基于STM32單片機與雙向可控硅調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計

黃躍娟　張冬冬　劉琳　李世勛　譚巖

摘要：基于STM32單片機與雙向可控硅調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計，是利用單片機為控制核心通過控制雙向可控硅的觸發(fā)角的大小改變，從而使調(diào)光電路中的電壓發(fā)生了改變，達到燈光亮度可調(diào)的目的。雙向可控硅應(yīng)用于交流調(diào)壓系統(tǒng)中完成調(diào)壓、調(diào)功最根本的原因是可控硅在交流電路中作為電力電子開關(guān)來控制電路通斷將電壓等效減小。對于雙向可控硅調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計，在雙向可控硅調(diào)光的基礎(chǔ)上，填加按鍵控制與采用光敏電阻對實際光照情況進行檢測，以單片機控制雙向可控硅為調(diào)光控制器，最終在系統(tǒng)手動或自動的條件下完成燈光亮度明暗變化。

關(guān)鍵詞：調(diào)光系統(tǒng);雙向可控硅;觸發(fā)角;單片機控制

1總體設(shè)計方案

根據(jù)題目進行分析，預(yù)想達到的目的是：完成以STM32單片機為核心，以雙向可控硅為控制電路組成光亮可調(diào)的照明系統(tǒng)。通過查找文獻與對針對該設(shè)計的學習最終得到以下四個步驟進行總體設(shè)計，方案如下：

（1）通過STM32單片機軟件編程控制雙向可控硅的導(dǎo)通角度，探究學習并完成雙向可控硅的觸發(fā)電路、同步電路、主電路的設(shè)計。對于本次設(shè)計的三個電路，兩個角度，兩種電流進行詳細的設(shè)計和規(guī)劃。

（2）完成雙向可控硅可以在STM32單片機的控制下達到可控硅控制照明燈的由暗變亮的循環(huán)變化。通過設(shè)計此步驟，對可控硅調(diào)壓系統(tǒng)有了解和認識，并且用觸發(fā)角度控制有嚴密的規(guī)劃。

（3）通過單片機的外部電路按鍵進行由按鍵控制光照強度檔位的變化。并實現(xiàn)自動循環(huán)和手動調(diào)光的切換模式。

（4）設(shè)計并制作光敏電阻采集電路，讀取AD值實現(xiàn)由現(xiàn)實光照強度改變燈的光照，并將自動切換模式改為此控制模式。通過系統(tǒng)上的實驗測試，軟件編寫程序，軟硬件調(diào)試聯(lián)調(diào)，從設(shè)計目的出發(fā)，以探究和學習的角度去考慮每一個步驟。最終完成本次設(shè)計。

2硬件設(shè)計

基于STM32單片機與雙向可控硅調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計，通過使用光敏電阻的光亮采集模塊對STM32單片機傳輸模擬量的電壓值反應(yīng)實際光照強度，并通過單片機輸出脈沖信號，使雙向可控硅的觸發(fā)角相位發(fā)生改變，實現(xiàn)對光照系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)，導(dǎo)致光照系統(tǒng)的光亮明暗變化。

（1）STM32單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

STM32F103RCT6核心板將JTAG端口外置出來方便程序的調(diào)試和下載。并在核心板上集成四個按鍵包括一個復(fù)位按鍵，UP鍵，兩個可編寫操作按鍵KEY0和KEY1。按鍵在核心板上集成出來應(yīng)用于系統(tǒng)的調(diào)試和控制操作。

STM32單片機以及其它的外圍芯片都是3.3V供電，所以需要用到將5V轉(zhuǎn)3.3V為了經(jīng)濟性，使用常用的AMS1117-3.3V電源穩(wěn)壓芯片。AMS1117屬于線性電源芯片，比開關(guān)電源芯片的噪聲要好很多。AMS1117的片上微調(diào)把基準電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。輸出3.3V電壓供給單片機及外部電路提供電源。

（2）雙向可控硅調(diào)光模塊

同步電路也可以稱為過零檢測電路。同步電路通過220V50Hz轉(zhuǎn)5V交流變壓器將同步電壓供給同步電路，再通過光電偶合器整形輸出整形脈沖信號，再通過74LS02反相器反向的到最終整形的波形。其中PS2501-1是一種雙列直插式封裝，一個單位的光電耦合器或稱光反射面。輸入的最大電流為80mA，最大工作電壓為80V。輸入信號和輸出信號進行了很高的隔離傳輸效率。74LS02芯片是6非門反相器，工作電壓是5V，他的內(nèi)部含有6個cmos反相器，在下面的電路中起到的作用是把0信號反向成1信號。是即同步脈沖。經(jīng)由PC0引腳輸入到STM32單片機。

雙向可控硅的觸發(fā)電路及主電路，由單片機輸出PC1引腳的觸發(fā)信號，通過光電耦合器進行隔離和光電傳輸，輸入到雙向可控硅的門極，以雙向可控硅的A1，A2為主電路的電力電子器件開關(guān)接點，控制光照電路的路端電壓，最終完成雙向可控硅調(diào)光的設(shè)計目的。

在觸發(fā)電路中通過PS2501-4光電耦合器輸出和隔離傳輸觸發(fā)信號給雙向可控硅。

PS2501-4與PS2501-1的區(qū)別在于，PS2501-1是四引腳輸出而PS2501-4是16引腳的光電耦合器，PS2501-4光電耦合隔離器包含發(fā)光二極管和NPN型硅光電晶體管。選擇使用該器件的原因是，該器件最適合應(yīng)用于雙向可控硅觸發(fā)電路的設(shè)計。

（3）光敏電阻測光模塊

對光照采集電路分析，在外接電源的情況下，RL光敏電阻上端與下段的電位差通過上端引腳傳入LM358運算放大器，采用同相放大的形式接入電路構(gòu)成放大，10K的電位器可調(diào)放大倍率。最后通過RC吸收濾波傳出放大后的信號，將實際光照反應(yīng)的電壓值輸入單片機。光照強度的模擬量信號采集部分，在本此設(shè)計中應(yīng)用的是光敏電阻這一電子器件。光敏電阻經(jīng)常使用的制造材料為硫化硒，另外還有一些其他具有光照特性的材料。這些制作材料在一定光照波長的光照下，感光材料阻值迅速減小，由于光照產(chǎn)生的載流子在光照條件下，在外部連接了具有不同電勢差的作用下載流子實現(xiàn)漂移運動，游離電子向電源的電動勢高的地方聚集，空穴向電動勢低的地方聚集，從而使光敏電阻阻值迅速下降[11]。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計原理，光敏電阻值的范圍為1.4～3.6k時最適合設(shè)計預(yù)期達到的目標。

光敏電阻的工作特性是：無光照時，電阻導(dǎo)電效率低，稱為暗電阻，電路中可以移動的電子很少稱為暗電流;當光照強度增加時，內(nèi)部游離的電子也隨之增加，電導(dǎo)率減增加。由于內(nèi)部材料的特性其阻值和光照強度成反比。光敏電阻一段連接在電路中，另一端接GND，這樣連在電路的一端引腳就可以將相應(yīng)強度光照所對應(yīng)的的電阻值轉(zhuǎn)化為不同的電壓值。再通過運算放大將最終得到的電壓通過電路傳送給單片機。

在外接核心板引出的5V電源的情況下，RL光敏電阻上端與下段的電位差通過上端引腳傳入LM358運算放大器，采用同相放大的形式接入電路構(gòu)成放大，10K的電位器可調(diào)放大倍率。最后通過RC吸收濾波傳出放大后的信號，將實際光照反應(yīng)的電壓值輸入單片機PA0引腳，作為模擬量轉(zhuǎn)換輸入。

（4）按鍵模塊

本次設(shè)計應(yīng)用到的按鍵為系統(tǒng)板上集成好的按鍵，除去復(fù)位按鍵之外，還有三個按鍵KEY_UP、KEY0、KEY1。對于STM32這款單片機來講，輸入輸出的引腳是有獨特的定義程序的，STM32單片機的輸入有四種模式選?。?/p>

1）上拉輸入：若GPIO引腳配置為上拉輸入模式，在默認狀態(tài)下，讀取得的GPIO引腳數(shù)據(jù)為1，即高電平。

2）下拉輸入：與上拉輸入正好相反，在默認狀態(tài)下其引腳數(shù)據(jù)為0，即低電平。

3）浮空輸入：經(jīng)由觸發(fā)輸入，在芯片內(nèi)部沒有上拉或下拉電阻。因為是其輸入阻抗較大，正常情況下把這種模式用于標準的通訊協(xié)議，比如I2C協(xié)議。

4）模式輸入：該模式不使用觸發(fā)輸入，不接上拉或下拉電阻，經(jīng)由一條線把電壓信號和片上外設(shè)連接起來進行通信[12]。如ADC，由其采集模擬量電壓信號。必須只有在設(shè)置為模擬輸入模式時，ADC外設(shè)才能和單片機進行通信。對于按鍵的輸入定義應(yīng)該在軟件程序中定義完整。對于系統(tǒng)板的按鍵KEY-UP、KEY0、KEY1，分別對應(yīng)PA13、PA14、PA15。

3 小結(jié)

通過使用STM32單片機與外部的雙向可控硅模塊、光敏電阻測光模塊，分別進行了光照強度檢測，調(diào)節(jié)控制交流電壓。實現(xiàn)了交流電路中照明設(shè)備通過調(diào)壓達成了光亮可控可調(diào)的目的，具有性價比高、穩(wěn)定可靠、耗能低、易于使用的特點。

參考文獻

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