【文章內容簡介】 不同?？煽毓璧乃膶咏Y構和控制極的引用，為其發(fā)揮“以小控大”的優(yōu)異控制特性奠定了基礎。在應用可控硅時，只要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達幾百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控 硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。 要使晶閘管導通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發(fā)電壓。晶閘管導通后，松開按鈕開關，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導通狀態(tài)。晶閘管的特點是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通?？刂茦O的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導通，卻不能使它關斷。那么， 用什么方法才能使導通的晶閘管關斷呢?使導通的晶閘管關斷，可以斷開陽極電源(圖③中的開關S)或使陽極電流小于維持導通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那么，在電壓過零時，晶閘管會自行關斷。 調光燈設計的功能要求和工作原理本設計要求具有對燈泡亮度調節(jié)的功能，通過電路實現(xiàn)可控硅不同導通角的控制來進行明顯不同亮度的顯示。具體的調節(jié)原理不做要求。調光燈的工作原理是通過改變電阻來實現(xiàn)調節(jié)燈的亮暗的，電壓一定時，電阻越大，功率越小，耗電量越小，燈越暗。、特點普通二極管整流電路存在一個局限性：在輸入的交流電壓一定時，輸出的直流電壓也是一個固定值，不能任意調節(jié)，但在許多情況下，都要求直流電壓能進行調節(jié)，即有可控、可調的特點，可控硅的出現(xiàn)有效地解決了這個問題，使半導體器件從弱電領域進入強電領域。優(yōu)點：體積小、動作迅速、壽命長。缺點：控制比較復雜。用途：整流、調節(jié)、開關、逆變。單向可控硅是一種可控整流電子元件，能在外部控制信號作用下由關斷變?yōu)閷ǎ坏?，外部信號就無法使其關斷，只能靠去除負載或降低其兩端電壓使其關斷。單向可控硅是由三個PN結PNPN組成的四層三端半導體器件與具有一個 PN結的二極管相比，單向可控硅正向導通且受控制極電流控制；與具有兩個PN結的三極管相比，差別在于可控硅對控制極電流沒有放大作用。單相可控硅具有：a、三個PN結，b、3個電極的四層結構，如圖1示：雙向可控硅具有兩個方向輪流導通、關斷的特性。雙向可控硅實質上是兩個反并聯(lián)的單向可控硅，是由NPNPN五層半導體形成四個PN結構成、有三個電極的半導體器件。由于主電極的構造是對稱的（都從N層引出），所以它的電極不像單向可控硅那樣分別叫陽極和陰極，而是把與控制極相近的叫做第一電極A1，另一個叫做第二電極A2。雙向可控硅的主要缺點是承受電壓上升率的能力較低。這是因為雙向可控硅在一個方向導通結束時，硅片在各層中的載流子還沒有回到截止狀態(tài)的位置，必須采取相應的保護措施。雙向可控硅元件主要用于交流控制電路，如溫度控制、燈光控制、防爆交流開關以及直流電機調速和換向等電路。單向可控硅和雙向可控硅，都是三個電極。單向可控硅有陰極（K）、陽極（A）、控制極（G）。雙向可控硅等效于兩只單項可控硅反向并聯(lián)而成。即其中一只單向硅陽極與另一只陰極相邊連，其引出端稱T2極，其中一只單向硅陰極與另一只陽極相連，其引出端稱T2極，剩下則為控制極（G）。為了說明可控硅的工作原理，將單相可控硅可切割為二個三極管，每一個晶體管的基極與另一個晶體管的集電極相連。如圖2示。a、陽極與陰極之前只加正向電壓，可控硅處于反向阻塞狀態(tài)。b、控制極與陰極之間加正向電壓，可控硅不導通。c、陽極與陰極之間加正向電壓(觸發(fā)脈沖)，同時在控制極與陰極之間加正向電壓，可控硅很快處于導通狀態(tài)，且可以允許大電流流過，(其電流值只受外接電阻的限制)，陽極和陰極之間的壓降為1V左右。如圖2示：假設EG產(chǎn)生控制電流IG，加入可控硅的控制極，則經(jīng)T2放大后，電流為IG加入可控硅的控制極，則經(jīng)T2放大后，電流為TC2=β2IG，而Ic2=Ib1，IG=β1IB1=β1β2IG，這個電流又流入T2的基極，再一次放大，這兩個晶體管之間存在著一個正反饋環(huán)，形成強烈的正反饋。因此，很快使兩個晶體管飽和導通，導通后其壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負載上。在可控硅導通之后，即使控制極電流消失，它的導通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋作用來維持，它仍然處于導通狀態(tài)，所以，控制極的作用，僅僅是觸發(fā)可控硅使其導通，導通之后，控制極就失去作用了。方案一：純模擬電路通過改變電阻和電容的值來改變燈的亮度。一般只能實現(xiàn)對燈光點亮的快慢進行調節(jié)，不能滿足本設計的功能要求，故不采納。方案二：采用數(shù)字和模擬混合電路并通過調節(jié)電燈電壓信號的占空比實現(xiàn)對燈光亮度的控制。包括單片機、晶閘管等主要器件。方案示例：基于51單片機和晶閘管驅動器的燈控系統(tǒng) 此方案中，其控制電路主要由AT89C2051單片機和過零觸發(fā)光電隔離雙向晶閘管等組成的可編程控制電路和直流穩(wěn)壓電源(未畫出)組成。如圖所示。通過單片機AT89C2051執(zhí)行程序經(jīng)I/O口向過零觸發(fā)驅動電路發(fā)命令，實現(xiàn)燈光的控制。此方案能夠實現(xiàn)本設計的功能要求，元器件簡單、廉價，但原理上是通過占空比來調節(jié)燈光亮度，信號頻率參數(shù)不確定，造成在電燈兩端的電壓信號頻率不確定，造成非50HZ電信號，對電網(wǎng)有污染。因此方案經(jīng)過實現(xiàn)和進一步討論，不予采用。方案三：采用數(shù)字和模擬混合電路，并通過調節(jié)電燈電壓信號的占空比實現(xiàn)對燈光亮度的控制。包括單片機、晶閘管等主要器件。方案構思：基于MSP430F449單片機和數(shù)控可控硅觸發(fā)電路的燈控系統(tǒng)此方案是基于MSP430F449單片機為設計的控制核心，且采用光電偶合器將觸發(fā)電路和主路電之間進行隔離，因而該電路具有可靠性和控制精度高，抗干擾能力強等優(yōu)點。因此我們決定采用此方案。 本章主要對可控硅進行了介紹，介紹了可控硅的分類、可控硅的主要參數(shù)、常用封裝形式、主要生產(chǎn)廠家，分析了可控硅的作用、特點以及單相可控硅基本結構。最后根據(jù)多亮度等級調光燈制作的設計功能要求，對各設計方案進行了論證與比較，最后闡述了設計的測試的方法與儀器測試數(shù)據(jù)及測試結果分析。第3章 MSP430芯片介紹 MSP430芯片簡介MSP430系列單片機是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器(Mixed Signal Processor)。稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。 MSP430 單片機的發(fā)展MSP430 系列是一個 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，在 1996 年問世，由于它具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發(fā)手段，已成為眾多單片機系列中一顆耀眼的新星?；貞?MSP430 系列單片機的發(fā)展過程，可以看出有這樣三個階段：開始階段:從 1996 年推出 MSP430 系列開始到 2000 年初，這個階段首先推出有 33X 、32X 、31X 等幾個系列，而后于 2000 年初又推出了 11X 、11X1 系列?！　SP430 的 33X 、32X 、31X 等系列具有 LCD 驅動模塊，對提高系統(tǒng)的集成度較有利。每一系列有 ROM 型( C )、OTP 型( P )、和 EPROM 型( E )等芯片。EPROM 型的價格昂貴，運行環(huán)境溫度范圍窄，主要用于樣機開發(fā)。這也表明了這幾個系列的開發(fā)模式，即：用戶可以用 EPROM 型開發(fā)樣機；用 OTP 型進行小批量生產(chǎn)；而 ROM 型適應大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品?！　?000 年推出了 11X/11X1 系列。這個系列采用 20 腳封裝，內存容量、片上功能和 I/O 引腳數(shù)比較少，但是價格比較低廉。這個時期的 MSP430 已經(jīng)顯露出了它的特低功耗等的一系列技術特點，但也有不盡如人意之處。它的許多重要特性，如：片內串行通信接口、硬件乘法器、足夠的 I/O 引腳等，只有 33X 系列才具備。33X 系列價格較高，比較適合于較為復雜的應用系統(tǒng)。當用戶設計需要更多考慮成本時，33X 并不一定是最適合的。而片內高精度A/D 轉換器又只有 32X 系列才有。尋找突破，引入Flash技術:隨著 Flash 技術的迅速發(fā)展，TI 公司也將這一技術引入 MSP430 系列中。在 2000 年 7 月推出 F13X/F14X 系列，在 2001 年 7 月到 2002 年又相繼推出 F41X 、F43X 、F44X 這些全部是 Flash 型單片機?！　41X 單片機是目前應用比較廣的單片機，它有 48 個 I/O 口，96 段 LCD 驅動。F43X 、F44X 系列是在 13X 、14X 的基礎上，增加了液晶驅動器，將驅動 LCD 的段數(shù)由 3XX 系列的最多 120 段增加到 160 段。并且相應地調整了顯示存儲器在存儲區(qū)內的地址，為以后的發(fā)展拓展了空間。　　MSP430 系列由于具有 Flash 存儲器，在系統(tǒng)設計、開發(fā)調試及實際應用上都表現(xiàn)出較明顯的優(yōu)點。這是 TI 公司推出具有 Flash 型存儲器及 JTAG 邊界掃描技術的廉價開發(fā)工具 MSPFET430X110 ，將國際上先進的 JTAG 技術和 Flash 在線編程技術引入 MSP430。　　這種以 Flash 技術與 FET 開發(fā)工具組合的開發(fā)方式，具有方便、廉價、實用等優(yōu)點，給用戶提供了一個較為理想的樣機開發(fā)方式。另外，2001 年 TI 公司又公布了 BOOTSTRAP 技術，利用它可在燒斷熔絲以后只要幾根線就可更改并運行內部的程序。這為系統(tǒng)軟件的升級提供了又一方便的手段。BOOTSTRAP 具有很高的保密性，口令可達到 32 個字節(jié)的長度。蓬勃發(fā)展階段:在前一階段，引進新技術和內部進行調整之后，為 MSP430 的功能擴展打下了良好的基礎。于是 TI 公司在 2002 年底和 2003 年期間又陸續(xù)推出了 F15X 和 F16X 系列的產(chǎn)品?！　≡谶@一新的系列中，有了兩個方面的發(fā)展。一是從存儲器方面來說，將 RAM 容量大大增加，如 F1611 的 RAM 容量增加到了 10KB 。這樣一來，希望將實時操作系統(tǒng)( RTOS )引入 MSP430 的，就不會因 RAM 不夠而發(fā)愁了。二是從外圍模塊來說，增加了 I 2 C 、DMA 、DAC12 和 SVS 等模塊。在 2003 年中，TI 公司還推出了專門用于電量計量的 MSP430FE42X 和用于水表、氣表、熱表上的具有無磁傳感模塊的 MSP430FW42X 單片機。我們相信由于 MSP430 的開放性的基本架構和新技術的應用，新的 MSP430 的產(chǎn)品品種必將會不斷出現(xiàn)。 MSP430 單片機的特點 　　 MSP430 系列單片機的迅速發(fā)展和應用范圍的不斷擴大，主要取決于以下的特點?！　姶蟮奶幚砟芰?MSP430 系列單片機是一個 16 位的單片機，采用了精簡指令集(RISC)結構，具有豐富的尋址方式( 7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址)、簡潔的 27 條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅動下指令周期為 125 ns 。這些特點保證了可編制出高效率的源程序?！　≡谶\算速度方面，MSP430 系列單片機能在 8MHz 晶體的驅動下，實現(xiàn) 125ns 的指令周期。16 位的數(shù)據(jù)寬度、125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能實現(xiàn)乘加)相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法(如 FFT 等)?！　SP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時，用中斷請求將它喚醒只用 6us。超低功耗 MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓及靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430 系列單片機的電源電壓采用的是 ～ 電壓。因而可使其在 1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流會在 200～400uA 左右，時鐘關斷模式的最低功耗只有 ?！　∑浯?，獨特的時鐘系統(tǒng)設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)：基本時鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)( FLL 和 FLL+ )時鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時鐘系統(tǒng)。有的使用一個晶體振蕩器( 32768Hz )，有的使用兩個晶