基于單片機控制的交流調(diào)功器設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)基于單片機控制的交流調(diào)功器設(shè)計摘要摘要：晶閘管調(diào)整器是各種電加熱裝置系統(tǒng)中的的控制核心，它對整個控溫系統(tǒng)的正常運行、溫度調(diào)節(jié)的優(yōu)劣具有重要影響。目前，國內(nèi)工業(yè)應(yīng)用中傳統(tǒng)的晶閘管調(diào)整器存在著控制精度低、通訊功能差等缺點，無法滿足現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的要求。伴隨著現(xiàn)場總線技術(shù)與智能控制技術(shù)的發(fā)展，晶閘管調(diào)整器的智能化和總線化成為該領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢。因此設(shè)計一套高精度、低功耗和成本低的交流調(diào)功器具有重要意義。首先在對調(diào)功系統(tǒng)的調(diào)功方法、電路構(gòu)成、以及系統(tǒng)需求的研究與分析的基礎(chǔ)上，進行了總體方案的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上進行了合理的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計。由單片機作為主控制器

2、，晶閘管調(diào)整器單元的硬件部分以單片機為主控單元，完成數(shù)據(jù)的處理、存儲及顯示等功能；此外，設(shè)計了相關(guān)外圍電路的設(shè)計。關(guān)鍵詞:晶閘管調(diào)整器；DP總線；SPC3Design of AC power regulator based on single chip microcomputerAbstractAbstract：Thyristor regulator control is the core of all kinds of electric heating devices in the system, it has an important influence on the normal ope

3、ration of the temperature control system of temperature regulation quality. At present, there exist disadvantages of low control precision, poor communication functions such as traditional thyristor regulator for domestic and industrial applications, unable to meet the requirements of modern industr

4、ial production. Along with the development of fieldbus technology and intelligent control technology, intelligent and bus has become an inevitable trend of the development of the field of thyristor regulator. Therefore, the design and application of single chip microcomputer controlled AC power regu

5、lator based on, has become a very valuable topic.First in the swap power system power regulating method and circuit structure, and research and analysis of system requirements based on, the overall program design, based on the reasonable hardware design and software design. By the MCU as the main co

6、ntroller, the hardware part of the thyristor regulator unit, main control unit MCU to complete the processing, storage and display of data; in addition, the design of peripheral circuit designKeywords: thyristor regulator, DP bus, SPC3目 錄1 緒論1.1 選題背景及意義現(xiàn)代全球人民的生產(chǎn)和生活己經(jīng)離不開電能這種清潔能源。交流電這電能形式首次出現(xiàn)在1891年，從那

7、以后電能主要是通過交流電的形式送達到千家萬戶的。然而不同的負載的正常工作用電形式不同，主要分為直流電和交流電兩種形式供電，因此要對電能進行變換來滿足不同負載的需求。當(dāng)前隨著非線性負載設(shè)備使用量的增加，會導(dǎo)致電能質(zhì)量變差。種類繁多的數(shù)字化和智能化家用電器，以及工業(yè)中的生產(chǎn)設(shè)備都需要高質(zhì)量的電能，因此高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換顯得尤為重要。世界上第一個真正意義上的晶閘管產(chǎn)品一一可控硅整流器誕生了，同時，半導(dǎo)體的出現(xiàn)成為了電力電子技術(shù)科學(xué)道路上一個重大的里程碑，成為整流器和晶閘管等相關(guān)電力電子器件出現(xiàn)的核心一步。上世紀50年代，美國的General Electric公司制造的世界上第一半導(dǎo)體整流器采用是是單晶

8、硅，最后在各行各業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)了多種多樣的晶閘管，這在一定程度上刺激了電力電子技術(shù)的前進，由此衍生了更多種類的晶閘管產(chǎn)品類型。如今晶閘管調(diào)整器的調(diào)整方式主要有兩種，分別是移相調(diào)壓方式和過零觸發(fā)調(diào)功方式。在移相調(diào)壓方式、晶閘管的柵電極產(chǎn)生一個脈沖引起的工頻交流電是每半個周期中不斷進行調(diào)整，這相當(dāng)于負載電壓的連續(xù)調(diào)節(jié)。過零觸發(fā)調(diào)功器的觸發(fā)方式通常分定周期和變周期進行過零點同步調(diào)功。在發(fā)送出控制脈沖信號后，交流電壓過零點時晶閘管導(dǎo)通，晶閘管的關(guān)斷也需要在交流電壓過零點時進行，通過這種方式可調(diào)節(jié)交流電壓的正弦波數(shù)量，從而改變負載端的平均功率。本文選取占空比平均分配方式即過零觸發(fā)調(diào)功方式，由單片機控

9、制器根據(jù)當(dāng)前的開關(guān)占空比，在單位時間內(nèi)，一般為100個工頻周期長度，平均分配交流電導(dǎo)通與關(guān)斷工頻周期的次數(shù)，實現(xiàn)對加熱電流的調(diào)整，需要在電流過零點觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。 基于單片機的交流調(diào)功器系統(tǒng)的設(shè)計是單片機系統(tǒng)應(yīng)用、精度檢測以及控制算法的程序?qū)崿F(xiàn)的集合。1.2 系統(tǒng)設(shè)計原理及方案1.2.1 設(shè)計原理本文要設(shè)計的自動控溫晶閘管交流調(diào)功器如圖1.1中所畫的框圖所示。其中點畫線部分為調(diào)功器。脈沖觸發(fā)電路(6) (5)PIDFU VT TA RL (1) (4) (3)BST （2）圖 1.1 晶閘管交流調(diào)功器基本原理框圖 交流調(diào)功器主要包括保險絲、晶閘管和隔離式電流互感器等組成?？刂齐娐分械模?）是零

10、脈沖、（2）為鋸齒波發(fā)生器、（3）表示過流截止、（4）是“與”門邏輯器、（6）代表脈沖觸發(fā)電加熱器負載RL，溫度傳感器BST及PID調(diào)節(jié)器（溫控調(diào)節(jié)儀表）通過外控開關(guān)S與調(diào)功器組成閉環(huán)控制，可自動調(diào)節(jié)溫度。溫控調(diào)節(jié)儀表的作用是把溫度傳感器采集的實際溫度值，與人為設(shè)定的參考溫度值做對比，然后調(diào)節(jié)開關(guān)管的開光狀態(tài)，晶閘管的開和關(guān)受占空比多少的控制，調(diào)整了占空比的大小就能控制溫度的變化。1.2.2 設(shè)計方案在控制電路中設(shè)置過電流截止環(huán)節(jié)。有的晶閘管調(diào)整器內(nèi)部都設(shè)計過電流保護電路，但保護速度和保護結(jié)果未必能夠達到預(yù)想的效果，為了更好地保護電路，于是在晶閘管調(diào)整器中安裝了快速熔斷器。熔斷器(Fuse)其

11、實是特殊材料制成的保險絲，在電路中可以起到過流保護的作用。保險絲的工作原理是：當(dāng)電路中流過的電流超過保險絲額定電流后，會發(fā)出大量的熱量，使保險絲熔斷，這樣就能保護電路在過流或者短路時不會出現(xiàn)危險。1.3 設(shè)計難點以單片機為控制核心的交流調(diào)功器的優(yōu)點很明顯，但其中有許多的問題需要考慮，抗干擾是其主要問題。單片機在工業(yè)現(xiàn)場會受到電磁干擾。特別是單片機外部中斷信號易受干擾，一旦外部中斷信號受干擾，就會擾亂整個程序造成觸發(fā)的失敗，這是應(yīng)用中需引起高度重視的問題。2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2.1 控制器的的選擇2.1.1單片機的特征單片機是美國公司在年推出的，在結(jié)構(gòu)和功能上都要比更早的MCS-48單片機強很多

12、。在內(nèi)部集成了更多的電路單元和指令。由于的兼容性比較強，在各大高校和培訓(xùn)機構(gòu)收到了強烈的歡迎。MCS - 51系列單片機其主要功能如下：1）8位中央處理器；2）的內(nèi)部程序存儲器()；3）128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器()；4）32條I/O口線；5）111條指令，大部分為單字節(jié)指令；6）21個專用寄存器；7）2個可編程定時/計數(shù)器；8）5個中斷源，2個優(yōu)先級；9）一個全雙工串行通信口；10）外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB；11）外部程序存儲器尋址空間為64kB；12）邏輯操作位尋址功能；13）雙列直插個管腳的封裝；14）正5V直流供電；基于的種種優(yōu)點，致使世界各大芯片生產(chǎn)商采用或者借鑒了它 的設(shè)計方

13、式，甚至直接采用它的內(nèi)核自己進行優(yōu)化設(shè)計。世界上一些知名的電子或者電氣生產(chǎn)商都在采用內(nèi)核，比如公司、公司和公司等等。在國內(nèi)采用內(nèi)核的有STC公司以及臺灣的公司。2.1.2 系統(tǒng)主控芯片的介紹本文設(shè)計采用的交流調(diào)功器主控芯片是位的單片機，其引腳結(jié)構(gòu)如圖所示。 圖2.1 AT89C2051的引腳結(jié)構(gòu)單片機按CPU位數(shù)可分為8和16位，由于16位單片機成本較高不適宜在本設(shè)計中使用，選擇經(jīng)典的8位MCS-51內(nèi)核單片機即可滿足系統(tǒng)要求由于其優(yōu)良的性能和低廉的價格，用作于本調(diào)功器系統(tǒng)的控制核心是非常合適的。這些資源在大多數(shù)場合已足夠用，這里也不例外，在本系統(tǒng)中非常合理的運用每部分的功能，使其各盡其責(zé)，因

14、此系統(tǒng)設(shè)計的電路非常簡潔。2.2 系統(tǒng)硬件原理本文設(shè)計的基于單片機的交流調(diào)功器硬件組成部分主要包括以下幾個模塊：以單片機為控制核心的最小系統(tǒng)、過零點檢測電路、過流檢測電路、LED顯示電路、脈沖信號隔離驅(qū)動輸送電路以及晶閘管電路。設(shè)計的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。AT89C2051單片機過零同步檢測電路過流檢測電路脈沖隔離驅(qū)動晶 閘 管 電 路圖2.2 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖顯示電路按鍵2.3 交流調(diào)功器工作原理交流調(diào)功器的原理是將兩個單向的晶閘管反并聯(lián)后并聯(lián)在交流電路中，控制晶閘管的導(dǎo)通和斷開即可控制交流電的輸出，電路中的晶閘管又n個周期內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，然后進入關(guān)閉狀態(tài)。導(dǎo)通周期公式如式2-1所

15、示。 （2-1）由此可得負載負載端電壓有效值Uo表達式為： （2-2） 當(dāng)為恒定值，改變晶閘管的導(dǎo)通時間所對應(yīng)的交流電周期即可對輸出端的交流電壓值進行控制。交流調(diào)功器輸出的電壓關(guān)鍵波形如圖所示，其中是電網(wǎng)的交流電壓，是系統(tǒng)的輸出電壓。圖中晶閘管每一個通斷周期中對應(yīng)交流電的周期數(shù)N=7。分別畫出了n=5、n=4、n=3時輸出電壓的波形。圖2.3 交流調(diào)功器的輸入和輸出電壓傳統(tǒng)的相控交流調(diào)功器在工作時會發(fā)生一定的相位移，而交流調(diào)功器能有效避免這一弊端，如果交流調(diào)功器的負載是阻性負載時，它的功率因數(shù)會接近于1，甚至等于1；交流調(diào)功器的缺點是電壓波形容易出現(xiàn)畸變，這會增大諧波含量，當(dāng)調(diào)壓比較大時交流調(diào)

16、功器的功率會隨之下降。不過在溫度控制系統(tǒng)中，交流調(diào)功器則能發(fā)揮出它的長處，也即適用于時間常數(shù)越大的場合中。對于照明、電力傳動等負載是不能采用的。由于交流調(diào)功器的輸出電壓是被單個周期內(nèi)正弦波的數(shù)量來決定的，也即是每周期有n個正弦波，而且這個n只能取整數(shù)，所以交流調(diào)功器的輸出電壓并不是完全平滑的正弦波形（波形中存在一定的梯度）。 本文設(shè)計的交流調(diào)功器的晶閘管流過的電流應(yīng)該用導(dǎo)通時的電流進行計算，而不是將一個通斷周期作為晶閘管的平均電流。假設(shè)晶閘管在導(dǎo)通時電流有效值為IR，那么這時候流過每一只晶閘管的電流有效值為x/2 I。根據(jù)晶閘管平均電流計算規(guī)則，可得晶閘管的通態(tài)平均電流I計算公式如下式所示：

17、2.4 調(diào)功器主電路的硬件組成調(diào)功器主電路主要由一組進線開關(guān)、快速熔斷器、反并聯(lián)晶閘管，電流傳感器，同步變壓器和一個負載構(gòu)成。本文設(shè)計的交流調(diào)功器的主電路框圖如圖2.4所示。進線開關(guān)電流傳感器負載反向并聯(lián)晶閘管快速熔斷器同步變壓器圖2.4 調(diào)功器主電路框圖進線開關(guān)：如圖2.5所示S是一組進線開關(guān)，系統(tǒng)接入零線（N）及相線（L），電源輸入的是220V（15%）單相交流電壓，零線和相線分別接于進線開關(guān)的兩個端子上，進線開關(guān)用作系統(tǒng)的電源供給控制，開關(guān)閉合即接通電源，打開則斷開電源?？焖偃蹟嗥鳎嚎焖偃蹟嗥饕布词沁^分子聚合材料制成的保險絲，當(dāng)電路中的電流過大時，快速熔斷器會自動熔斷，以保護系統(tǒng)的安全性

18、，可以起到防止短路和過載的作用，由于本文設(shè)計的交流調(diào)功器允許的最大電流值是5A，因此則選用250V/10A的保險絲即可滿足系統(tǒng)要求。雙向晶閘管：作為調(diào)功器系統(tǒng)主電路的重要組成部分，晶閘管電路的元件采用了反向并聯(lián)晶閘管Q（即雙向晶閘管）。1.單向晶閘管晶閘管也稱為可控硅，是一個整流元器件，它的英文名為, 可簡寫為，通常用于大功率電路作為開關(guān)元器件使用。在直流電機、交流電機調(diào)速、開關(guān)電源和電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。晶閘管主要由部分組成，如圖2.5所示，其中A代表陽極、C代表陰極、G代表門極，門極也即是晶閘管的控制極。圖2.5 單向晶閘管結(jié)構(gòu)控制電壓沒有必要一直存在。一半用脈沖觸發(fā)方式，可以有效降

19、低功耗，不過缺點是沒有自己關(guān)斷的功能。要截止負載電流，只能減小陽極的電流到或者維持導(dǎo)通電流以下，如果給其加載一個反向電壓也能使它關(guān)斷。在交流回路電路中，當(dāng)正弦電流過零點以后進入負半周期，就會關(guān)斷，如果想讓其再次導(dǎo)通，則需要重新為其發(fā)送一個控制信號。2.雙向晶閘管如果將圖2.5中的單向晶閘管反向并聯(lián)制作在同一硅片上，則組成了一個雙向晶閘管，因此控制極簡化到只有一個，如圖2.6所示。雙向晶閘管的特性：（1）當(dāng)控制極一段沒有控制信號發(fā)送過來的時候，A1和A2之間呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，這時晶閘管將會禁止導(dǎo)通；（2）當(dāng)和之間的電壓大于時，即可觸發(fā)開關(guān)管導(dǎo)通；（3）如果把和互換使用，觸發(fā)極性不變，不過觸發(fā)電流會

20、稍有變化。圖2.6 雙向晶閘管結(jié)構(gòu)雙向晶閘管經(jīng)常用作交流電調(diào)壓、調(diào)功、調(diào)溫和無觸電開關(guān)。在單片機這類MCU沒有出現(xiàn)之前，晶閘管的觸發(fā)脈沖通常采用硬件電路生成，這不僅增加了硬件電路設(shè)計成本，誤觸率和故障率都很高。單片機和其他專用脈沖生成芯片的出現(xiàn)，使得晶閘管脈沖可由軟件實現(xiàn)，降低了開發(fā)成本，提高了效率。所以綜上所述，本系統(tǒng)的晶閘管電路元件選用了雙向晶閘管，其中電路中控制極G和T2端接入系統(tǒng)控制電路的脈沖變壓器。 RC吸收電路：在雙向晶閘管T1、T2兩端接了R-C吸收電路，因為工作于交流電時，當(dāng)每一半周交替時，純電阻負載一般都能夠恢復(fù)截止；但在感性負載情況下，電流相位落后于電壓。負載：系統(tǒng)設(shè)計的功

21、率可調(diào)是由電阻性負載所實現(xiàn)的。按照設(shè)計要求它的最大功率為1000W。 能夠完成這一功能的器件，就是電源變壓器。電源變壓器是用來改變交流電壓、交流電流的器件。系統(tǒng)電路中必須有觸發(fā)脈沖才能控制晶閘管。2.5 系統(tǒng)控制電路的硬件設(shè)計2.5.1 系統(tǒng)控制電路硬件原理圖基于上述原理框圖，設(shè)計的基于AT8902C51單片機的交流調(diào)功器硬件電路原理圖如圖2.7所示。圖2.7 調(diào)功器控制電路原理圖過零同步檢測電路：很多時候，同步信號檢測電路都是由同步變壓器和限幅二極管構(gòu)成，但這種電路在負載電流較小時，觸發(fā)效果較好，但當(dāng)負載電路較大時或電網(wǎng)電壓畸變時，經(jīng)過降壓限幅后的輸出電壓不穩(wěn)定，所以本系統(tǒng)中過零同步檢測電路

22、在限幅二極管間和同步變壓器之間加入了電壓比較器。電壓比較器的選擇使用了四電壓比較器LM339。它作為一款典型的電壓比較器，內(nèi)部有四個獨立的電壓比較器，如圖2.9a所示。圖2.9 單限比較器電路四電壓比較器的特點是：失調(diào)電壓??；電源電壓范圍寬；對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬；共模范圍很大；差動輸入電壓最大可等于電源電壓值；輸出端電平可靈活方便地選用。比較器的同相輸入端用“”表示，反相輸入端用“”表示。在比較兩個電壓時，在其任意一個輸入端加載一個固定參考電壓，在另外一端加載待比較電壓信號。四電壓比較器有幾種比較典型的應(yīng)用電路，在本系統(tǒng)中采用了單限比較器電路的接法，如圖2.8b所示。圖2.8c為其傳輸特

23、性，把正弦波同步電壓與零電平比較變?yōu)橥芷诘姆讲ㄐ盘枺?jīng)此處理使晶閘管的觸發(fā)工作與同步電壓的幅值和正弦波的波形失真與否沒有多大關(guān)系。該電路工作原理是：交流電壓經(jīng)降壓電阻降壓后輸入電壓比較器的輸入端，通過公式計算選擇好各元件參數(shù)，就可只允許在限定值左右的工頻信號通過，其它頻率的信號則迅速衰減，有效地抑制了電網(wǎng)中各種諧波干擾，使輸入信號電壓與輸出信號同步。各電阻電容的參數(shù)非常重要，因此為了保證輸入輸出完全同步，必須對各元件參數(shù)進行篩選。產(chǎn)生的方波和原來的單相正弦波同步信號的相位相同，其上升沿和下降沿與交流電壓的過零點對應(yīng)，同步脈沖用于指示過零點脈沖。作為電流的檢測系統(tǒng)，通過負載及晶閘管電流的導(dǎo)線從

24、磁路平面的中心穿過，在磁路中產(chǎn)生一個交變磁場，當(dāng)通過晶閘管的電流值在額定范圍之內(nèi)時，它在磁路中所產(chǎn)生的磁場強度較小，低于霍耳元件的動作磁場強度，保護電路不動作。按鍵電路：兩個按鍵設(shè)置主要是改變晶閘管在設(shè)定周期內(nèi)的導(dǎo)通時間（即占空比），進而實現(xiàn)系統(tǒng)負載功率的可調(diào)。2.5.2 占空比顯示電路1.數(shù)碼管顯示LED數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多個發(fā)光二極管組成形狀像“8”的元器件，這些發(fā)光二極管被編上序號，分別為：“a、b、c、d、e、f、g、dp”，7個發(fā)光二極管和一個小數(shù)點，因此這8個二極管也被稱為八段碼。在數(shù)碼管內(nèi)部已經(jīng)連接好電路，引出了各個二極管的引腳可控制其發(fā)亮和熄

25、滅可顯示09的數(shù)字。圖2.10為數(shù)碼管不同位數(shù)的數(shù)碼管。圖2.10 數(shù)碼管2.LCD1602液晶顯示LCD1602液晶顯示屏通常能夠顯示數(shù)字、字符和字母，而且可以同時顯示兩行信息（列行），也即是一塊LCD1602可以顯示的信息要比多個數(shù)碼管還有豐富。LCD1602液晶屏采用標(biāo)準的腳接口，如表2.1所示。表2.1 LCD1602液晶顯示屏管腳引腳功能第一腳GND是接地端第二腳VCC是LCD1602液晶屏的供電端第三腳對液晶屏的亮度進行調(diào)節(jié)第四腳是寄存器選擇端口第五腳RW是讀寫信號端口第六腳使能端口第七至十四腳8位的雙向數(shù)據(jù)端口第十五背光正極十六腳背光負極圖2.11 LCD1602管腳考慮到本文設(shè)

26、計的交流調(diào)功器需要動態(tài)顯示的信息少，同時還為簡化硬件電路結(jié)構(gòu)，降低硬件電路設(shè)計成本，采用軟件譯碼LED數(shù)碼管作為顯示屏即可滿足系統(tǒng)要求。本設(shè)計即選用了軟件譯碼LED顯示器接口。該顯示電路十分簡潔，因為占空比調(diào)節(jié)范圍是1100，而系統(tǒng)設(shè)計要求顯示占空比，所以選用了LED三位數(shù)碼管顯示占空比。脈沖變壓器驅(qū)動電路：這部分電路主要由驅(qū)動三極管和脈沖變壓器構(gòu)成。驅(qū)動電路需要用信號隔離形式，以防止驅(qū)動因為其他因素的被干擾。脈沖變壓器的特性：脈沖變壓器用于隔離主回路與觸發(fā)調(diào)功電路，并把觸發(fā)脈沖加到晶閘管的門極上。脈沖變壓器在結(jié)構(gòu)上與普通變壓器相似，但其工作情況卻有很大區(qū)別。普通變壓器初級加的是正弦電壓，而脈

27、沖變壓器初級加的是周期脈沖電壓，它在傳送脈沖信號時，脈沖波形不應(yīng)該發(fā)生畸變。觸發(fā)信號通常經(jīng)脈沖變壓器隔離后，加到晶閘管門極上，從而觸發(fā)晶閘管，這對安全操作特別有利。很多時候驅(qū)動電路都會因為輸出脈沖不是高頻脈沖，造成脈沖放大器和脈沖變壓器經(jīng)常處于導(dǎo)通狀態(tài)，且電流較大，發(fā)熱嚴重，進而使脈沖變壓器體積變大，驅(qū)動能力變差。該系統(tǒng)中脈沖變壓器驅(qū)動電路的工作原理是：觸發(fā)脈沖由AT89C2051單片機的引腳控制，當(dāng)引腳有低電平時，脈沖輸出，驅(qū)動三極管立即進入導(dǎo)通狀態(tài)，使得脈沖變壓器的副邊得到的信號為24 V的尖峰脈沖，它可用作晶閘管的強觸發(fā)脈沖，加快其導(dǎo)通速度，提高觸發(fā)的可靠性。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及抗干擾措施

28、系統(tǒng)如果只有硬件是不能工作的，必須有軟件（即程序）來控制運行。同時利用匯編語言給出了相關(guān)的控制源程序，程序設(shè)計簡單，思路清晰。3.1 系統(tǒng)主程序流程圖主程序是整個程序的一條主線，其主要功能包括初始化各種外設(shè)狀態(tài)和系統(tǒng)的運行條件，輸入各計數(shù)器初始值，判別定時器是否啟動，計算觸發(fā)時間從而按時發(fā)送脈沖子程序，同時在每組脈沖前進行保護判斷，如果正常工作則最后一組脈沖結(jié)束后返回，接著再進行下一周期的電壓給定信號的采樣，主程序流程圖如圖3.1所示。圖3.1 主程序流程圖主程序的具體執(zhí)行過程是：AT89C2051單片機的功能就是通過程序產(chǎn)生相應(yīng)的零位控制信號從而控制觸發(fā)時間，零位控制是由定時器T1定時產(chǎn)生的

29、延時時間實現(xiàn)的。當(dāng)同步脈沖輸入到AT89C2051的端口時，單片機通過軟件檢測同步脈沖，如果是低電平，繼續(xù)等待，不啟動定時器延時，如果是高電平則迅速啟動定時器，開始執(zhí)行定時計數(shù)，通過計算脈沖的觸發(fā)時間，發(fā)完一個脈沖后繼續(xù)等待。3.2 系統(tǒng)初始化初始化設(shè)置非常重要，不同的設(shè)置將會直接影響到結(jié)果的正確性，要完成本系統(tǒng)的初始化設(shè)置首先要了解同步信號輸入原理，然后確定脈沖的計算方法，最后設(shè)置定時器的初值。1.同步信號輸入原理在交流調(diào)功器過零點同步檢測時，正弦同步信號把削弱后的波形通過二極管之后送往比較器LM339，然后比較器LM339的輸出端會輸出與交流電同步的方波信號，再連接到單片機的外部中斷引腳（

30、P3.3）。只需要等待時間的到來即可測量出系統(tǒng)所需脈沖的寬度。查詢方式作為同步信號的輸入，會增強系統(tǒng)的抗干擾能力。即使在極端情況下該引腳輸入了較大的干擾脈沖，程序的運行也不會受干擾，也就不會造成整流觸發(fā)的混亂。2.定時/計數(shù)器初始化設(shè)置與定時/計數(shù)器初始化設(shè)置有關(guān)的寄存器如下所示：（1）定時器控制寄存器（）的格式如下所示：TCON ( 88H )關(guān)于定時器的控制有4位，如下所示： 和計數(shù)溢出標(biāo)志位當(dāng)計數(shù)器計數(shù)溢出時，將該位置“”。 TR0和TR1定時運行控制位（）= 終止定時計數(shù)器；（）= 啟動定時計數(shù)器。（2）工作方式控制寄存器（）寄存器是一個專用寄存器，用于設(shè)定兩個定時/計數(shù)器的工作方式，

31、但寄存器不能尋址，只能用字節(jié)傳送指令設(shè)置其內(nèi)容。各個位的定義如下所示：位 序位符號 門控位=0 由運行控制位啟動定時器；=1 外部中斷信號（）和的組成啟動定時器； 定時方式/計數(shù)方式選擇位；=0 定時工作方式；=1 計數(shù)工作方式； 工作方式選擇位。本系統(tǒng)選擇的工作方式為方式1，即 =01 方式116位定時/計數(shù)器工作方式。3.定時/計數(shù)器工作模式及原理定時/計數(shù)器的工作模式選擇為1，其工作原理如圖3.2所示，它的原理是AT89C2051單片機來檢測脈沖信號到來的時間。圖中選用定時方式1 ，門控位設(shè)置為1，則對應(yīng)的“或”門在輸入端設(shè)置為0，這時“與”門的輸出受到和的共同控制。假若選用晶振，2s計

32、1個數(shù)， 則最大值為。定時器的初值選為0，在為高時及時置為1。圖3.2 定時/計數(shù)器采用工作模式1原理圖4 定時/計數(shù)器初值的計算當(dāng)定時/計數(shù)器在方式1下作定時器用時,其定時時間計算公式為： （3-1）或用定時初值公式： （3-2）假若本系統(tǒng)的晶體振蕩器采用,則最小定時時間為： （3-3）與式（332）計算出來的結(jié)果一樣。根據(jù)式（3-2）或式(3-3)的公式，假若本系統(tǒng)采用延時，則計數(shù)初值，解得 =0EC77H。顯示子程序顯示緩沖區(qū)首地址指向最左邊一位取出要顯示的數(shù)據(jù)求待顯示數(shù)據(jù)的顯示碼顯示碼送顯示碼三位顯示完了嗎？NY返 回修改顯示緩沖地址顯示碼修改顯示緩沖地址顯示碼3.3 顯示子程序流程圖

33、圖3.3 顯示子程序流程圖中斷服務(wù)程序讀入鍵值存入給定單元送顯示計算下一個顯示單元保護顯示地址求下一位給定值單元地址輸入定時/計數(shù)器加1返回3.4 輸入給定值中斷服務(wù)程序圖3.4 中斷服務(wù)程序3.5 抗干擾措施由于單片機在工業(yè)領(lǐng)域的大范圍使用，單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性也成為一個引人關(guān)注的問題，能夠擾動單片機的因素是多種多樣的，比如惡劣的工作環(huán)境，或者其他電子設(shè)備的信號干擾。為了保證單片機系統(tǒng)能夠穩(wěn)定并可靠的工作，就需要解決這些外界干擾。單片機應(yīng)用系統(tǒng)要經(jīng)過反復(fù)修改硬件和軟件設(shè)計，增加相應(yīng)的抗干擾措施后，系統(tǒng)才能適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境。工業(yè)中的干擾通常是脈沖進入了PC中對系統(tǒng)造成一定的擾亂，很明顯這些脈沖信號由

34、外部其他設(shè)備產(chǎn)生的，不過單片機在其內(nèi)部會存在一種干擾，也即是軟件中出現(xiàn)一些未知信號造成的擾動。這種干擾來自單片機系統(tǒng)自身，不過相對于硬件干擾，軟件的干擾可通過編程解決。3.5.1 硬件抗干擾1.電源干擾的抑制在緊靠每個芯片的Vcc和GND引腳處接入一個0.01-0.1uF的旁路電容，該電容要求高頻特性好且引線要短，可有效抑制尖峰電壓對電源的干擾。2.晶振干擾的抑制 在焊接電路板時，應(yīng)該盡量的把晶振接到靠近AT89C2051單片機的旁邊，時鐘電路中的兩個電容的引腳盡量接短點，并且彼此不要靠得太近。 3.5.2 軟件抗干擾相對于消除軟件的抗干擾，消除硬件抗干擾難度會較大，還會增加硬件設(shè)計成本，不是

35、理想的抗干擾方式。軟件抗干擾除了節(jié)省硬件設(shè)計，其靈活性也很強，比較易于實現(xiàn)。在工程實踐中主要有以下幾種抗干擾方法：1.指令冗余 如果PC被一些未知信號擾亂后，系統(tǒng)會不按照人們設(shè)定的軌跡運行，比如干擾信號對雙字節(jié)指令產(chǎn)生擾動后，會錯誤的將指令當(dāng)做操作碼執(zhí)行，將事先設(shè)定好的程序擾亂。若錯誤指令“飛” 到了三字節(jié)的指令上邊會造成更大想出錯幾率。2.攔截技術(shù)通常在的非程序區(qū)域加入下列代碼軟件陷阱： 其中，以上指令的機器碼為。如某軟件系統(tǒng)中沒有用到外部中斷“”，則外部中斷“”的中斷服務(wù)程序可用以下形式表達： 也即是，返回指令可用“”，也可用“”。 在本系統(tǒng)中，對于同步信號的輸入采用的完全是查詢方式，而不

36、是中斷方式，因而極大地增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。假設(shè)在極端情況下該引腳輸入了較大的干擾脈沖，在中斷方式下可能造成整流觸發(fā)脈沖的混亂，而在查詢方式下程序運行不易受干擾已被實踐所證明。綜上所述，硬件抗干擾是主動的，而軟件是抗干擾是被動的。在設(shè)計系統(tǒng)的抗干擾性時應(yīng)該分清是軟件還是硬件干擾，或者兩者同時都存在干擾，然后采取相應(yīng)的手段降低干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得到保障。因此設(shè)計一套穩(wěn)定可靠的單片機系統(tǒng)完全是可行的。4 調(diào)試故障分析4.1 故障分析（1）如果整個電路都沒有電，就必須先檢查單相220V交流電的電線與接線端子有沒有完全接好。（2）需要注意晶閘管的陰極、陽極和控制極的連接線，

37、因為驅(qū)動信號應(yīng)該加在陰極和控制極兩個引腳上。（3）若在晶閘管的門極和陰極沒有驅(qū)動觸發(fā)信號，此時首先應(yīng)該對脈沖變壓器進行檢查，看看它是否是已經(jīng)壞了還是腳接錯了，再看與單片機的接線端口有沒有搞錯。（4）將220V的電壓加在晶閘管的陽極和陰極的之間，不能接錯；如果有錯，那么負載就不能正常工作，嚴重的話，甚至?xí)⒁恍┰獨饧龎摹＃?）檢測完硬件路后，還應(yīng)該對軟件程序進行修改，以確保軟硬件都不會出現(xiàn)錯誤，達到預(yù)計的要求。4.2單片機系統(tǒng)可靠性測試當(dāng)設(shè)計完成一個單片機系統(tǒng)后，需要對該系統(tǒng)的不同項目就行測試，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，需要測試的環(huán)節(jié)如下： （1）對單片機的軟件程序進一步完善。以確保軟件按照

38、正規(guī)的格式編寫，而且不允許出現(xiàn)BUG。（2）上電、掉電測試。上電和掉電的不穩(wěn)定會對系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響， 因此需要多次對系統(tǒng)的上電和掉電進行測試，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定。（3）老化測試。將設(shè)計的單片機系統(tǒng)進行長時間工作一段時間，以測試系統(tǒng)的耐用性和可靠性。在有必要時，還應(yīng)放置于高溫或者低溫測試，還可根據(jù)需要對EMI進行測試。（4）esd和eft等測試。可以使 用各種 干擾模擬 器來測 試單片 機系統(tǒng)的可靠性4.3單片機消抖本文設(shè)計的硬件電路中使用的這些按鍵全部是機械彈性的開關(guān)，由于彈簧片的作用，當(dāng)按下按鍵后并不能迅速將開關(guān)閉合，同理當(dāng)松開按鍵時也不會立刻斷開，因此在按下和松開按鍵時會存在短時間的抖動。按

39、鍵的抖 動時間 由人為因 素和按 鍵的機械 特性相關(guān)，通常 情況下按 鍵抖動時 間為。按鍵抖動原理如圖4.1所示。圖4.1 按鍵的抖動原理常見的 按鍵消 抖方式由 兩種：延 時重 復(fù)采樣和持續(xù) 采樣。延時重復(fù)采樣原理：當(dāng)首次檢測到按鍵從“0”到“”變化時，設(shè)定延時時間（比如15ms），重復(fù)采樣檢驗是否是“”，如果是“”則確認按下的是“”，如果不是講重新進行采樣檢測。該按鍵消抖方案的缺點是當(dāng)延時時間過短會判斷兩次采樣都是抖動時間，如果延時時間過長可能無法準確檢測出按鍵是否按下。因此，延遲重復(fù)采樣效率較低。持續(xù)采樣的原理：對某個按下的按鍵信號持續(xù)檢測，檢測了幾個周期以后，如果該信號一直保持不變，就

40、認為檢測到的信號是正確的，這種采樣方法的優(yōu)點是不會造成錯誤檢測。圖4.2 按鍵檢測輸出波形示意圖由于本文設(shè)計的按鍵電路中的按鍵都是為單個按下的按鍵，因此按鍵檢測輸出有兩種方式： 當(dāng)按鍵相當(dāng)于撥碼開關(guān)時，輸出的為電平方式；當(dāng)每次按下按鍵后，輸出的是脈沖信號。圖4.2為按鍵輸出波形示意圖，Key_out1的輸出與Key_in的變換趨勢相同，只是濾除了抖動成分，Key_out2則是每當(dāng)按鍵按下后輸出一個高電平脈沖。5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果可知：系統(tǒng)的負載電壓與負載電流（也即是電源端的電流）的重復(fù)周期和電源周期直之間為M倍關(guān)系。 當(dāng)控制周期M=5時，N=1，則占空比為20%，輸出功率P

41、=0.2P額； 當(dāng)控制周期M=5時，N=2，則占空比為25%，輸出功率P=0.25P額； 當(dāng)控制周期M=5時，N=3，則占空比為60%，輸出功率P=0.6P額； 當(dāng)控制周期M=5時，N=5，則占空比為100%，輸出功率P=P額； 通過調(diào)節(jié)其占空比，從而達到了交流調(diào)功的目的。圖5.1 實驗波形5.2 結(jié)束語以單片機為核心的交流調(diào)功器通過占空比的調(diào)節(jié)，完成交流調(diào)功的功能。交流調(diào)功的功率元件采用電力電子半控器件晶閘管。由于89C51單片機的應(yīng)用, 使系統(tǒng)具有控制靈活、結(jié)構(gòu)簡單、精度高、可靠性高等特點，系統(tǒng)具備過流保護策略。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的 交流調(diào) 功器 工作性能 穩(wěn)定，運行 可靠，系統(tǒng) 的抗

42、干 擾性能 較好。6 總結(jié)電力電子技術(shù)（Power Electronics）是20世紀后期發(fā)展起來的一門新型交叉學(xué)科，它作為電工學(xué)科的分支之一，涉及了電力技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)等多個學(xué)科領(lǐng)域，是研究和應(yīng)用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件（亦稱電力電子器件）及其通斷控制來實現(xiàn)電能變換的一門學(xué)科。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和電力電子開關(guān)器件控制水平的不斷提高，電力電子技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其應(yīng)用范圍也在不斷擴大，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個方面，如家電行業(yè)中的開關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器等。此外，還有工業(yè)生產(chǎn)中常用的固態(tài)繼電器、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、不間斷電源、穩(wěn)定電源等，在這些應(yīng)用中，電力電

43、子技術(shù)已經(jīng)成為不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)，即使在風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電等新能源技術(shù)領(lǐng)域，電力電子技術(shù)也是必不可少的。更重要的是：交流調(diào)功的用途非常之廣，例如：在我們的日常生活中，某些具有簡單調(diào)溫功能的電爐燒水就是基于交流調(diào)功的原理來實施的。交流調(diào)功器的涉及了電力電子技術(shù)、數(shù)模電知識、單片機和其他一些電力相關(guān)的知識。交流調(diào)功器的電路和交流調(diào)壓電路的具有相同形式的電路，區(qū)別在于控制方式的不同，交流調(diào)功器的輸出功率不是連續(xù)的，僅通過改變占空比輸出斷續(xù)的正弦交流電，這種電路可用于鍋爐的溫度控制。由于調(diào)節(jié)對象是調(diào)功器的平均輸出功率，因此也被稱為交流調(diào)功電路?，F(xiàn)代人們生活質(zhì)量和生活方式的不斷改變，數(shù)字化控制除了在工

44、業(yè)中被大量運用，現(xiàn)在也已經(jīng)走進了千家萬戶，它不僅僅是改善了人們傳統(tǒng)的生活方式，更加快了人們探索發(fā)現(xiàn)新事物的速度。為更好的服務(wù)于社會，學(xué)習(xí)和研究數(shù)字化控制技術(shù)顯得至關(guān)重要。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是微機的廣泛使用，采用單片機為控制核心的交流調(diào)功器，可以大大簡化硬件電路的組成，并可提高系統(tǒng)的控制精度，另外由于軟件的可編程性，使單片機控制的晶閘交流調(diào)功器更加靈活，能滿足多方面的需要，因此具有較廣闊的應(yīng)用前景。參 考 文 獻1 趙德安等. 單片機原理與運用M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004.2 楊代華. 單片機原理及應(yīng)用M. 武漢: 中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2010.3 劉光斌，劉東等. 單片機系統(tǒng)

45、實用抗干擾技術(shù)M. 北京： 人民郵電出版2013. 4 王兆安,黃俊. 電力電子技術(shù)M. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.5 姜德譚，范茂軍等.新編電子電路大全M.北京：計量出版社.2005. 90121.6 潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，2003.7199，3603647 宋浩，田豐.單片機原理及應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2005.139，134179.8 薛棟梁.MCS-51/151/251單片機原理與應(yīng)用（一）M.北京：中國水利水電出版社，2001，111112，125126.9 薛棟梁.MCS-51/151/251單片機原理與應(yīng)

46、用（二）M.北京：中國水利水電出版社，2001，15，254261.10 .傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計M.北京：科學(xué)出版社，2002，5463.11 丁元杰.單片微機原理及應(yīng)用M.北京：機械工業(yè)出版社，2013，4077.12 Adel S.Sedra and KennethM.Smith：Microelectronic Circuits，4rd ed，Oxford University Press.Inc，1998.2058.13 Adel S.Sedra and KennethM.Smith：Microelectronic Circuits，4rd ed，Oxford University Pr

47、ess.Inc，2008.3198.14 P.R.Gray and R.G.Meyer,Analysis and Design of Analog Integrated circuits 3rd EditionJ,John Wiley&Sons,New York,2003. 97104.15 TI公司.MOC3041_datasheet.pdf.致 謝畢業(yè)設(shè)計完成了，在大學(xué)的這幾年里，青春最寶貴的時間在這幾度過，在校期間掌握了扎實的專業(yè)理論知識，思想上也取得了很大的進步，除了自身的努力外，與老師的關(guān)系和指導(dǎo)也是分不開的。 首先我要感謝我的指導(dǎo)老師李郁峰，是他在百忙之中不辭辛苦任勞任怨的指導(dǎo)我完

48、成了這篇設(shè)計，在老師的指導(dǎo)下。我積極主動的從各種渠道來查閱所需要的各種資料，在選定里題目之后，不斷的與老師溝通交流，針對設(shè)計進行分析，研究，最后完成了這篇設(shè)計，其次通過寫這篇設(shè)計。我從中學(xué)到了很多技巧，比如一些寫作格式，排版以及一些操作等等。為此，我再次感謝我的指導(dǎo)老師李郁峰老師的耐心指導(dǎo)。在此我要向我的指導(dǎo)老師李郁峰老師致以最崇高的敬意，向任課老師們和同學(xué)朋友致以最高的謝意，也要向家人說一聲謝謝，謝謝他們對我的支持和理解。附 錄A附 錄 B控制源程序：ORG 0000H ajmp main1synch bit p3.6 ;定義同步上升沿的讀出口start bit p3.5 ;定義啟動按鍵st

49、op bit p3.4 ;定義停止按鍵trigp bit p1.3 ;定義正觸發(fā)trigm bit p1.4 ;定義負觸發(fā) org 0100Hmain1: MOV sp, #30h ;堆棧指針 MOV P1, #0FFH MOV P3, #0FFH MOV R7, #0FFH ;開機延時LP1: MOV R6, #0FFH ;LP2: DEC R6 ; CJNE R6, #00H,LP2 ; DJNZ R7, LP1 ; jb p1.5,BEGAIN LJMP MANU MOV P1, #0FFH MOV P3, #0FFHBEGAIN: MOV R0, #0b7H jnb p3.7 ,aaM

50、AIN: JB START, MAIN ;有啟動鍵按下嗎?(低電有效)AA: JB synch , AA ; 檢測同步(上升沿有效)BB: JNB SYNCH, BB ;確認同步 SETB TRIGM ;關(guān)負觸發(fā) ACALL TT1 ;調(diào)用延時 CLR TRIGP ;開正觸發(fā)CC: JB SYNCH, CC ; 同步為下降沿嗎? SETB TRIGP ;關(guān)正觸發(fā) CJNE R0,#01H, CC1 ;已為下降沿,判斷R0是否零 AJMP DD ;R0已為零轉(zhuǎn)DD,全通CC1: ACALL TT11 ;R0不為零轉(zhuǎn)調(diào)延時 CLR TRIGM ;開負觸發(fā) jnb p3.7 ,jj JNB STOP,FFjj: AJMP BB ;繼續(xù)軟升 jnb p