓，并持續(xù)一段時間。但是，電壓瞬時跌落和短時中斷不總是突然的，因為與供電網絡相連的旋轉電機和保護元件有一定的反作用，如果大的電源網絡斷開，電壓將由于很多旋轉電機連接到電源網絡上，而僅僅是逐步降低。這些旋轉電機短期內將作為發(fā)電機運行并向電網輸送功率。為了保護數據并存儲到內部存儲器中，大的數字處理設備都裝有內置式斷電探測器，以便在電源恢復后，設備按正確的方式啟動。但有些斷電探測器不能迅速反應，導致直流電壓在斷電探測器觸發(fā)之前會減小到低于最小運行電壓的水平，從而造成數據丟失或改變。當電源電壓恢復時，數據處理設備就不能正確啟動。本文討論的周波跌落模擬器由單片機與存儲顯示部分、電壓采樣和過零信號檢測部分、功率驅動部分和有關直流工作電源等四部分組成，總體構成如圖1所示。

單片機系統(tǒng)

采用8051型單片機協調、控制各部分電路的正常運行，并用鍵盤、彩色液晶顯示器輸入顯示設定值。設定值主要包括跌落電壓、跌落相位、跌落時間、跌落間隔和跌落次數等等，并有中英文兩種版本。設定值有三種選擇：手動模式、程式模式、標準模式。為了充分利用單片機的資源，P1.0和P1.1用于額定電壓、跌落電壓的切換；P1.3檢測電壓過零信號；P1.4和P1.5控制電機正反轉；P1.6用于換屏；P1.7連接看門狗電路；P3.3控制A/D中斷；P3.5選擇選通開關。為了處理大量數據的信息、糾錯方案和軟件容錯，需要一定的RAM，因此，本儀器采用擴充8K的外部RAM。這臺周波跌落模擬器不僅可單獨工作，而且留有RS-232通信口還可與上位機聯網通信。為了提高設備的可靠性和安全性，滿足國標的要求，本設計在軟件和硬件上都采用了保護措施，特別是一些抗干擾措施。首先，在保護CPU方面，采用光電隔離器和繼電機來驅動電機轉動，同時采用變壓器和光電隔離器來取樣電壓信號和過零信號。這樣就把強電和弱電部分完全隔開，即使外圍線路損壞，也不會損壞CPU。其次，在工作電源方面，通過串接電感線圈來減小直流電壓的波動，這樣就保證了工作電壓的穩(wěn)定性。最后在抗高頻干擾方面，采用數塊金屬板把相關電路隔開，這樣就能使整個儀器減少高頻方面的干擾。

此外，還利用軟件的優(yōu)勢，采用多種濾波方法凈化信號，以及容錯技術，如設置看門狗等。

電壓采樣和過零信號檢測電路

電壓采樣和過零信號檢測電路是提高跌落電壓和跌落相位精度的關鍵電路。電壓采樣主要包括額定電壓采樣和跌落電壓采樣。這里重點介紹跌落電壓采樣，具體電路見圖2所示。

在圖2中，0~255V跌落電壓經6V變壓器降壓，變成較低的交流信號。由于跌落電壓的取樣精度直接影響到整臺儀器的測試精度，過去采用的只用一個二極管來整流的方法雖然簡單，但是線性不好，誤差非常大，最終只能在軟件中加補償來消除誤差，這樣就大大增加了軟件的工作量，而且重復性也不好。因此為了減小二極管的非線性在整流中造成的誤差，本設計采用了典型的運放跟蹤整流電路，由運放mA741和二極管RF107組成。從而避免了以上弊端。只用硬件電路就能滿足精度要求，無須軟件補償。

圖2中電解電容C1和電容C2組成濾波電路。在調試過程中，發(fā)現電解電容C1的電容值選取非常關鍵，它直接影響到定標的準確。由于跌落電壓經過取樣和選通開關以后進入ADC，因此電路要求交流255V對應直流5V的線性定標。本電路中C1取47mF。電阻R2是可調精密電阻，在定標過程中輸出取樣信號對它的變化非常敏感。因此在圖2所示的整個電路中，取樣信號的精確度主要取決于電容C1和電阻R2的數值。后一個運放mA741起隔離作用，主要是防止后續(xù)電路對取樣電路的影響。整個取樣電路不僅成本低，而且性能好，經過實踐檢驗，完全滿足跌落電壓的設計要求。

跌落相位是周波跌落模擬器的另一個重要的參量，而過零檢測電路是保證跌落相位精度的關鍵電路。以前采用的方法是利用二極管的正向導通、反向截止的特性來直接對交流220V的過零信號進行檢測，這種方法由于二極管的導通并不完全是在電壓的零位，因此誤差較大，必須在軟件中加一定的補償。為了克服這些缺點，本設計采用零電壓比較的方法。這種方法不僅可以提高交流過零信號的精度，而且還避免了在交流220V線路中串接電阻所帶來的一系列問題。具體電路見圖3所示。

在圖3中，交流220V通過變壓器降為12V，然后經過兩個二極管組成的鉗位電路進入電壓比較器LM311，輸出的信號是方波，再經過光電耦合送到CPU的P1.3口。其中可調精密電阻R2起過零微調作用。這個電路經過實踐，證明完全滿足跌落相位的設計要求。

軟件

本儀器的軟件分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，主要功能有：檢測跌落電壓、計算跌落時間、跌落間隔、跌落次數以及判斷設置數值是否超出范圍等等。另一類是上位機通信軟件，其功能是通過RS-232接口控制儀器的運行，用VB編寫。由于硬件已能滿足要求，因此跌落電壓的取樣和過零信號的檢測都未加軟件補償，這樣使軟件工作量大大減輕。在測試中，若超出允許范圍，會顯示出錯信息。主程序分為四部分：開機，儀器初始化；根據設置值執(zhí)行功能子程序；開啟驅動模塊，輸出所需的跌落電壓和波形；與上位機聯網的通信程序。程序流程圖如圖4所示。