基于單片機(jī)的調(diào)光控制器設(shè)計

摘要：文章詳細(xì)介紹了用單片機(jī)通過控制可控硅的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)白熾燈(純阻負(fù)載)亮度的基本原理和具體實現(xiàn)的方法。文中包括各部分的電路圖和必要的說明，并附有所使用的各主要元器件的資料。最后，本文還給出了本調(diào)光控制器的程序流程圖。
關(guān)鍵詞：調(diào)光；單片機(jī)；可控硅

1 調(diào)光控制器設(shè)計
    在日常生活中，我們常常需要對燈光的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本調(diào)光控制器通過單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通來實現(xiàn)白熾燈(純阻負(fù)載)亮度的調(diào)整。雙向可控硅的特點是導(dǎo)通后即使觸發(fā)信號去掉，它仍將保持導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)載電流為零(交流電壓過零點)時，它會自動關(guān)斷。所以需要在交流電的每個半波期間都要送出觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的送出時間就決定了燈泡的亮度。
    調(diào)光的實現(xiàn)方式就是在過零點后一段時間才觸發(fā)雙向可控硅開關(guān)導(dǎo)通，這段時間越長，可控硅導(dǎo)通的時間越短，燈的亮度就越低；反之，燈就越亮。
    這就要求要提取出交流電壓的過零點，并以此為基礎(chǔ)，確定觸發(fā)信號的送出時間，達(dá)到調(diào)光的目的。
1．1 硬件部分
    本調(diào)光控制器的框圖如下：

    控制部分：為了便于靈活設(shè)計，選擇可多次寫入的可編程器件，這里選用的是ATMEL的AT89C51單片機(jī)。
    驅(qū)動部分：由于要驅(qū)動的是交流，所以可以用繼電器或光耦+可控硅(晶閘管SCR)來驅(qū)動。繼電器由于是機(jī)械動作，響應(yīng)速度慢，不能滿足其需要。可控硅在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，并且不象繼電器那樣控制時有火花產(chǎn)生，而且動作快、壽命長、可靠性高。所以這里選用的是可控硅。
    負(fù)載部分：本電路只能控制白熾燈(純阻負(fù)載)的亮度。
1．2 軟件部分
    要控制的對象是50Hz的正弦交流電，通過光耦取出其過零點的信號(同步信號)，將這個信號送至單片機(jī)的外中斷，單片機(jī)每接收到這個同步信號后啟動一個延時程序，延時的具體時間由按鍵來改變。當(dāng)延時結(jié)束時，單片機(jī)產(chǎn)生觸發(fā)信號，通過它讓可控硅導(dǎo)通，電流經(jīng)過可控硅流過白熾燈，使燈發(fā)光。延時越長，亮的時間就越短，燈的亮度越暗(并不會有閃爍的感覺，因為重復(fù)的頻率為100Hz，且人的視覺有暫留效應(yīng))。由于延時的長短是由按鍵決定的，所以實際上就是按鍵控制了光的強(qiáng)弱。
    理論上講，延時時間應(yīng)該可以是0～10ms內(nèi)的任意值。在程序中，將一個周期均分成N等份，每次按鍵只需要去改變其等份數(shù)，在這里，N越大越好，但由于受到單片機(jī)本身的限制和基于實際必要性的考慮，只需要分成大約100份左右即可，實際采用的值是95。
    可控硅的觸發(fā)脈沖寬度要根據(jù)具體的光耦結(jié)合示波器觀察而定，在本設(shè)計中取20 μs。程序中使用T1來控制這個時間。
    對兩個調(diào)光按鍵的處理有兩種方式：一種是每次按鍵，無論時間的長短，都只調(diào)整一個臺階(亮或暗)；另一種是隨按鍵時間的不同，調(diào)整方法不同：短按只調(diào)整一個臺階，長按可以連續(xù)調(diào)整。如前面所述，由于本設(shè)計中的臺階數(shù)為95(N=95)，如果使用前一種方式，操作太麻煩，所以用后者較為合理。

2 各單元電路及說明
2．1 交流電壓過零點信號提取
    交流電壓過零點信號提取電路如圖2所示，圖中的同步信號就是我們需要的交流電壓過零點信號。各部分波形如圖3所示。

    圖中整流后波形中的水平虛線表示光藕P52l輸入二極管的門限電壓。P521是TLP521的簡稱，下圖是其引腳圖。引腳圖中器件名的后綴“-1”表示包含一組光藕。

2. 2 主控單元

    主控單元以AT89C51單片機(jī)為核心，交流電壓過零點信號提取電路中產(chǎn)生的同步信號SYN接到AT89C5l的INT0，此信號的下降沿將使AT89-C51產(chǎn)生中斷，以此為延時時間的起點。
    三個按鍵只用于控制一路燈：一個為開關(guān)，另外兩個分別為提高亮度和降低亮度。
    74HC573用于輸出控制可控硅的導(dǎo)通的觸發(fā)信號。
    220V交流主電源導(dǎo)通區(qū)間、同步信號和觸發(fā)信號的時序關(guān)系如圖6所示。

    圖中的陰影部分表示可控硅的導(dǎo)通區(qū)間，它的大小決定了燈的亮度。改變延時時間可改變觸發(fā)信號和同步信號的相位關(guān)系，也改變了可控硅的導(dǎo)通區(qū)間的大小，達(dá)到調(diào)光的目的。
2．3 驅(qū)動單元

    圖中，L1_D是單片機(jī)輸出的觸發(fā)信號，該信號通過光控可控硅MOC3022去驅(qū)動可控硅T435。受控的白熾燈接在Ll和零線(圖中未畫出)之間。
    MOC3022是DIP-6封裝的光控可控硅。其1、2腳分別為二極管的正、負(fù)極：4、6腳為輸出回路的兩端；3、5腳不用連接。如圖8所示。

    T435-400是可控硅，“4”表示主回路電流是4A；“35”表示觸發(fā)端的最大電流是35mA，一般該端有最大電流的5％就可保證可靠地觸發(fā)。T435-400外型圖如圖9所示。

3 程序流程圖

4 結(jié)束語
    本控制器使用了三個開關(guān)控制一路燈，主要是為了在教學(xué)過程中降低難度。也可改為一個開關(guān)控制一路燈，比如短按為開、關(guān)，第一次長按為降低亮度，連續(xù)的第二次長按為提高亮度等。電路不用改動，只需修改程序即可。
    學(xué)生通過制作該調(diào)光控制器，可以掌握單片機(jī)、光藕和可控硅等方面的知識和使用技能，特別是后兩者，學(xué)生較少接觸。由于該調(diào)光控制器調(diào)光的效果比較好，對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有很大幫助，教學(xué)效果良好。