基于单片机控制的静电除尘电源调压系统设计

1. 引言
静电除尘器有除尘效率高、运行和维修费用相对低廉等特点，在减少排放到大气中有害粉尘方面起着十分重要的作用，是当前使用较为广泛的一种环保设备。静电除尘器是利用高压静电吸附带电离子的原理进行除尘。一般来说，静电极板电压越高，对带电离子的吸附能力就越强，除尘效率越高。但电压越高，电场内会出现频繁的火花闪烁，甚至产生电弧，放电过程难以控制，除尘效率明显降低，这种情况应该避免。如果能够控制极板电压长时间维持在临界放电状态，就可以获得最佳的除尘效果并有效节约电力资源[1]。实验证明，基于单片机80C196KC 的静电除尘电源三相交流调压控制系统能够很好实现这一功能。
2. 静电除尘电源主电路及交流调压结构
2.1 电源主电路图

主电路电路如图1 所示，380V 的三相工频交流电输入后，经过由三组反并联可控硅组成的三相调压电路进行调压，然后经三相高压硅整流变压器升压和整流，得到直流高压输出,硅整流变压器负高压输出经阻尼电阻供给静电除尘反应器。由于电源采用三相工频平衡供电，三相晶闸管同步移相调压，与常规单相硅整流电源相
比具有如下特点：
(1) 电网平衡供电，三相对称，功率因素近100%；
(2) 由于采用三相星形输入接线方式，单相输入电流仅为同等功率输出单相电源的五分之一。
2.2 三相交流调压电路原理
采用相位控制方式的交流电力控制电路称为交流调压电路，交流调压电路拓扑结构有很多种，本文中提到的三相交流调压主电路，是将两个晶闸管反并联后串接在每相交流电源与负载之间，如图1，在电源的每半个周期内触发一次晶闸管，使之导通。与相控整流电流电路一样，通过控制晶闸管开通时候所对应的相位，可以方便地调节输出电压的有效值，从而达到交流调压的目的。

3. 基于80C196KC 的三相交流调压控制系统
单片机控制模块硬件电路以微处理器为控制中心，兼有控制与监视的功能。通过输入接口接收各种采样、检测信号，再由软件程序进行计算处理后，经输出接口发出相应的控制信号，去协调、控制各部分电路的操作，达到其智能化控制的目的。本文中监控模块的控制电路采用了以80C196KC 单片机为主控的微机监控系统。它主要由主控电路、CA6100 控制信号输出电路、测量与信号采集电路、A/D 转换隔离电路、LCD 液晶显示模块、LCD 液晶显示模块、键盘接口电路、报警装置等部分组成，单片机控制模块见图2 所示。

单片机采用 80C196CPU 芯片，通过采集电路，电源主电路电压、电流信号转换为单片机可以识别的电压信号传送到A/D 转换通道，转换并和给定阈值进行比较，如发现过压或过流，则给出禁止信号I，通过光耦隔离后控制CA6100 通用触发板，封锁触发脉冲。通过片内软件定时器，由高速输出口（HSO）产生一频率为2HZ 的方波信号作为电流、电压给定计数器的输入脉冲。利用80C196 的PWM 口，经过光耦输出可控的脉宽调制波，再经过平滑滤波器转化为0～5V 直流控制电压，直接控制CA6100 通用触发板，能够使输出脉冲移相范围在5°～175°之间可调。
3.1 主控电路设计

80C196KC 单片机有着丰富的内部资源，主控电路以单片机芯片为核心，扩展了一片外部数据存储器6264，一片外部程序存储器2764，一片外部功能扩展芯片8155，辅以地址锁存器74LS373，地址译码器74LS138，复位电路，晶振电路，A/D 转换隔离电路等。

3.2 晶闸管触发电路设计
三相交流调压是通过调节反并联晶闸管的导通角，来实现对电源输出电压的有效控制的，因此晶闸管能否稳定可靠地触发，是至关重要的。本控制系统采用CA6100 晶闸管通用触发板，其基本原理如图3 所示

CA6100 通用可控硅触发板是以40 芯CMOS 大规模集成电路（专用芯片）为核心，利用锁相环技术（PLL）和多芯片合成技术（MCM），通过压控振荡器（VCO）锁定的三相同步信号间的逻辑关系设计出的一种晶闸管触发系统。0～5V 的直流输入电压，可以控制输出脉冲的移相范围从5°～175°连续线性可调，且晶闸管触发脉冲幅值可达到15V/2A，能够满足静电除尘电源对晶闸管触发脉冲的要求。

3.3 信号采集与检测电路设计
系统主要检测一次电压、一次电流、二次电压和二次电流四路模拟量。采用电压和电流互感器分别对一次电压和电流进行检测。由于静电除尘电源二次电压输出很高，所以需经电阻分压，然后通过霍尔电压传感器进行检测，二次电流检测则采用回路串电阻的方式。这四路检测型号经过信号调理电路，进入单片机的A/D 转换口，单片机的ADC 模块分别对其顺序采样和A/D 转换。图4 为一次电流信号调理电路，主要包括整流、比例放大和二阶有源滤波三部分。

3.4 液晶显示模块设计
为了使装置的人机接口界面更加友好、直观，在本装置中采用中文液晶显示模块作为人机接口界面。采用液晶模块型号为LCM320240ZK，显示内容20×15 行，内含7602 个简体中文字型。但是其工作时序和80C196 单片机不兼容，需要用到8155 扩展。其他管脚则直接与单片机相连接，读(E)、写(R/W)端口分别和80C196KC 单片机的读、写信号相连，片选信号(CS1、CS2)由38 译码器提供。
3.5 软件设计
主程序完成整个模块的控制流程和子程序模块调用等功能。子程序模块完成整个装置的不同功能的实现，包括初始化模块、液晶显示模块、A/D 采集转换模块、PID 调节稳压稳流模块等。其中初始化模块的主要功能是完成单片机的有关初始化设置，包括有关端口的选通、功能的选择，以及中断的允许等。A/D 采集转换模块是实现对被测信号的重复采样，并且在单片机中完成数据转换。稳压稳流模块的功能是采用PID 控制算法并结合80C196 单片机输出的D/A 电压信号进行调节，从而实现电压或电流的稳定，且具有软启动功能。
3.6 火花快速检测的实现方式
要提高静电除尘电源的除尘效率，每个除尘反应器都要工作在最佳火花率下。为了实现火花控制，必须检测火花放电现象。当产生火花放电时，会引起二次电流大幅度增加，利用这一特点就可以采用硬件直接比较的方法，通过LM393 将二次电流反馈值与设定的火花放电阈值进行比较，经6N138 光耦和RS 触发器后，接至单片机80C196KC 的外部中断口。由于中断级别很高（外部中断XINT1），当检测到火花放电时，就执行相应的火花放电程序，记忆当前放电时的运行电压，并将当前运行电压降低到设定的火花回压点，运行电压再从回
压点以分段上升的方式上升至上次放电时的运行电压，这样就保证了静电高压除尘电源始终保持在临界放电电压状态。
4. 结语
基于单片机 80C196KC 的静电除尘电源智能控制系统实时响应快、精度高、可监控性好、抗干扰性强，通过实际运行证明，能够自动跟踪电场的变化，输出最佳电晕功率，从而使除尘效率大为提高，具有广阔的市场应用前景。本文作者创新点：本文提出了一种新型的基于单片机 80C196KC 控制的静电除尘电源调压智能系统，该控制系统方便调节，动态性能好，使得电源能够方便地跟踪电场变化，放电电压保持到最佳火花率，极大提高除尘器电源效率。