数字软启动的可控硅触发系统设计毕业论文1.doc

数字软启动的可控硅触发系统设计 i 数字数字软软启启动动的可控硅触的可控硅触发发系系统设计统设计 摘 要 本文首先介绍了软启动技术的发展现状及电机驱动存在的问题，然后根据分析 提出了数字软启动的设计方案。方案以 stc12c5410ad 为主微控制器，根据要求配 置了主要的硬件电路模块，主要有按键模块，显示模块，电源模块以及数模转换模 块。其中电源模块可以为主电路提供 5v 和 12v 电压；因为所需按键较少，所以我 们选用了独立式按键接口；数模转换模块采用三线串行接口芯片 tlc5615,该芯片易 与单片机连接；显示模块是通过译码驱动芯片 cd4511 输出来驱动数码管显示软启 动的时间和过程。 系统利用 stc12c5410ad 单片机中自带的 ad 变换将模拟输入量变成数字信号， 通过加减按键设置软启动的时间，并且通过显示电路显示设置时间和软启动过程， 通过单片机计算软启动输出控制量，并经过片外独立的 da 变换电路输出模拟量送 给三相可控硅触发系统，从而实现了真正意义上的软启动。 实践证明，使用数字软启动的三相可控硅触发系统，可大大提高电机及设备的 使用寿命，降低设备故障率，节约维修费用，提高企业的劳动生产率。 关键词： stc12c5410ad；软启动；可控硅 数字软启动的可控硅触发系统设计 ii title : : design of three phase silicon-controlled trigger system based on soft-start abstract: this paper firstly introduces the development of soft-start technology and the problem of motor-driven. then based on the analyse , we propose a digital soft -start design. the design takes stc12c5410ad as the major mcu .according to the demand , we set the major hardware module including the main keyboard module, display module, power module and digital-to-analog converter module. power module can provide the main circuit voltage 5v and 12v; because of fewer keys, we chose the independent-button interface; digital-to-analog converter module used three lines serial interface chip tlc5615 which is easy to connect with the microcontroller. display module takes cd4511 as the drivendecoder in order to display the time and the progress of the soft- start. the system uses ad transform which is built in the microcontroller to convert the analog input into a digital signal . modified buttons installed through soft start time, and through the display circuit display settings and soft-start time process scm calculated by soft-start control output volume, after chip and independent da converter output analog three-phase gave scr trigger system, thereby realizing the true sense of the soft start. when this project is finished, the service life of motor and equipment can be improved, the fault rate of the equipment can be reduced, the maintenance cost can be saved and the labor productivity can be improved. key words： stc12c5410ad; soft-start; scr 数字软启动的可控硅触发系统设计 iii 数字软启动的可控硅触发系统设计 iv 目 次 1 1 绪论绪论.1 1.1 项目提出的背景、目的和意义.1 1.2 软启动技术发展概况.2 1.3 本文研究的主要内容.4 2 2 总体方案设计总体方案设计.5 2.1 软启动原理.5 2.2 系统研究方案.5 2.3 芯片比较.6 3 3 硬件设计硬件设计25 3.1 关于 stc12c5410ad .25 3.2 电源模块27 3.3 复位电路模块28 3.4 按键模块28 3.5 显示模块29 3.6 d/a 转换模块 31 3.7 tl072、tl431 与 d/a 转换器接口 .35 3.8 蜂鸣器、工作状态指示灯与单片机接口36 3.9 配置硬件36 3.10 可控硅触发系统.36 3.11 控制电路与可控硅触发系统接口.37 4 4 软件设计软件设计25 4.1 主程序设计25 4.2 初始化程序26 4.3 加“1”子程序.26 4.4 减“1”子程序.27 4.5 移位子程序27 4.6 启动/停止子程序.28 4.7 中断子程序29 5 5 系统安装与调试系统安装与调试31 5.1 硬件电路调试31 5.2 软件调试31 5.3 综合调试31 结结 论论.32 致致 谢谢.33 数字软启动的可控硅触发系统设计 v 参参 考考 文文 献献34 附附录录 a a 硬件电路图硬件电路图 .35 附录附录 b b 硬件电路硬件电路 pcbpcb 板板 .36 附录附录 c c 软启动时间和电压显示过程软启动时间和电压显示过程 .37 附录附录 d d 软件程序软件程序 .38 数字软启动的可控硅触发系统设计 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 项目提出的背景、目的和意义项目提出的背景、目的和意义 在诸多能源中，电能是应用最普遍、所占比重最大的，电网的安全经济运行和 电气设备的最佳运行一直是电力工作者一直追求的重要指标。我国是能源生产大国， 但就人均而言又是能源小国。而我国的能源浪费又十分惊人，各种产品单位产量所 耗能源在世界高居榜首，就相同产值所耗能源而言，是发达国家的三倍以上。究其 原因，主要是由于设备陈旧落后，管理不善及不重视节能造成的。所以加强设备的 技术改造和管理、推广使用先进的节能技术和节能装置是节能的主要途经1。据统 计，我国拥有风机泵类设备约 4200 万台，年耗电量约占全国发电量的 30%，在这 些电机中，高电压、大容量电机耗电量在 80%以上。这类电机的启动和停止不仅会 对电网造成冲击，而且会对电机及其拖动机械造成损伤，因此人们一直在寻找合适 的方法来软启动高压电机，但由于受电力电子器件耐压的限制，尚没有一个较好的 办法来解决这一问题。 目前，国内高压电动机的应用几乎遍及冶金、钢铁、石油、化工、电厂、水厂、 机械加工等各个行业，而高压电动机，尤其是特大型电动机(1 万 kw5 万 kw)的 启动却一直困扰着许多企业。 高压电动机直接全压启动时，启动电流会达到额定电流的 57 倍，使电网电压 急剧下降，这就会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会使电网失去稳定，此大 电流还会在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，从而可能导致电机故 障;并且此大电流还会产生巨大的启动转矩，给传动设备造成危害。这些都会增加企 业的停工台时，增加维修费用，影响生产的正常运行，给企业带来巨大的甚至无法 弥补的经济损失。而高压电动机软启动装置的研制却十分滞后。在国内，此领域尚 属空白;在国外，虽然已有少数几种产品问世，但却大都存在可靠性低，价格高等不 同方面的问题，使用效果不理想，无法改变行业现状。 本设计结合单片机技术，电力电子技术和可控硅移相触发控制技术，设计一种 低成本、高可靠性的电机数字软启动的节能控制系统2。该项目技术先进，可以免 除上述危害，提高企业的劳动生产率，并且与国外同类产品相比，还具有性价比高、 数字软启动的可控硅触发系统设计 2 使用方便等显著优势。 1.21.2 软启动技术发展概况软启动技术发展概况 从 20 世纪 70 年代开始推广利用晶闸管交流调速技术制作的软启动器，之后又 把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成智能化 软启动器。目前世界上许多电气公司正在生产智能化软启动器。 目前，由于许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大， 上万千瓦甚至几万千瓦的高压电动机投入运行的数量呈上升趋势。高压软启动技术 日益受到世界各大公司重视，不断有新产品推出。美国生产软启动、电机控制产品 及管理系统的 motortronics(摩托托尼)公司推出的产品有:psi, xl, mvc (200v7kv,61450a)等，该产品采用高压可控硅串联调压技术，适合于中小容量， 额定电压在 7 kv 以下的电动机。美国罗克韦尔公司的智能马达控制器，目前也仅 有额定电压 7.2 kv，最大功率 6615 kw.美国 abb 公司的 acs 1000 高频变频器 (315kw5000kw ),德国 lenze(伦茨)公司、美国 robincon(罗宾康)公司都生产以 变频技术为核心的软启动产品，产品均为中小容量 (8000kw 以下)，具有启动性能 好，使用方便等优点，同时也存在着价格昂贵、可靠性稍差、维护复杂等缺点。据 悉，目前也有大于 1ooookw 启动器问世，但尚未见到准确的报导。 国内高压软启动器的生产厂家以前几乎没有(400v 以下的低压软启动器厂家很 多)，近年来由于高压软启动的市场需求越来越大，己有不少厂家捡起上世纪 50 年 代就在低压软启动上应用的液态电阻软启动移植到高压软启动上来，目前国内具有 规模的只有湖北追日和大力公司。其它许多从事高压软启动其经营的大多是代理国 外产品。值得注意的是，液态电阻软启动由于其性能较差、可靠性较低，目前在低 压软启动领域已被淘汰。之所以在国内高压软启动中还有一定的市场份额，是由于 国内电机启动方法的技术和设备都达不到要求，国外产品的价位又很难接受，完全 是一种不得已而为之的权宜之计。 1.2.1 传统的启动方法 a. 加大电网容量 该方法是为满足大容量电动机启动时有功功率和无功功率 的要求，保证电动机启动时对端电压的要求，过去人们经常采取加大自身电网容量 数字软启动的可控硅触发系统设计 3 的办法，如采用大容量的变压器或建自备电厂，但这样又常常致使正常运行时电网 负荷较轻，电力变压器处于轻载工作状况，造成能源的浪费。在以变压器容量收费 的地区，使用户电费支出加大。 b. 串联电抗器启动 该方法能满足降低启动电流的要求，但电机的启动转矩 小，且为有级调整，切换时有大电流冲击，在大容量电动机的启动应用中受到限制。 c. 自耦变压器启动 该方法能满足降低启动电流的要求，启动转矩较串联电 抗器启动大，对中大容量电机的启动比较适宜，但其调整方面的问题，诸如滑动触 点电弧烧损问题、碳刷磨损问题、局部匝间短路问题、切换时有大电流冲击等等， 使其在实际应用中也受到限制。 1.2.2 近些年来常用的软启动方法 低压电机软启动装置现在己有很多应用，它是通过调节正反并联可控硅导通的 办法来调节电动机的端电压，使电动机端电压逐渐上升，达到软启动的作用，它限 制了电动机的启动电流 (一般在 3 倍额定电流以下)，减小了对电网的冲击，提高了 电机及机械设备的寿命，提高了生产效率。 高压电机的软启动装置由于受可控硅器件耐压的限制一直不好解决，所以高压 电动机的软启动装置的应用几乎为空白。近几年市场上出现了国外少数厂家生产的 采用可控硅串联技术的高压电机软启动装置。这种方法对元器件特性参数的一致性 要求很高，元器件的筛选率很低，而且筛选仪器的价格很高，这致使装置的价格较 高3。另外在使用一段时间后，元器件的参数还会发生变化，使元器件的均压性能 降低，极易造成整串元器件的损坏，使这种装置的可靠性降低，一旦元器件损坏， 用户很难修复。所以现在应用的还比较少。 另一种方法是用高压变频器来做软启动，用变频器来启动电机，其启动性能很 好，但高压变频器价格昂贵。另外由于变频技术还处于发展时期，其可靠性还不是 很高，用户的维修技术还跟不上，这便是这种方法尚不是应用很多的原因。 由于高压电机的应用越来越多且逐渐向大型化发展，其启动问题便是必须解决 的问题而摆在我们面前，近些年也有一些其它的启动方法出现，但都因有一定的缺 点而未被普遍采用。 数字软启动的可控硅触发系统设计 4 1.2.3 国内外软启动产品研发情况 低压电动机软启动装置的应用在国内外已十分广泛。高压软启动装置在国内几 乎为空白，仅有的几家也是采用进口技术，该装置的难关主要是由于当前电力电子 器件的耐压还不够高，需要使用串联技术，而采用这种技术的装置山于元器件性能 的分散性，而导致装置的可靠性极低，目前世界上主要有采用非电气方法和电气方 法两种。 a. 非电气方法 该法是在电机和传动装置之间加了一个非电气的中间环节， 例如液力偶合器，它可以通过调节其内部的液体压力来实现机械装置的软启动和调 速，但是电机仍是空载全压启动，仍然避免不了对电网和电机的损害，只对机械设 备有利，目前主要用于要求调速的场合4。由于它增加了一个实物环节，所以给改 造工作带来不便，电机需要移位。另外这种方法目前最大只能做到 6000kw 左右。 b. 电气方法一般有三种，一是采用高压变频装置，该方法由于高压变频装置 的价格十分昂贵，所以一般仅用在必须采用软启动的场合;二是采用串联技术的高压 软启动装置，这种装置的靠性很低，只有国外少数厂家生产，日前也只见到有几千 kw 规格的产品报导，容量比较小，价格也很贵;三是水电阻方法，这种方法是在电 机电源回路中串联一个水电阻，通过调节水电阻的大小来实现电机的软启动，这种 方法用起来不太方便，可靠性也存在一定问题。 以上是当前世界范围内几种实现高压电机软启动的方法，由于各自都存在着一 定的缺点，所以它的应用受到了一定的限制，尤其是国内，应用的还较少。 1.31.3 本文研究的主要内容本文研究的主要内容 目前常用的可控硅触发电路均采用模拟集成电路，由于元器件较多，通常使用 阻容元件进行积分斜率调整，使得电路复杂，可靠性差，调试维护较为困难。为此， 提出了以单片机为核心，集控制、触发于一体的可控硅控制系统，使其外围元件少， 集成度高，控制精度高，克服了模拟电路的非线性和时间的不精确性8。 数字软启动的可控硅触发系统设计 5 2 2 总体方案设计总体方案设计 2.12.1 软启动原理软启动原理 软启动就是通常所说的降压启动。由于电机转矩与加在定子端的电压平方成正 比 ,同时电机电流与定子电压成正比5。因此可以通过控制加在电机定子上的电压对 电机加速转矩和启动电流进行限制 ,以降低电机启动时所产生的过高启动电流和启 动力矩。 具体方法是由微处理器控制的双向可控硅变流调压装置, 通过微电脑控制系统, 按给定的程序、指令, 进行有关计算确定可控硅的触发信号6。改变可控硅的开通程 度, 由此改变电动机输入电压的大小, 以达到控制电动机的启动特性。 2.22.2 系统系统研究方案研究方案 本系统的主要部分由以下几个模块组成:主微处理器模块，按键模块，显示模块， d/a 变换模块，可控硅移相触发模块。如图 2.1 所示。 需要选用一款微处理器作为本系统的主控单元，通过加减按键设置软启动的时 间，并且通过显示电路显示设置的软启动时间和软启动的启动电压，通过微处理器 计算软启动输出控制量，并经过片外独立的 d/a 变换电路输出模拟量送给三相可控 硅触发系统7。 单片机 stc12c5410ad d/a变换电路 三相可控硅移相触 发系统 加减按键电路 显示电路 模拟量输出 图 2.1 系统总体框图 数字软启动的可控硅触发系统设计 6 2.32.3 芯片比较芯片比较 2.3.1 微处理器选型 方案一：mc68hc908lj12 单片机 mc68hc908lj12 是 motorola 公司最新推出 的一款新型的 8 位单片机。它的片内有 led 驱动模块和 flash 存储器，表面贴封装 的芯片具有 sci，spi 和内置实时时钟模块 rtc，512ram 以及 12kb 片内 flash.还 内置 led 驱动模块，该模块具有对 3*27 或 4*26 段 lcd 驱动的能力9。同时对 mc68hc908lj12 单片机进行编程的方法比较简单，但需要利用该单片机 flash 在线 编程技术，其给开发者提供了快速的，方便的编程和开发方法，同时，也给单片机 的应用开拓了更大的空间。合理利用片内集成 flash 的单片机可以降低开发成本， 缩短产品的开发周期。 方案二：mc9s08qg 系列单片机 作为飞思卡尔新一代的 8 位单片机 mc9s08qg 系列单片机将 hcs08 系列的所有优点引入小封装，少管脚的器件中， 将 908q 系列和 hcs08 内核的优势结合在一起，成为小型，通用的低功耗多功能新 型单片机。该系列拥有完备的功能组合，简便的应用开发，其高精度模拟电路，多 种通讯选择，温度传感器以及其他超强功能使其成为极具价格吸引力的产品系列18。 qg 系列包括 iic，spi，sci，adc，比较器，内部时钟资源及背景调试模块，不支 持外置存储器，可用汇编语言和 c 语言编程。它是市场内高度集成的 8/16 引脚 mcu，可用于所有 1.83v 的低压应用中。 方案三：stc12c5410ad 系列微控制器。stc12c5410ad 系列单片机是宏晶科 技生产的单时钟/机器周期（1t）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机10，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 812 倍，内部集成 max810 专用复位电路。4 路 pwm，8 路高速 10 位 a/d 转换，针对电机控制，强 干扰场合。 分析以上方案：mc68hc908lj12 单片机内部集成了多个功能模块可适用于嵌 入式系统，测试，控制及仪器仪表，汽车电器等领域，但由于本设计已有现成的编 译器无须使用其 flash 在线编程技术，并且其价格相对较高所以不宜采用该单片机； 由于设计要求高性价比，设计低成本，且不需要 qg 系列内部集成的仿真器所以对 数字软启动的可控硅触发系统设计 7 于本系统来说，他们的大多数功能都没有使用，所以最终我们选用低价并高效的 stc12c5410ad 系列控制器作为主控制器。 2.3.2 键盘结构选择 方案一：独立式按键。独立式按键就是各按键相互独立，每个按键各接一根输 入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态，如图 2.2(a) 所示。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断那个键被按下了13。 方案二：矩阵式键盘。矩阵式键盘适于按键数量较多的场合，它由行线和列线 组成，按键位于行、列的交叉点上。如图 2.2(b)所示，一个 3*3 的行、列结构可以 构成一个含有 9 个按键的键盘。很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘要节 省很多 i/o 口。 rrr +5 图 2.2(a) 图 2.2(b) 图 2.2 键盘结构 因为独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，适用于按键较少的场合。 根据本设计的要求只用四个按键，我们最后选择使用独立式按键。 2.3.3 显示器及接口芯片选型 单片机系统中常用的显示器有：发光二极管 led 显示器、液晶 lcd 显示器、 crt 显示器等。其中发光二极管 led 显示器具有显示清晰、亮度高、使用电压低、 寿命长，价格便宜的特点。因为本系统只需要显示软启动的时间和电压值，所以最 终选择 led 数码显示器来显示各种数值。下面是关于接口芯片的选型。 方案一：8279 为 intel 公司生产的一种通用可编程序的键盘/显示器接口芯片， 其内部设有容量为 16*8 位显示数据的 ram。若采用 8279 管理键盘和显示器，可以 简化系统的软硬件设计，充分提高 cpu 的工作效率11。但我们同时也发现，由于其 数字软启动的可控硅触发系统设计 8 功能相对比较强大，将会造成外围设备与操作过程复杂化，同时价格比较贵。 方案二：mc14499 为串行输入 bcd 码十进制译码驱动器，用它来构成单 片机应用系统的显示器接口，可以大大减少 i/o 口线的占用数量。但是，由片内震 荡器经过四分频的信号，经位译码后只能提供 4 个位控信号，使信号的采集受到限 制；并且，mc19944 的价格偏高，也不经济。 方案三：cd4511 是七段码十六进制锁存译码驱动芯片，它能将四位二进制数 编码转换为七段 led 显示器的字段码，同时具有驱动和锁存能力。并且 cd4511 占 用资源少，不需复杂的驱动电路，价格也适中。 通过上面比较，我们最终选用 cd4511 作为显示器的接口芯片。 2.3.4 d/a 转换芯片的选型 方案一：dac0832 是 8 位分辨率的 d/a 转换集成芯片，与微处理器完全兼容。 以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点。dac0832 为电流型输出，应用时 需外接运算放大器使之成为电压型输出，其转换时间为 1us,工作电压为+5v-+15v 因 此在单片机控制中得到了广泛的应用。 方案二：tlc5615 为美国德州仪器公司 1999 年推出的产品，是具有串行接口 的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复 位功能，即把 dac 寄存器复位至全零。tlc5615 性能价格比高，目前在国内市场 很方便购买。 dac0832 串行接口数模转换器，引脚多，体积大，占用单片机的口线多。而串 行数模转换器 tlc5615 的体积小，占用单片机的口线少，为减少线路板的面积和占 用单片机的口线，我们采用 tlc5615 串行数模转换器。 2.3.5 报警和工作状态指示灯选择 报警单元我们选用常用的普通蜂鸣器即可，工作状态指示灯选用发光二极管。 其它硬件直接选择常用器件，如选用 tl431 给数模转换器 tlc5615 提供基准电 压，选择 tl072 用来作为数模转换器 tlc5615 输出的电压跟随器。 数字软启动的可控硅触发系统设计 9 3 3 硬件设计硬件设计 3.13.1 关于关于 stc12c5410adstc12c5410ad stc12c5410ad 是深圳宏晶科技公司生产的低电压，高性能 cmos8 位单片机， 片内含有可反复擦写的只读程序存储器（eeprom）和 512bytes 的随机存取数据存 储器（ram） ，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 mcs-51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（cpu）和 flash 存储单元，功能强大 stc12c5410ad 单片机适用于许多较为复杂控制应用 场合。stc12c5410ad 的芯片管脚图如图 3.1 所示。 图 3.1 stc12c5410ad 管脚图 具体特点如下： （1）增强型 8051 cpu，1t，单时钟/ 机器周期，指令代码完全兼容传统8051 （2）工作电压，stc12c5410ad 系列工作电压：5.5v 3.8v（5v 单片机） /3.8v 2.4v（3v 单片机） （3）工作频率范围：0 35 mhz，相当于普通8051 的 0420mhz.实际工作 频率可达48mhz （4）用户应用程序空间12k / 10k / 8k / 6k / 4k / 2k / 1k 字节 （5）片上集成 512 字节 ram(stc12c5410ad 系列), stc12c2052ad 系列 p2.2. 1 p2.3 2 rst 3 rxd/p3.0 4 txd/p3.1 5 xtal2 6 xtal1 7 int0/p3.2 8 int1/p3.3 9 eci/t0/p3.4 10 pwm1/pca1/cex1/t1/p3.5 11 pwm3/pca3/cex3/p2.4 12 p2.5 13 gnd 14 p2.6 15 p2.7 16 p3.7/cex0/pca0/pwm0 17 p1.0/adc0 18 p1.1/adc1 19 p1.2/adc2 20 p1.3/adc3 21 p1.4/ss/adc4 22 p1.5/mosi/adc5 23 p1.6/miso/adc6 24 p1.7/sclk/adc7 25 p2.0/cex2/pca2/pwm2 26 p2.1 27 vcc 28 数字软启动的可控硅触发系统设计 10 单片机为256 字节ram （6）通用i/o 口（27/23/15 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统i/o 口），可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏。每个i/o 口驱动能力均可达到20ma，但整个芯片最大不得超过55ma （7）isp（在系统可编程）/iap（在应用可编程），无需专用编程器，无需专 用仿真器，可通过串口（p3.0/p3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片 （8） eeprom （9） 看门狗 （10）内部集成max810 专用复位电路（外部晶体20m 以下时，可省外部复 位电路） （11）时钟源：外部高精度晶体/ 时钟，内部r/c 振荡器 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部r/c 振荡器还是外部晶体/ 时钟 常温下内部r/c 振荡器频率为：5.2mhz 6.8mhz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，应认为是 4mhz 8mhz （12）共2个16 位定时器/ 计数器，但可用pca 模块再产生4个定时器(2052 系 列只有两路pca) （13）外部中断2 路,下降沿中断或低电平触发中断,power down 模式可由外部 中断唤醒 （14）pwm(4 路）/pca（可编程计数器阵列,4 路）,5410 系列是4 路，可用 来当4 路d/a 使用，可用来再实现4个定时器，也可用来再实现4个外部中断(上升沿 中断/ 下降沿中断均可分别或同时支持) （15）a/d 转换, 10 位精度adc，共8 路。stc12c2052ad 系列只有8 位精 度 （16）通用全双工异步串行口(uart)，由于stc12 系列是高速的8051，也可 再用定时器软件实现多串口 （17）spi 同步通信口，主模式/ 从模式 （18）工作温度范围： 075 / -40+85 数字软启动的可控硅触发系统设计 11 （19）封装：plcc-32, pdip-28，sop-28，pdip-20，sop-20，tssop-20(超小 封状6.4mm 6.4mm，)，plcc-32 有27个i/o 口，pdip28/sop28 有23 个i/o 口， pdip20/sop20/tssop20 有15 个i/o 口，i/o 口不够时，可用74hc595 / 74hc165 串行扩展i/o 口，或用双cpu,三线通信，还多了串口。 3.23.2 电源电源模块模块 本控制系统由单片机及其外围电路组成，需要 5v, 12v 两组电源。5v 电源主要 给单片机供电，12v 给电压跟随器供电。电源的总体设计为，采用变压器变压，电 桥整流，电容滤波，再接稳压电路。 稳压电路有两种方式，即线性稳压和开关稳压。线性稳压的调整管工作在放大 区，输出纹波小，但效率较低;开关稳压的调整管工作在开关状态。开关电源与线性 稳压电源相比，具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点，但开 关电源的突出缺点是会产生较强的电磁干扰(emi)。由于 emi 信号既占有很宽的频 率范田，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电磁环境，会对通信设备和电子仪 器造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。而单片机为一个 敏感元件，外界干扰对它的性能有很大影响。且考虑到线性稳压器可提供较大的电 流，因而采用线性稳压器。 此电源电路首先把 220v 交流电用变压器变换成输出电压 11v,输出电流 15oma 左右的交流电，再通过整流桥进行全波整流得到直流电，此电源给需要 12v 电压的 器件供电，且此直流电压是线性串联稳压器 7805 的输入。7805 的特性和封装有关， to-92(类似于普通塑封三极管)，0.7w (0.15a)，to-220(使用最广泛)，7w (1.5a)散 热良好;to-3(金封大功率)，25w (5a)。选用 to-92 封装的 7805，其输出值即为+5v 电源，给单片机供电。其电路图如图 3.2 所示。 220uf104 7805 0.1uf +11v 103104470uf +5v 220v + 图 3.2 线形稳压电路图 数字软启动的可控硅触发系统设计 12 图中的 220uf 电容是整流滤波电容，对整流输出的纹波分量进行滤波，容值越 大，滤波效果越好，与它并联的 104 电容主要是抑制高频干扰，同时也有抑制高频 振荡的作用。输出端并接的 470uf 极性电容主要为稳压电源提供瞬间的脉冲响应电 流输出，并联的 104 电容也是抑制高频干扰的作用。 3.33.3 复位电路模块复位电路模块 单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 rst 引脚上出现 24 个时钟振荡脉冲(2 个机器周期)以上的高电平，单片机便可以实 现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使 rst 引脚保持 10ms 以上的高电平。只要 rst 保持高电平，则 stc12c5410ad 就可 以循环复位；当 rst 从高电平变为低电平以后，stc12c5410ad 单片机就从主程序 开始执行程序。 根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。 上电或开关复位在上电后，由于电容 c1 的充电作用，使 rst 持续一段时间的高电 平。当单片机已在运行当中时，按下复位键 s5 后松开，也能使 rst 为一段时间的 高电平，从而实现上电或开关复位的操作，由于调试的需要，我们设计了开关复位 组合电路如图 3.3 所示。 图 3.3 开关复位与上电复位 3.43.4 按键按键模块模块 按键设定部分比较简单，因为本系统按键少，所以在设计上采用了独立按键方 式，程序的编制上也采用了简单的扫描方式。 图 3.4 是按键与单片机的接口电路。 数字软启动的可控硅触发系统设计 13 通过 s1、s2、s3 三个按键可以设置软启动的启动电压和启动时间，按下 s4 键时后， 软启动正式开始。 图 3.4 键盘与单片机接口 程序执行后工作指示灯 led 闪动，蜂鸣器连续发生三次，表示程序开始执行， 同时四位七段显示器开始显示数值， ，按下操作键 s1-s4 动作如下： 操作键 s1：加一按键； 操作键 s2：减一按键； 操作键 s3：移位按键； 操作键 s4：启动/停止设置，设为启动/停止是时，蜂鸣器发声三次。 3.53.5 显示模块显示模块 cd4511 是七段码十六进制锁存译码驱动芯片，易于和单片机连接，只要将单 片机输入的值送入 cd4511,然后直接与共阴的 led 数码管相连就可以了。cd4511 管脚配置如图 3.5 所示，下面对其作一下简要介绍。 数字软启动的可控硅触发系统设计 14 c 2 lt 3 bi 4 le 5 d 6 a 7 vss 8 b 1 vdd 16 a 13 e 9 d 10 c 11 b 12 g 14 f 15 图 3.5 cd4511 引脚 a、b、c、d bcd 码输入端。 le 锁存允许端。当 le0 时，4 位 bcd 码进入锁存器，当 le1 时， 输入的数据被锁存。 lt 和 bi 一般接高电平。 ag 七段码输出端 stc12c5410ad 单片机的 i/o 和廉价的 cd4511 集成块连接，是实现多个 led 显示的一种简单方法，利用该方法设计的多路 led 显示系统具有硬件结构简单、软 件编程容易和价格低廉的特点。如图 3.6 所示是显示模块与单片机的接口电路。 数字软启动的可控硅触发系统设计 15 +5 b 1 c 2 lt 3 bi 4 le 5 d 6 a 7 vss 8 e 9 d 10 c 11 b 12 a 13 g 14 f 15 vdd 16 u5 cd4511 b 1 c 2 lt 3 bi 4 le 5 d 6 a 7 vss 8 e 9 d 10 c 11 b 12 a 13 g 14 f 15 vdd 16 u6 cd4511 b 1 c 2 lt 3 bi 4 le 5 d 6 a 7 vss 8 e 9 d 10 c 11 b 12 a 13 g 14 f 15 vdd 16 u7 cd4511 b 1 c 2 lt 3 bi 4 le 5 d 6 a 7 vss 8 e 9 d 10 c 11 b 12 a 13 g 14 f 15 vdd 16 u8 cd4511 a 7 b 6 c 1 d 2 e 4 f 9 g 10 3 gnd 8 u9 a 7 b 6 c 1 d 2 e 4 f 9 g 10 3 gnd 8 u10 a 7 b 6 c 1 d 2 e 4 f 9 g 10 3 gnd 8 u11 a 7 b 6 c 1 d 2 e 4 f 9 g 10 3 gnd 8 u12 stc12c5410ad p2.1 p2.0 p1.7 p1.6 p1.5 p1.4 p1.3 p2.6 图 3.6 显示模块与单片机接口电路 3.63.6 d/ad/a 转换模块转换模块 数模转换模块采用三线串行接口芯片 tlc5615, 输出为电压型，最大输出电压 是基准电压值的两倍，性能价格比高，易与单片机连接。 3.6.1 tlc5615 主要特点 a. 10 位 cmos 电压输出； b. 5v 单电源供电； c. 与 cpu 三线串行接口； d. 最大输出电压可达基准电压的二倍； e. 输出电压具有和基准电压相同极性； f. 建立时间 12.5s； g. 内部上电复位； h. 低功耗，最大仅 1.75mw。 数字软启动的可控硅触发系统设计 16 3.6.2 tlc5615 引脚说明 tlc5615 有小型和塑料 dip 封装，dip 封装的 tlc5615 芯片引脚排列如图 3.7 所示。 图 3.7 tlc5615 引脚排列图 引脚功能说明如下： 引脚 1 din：串行数据输入端； 引脚 2 sclk：串行时钟输入端； 引脚 3 cs：芯片选用通端，低电平有效； 引脚 4 dout：用于级联时的串行数据输出端； 引脚 5 agnd：模拟地； 引脚 6 refin：基准电压输入端； 引脚 7 out：串行数据输出端 引脚 8 vdd：电源接口 3.6.3 tlc5615 的时序分析 tlc5615 的工作时序如图 3.8 所示。 图 3.8 tlc5615 的时序图 由时序图可以看出，当片选 cs 为低电平时，输入数据 din 由时钟 sclk 同步 输入或输出，而且最高有效位在前，低有效位在后。输入时 sclk 的上升沿把串行 数字软启动的可控硅触发系统设计 17 输入数据 din 移入内部的 16 位移位寄存器，sclk 的下降沿输出串行数据 dout， 片选 cs 的上升沿把数据传送至 dac 寄存器。 当片选 cs 为高电平时，串行输入数据 din 不能由时钟同步送入移位寄存器； 输出数据 dout 保持最近的数值不变而不进入高阻状态。由此要想串行输入数据和 输出数据必须满足两个条件：第一，时钟 sclk 有效跳变；第二，片选 cs 为低电 平。这里，为了使时钟的内部馈通最小，当片选 cs 为高电平时，输入时钟 sclk 应当为低电平。 3.6.4 tlc5615 的输入/输出关系 图 3.8 的 d/a 输入/输出关系图表 3.1 所示。 表 3.1 d/a 转换关系表 数字量输入模拟量输出 1111 1111 11(00) 1000 0000 01(00) 1000 0000 00(00) 0111 1111 11(00) 0000 0000 01(00) 0000 0000 00(00) 2vrefin x 1023/1024 2vrefin x 513/1024 2vrefin x 512/1024 2vrefin x 511/1024 2vrefin x 1/1024 0v 串行数模转换器 tlc5615 的使用有两种方式，即级联方式和非级联方式。如不 使用级联方式，din 只需输入 12 位数据。din 输入的 12 位数据中，前 10 位为 tlc5615 输入的 d/a 转换数据，且输入时高位在前，低位在后，后两位必须写入数 值为零的低于 lsb 的位，因为 tlc5615 的 dac 输入锁存器为 12 位宽。如果使用 tlc5615 的级联功能，来自 dout 的数据需要输入 16 位时钟下降沿，因此完成一 次数据输入需要 16 个时钟周期，输入的数据也应为 16 位。输入的数据中，前 4 位 为高虚拟位，中间 10 位为 d/a 转换数据，最后 2 位为低于 lsb 的位即零。在本系 统中我们没有级联电路，所以每转换一次只需传递 12 位数字。 数字软启动的可控硅触发系统设计 18 3.6.5 tlc5615 与单片机接口 图 3.9 给出了在电路设计中，tlc5615 和 stc12c5410ad 单片机的接口电路。 在电路中，stc12c5410ad 单片机的 p1.0p1.2 分别控制 tlc5615 的片选 cs，串 行时钟输入 sclk 和串行数据输入 din。电路的连接采用非级联方式。 p1.0 p1.1 p1.2 din sclk cs stc12c5410adtlc5615 图 3.9 tlc5615 与 stc12c5410ad 单片机接口 3.6.6 tlc5615 接口电路的软件编程： 选12位数据格式对其编程,关键是要编写一个12位数据写tlc5615的子程序。设 待输入的12位数据在单片机内部ram的r0和r1寄存器中, 其中高8位在r1中,低4位 在r0的高4位。作为入口参数调用dac的程序如下: dac :mov p1 , # 0fch ;sclk = 0 ,din = 0 ,cs = 1 nop clr p1.0 ;在sclk = 0时,cs变低 mov a ,r1 ;高8位送给a mov r3 , # 08h ;传送8次 call cuso ;传送高8位 mov a , r0 mov r3 , # 04h lcall cuso ;传送低4位 setb p1.0 ;cs = 1 ,将16位移位寄存器中的10位有效数据锁存于10 位dac 寄存 器中 ret; 数字软启动的可控硅触发系统设计 19 loop ; rlc a mov p1.2,c nop setb p1.1 nop clr p1.1 mov r4 ,a ;暂存于r4 中 mov a , r3 dec a mov r3 ,a ;次数减1 mov a , r4 jnz loop ret 本接口的硬件结构十分简单,编程简单,工作稳定,只是速度受到执行程序所需时 间的限制,但在一般控制仪表中没有问题的。tlc5615三线接口与spi、qspi以及 mi2crowire串行标准兼容,一般只需要执行2个周期,就可以完成一次dac操作, 显然, 工作速度比stc12c5410ad单片机与tlc5615所构成的数/模转换系统快。 3.73.7 tl072tl072、tl431tl431 与与 d/ad/a 转换器接口转换器接口 在本系统中 tl072 用来作为电压跟随器，同时起到信号隔离的作用。使用 tl431 给 tlc5615 提供 2.5v 的基准电压，接口电路如图 3.10。 tlc5615 tl072 tl431 pin3 vrefrefin out 图 3.10 tlc5615 与 tl072、tl431 接口 数字软启动的可控硅触发系统设计 20 3.83.8 蜂鸣器、工作状态指示灯与单片机接口蜂鸣器、工作状态指示灯与单片机接口 在本系统中蜂鸣器在程序开始和结束时发出响声提示用户。工作状态指示灯从 程序开始到结束这段时间不断闪烁来显示系统的正常运行。与单片机的接口电路如 图 3.11 所示。 ls1 buzer 12 led11k r11 stc12c5410ad +5 p2.2 p3.7 图 3.11 蜂鸣器、指示灯与单片机接口电路 3.93.9 配置硬件配置硬件 根据本系统的要求，最后连接各个功能模块完成了单片机主控单元的电路原理 图(见附录 a) 和原理图的 pcb 板(见附录 b)，准备好全部器件，然后将各个芯片、 器件都焊接到 pcb 板上完成硬件连接。 3.103.10 可控硅触发系统可控硅触发系统 3.10.1 可控硅触发板 本系统所使用的可控硅触发板直接采用已经完成的现有电路，触发板如图 3.12(a)所示，图 3.12(a)和 图 3.12(b)可以组成可控硅触发系统。我们所设计的软启 动电路直接和触发板连接即可。下面主要对集成触发电路 tmd688a 做详细介绍。 数字软启动的可控硅触发系统设计 21 图(a) 图(b) 图 3.12 可控硅触发板 3.10.2 集成触发电路 tmd688a 介绍 tmd688a 是新型数模混合三相移相触发集成电路，内含完整的缺相、过流、 过热等故障保护功能；具有高精度、功能完善、使用简单可靠、易调试、抗干扰性 强、体积微小、保护电路完整等优点；采用先进的硅栅 cmos 工艺制造，封装形式 为 sop-28，单 5v 电源供电。 tmd688a 主要应用于三相交流供电的电