西安科技大学单片机控制灯光亮度Word文档格式.docx
《西安科技大学单片机控制灯光亮度Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《西安科技大学单片机控制灯光亮度Word文档格式.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
由于系统采用的是延时输出低电平脉冲的工作方式，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。
过零检测的原理图如图3-2。
交流信号经过整流桥，当过零点时，光电耦合器TLP521发光二极管不导通，INT0端输出为高电平，当发光二极管两端电压大于0.7v时发光二极管导通，INT0端输出为低电平，通过高低电平的变换，单片机即可以识别交流信号的过零点。
图3-2
交流信号经过整流桥后由正弦波变成了如图3-3信号
图3-3
经过光电耦器后，得到交流信号过零点，如图3-4中高电平即为交流信号过零点
图3-4
由于交流信号为50Hz的正弦波，变化较快，得到如图1-5所示的波形不是规整的矩形波，通过增加一级施密特触发器和反相器，使变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，最终得到的波形如图3-5
图3-5
通过过零点检测电路可采集到交流信号的过零点
2、过零点检测单元器件选型
（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=1.414Un=311V
整流桥二极管电压额定值
Ue=（2~3）Um=（622~933）V
整流桥DB107的参数为：
最大重复峰值反向电压=1000V
最大RMS电压=700V
最大直流击穿电压=1000V
平均正向电流=1A
峰值正向涌流=50A
由DB107参数可知道选择DB107满足设计要求，故整流桥选择DB107.，DB107管脚分布如图3-6
图3-6
（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
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
最大集电极通过电流=50mA
推荐的操作条件：
Vceomax=24V
LED最大正向电流=20mA
串入合适的R3、R4后，由TLP521-1的参数可知TLP521-1满足设计要求，故光电耦合器选择TLP521-1.，为与单片机配合，集电极电压选择为5V，光耦TLP521-1管脚分布如图3-7
图3-7
（3）电阻R3、R4、R9的选型
电阻按材料类型可分为以下几种：
①、金属膜电阻器：
1W以下功率优选金属膜电阻，1W及1W以上功率优选金属氧化膜电阻。
②、碳膜电阻器：
为话机专用类别，公司技术不使用。
优选等级信息用“T”标记。
③、熔断电阻器：
不推荐使用。
反应速度慢，不可恢复。
建议使用反应快速、可恢复的器件以达到保护的效果，并减少维修成本。
④、绕线电阻器：
大功率电阻器。
⑤、集成电阻器：
贴片化。
插装项目只保留并联式，插装的独立式项目将逐步淘汰，用同一分类的片状集成电阻器替代。
⑥、片状厚膜电阻器：
在逐步向小型化、大功率方向发展，优选库会随着适应发展方向的变化而动态调整。
这类电阻器是小功率电阻的优选对象。
⑦、片状薄膜电阻器：
建议使用较高精度类别。
电阻的选型一般要考虑以下几点：
①、精度
在设计中不要盲目的追求电阻本身的精度，即使高精度的电阻受环境的影响，也会超出其范围。
所以应该更加的关注可靠性试验的指标。
目前选择电阻的精度不建议超过0.1%，常用的厚膜电阻都是5%，1%以上精度要求电阻建议选用厚膜电阻，1%以下精度要求电阻建议选用薄膜电阻。
②、不选用极限和边缘规格
不选用各分类电阻器的极限规格。
如电阻器具体系列中的最大最小阻值的边缘规格。
③、降额使用
降额使用是提高电阻器工作可靠性和寿命的最重要手段。
电阻的功率取决于封装的大小，薄膜电阻的功率很小，一般小于1W，电阻在使用时，一定要对功率进行降额。
不同类别的电阻具有不同的绝缘介质和自愈机制，对承受应力（主要是工作电压、消耗功率和工作环境温度）的降额程度要求有差异，但一般都在0.6倍额定承受应力下使用，不超过0.75倍。
建议在降额曲线再降80%，绕线电阻据有很大的功率特性。
其中电阻的额定功率计算方法：
当电阻阻值小于额定阻值时，额定电压：
当电阻阻值小于额定阻值时额定电压等于最高电压。
基于本次设计的实际要求，选R3、R4阻值为15千欧姆，流过光耦LED的电流有效值
I=（220-0.7）/30=7.mA，满足光耦导通条件。
R3、R4功率大小的选择
Pmax=I^2*R=0.0735W
按降额70%标准使用，R3、R4功率大小选择为2W
故R3、R4选15千欧姆，精度为5%,，功率为2W的金属膜电阻。
电阻R9的选型由光耦TLP521-1集电极最大通过电流确定，TLP521-1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
满足TLP521-1正常工作要求
故R9选为5.1千欧，1/4W，精度5%的碳膜电阻
（4）施密特触发器的选型
在数字电路系统中，矩形脉冲经传输后往往发生畸变，当传输线上的电容比较大时，波形的上升沿和下降沿将明显变坏；
当传输线较长而且接收端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡显现；
当其他脉冲信号通过啊导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号上时，脉冲上将出现附加的噪声。
无论出现上述的哪一种情况，都可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形，将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波，而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除
基于过零点检查组件的实际要求，由TLP521-1输出波形选择施密特触发器的型号为CD40106BE
施密特触发器CD40106BE主要参数：
在VDD=5V条件下
VOLmax=0.05V
VOHmax=4.95V
负向阈值电压VT-min=0.7V,VT-max=1.4V
正向阈值电压VT+min=3V,VT+max=3.6V
施密特触发器CD40106B管脚分布如图3-8
图3-8
（5）反相器的选型
由于光耦出来的波形经过施密特触发器整形后波形已经反相了，为得到与光耦输出一致的波形，施密特触发器输出后再经一级反相即可
根据设计需要选择型号为CC4069的反相器
CC4069反相器的主要参数：
VOLmin=o.o5V
典型传播延迟时间和负载电容曲线如图3-9
图3-9
CC4069反相器的管脚分布如图3-10
图3-10
（三）按键控制单元及其器件选型
1、按键控制单元工作原理
按键控制单元由三个触点按键和一个三输入与门组成，电阻采用上拉接法，按键扫
采用中断扫描方式。
当任意一个按键触发时，三输入与门输出低电平，INT1端由高电平变为低电平，单片机中断设置为边沿触发，单片机收到外部中断后停止正在执行的主程序，转执行中断子程序，扫描按键，进行运算处理。
按键SB1用于控制灯泡的亮灭，
按键SB2用于控制灯光亮度的减小，按键SB3用于控制灯光亮度的增加。
按键控制单元原理图如图3-11
图3-11
2、按键控制单元器件选型
按键选择触点型按键。
电阻选为5.1千欧，1/4W，精度5%的碳膜电阻。
三输入与门选HD74LS11P
HD74LS11P管脚分布如图3-12
图3-12
（四）驱动单元及其器件选型
1、驱动单元工作原理
在单片机与220V交流电采用电气隔离，选择光电耦合器进行隔离。
单片机采集到过零点后，经过运算处理，P2^7按一定占空比输出一个低电平脉冲，当输出低电平时，光耦LED导通，光耦内部双向二极管导通后，由电阻R5、R7、灯泡构成一条回路，从而双向可控硅BT136加上了正向门极电压使晶闸管导通，当P2^7由低电平变为高电平时，由R5、R7、灯泡构成的回路断开，双向可控硅BT136门极电压为零，由于晶闸管自身的特性在门极电压为零时晶闸管并不截止导通，直到导通电流过零时，晶闸管才会关断。
交流电压为50Hz，即1s内双向可控硅DB136触发50次，双向可控硅导通时间由单片机控制。
驱动单元原理图如图3-13
图3-13
过零点信号、触发信号、双向可控硅导通时序关系如图3-14
图3-14
2、驱动单元器件选型
（1）光电耦合器的选型
双向二极管两端承受峰值电压为
双向二极管电压额定值
光电耦合器MOC3022的参数：
最大隔离电压=7500V
LED最大正向电流=50mA
输出重复峰值断态电压=400V
最大输入至输出峰值电压，5s时间，60Hz时为7.5KV
由MOC3022的参数可知MOC3022满足设计要求，故光电耦合器选择MOC3022为取得适合DB136的门极电压，串入电阻R5、R7与灯泡构成一个回路。
MOC3022管脚分布如图3-15
图3-15
（2）双向可控硅的选型
双向可控硅两端承受峰值电压为
Um=1,414Un=311V
双向可控硅电压额定值
Ue=（2~3）Um=（622~933）V
交流电压频率为50Hz，要求双向可控硅开关能力大于100次每秒
双向可控硅BT136-600G主要参数：
断态重复峰值电压Udrm=600V
通态电流It=4A
通态不重复峰值电流=25A
峰值门极电流=2A
峰值门极电压=5V
峰值门极功率=5W
由BT136的参数可知BT136满足设计要求，故双向可控硅选择BT136，BT136管脚分布如图3-16
图3-16
（3）电阻的选型
R8为上拉电阻，选5.1千欧，1/4W,精度5%的碳膜电阻。
R6为光耦LED串联电阻，起限流的作用，R6=270欧时
光耦导通流经LED电流为
I=5/270=16mA
光耦能正常工作。
所以R6选为270欧，1/4W,精度5%的碳膜电阻。
R5=180欧、R7=1000欧，光耦导通时，R5、R7与灯泡形成一个回路，此时从R5和R7间取门极电压使双向可控硅导通，取灯的冷态电阻为10欧，则门极电压最大值
Vgm=220*R5/R7+R5+65=31.68V
或Vgm=189V
尽管门极电压很大，但门极电压持续时间很短，对双向可控硅性能影响不大，所以选取R5为180欧，2W，精度5%的金属膜电阻
选取R7为180欧，2W，精度5%的金属膜电阻
阻容吸收回路电容C4选取为0.01uF,电阻R13选取为1000欧，1/4W，精度5%的碳膜电阻
（五）负载（白炽灯）
白炽灯的额定电压为220V，额定功率为60W
白炽灯为非线性负载，其电阻随温度上升而增大，冷态电阻为70欧，在额定电压下热态电阻为806欧
（六）系统核心单片机部分---闪电存储器型器件STC89C52
本次灯光亮度控制系统需要用到六个I/O口，三个用于按键输入，两个外部中断输入以及一个脉冲出，STC89C52有32个通用I/O口，两个外部中断，STC89C52采用12M晶振，运行速度能满足设计要求，所以系统CPU选择STC89C52。
单片机AT89C52有内部RAM，可以作为各种数据区使用，内部闪电存储器存放灯光亮度控制的控制程序。
它的主要功能是已中断的方式采集到交流电压的过零点、扫描按键，通过一定的算法，延时输出一个低电平脉冲用于触发双向可控硅来控制灯光的亮度。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
STC89C52具有下列主要性能：
.8KB可改编程序Flash存储器
.全静态工作：
0Hz～12MHz
.三级程序存储器保密
.128X8字节内部RAM
.32条可编程I/O线
.3个16位定时器/计数器
.6个中断源
.可编程串行通道
（1）主电源引脚
（a）.Vcc电源端
（b）.GND接地端
（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
（a）.XTAL1接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
（b）.XTAL2接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。
（3）.控制或与其它电源复用引脚RST、ALE//PROG、/PSEN和/EA/Vpp
（a）.RES复位输入端。
当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
（b）.ALE//PROG当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。
因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。
如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。
该位置数后，只有在执行一条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。
另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。
（c）./PSEN程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。
当STC89C52/LV51由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次/PSEN有效（既输出2个脉冲）。
但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（d）./EA/Vpp外部访问允许端。
要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则/EA端必须保持低电平（接到GND端）。
然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存/EA端的状态。
当/EA端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。
在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。
（4）输入/输出引脚P0.0～P0.7、P10.～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7
（a）.P0端口（P0.0～P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。
在Flash编程时，P0端口接收指令字节；
而在验证程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
（b）.P1端口（P1.0～P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在对Flash编程和程序验证时，P1接收低8位地址。
（c）.P2端口（P2.0～P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPIR指令）时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。
在对Flash编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。
（d）.P3端口（P3.0～P3.7）P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在STC89C52中，P3端口还用于一些专门功能，这些兼用功能见表1
表1
端口引脚
兼用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外部中断0）
P3.3
/INT1（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
在对Flash编程和程序验证时，P3还接收一些控制信号。
（5）Flash存储器的编程和程序校验：
STC89C52单片机内部有一个4K字节的FlashPEROM。
这个Flash存储阵列通常是处于已擦除状态（既存储单元的内容为FFH），随时可对它进行编程。
编程接口可接收高电压（12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。
低电压编程方式可很方便地对STC89C52内的用户系统进行编程；
而高电压编程方式则可与通用的EPROM编程器兼容。
STC89C52的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，既每次写入一个字节。
要对片内的PEROM程序存储器写入任何一个非空字节，都必须用片擦除方式将整个存储器的内容清除。
（6）对Flash存储器编程
编程前，必须按照表2和图5建立好地址、数据和相应的控制信号。
编程单元的地址加在P1端口和P2端口的P2.0～P2.3（11位地址为0000H～0FFFH），数据从P0端口输入。
引脚P2.6、P2.7和P3.6、P3.7的电平选择见表2。
/PSEN应保持低电平，而RST应保持高电平。
/EA/VPP是编程电源的输入端，按要求加入编程电压。
ALE//PROG端输入编程脉冲（应为负脉冲信号）。
编程时，采用4～20MHz的振荡器。
对STC89C52编程的步骤如下：
（a）在地址线上输入要编程单元的地址。
（b）在数据线上输入要写入的数据字节。
（c）激活相应的控制信号。
（d）在采用高电压编程方式时，将/EA/VPP端的电压加到12V。
（e）每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加一个ALE//PROG编程脉冲。
改变编程单元的地址和要写入的数据，重复步骤a～e，直到全部文件编程完毕。
每个字节写入周期是自动定时的，通常不大于1.5ms。
表1—2Flash编程方式
（7）数据查询方式
图6-1
单片机用数据查询方式来检测一个写周期是否结束。
在一个写周期期间，如果想读出最后写入的哪个字，则读出数据的最高位（P0.7）是原来写入字节最高位的反码。
写周期一旦完成后，有效的数据就会出现在所有输出端上，这时可开始下一个写周期。
一个写周期开始后，可在任何时间开始进行数据查询。
图6—1Flash编程图6—2程序的校验
图6—3Flash编程和校验的波形（高电平编程方式）
（8）准备就绪/忙信号
字节编程的过程也可通过RDY//BSY输出信号来监视。
在编程期间，当ALE变为高电平后，P3.4（R
升级会员 