基于AT89C52單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一款基于AT89C52單片機(jī)控制的三相全控橋式晶閘管的觸發(fā)器。AT89C52采集同步信號(hào)，接收外部輸入的導(dǎo)通角，依靠軟件定時(shí)，進(jìn)而輸出延時(shí)角的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后，送入晶閘管控制極。實(shí)驗(yàn)針對(duì)觸發(fā)裝置工作不穩(wěn)定、精度不高，提出了解決方案。
關(guān)鍵詞：AT89C52；晶閘管；觸發(fā)器

O 引言
    基于單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)器無(wú)疑是現(xiàn)在的熱門觸發(fā)裝置。它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，溫漂小，可靠性高，便于智能化控制等。一般的觸發(fā)裝置往往只采集一相同步信號(hào)，然后經(jīng)單片機(jī)處理送出帶有一定導(dǎo)通角α的六路脈沖控制信號(hào)，這無(wú)疑對(duì)三相交流電有一定的誤差。本設(shè)計(jì)同時(shí)采集三相的同步脈沖信號(hào)，避免了只檢測(cè)一相而造成的延時(shí)。同時(shí)，系統(tǒng)中的三相全控橋式整流電路采用了阻容吸收裝置，避免產(chǎn)生過(guò)電壓，使系統(tǒng)更加的穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)硬件電路
    整套系統(tǒng)的硬件電路主要由主回路和微處理器控制電路組成。其中主回路包括同步信號(hào)產(chǎn)生電路和觸發(fā)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路以及帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路。
    本裝置所用AT89C52單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器，采用12 M晶振定時(shí)器方式工作，同步信號(hào)產(chǎn)生電路用以將從電網(wǎng)獲得的220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成6個(gè)在相位上相差60°的同步脈沖，AT89C52用作接收同步信號(hào)和α角，并將α角轉(zhuǎn)換為脈沖延時(shí)，從而控制三相全控橋式整流電路的門級(jí)，控制輸出電流的大??；驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)將從單片機(jī)出來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大；帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流大小的控制并接收過(guò)電流、過(guò)電壓。
1．1 AT89C52主控制電路
    主控制電路(圖1)充分利用AT89C52內(nèi)部資源，通過(guò)外接12 M晶振和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路。如圖1所示，同步信號(hào)通過(guò)P0．0～P0．2口輸入，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和向P1．2～P1．7口輸出六路脈沖控制信號(hào)。若程序死循環(huán)，即可上電自動(dòng)復(fù)位或人工復(fù)位。電路結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

1．2 三相全控橋式整流電路
    經(jīng)變壓器出來(lái)的直流電壓接通六個(gè)晶閘管。同時(shí)經(jīng)過(guò)脈沖隔離驅(qū)動(dòng)電路出來(lái)α的帶觸發(fā)角的六路脈沖信號(hào)控制門級(jí)UT1～UT6。
    為了避免產(chǎn)生過(guò)電壓而造成的不利影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)采用帶阻容吸收裝置的三相全控橋式整流電路，如圖2所示。阻容吸收裝置利用電容來(lái)吸收過(guò)電壓，將引起過(guò)電壓的磁場(chǎng)能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在變壓器中，然后電容通過(guò)電阻放電，將能量釋放在電阻上。

1．3 同步電路設(shè)計(jì)
    傳統(tǒng)的觸發(fā)電路一般都需要三相同步變壓器提供同步信號(hào)，在三相全控橋式整流電路中，采用單片機(jī)觸發(fā)的晶閘管，首先要使觸發(fā)脈沖的自然換相點(diǎn)與三相電源的線電壓的過(guò)零點(diǎn)同步。

    為克服傳統(tǒng)的同步變壓器接法復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy的缺點(diǎn)，采用三個(gè)如圖3所示的同步電路，每一個(gè)電路采集一相同步信號(hào)，這樣使得誤差更小，精度更高。這三個(gè)一樣的電路分別接入單片機(jī)的P0．0～P0．2。同步電路主要由過(guò)零檢測(cè)器SF339和光耦隔離組成。由結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的SF339從電網(wǎng)中獲得的線電壓轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)光耦隔離，形成觸發(fā)電路所需的同步信號(hào)，其中每個(gè)電源周期的過(guò)零點(diǎn)輸出兩個(gè)同步脈沖，如圖4所示。這樣一個(gè)周期內(nèi)，三相電源輸出6個(gè)同步脈沖，這6個(gè)同步脈沖信號(hào)在相位上相差60°。同步信號(hào)再經(jīng)過(guò)整形輸出分別送到AT89C52的三個(gè)輸入端口P0．0～PO．2．
1．4 觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路
    六路脈沖控制信號(hào)在送入晶閘管控制級(jí)之前，必須對(duì)其進(jìn)行放大，因?yàn)閺腁T89C52輸出的脈沖信號(hào)強(qiáng)度不夠驅(qū)動(dòng)晶閘管，此時(shí)采用如圖5所示的光電耦合集成運(yùn)放驅(qū)動(dòng)電路。從單片機(jī)來(lái)的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合再由集成運(yùn)放放大，達(dá)到晶閘管所需的觸發(fā)脈沖。這種方法摒棄了體積較大的脈沖變壓器，電路的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)化。

2 軟件定時(shí)與實(shí)現(xiàn)
2．1 軟件的定時(shí)
    由于定時(shí)器采用AT89C52的自動(dòng)計(jì)數(shù)功能，省去了單片機(jī)外接定時(shí)芯片，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)電路。采用的晶振為12MHz，分頻為12，所以相應(yīng)的時(shí)鐘周期為：

    即定時(shí)計(jì)數(shù)器的最大值為20000，它對(duì)應(yīng)同步脈沖360°電角度。
    為了使電流斷續(xù)后，能夠使晶閘管再次導(dǎo)通，必須對(duì)兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對(duì)晶閘管同時(shí)有觸發(fā)脈沖，可以有兩種方法：寬脈沖觸發(fā)法和雙脈沖觸發(fā)法。寬脈沖觸發(fā)法是使每個(gè)脈沖的寬度大于60°，但必須小于120°，一般取80°～100°。雙脈沖觸發(fā)法是在觸發(fā)某一號(hào)晶閘管時(shí)，同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，使共陰極組和共陽(yáng)極組的兩個(gè)應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管上都有觸發(fā)脈沖，相當(dāng)于兩個(gè)窄脈沖等效的代替大于
60°的寬脈沖。采用寬脈沖觸發(fā)法的軟件實(shí)現(xiàn)要比雙脈沖觸發(fā)法更簡(jiǎn)便?，F(xiàn)取脈沖寬度為90°，因此計(jì)數(shù)初值N0為：

   
即第一個(gè)脈沖的延遲時(shí)間的計(jì)數(shù)初值為5 000，又從同步信號(hào)產(chǎn)生電路獲得6個(gè)在相位上相差60的脈沖，經(jīng)過(guò)輸入α角的延時(shí)，從而控制三相全控橋式晶閘管整流電路輸出電流的大小，延遲角度α可以通過(guò)軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其延遲初值Nα為：

    
    其輸出波形原理如圖6所示(以α=30°為例)：

2．2 軟件的實(shí)現(xiàn)
    主程序中包括了系統(tǒng)初始化子程序，控制角的輸入及計(jì)算，同步輸入信號(hào)的檢測(cè)，脈沖信號(hào)的輸出，系統(tǒng)啟動(dòng)、復(fù)位或停機(jī)的控制。
主程序流程圖如圖7：

3 結(jié)束語(yǔ)
    本實(shí)驗(yàn)充分利用了AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部資源，采用了單片機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通α角對(duì)電路輸出電流的控制，使用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)／定時(shí)器而省去了一些外圍器件，由此使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的控制智能化。該控制方案簡(jiǎn)單，使用元件少、實(shí)現(xiàn)容易、應(yīng)用廣泛，有很高的實(shí)用和推廣價(jià)值。