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目前，絕大多數阻性(主要依靠電阻發熱工作的電器)大功率家電的功率調節一般是包含在產品內部的、由機械開關分檔(強、弱)調節的裝置，基于二極管的單向導通特性，容易實現半功率和全功率兩檔，不能進行無級調節，功能有限，在很多場合不能滿足使用需求。也有通過控制可控硅導通角度進行調節的，但沒有使用單片機控制，也沒有數碼顯示，功能相對較弱，使用不方便。特別是沒有外置的通用型功率調控裝置。 本設計提供了一種通用的外置功率調控裝置，能夠高精度、線性地調節功率，還可定時開關，并具有數碼顯示功能，從而克服了上述功率調節中存在的問題。 系統總體設計 該設計主要由過零采樣、按鍵輸入、單片機控制、數碼顯示和可控硅功率控制模塊組成。 總體設計思想為，對50Hz的交流電信號進行過零采樣后，由單片機檢測過零點，并觸發單片機內部定時器，執行延時程序。延時長短由外部按鍵輸入設定，不同的延時使可控硅在不同的角度導通，實現不同的功率輸出，由于延時變量可以達到很高的精度，從而實現了功率的精細調控。 過零檢測模塊 220V市電通過9V雙抽頭同芯工頻變壓器降壓后進行交流取樣，同時還為單片機系統供電，并提供給運算放大器NE5532工作所需的正負電壓。過零檢測電路的工作過程是：NE5532反相端接地，同相端接變壓器次級50Hz無相移的取樣交流信號，經開環放大后，通過限流電阻R1和5V穩壓二極管D1限幅整形后，輸出滿足單片機I/O輸入要求的TTL信號。該TTL信號在市電過零點翻轉，上升沿、下降沿處為過零點。 可控硅功率控制電路 采用大功率的雙向可控硅對220V交流市電進行控制，其工作狀態相當于一個無觸點的的高效開關。 雙向可控硅有第一陽極A1(T1)，第二陽極A2(T2)和控制極G三個引腳。 無論所加電壓的極性是正向還是反向，只要控制極G和第一陽極A1間加有正負極性不同的觸發電壓，就可觸發導通，呈低阻狀態。此時，A1、A2間壓降約1V。雙向可控硅一旦導通，即使失去觸發電壓，也能繼續保持導通狀態。只有當A1、A2電流減小，小于維持電流或A1、A2間電壓極性改變且沒有觸發電壓時，雙向可控硅才截止，此時，只有重新加觸發電壓方可導通。 單片機控制系統 單片機控制系統主要完成對過零TTL信號的檢測、鍵值識別、延時調控可控硅、顯示輸出和定時開關控制這5項任務。 本系統采用AVR單片機ATMEGA8，其內部帶有多通道的10位ADC和低溫漂的內部能隙基準，可以滿足高精度的設計要求；兩個8位、一個16位的定時器，除了可以進行普通的定時、計數外，還具有比較匹配、捕捉、RTC等功能，高精度可校準的片內RC振蕩時鐘在減低成本的同時，滿足了時鐘精度要求，實現精確定時開關。 其控制工作過程如圖1所示，單片機檢測到零點后，啟動定時器，定時延遲結束后，在k點開啟可控硅，之后，可控硅在g點自動關斷，其中，延遲由外部按鍵輸入設定。 圖1 單片機控制工作過程 按鍵輸入 為了使設計更加實用方便,更具有人性化的交互性,按鍵輸入界面由5個按鍵和若干電阻構成。按鍵采用電阻分壓，利用不同按鍵輸入不同電壓值，依靠A/D轉換得到鍵值。 顯示模塊 顯示模塊由LED七段數碼管和兩個發光二極管構成。七段數碼管顯示當前功率百分比值，發光二極管指示當前工作模式，數碼顯示采用動態掃描的方式，使得電路簡單。 硬件電路 系統硬件電路主要由過零采樣模塊、按鍵輸入模塊、單片機、數碼顯示、可控硅功率控制電路幾部分組成，單片機I/O輸入端與過零檢測電路輸出端和按鍵輸出端相連，單片機I/O輸出端與可控硅電路、數碼顯示電路相連。 圖2是本設計的模擬部分硬件電路圖，包括電源、過零采樣和可控硅接口電路。220V市電由外接電源插頭輸入，串聯可控硅電路后，外接擴展電源接線板輸出。同時，經220V-9V×2變壓器降壓、整流、濾波后，提供本系統所需的低壓電源，包括±9V和+5V電源，+5V是經過7805穩壓后得到的，為單片機系統供電。過零采樣電路由運算放大器NE5532反相端接地，同相端接變壓器次級50Hz交流信號，經開環放大、整形后輸出滿足單片機I/O輸入要求的TTL信號。圖2中與輸入插頭、輸出接線板相連的導線加粗，表示需承載大電流通過，串聯其中的保險管，以保證輸出電路短路時的系統安全�？煽毓杩刂齐娐愤x用的是雙向大功率可控硅BTA20，還需加裝散熱片。 圖2 模擬部分的電路圖 圖3是單片機系統及輸入/輸出和數碼顯示硬件電路圖。顯示模塊接口P3、P4同單片機P5、P6相連；按鍵輸入接口P7同單片機P8相連；單片機輸入接口P9同圖2中過零檢測電路接口P1相連，P10同圖2中可控硅電路接口P2相連。數碼顯示采用動態掃描模式，電路簡單，按鍵采用電阻分壓，依靠單片機A/D轉換得到鍵值，這樣就簡化了硬件電路。 圖3 單片機、輸入/輸出和顯示電路 程序流程設計 圖4是單片機外部中斷流程圖，交流電過零點時，過零信號觸發單片機外部中斷，中斷響應后，P9輸出低電平，使可控硅維持斷開狀態，隨后設定定時器初值，并且開啟定時器后返回。兩路外部中斷分別設定上升沿觸發和下降沿觸發，分別完成電源正負半周控制。 圖4 單片機外部中斷流程 圖5是單片機定時中斷流程圖，定時溢出觸發中斷，P9輸出高電平，觸發可控硅導通，關閉定時中斷后返回。 圖5 單片機定時中斷流程 圖6是單片機主程序流程圖。在主程序中主要是循環讀取按鍵輸入值，根據輸入調整系統參數，啟動定時功能，完成數碼顯示任務。 圖6 單片機主程序流程 總的工作過程是市電過零信號驅動單片機的兩個外部中斷，在上升沿和下降沿處完成可控硅導通角相位控制，實現可控硅導通角任意調整，從而實現功率調節。用戶可通過按鍵輸入調整功率并設置定時功能，定時功能是通過開關外部中斷實現的。 結語 本設計的樣機試用結果表明，該設計能夠很好地實現功率的無級調控，客觀上解決了阻性大功率家電的功率調控問題，并且具有很高的精度和線性度，實現了定時開關、數碼顯示等功能，是一種很有市場開發潛力的通用型外置功率調控裝置。 |
