具有可调电源的电容箱设计

廖智舟

（柳州铁道职业技术学院，广西柳州，545000）

0 引言

电容箱与电阻箱的工作原理类似，只需手动旋转几个不同档位的旋钮就能在很大量程范围内调出所需大小的电容，在电学实验电路中使用广泛。而电容往往与交流电源同时在电路中使用，为了方便电路的连接，本设计能实现只需在键盘上按一下按键，就能完成想要方式的电源与电容连接。并且所需电源大小也可以在键盘输入电压有效值后，由单片机控制电动机转动，电动机带动下在自耦变压器电压输出端准确调出所需电压。这样将可调电源与电容箱结为一体的设计，避免了连电路时接线、改接线的麻烦，还避免了手动调节电源电压需要连接电压表测量的麻烦。

1 系统总体设计

本设计主要实现电源电压调节和电源与电容箱连接两大功能。电源电压调节功能相关的模块有单片机模块、电压测量模块、电压调节模块和键盘与显示模块。在单片机模块的控制下，首先通过键盘与显示模块输入并显示需要电压值，然后单片机通过电压测量模块实时测量电源输出端电压，同时使用电压调节模块调节电源输出电压，直至调节为需要的电压。电源与电容箱连接功能相关的模块有单片机模块、键盘与显示模块和电源与电容箱连接模块。也是在单片机模块控制下，先用键盘与显示模块选择电源与电容箱的连接方式，然后单片机控制电源与电容箱连接模块实现选择的连接方式。这两大功能的实现都需要给单片机设计相应的程序。

2 系统硬件

本设计硬件部分由单片机模块、电压测量模块、电压调节模块、键盘与显示模块、电源与电容箱连接模块通过电路连接而成。

■2.1 单片机模块

该模块使用的主要器件是AT89C51单片机。这种单片机是一种将多功能8位微处理器和闪速存储器组合在单个芯片中的高效微控制器。它与MCS-51指令集相兼容。其包含的128x8位内部RAM能够满足本设计的数据处理要求。它的32个可编程I/O线能够满足该模块与其它模块进行信号交换。此外该模块还具有由晶振电路、复位电路、电源、接地等构成的最小系统[1]。电路如图1所示。其中，单片机是本设计的核心部分，键盘和电压测量模块向单片机输入数字信号，单片机运行程序时接收、处理信号，再向显示器输出数字信号，或向电压调节模块、电源与电容箱连接模块发送命令信号。

图1

■2.2 电压测量模块

该模块主要由电压互感器SPT205B、桥式整流电路、∏型滤波电路和模数转换芯片TLC1549组成。电路如图2所示。自耦变压器的输出电压作为电压测量模块的被测电压，从该处引出被测电压信号。该信号首先经过电压互感器降压1000倍，再由桥式整流电路整流，整流后的脉动直流经∏型滤波电路得到平直的直流信号，再经过模数转换输入单片机I/O口，使得单片机能测量信号电压。用于测量交流电压的电压互感器SPT205B使用精密小巧的PCB板焊接安装，高隔离度耐冲击的全树脂密封，能承受220V交流电及快速的电压变化[2]。用于将电压信号模数转换的TLC1549芯片运用逐次逼近的转换原理，具备自动采样保持功能，采取差分基准电压高阻输入，按比例量程校准转换范围，对单片机串行输入数字信号，实现低误差转换[3]。

图2

■2.3 电压调节模块

该模块由自耦变压器、电动机、齿轮组、中间继电器等组成。自耦变压器顶部有一个转动旋钮，可以在0～220V范围内调节交流电压的大小。将这个旋钮与一个齿轮同轴固定，另一个齿轮与它啮合并与电动机轴同轴固定，构成一对齿数为5比1的齿轮组。它能将电动机的转速变速为1/5，同时转矩增大5倍。这样电动机正反转的时候，能通过齿轮组的传动，带动自耦变压器转动旋钮，调节电压大小。该模块电路如图3所示，使用了两个带两触点的中间继电器分别用于接通、断开电动机正、反转电路。用两个单片机I/O通道分别控制这两个中间继电器。其中每个中间继电器的两个触点一个用于接通与断开电源，一个用于接通与断开接地。为防止电路短路，控制时不能让两个继电器同时接通。

图3

■2.4 键盘与显示器模块

该模块主要由键盘、显示器和8155芯片组成，电路如图4所示。键盘是4×4矩阵键盘，其中数字0-9、“确定”键作为设定电压值使用；“串联”、“并联”、“断开”这三个键作为控制电源与电容连接时使用。显示器是四位数字LED数码管显示器，作为显示设定的电压值使用。8155芯片是通用可编程单片机I/O口扩展芯片，能扩展单片机I/O口，满足扫描矩阵键盘和显示器数码管的动态显示电路对并行I/O口数量要求[4]。该模块可以设定并显示电源电压值、选择电源与电容连接方式。

图4

■2.5 电源与电容箱连接模块

该模块电路如图5所示，我们可以通过键盘的按键，向单片机输入命令，单片机通过I/O口控制中间继电器的通、断，实现电源两个输出端与电容箱两个输出端不同的连接方式。连接方式分为三种，分别为串联、并联与断开。如果选择断开连接方式，电源与电容箱的两个输出端分别断开，两者之间不再相互影响，同时中间继电器K3闭合2秒让使用过的电容通过放电回路放掉残留的电荷，以免影响下一次使用。

图5

3 系统软件设计

软件使用C语言编写，主要实现电源电压调节功能和电源与电容箱连接方式选择功能。程序流程图如图6所示。调节电源电压时，首先使用键盘输入需要的电压值U0，同时该值显示在显示器上。按“确定”键后，单片机根据电压测量模块测量自耦变压器输出端的电压值U1作出反应。如果U1>U0+U，单片机控制电动机正转，将输出电压调小；如果U1＜U0-U，单片机控制电动机反转，将输出电压调大；如果U1≥U0-U且U1≤U0+U，单片机控制电动机停转，这时电源输出在误差范围U内需要的电压值U0。经过这样的调节，电源会稳定的输出需要的电压值。然后可以在键盘上选择“串联”、“并联”、“断开”三者之一作为电源与电容箱连接方式组成所需连接的电路。如果选择前两者，在使用完本设备后，需要再按“断开”键，使电源与电容箱断开连接，同时为电容箱放电。

图6

4 结束语

本设计拓展了电容箱的功能，使得该设备具有可调交流电源，且考虑到了电容与电源的所有连接方式，并实现电源与电容按照选择的方式自动连接。该设计既能选择需要的方式连接电源与电容，又可以让电源和电容分开单独使用，使得电路连接更加方便、快捷，同时设备操作方法非常简单。在每次使用该装置完毕后，该设计会自动对所用电容进行放电，避免电容内残留电荷对下一次使用的影响，这使得对电容箱的使用更加容易、科学。