具有可調電源的電容箱設計

廖智舟

（柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州，545000）

0 引言

電容箱與電阻箱的工作原理類似，只需手動旋轉幾個不同檔位的旋鈕就能在很大量程范圍內調出所需大小的電容，在電學實驗電路中使用廣泛。而電容往往與交流電源同時在電路中使用，為了方便電路的連接，本設計能實現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，由單片機控制電動機轉動，電動機帶動下在自耦變壓器電壓輸出端準確調出所需電壓。這樣將可調電源與電容箱結為一體的設計，避免了連電路時接線、改接線的麻煩，還避免了手動調節電源電壓需要連接電壓表測量的麻煩。

1 系統總體設計

本設計主要實現電源電壓調節和電源與電容箱連接兩大功能。電源電壓調節功能相關的模塊有單片機模塊、電壓測量模塊、電壓調節模塊和鍵盤與顯示模塊。在單片機模塊的控制下，首先通過鍵盤與顯示模塊輸入并顯示需要電壓值，然后單片機通過電壓測量模塊實時測量電源輸出端電壓，同時使用電壓調節模塊調節電源輸出電壓，直至調節為需要的電壓。電源與電容箱連接功能相關的模塊有單片機模塊、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，然后單片機控制電源與電容箱連接模塊實現選擇的連接方式。這兩大功能的實現都需要給單片機設計相應的程序。

2 系統硬件

本設計硬件部分由單片機模塊、電壓測量模塊、電壓調節模塊、鍵盤與顯示模塊、電源與電容箱連接模塊通過電路連接而成。

■2.1 單片機模塊

該模塊使用的主要器件是AT89C51單片機。這種單片機是一種將多功能8位微處理器和閃速存儲器組合在單個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位內部RAM能夠滿足本設計的數據處理要求。它的32個可編程I/O線能夠滿足該模塊與其它模塊進行信號交換。此外該模塊還具有由晶振電路、復位電路、電源、接地等構成的最小系統[1]。電路如圖1所示。其中，單片機是本設計的核心部分，鍵盤和電壓測量模塊向單片機輸入數字信號，單片機運行程序時接收、處理信號，再向顯示器輸出數字信號，或向電壓調節模塊、電源與電容箱連接模塊發送命令信號。

圖1

■2.2 電壓測量模塊

該模塊主要由電壓互感器SPT205B、橋式整流電路、∏型濾波電路和模數轉換芯片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量模塊的被測電壓，從該處引出被測電壓信號。該信號首先經過電壓互感器降壓1000倍，再由橋式整流電路整流，整流后的脈動直流經∏型濾波電路得到平直的直流信號，再經過模數轉換輸入單片機I/O口，使得單片機能測量信號電壓。用于測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]。用于將電壓信號模數轉換的TLC1549芯片運用逐次逼近的轉換原理，具備自動采樣保持功能，采取差分基準電壓高阻輸入，按比例量程校準轉換范圍，對單片機串行輸入數字信號，實現低誤差轉換[3]。

圖2

■2.3 電壓調節模塊

該模塊由自耦變壓器、電動機、齒輪組、中間繼電器等組成。自耦變壓器頂部有一個轉動旋鈕，可以在0～220V范圍內調節交流電壓的大小。將這個旋鈕與一個齒輪同軸固定，另一個齒輪與它嚙合并與電動機軸同軸固定，構成一對齒數為5比1的齒輪組。它能將電動機的轉速變速為1/5，同時轉矩增大5倍。這樣電動機正反轉的時候，能通過齒輪組的傳動，帶動自耦變壓器轉動旋鈕，調節電壓大小。該模塊電路如圖3所示，使用了兩個帶兩觸點的中間繼電器分別用于接通、斷開電動機正、反轉電路。用兩個單片機I/O通道分別控制這兩個中間繼電器。其中每個中間繼電器的兩個觸點一個用于接通與斷開電源，一個用于接通與斷開接地。為防止電路短路，控制時不能讓兩個繼電器同時接通。

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，其中數字0-9、“確定”鍵作為設定電壓值使用；“串聯”、“并聯”、“斷開”這三個鍵作為控制電源與電容連接時使用。顯示器是四位數字LED數碼管顯示器，作為顯示設定的電壓值使用。8155芯片是通用可編程單片機I/O口擴展芯片，能擴展單片機I/O口，滿足掃描矩陣鍵盤和顯示器數碼管的動態顯示電路對并行I/O口數量要求[4]。該模塊可以設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，我們可以通過鍵盤的按鍵，向單片機輸入命令，單片機通過I/O口控制中間繼電器的通、斷，實現電源兩個輸出端與電容箱兩個輸出端不同的連接方式。連接方式分為三種，分別為串聯、并聯與斷開。如果選擇斷開連接方式，電源與電容箱的兩個輸出端分別斷開，兩者之間不再相互影響，同時中間繼電器K3閉合2秒讓使用過的電容通過放電回路放掉殘留的電荷，以免影響下一次使用。

圖5

3 系統軟件設計

軟件使用C語言編寫，主要實現電源電壓調節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。調節電源電壓時，首先使用鍵盤輸入需要的電壓值U0，同時該值顯示在顯示器上。按“確定”鍵后，單片機根據電壓測量模塊測量自耦變壓器輸出端的電壓值U1作出反應。如果U1>U0+U，單片機控制電動機正轉，將輸出電壓調小；如果U1＜U0-U，單片機控制電動機反轉，將輸出電壓調大；如果U1≥U0-U且U1≤U0+U，單片機控制電動機停轉，這時電源輸出在誤差范圍U內需要的電壓值U0。經過這樣的調節，電源會穩定的輸出需要的電壓值。然后可以在鍵盤上選擇“串聯”、“并聯”、“斷開”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，在使用完本設備后，需要再按“斷開”鍵，使電源與電容箱斷開連接，同時為電容箱放電。

圖6

4 結束語

本設計拓展了電容箱的功能，使得該設備具有可調交流電源，且考慮到了電容與電源的所有連接方式，并實現電源與電容按照選擇的方式自動連接。該設計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單獨使用，使得電路連接更加方便、快捷，同時設備操作方法非常簡單。在每次使用該裝置完畢后，該設計會自動對所用電容進行放電，避免電容內殘留電荷對下一次使用的影響，這使得對電容箱的使用更加容易、科學。