1、PAGE 15 目 錄摘要關(guān)鍵詞AbstractKey words 1 前言 12 芯片介紹 2 2.1 AT89C52 的主要功能特性 2 2.2 AT89C52 的引腳參數(shù) 33 晶閘管介紹 4 3.1 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 4 3.2 晶閘管的觸發(fā) 63.2.1 晶閘管觸發(fā)信號的種類 73.2.2 晶閘管對門級觸發(fā)電路的要求 84 基于51系列單片機控制的數(shù)字觸發(fā)電路9 4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 9 4.2 同步電路 10 4.3 觸發(fā)電路 115 三相橋式全控整流電路 12 5.1 對稱三相電源 12 5.2 橋式全控整流電路 126 程序設(shè)計 13結(jié)論15參考文獻15致謝17附錄1

2、9基于單片機控制的三相全控橋觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計摘 要 近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，電子技術(shù)已經(jīng)深入到人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，人們對電力電子技術(shù)方面的研究也日趨成熟。本文就是介紹用MCS-51系列單片機控制的一種三相全控橋式整流電路的主電路和觸發(fā)電路的原理以及控制電路，利用單片機的的中斷來控制脈沖，保證在一個周期內(nèi)發(fā)出六個脈沖分別來控制六個晶閘管的導(dǎo)通。具體的運行過程是由工頻三相電壓經(jīng)變壓器后在芯片控制下在不同的時刻發(fā)出不同的脈沖信號去控制相應(yīng)的可控硅整流為直流電給負載供電。其主要優(yōu)點就是輸出波形穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾強等。其觸發(fā)電路不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且控制靈活，溫度影響也小，控制的精度也可通過軟件來補

3、償。關(guān)鍵詞MCS-51系列單片機；晶閘管；同步信號；整流Microcomputer Control of Three Phase Bridge Trigger SystemAbstract In recent years, with the rapid development of science and technology, electronic technology to have in-depth people production all spheres of life, people of power electronic technology research has becom

4、e more and more mature.This paper is to introduce 51 series with MCS - a single-chip microcomputer control 3-phases full controlled rectifier circuit of the main circuit and trigger circuit principle and control circuit, the interrupt the microcontroller control pulse, guarantees in a cycle respecti

5、vely issued six pulse control six thyristor conduction.Specific operation process is by by industrial frequency three-phase voltage transformer in chip after under control at different moments of different pulse signal sent to control silicon-controlled rectifier for dc corresponding to load power s

6、upply.Its main advantage is the output waveform stability, high reliability and anti-interference strong, etc. Its simple structure not only trigger circuit, and control flexible, temperature affects the accuracy of smaller, control is by software to compensation.Key wordsMCS-51 Series Microcontroll

7、er；SCR；Rectifier；Sync signal1 前言整流電路技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用極其廣泛。如電鍍裝置、電解裝置、直流焊機、充電裝置等。而大多數(shù)整流電路是由變壓器，整流主電路和濾波電路組成。自20世紀(jì)70年代以來，整流電路的主電路就多由硅整流二極管和晶閘管組成。濾波電路主要用于濾除直流電壓中的交流成分。而變壓器的作用就是實現(xiàn)交流輸入電壓與直流輸出電壓間的匹配已經(jīng)電隔離。整流電路的種類有很多，如半波整流電路、單相橋式半控整流電路、單相橋式全控整流電路、三相橋式半控整流電路、三相橋式全控整流電路等。本設(shè)計所采用的就是三相橋式全控整流電路。三相橋式全控整流電路是相控電路的一種。在我國，龔氐橋

8、全可控整流電路的發(fā)明是相控整流電路理論研究的重大歷史性突破，它突破了百年經(jīng)典相控整流最大輸出電流和最高功率因數(shù)只能在最高輸出電壓點上的傳統(tǒng)，打破了百年相控整電路在調(diào)低輸出電壓時，輸出直流電流一定要下降的規(guī)律，并且創(chuàng)造出在調(diào)低輸出電壓時，最大輸出直流電流不但不會減少反而可以增加的引世界注目的奇跡，其最大輸出電流可以達到橋式相控電路的兩倍，最大直流輸出功率達到橋式四倍等優(yōu)越性能，解決了有史以來相控整流電路在調(diào)低輸出電壓時，半波、全波、橋式這三類電路都存在著：功率因數(shù)低、諧波大、效率低、損耗大、輸出電流小等多個百年來難以解決的世界性難題。相比經(jīng)典橋式相控電路，只要在其中增加一個整流或可控整流器件和改

9、變觸發(fā)信號相位就解決了這些百年未能解決的世界性難題。如此簡單改變就可吸取全波電路內(nèi)阻低和輸出電流大的優(yōu)點，也吸取橋式電路器件耐壓低和變壓次級繞組利用率高的優(yōu)點，它又能包含有半波、全波、和橋式三類了經(jīng)典電路在內(nèi)，能輸出半波、全坡、橋式、全波和橋式兩者相結(jié)合的輸出電壓, 一舉成為性能最好、電路數(shù)量最多，最高形式的第四類經(jīng)典相控整流電路龔氐橋全電路，使可控整流電路面目一新，繼承、補充、完善和發(fā)展了經(jīng)典可控整流電路理論，奠定了現(xiàn)代復(fù)式相控技術(shù)理論基礎(chǔ)。為中華民族在世界電工教學(xué)用書和工具書中首次占有一席之地而做出歷史性貢獻。本設(shè)計是基于AT89C52單片機的三相整流觸發(fā)控制系統(tǒng)，是使用電子器件對電能進行

10、控制和變換的技術(shù)，目前這項技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力領(lǐng)域，其前景十分廣闊。2 芯片介紹AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的FLASH只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。2.1 AT89C52的主要功能特性1、兼容MCS51指令系統(tǒng) ；2、8k可反復(fù)擦寫(大于1000次）Flash ROM； 3、32個雙向I/O口；4、256x8bit內(nèi)部RA

11、M； 5、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷； 時鐘頻率0-24MHz2個串行中斷，可編程UART串行通道； 2個外部中斷源，共8個中斷源； 2個讀寫中斷口線，3級加密位； 低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能； 有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.2 AT89C52的引腳AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2 個讀寫口線。AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦

12、寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其引腳圖如圖2.1。圖2.1 AT89C52引腳圖3 晶閘管介紹 晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰極和門極; 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。3.1 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結(jié)（圖3.1），可

13、以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復(fù)合管。 J1 J2 J3 圖3.1 晶閘管基本結(jié)構(gòu)圖晶閘管在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路，如圖3.2。晶閘管的工作條件：（1)晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。圖3.2 晶閘管工作電路圖 (2)晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。 （3）晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用 （4

14、）晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷綜上所述，可得出以下結(jié)論： （1）晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即晶閘管正向?qū)ū仨毦哂幸欢ǖ臈l件：陽極加正向電壓，同時控制級也加正向觸發(fā)電壓。 （2）晶閘管一旦導(dǎo)通，控制級即失去控制作用。要使晶閘管重新關(guān)斷，必須做到以下兩點：一是將陽極電流減小到小于維持電流IH；二是將陽極電壓減小到零或使之反向。3.2 晶閘管的觸發(fā)當(dāng)晶閘管加上正向陽極電壓后，門級加上適當(dāng)?shù)拈T級電壓，使晶閘管導(dǎo)通的過程稱為觸發(fā)。 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通門極電流應(yīng)

15、大于擎住電流； （2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度； （3）不超過門極電壓、電流和功率，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)； （4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。3.2.1 晶閘管觸發(fā)信號的種類晶閘管由關(guān)斷到開通，必須具備兩個外部條件：第一是承受足夠的正向電壓；第二是門極與陰極之間加一適當(dāng)反向電壓、電流信號(觸發(fā)信號)。門極觸發(fā)信號有直流信號、交流信號和脈沖信號三種基本形式。 （1）直流信號 在晶閘管加適當(dāng)?shù)年枠O正向電壓的情況下，在晶閘管門極與陰極間加適當(dāng)?shù)闹绷麟妷海瑒t晶閘管將被觸發(fā)導(dǎo)通。這種觸發(fā)方式在實際中應(yīng)用極少。因為晶閘管在其導(dǎo)通后就不需要門極信號繼續(xù)存在。若采用直流觸發(fā)信號將使晶閘

16、管門極損耗增加，有可能超過門極功耗；在晶閘管反向電壓時，門極直流電壓將使反向漏電流增加，也有可能造成晶閘管的損壞。 （2）交流信號 在晶閘管門極與陰極間加入交流電壓，當(dāng)交流電壓Dc，Uc，時，晶閘管導(dǎo)通。Uc是保證晶閘管可靠觸發(fā)所需的最小門極電壓值，改變U。值，可改變觸發(fā)延遲角。這種觸發(fā)形式也存在許多缺點，如：在溫度變化和交流電壓幅值波動時，觸發(fā)延遲角不穩(wěn)定。 （3）脈沖信號 在晶閘管門極觸發(fā)電路中使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗，還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號的隔離輸出。因此，觸發(fā)信號多采用脈沖形式。3.2.2 晶閘管對門級觸發(fā)電路的要求 晶閘管門極

17、觸發(fā)信號由觸發(fā)電路提供，由于晶閘管電路種類很多，如整流、逆變、交流調(diào)壓、變頻等，所帶負載的性質(zhì)也不相同，如電阻性負載、電阻電感性負載、反電勢負載等。僅管不同的情況對觸發(fā)電路的要求也不同，但其基本要求卻是相同的，具體如下： （1）觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的功率(電壓、電流) 這些指標(biāo)在產(chǎn)品樣本中均已標(biāo)明，由于晶閘管元件門極參數(shù)分散性大，且觸發(fā)電壓、電流值受溫度影響會發(fā)生變化。例如元件溫度為100時，觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時低2-3倍；元件溫度為零下40時，觸發(fā)電流、電壓值比在室溫時高2-3倍。為了使元件在各種工作條件下都能可靠地觸發(fā)，可參考元件出廠的試驗數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄，設(shè)計觸發(fā)電路的輸出電壓、電流值，

18、并留有一定的裕量。一般可取兩倍左右的觸發(fā)電流裕量，而觸發(fā)電壓按觸發(fā)電流大小來決定，但應(yīng)注意不要超過晶閘管門極允許的峰值功率和平均功率極限值。 （2）觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有一定的寬度 對于電阻性負載，一般晶閘管的導(dǎo)通時間為6 p，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)有6 Ps以上，最好應(yīng)有20-50ps；對于電感性負載，觸發(fā)脈沖寬度還要加大，否則在脈沖終止時主電路電流還未上升到晶閘管的掣住電流人，將使晶閘管無法導(dǎo)通而重新恢復(fù)關(guān)斷狀態(tài)。3.3 晶閘管的主要參數(shù)及意義1、門極觸發(fā)電流（IGT） 使晶閘管從阻斷到完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流。2、門極觸發(fā)電壓（VGT）對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓。3、維持電流（IH）門極

19、斷路，在室溫條件下，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，為維持導(dǎo)通所必需的最小電流。4、斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（VDRM）門極斷路、并在一定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。（重復(fù)頻率為每秒50次，每次持續(xù)時間小于10ms）5、反向重復(fù)峰值電壓門極斷路、并在一定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。（重復(fù)頻率為每秒50次，每次持續(xù)時間小于10ms）4 基于51系列單片機控制的數(shù)字觸發(fā)電路4.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 如圖4.1所示，單片機通過檢測電路獲知同步信號，依據(jù)所要控制的三相全控整流電路要求，通過編程實現(xiàn)預(yù)定的程序流程，在相應(yīng)時間段內(nèi)通過單片機I/O端輸出觸發(fā)脈沖信號。圖4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4.2 同步電

20、路所謂同步, 就是通過供給各觸發(fā)電路不同相位的交流電壓, 使得各觸發(fā)器在晶閘管需要觸發(fā)脈沖的時刻輸出脈沖, 從而保證各晶閘管可以按順序獲得觸發(fā)。這種使觸發(fā)電路與主電路晶閘管工作上步調(diào)一致的方法就稱為同步。使觸發(fā)電路與主電路工作同步并能在規(guī)定范圍內(nèi)進行移項控制的信號電壓稱為同步電壓。圖4.2為同步電路，同步信號經(jīng)VD1和VD2，送入比較器LM339的輸入端，LM339輸出為180與電源相位相同的方波。同步檢測信號發(fā)生正跳變時，由于AT89C52采用低電平為有效觸發(fā)方式，所以信號經(jīng)反相器反相以中斷方式向單片機的INT0提供同步指令。使用該比較電路，無論輸入的同步電壓信號高還是低，LM339的輸出信

21、號都能較準(zhǔn)確的反映同步輸入信號的過零點，R2和C3對輸出信號進行濾波，以避免輸出信號出現(xiàn)波動。圖4.2 同步電路圖4.3 觸發(fā)電路 單片機P2端口的P2.0P2.5分別用于輸出三相橋式全控整流電路VT1VT6的觸發(fā)脈沖信號。6路脈沖信號經(jīng)過六路反相器7406驅(qū)動光電耦合器TTL117，經(jīng)電氣隔離輸出的信號經(jīng)過復(fù)合管電壓跟隨器將信號放大，輸出脈沖觸發(fā)電壓進而實現(xiàn)觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管的導(dǎo)通。其電路圖如圖4.3。圖4.3 觸發(fā)電路圖5 三相橋式全控整流電路設(shè)計5.1 對稱三相電源 由3個頻率相同、振幅相同、相位互差120的正弦電壓源所構(gòu)成的電源稱為三相電源。所謂對稱三相電路，就是電路中的三相電源為頻率相

22、同、振幅相同、相位互差120的正弦電壓源，且三相上負載的阻抗完全相同，各相電流彼此獨立，各相線路參數(shù)完全一致的電路。5.2 橋式全控整流電路 三相橋式全控整流電路的實質(zhì)是晶閘管利用相控整流把交流變成直流并通過調(diào)整觸發(fā)脈沖的相位來達到改變輸出電壓。圖5.1為三相全控橋整流電路,它是由6個晶閘管組成，在任何時候都必須有兩個晶閘管導(dǎo)通,且這兩個晶閘管一個是共陰極組的,一個是共陽極組的,只有它們同時導(dǎo)通,才能形成導(dǎo)電回路，可通過直流電機體現(xiàn)。由于共陰極的晶閘管是在正半周觸發(fā),共陽極組的晶閘管是在負半周觸發(fā), 因此接在同一相的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖相位應(yīng)該相差180。三相橋式全控整流電路每隔60有一個晶閘

23、管要換流,因此每隔60要觸發(fā)一個晶閘管,觸發(fā)脈沖的順序是T1T2T3T4T5T6T1,相鄰兩脈沖的相位差為60。為保證在整流器合閘后,共陰極和共陽極組各有一個晶閘管導(dǎo)通,必須使兩組中應(yīng)導(dǎo)通的一對晶閘管同時有觸發(fā)脈沖,具體做法有兩種:一種是使觸發(fā)脈沖的寬度在60120之間,一般取80100,稱為寬脈沖觸發(fā);另一種是在觸發(fā)某一晶閘管的同時,給前一號晶閘管補發(fā)一個脈沖,使共陰極組和共陽極組的兩個應(yīng)導(dǎo)通的晶閘管均有觸發(fā)脈沖,這種方法稱為雙窄脈沖觸發(fā)。采用雙脈沖觸發(fā)時,在一個周期內(nèi)對每個晶閘管必須要連續(xù)觸發(fā)兩次,兩次脈沖中間間隔為60。本設(shè)計采用雙窄脈沖觸發(fā)方式。圖5.1 三相全控整流電路圖 由于晶閘管

24、很容易損壞，所以在電路中加入了晶閘管的保護。造成晶閘管損壞的原因一般分為兩種，一種是過電流導(dǎo)致的損壞，一種是過電壓導(dǎo)致的損壞。晶閘管的過電流保護一般有三種，第一種是采用快速熔斷器；第二種是通采用過電流繼電器；第三種是通過過流截止。過電壓保護一般是通過阻容保護實現(xiàn)。本設(shè)計中采用的是快速熔斷器和阻容保護，電流過大時，快速熔斷器在晶閘管燒壞之前就能迅速熔斷；電壓過大是，電容能夠吸收電壓。這樣就能夠確保晶閘管能正常工作而不至損壞。 6 程序設(shè)計程序部分采用C語言編寫。采用C語言編寫的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)清楚、通俗易懂、模塊化程度高、可靠性強，比用匯編語言開發(fā)容易、省時。C語言是一種比匯編語言更高級的語言?；?/p>

25、MCS-51系列單片機的三相全控整流橋觸發(fā)電路，其程序流程圖如圖6.1所示。圖6.1 系統(tǒng)流程圖首先要通過鍵盤鍵入觸發(fā)角，送入定時器，然后單片機判斷同步信號是否輸出矩形波，如果是，則單片機會輸出脈沖，控制晶閘管導(dǎo)通；反之則單片機不會輸出脈沖，晶閘管也就不會導(dǎo)通。此環(huán)節(jié)最需考慮的問題就是同步問題，即當(dāng)晶閘管需要觸發(fā)時，觸發(fā)電路就必須輸出一個觸發(fā)脈沖，這樣才能使得晶閘管能按一定的順序獲得觸發(fā)。結(jié)論本設(shè)計是基于MCS51系列單片機AT89C52芯片為主的數(shù)字觸發(fā)電路，其目的是通過單片機控制實現(xiàn)在一個電周期內(nèi)準(zhǔn)時發(fā)出六個脈沖分別觸發(fā)六個晶閘管，這個設(shè)計相比原來用模擬電路控制觸發(fā)要簡單且穩(wěn)定，抗干擾強，克服了傳統(tǒng)的模擬晶閘管觸發(fā)電路的很多缺點。此種控制方式的主要優(yōu)點是輸出波形穩(wěn)定和可靠性高抗干擾強，觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，溫度影響小，控制精度可通過軟