本文以三相橋式全控整流電路為例，主要介紹采用ATMEL89S52 單片機(jī)控制的三相橋式可控整流電路觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)方法，包括三相橋式全控整流電路、同步信號(hào)的檢測、脈沖的形成與放大、鍵盤電路、顯示電路以及軟件實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。
2 三相橋式全控整流電路
三相橋式全控整流電路如圖1 所示。電路圖中有兩組晶閘管，一組是共陰極（ VT1、VT3 和VT5） ,一組是共陽極（ VT4、VT6 和VT2） .在任何時(shí)候均需二個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，形成向負(fù)載供電的回路，其中一個(gè)晶閘管是共陰極的，另一個(gè)是共陽極的，并且不能為同一相的晶閘管。由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā)，共陽極組的晶閘管是在負(fù)半周觸發(fā)，因此，接在同一相的兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)該相差180°。6 個(gè)晶閘管的脈沖按VT1 - VT2 - VT3 - VT4 - VT5 - VT6 的順序依次導(dǎo)通，相位相差60°。為保證電路的正常工作，需確保同時(shí)導(dǎo)通的晶閘管均勻脈沖。可采用兩種方法：
一種是寬脈沖觸發(fā)，一般脈沖寬度位80° ~ 120°；另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，即在觸發(fā)某一晶閘管的同時(shí)給前一號(hào)晶閘管補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，使共陰極組和共陽極組的兩個(gè)應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管均有觸發(fā)脈沖，脈沖寬度一般為20° ~ 30°，兩個(gè)脈沖的前沿相差60°。
采用前者效率較低，本文采用后者，脈沖寬度取為27°。
圖1 三相橋式全控整流電路
3 觸發(fā)電路的硬件電路設(shè)計(jì)
硬件電路以Atmel89s52 單片機(jī)為控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。它包括同步信號(hào)檢測、AD轉(zhuǎn)換電路、脈沖的形成與放大、顯示模塊和鍵盤電路等。
圖2 觸發(fā)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖
3. 1 同步信號(hào)的檢測
采用北京森社公司生產(chǎn)的CHV - 100 /300A 型號(hào)的電壓傳感器，其額定電壓為300V （ 有效值） ,額定輸出電流25mA.檢測電路中，電壓傳感器接入220V 的A 相交流電，輸出的電流信號(hào)經(jīng)100 歐姆的電阻后，轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮? ~ 2. 5V 的電壓信號(hào)（ 實(shí)際輸出為- 2. 5V ~ 2. 5V） ,此電壓信號(hào)接入LM258 構(gòu)成的加法器轉(zhuǎn)換成0 ~ 5V 的直流信號(hào)，此信號(hào)輸入到飛利浦半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8 位AD 轉(zhuǎn)換器PCF8591 的模擬信號(hào)輸入通道AIN3,PCF8591 的輸出信號(hào)AOUT 即可接入Atmal89s52單片機(jī)，利用I2C 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)經(jīng)過軟件檢測，即可得知同步電壓Us 過零點(diǎn)信號(hào)。其硬件電路如圖3 所示。
圖3 同步信號(hào)的檢測電路
3. 2 觸發(fā)脈沖的形成與放大
脈沖的形成與放大電路如圖4 所示。來自單片機(jī)P1. 0 P1. 5 的六路較弱的脈沖信號(hào)輸入到反相器74HC04,經(jīng)過光電隔離器4N25 隔離輸出，最后經(jīng)過脈沖變壓器TB1 放大輸出到相應(yīng)晶閘管的門極g 和陰極k.
圖4 觸發(fā)脈沖的形成與放大
如圖5 所示，六路觸發(fā)脈沖形成過程如下。當(dāng)單片機(jī)檢測到A 同步電壓Ua 從負(fù)到正的過零點(diǎn)信號(hào)（ 實(shí)際上檢測到的應(yīng)該是2.5V） 時(shí)，它會(huì)接收到來自于INT1 的中斷請求信號(hào)，這時(shí)，單片機(jī)會(huì)中斷響應(yīng)，服務(wù)子程序。這個(gè)子程序的功能是決定如何產(chǎn)生第一個(gè)觸發(fā)脈沖的上升沿。當(dāng)單片機(jī)檢測到同步信號(hào)過零點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)的16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器1 同時(shí)開始計(jì)時(shí)，它工作在工作方式1; 由于Atmel89s52 單片機(jī)的晶振是12MHz,它的一個(gè)機(jī)器周期是1μm.定時(shí)的長度是由單片機(jī)的要產(chǎn)生的觸發(fā)延時(shí)角α 決定的。由于一個(gè)正弦波的周期是20ms,定時(shí)的長度由下式?jīng)Q定： tα = α × 20 /360°ms.定時(shí)器的初始化值可以根據(jù)tα來設(shè)定。為了簡單起見，本文定義了一個(gè)長度為180 的數(shù)組，它對應(yīng)于觸發(fā)延時(shí)角α 從0 到180 度的變化。這個(gè)數(shù)組保存在單片機(jī)的ROM 存儲(chǔ)區(qū)。這樣，定時(shí)器對應(yīng)于每個(gè)觸發(fā)角的初始化設(shè)定值就可以直接賦值給定時(shí)器1 了。定時(shí)器初始化之后，就啟動(dòng)定時(shí)器工作。當(dāng)定時(shí)時(shí)間就一到，定時(shí)器的溢出標(biāo)志位置1,單片機(jī)開始執(zhí)行定時(shí)器1 的中斷服務(wù)子程序。
這子函數(shù)將P1. 0 設(shè)置為高電平，用于觸發(fā)VT1;這里定義脈沖的寬度為27°，即1. 5ms,則定時(shí)器1 的TH1 = FAH,TL1 = 24H; 于是開始啟動(dòng)定時(shí)器第二次計(jì)數(shù)； 當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，定時(shí)器開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。在這個(gè)函數(shù)中，P1. 0 設(shè)置為低電平，表示觸發(fā)脈沖結(jié)束。由于第二個(gè)脈沖比一個(gè)脈沖滯后60°，也即是3. 33ms; 那么，第一個(gè)脈沖的下降沿到第二個(gè)脈沖的上升沿的時(shí)間間隔應(yīng)為1. 83ms.因此，定時(shí)器應(yīng)設(shè)置為TH1 = F8H,TL1= DAH; 這樣就啟動(dòng)定時(shí)器第三次定時(shí)。當(dāng)定時(shí)時(shí)間一到，定時(shí)器開始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。在這個(gè)子函數(shù)中，P1.1 引腳被置為高電平來觸發(fā)VT2.對于其他晶閘管的觸發(fā)原理相同，這里不再詳述。
圖5 六路觸發(fā)脈沖的波形
雙窄脈沖的輸出如圖5 所示。P1. 0 引腳輸出一個(gè)主脈沖給VT1 的同時(shí)，P1. 5 引腳輸出一個(gè)次脈沖（ 補(bǔ)發(fā)脈沖） 給VT6; 延時(shí)60°后，P1. 1 引腳輸出一個(gè)主脈沖給VT2,同時(shí)，P1. 0 引腳輸出一個(gè)次脈沖給VT1; 至于其它晶閘管的觸發(fā)，其過程亦是如此。
3. 3 顯示電路
顯示電路是為了更好的得知觸發(fā)延時(shí)角α 的變化。根據(jù)觸發(fā)角α 的大小，觸發(fā)電路需要四個(gè)七段LED 數(shù)碼管，這可以顯示到小數(shù)，這里數(shù)碼管是共陽極的，即當(dāng)輸入為低電平時(shí)，數(shù)碼管點(diǎn)亮。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示，相對于靜態(tài)顯示具有使用元件少、引腳少、電路簡單的優(yōu)勢。其中，段選位接到單片機(jī)的P0 口，位選位有單片機(jī)的P2. 4~ P2. 7 控制。其電路圖如圖6 所示。
圖6 顯示電路
3. 4 鍵盤電路
鍵盤電路如圖7 所示。其功能是設(shè)置觸發(fā)角a的大小。它由四個(gè)開關(guān)和電阻，外加一個(gè)+ 5V 電源組成。開關(guān)K1、K2 、K3 和K4 分別接到單片機(jī)的P2. 0、P2. 1、P2. 2 和P2. 3.當(dāng)K1 按下一次，觸發(fā)角α 增加1; K2 按下一次，α 減1; K3 用于選擇位數(shù)，按下第一次，小數(shù)位被選擇，并且相應(yīng)的數(shù)碼管被點(diǎn)亮； 按下第二次時(shí)，個(gè)位數(shù)字被選擇，并且相應(yīng)數(shù)碼管的被點(diǎn)亮； 按下第三次時(shí)，十位數(shù)被選擇，并且相應(yīng)數(shù)碼管被點(diǎn)亮； 按下第四次時(shí)，百位數(shù)被選擇，并且相應(yīng)的數(shù)碼管被點(diǎn)亮。當(dāng)K4 按下時(shí)，輸入的數(shù)據(jù)被送到單片機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)。
圖7 鍵盤電路
4 觸發(fā)電路的軟件設(shè)計(jì)
觸發(fā)電路的軟件設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)部分。本設(shè)計(jì)最重要的特點(diǎn)之一就是充分利用了單片機(jī)的軟件編程能力。這里主要是用軟件檢測同步電壓的過零點(diǎn)，以控制脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。軟件部分包括主函數(shù)、中斷子函數(shù)、顯示子函數(shù)和延時(shí)函數(shù)等。采用C 語言進(jìn)行編程，它具有編程簡單，一致性高等特點(diǎn)。
程序流程圖如圖8 所示。首先，將單片機(jī)初始化，包括定時(shí)器1 的初始化，封鎖脈沖信號(hào)的輸出，以及外部中斷1 的初始化； 然后調(diào)用數(shù)碼管顯示子函數(shù)，以顯示移相觸發(fā)角α； 其次，單片機(jī)會(huì)監(jiān)視是否有按鍵按下，如果有，則調(diào)用鍵盤操作子程序； 然后，單片機(jī)檢測同步信號(hào)，并據(jù)此確定是否產(chǎn)生脈沖并將脈沖放大，最后去觸發(fā)晶閘管。
圖8 程序流程圖
5 結(jié)論
本文給出了一種采用ATMEL89S52 單片機(jī)的三相橋式可控觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)方法。與以往利用同步變壓器，鎖相環(huán)等方法實(shí)現(xiàn)同步信號(hào)的檢測不同，本文利用電壓傳感器來檢測同步信號(hào)，是一種新的嘗試。相對來說，這種方法硬件電路較為簡單，成本較低，精度也較高。<