【文章內容簡介】 且 不能應用在大功率 負載 場合。 市電過零檢測 由于本設計采用了雙向可控硅進行交流調壓，而交流調壓是通過單片機控制雙向可控硅門極的 RC 脈沖觸發(fā)電路的導通時間，從而實現(xiàn)對雙向可控硅導通角的控制，最終達到調壓的目的 。要控制導通角就要以市電過零的瞬間作為參考點。 過零檢測電路的最終目 標是實現(xiàn)當 50Hz 的交流電壓通過零點時取出其脈沖。 市電過零檢測的方法很多，常用的有三極管過零檢測、光電耦合器過零檢測、比較器過零檢測等。本設計采用了 Toshiba 公司生產(chǎn)的 TLP5212 雙通道 光電耦合器來實現(xiàn)過零檢測，實物如圖 所示，其引腳圖圖見圖 。 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端，常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管，受光器為光敏二極管、光敏三極管等等 。其工作原理是 在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉換 。光電耦合器具有靈敏度高，抗干擾能力強的特點，并且可以使前端與負載完全隔離，減小前后級之間的影響，提高電路的穩(wěn)定性。 圖 TLP5212 實物圖 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 6 頁 共 27 頁 圖 TLP5212 引腳圖 如圖 所 示， 電路中采用兩個光電耦合器 來 實現(xiàn)過零 檢測 ，其工作原理是： 把 交流電源加到 光電耦合器 TLP5212 的 2 個 反并聯(lián) 的 發(fā)光 二極管上，在交流電源的正，負半周， 2 個發(fā)光 二極管輪流導通，從而使 2 個 三極管也輪流導通， 此時 V0 端輸出低電平，只有在交流電源過零的瞬間， 2 個 發(fā)光 二極管均截止， 此時 V0 端輸出高電平，因此 V0 端得到周期為 10mS 的脈沖信號 ,如圖 所示 ， 把 該信號送至 AT89C2051 的 INTO引腳，每秒向 AT89C2051 申請 100 次中斷。 50Hz220v C1CapU2TLP521U3TLP521240R4Res215K/4WR3Res24K7R5Res2GNDF1Fuse 1GNDVCCV0 圖 光耦過零檢測電路 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 共 27 頁 圖 市電和 V0 端輸出的脈沖信號 光電耦合器 TLP5212 工作的典型值如表 所示。如果把發(fā)光二極管和電阻 R3 直接串聯(lián)在交流回路里 ,發(fā)光二極管的最大導通壓降約為 ，在兩個發(fā)光二極管輪流工作期間，此時電路中的最大電流 MAXI總 為： 2 0 . 6 m AA1 5 0 0 1 02 3 ???? R UUI M A X 二極管市電總 () 顯然流過發(fā)光二極管的電流過大，這里選擇在發(fā)光二極管的兩端并聯(lián)一個電阻 R4 用來分流，在兩個發(fā)光二極管輪流工作期間， R4 兩端的電壓為發(fā)光二極管的導通壓降，此時流過發(fā)光二極管的最大電 流 FMAXI 為： 1 5 . 2 mAA2401 . 44 ????? 6RUIIII M A XRM A XF M A X 二極管總總 () 可以保證發(fā)光二極管的正常運行。電路中的平均電流 總I 約為： 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 8 頁 共 27 頁 1 4. 6 mAA1 50 20 3 ???? RUUI 二 極 管市電總 () 值得注意的是 R3 的功率選擇： ? ? ? ? 3 . 2 W1 4 . 6 m 33 ??????? 總二極管市電總 IUUIUP RR () 所以這里 R3 選用的是 15K/4W 的線繞電阻。 R4 為 220Ω 的 1/4W 的碳膜電阻。在光電耦合器 TLP5212 輸出端的集電極接有 的 1/4W 的碳膜電阻 R5。這里的光電耦合器TLP5212的受光器集電極和發(fā)射極之間的飽和壓降 飽和壓降U 取 過集電極的電流 IC 為： mA1mA ????? RUV C CI C 飽和壓降 () 此電流由零式整流穩(wěn)壓電源提供。 表 TLP5212 的推薦工作環(huán)境 特性 符號 最小值 典型值 最大值 單位 電源電壓 VCC — 5 24 V 正向電流 IF — 16 20 mA 集電極電流 IC — 1 10 mA 在所設計的過零 檢測 電路中，每當電源電壓過零點 瞬間 就 會 產(chǎn)生準確的過零 檢測 脈沖， 其結構簡單， 工作穩(wěn)定能滿足本系統(tǒng)的工作要求。 控制模塊 AT89C2051 單片機的基本特點 由于單片機的這種結構形式及它所采取的半導體工藝，使其具有很多顯著的特點，因而在各個領域都得到了迅猛的發(fā)展。單片機主要有如下特點： ① 有優(yōu)異的性價比； ② 集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內部采用總線結構，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作； ③ 控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。單片機的邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。； ④ 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式的產(chǎn)品。 ⑤外部總線增加了 IC（ InterIntegrated Circuit）及 SPI（ Serial Peripheral Interface）等串行總線方式，進一步縮小了體積，簡化了結構； ⑥單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。 本設計所采用的單 片機 AT89C2051 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8 位 單片機 ，片內含 2k bytes 的可反復擦寫的只讀 程序存儲器 （ PEROM）和128bytes 的隨機數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的 高密 度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng) ，片內置通用 8 位 中央處理 器 和 Flash 存儲單元 ，AT89C2051 單片機在電子類產(chǎn)品中有廣泛的應用。 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 共 27 頁 圖 AT89C2051的引腳圖 AT89C2051的引腳圖如圖 。 1） VCC：電源電壓。 2） GND：地。 3） P1口： P1口是一個 8位雙向 I/O 口。口引腳 ~ 上拉電阻 。本設計中選用了 ， ， 。 4） P3口： P3口 含有 7位 雙向 I/O 口。 本設計選用了 控硅觸發(fā)電路控制端口。 本設計中 P3口用于實現(xiàn) AT89C2051各種第二功能 的引腳 ，如表 ： 表 P3口各管腳第二功能 引腳口 功 能 INT0 外中斷 0 T0定時器 0外部輸入 T1定時器 1外部輸入 5） RST：復位輸入。 RST 一旦變成高電平所有的 I/O 引腳 就復位到“ 1”。當振蕩器正在運行時，持續(xù)給出 RST 引腳 兩個 機器周期 的高電平便可完成復位。 6） XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內部時鐘發(fā)生器的輸入。 7） XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。 給 AT89C2051單片機加上時鐘電路和復位電路就構成了一個簡單的單片機最小系統(tǒng) ,如圖 。首先是時鐘電路的設計， AT89C2051單片機 芯片內部有一個 由 高增益反相放大器構成內部自激振蕩電 路，其輸入端為芯片引腳 XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。本設計振蕩電路選取內部時鐘方式， 在 單片機 AT89C2051的引腳 XTAL1和XTAL2之間跨接 12M 的 晶體振蕩器和 30PF 的陶瓷 微調電容 C C6，組成并聯(lián)諧振電路，常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 10 頁 共 27 頁 構成穩(wěn)定的自激振蕩器 ， 晶體振蕩器的振蕩頻率決定單片機的時鐘頻率 ，這里 選取 12M的石英晶振為單片機提供工作時序，振蕩周期為 1/12uS，機器周期為 1uS。其次是復位電路的設計，復位電路是為了用來把電路恢復到起始狀態(tài)，復位電路通常有上電自動復位方式，按鍵電平復位方式和按鍵脈沖復位方式。這里 選用的是第一種方式，由 10K 的1/4W 碳膜電阻 R6和 22uF/16V 的鋁電解電容 C7串聯(lián)構成單片機上電自動復位電路。當振蕩器運行時，要使 AT89C2051單片機復位，必須在其 RST 復位管腳出現(xiàn)兩個機器周期即 2uS 的高電平。 GND(AIN0)12(AIN1)13141516171819RST123678911XTAL25XTAL14GND10VCC20U1AT89C20511212MHZXTAL30pFC5Cap30pFC6CapVCCGND22uF/16VC7Cap Pol110KR6Res2S2SWPBS3SWPBS4SWPBS1SWPBGND4K7R7Res24K7R8Res24K7R10Res24K7R9Res2VCC 圖 單片機控制模塊 按鍵 電路 在圖 ， S S S S4為 4個獨立按鍵，采用軟件消抖，分別實現(xiàn)直流電機的開 /關、加速、減速、循環(huán)功能。每個獨立按鍵都接有 的 1/4W 的碳膜電阻作為上拉電阻，可以提高獨立按鍵的抗干擾能力，防止單片機的誤操作。其中 任意一個按鍵被按下時，單片機的端口電壓將被拉低，手松開后又變高 ,零式整流穩(wěn)壓電源提供的電流為： 1. 06mAmA4. 75RVCCI ??? () AT89C2051單片機通過鍵盤掃描子程序對四個按鍵進行檢測，并做出相應的處理。 驅動 電路 直流電機是用來實現(xiàn)直流電能與機械能之間轉換的器件，直流電機具有啟動性能和調速性能好，過載能力大的優(yōu)點，缺點是結構 復雜，使用有色金屬多，生產(chǎn)工藝復雜，價格昂貴，運行可靠性差等。主要是由定子、轉子和換向器組成。直流電機的基本工作常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 共 27 頁 原理是建立在電磁力和電磁感應的基礎上。直流電機轉速 N 可以表示為： ?CN IRU?? () 其中 U 為外加電樞電壓， I 為電樞電流， R 為電樞回路電阻， C 對于已經(jīng)做好的電機來說是個常數(shù)，Φ為勵磁磁通。 IR 的乘積一 般要比 U 小的多，有時候近似計算可以忽略。當Φ一定時，可以認為直流電機轉速 N 與外加電樞電壓成正比。由此可見可以通過改變外加電樞電壓來調速。本設計中采用了雙向可控硅來實現(xiàn)交流調壓。 可控硅是可控硅 整流 元件的簡稱，是一種具有三個 PN 結的四層結構的大功率半導體 器件 ，亦稱為晶閘管。具有體積小、結構相對簡單、功 能強等特點，是比較常用的半導體器件之一。該器件被廣泛應用于各種電子設備和 電子產(chǎn)品 中，多用來作可控 整流 、逆變、變頻、調壓、無觸點開關等。 雙向 可控硅 是在普通可控硅的基礎上發(fā)展而成的，它不僅能代替 兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個觸發(fā)電路，是比較理想的交流開關 器件 。其英文名稱TRIAC 即三端雙向交流開關之意 。圖 BT137就是一個雙向可控硅。其實物圖如圖 ，管腳說明如圖 。 圖 BT137實物圖 常州大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第 12 頁 共 27 頁 圖 BT137管腳說明 這里選用的雙向可控硅 BT137的通態(tài)重復峰值電壓 DRMV 為 600V,通態(tài)平均電流