廖智舟

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545000）

0 引言

電容箱與電阻箱的工作原理類似，只需手動(dòng)旋轉(zhuǎn)幾個(gè)不同檔位的旋鈕就能在很大量程范圍內(nèi)調(diào)出所需大小的電容，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)電路中使用廣泛。而電容往往與交流電源同時(shí)在電路中使用，為了方便電路的連接，本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)只需在鍵盤上按一下按鍵，就能完成想要方式的電源與電容連接。并且所需電源大小也可以在鍵盤輸入電壓有效值后，由單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下在自耦變壓器電壓輸出端準(zhǔn)確調(diào)出所需電壓。這樣將可調(diào)電源與電容箱結(jié)為一體的設(shè)計(jì)，避免了連電路時(shí)接線、改接線的麻煩，還避免了手動(dòng)調(diào)節(jié)電源電壓需要連接電壓表測(cè)量的麻煩。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)電源電壓調(diào)節(jié)和電源與電容箱連接兩大功能。電源電壓調(diào)節(jié)功能相關(guān)的模塊有單片機(jī)模塊、電壓測(cè)量模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊和鍵盤與顯示模塊。在單片機(jī)模塊的控制下，首先通過(guò)鍵盤與顯示模塊輸入并顯示需要電壓值，然后單片機(jī)通過(guò)電壓測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量電源輸出端電壓，同時(shí)使用電壓調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)電源輸出電壓，直至調(diào)節(jié)為需要的電壓。電源與電容箱連接功能相關(guān)的模塊有單片機(jī)模塊、鍵盤與顯示模塊和電源與電容箱連接模塊。也是在單片機(jī)模塊控制下，先用鍵盤與顯示模塊選擇電源與電容箱的連接方式，然后單片機(jī)控制電源與電容箱連接模塊實(shí)現(xiàn)選擇的連接方式。這兩大功能的實(shí)現(xiàn)都需要給單片機(jī)設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序。

2 系統(tǒng)硬件

本設(shè)計(jì)硬件部分由單片機(jī)模塊、電壓測(cè)量模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊、鍵盤與顯示模塊、電源與電容箱連接模塊通過(guò)電路連接而成。

■2.1 單片機(jī)模塊

該模塊使用的主要器件是AT89C51單片機(jī)。這種單片機(jī)是一種將多功能8位微處理器和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中的高效微控制器。它與MCS-51指令集相兼容。其包含的128x8位內(nèi)部RAM能夠滿足本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理要求。它的32個(gè)可編程I/O線能夠滿足該模塊與其它模塊進(jìn)行信號(hào)交換。此外該模塊還具有由晶振電路、復(fù)位電路、電源、接地等構(gòu)成的最小系統(tǒng)[1]。電路如圖1所示。其中，單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的核心部分，鍵盤和電壓測(cè)量模塊向單片機(jī)輸入數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)運(yùn)行程序時(shí)接收、處理信號(hào)，再向顯示器輸出數(shù)字信號(hào)，或向電壓調(diào)節(jié)模塊、電源與電容箱連接模塊發(fā)送命令信號(hào)。

圖1

■2.2 電壓測(cè)量模塊

該模塊主要由電壓互感器SPT205B、橋式整流電路、∏型濾波電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片TLC1549組成。電路如圖2所示。自耦變壓器的輸出電壓作為電壓測(cè)量模塊的被測(cè)電壓，從該處引出被測(cè)電壓信號(hào)。該信號(hào)首先經(jīng)過(guò)電壓互感器降壓1000倍，再由橋式整流電路整流，整流后的脈動(dòng)直流經(jīng)∏型濾波電路得到平直的直流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入單片機(jī)I/O口，使得單片機(jī)能測(cè)量信號(hào)電壓。用于測(cè)量交流電壓的電壓互感器SPT205B使用精密小巧的PCB板焊接安裝，高隔離度耐沖擊的全樹(shù)脂密封，能承受220V交流電及快速的電壓變化[2]。用于將電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換的TLC1549芯片運(yùn)用逐次逼近的轉(zhuǎn)換原理，具備自動(dòng)采樣保持功能，采取差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，對(duì)單片機(jī)串行輸入數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)低誤差轉(zhuǎn)換[3]。

圖2

■2.3 電壓調(diào)節(jié)模塊

該模塊由自耦變壓器、電動(dòng)機(jī)、齒輪組、中間繼電器等組成。自耦變壓器頂部有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，可以在0～220V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)交流電壓的大小。將這個(gè)旋鈕與一個(gè)齒輪同軸固定，另一個(gè)齒輪與它嚙合并與電動(dòng)機(jī)軸同軸固定，構(gòu)成一對(duì)齒數(shù)為5比1的齒輪組。它能將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變速為1/5，同時(shí)轉(zhuǎn)矩增大5倍。這樣電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的時(shí)候，能通過(guò)齒輪組的傳動(dòng)，帶動(dòng)自耦變壓器轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，調(diào)節(jié)電壓大小。該模塊電路如圖3所示，使用了兩個(gè)帶兩觸點(diǎn)的中間繼電器分別用于接通、斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)電路。用兩個(gè)單片機(jī)I/O通道分別控制這兩個(gè)中間繼電器。其中每個(gè)中間繼電器的兩個(gè)觸點(diǎn)一個(gè)用于接通與斷開(kāi)電源，一個(gè)用于接通與斷開(kāi)接地。為防止電路短路，控制時(shí)不能讓兩個(gè)繼電器同時(shí)接通。

圖3

■2.4 鍵盤與顯示器模塊

該模塊主要由鍵盤、顯示器和8155芯片組成，電路如圖4所示。鍵盤是4×4矩陣鍵盤，其中數(shù)字0-9、“確定”鍵作為設(shè)定電壓值使用；“串聯(lián)”、“并聯(lián)”、“斷開(kāi)”這三個(gè)鍵作為控制電源與電容連接時(shí)使用。顯示器是四位數(shù)字LED數(shù)碼管顯示器，作為顯示設(shè)定的電壓值使用。8155芯片是通用可編程單片機(jī)I/O口擴(kuò)展芯片，能擴(kuò)展單片機(jī)I/O口，滿足掃描矩陣鍵盤和顯示器數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示電路對(duì)并行I/O口數(shù)量要求[4]。該模塊可以設(shè)定并顯示電源電壓值、選擇電源與電容連接方式。

圖4

■2.5 電源與電容箱連接模塊

該模塊電路如圖5所示，我們可以通過(guò)鍵盤的按鍵，向單片機(jī)輸入命令，單片機(jī)通過(guò)I/O口控制中間繼電器的通、斷，實(shí)現(xiàn)電源兩個(gè)輸出端與電容箱兩個(gè)輸出端不同的連接方式。連接方式分為三種，分別為串聯(lián)、并聯(lián)與斷開(kāi)。如果選擇斷開(kāi)連接方式，電源與電容箱的兩個(gè)輸出端分別斷開(kāi)，兩者之間不再相互影響，同時(shí)中間繼電器K3閉合2秒讓使用過(guò)的電容通過(guò)放電回路放掉殘留的電荷，以免影響下一次使用。

圖5

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件使用C語(yǔ)言編寫，主要實(shí)現(xiàn)電源電壓調(diào)節(jié)功能和電源與電容箱連接方式選擇功能。程序流程圖如圖6所示。調(diào)節(jié)電源電壓時(shí)，首先使用鍵盤輸入需要的電壓值U0，同時(shí)該值顯示在顯示器上。按“確定”鍵后，單片機(jī)根據(jù)電壓測(cè)量模塊測(cè)量自耦變壓器輸出端的電壓值U1作出反應(yīng)。如果U1>U0+U，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，將輸出電壓調(diào)??；如果U1＜U0-U，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，將輸出電壓調(diào)大；如果U1≥U0-U且U1≤U0+U，單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，這時(shí)電源輸出在誤差范圍U內(nèi)需要的電壓值U0。經(jīng)過(guò)這樣的調(diào)節(jié)，電源會(huì)穩(wěn)定的輸出需要的電壓值。然后可以在鍵盤上選擇“串聯(lián)”、“并聯(lián)”、“斷開(kāi)”三者之一作為電源與電容箱連接方式組成所需連接的電路。如果選擇前兩者，在使用完本設(shè)備后，需要再按“斷開(kāi)”鍵，使電源與電容箱斷開(kāi)連接，同時(shí)為電容箱放電。

圖6

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)拓展了電容箱的功能，使得該設(shè)備具有可調(diào)交流電源，且考慮到了電容與電源的所有連接方式，并實(shí)現(xiàn)電源與電容按照選擇的方式自動(dòng)連接。該設(shè)計(jì)既能選擇需要的方式連接電源與電容，又可以讓電源和電容分開(kāi)單獨(dú)使用，使得電路連接更加方便、快捷，同時(shí)設(shè)備操作方法非常簡(jiǎn)單。在每次使用該裝置完畢后，該設(shè)計(jì)會(huì)自動(dòng)對(duì)所用電容進(jìn)行放電，避免電容內(nèi)殘留電荷對(duì)下一次使用的影響，這使得對(duì)電容箱的使用更加容易、科學(xué)。