基于单片机实现的普通灯泡调光控制器

基于单片机实现的普通灯泡调光控制器基于单片机实现的普通灯泡调光控制器 一 实验要求 一 实验要求 用单片机控制一个普通灯泡的亮度 一路开关控制普通灯泡电源的通断 另外两路开关分别控制普通灯泡亮度的增加和减小 二 调光控制器实验原理 二 调光控制器实验原理 在日常生活中 我们常常需要对灯光的亮度进行调节 本调光控制器通过 单片机控制双向可控硅的导通来实现白炽灯 纯阻负载 亮度的调整 双向可控 硅的特点是导通后即使触发信号去掉 它仍将保持导通 当负载电流为零 交流 电压过零点 时 它会自动关断 所以需要在交流电的每个半波期间都要送出触 发信号 触发信号的送出时间就决定了灯泡的亮度 调光的实现方式就是在过 零点后一段时间才触发双向可控硅开关导通 这段时间越长 可控硅导通的时 间越短 灯的亮度就越低 反之 灯就越亮 三三 硬件部分及实验原理图 硬件部分及实验原理图 控制部分 选择可多次写入的可编程器件 ATMEL 的 AT89C51 单片机 驱动部分 要驱动的是交流 可以用继电器或光耦 可控硅来驱动 可控硅 在电路中能够实现交流电的无触点控制 以小电流控制大电流 并且不象继电 器那样控制时有火花产生 而且动作快 寿命长 可靠性高 所以这里选用的 是可控硅控制 负载部分 本电路以单片机控制白炽灯的亮度变化 一 硬件设计 一 硬件设计 1 I O 通道的设计 1 同步信号采集电路 同步信号采集电路 由于系统采用的是延时给脉冲的工作方式 必须准确计算延时的时间 延时必 须每次在工频信号的过零点开始算起 因此需准确采集工频信号的零点 图中整流后的波形中的水平虚线表示光耦 P521 输入二极管的门限电压 如图 P521 引脚图 整流输出过零点波形图 脉冲对应工频信号的过零点 此脉冲信号作为系统的中断输入 P3 2 口 控 制延时计算的开始 2 可控硅触发电路 可控硅触发电路 系统采用双向可控晶闸管控制电路通断 给脉冲后管子导通 过零后自动关断 L1 D 是单片机输出的触发信号 该信号通过光控可控硅 MOC3022 去驱动可控 硅 BT136 MOC3022 是 DIP 6 封装的光控可控硅 其 1 2 脚分别为二极管的正负极 4 6 脚为输出回路的两端 3 5 脚不用连接 如图 MOC3022 引脚图 BT136 一般有最大电流的 0 05 就可以保证可靠触发 如图 BT136 外形图 触发信号电路图 主电源导通区间同步信号触发信号时序图 脉冲的给定是在中断延时到后有 CPU 的 P3 0 口输出到驱动电路 控制管子 导通 触发信号直接决定晶闸管的导通时间 从而控制主电源输出有效值 间 接调控灯泡亮暗 二二 单片机及其特点 单片机及其特点 80C51 有 40 个引脚 4 个 8 位并行 I O 口 1 个全双工异步串行口 同时 内含 5 个中断源 2 个优先级 2 个 16 位定时 计数器 80C51 的存储器系统由 4K 的程序存储器 掩膜 ROM 和 128B 的数据存储器 RAM 组成 80C51 单片机的基本组成框图见图 时钟电路 ROM EPROM Flash 4KB RAM128B SFR 21个 定时个 计数器2 CPU 总线控制 中断系统 5个中断源 2个优先级 串行口 全双工1个 4个并行口 XTAL2XTAL1 RST EA ALE PSEN P0P1P2P3 Vss Vcc 80C51 单片机结构 80518051 单片机主要由以下几部分组成单片机主要由以下几部分组成 1 CPU 系统 8 位 cpu 含布尔处理器 时钟电路 总线控制逻辑 2 存储器系统 4K 字节的程序存储器 ROM EPROM Flash 可外扩至 64KB 128 字节的数据存储器 RAM 可再外扩 64KB 特殊功能寄存器 SFR 3 I O 口和其他功能单元 4 个并行 I O 口 2 个 16 位定时计数器 1 个全双工异步串行口 中断系统 5 个中断源 2 个优先级 80C5180C51 单片机主要特性单片机主要特性 1 一个 8 位的微处理器 CPU 2 片内数据存储器 RAM 128B 用以存放可以读 写的数据 如运算的中间结 果 最终结果以及欲显示的数据等 SST89 系列单片机最多提供 1K 的 RAM 3 片内程序存储器 ROM 4KB 用以存放程序 一些原始数据和表格 但也有 一些单片机内部不带 ROM EPROM 如 8031 8032 80C31 等 目前单片机的发 展趋势是将 RAM 和 ROM 都集成在单片机里面 这样既方便了用户进行设计又提 高了系统的抗干扰性 SST 公司推出的 89 系列单片机分别集成了 16K 32K 64K Flash 存储器 可供用户根据需要选用 4 四个 8 位并行 I O 接口 P0 P3 每个口既可以用作输入 也可以用作输出 5 两个定时器 计数器 每个定时器 计数器都可以设置成计数方式 用以对 外部事件进行计数 也可以设置成定时方式 并可以根据计数或定时的结果实 现计算机控制 为方便设计串行通信 目前的 52 系列单片机都会提供 3 个 16 位定时器 计数器 6 五个中断源的中断控制系统 现在新推出的单片机都不只 5 个中断源 例 如 SST89E58RD 就有 9 个中断源 7 一个全双工 UART 通用异步接收发送器 的串行 I O 口 用于实现单片机之 间或单机与微机之间的串行通信 8 片内振荡器和时钟产生电路 但石英晶体和微调电容需要外接 最高允许振 荡频率为 12MHz SST89V58RD 最高允许振荡频率达 40MHz 因而大大的提高了 指令的执行速度 单片机最小系统单片机最小系统 1 复位电路 复位电路 单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚 RST 上外接电阻和电容 实现 上电复位 当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效 复位电平的持续时 间必须大于单片机的两个机器周期 具体数值可以由 RC 电路计算出时间常数 复位电路由按键复位和上电复位两部分组成 1 上电复位 上电复位 STC89 系列单片及为高电平复位 通常在复位引脚 RST 上连接一个电容到 VCC 再连接一个电阻到 GND 由此形成一个 RC 充放电回 路保证单片机在上电时 RST 脚上有足够时间的高电平进行复位 随后回归到低 电平进入正常工作状态 这个电阻和电容的典型值为 10K 和 10uF 2 按键复位按键复位 按键复位就是在复位电容上并联一个开关 当开关按下时 电容被放电 RST也被拉到高电平 而且由于电容的充电 会保持一段时间的 高电平来使单片机复位 复位电路图 2 2 振荡电路 振荡电路 单片机系统里都有晶振 在单片机系统里晶振作用非常大 全程叫晶体振 荡器 他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率 单片机晶振提供的 时钟频率越高 那么单片机运行速度就越快 单片接的一切指令的执行都是建 立在单片机晶振提供的时钟频率 在通常工作条件下 普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十 高级的精 度更高 有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率 称为压控振荡器 VCO 晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作 以提供稳定 精确的单频振荡 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号 通常一个系统共用一个 晶振 便于各部分保持同步 有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振 而 通过电子调整频率的方法保持同步 晶振通常与锁相环电路配合使用 以提供系统所需的时钟频率 如果不同 子系统需要不同频率的时钟信号 可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提 供 STC89C51使用11 0592MHz的晶体振荡器作为振荡源 由于单片机内部带 有振荡电路 所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可 电容容量一般在 15pF至50pF之间 单片机控制电路原理图单片机控制电路原理图 控制原理总图 控制原理总图 器件的整定选型器件的整定选型 1 整流桥的选型 交流电压有效值为 220V 故整流桥二极管两端承受的正 反向重复峰值电压 Um Un 311V2 整流桥二极管电压额定值为 2 3 倍的裕度 Ue 2 3 Um 622 933 V 二极管正常工作电流 10mA 计算根据 DB107 合适 2 光电耦合器的选型 交流信号直接经整流桥后 得到直流电压 光电耦合器发光二极管两端承 受峰值电压为 Um 1 414Un 311V 发光二极管电压额定值 Ue 2 3 Um 622 933 V Um 加于光耦 LED 两端会直接击穿 LED 故在信号进入整流回路前串入分压限流 电阻 R3 R4 即可防止击穿 LED 光电耦合器 TLP521 1 的参数 最大隔离电压 2500V LED 最大正向电流 70mA 最大操作 Vceomax 24V LED 最大正向电流 20mA TLP521 1 合适 电阻 R1 R2 R3 的选型 基于本次设计的实际要求 选 R1 R3 阻值为 15 千欧姆 流过光耦 LED 的 电流有效值 I 220 0 7 30 7 3mA 二极管压降 0 7V 可忽略 满足光耦导通条件 R1 R3 功率大小的选择Pmax 0 0735W 2 I R 按降额 70 标准使用 R3 R4 功率大小选择为 2W 电阻 R2 的选型由光耦 TLP521 1 集电极最大通过电流确定 TLP 521 1 集电极 通过最大电流为 50mA R9 阻值选为 5 1 千欧姆 光耦导通时通过集电极电流 I 5 5 1 10mA 故 R2 选为 5 1 千欧 1 4W 3 光耦可控硅 MOC3022 的选择 此电压为 BT136 的触发电压 电阻 R4 R5 选择 180 220 U 33 5V 1000 180 1K 2W 及 180 2W 4 白炽灯的选择 本实验白炽灯为 220V 25W 工作时 温度越高 白炽灯电阻越大 即热态电阻是冷态电阻的 16 倍 四四 元器件参数列表 元器件参数列表 器件名型号规格数量其他 单片机 80515V 3mA1AT98C51 光电耦合器 P52124V 25mA1 过零检测 隔离 桥堆 DB107700V 50A1 整流 光耦 MOC30221 5 V 50 mA1 驱动控制 隔离 可控硅 BT136600V 4A1 双向导通 限流电阻 30K 2W2 上拉电阻 5 1K2 限流电阻 270 1 可控硅电阻 1K 2W1 可控硅电阻 180 2W1 按钮 3 五 程序控制思想 五 程序控制思想 控制的对象是 50Hz 的正弦交流信号 通过同步信号检测电路 将同步信号 送至单片机的中断口 单片机接收到同步信号后就启动一个延时程序 延时的 具体时间由按键来改变 延时结束后 单片机立即产生触发信号 触发信号可 使可控硅导通 电流经过可控硅流过白炽灯 使灯发光 延时越长 亮的时间 就越短 灯的亮度越暗 由于延时的长短是由按键决定的 所以实际上就是按 键控制了光的强弱 理论上讲 延时时间应该可以是 0 10ms 内的任意值 在程序中 将一个 周期均分成 N 等份 每次按键只需要去改变其等份数 在这里 N 越大越好 但由于受到单片机本身的限制和基于实际必要性的考虑 只需要分成大约 20 份 左右即可 实际采用的值是 0 5ms 程序流程图 程序流程图 五 软件程序 五 软件程序 include include define uint unsigned int define uchar unsigned char sbit br P2 1 总开关 sbit su P2 2 逐渐减灭 sbit in P2 3 逐渐增亮 sbit pu P2 0 脉冲触发 uint m n z f 定义变量 void delay 18ms uint t 消抖延时 延时为 15ms 精度为 0us uint a b for t 0 t for b 122 b 0 b for a 2 a 0 a void delay 80us uint t 脉冲宽度为 80us 精度为 0us unsigned char a for t 0 t for a 2 a 0 a void main void f 0 初始化 pu 1 TMOD 0 x02 定时器方式 2 TH0 0 x00 装初值对应 200us TL0 0 x38 ET0 0 定时器 0 溢出中断禁止 TR0 0 禁止定时器启动 IT0 1 下降沿触发 EX0 0 禁止外部中断 0 EA 1 cpu 中断开放 while 1 放循环 if su 0 是否输入低电平 delay 18ms 21 延时确定即消抖 if su 0 确认是否为低电平 while su m if m 31 最大导通角的值 即灯泡亮度最小 m 31 if in 0 是否输入低电平 delay 18ms 21 延时确定即消抖 if in 0 确认是否为低电平 while in m 最小导通角的值 即灯泡亮度最亮 if m 1 m 1 if br 0 是否输入低电平 delay 18ms 21 延时确定即消抖 if br 0 确认是否为低电平 if f 0 开关状态检测 此句为打开灯泡 f 1 总开关标志设定 m 8 灯泡初值触发角度 EX0 1 允许外部中断 0 else 此句为关断灯泡 f 0 总