基于ATMEL89S52单片机的三相桥式可控触发电路的设计-技术方案

精品文档-下载后可编辑基于ATMEL89S52单片机的三相桥式可控触发电路的设计-技术方案摘要：本文提出了一种基于ATMEL89S52单片机的三相桥式可控触发电路的设计方法，主要包括三相桥式可控整流电路、同步信号的检测、脉冲的形成与放大以及软件实现等内容。这种方法利用了电压传感器来检测同步信号，取代了以往利用同步变压器、锁相环等方法实现同步信号的检测的方法，所用的硬件电路较为简单，精度较高。

1引言

晶闸管作为一种半控性功率半导体器件，其基本功能是对电压进行整流、调压和斩波等进行控制，以满足实际需求。目前，晶闸管整流器装置已在工农业生产中得到了广泛的应用，特别是在直流调速系统中。触发电路是晶闸管电力变流技术的一种技术，触发电路应具有可靠性高，对称性好等要求。以分立元件及专用集成电路为主的触发电路，其性能不尽如人意，其具有电路复杂、易受电网电压影响、触发脉冲对称度不好等缺点。由单片机组成的控制，其触发电路具有性能良好、触发电路结构简单、控制灵活、温漂影响小、控制精度高、移相范围可任意调节等特点；因其移相触发角通过软件计算完成，由于软件的可编程性，使微机数字触发器的调速范围更加灵活，能满足更多方面的需要。另外，本设计的原本目的就是利用单片机非对称触发三相整流桥，以产生谐波，然后用整理桥作为有源电力滤波器（APF）实验样机的非线性负载使用。

本文以三相桥式全控整流电路为例，主要介绍采用ATMEL89S52单片机控制的三相桥式可控整流电路触发电路的设计方法，包括三相桥式全控整流电路、同步信号的检测、脉冲的形成与放大、键盘电路、显示电路以及软件实现等内容。

2三相桥式全控整流电路

三相桥式全控整流电路如图1所示。电路图中有两组晶闸管，一组是共阴极（VT1、VT3和VT5）,一组是共阳极（VT4、VT6和VT2）.在任何时候均需二个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极的，另一个是共阳极的，并且不能为同一相的晶闸管。由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组的晶闸管是在负半周触发，因此，接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲相位应该相差180°。6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序依次导通，相位相差60°。为保证电路的正常工作，需确保同时导通的晶闸管均匀脉冲。可采用两种方法：

一种是宽脉冲触发，一般脉冲宽度位80°~120°；另一种是双窄脉冲触发，即在触发某一晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管均有触发脉冲，脉冲宽度一般为20°~30°，两个脉冲的前沿相差60°。

采用前者效率较低，本文采用后者，脉冲宽度取为27°。

图1三相桥式全控整流电路

3触发电路的硬件电路设计

硬件电路以Atmel89s52单片机为控制器，其结构框图如图2所示。它包括同步信号检测、AD转换电路、脉冲的形成与放大、显示模块和键盘电路等。

图2触发器的硬件结构框图

3.1同步信号的检测

采用北京森社公司生产的CHV-100/300A型号的电压传感器，其额定电压为300V（有效值）,额定输出电流25mA.检测电路中，电压传感器接入220V的A相交流电，输出的电流信号经100欧姆的电阻后，转变为大小为0~2.5V的电压信号（实际输出为-2.5V~2.5V）,此电压信号接入LM258构成的加法器转换成0~5V的直流信号，此信号输入到飞利浦半导体公司生产的8位AD转换器PCF8591的模拟信号输入通道AIN3,PCF8591的输出信号AOUT即可接入Atmal89s52单片机，利用I2C总线进行数据传输，单片机经过软件检测，即可得知同步电压Us过零点信号。其硬件电路如图3所示。

图3同步信号的检测电路

3.2触发脉冲的形成与放大

脉冲的形成与放大电路如图4所示。来自单片机P1.0P1.5的六路较弱的脉冲信号输入到反相器74HC04,经过光电隔离器4N25隔离输出，经过脉冲变压器TB1放大输出到相应晶闸管的门极g和阴极k.

图4触发脉冲的形成与放大

如图5所示，六路触发脉冲形成过程如下。当单片机检测到A同步电压Ua从负到正的过零点信号（实际上检测到的应该是2.5V）时，它会接收到来自于INT1的中断请求信号，这时，单片机会中断响应，服务子程序。这个子程序的功能是决定如何产生个触发脉冲的上升沿。当单片机检测到同步信号过零点时，单片机的16位计数器/定时器1同时开始计时，它工作在工作方式1;由于Atmel89s52单片机的晶振是12MHz,它的一个机器周期是1μm.定时的长度是由单片机的要产生的触发延时角α决定的。由于一个正弦波的周期是20ms,定时的长度由下式决定：tα=α×20/360°ms.定时器的初始化值可以根据tα来设定。为了简单起见，本文定义了一个长度为180的数组，它对应于触发延时角α从0到180度的变化。这个数组保存在单片机的ROM存储区。这样，定时器对应于每个触发角的初始化设定值就可以直接赋值给定时器1了。定时器初始化之后，就启动定时器工作。当定时时间就一到，定时器的溢出标志位置1,单片机开始执行定时器1的中断服务子程序。

这子函数将P1.0设置为高电平，用于触发VT1;这里定义脉冲的宽度为27°，即1.5ms,则定时器1的TH1=FAH,TL1=24H;于是开始启动定时器第二次计数；当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个函数中，P1.0设置为低电平，表示触发脉冲结束。由于第二个脉冲比一个脉冲滞后60°，也即是3.33ms;那么，个脉冲的下降沿到第二个脉冲的上升沿的时间间隔应为1.83ms.因此，定时器应设置为TH1=F8H,TL1=DAH;这样就启动定时器第三次定时。当定时时间一到，定时器开始执行中断服务子程序。在这个子函数中，P1.1引脚被置为高电平来触发VT2.对于其他晶闸管的触发原理相同，这里不再详述。

图5六路触发脉冲的波形

双窄脉冲的输出如图5所示。P1.0引脚输出一个主脉冲给VT1的同时，P1.5引脚输出一个次脉冲（补发脉冲）给VT6;延时60°后，P1.1引脚输出一个主脉冲给VT2,同时，P1.0引脚输出一个次脉冲给VT1;至于其它晶闸管的触发，其过程亦是如此。

3.3显示电路

显示电路是为了更好的得知触发延时角α的变化。根据触发角α的大小，触发电路需要四个七段LED数码管，这可以显示到小数，这里数码管是共阳极的，即当输入为低电平时，数码管点亮。数码管采用动态显示，相对于静态显示具有使用元件少、引脚少、电路简单的优势。其中，段选位接到单片机的P0口，位选位有单片机的P2.4~P2.7控制。其电路图如图6所示。

图6显示电路

3.4键盘电路

键盘电路如图7所示。其功能是设置触发角a的大小。它由四个开关和电阻，外加一个+5V电源组成。开关K1、K2、K3和K4分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2和P2.3.当K1按下，触发角α增加1;K2按下，α减1;K3用于选择位数，按下次，小数位被选择，并且相应的数码管被点亮；按下第二次时，个位数字被选择，并且相应数码管的被点亮；按下第三次时，十位数被选择，并且相应数码管被点亮；按下第四次时，百位数被选择，并且相应的数码管被点亮。当K4按下时，输入的数据被送到单片机的存储区。

图7键盘电路

4触发电路的软件设计

触发电路的软件设计是非常重要的一个部分。本设计重要的特点之一就是充分利用了单片机的软件编程能力。这里主要是用软件检测同步电压的过零点，以控制脉冲信号的产生。软件部分包括主函数、中断子函数、显示子函数和延时函数等。采用C语言进行编程，它具有编程简单，一致性高等特点。

程序流程图如图8所示。首先，将单片机初始化，包括定时器1的初始化，封锁脉冲信号的输出，以及外部中断1的初始化；然后调用数码管显示子函数，以显示移相触发角α；其次，单片机会监视是否有按键按下，如果有，则调用键盘操作子程序；然后，单片机检测同步信号，并据此确定是否产生脉冲并将脉冲放大，去触发晶闸管。

图8程序流程图

5结论

本文给出了一种采用ATMEL89S52单片机的三相桥式可控触发电路的设计方法。与以往利用同步变压器，锁相环等方法实现同步信号的检测不同，本文利用电压传感器来检测同步信号，是一种新的尝试。相对来说，这种方法硬件电路较为简单，成本较低，精度也较高。

参考