毕业设计（论文）-微机控制多路晶闸管触发控制系统.doc

南 昌 工 程 学 院 毕 业 设 计（论 文） 电气电子系 系 工业电气自动化 专业 毕业设计题目 微机控制多路晶闸管触发控制系统 学 生 姓 名 彦 学 号 指 导 教 师 完 成 日 期 2006 年 6 月 15 日 1 目录目录 一一 毕毕业业设计任务书设计任务书2 2 二二 中中 文文 摘摘 要要3 3 三三 英英 文文 摘摘 要要4 4 四四 前前 言言5 5 五五 正正 文文7 7 第一章:晶闸管.7 1.1 晶闸管的介绍.7 1.2.晶闸管的工作原理与特性 7 1.3.晶闸管元件-晶闸管元件的结构 10 1.4.晶闸管元件晶闸管整流电路 .11 1.5.晶闸管对触发电路的要求 .15 1.6.同步信号输入和触发脉冲输出 .17 1.7.中断安排 .18 第二章 单片机 19 2.1 单片机定时计数器功能及结构简介 .19 2.2 单片机的中断系统20 2.3 单片机的串行通信接口22 2.4 定时器 /计数器的结构 .24 2.5 定时/计数器的四种工作方式.25 第三章 计算机控制系统的设计 .27 3.1 系统设计的基本要求27 3.2 设计控制系统的步骤27 3.3 串行通信的波特率28 3.4 并行 i/o 接口的扩展29 3.5 光电隔离技术30 第四章 主程序 32 六六 结结 束束 语语3838 参参 考考 文文 献献3939 2 一一 毕业设计任务书毕业设计任务书 毕业设计（论文）题目：微机控制多路晶闸管触发控制系统 毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求： 设计由上位机通过异步通讯方式控制的晶闸管触发电路板卡（与工控机 pci 接口兼 容）及相应控制软件。板卡输出 20 路触发脉冲信号，多路触发脉冲信号的控制相互独立。 技术要求： 1触发电路板卡核心是单片机，多路触发脉冲信号的实现由单片机程序完成，单片机 与上位机通讯。 2同步信号采用 int0 沿触发方式，在 50hz 同步信号正半周的起始零点触发。 3串口采用方式和上位机进行全双工的异步通讯，串口中断优先级最高，响应期间屏 蔽外部中断和定时中断。 4通道开通时发送数据，单片机程序根据某个通道所发数据的大小，确定触发脉冲信 号的输出响应。 5晶闸管触发脉冲宽 20 度（1111 微秒）6v 6串口直接接工控机串行接口 com1 或 com2 上，要求与上位机软件所用的串口一致。 7输入输出接口采用 db25 插头。 毕业设计（论文）工作内容及完成时间： 1 详细的任务分析，收集资料，论证方案，撰写开题报告（4.24-4.30） ； 2 确定方案，绘制电路原理图（5.1-5.14） ； 3 系统硬件实现，软件编写及调试（5.15-6.4） ； 4 撰写毕业论文，准备答辩（6.5-6.18） ； 主要参考资料: 1.电力电子技术 第 4 版, 王兆安 黄俊 著,机械工业出版社,2002年 2. 电力电子应用技术 第 3 版, 莫正康 著, 机械工业出版社,2005 年 3. 微型计算机控制技术 潘新民 王燕芳 著, 人民邮电出版社,1999 年 4. mcs-51/96 系列单片微型计算机及其应用, 薛钧义 张彦斌 著,西安交通大学 出版社,2002 年 5.mcs-51 family of single chip micre computers users manual,july 2001 电气与电子工程 系 03 工业电气自动化 专业类 1 班 学 生: 李 明 彦 日 期: 自 2 0 0 6 年 4 月 2 4 日 至 2 0 0 6 年 6 月 1 8 日 指 导 老 师: 谢嘉 3 二二 中中 文文 摘摘 要要 在电力拖动系统、电炉控制系统中现已大量采用可控硅（晶闸管）元件作 为可调电源向电动机或电炉供电，这种由晶闸管组成的控制系统，主要是利用 改变可控硅的控制角 来调节供电电压。在常规控制中，主要是用电子控制装 置对可控硅实现触发，这种方法由于受到电子元器件的限制，其分辨率不高， 有时还会出现误触发. 单片机是智能仪器仪表,机电一体化,实时过程控制的控 制核心,在大多数应用中,对半导体器件晶闸管触发导通的控制技术已是单片 机应用中的一项关键技术. 本次设计是用 at89c52 单片机作为控制核心,多路触发脉冲信号的实现由单 片机程序完成, 单片机与上位机通讯.由上位机通过异步通讯方式控制的晶闸管 触发电路板卡及相应控制软件. 同步信号采用 int0 沿触发方式,在 50hz 同步信 号正半周的起始零点触发,并详细介绍各电路的原理和功能.板卡输出 20 路触发 脉冲信号,多路触发脉冲信号的控制相互独立,设计中用到了多片 74 系列的门电 路作为逻辑和驱动器件;用了多片光电耦合器件作为输入通道的隔离器件.38 译 码器用了 1 片 74hc138 作为输出片选;用了 x25045 作为系统复位以提高了抗干 拢性能.另外采用 db25 作为输入输出接口. 本系统的主要功能:1.串行通信 2.与外主电路同步 3.产生 20 路可以单独控 制相位的触发脉冲信号 4.晶闸管触发脉冲宽 20 度(可调)5.系统自动复位保护 和定时,中断. 关键词关键词: :单片机 晶闸管 工控机 智能仪器 功率 接口 4 三三 英英 文文 摘摘 要要 : : abstract: in the electric power dragging system, in the electric stove control system already were massive uses the silicon-controlled rectifier (thyristor) the part to take the adjustable power source to the electric motor or the electric stove power supply, this kind the control system which was composed by the thyristor, mainly was the use changes the silicon-controlled rectifier the control angle theta to adjust the power line voltage. in the conventional control, mainly is with the electronic control to silicon- controlled rectifier realization triggering, because this method receives the electronic primary device the limit, its resolution is not high, sometimes also can appear triggers by mistake. the monolithic integrated circuit is the intelligent instrument measuring appliance,integration of machinery,real-time process control control core,in majority applications,to the semiconductor device - thyristor triggering breakover control technology already was in a monolithic integrated circuit application key technologies. this design is controls the core with at89c52 monolithic integrated circuit achievement,the multi-channel trigger pulse signal realization completes by the monolithic integrated circuit procedure, monolithic integrated circuit and on position machine communication.and controls the software correspondingly by on position machine through the asynchronous communication way control thyristor triggering electric circuit board card. the synchronized signal uses int0 along the triggering way,in 50hz synchronized signal half period outset zero triggering, and introduces various electric circuits in detail the principle and the function.the board card outputs 20 group trigger pulse signal,the multi-channel trigger pulse signal control is mutually independent,in the design used the multi-piece 74 series gates and actuates the component as logic;has input the channel with the multi-piece photoelectricity coupled apparatus achievement the isolation component .38 decoders to use 1 piece of 74hc138 to select patches or strips of land as worth saving for seed as the output;enhanced the anti-jamming performance with x25045 as the system replacement.moreover uses db25 to take the input output connection. this system main function: 1.serial communication 2.with outside main circuit synchronization 3.produces 20 groups to be possible the independent control phase trigger pulse signal 4.the thyristor trigger pulse extends 20 degrees (adjustable) 5.system automatic reset protection and fixed time,interrupt. key word:monolithic integrated circuit thyristor the labor controls machine intelligent instrument power connection 5 四四 前前 言言 在飞速发展的现代科技领域中， “电力电子技术”作为弱电与强电的桥梁，正在与“微 电子技术”和“自动控制技术”以及“单片机应用技术”相辅相成快速发展，该技术从器 件到相关设备日新月异。 “电力电子技术”与“单片机应用技术”结合在电动机调速、电气 控制、交直流供电电源、发输配电、照明控制乃至社会日常生活诸多方面的应用不断延伸。 学习和从事此项技术的人员队伍迅速扩大，特别是在国外一些工业技术先进的国家，他们 把这种控制系统技术已完全运用到社会生活和各个领域，并且发挥了巨大作用，效果显著。 由于微机控制晶闸管触发技术的产生源于国外，他们掌握了精湛的技术，不管是在原理 还是在应用方面都是超前的，而我国在此技术方面起步晚，刚开始只是掌握了一些基本的 含量，没有真正拥有自己的知识产权，一直都是借鉴学习别人的东西，面临这种状况，科 学人员不断地去探索,发明，才慢慢稳步发展起来，之后根据国内的发展需求，该项技术的 层次也不断提高。从 20 世纪 80 年代首次推出以来，很快在全世界得到了广泛的推广与应 用。近些年随着电子技术的发展，这项技术的运用也越来越广泛，尤其在工业控制、智能 仪器仪表、家用电器，信息通信领域。可是，经济要发展，社会要进步，科技就必须创新， 不能满足于现状，要展望未来，适应未来的发展，这样才能在世界科技的浪潮中立于不败 之地。 应用前景分析: 微机控制晶闸管触发系统是工农业中应和最广泛的设备，由于其优越的性能和节能效 果，日、美等发达国家已普遍推广应用。我国此技术的应用方兴未艾， 从科技部调研获得 信息，1992 年需求量已达到 10 万台，1993 年又呈明显的上升趋势，随着我国经济的高速 发展，该系统的应用前景会愈来愈广阔. 社会效益分析： 随着经济的发展和能源政策的完善，我国巨大的潜在市场，必将转为实际市场。但 我国目前该系统设备市场已被进口产品所垄断，主要是日本和台湾产品，或直接进口，或 代理级装。到目前为止由于没有我们真正自行研制该相关的设备进入市场，这种现状不仅 6 造成直接经济损失，而且使我国的技术发展受制于人，我们这样的大国，这样广泛用途的 产品，走自己独特的发展道路，进而参与国际竞争，其社效益将是巨大的。 经济效益分析： 以电子产品元器件价格的 3-4 倍作为产品成本， 按市场产品价格计算仍有 1520的 利润。按不同功率平均每台设备 2 万元计。如果能占领市场的 1-2，年产 2000 台,其经 济效益即可达到数百元。 7 五五 正正 文文 第一章第一章:晶闸管晶闸管 1.1 晶闸管的介绍 晶闸管原称可控硅,全称为晶体管,是一种功率半导体器件.由于它具有容量大,效率高,控 制特性好,寿命长以及体积小等优点,因此,自 60 年代以来,获得了迅猛发展.以晶闸管为主体 的一系列功率半导体器件的应用技术已形成独立的电力电子学科.目前由传感电子,信息电子 和电力三部分组成的大电子技术的概念已被科技界正式接受. 晶闸管象二极管一样,具有单向导电特性,电流只能从阳极向阴极,当元件加上反向电压时,只 有极小的反向漏电流从阴极流向阳极,晶闸管不同于二极管,还具有正向导通的可控特性.当 元件阳极加上正向电压时,元件还不能导通,元件呈正向阻断状态,这是二极管不具有的.要使 晶闸管正向导通除了阳极加上正向电压外,还必须同时在门极与阴极之间加上一定的正向门 极电压 ug,有足够的门极电流 ig 流入门极,对元件能否正向导通起控制作用.好象一条有闸 门的河流,有水位差,河水还不能流通,还必须控制闸门打开,门极就是起闸门控制作用,这就是 晶闸管所特有的闸流特性,也就是可控特性. 当晶闸管加上正向阳极电压后,门极加上适当的正向门极电压,使晶闸管导通的过程称为 触发.晶闸管一旦触发导通后,门极就对它失去控制作用,因此通常在门极只要加上一个正向 脉冲电压即可,称之触发电压.门极在一定条件下可触发晶闸管导通,但无法使其关断.要使已 经导通的晶闸管恢复阻断,可降低阳极电源 ea 或增大负载电阻,使流过晶闸管的阳极电流 ia 减小,当电流 ia 减至一定值时,电流会突然降到零,之后再调高电压或减小负载电阻,电流不会 再增大,说明晶闸管已经恢复阻断.当门极断开时,维持晶闸管导通所需要的最小阳极电流叫 维持电流(ih).因此,只要晶闸管的阳极电流小于维持电流(ih),元件就关断了.当阳极电源是交 流电压,负载是纯电阻时,可以认为在波形正半周过零时,晶闸管就自行关断了. 1.2.晶闸管的工作原理与特性 晶闸管的工作原理 8 在中频炉中整流侧关断时间采用 kp-60 微秒以内，逆变侧关短时间采用 kk-30 微秒以内这 也是 kp 管与 kk 管的主要区别 晶闸管 t 在工作过程中，它的阳极 a 和阴极 k 与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路， 晶闸管的门极 g 和阴极 k 与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。 晶闸管的工作条件： 1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关短状态。 2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导 通，即晶闸管导通后，门极失去作用。 4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。 从晶闸管的内部分析工作过程： 晶闸管是四层三端器件，它有 j1、j2、j3 三个 pn 结图 1，可以把它中间的 np 分成两部分， 构成一个 pnp 型三极管和一个 npn 型三极管的复合管图 2 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的 pn 结 j2 失 去阻挡作用。图 2 中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此， 两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流 ig 流入时，就会形成强烈的正反馈，造 成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。设 pnp 管和 npn 管的集电极电流相应为 ic1 和 ic2；发射极电流相应为 ia 和 ik；电流放大系数相应为 a1=ic1/ia 和 a2=ic2/ik，设流过 9 j2 结的反相漏电电流为 ic0,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和： ia=ic1+ic2+ic0 或 ia=a1ia+a2ik+ic0 若门极电流为 ig,则晶闸管阴极电流为 ik=ia+ig 从 而可以得出晶闸管阳极电流为：i=(ic0+iga2)/（1-（a1+a2） ） （11）式硅 pnp 管和硅 npn 管相应的电流放大系数 a1 和 a2 随其发射极电流的改变而急剧变化如图 3 所示。 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（11）中，ig=0,(a1+a2)很 小，故晶闸管的阳极电流 iaic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下， 从门极 g 流入电流 ig,由于足够大的 ig 流经 npn 管的发射结，从而提高起点流放大系数 a2,产 生足够大的极电极电流 ic2 流过 pnp 管的发射结，并提高了 pnp 管的电流放大系数 a1,产 生更大的极电极电流 ic1 流经 npn 管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图 3，当 a1 和 a2 随发射极电流增加而（a1+a2）1 时，式（11）中的分母 1-（a1+a2） 0,因此提高了晶闸管的阳极电流 ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回 路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。式（11）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2） 0,即使此时门极电流 ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流 ia 而继续导通。晶闸管在导 通后，门极已失去作用。在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使 阳极电流 ia 减小到维持电流 ih 以下时，由于 a1 和 a1 迅速下降，当 1-（a1+a2）0 时， 晶闸管恢复阻断状态。 2.22.2 基本伏安特性基本伏安特性 晶闸管的基本伏安特性见图 4 图 4 晶闸管基本伏安特性 （1）反向特性 当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 3），j2 结正偏，但 j1、j2 结反偏。此时 只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到 j1 结的雪崩击穿电压后，接差 j3 结 也击穿，电流迅速增加，图 5 的特性开始弯曲，如特性 or 段所示，弯曲处的电压 uro 叫 “反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。 图 5 阳极加反向电压 （2）正向特性 10 当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图 6），j1、j3 结正偏，但 j2 结反偏，这 与普通 pn 结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图 5 的特性发生了弯曲，如特性 oa 段所示，弯曲处的是 ubo 叫：正向转折电压 图 6 阳极加正向电压 由于电压升高到 j2 结的雪崩击穿电压后，j2 结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的 电子和空穴，电子时入 n1 区，空穴时入 p2 区。进入 n1 区的电子与由 p1 区通过 j1 结注入 n1 区的空穴复合，同样，进入 p2 区的空穴与由 n2 区通过 j3 结注入 p2 区的电子复合，雪 崩击穿，进入 n1 区的电子与进入 p2 区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在 n1 区就有电 子积累，在 p2 区就有空穴积累，结果使 p2 区的电位升高，n1 区的电位下降，j2 结变成正 偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图 3 的虚线 ab 段。 这时 j1、j2、j3 三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它 的特性与普通的 pn 结正向特性相似，见图 4 中的 bc 段 3、触发导通 在控制极 g 上加入正向电压时（见图 7）因 j3 正偏，p2 区的空穴时入 n2 区，n2 区的 电子进入 p2 区，形成触发电流 igt。在可控硅的内部正反馈作用（见图 2）的基础上，加 上 igt 的作用，使可控硅提前导通，导致图 3 的伏安特性 oa 段左移，igt 越大，特性左移 越快。 图 7 阳极和控制极均加正向电压 1.3.晶闸管元件-晶闸管元件的结构 一种以硅单晶为基本材料的 p1n1p2n2 四层三端器件，创制于 1957 年，由于它特性类 似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称晶闸管 t。又由于晶闸管最初应 用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅 scr。 在性能上，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”） 更为可贵的晶闸管。它只有导通和关断两种状态。 晶闸管能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显 著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。 晶闸管的优点很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应 极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。 晶闸管的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。 晶闸管从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。 不管晶闸管的外形如何，它们的管芯都是由 p 型硅和 n 型硅组成的四层 p1n1p2n2 结构。 见图 1。它有三个 pn 结（j1、j2、j3），从 j1 结构的 p1 层引出阳极 a，从 n2 层引出阴级 k，从 p2 层引出控制极 g，所以它是一种四层三端的半导体器件。 11 图 1、晶闸管结构示意图和符号图 1.4.晶闸管元件晶闸管整流电路 .1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 工作原理工作原理 电路和波形如图 1 所示，设 u2=u2sin。 图 1 单相半波可控整流 正半周：正半周： 0tt1,ug=0,t 正向阻断，id=0,ut=u2,ud=0 t=t 时,加入 ug 脉冲，t 导通，忽略其正向压降，ut=0,ud=u2,id=ud/rd。 负半周：负半周： t2 当 u2 自然过零时，t 自行关断而处于反向阻断状态， ut=0,ud=0,id=0。 从 0 到 t1 的电度角为 ，叫控制角。从 t1 到 的电度角为 ，叫导通角，显然 +=。当 =0，=180 度时，可控硅全导通，与不控整流一样，当 =180 度，=0 度时，可控硅全关断，输出电压为零。 各电量关系各电量关系 电压是控制角 的函数，所以改变 的大小就可以控制直流电压 ud 的数值，这就是 可控整流意义之所在。 流过流过 rdrd 的直流电流的直流电流 idid： udud 的有效值（均方根值）：的有效值（均方根值）： 12 流过流过 rdrd 的电流有效值：的电流有效值： 由于电源提供的有功功率由于电源提供的有功功率 p=uip=ui，电源视在功率，电源视在功率 s=u2is=u2i（u2u2 是电源电压有效值），所以是电源电压有效值），所以 功率因数：功率因数： 由上式可见，功率因数 cos 也是 的函数，当 =0 时，cos=0.707。显然，对于 电阻性负载，单相半波可控整流的功率因数也不会是 1。 比值 ud/u、i/id 和 cos 随 的变化数值，见表 1，它们相应的关系曲线，如图 2 所 示 表 1 ud/u、i/id 和 cos 的关系 0306090 120150180 ud/u i/id cos 0.45 1.57 0.707 0.42 1.66 0.698 0.338 1.88 0.635 0.225 2.22 0.508 0.113 2.87 0.302 0.03 3.99 0.12 0 - 0 图 2 单相半波可控整流的电压、电流及功率因数与控制角的关系 由于可控硅 t 与 rd 是串联的，所以，流过 rd 的有效值电流 i 与平均值电流 id 的比值， 也就是流过可控硅 t 的有效值电流 it 与平均值电流 idt 的比值，即 i/id=it/idt。 .2 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 工作原理工作原理 电路与波形如图 3 所示 图 3、单相桥式半控整流 正半周：正半周： t1 时刻加入 ug1，t1 导通，电流通路如图实线所示。ut1=0,ud=u2,ut2=-u2。u2 过 零时，t1 自行关断。 负半周：负半周： 13 t2 时刻加入 ug2，t2 导通，电流通路如图虚线所示，ut2=0，ud=-u2,ut1=u2。u2 过零时 t2 自行关断。 各电量关系各电量关系 由图 3 可见，ud 波形为非正弦波，其幅值为半波整流的两倍，所以 rd 上的直流电压 ud： 直流电流直流电流 idid： 电压有效值电压有效值 u u： 电流有效值电流有效值 i i： 功率因数功率因数 coscos： 比值 ud/u,i/id 和 cos 随 的变化数值见表 2，相应关系曲线见图 4 表 2 ud/u、i/id、cos 与 的关系表 0306090120150180 ud/u i/id cos 0.9 1.112 1 0.84 1.179 0.985 0.676 1.335 0.896 0.45 1.575 0.717 0.226 1.97 0.426 0.06 2.835 0.169 0 - 0 图 4、单相全波和桥式电路电压、电流及功率因数与控制角的关系 把单相全波整流单相半波整流进行比较可知： （1）当 相同时，全波的输出直流电压比半波的大一倍。 （2）在 和 id 相同时，全波的电流有效值比半波的减小倍。 （3） 相同时，全波的功率因数比半波的提高了倍。 .3 整流电路波形分析整流电路波形分析 单相半波可控整流单相半波可控整流 （1 1）电阻性负载（见图）电阻性负载（见图 1 1） 电阻性负载，id 波形与 ud 波形相似，因为可控硅 t 与负载电阻 rd 串联，所以 id=id。 14 晶闸管 t 承受的正向电压随控制角 而变化，但它承受的反向电压总是负半波电 压，负半波电压的最大值为 u2。 线路简单，多用在要求不高的电阻负载的场合。 （2 2）感性负载（不带续流二极管，见图）感性负载（不带续流二极管，见图 5 5）：）： 图 5 电感性负载无续流二极管 电机电器的电磁线圈、带电感滤波的电阻负载等均属于电感性负载。 电感具有障碍电流变化的作用可控硅 t 导通时，其压降 ut=0，但电流 id 只能从零开始上升。id 增加和减少时线圈 ld 两端的感应电动势 el 的 极性变化如图示。 当电源电压 u2 下降及 u20 时，只要释放磁场能量可以维持 id 继续流通， 可控硅 t 仍然牌导通状态，此时 ud=u2。当 u20 时，虽然 ud 出现负 值，但电流 id 的方向不变。 当电流 id 减小到小于维持电流 ih 时，可控硅 t 自行关断，id=0,ut=u2， 可控硅承受反压。 负载电压平均值：其中电感 ld 两端电压 的平均值为零。 电感 ld 的存在使负载电压 ud 出现负值，ld 越大，ud 负值越大，负载上 直流电压 ud 就越小，id=ud/rd 也越小，所以如果不采取措施，可控硅 的输出就达不到应有的电压和电流。 （3 3）感性负载（带续流二极管，见图）感性负载（带续流二极管，见图 6 6）：）： 15 图 6 电感性负载有续流二极管 在负载上并联一只续流二极管 d，可使 ud 提高到和电阻性负载时一样， 在电源电压 u20 时，d 的作用有点：把电源负电压 u2 引到晶闸管 t 两端，使 t 关断，ut=u2；给电感电流续流，形成 id；把负载短路， ud=0,避免 ud 出现负值，使负载上直流输出电压 ud 提高。 负载电流为晶闸管电流 it 和二极管的续流 id 之和，即 id=it+id。当 ldr 时，id 下降很慢使 id 近似为一条水平线，所以流过 t 和 d 的 电注平均值与有效值分别为：平均值：idt=（/360） id；idd=(360-)/360id；有效值：it=根号下（/360） id；id=根号下(360-)/360id 晶闸管 t 开始导通后，如果电感 ld 很大，it 的上升很慢，这就有可能导致触发脉冲 消失时晶闸管的电流还上升不到维持导通状态的维持电流，就是说，可控硅触发不了，为 了使可控硅可靠触发，触发脉冲应该足够宽，或者在负载两端并联一只电阻，以利于加快 it 的上升。 1.5.晶闸管对触发电路的要求 .1 触发脉冲的作用触发脉冲的作用 各种电力电子器件的门极或控制极的控制电路都应提供符合一定要求的触发脉冲。对 16 于晶闸管的触发脉冲来说，其主要作用是决定晶闸管的导通时刻，同时还应提供相应的门 极触发电压和门极触发电流。 触发脉冲除了包括脉冲的电压和电流参数外，还应有脉冲的陡度和后沿波形，脉冲的 相序和相角以及与主电路的同步关系，同时还须考虑门控电路与主电路的绝缘隔离问题和 抗干扰、防止误触发问题。由于晶闸管是半控型器件，管子导通后即失去控制作用，为了 减少门极损耗，故门极输出不用直流而用单脉冲或双脉冲，有时还采用由许多单脉冲组成 的脉冲列，以代替宽脉冲。 1.5.2 触发脉冲参数要求触发脉冲参数要求 触发脉冲的主要参数有触发电流、脉冲宽度等，具体要求如下： （1）触发电流晶闸管是电流控制型器件，只有在门极里注入一定幅值的触发电 流时才能触发导通。由于晶闸管伏安特性的分散性，以及触发电压和触发电流随温度变化 的特性，所以触发电路所提供的触发电压和触发电流应大于产品目录所提供的可触发电压 和可触发电流，从而保证晶闸管的可靠触发，但不得超过规定的门极最大允许触发电压和 最大允许触发电流。实际触发电流可整定为 35 倍的额定触发电流。 （2）触发脉冲宽度触发脉冲的宽度应能保证使晶闸管的阳极电流上升到大于擎 住电流。由于晶闸管的开通过程只有几微秒，但并不意味着几微秒后它已能维持导通。若 在触发脉冲消失时，阳极电流仍小于擎住电流，晶闸管将不能维持导通而关断。因此对脉 冲宽度有一定要求，它和变流装置的负载性质及主电路的形式有关。 （3）强触发脉冲触发脉冲前沿越陡，越有利于并联或串联晶闸管的同时触发导 通。因此在有并联或串联晶闸管时，要求触发脉冲前沿陡度大于或等于 10v/us，通常采取 强触发脉冲的形式。另外，强触发脉冲还可以提高晶闸管承受 di/dt 的能力。 （4）触发功率触发脉冲要有足够的输出功率，并能方便地获得多个输出脉冲， 每相中多个脉冲的前沿陡度不要相差太大。为了获得足够的触发功率，在门极控制电路中 通常需要功率放大电路。 17 .3 触发脉冲形式要求触发脉冲形式要求 在晶闸管的触发电路中，除了对触发脉冲的具体参数有所要求外，还对触发脉冲的形 式有下列要求： （1）正向脉冲晶闸管的触发电路必须保证加在晶闸管的门极上是一个对阴极为 正电压的触发脉冲。 （2）脉冲形式触发脉冲在形式上有宽脉冲、窄脉冲、脉冲列等多种，一般为了 减小损耗采取窄脉冲或双窄脉冲的形式。有时也采用对宽脉冲进行高频调制，得到脉冲列 的形式。 （3）与主电路同步在可控整流、有源逆变及交流调压的触发电路中，为了使每 一周波重复在相同的相位上触发，触发脉冲必须与上升变流装置的电源电压同步，即触发 信号与主电路电源电压保持固定的相位关系。否则负载上的电压会忽大忽小，甚至触发脉 冲出现在电源电压的负半周，使主电路不能正常工作。 （4）抗干扰能力晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起的， 因此需要在触发电路中采取屏蔽等抗干扰措施，以防止晶闸管的误触发。 除了上述要求外，触发脉冲的移相范围还应满足变流装置主电路的要求，另外触发脉 冲的频率也应可调，以适应变频电路和斩波电路的要求 1.6.同步信号输入和触发脉冲输出 本系统采用三相同步电路。三相交流同步电源取自同步变压器的副绕组，经 rc 移相 后使其过零点正好都对准六个自然换相点，再经三个电压比较器输出周期为 20ms 的三相 方波同步信号，送至单片机 p1 的 p13p15，由于同步信号跳变即为自然换相点，单 片机检测这三位状态字，即可进行软件认相，并作出 a、b、c 的标志，以供 角 定时和输出（触发） 、控制之用。 为简化电路，减少脉冲变压器体积，增强电路的抗干扰能力，本系统采用脉冲列触发 方式。其中六个触发信号经 8155 a 口送出，由外部电路调制成频率为 2khz 的触发脉冲列， 经功放电路分别加到 6 个可控硅的门极。整个触发装置的连接如图 2。 18 1.7.中断安排 8031 单片机共 5 个中断源，其中 1 个用于串行口，两个为 t0、t1 定时计数器中断， 可直接用于外 部中断的只有和，为了给控制系统留下更多的硬件资源，触发器只占用一个中 断源，采用硬件和查询结合的方式，如图 1，a、b、c 三相中断通过非门接至，同时又各 自接到 p10p12位，这样只要有申请，8031 单片机通过检测该三位状态，即可确定 中断源。 19 第二章第二章 单片机单片机 2.1 单片机定时计数器功能及结构简介 在工业检测、控制等许多场合都要用到计数或定时功能。mcs 51 单片机 内有两个可编程的定时器 /计数器，以满足这方面的需要。它们具有两种工作 模式（计数器模式和定时器模式）及 4 种工作方式（方式 0、方式 1、方式 2 和方式 3） ，其控制字、状态字均在相应的特殊功能寄存器中，通过对相应的特 殊功能寄存器的编程，用户可方便地选择适当的工作模式和工作方式。在 8x52 子系列单片机中增加了一个性能更好的定时器 /计数器 t2。 定时器定时器 /计数器的结构计数器的结构 1.mcs-51 系列单片机内部有两个 16 位的定时/计数器，一般用 t0 表示定 时/计数器 0，t1 表示定时/计数 1。其结构如图 2-1 所示into int1 t1(p3.5) t0(p3.4) 溢出 启动 启动 工作方式 工作方式 中断 图 2-1 8051 定时/计数器结构图 2. 定时器 /计数器的结构 mcs 51 单片机内部设置了两个 16 位可编程的 定时器/计数器 t0 和 t1，它们具有计数器方式和定时器方式两种模式及 4 种 工作方式，其状态字均在相应的特殊功能寄存器中。通过对控制寄存器的编程， 用户可以方便地选择适当的工作模式。对每个定时器/计数器（t0 和 t1） ，在 特殊功能寄存器 tmod 中都有一个控制位，它选择 t0 和 t1 是定时器还是 计数器。mcs 51 单片机的微处理器与 t0 和 t1 的关系，如图 5-1 所示，定 时器 /计数器 t0 由 tl0、th0 构成。其中，tmod 用于控制和确定各定时 器 /计数器的工作模式和工作方式；tcon 用于控制定时器 /计数器 t0 和 t1 的启动和停止计数，同时包含定时器 /计数器的状态。它们属于特殊功能寄存 器，其内容依靠软件设置。系统复位时，寄存器的所有位都被清零。 定时器定时器 /计数器功能简介计数器功能简介 1. 定时方法概述在单片机的应用中，可供选择的定时方法有以下几种。在 工业检测、控制等许多场合都要用到计数或定时功能。例如，对外部脉冲进行 （8dh） （8bh） th1tl2 cpu th0tl0 (8ch) (8ah) toon(88h) tmod(89h) th0tl0 内部总线 20 计数、产生精确的定时时间、作为串行通信口的波特率发生器。mcs 51 单片 机内有两个可编程的定时器 /计数器，以（计数器模式和定时器模式）及 4 种 工作方式（方式 0、方式 1、方式 2 和方式 3） ，其控制字、状态字均在相应 的特殊功能寄存器中，通过对相应的特殊功能寄存器的编程，用户可方便地选 择适当的工作模式和工作方式。在 8x52 子系列单片机中增加了一个性能更好 的定时器 /计数器 t2。 2.计数功能：所谓计数功能是指对外部事件进行计数。外部事件的发生以 输入脉冲表示，因此计数功能的实质就是对外来脉冲进行计数。mcs 51 单片 机有 t0（p3.4）和 t1（p3.5）两个信号引脚，分别是这两个计数器的计数输 入端。外部输入的脉冲在负跳变时有效，计数器加 1（加法计数） 。 3. 定时功能：定时功能也是通过计数器的计数来实现的，不过这时的计数 脉冲来自单片机的内部，即每个机器周期产生一个计数脉冲，也就是每个机器 周期计数器加 “1” 。由于一个机器周期等于 12 个振荡器脉冲周期，因此计数 频率为振荡频率的 1/12。如果单片机采用 12 mhz 晶体，则计数频率为 1 mhz，即每微秒计数器加 “1” 。这样，不但可以根据计数值计算出定时时间， 也可以反过来按定时时间的要求计算出计数器的预置值。 4. 工作方式寄存器 tm od 各位功能如下。 m1、m0工作方式 控制位。这两位可构成如表 5-1 所示的 4 种工作方式。 2.2 单片机的中断系统 1.中断系统的组成 mcs51 系列单片机有 5 个中断源,可分为 2 个中断优先级即高优先级和低 优先级,由片内特殊功能 寄存器中的中断允许寄存器 ie 控制 cpu 是否响应中断 请求由中断优先级寄存器 ip 控制各中断源的优先级,同一优先级内各中断源同 时提出中断请求时,由内部的硬件查询逻辑确定其响应顺序.不同的中断源有不 同的中断向量.如下图为 mcs-51 中断控制系统结构。 21 2.中断源及中断向量入口 (1) int0 和 int1:外部中断 0 和外部中断 1,其中断请求信号分别由(p3.2) 和(p3.3)引脚输入。请求信号的有效电平由 it0 和 it1 设置，一旦输入法信号 有效，则将 tcon 中的 ie0 或 ie1 标志位置 1，可向 cpu 申请中断。 (2)t0 和 t1：定时器 0 和定时器 1 中断。当 t0 或 t1 计数器加 计数产生 溢出时，则将 tcon 中地 tf0 或 tf1 标志位置 1，向 cpu 申请中断。 (3) ti 和 ri：串行口的发送和接收中断。当串行口发送或接收完一帧数 据时，将 scon 中 ti 或 ri 标志位置 1，向 cpu 申请中断 中断源向量地址自然优先级 外部中断0中断 定时器0中断 外部中断1中断 定时器1中断 或串行口中断 最高 最低 3.中断控制 (1)中断请求标志寄存器tcon 和 scon 寄存器。在中断系统中，使用哪 种中断，采用何种触发方式，都要是由定时/计数器控制寄存器 tcon 和串行口 控制寄存器 socn 的相关位来规定的。tcon 和 scon 都是 8 位的特殊功能寄 存器。各位的定义为： 22 一. it0 与 it1：外部中断 0（或 1）的触发方式控制位。 二.ie0 与 ie1：外部中断 0（或）中断请求标志位。当外部中断源有申请 则 将相应的标志位置，表示向申请中断。 三.与：定时计数器或的运行控制位，由软件置位 或清 0。 四,和 ：分别为定时器 和定时器 的溢出标志。当定时 器计满产生溢出时，由硬件自动置“” ，并可申请中断。进入中断服务程序后， 由硬件自动清 。这两位也可作为程序查询的标志位，在查询方式下应由软件 来清 。 2.3 单片机的串行通信接口 mcs-51 单片机具有一个采用通用异步接收 /发送器（uart）工作方式的 全双工串行通信接口，可以同时发送和接收数据。利用这个接口 mcs-51 单片 机可以方便地与其他计算机或带串行通信接口的外围设备（如串行打印机、crt 终端等）实现双机、多机通信。 串行通信的基本概念 在数据传输时，如果一个数据编码的各位不是同时发送的，而是按一定顺 序，一位一位地在信道中被发送和接收的，这种传送通信方式称为串行通信。 串行通信的物理信道为串行总线。串行通信可通过串行接口来实现，一般计算 机都会有两个外置的 com 口，这就是串行接口。1.串行传送的方式串行通信的 传送方式按信息传送的方向和同时性，可以分为单工、半双工和全双工三种。 如下图为串行数据传送方式示意图。 串行数据通信共有以下几种数据通路形式。 （1）单工通信（simplex）单工 形式的数据 或信号传送是单向的。通信双方中一方固定为发送端，另一方则固定为接 收端。单工形式的串行通信，只需要一条数据或信号通道，如图 (a)所示。例