开关阵列控制器.doc

智能点阵式灯光控制器的开关阵列控制器设计前 言传统的开关是人工的、机械的、离散的。本文以此为出发点，在保留其优越性的基础上加以改进，真正实现其智能化，并在此基础上更进一步实现节能和操作方便、快捷的效果。本文所介绍的智能点阵式灯光控制系统的设计是实现节能和智能化的必要前提。该项目主要是针对多媒体教室、礼堂、图书馆、阅览室和课堂教室在进行教学、会议、自主学习等活动中，有时需要将照明灯光按照“列”进行“开灯”、“关灯”控制，而在进行多媒体教学活动时，又需要将全部的照明灯光按照与黑板或者银幕平行的“行”方向进行“开灯”、“关灯”控制。而现有的机械式开关只能实现“行”或者“列”一种控制方式，不具有灵活性和通用性，无法满足实际状态的需要。另外，经常出现在授课前需要打开照明灯光，随着授课时间的进行，室内光照强度越来越强，应该关闭照明灯光，但是无法中断授课去关灯，经常出现“长明灯”现象；有的时候，这些场所内空无一人，也经常出现“灯火通明”的空照明现象，极大地浪费了能源。鉴于此，急需研发设计、制作一个通用性好、适应性高，又具有自动光控和人体红外控制的“智能点阵式灯光控制系统”。智能点阵式灯光控制系统以凌阳公司的SPCE061A-16位单片机为控制核心；以按键阵列、光敏检测电路和人体红外线检测电路组成输入控制器；利用电磁继电器阵列组成开关动作阵列板，作为输出控制设备。通过输入控制器输入各种需要的控制信息数据，传入到核心控制器，控制器将输入的控制请求数据进行运算处理得到需要的控制编码数据，通过其端口向开关阵列发出数据，控制灯光阵列的“亮”、“灭”动作。智能点阵式灯光控制器开关阵列控制器是点阵式灯光控制系统的重要组成部分，开关动作模块接收到控制信息后，控制信息传递到驱动电路，进而控制电磁继电器的吸合或者释放动作，最终控制照明灯具的点亮或者熄灭。另外，直流电源模块可以为系统提供稳定的直流电源，保证系统正常工作。1.智能点阵式灯光控制系统的背景介绍1.1 研究背景在多媒体教室、礼堂、图书馆、阅览室和课堂教室等场所，进行不同的课堂教学时，对于灯光的照明方式需求是不同的。1.一般的课堂教学和自学阅览及举行会议时，可能仅仅需要将远离窗户的中间纵向区域进行照明；2.在进行计算机多媒体教学时，需要将前方横向区域的灯光关闭，现有的机械式开关只能完成纵向或者横向一种控制方式，不能同时满足不同阵列控制的需求；3.大多数情况下，进行授课或者会议开始的时候，需要打开灯光进行照明，随着时间的进行，室内光照强度变大，需要关闭灯光时，也无人理会或者不方便关闭照明灯光，常常出现“长明灯”；4.更有甚者，教学、学习场所内空无一人时，也经常出现“空照明”现象，这一切情况都极大地浪费能源；基于此，急需设计、制作一套智能化的多功能照明灯光控制器，本项目就是围绕着这一需求进行设计与制作。1.2 系统功能要解决以上所出现的具体问题要求控制系统具备以下功能：1.按键阵列每一个按键对应控制阵列每一盏灯。实现单点控制功能，可以使任意一盏灯或则任意区域的灯亮或灭，达到灵活控制灯光的目的。2.系统必须具备行和列控制功能。按下行控制键之后，再按下行号键，则对应此行灯泡全亮。再按下列号键，则对应此列灯泡全亮。3.点阵式灯光控制系统需安装有光敏感应装置。当光照相对较强时，光敏电阻会将检测到的光信息传达到单片机，可以实现自动熄灭灯泡的功能。从而达到自动控制的功能，以此节省电能。4.点阵式灯光控制器同时需安装有红外检测装置，红外检测器可以将人体的信息传达到单片机，单片机接收到人体信息时，自动实现控制功能。当室内无人时，单片机会发出熄灭所有灯光的信号，熄灭所有的灯泡，达到节能的目的。1.3 基本思路智能点阵式灯光开关控制器设计核心是对全部照明灯光进行“点阵式”控制，根据照明场所的需求，自动组合成“行”或者“列”进行“点亮”和“熄灭”动作。另外，再配合以光敏检测和人体红外线检测，根据光照度和红外线的检测结论进行自动“熄灭”和“点亮”控制，避免“长明灯”和“空照明”现象的发生。通过按键阵列、光照强度检测电路、人体红外检测电路向核心控制系统发出相关请求信息，核心控制模块接收到请求信息及检测状态数据后，根据需求通过其I/O口向开关阵列模块发出相应的控制数字信息，开关动作模块接收到控制数据信息后，由译码电路进行解码处理，将解码得到的控制数据传递到驱动电路，进而控制电磁继电器的吸合或者释放动作，最终控制照明灯具的点亮或者熄灭。1.4 研究内容本项目设计的目的是设计、制作出一套功能完善齐全、性能稳定可靠的照明灯光控制器。智能点阵式灯光控制系统设计、制作的主要内容包括：按键阵列电路、光照强度检测电路、人体红外线检测电路，电磁继电器开关阵列电路，工作电源线路，模块连接线路和核心控制程序代码设计等几部分。设计、制作的主要步骤：设计控制器的原理图；选择元器件及相关器材；生成PCB线路图；雕刻、制作PCB线路板；元器件焊接、制作电子线路板；设计、调试控制代码并“写入”单片机的程序存储器；连接输入线路板、单片机和开关阵列板。 1.5 研究原理采用行、列扫描方式对按键阵列进行识别处理得到设置操作的按键编码；利用光敏电阻进行光照强度检测，获取到稳定、可靠的光控数据；采用红外线检测开关识别场所内是否有人员信息，传递到单片机的输入端口得到控制数据；利用C语言环境设计、调试单片机的控制程序代码；选用ULN2003作为电磁继电器的译码和驱动芯片控制继电器的吸合与释放动作，从而控制照明灯光的“亮”、“灭”动作。本文主要介绍智能点阵式控制器的开关阵列控制器设计原理，主要包括智能灯光开关阵列的工作原理及方法，直流电源的工作原理和方法。2.智能点阵式灯光控制系统模块连接总体介绍2.1 智能点阵式灯光控制系统的组成部分智能点阵式灯光控制系统需要设计三个模块：一是“按键阵列”与光照强度检测和人体红外检测模块；二是以凌阳SPCE061A单片为核心的控制模块；三是由解码电路、电磁继电器阵列组成的开关动作阵列。2.2 模块连接示意图人体红外信号光照强度信息键值键盘控制信息凌阳十六位单片机SPCE061A5x4控制键盘阵列4x4灯泡阵列自动光敏检测电路自动红外开关控制电路驱动阵列继电器阵列核心控制器控制信息220V 零线火线图2-1 模块连接示意图2.3 模块整体调试要完成智能控制功能，还需要用8位的并口排线将各个线路板相连接。使其成为完整的系统，实现具体的功能。智能点阵式照明灯光控制器主要包括：按键阵列模块、光敏与人体红外线检测电路模块，电磁继电器开关阵列模块，工作电源线路板模块。安装完毕后，接通电源。分别对按键阵列模块、光敏与人体红外线检测电路模块，电磁继电器开关阵列模块，工作电源线路板模块各个模块进行调试，若发现故障，逐个排查改进直至成功。2.4 智能点阵式控制器的开关阵列控制器本文将着重讲解智能点阵式灯光控制器的开关阵列控制器，也就是示意图的右半部分，其中包括驱动阵列、继电器阵列、照明灯光阵列，另外还有直流电源线路板部分。智能点阵式灯光控制器开关阵列控制器是点阵式灯光控制系统的重要组成部分，中心控制器发出的控制数据信息，此种信号并不能直接简单的传给照明灯光电路，更不能简单地理解为送“1”信号灯亮，反之灯灭。而是将控制数据传递到驱动电路，驱动器正确的与继电器相连，进而控制电磁继电器的吸合或者释放动作，最终控制照明灯具的点亮或者熄灭。其中将涉及驱动连接，电子开关继电器的选择和连接等问题。另外，直流电源模块可以为系统提供稳定的直流电源，保证系统正常工作。3.智能点阵式灯光控制器的开关阵列控制器的功能介绍3.1 对中心控制器输出信号的“识别”功能 3.1.1 单片机IOA端口与灯泡的对应得连接方法单片机的输出端口与驱动连接后与继电器相连接，然后连接灯泡。简单的说单片机IOA端口IOA0-IOA15与灯泡的第1号灯泡-第16号灯泡是相对应的。单片机通过IOA端口输出数据来控制灯泡的亮与灭。3.1.2 “0”、“1” 数据控制灯光状态转换的原理 SPCE061AIOA0IOA1IOA2IOA13IOA14IOA15010 100图3-1 数据状态转换图如上图所示：要实现的目的就是单片机输出高电平灯泡发光而输出低电平时灯泡熄灭，开关阵列控制器以此来接收单片机输出的数据。3.2 ULN2003的驱动功能3.2.1 驱动ULN2003是单片机与继电器连接的关键要使单片机控制继电器正常工作，必须正确的添加驱动，才可以保证继电器正常工作。ULN2003是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平ULN2003输出端为高电平，继电器得电吸合。ULN2003是大电流驱动阵列可直接驱动继电器等负载。输入5V电平，输出可达500mA/50V。 3.2.2 ULN2003的优点ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连。ULN2003是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 3.3 继电器的开关控制功能 电子线路控制电压都是直流电压，而要控制灯泡的亮与灭必须要一个直流电到交流电的中转开关-继电器。继电器是一种电子控制器件，它具有输入回路和输出回路，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。点阵式灯光控制系统中，单片机输出5V电压，而灯泡正常工作所需要的是220V交流电压，继电器在连接直流电到交流电之间起到至关重要的作用。3.4 工作电源的供电功能 在电子设备中，一般都需要稳定的直流电源供电。在点阵式控制系统中，继电器供电电源为9V，驱动ULN2003倒灌电压为9V，三级管集电极电压为5V。我们所拥有的电源为220V、50HZ的高电压电源，为了满足需要，还要制造出线路板上所需要的5V和9V的直流供电电源。工作电源模块线路起到为系统供电的功能。4.智能点阵式控制器的开关阵列控制器研究的主要问题4.1 继电器的选用问题首先应熟悉控制电路的电源电压，能提供的最大电流，被控制电路中的电压和电流。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用依据。控制电路应给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。由于我们使用继电器正常工作电压为9V，仅仅靠单片机的电压是无法使其正常工作，要想让继电器正常工作就得使用驱动，这里选用ULN2003与9V电源相连接来驱动继电器正常工作。4.2 驱动的选用问题选取哪种驱动方式可以更好的接收单片机发出的信号，同时并将信号有效的传达到继电器开关阵列，又能做到线路简单，是开关控制器要解决的重要问题。驱动ULN2003具有驱动继电器的重要功能，使用ULN2003起到提高效率、有效控制的很多好处。但是ULN2003的使用是采用倒灌电流的接法，错误的使用会烧坏芯片，造成浪费，同时系统也无法工作。4.3 驱动ULN2003与继电器的连接问题 如何正确的连接驱动与继电器电路，是保证点阵式开关控制系统正常工作的前提。单片机要与继电器连接需用驱动元件，智能控制系统采用ULN2003作为驱动元件，连接时采用倒灌电流接法，才能保证正常工作。单片机的输出信号控制驱动ULN2003，然后ULN2003与继电器相连接控制继电器正常工作，最后继电器与灯泡相连接，完成智能部件对灯光的控制。4.4 电源电路的制作问题直流电源的输入为220V的电网电压，所需要的直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大，需要通过工作电源线路对交流电压进行处理。工作电源由220V、50HZ电网电压、电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等几部分构成。要产生适于电子线路正常工作的直流电源，必须保证电源线路的每一部分线路正常工作，才可制造出适合控制系统的工作电流。才可保证点阵式智能灯光控制系统正常工作。4.5 三端稳压器使用应注意问题三端稳压器W7805的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于7V，这样输入、输出之间有23V及以上的压差。保证调整管工作在放大区。但压差不可取的太大，否则，又会增加集成块的功耗。所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不至于功耗偏大。才能保证电源电路产生稳定的直流电源。 4.6 准确连接线路注意问题从绘制原理图到制作PCB图，必须细心准确，确保每一线路的连接正确无误。单片机的输出端口要准确的与灯泡对应，如果出现错误，将会导致线路无法响应控制信号，或则出现灯泡状态一片混乱无法控制，更无法实现系统的功能。 5.智能点阵式灯光控制器的开关阵列控制器的实现方法介绍5.1 继电器的线路连接方法5.1.1 继电器的使用单片机输出的电压只有5V，无法控制灯泡阵列正常工作，要想合理控制照明电路需要将所设计的电路板通过继电器与220V的电网电压相连接。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。5.1.2 继电器连接电路原理图图5-1 继电器连接电路原理图5.1.3 继电器电路连接方法1.ULN2003与继电器的连接采用倒灌的电流的连接方法，将单片机输出的5V电压“巧妙的转换”为9V，从而使继电器正常工作。2.继电器与灯泡的连接继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。“常闭”是指继电器中的线圈电路。“常开”是指继电器的“开关”，在连接线路中与电网电压的火线相连接，每个灯泡都与继电器单独采用火线连接。另外所有的灯泡采用共用零线的接法。在线圈无电流经过时为断开，当线圈内有电流流过时，开关闭合，根据以上的示意图可知，当ULN2003输出电流时，继电器开关吸合，此时灯泡与电网电压相连，灯泡发光。5.2 驱动ULN2003在开关线路中的使用方法5.2.1 ULN2003电路连接示意图13456782单片机输出5V9V电源接地161514131211109驱动继电器图5-2 ULN2003电路连接示意图5.2.2 驱动ULN2003的电路连接方法介绍 单片机输出的高电平与ULN2003的1-7号引脚连接，10-16号引脚与继电器相连。8号引脚接地。9号引脚采用倒灌连接方式，即继电器的一端接9V电源，一端与ULN2003的输出引脚相连接。5.3 电磁继电器阵列电路 5.3.1 电磁继电器阵列电路的组成部分由以上说明可知，电磁继电器阵列电路连接图。电磁继电器阵列电路由单片机与驱动ULN2003连接电路、驱动与继电器连接电路、继电器与灯泡连接电路以及灯泡零线和火线连接电路组成。5.3.2 电磁继电器阵列电路原理图如下：图5-3 电磁继电器阵列电路原理图5.4 工作电源的制作方法5.4.1 直流电源的工作原理1.直流电源的输入为220V的电网电压，所需要的直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大，需要通过电源变压器降压后，在对交流电压进行处理。2.变压器的副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，它含有较大的交流分量，会影响负载的正常工作。不能直接作为电子电路的供电电源。3.为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出的电压平滑。4.交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是随负载的变化，其平均值也会变化。稳压电路的功能是使输出的直流电压基本不受负载和电网电压的影响，从而获得较高的稳定性。5.4.2 直流电源的组成方框图电源变压器整流电路滤波电路稳压电路图5-4 直流电源方框图220V 50HZ5.4.3 工作电源线路板原理图如下：图5-5 工作电源线路板原理图5.4.4 直流电源工作流程介绍1.当市电经过变压器，将市电电压转换成所设计的电压后,进入了预稳压电路,预稳压电路是对所要的输出电压进行初步稳压,其目的是减少大功率调整管的功耗，提高直流电源的工作效率。2.经过预稳压电源和滤波器后得到的电压基本稳定、纹波相对较小的直流电，直流电经过控制电路的控制，得到稳压精度和性能符合标准的直流电压，再经过滤波器进行滤波后既得到我的所需要的输出直流电。3.为了得到我的所需要的输出电压值，我们还需要将其传送到控制、保护电路，控制、保护电路，将检测到的输出电压值与电压设定电路所设定的值进行比较分析后，驱动预稳压电路，同时直流稳压电源能输出我们所设定的电压值，同时当控制、保护电路检测到异常的电压值等情况下将启动保护电路使直流电源进入保护状态。 6.智能点阵式灯光控制器开关阵列控制器各部分组成模块介绍61 智能点阵式灯光控制器电磁继电器阵列模块电路介绍6.1.1 “电子开关”-电磁继电器简介1.继电器是一种电子控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。 继电器是一种当输入量达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。 2.电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下吸向铁芯。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会返回原来的位置。这样吸合、释放，从而实现电路的导通、切断的目的。3.汇科继电器HK3FF-DC9V-SHG工作参数（1）10A触点切换能力；（2）具有一组常开触点和常闭触点；（3）最大切换电压：277V AC/30V DC；（4）最大切换电流：15A；（5）最大切换功率：277V AC/210W；（6）额定负载（阻值）：10A277V AC30V DC；（7）接触电阻：100m（at 1A6V DC）；（8）线圈功耗：0.45W；（9）动作时间：Max.10ms；释放时间：Max.5ms； 4.汇科继电器HK3FF-DC9V-SHG有许多优点，而且便于使用，能够满足我们的需求，因此选用此继电器。6.1.2 驱动器ULN2003简介1.高耐压、大电流达林顿管IC-ULN2003，由七个硅NPN 达林顿管组成。每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。2.ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流下并行运行。 ULN2003采用DIP16 或SOP16 塑料封装。 3.ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达350mA，负载接在VCC与16脚之间，9脚采用倒灌电流接法。 4.ULN2003的内部结构图11110934567815141312216图6-1 ULN2003的内部结构图5.ULN2003芯片引脚介绍引脚1：CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2：CPU脉冲输入端。引脚3：CPU脉冲输入端。引脚4：CPU脉冲输入端。引脚5：CPU脉冲输入端。引脚6：CPU脉冲输入端。引脚7：CPU脉冲输入端。引脚8：接地。引脚9：该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。 6.2 工作电源线路板各组成部分介绍稳压电路滤波电路整流电路电源变压器220V50HZ6.2.1 工作电源的连接示意图220V交流电源7805保险丝FUSE全桥电路BRIDGE7809滤波电容压敏电阻 MYG12V变压器图6-2 工作电源的连接示意图6.2.2 保险丝1.玻璃管保险丝的作用保险丝是一种故意设置在电路中对电流敏感的元件，在电路正常工作时，它对所保护的电路没有影响，它阻值小，基本没有阻值，没有功率消耗。当电路异常，电流过大或电路出现短路时能够迅速的切断电源，保护电路和其他的元器件。保险丝起到过流保护的作用，使直流电源电路在出现不正常的情况时不至于损坏。它流过的电流近似为负载电流，电网电压的波动和输出电压的变化都会影响保险丝电路，保护丝电路起到保护电路至关重要的作用。 2.玻璃管保险丝工作原理当电流流过导体时，因导体存在一定的电阻，所以导体将会发热。且发热量遵循公式：Q=0.24*I2*R*T（其中Q是发热量，0.24是一个常数，I是流过导体的电流，R是导体的电阻，T是电流流过导体的时间）；依此公式：电阻R确定了，当电流流过它时，它就会发热，随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度，保险丝的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度，若产生热量的速度小于热量耗散的速度时，保险丝是不会熔断的。若产生热量的速度等于热量耗散的速度时，在相当长的时间内它也不会熔断。若产生热量的速度大于热量耗散的速度时，那么产生的热量就会越来越多。又因为它有一定比热及质量，其热量的增加就表现在温度的升高上，当温度升高到保险丝的熔点以上时保险丝就发生了熔断。3.玻璃管保险丝的选用（1）保险丝的材料具有较低的融化温度，对环境温度比较灵敏，而且其折减率比较大。正确的使用保险丝，既能保证电路的安全运行，又能使保险丝安全长寿的工作。电路的额定电压为220V，工作电流为3A，采用玻璃管保险丝，要求保险丝长期工作在90，则所选用的保险丝额定电流为 In=Ir/(fo*f1)=2/(0.75*0.4)=3A。 很显然选用保险丝额定电流太大，当遇到异常情况时，保险丝很难熔断达不到保险的目的，如果选择的额定电流太小，即使未遇到异常情况保险丝也会保护，使电路无法正常工作。（2）3.6X10mm慢断玻璃管保险丝保险丝料号：3TP003；额定电流：3A；额定电压250V；分断能力：100amperes at 250V AC （2.5-5A）；I2T参考值：18.108；这样看来此种保险丝已经满足我们的要求，安装在电路中，可以起到，保护电路和负载的作用。6.2.3 压敏电阻工作参数1.压敏电阻器是敏感电阻器中的一种，是利用半导体材料的非线性特性的原理制成的，它是一种当外加电压施加到一定临界值时，电阻器的电阻值急剧变小的敏感电阻器。压敏电阻器具有平均持续功率小、残压低、响应时间快、体积小等特性。压敏电阻器（MYG-05D391K）满足我们的要求，下面介绍它的主要参数。2.压敏电阻器（MYG-05D391K）的主要参数表6-1 MYG-05D391K的主要参数最大连续工作电压压敏电压最大限制电压AC（V）DC（V）U0.1mAUp（V）Ip（A）250320390（351-429）6755通流容量最大能量额定功率静态电容量1次（A）2次（A）10/1000uS2ms（W）1kHZ（pf）80060017120.10653.压敏电阻器的结构就像是两个特性一致的背靠背连接的稳压管。压敏电阻器的主要特性是：当两端所加的电压在标称值以内时，其电阻值几乎为无穷大，处于高阻状态，漏电流50uA；当两端电压稍微超过额定电压时，其阻值急剧下降，立即处于导通状态，工作电流增加几个数量级，反应时间仅在毫微级别。6.2.4 220V变12V变压器（E型铁芯变压器）1.变压器参数计算电源变压器初级线圈匝数的计算：电源的变压器铁心的磁感应强度B，可从负的最大值-Bm，变化到正的最大值+Bm。变压器初级线圈两端的电压仅等于输入电压Ui的二分之一。设直接加到电源变压器初级线圈两端的电压为Uab，且Uab =Ui/2，N1= Uab *108/（2*S* Bm）；-变压器初级线圈匝数或 N1= Uab * 108/（4*F*S* Bm）；-占空比D=0.5上式就是计算电源变压器初级线圈N1绕组匝数的公式。式中，N1为变压器初级线圈N1绕组的最少匝数，S为变压器铁心的导磁面积，Bm为变压器铁心的最大磁感应强度；Uab为加到变压器初级线圈N1绕组两端的电压，Uab =Ui/2 ，Ui为开关电源的工作电压，单位为伏；= Ton，为控制开关的接通时间，简称脉冲宽度，或电源开关管导通时间的宽度；F为工作频率，单位为赫兹。2.变压器的温升t在环境温度为25时，将变压器的初级接上额定输入电压，次级接上额定负载，使变压器正常工作。然后将输入电压增加到1.06倍额定输入电压，待变压器达到热稳定状态后，测量变压器的温升t及外壳温度。对耐热等级为b级（130）的变压器来说，t95k，外壳温度不大于80。 3.介电强度变压器的初级和次级之间、初级和壳体之间应能承受4200v历时1min.的交流电压而不出现击穿或闪络现象。4.变压器的选用（1）所选变压器的输出电压计算方法：我们所需要的直流电源为5V和9V，因此所选用的变压器是一个输出为12V-15V的变压器，下面列出各种稳压值变压器的输出电压：表6-2 稳压值变压器的输出电压稳压值变压器电压5V-6V8V-9V8V-9V11V-13V12V15V理论上来说应该是我们所需要的电压为9V: 9*1.414=12.726V；但是一般达不到，看所带负载的大小,一般在1113V左右。（2）所选变压器的功率计算方法变压器的使用原则之一是负载消耗的总功率不得超过变压器的输出功率，否则变压器会因过载而发热甚至烧毁。一般负载功率占输出功率的85%较为合适。电路的负载主要包括：继电器开关阵列（7.2W）；驱动ULN2003（3W）；另外还有光敏检测电路、红外检测电路，整流电路（3W），滤波电路（电容很少消耗能量），稳压电路（1.5W）以及线路板导线等都要消耗功率。另外，电源电路各部件都要消耗功率。要保证负载正常工作，变压器的功率必须大于负载所需要的功率。（3）我们选用的220V变12V变压器的参数：功率：20W；输出电压：12V；输出电流：150mA ；它可以为负载电路正常工作，满足我们制作电路的要求。6.2.5 桥式整流电路桥式整流电路原理：桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交流电转变为直流电。1.桥式整流电路的工作原理：桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值,比全波整流电路小一半。外部有4条引线，分别为交流输入线（A，B）和直流输出线（C，D）。图6-3 桥式整流电路原理图2.桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。3.全桥组件(KBP307)的性能参数全桥组件(KBP307)的主要参数有：最大反向峰值电压URM：1000V；额定正向整流电流Io：3.0A；最大整流电压URM：700V；30下的额定工作电压：1.1V；全桥组件(KBP307)在直流电源电路中应用非常广泛，选用KBP307可以实现较好的整流效果。4.全桥组件(KBP307)的引脚排列顺序：直接标明、极和交流接线符号外，通常以靠近缺角端的引脚为，中间两脚为交流输入端。6.2.6 滤波电路1.滤波电路电路作用滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器，或与负载串联电感器，以及由电容，电感组成而成的各种滤波电路。2.滤波电路工作原理（1）当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；（2）当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小；（3）经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。 在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。3.滤波电容的参数计算图6-4 滤波电路原理图（1）一个正弦交流电源U（220V AC 50HZ）施加在电容电路上时，电容器两极板上的电荷，极板间的电场都是时间的函数。也就是说，电容器上电压电流的有效值和幅值同样遵循欧姆定律。加在电容上的电压幅值一定，频率一定时，就会流过一个稳定的正弦交流电流ic。容抗越小，流过电容器的电流越大，在电容器上串联一个合适的负载，就能得到一个降低的电压源，可经过整流，滤波，稳压输出。（2）波电容C的选择：a、波电容C电容值的计算方法：波电容C电容值取决于负载电流，负载电流I确定后,可得: C*f*U/2 式中交流电源U值计算时取10%，即：I=150mA，U=220V*（10%）=22V，f=50HZ,C0.3*(2*3.14156*50*22)=2.2kuF) 电容值只可取大，不可取小。b、耐压值的选择：要考虑电源正10%的情况；耐瞬间冲击电流的选择：电解电容的内阻是很低的，允许电容在吞吐能量时，有大的电流流过，这个电流的大小取决于电容值和它的du/dt值，此值由电容的结构、类型、引出线的方式决定的。du/dt值与电容的耐压值有关，耐压越高，du/dt值越大。（3）滤波电路脉动系数计算：变压器的副边电压U2处于正半周期的最大值并且大于电容两端电压Uc时，二极管D1，D3导通，电流一路流经负载R，另一路流经电容对其充电。当U2上升到峰值时开始下降，电容通过负载电阻放电，其电压Uc开始下降，趋势与U2相同。但是电容按指数规律放电，所以当U2下降到一点数值时，Uc的数值小于U2的下降速度，使Uc大于U2 从而导致D1、D2方向偏置而截止。此后电容继续放电。电容越大，负载电阻越大，滤波后的电压越平滑，并且平均值越大。当滤波电容容量一定时，若负载电阻减小，则时间常数RIC减小，放电速度加快，输出电压平均值随即下降，且脉动变大。脉动系数计算：峰-峰值Uomax-Uomin ；基波峰值：（Uomax-Uomin）/2=TUomax/（4RlC）；脉动系数：S=1/（4RlC/T-1）；（4）滤波电容GSC 2200F性能参数：电容值：2200F；耐压值：16V；耐温值： 85或105；可以保证电源电路的正常工作，完成滤波的功能。6.2.7 集成稳压器稳压电路1.虽然整流滤波电路能够将正弦交流电压变换成为较平滑的直流电压，但是，一方面，由于输出电压的平均值取决于变压器复变电压的有效值，所以当电网电压波动时输出的电压平均值也会随之变化；另一方面由于整流滤波电路的内阻存在，当负载变化时，内阻上的电压产生变化，于是输出电压平均值随之产生相反的变化。2.三端稳压器-W7805、W7809（1）三端稳压器简介三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。 （2）三端稳压器的原理当电网电压降低或负载电阻减小而使输出端电压有所下降时，其取样电压相应减小，基极电位下降。但因稳压管的稳定电压保持不变，所以发射极电压减小，导致集电极电流减小而集电极电位升高。由于放大管的集电极与调整管的基极接在一起，基极电位升高，导致集电极电流增大而管压降减小。同理,当电网电压或负载发生变化引起输出电压增大时，通过取样、比较放大、调整等过程，将使调整调整管的管压降增加，结果抑制了输出端电压的增大，输出电压仍基本保持不变。 3.三端稳压器的特点（1）输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速减低,并且容易击穿损坏;（2）输出电流不能太大,1.5A 是其极限值。大电流的输出,散热片的尺寸要足够大,不然会导致高温保护或者热击穿;（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。（4）(VI)和(Vo)之间的关系，三端稳压器的固定输出电压是5V，而输入电压至少大于7V，这样输入/输出之间有23V及以上的压差。使调整管保证工作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不至于功耗偏大。 4.三端稳压器主要性能参数（1）在温度为25条件下W7805的主要参数：表6-3 W7805的主要参数参数名称符号测试条件单位W7805（典型值）输入电压U1V10输出电压UoIo=500mAV5最小输入电压UiminIo1.5VV7电压调整率SuIo=500mA8VU118VmV7电流调整率Si10mAIo1.5AmV25输出电压温度变化率SrIo=5mAmV/1输出噪声电压Uno10kHZf100kHZuV40（2）在温度为25条件下W7809的主要参数：表6-4 W7809的主要参数参数名称符号测试条件单位W7809（典型值）输入电压U1V24输出电压UoVi=11.5V to 24VV9线形调整率VoVi=12V to 24VmV6负载调整率VoIo=5mA to 1.5AmV12静态电流IQmA5短路电流IscVi=35VmA250峰值电流IpkA2.2从表中参数可知，W7805的输入端和输出端之间的电压允许值为3V-13V；输出交流噪声很小，温度稳定性很好。W7809是三端正电源稳压电路的稳压元件。如果有足够的散热片，他们能够提供大于1.5A的输出电流。W7809的最大输出电流为1.5A；输出电压为9V；具有热过载保护；短路保护功能。（3）输出电压计算过程以W7805为例介绍输出电压得计算方法，W7805以复合管作为放大管，调整管为有源负载组成的共射放大电路作为比较放大电路。*基准电压UREF：UREF=UBE+I*R； UREF= 4*UBE + I*R；UREF =4* Ugo ；*输出电压Uo：Uo=(1+R)* UREF5V；输出电压和输入电压取决于所选的三端稳压器。5.三端稳压器的优点三端输出稳压器，因内部有过热、过流保护电路，因此它的性能优良、可靠性高。又因为这种稳压器具有体积小、使用方便、价格低廉等优点、所以得到广泛的应用。由于内部电流的限制，以及过热保护和安全保护区的保护，使他基本上不会损坏。7.智能控制系统的设计总结71智能点阵式灯光控制器开关阵列电路重要性智能点阵式开关阵列控制器，在灯光控制系统中起到了连接单片机低电压和电网电压的重要作用，其中包括单片机与驱动的连接，