基于 STM32 单片机控制的可控硅调节设计*论文

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　　摘要：基于功率器件晶闸管的单相交流电压控制器， 常用于小功率单相电动机控制、照明控制和电加热控制等场合。基于电源一 体化方案， 选取了 STM32F407 作为主控制器设计了可控硅调节器， 通过获取外部输入信号或检测信号反馈， 按设定方式调节PWM 触发信号控制可控硅导通时间， 实现小型功率器件的输出调节。以光线调节为例设计了单片机控制的可控硅调光设备， 实现光线 的自动调节、手动调节以及感光调节等功能。最后搭建了基于单片机控制的光线调节实验系统， 进行了相关的测试与分析， 结果 表明， 所设计方案能够根据输入信号或检测结果触发不同的导通角， 实现光线的强弱控制。所设计方案可应用于光线调节、电机 闭环调速等多种控制场景。并可用于光耦过零检测、不控整流、稳压降压以及光线检测反馈控制等电子技术知识的综合实验普及， 以及程序编写、中断、外设及 PWM 等单片机知识的学习。所提方案不受功率器件和场所限制， 可有效降低成本。

　　(School of Electrical and Electronic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074. China) Abstract: Single-phase AC voltage controller based on power device thyristor is commonly used in small power single-phase motor control, lighting control and electric heating control. Based on the power supply integration scheme, STM32F407 is selected as the main controller, and by acquiring external input signal or detecting signal feedback, PWM trigger signal is adjusted according to the setting mode to control the conduction time of silicon controlled rectifier (SCR), so as to realize the output regulation of power device. Taking the light adjustment as an example, the SCR light adjustment equipment controlled by microcontroller is designed to realize the functions of light automatic adjustment, manual adjustment and photosensitive adjustment. Finally, the experimental system of light adjustment based on single-chip microcomputer control is built, and the relevant test and analysis are carried out. The results show that the design scheme can trigger different conduction angles according to the input signals or detection results, so as to realize the control of light intensity. The design scheme can be applied to various control scenarios such as light regulation and motor closed-loop speed regulation . It can be used for the comprehensive experimental learning of electronic technology knowledge such as optocoupler zero crossing detection, uncontrolled rectification, voltage stabilization and step-down, and light detection feedback control, as well as the learning of program writing, interruption, peripheral equipment, PWM and other single-chip microcomputer knowledge. The proposed scheme is not limited by power devices and places, which can effectively reduce costs.

　　Key words: silicon controlled rectifier (SCR); dimming; single-chip microcomputer; STM32F407; power electronics technology; external interrupt

　　0 引言

　　随着经济的发展和照明节能技术的进步， 调光是LED 驱动技术重点发展方向之一[1]， 在技术路线上主要有可控硅 (Silicon Controlled Rectifier， SCR) 和脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation， PWM ) 2 种调光方式。PWM 调光[2]精度和效率高， 但需要通过改变灯具设计以增加控制接点， 导致无法顺畅地做到灯具的替换性改造。而可控硅由于调光成本低， 在替换方案中颇具优势， 被广泛应用于白炽灯和 LED 照明领域[3-7]。在照明节能领域， 可控硅调光技术是 LED驱动技术重点发展方向之一可控硅调节主要基于功率器件晶闸管的单相交流电压控 制器[8-9]， 可用于小功率单相电动机控制[10]、照明和电加热控制等场合。传统可控硅调节器主要通过外部按键或旋钮来进行交流电压手动调节， 无法自动调节。本文设 计 了 一 种 基 于 单 片 机 控 制 的 可 控 硅 的 调 节 器， 选 取 STM32F407 作为主控制器， 通过检测外部按键或实际用 户需求 (如环境光线、电机转速等)， 按设定方式调节PWM 触发信号， 从而实现可控硅调节器的自动调节、手动调节以及闭环调节 (如感光调节或闭环调速) 等功能。以光线调节器为例， 搭建了基于单片机控制的光线调节实验系统开展测试与分析。

　　该方案可应用于 《信号与控制综合实验》 课程综合实验项目。通过设计制作光线调节器， 可开展光耦过零 检测、不控整流、稳压降压以及光线检测反馈控制等硬 件电路调试技能实践; 通过编写单片机数字调光程序， 将中断、外设等知识点融会贯通。能够在人才培养方面 提供基于研发设计的综合学习内容， 有助于促进对电气 类知识的综合理解和学以致用， 进一步理解强电与弱电 的交叉控制等手段， 进一步提高工程实践能力和工程沟 通能力， 符合新工科对未来人才的培养标准[11]。

　　1 调光原理

　　可控硅是常见的功率半导体器件， 具有导通和关断 两种状态。双向可控硅通过门极施加驱动信号实现正向 和反向导通， 电压过零自然关断[12]。

　　可控硅调光电路如图 1所示， 工作原理[13- 14]： 通过控制可控硅导通角对输入交流正弦电压进行斩波， 为灯具供电。此时， 工频正弦电压 us、门极驱动信号 ug (低有效) 及灯具工作电压波形 uload 如图 2 所示。


　　式中： Us 为电源电压有效值; α 为可控硅的导通角， 通 过改变 α 调节灯具的亮度， 实现调光功能。

　　2 系统设计

　　本文基于单片机系统调控可控硅导通角， 总体结构 如图 3 所示， 具体实现方案如图 4 所示。

　　调光系统采用一体化电源设计， 系统中所用动力、 控制和负载供电回路均取自同一路单相交流电源。通过 过零检测电路单元获取电源过零点， 并以此作为单片机 控制系统的基准信号， 通过外部按键状态来实时调节交 流电源的移相角， 经光耦隔离驱动单元驱动可控硅导通。

　　2.1 硬件电路设计

　　( 1) 过零检测电路

　　本文基于光耦隔离设计过零检测电路， 利用整流二 极管 D1~D4 的单向导通特性和光耦 (4N25) 的隔离特性 进行过零检测[15]， 如图 5 所示。在信号过 0 时， 输出信号 “OV_0”状态为高电平， 其余为低电平。“OV_0”将作 为系统基准触发信号， 在控制系统设计中起关键作用。

　　( 2) 辅助电源电路

　　本文基于三端稳压器 7805 设计辅助电源系统[16]， 能 将全波整流的 12~24 V 电源稳压后输出 5 V 和 3.3 V， 分 别供各类芯片和单片机使用， 如图 6 所示。

　　( 3) 光耦隔离驱动及灯具供电电路

　　基于三端双向可控硅光电耦合器 MOC3020 设计驱动电路， 能输出并驱动耐压 250 V 的双向可控硅[17]。该电 路接受低电平有效的驱动信号“P_G”， 将该信号反相映 射至灯泡供电电路， 实现移相调压， 如图 7 所示。

　　( 4) 按键及光线检测电路

　　为提高调节的稳定性和可靠性， 本文设计了硬件去 抖电路[18]， 如图 8 ( a ) 所示。当按键按下时， 与之并联 的电容通过电阻放电， 实现硬件去抖。该按键信号送至 单片机后可进一步考虑软件去抖， 在此不赘述。

　　此外， 为实现根据环境光线自动补光调节功能， 设 计了光线检测电路如图 8 (b) 所示。该电路可实时监测 环境光线[19]， 可根据环境光线强弱自动调整灯泡或 LED 等屏显负载的亮度， 以实现节能。

　　( 5) 电平转换电路及信号转接

　　由 于 硬 件 电 路 中 各 芯 片 供 电 电 源 为 5 V， 单 片 机 GPIO 所需典型电压均为 3.3 V[20]， 为考虑兼容性， 基于 SN74LVC1T45DBVR 设计了电平转换电路如图 9 所示。

　　2.2 控制系统设计

　　控制系统使用 STM32F407ZGT6 (下称 STM32) 作为 主控制器[20]， 以 ARM Cortex-M4 为核心。通过实时检测 按键状态， 识别不同的控制模式和要求， 作为外部中断 信号， 调用定时器并相应调整 PWM 输出的驱动信号， 实 现对灯泡亮度的控制和调整。

　　( 1) 控制系统结构框图

　　控制系统结构如图 11 所示。 STM32 分为 4 个部分： 输入部分包括外部 GPIO 中断、 ADC 采样; 输出部分通 过定时器调用 PWM进行输出; 定时器可以通过设置不同 的计数值对按键的长按以及短按进行检测; STM32 主控 根据接受的信号对 PWM 的占空比进行调整， 从而实现对 后级电路的控制。其中， 外部中断接受前级电路的过零 信号作为 STM32调整的参考点。

　　( 2) 控制程序流程图

　　控制程序流程如图 12 所示， 包括 ADC 中断、定时器 中断以及外部中断。其中， 用于接受过零信号的外部中 断优先级为 1. 其余都为 0. 以防止外部过零信号中断响应将正在进行的程序打断。定时器中断共有两个， 分别 为 TIM3 和 TIM4.其中， TIM3 用于生成 100 Hz 的 PWM 输出信号; TIM4 用于按键时间计时， 用于识别按键长按 ( 3 s) 和短按模式。

　　( 3) 调光控制模式

　　调光实验具有以下 3 种工作模式， 分别是：

　　手动调光模式： 点触式调亮或调暗， 每次检测到一 个按键 (key 0 或 key 1) 状态时， 相应增加或减小寄存 器 CCR 值， 实现有级调光。

　　自动调光模式： 当检测到 key 0 长按 3 s 以上时进入 该模式， 此时寄存器 CCR 值将从初始状态， 递减至 0 (最亮的状态); 然后从 0 递增至最大值 (最暗的状态) 然后递减， 以此循环往复直至下一次中断。

　　感光调光模式[21-22]： 当检测到 key 1 长按 3 s 以上时 进入该模式， 此时 STM32 将读取 ADC 采集到的环境光线 数据， 与预先存入的光照要求等数据[23] 比对后修改寄存 器 CCR 值。

　　( 4 ) 12 级调光设计

　　在调整 PWM 占空比的时候， 为了使灯泡亮度变化明 显， 在手动调光和自动调光模式下， 均考虑以导通角每 次增加或减少 15°， 从而实现灯具 12 级调节模式。

　　2.3 感光调光模式分析

　　当程序进入感光调光模式时， 单片机系统通过光电 二极管读取光线检测电路的采样电压值， 来实时检测环 境亮度， 与作为亮度参考值的预先存储的光照要求等电 压数据做差， 建立反馈调节系统。

　　反馈调节系统基于小信号模型进行分析， 因此对式 ( 2) 进行开关周期平均模型和小信号扰动， 可得到移相角 α 与输出电压 vo 的小扰动传递函数为：

　　考虑经典自动控制原理， 建立该系统的实时反馈调 节控制框图， 如图 13 所示， 图中补偿器 G 可采用传统 PI 控制、PR 控制或者模糊控制等[9]。

　　3 实验结果及分析

　　3.1 实验平台

　　基于前文单片机调光控制系统设计和分析， 搭建了 光 线 调 节 实 验 平 台， 如 图 14 所 示 。其 中 单 片 机 采 用 STM32F407VET6 开发板， 配套设计多功能转接板， 实现 主电路板与单片机之间按键、过零中断信号、环境光线 数据以及可控硅驱动信号的互联。

　　实验中所需的元器件清单详见表 1.为便于查看， 表中各元件代号与前文硬件电路图中标号保持一致。

　　3.2 实验测试与结果

　　( 1) 手动及自动调光模式

　　基于该实验平台， 利用 Tektronix MDO4034B-3 混合 域数字示波器进行实验测试， 考虑导通角不同调光效果 下的实验波形如图 15 所示。

　　图 15 中， ug 为 PWM 波形， 用于控制可控硅开通。 同时， 由于灯具为纯阻性负载， 电流波形 iload 与电压波形 uload 同相位， 受触发导通角 α 影响较大。图 15 ( a ) 中， 触发导通角 α=0°， 此时可控硅在正半波和负半周波一直 导通， 灯具呈现最亮状态， 即 12级亮度; 图 15 (b) 中， 触发导通角 α=75°， 此时灯具亮度有所降低， 为 7级亮度; 图 15 ( c) 中， 触发导通角 α=120°， 此时灯具为 4 级亮度。

　　4 结束语

　　本文选取了 STM32F407 作为主控制器设计了可控硅 调节器， 考虑电源一体化， 通过获取外部输入信号或检 测信号反馈， 按设定方式调节 PWM 触发信号控制可控硅 导通时间， 实现功率器件的输出调节。以光线调节为例设计了单片机控制的可控硅调光设备， 通过对电子电子 开关器件可控硅的导通角进行控制， 实现光线的自动调 节、手动调节以及感光调节等功能。最后搭建了基于单片机控制的光线调节实验系统， 进行了相关的测试与分 析。结果表明， 所设计的光线调节器可根据输入指令或 读取 ADC 采集到的环境光线数据， 实现光线调节。

　　结合本文设计的光线调节器， 可以开展光耦过零检 测、不控整流、稳压降压以及光线检测反馈控制等硬件 电路实践; 通过编写单片机数字调光程序， 能够进一步 开展中断、外设及 PWM等知识点的学习。此外， 在应用 光敏电阻感光调节模式下， 根据灯具型号或型式以及应 用场合采光与照明卫生标准， 可在单片机中设计照度标 准， 当检测到光线低于标准照度时， 可通过闭环方式实 现照度闭环， 该方式将在后续研究中进一步展开。

　　本文方式可应用于风扇调速， 调速原理与前文调光 原理一致， 应用斩波特型调节风扇两端供电电压， 实现 风扇电机的自动、手动调速， 亦可通过检测风扇转速来 实现闭环调速。

　　本文所设计实验设备和实验方法还可扩展至 《电气 工程实践基础》 课程， 通过电路原理图与印制电路板图 的绘制构建基本的认知框架， 了解强电与弱电的交叉控 制等手段， 符合新工科对电气专业人才培养标准的要求。

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