可控硅导通角控制课程设计

课 程 设 计 报 告

课题：可控硅导通角控制

设计者： 班级： 学号： 指导老师：

摘要

设计以AT89C2051为核心实现对可控硅导通角的控制，通过光耦TLP521组成的电路来产生过零信号，用7805设计电源模块为单片机、数码管等提供电流，可控硅型号采用MOC3021实现导通角的控制，用P1口控制数码管的显示，通过三个按键设置可控硅的导通时间，用数码管显示其导通时间，并用示波器观察实际导通时的波形。

关键词：可控硅；导通角；光耦；AT89C2

I

目录

摘要................................................................................................................................ I 1.引言............................................................................................................................. 1 2.系统设计..................................................................................................................... 1 2.1设计任务.................................................................................................................. 1 2.2系统框图.................................................................................................................. 1 2.3方案的比较与确定.................................................................................................. 1 2.4总体原理图.............................................................................................................. 2 3 单元电路设计............................................................................................................ 2 3.1 电源电路和过零信号产生电路分析..................................................................... 2 3.1.1原理....................................................................................................................... 2 3.1.2参数选择............................................................................................................... 3 3.2 微控制电路............................................................................................................. 4 3.2.1原理....................................................................................................................... 4 3.2.2器件选择............................................................................................................... 4 3.3显示电路.................................................................................................................. 5 3.3.1原理....................................................................................................................... 5 3.3.2器件选择............................................................................................................... 5 4软件设计..................................................................................................................... 5 4.1软件实现的功能...................................................................................................... 5 4.2软件流程图.............................................................................................................. 5 5 系统测试.................................................................................................................... 6 6结束语......................................................................................................................... 8 7参考文献..................................................................................................................... 8 附录................................................................................................................................. i 附录A 器件清单 ........................................................................................................... i 附录B 原理图 .............................................................................................................. ii 附录C PCB图 .............................................................................................................. ii 附录D 程序清单 .......................................................................................................... ii

0

1.引言

晶闸管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。双向晶闸管可广泛用于工业、交通、家用电器等领域，实现交流调压、电机调速、交流开关、路灯自动开启与关闭、温度控制、台灯调光、舞台调光等多种功能，它还被用于固态继电器(SSR)和固态接触器电路中。因此可控硅导通角的控制就显得越来越重要了。

2.系统设计

2.1设计任务

可控硅导通角的控制：

1：导通角大小：0~180度可调，步进大小自定义。 2：工作频率：工频20Hz。 3：控制电路：采用AT89C2051

4：显示电路：两位数码管显示导通时间。

2.2系统框图

系统框图如下图1所示。

图1 系统框图 2.3方案的比较与确定

对于本设计电路来说5V供电电源部分可用外接的也可用7805芯片来形成，虽然利用外接的可以降低成本，但需另找一个外接电源且调试不方便，故整体考虑采用7805够成电源电路。对于控制电路可用AT89C51也可用AT89C2051来

1

设计，由于AT89C2051资源刚好够用故利用其来设计可降低一定的成本。用TLP521设计过零信号发生电路。用MOC3021作为被控可控硅。

2.4总体原理图

系统总体原理图如下图2所示。

+5V1uFC810KR19C633pF12MHzC733pFC8+5vIC3104201RSTVCC519AXTAL1P1.7418AXTAL2P1.6217P3.0P1.5616INT0P1.4315P3.1P1.3714P3.3P1.2813P3.4P1.19P3.512P3.5P1.011P3.710P3.7GND+5VR210kR1600D5A1N4007C21000uF/25VIC11TLP5211C31047805IC2243gfabhcde7a6b4c2d1e9f10g5hcomcom839012+5VP3.7IC83comcomabcdefgdt764219105abcdefghabcdefgdt9012+5VU2 12V+AC 220V-T同步过零信号P3.2P3.5+5V3C4104C5470uF/25VR65K1R4240LED1R3330R65K112V+R5U2 12V12V-500/2WD1~D4C11042Port1MOC3021测试点图2 系统总体原理图 3 单元电路设计

3.1 电源电路和过零信号产生电路分析

3.1.1原理

如图3所示，为电源电路和过零信号产生电路，变压器把220V交流电压变

+5VU2 12V+AC 220V-TR210k43IC1同步过零信号R1P3.21600D5A1N4007TLP5211C3C21000uF/25V1047805IC23C4C52+5VR4240D1~D4C11042LED1470uF/25VR3104330图3 电源电路和过零信号产生电路 成12V交流电压，经D1~D4整流二极管1N4007构成的桥式整流电路整流后，把正弦波交流电整流为脉动直流电，其波形如图4所示，结合此波形与TLP521的电路可知当整流输出的电压小于0.7V 时将在P3.2口产生高电平而在整流输出电压大于0.7V时会得到低电平信号，而在整个整流周期里小于0.7V的时段很窄，这样就可以在外部中断0口得到一处窄脉宽的过零信号了，如图5所示。另

2

Port2

外桥式整流信号又经过D5通过电解电容C2滤波后变成带一定纹波的直流电，该直流电通过7805三段稳压芯片稳压后输出5V的直流电，并用此直流电做后续电路的供电电源。

图4 过零信号波形 此过零信号高电平时间为1mS,周期为10mS

图5 桥整流输出波形（周期10mS） 3.1.2参数选择

1：电容C1吸收来自电网的尖脉冲，这里选择电容值为0.1uF的瓷片电容。 2：整流二极管D1~D4的选取：由于每个整流二极管平均电流等于0.5倍的负载电流；每个整流二极管反向耐压等于2U2(U2为有效值)，这里选取IN4007作此整流管完全可以满足条件。

3：电解电容C2的选取：电容容量的选择应使电路充放电的时间常数是信号周期的3~5倍即

RLC2?3~5T,T?20mS2

(1)

50Hz的交流电经全桥整流变成脉动直流电，信号周期为10ms，取RLC2=40ms，RL=（0.9U2-0.7）/IL(IL为负载电流)。

负载电流IL的估算：发光二极管1个，电流为8 mA左右 ；2只数码管构成动态显示，静态电流为7*2*4mA=56mA：MOC3021内部的发光二极管电流为15 mA；故总电流估算为8mA+56mA +15mA=79 mA，RL估算为RL=10.1V/79 mA =127.8?，C2=40/RL=313Uf，故C2取1000uF可以满足要求。

3

4：7805是三段稳压块，为在7805的输出端获得稳定的输出电压，要求7805输入端电压比输出端电压高2.5V以上即输了电压至少在7.5V以上。

5：C3、C4用于消除7805三段稳压块的自激。

6：电解电容C5为滤波电容，要求其电容值要小于C2的容量，以免掉电时C5通过7805向C2反充电，从而损坏7805。

7：电阻R1的选取：A点最高电压为1.2U2=14.4V，光电耦合器内部的发光二极管要求的电流为10~15 mA，压降为1.5V，故R2=(14.4V-1.5V)/15 mA =860?,这里取600?可满足条件。

3.2 微控制电路

3.2.1原理

本设计采用AT89C2051微控制器，电路如图6 所示。AT89C2051是一种带

+5V10KR19C633pF12MHzC733pF1uFC8IC31RSTVCC5AXTAL1P1.74AXTAL2P1.62P3.0P1.56INT0P1.43P3.1P1.37P3.3P1.28P3.4P1.19P3.5P3.5P1.011P3.7P3.7GNDC910420191817161514131210图6 单片机电路 2K字节FLASH可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，其有2组共16个I/O口，刚好可满足本设计的要求。图中，C8和R19为上电复位电路。C9可以滤除突变信号使芯片工作性能更稳定，也有保护芯片的作用。按键3个分别作为调整、增加、减少键。由晶振产生时钟信号。 3.2.2器件选择

晶振采用12MHz，这样一个机器周期为1uS有利于计数初值的计算，它接的两个小电容用33pF，用于提高晶振的稳定性，使芯片能正常起振。上电复位的电阻和电容分别选择10K和1uF,复位时间为:

T?C8?R19?10?10?10?10mS?2?TC?2?12/fOSC?2?S3-6 （2）

可满足条件，C9用104的就可以了。

4

3.3显示电路

3.3.1原理

gfabhcdecomcom839012+5VP3.783comcom7a6b4c2d1e9f10g5habcdefgdt764219105abcdefghabcdefgdt9012+5VP3.5R65K1R75K1图7 显示电路 如图7所示，为显示电路。所使用的数码管为共阳极数码管。本设计用到两个数码管，采用动态显示方式。扫描周期取20ms,即一个周期里每个数码管显示10ms。 3.3.2器件选择

电阻R10~R17的选取：我们所使用的数码管的段电流为3mA,2个数码管的静态电流为3mA*2=6mA,数码管内部每个发光二极管的压降为1.5V,故电阻R取

R?VCC?VCE?VLED5?0.3?1.5??533?I6*10?3

（3）

这里取510?

4软件设计

4.1软件实现的功能

软件捕捉过零信号的下降沿，并根据预设好的导通时间计算好初值送给定时器定时触发MOC3021，实现导通角的控制。

4.2软件流程图

5

图9中断子程序流程图 图8 程序主流程图

5 系统测试

上电复位后，两个数码管中的高位开始闪烁。此时电路的状态为可控硅导通角的时间设置模块。通过调整键可选择对数码管中的哪一位进行调整或者退出设置状态进入显示导通角状态。通过增加键和减少键可对可控硅的导通时间进行设置。每成功按一下增加键，显示的值就加一；每成功按一下减少键，显示的值就减一。当低位设置完，再次按下调整键，就单片机就进入工作状态并显示当前可控硅的导通时间。

此时通过示波器观察交流信号经二极管整流完的波形、过零信号、触发信号和对于不同的可控硅导通时间的波形如图10、11所示。通过改变设置的导通时间，多次测量，结果如下表一所示：

表一 显示导通时间与实测导通时间测试结果

第 数码管显示的导5 通时间 0.6 1.7 2.8 3.9 4.0 6.1 7.2 8.一次二(ms) 第次三(ms) 第次四(ms) 第次五(ms) 第次六(ms) 第次七第次八第次（ms） （ms） （ms） 6

实测的导通7 时间

0.6 1.7 2.8 3.9 4.0 6.1 7.2 8.U/VA点波形0过零信号0U/V102030405060t/msU/V102030405060t/ms触发信号0U/Vt/mst/ms图10 各测试点波形 功率电阻0两端波形 7

6结束语

通过测试得到的数据可知设计作品可以满足设计要求，完成了要实现的

功能。通过本次课程设计我个人觉得我的动手能力提高了很多，在调试程序时也出现了很多问题，因为一两个细节问题就调试了很久，但也从中学到了许多。

7参考文献

1、王兆安,黄俊.电力电子技术(卷四) [M].北京:机械工业出版社,2009.6

2、张华林,周小方.电子设计竞赛实训教程 [M].北京:北京航空航天大学出版,2007.7: 38-42

3、张俊谟.单片机中级教程(卷二) [M]北京:北京航空航天大学出版社,2008.6

图11 设置导通时间为6.0mS的时候得到的一个波形 8

附录

附录A 器件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 24 25 26

名称 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 2W功率电阻 二极管 发光二极管 晶体管 光电耦合器 光耦可控硅 瓷片电容 瓷片电容 电解电容 电解电容 电解电容 单片机 三端稳压块 晶振 按钮 DIP DIP 表二 器件

型号 510 10K 5.1K 600 240 470 IN4007 绿色 9012 TLP521 MOC3021 33 104 1000uF/25V 470uF/25V 1uF/50V AT89C2051 7805 12M DIP20 DIP14 数量（个） 8 2 2 1 1 1 5 1 4 1 1 2 4 1 1 1 1 1 1 4 1 1 i

附录B 原理图

+5V1uFC810KR19C633pF12MHzC733pFC8+5vIC3104201RSTVCC519AXTAL1P1.7418AXTAL2P1.6217P3.0P1.5616INT0P1.4315P3.1P1.3714P3.3P1.2813P3.4P1.19P3.512P3.5P1.011P3.710P3.7GND+5VR210kR1600D5A1N4007C21000uF/25VIC11TLP5211C31047805IC2243gfabhcde7a6b4c2d1e9f10g5hcomcom839012+5VP3.7IC83comcomabcdefgdt764219105abcdefghabcdefgdt9012+5VU2 12V+AC 220V-T同步过零信号P3.2P3.5+5V3C4104C5470uF/25VR65K1R4240LED1R3330R75K112V+R5U2 12V12V-500/2WD1~D4C11042Port1MOC3021测试点Port2

附录C PCB图

附录D 程序清单

;------------------------------------------------ ;可控硅导通角系统程序设计，09年10月28号，晶振12MHz

;------------------------------------------------

;以下为I/O口资源的定义

;------------------------------------------------ CFK BIT P3.0;触发口定义 KTZ BIT P3.1;调整键定义

ii

KZJ BIT P3.3;增加键定义 KJS BIT P3.4;减少键定义 CS0 BIT P3.5 CS1 BIT P3.7

;------------------------------------------------ ;以下为RAM资源分配

;------------------------------------------------ FLAG EQU 20H;

HKTZ BIT FLAG.0;增加键按住=1标志

HKZJ BIT FLAG.1; HKJS BIT FLAG.2

KTZF BIT FLAG.3;成功的按了一次键标志

KZJF BIT FLAG.4 KJSF BIT FLAG.5 FLON BIT FLAG.6 F300 BIT FLAG.7

DTH EQU 30H;导通时间寄存器

DTL EQU 31H TCN1 EQU 32H TCN2 EQU 33H TCN3 EQU 34H BUF0 EQU 35H BUF1 EQU 36H

SSSJ EQU 37H;显示闪烁时间寄存器

STA EQU 38H

DSBIT EQU 39H ZCQ1 EQU 3AH ZCQ2L EQU 3BH

ZCQ2H EQU 3CH MSH EQU 03H

MSL EQU 0E8H US100 EQU 64H CSZH EQU 0DAH CSZL EQU 0E4H

;------------------------------------------------ ;主程序如下

;------------------------------------------------ ;初始化程序

;------------------------------------------------ ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP INT ORG 001BH LJMP T1SER ORG 0030H

MAIN: MOV SP,#60H ;各寄存器初始化

MOV STA,#00H MOV TCN1,#04H MOV TCN2,#04H MOV TCN3,#04H MOV SSSJ,#20H MOV DTH,#CSZH MOV DTL,#CSZL

MOV TMOD,#11H;利用定时器T0,T1工作在方式1 MOV TL0,#0D8H MOV TH0,#0F0H CLR RS0 CLR RS1 SETB P3.2 SETB CFK SETB IT0

ii

SETB EX0 SETB EA SETB TR0

;-------------------------------------------------

;程序主循环

;-------------------------------------------------

MAIN1: JNB TF0,$ MOV TL0,#0F1H

MOV TH0,#0D8H;10mS走一次主循环 CLR TF0 LCALL DISP LCALL ANJS1 SZDTJ1: MOV A,STA MOV DPTR,#SZTAB JMP @A+DPTR SZTAB: AJMP SZ0 AJMP SZ1

AJMP TCSZ ;------------------------------------------------ ;导通角时间设置与显示模块 ;------------------------------------------------ SZ0: JNB KTZF,SZ00 CLR KTZF MOV STA,#02H LJMP MAIN1 SZ00: SETB FLON JNB KZJF,SZ01

CLR KZJF;有增加键,显示高+1,导通时间+1MS INC BUF0 MOV A,BUF0

XRL A,#0AH JNZ SZ01 MOV BUF0,#00H SZ01: JNB KJSF,SZ02

CLR KJSF;有减少键,显示高-1,导通时间-1MS DEC BUF0 MOV A,BUF0 XRL A,#0AH JNZ SZ02 MOV BUF0,#09H SZ02: LJMP MAIN1

;------------------------------------------------ SZ1: JNB KTZF,SZ18

CLR KTZF;按键解释,T1初值

=10mS

初

值

-(((9-(BUF0))+(9-(BUF1)))) CLR FLON MOV STA,#04H MOV A,BUF0

MOV ZCQ1,A;ZCQ1放高位 MOV A,BUF1 MOV ZCQ2L,A MOV B,US100 MUL AB MOV ZCQ2L,A MOV ZCQ2H,B MOV R6,MSH MOV R7,MSL MOV R5,ZCQ1 ACALL MUL12 MOV A,R4 ADD A,ZCQ2L MOV ZCQ2L,A

iii

MOV A,R3 ADDC A,ZCQ2H MOV ZCQ2H,A MOV A,CSZL LJMP MAIN1 ;------------------------------------------------ ;显示子程序

;------------------------------------------------ CLR C

SUBB A,ZCQ2L MOV DTL,A MOV A,CSZH SUBB A,ZCQ2H MOV DTH,A

LJMP MAIN1 SZ18: SETB FLON JNB KZJF,SZ11

CLR KZJF;有增加键,显示高+1,导通时间+1MS INC BUF1 MOV A,BUF1 XRL A,#0AH JNZ SZ11 MOV BUF1,#00H SZ11: JNB KJSF,SZ12

CLR KJSF;有增加键,显示高-1,导通时间-1MS DEC BUF1 MOV A,BUF1 XRL A,#0AH JNZ SZ12 MOV BUF1,#09H SZ12: LJMP MAIN1

;------------------------------------------------ TCSZ: JNB KTZF,TCSZ0 CLR KTZF MOV STA,#00H TCSZ0: CLR FLON

DISP: DJNZ SSSJ,DIS CPL F300 MOV SSSJ,#20H DIS: CPL F0 SETB CS0 SETB CS1 JB F0,DISP1 DISP0: MOV A,BUF0

MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR CS0 CLR P1.3 SJMP DISP4 DISP1: MOV A,BUF1

MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,@A+DPTR MOV P1,A CLR CS1 MOV DSBIT,#04H

SJMP DISP4

TAB1:

88H,0CFH,4CH,49H,2BH

DB 19H,38H,0C8H,08H,0BH DISP4: JB FLON,DISP5 RET

DISP5: JB F300,DISP6 RET DISP6: MOV A,STA MOV DPTR,#DPTAB

iv

DB

JMP @A+DPTR DPTAB: AJMP ST0 AJMP ST1 ST0: SETB CS0 RET ST1: SETB CS1 RET

;---------------------------------- ;按键子程序

;---------------------------------- ANJS1: SETB KTZ NOP JB KTZ,ANJ1 DJNZ TCN1,ANJ2 MOV TCN1,#04H SETB HKTZ ANJ2: JNB KTZ,ANJ3 JNB HKTZ,ANJ3 CLR HKTZ SETB KTZF ANJ3: SJMP ANJS2 ANJ1: MOV TCN1,#04H SJMP ANJ2 ;----------------------------------------- ANJS2: SETB KZJ NOP

JB KZJ,ANJ10 DJNZ TCN2,ANJ20 MOV TCN2,#04H SETB HKZJ ANJ20: JNB KZJ,ANJ30 JNB HKZJ,ANJ30 CLR HKZJ SETB KZJF

ANJ30: SJMP ANJS3 ANJ10: MOV TCN2,#04H SJMP ANJ20

;----------------------------------------- ANJS3: SETB KJS NOP

JB KJS,ANJ11 DJNZ TCN3,ANJ21 MOV TCN3,#04H SETB HKJS ANJ21: JNB KJS,ANJ31 JNB HKJS,ANJ31 CLR HKJS SETB KJSF ANJ31: RET

ANJ11: MOV TCN3,#04H SJMP ANJ21

; ---------------------------------

;单字节乘以双字节子程序入口:R5乘数,R6,R7,出口:R2,R3,R4 ;---------------------------------- MUL12: MOV A,R5 MOV B,R7

MUL AB MOV R4,A MOV R3,B MOV A,R5 MOV B,R6 MUL AB ADD A,R3 MOV R3,A MOV A,B ADDC A,#00H

v

MOV R2,A RET

;----------------------------------------- ;中断子程序

;----------------------------------------- INT: MOV TH1,DTH MOV TL1,DTL SETB P3.2 SETB TR1 SETB ET1 RETI T1SER: CLR CFK CLR TR1 CLR ET1 NOP NOP NOP SETB CFK RETI END

;-----------------------------------------

vi

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bvmr.html