陈登峰 陈辉

摘要：在现代化生产实践中，为保证生产设备正常运行，三相交流异步电动机[3]的供电电源相序就必须正确。以确保我们生产、生活的用电安全，避免由供电相序错误导致的事故。相序检测器主要有相序检测、自动倒相、断相保护的功能。三相交流电经过降压整形后的矩形波经光耦电气隔离输入到单片机的三个I/O口，边沿检测实现相序检测的功能。继电器接单片机的两个I/O口，通过单片机的这两个I/O口输出高低电平来控制两个继电器的吸合，继而实现自动倒相和断相保护的功能。单片机控制电路[10]属于弱电控制强电，结构简单、控制效率高，实时性强、体积小、维修方便。

关键词：三相交流异步电动机；三相交流电；相序检测；自动倒相

中图法分类号 TP391

本设计研究的是“基于单片机控制的相序检测器设计”。在工业供电系统中，对于大部分电机、电器设备，保证三相交流供电电源的相序正确是至关重要的。若供电相序发生错误，轻则会影响生产，重则可能发生重大人身和设备安全事故。所以在工业和民用供电、配电系统中，设计具有相序判别、断相保护和自动倒相功能的相序检测器，以确保生产、生活的安全用电和保障生产的正常运行，避免由供电相序错误导致的事故发生，具有很高的[12]实用价值。主要设计具有相序判别、断相保护和自动倒相功能的相序检测器。在工业快速发展的今天，三相电源作为工控系统的最直接能源来源其突出作用是显而易见的，因此对其进行合理的逻辑知识控制显得尤为重要。在传统工业控制中，我们强调的是确保外部电源相序接线的准确性，否则将会出现生产事故，这无疑对我们的操作增添了较高的要求。而有了相序检测器[11]以后，就可以确保我们生产、生活的用电安全，从而避免了由供电相序错误导致的事故发生。

1系统总体方案设计

1.1 总体思路

本文是一种基于AT89C51单片机制作的相序检测器的设计方法，其主要思路是三相交流电经降压，半波整流和整形，将整形后的三相电压波形送入单片机P1口的低三位，单片机依据三段脉冲[9]到来的高低电平进行边沿检测，从而实现相序检测的功能，通过控制继电器的吸合与断开继而实现自动倒相和断相保护的功能。相序检测器设计的总体框图如图1所示。

1.2 硬件选型

相序检测器的硬件方面主要包含四大模块，它们分别是：变压模块、整形模块、主控制模块、电源模块。各个模块分析如下：

变压模块：主要功能为把输入的交流电降低为同一频率的交流电输出电压。器件选用三相变压器。

整形模块：半波整流电路利用二极管的单向导电性进行整流，常用来将交流电转变为直流电。施密特触发器可以将非矩形波变换成矩形波。器件选用1N5822型肖特基二极管（I=3A，U=28V）；74LS132施密特触发器（Vcc=5V）；TLP521光电耦合器（I=50mA，U=5V）。

主控制模块：以AT89C51单片机为控制核心，完成相序检测的功能。通过控制继电器动作，继而完成自动倒相和断相保护的功能。器件选用AT89C51单片机、9014型三极管、MY3继电器。

电源模块：为整个系统提供合适又稳定的电源，主要为施密特触发器、光电耦合器、单片机提供电源，电压要求稳定、噪声小及性价高的电源。器件选用电源变压器T1、1N4001二极管、LM7805三端稳压器。

2硬件设计

2.1变压模块设计

三相变压器T2的作用是将380V交流电变换成同一频率的6V交流电[8]。变压器原边与副边扎数比电压的正比，电流的反比。三相变压器如图2所示。

2.2整流电路

三相半波整流桥：半桥是将连接好的3个整流二极管（和一个电容器）封装在一起，组成一个桥式、半波整流电路。三相半波整流桥必须输入电源的零线（中性线），脉动周期是120°。三相半波整流原理如图 3所示。

在半波整流电路中，三相中的每一相都和零线单独形成了半波整流电路，其整流出的三个电压半波在时间上依次相差叠加，并且整流输出波形不过点，其最点电压Umin=Up×sin[（1/2）×（180°-120°）]=（1/2）Up。式中的Up是交流电压输入幅值。由于三相半波整流在一个周期中有三个宽度为120°的整流半波，因此它的滤波电容器的容量可以比三相中的每一相的单相半波整流和单相全波整流时的电容量都小。三相半波整流电压波形如图4所示。

2.3主控模块设计

采用AT89C51[2]单片机进行主要控制，依据三段脉冲到来的高低电平进行边沿检测，从而实现相序检测的功能，通过控制继电器的吸合与断开继而实现自动倒相和断相保护的功能。

图5 AT89C51引腳图

控制电路的电源电压[4]，能提供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；被控电路需要几组、什么形式的触点[7]。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。

电路中有两个电磁继电器用来调整相序。因为单片机输出的信号的电压太小不足于使继电器工作，则须通过三极管将信号放大，再接继电器。若相序正确，单片机输出信号驱动继电器[5]K1吸合，接通三相交流电源； 否则，单片机输出信号驱动继电器K2吸合，反相接通三相交流电源。单片机的三个输入口若接收到一路或者多路低电平信号时（即无脉冲），则可认为断相。单片机的两个输出口同时动作，两个继电器K1和K2的常开触点断开。主电路三相电被切断，即完成了断相保护功能。具体实现图如图6所示。

3 软件设计

主程序必须具有初始化功能，开机后首先执行初始化程序，系统初始化程序模块主要的主要功能是完成对AT89C51单片机[1]系统资源的初始分配。主要包括变量的初始化，时钟振荡器的设置，I/O端口的初始化以及标志位的初始化。本设计主要是对定时器产生中断次数和标志位的初始化。软件设计总流程图如图7所示。

4 仿真与调试

4.1硬件仿真

硬件仿真采用Multisim仿真。Multisim是美国国家仪器[6]（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

4.2软件调试

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。单片机的开发软件在不断发展，是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，Keil提供了一个集成开发环境IDE uVision，它提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。先用编辑器编写程序，接着调用编辑器进行编译，连接后即可直接运行。这样避免了过去先用编辑器进行编辑，然后退出编辑状态进行编译，调试后又要调用编辑器的重复过程，可以缩短开发周期。

本设计通过Keil软件实现软件部分的调试，过程如下：

首先建立工程文件，点击“Project->New project”菜单，出现一个对话框，要求给将要建立的工程起一个名字，你可以在编缉框中输入一个名字，点击“保存”按钮，出现第二个对话框，按要求选择目标器件片。建立新文件并增加到组。分别设置“target1”中的“Target，output，debug”各项，使程序汇编后产生HEX文件。

接着的工作需要把汇编语言源文件加入工程之中。选择工程管理器窗口的子目“Source Group 1”，再单击鼠标右键打开快捷菜单。在快捷菜单中选择“Add File to Group ‘Source Group 1”，加入文件对话框被打开。在这个对话框的“查找范围（I）”下拉列表框中选择存储汇编语言源文件的文件夹，在“文件类型（T）” 下拉列表框选择“Asm Source file（*.a*；*.src）”，这时存储的汇编语言[23]源文件将显示出来。双击要加入的文件名或者选择要加入的文件名再单击“Add”按钮即可完成把汇编语言源文件加入工程。文件加入以后，加入文件对话框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。如果不需要加入其它文件，单击“Close”按钮可以关闭加入文件对话框。这时工程管理窗口的文件选项卡中子目录“Source Group 1”下出现一个汇编语言源文件。 需要注意，当把汇编语言源文件加入工程但还没有关闭加入文件对话框，这时有可能被误认为文件没有成功地加入工程而再次进行加入操作，系统将显示所需的文件已经加入的提示。在这种情况下，单击提示框中的“确定”按钮，再单击“Close”按钮可以关闭加入文件对话框。

编译源程序出现错误时，返回上一级对错误更改后重新编译，直到没有错误。

本设计调试结果如图8所示。

5总结

本文主要设计了一种具有相序判别、断相保护和自动倒相功能的相序检测器。以AT89C51单片机为控制核心，完成相序检测的功能。通过控制继电器动作，实现了自动倒相和断相保护的功能。

参考文献：

[1]孙涵芳，INTEL16位单片机原理与应用[M]，北京航空航天大学出版社，1998.

[2]王兆安等编，电力电子产品设计应用手册[M]，中国机械工业出版社，2003

[3]冯卫东.小功率三相异步电动机变频调速系统研究[D]贵州大学，2009

[4]阎石主编.数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2005

[5]华成英，童诗白主编.模拟电子技术基础（第四版）北京：高等教育出版社2006

[6]王栋，刘利，薛宏民.一种新颖的三相电源相序检测电路[J].实验室研究与探索，2005，（S1）

[7]冷惠文，侯霞，王东兴.一种三相电源相序与断相自动检测电路[J].电测与仪表，2003，（05）

[8]常敏，王涵，范江波等编著.51单片机应用程序开发与实践.北京：电子工业出版社，2009.

[9]张鹏.王雪梅.单片机原理与应用实例教程[M].海军出版社.2007

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[11]張华光.电子技术基础（模拟部分）[M].高等教育出版社.1998

[12]谢自美.电子线路设计与实验[M].华中科技大学出版社.

基金项目：国家自然科学基金项目（61673192）；山东省中学杰出青年基金（ZR2016JL023）；北京邮电大学基础科学研究项目（2018RC31）

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China （61673192）， the Fund for Outstanding Youth of Shandong Provincial High School （ZR2016JL023）， and the Basic Scientific Research Project of Beijing University of Posts and Telecommunications （2018RC31）.通信作者：彭涛

西安市科技计划项目（JKZD0011） 西安市碑林区科技计划项目（GX1705）