目前，絕大多數(shù)阻性（主要依靠電阻發(fā)熱工作的電器）大功率家電的功率調(diào)節(jié)一般是包含在產(chǎn)品內(nèi)部的、由機(jī)械開關(guān)分檔（強(qiáng)、弱）調(diào)節(jié)的裝置，基于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕菀讓?shí)現(xiàn)半功率和全功率兩檔，不能進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)，功能有限，在很多場(chǎng)合不能滿足使用需求。也有通過控制可控硅導(dǎo)通角度進(jìn)行調(diào)節(jié)的，但沒有使用單片機(jī)控制，也沒有數(shù)碼顯示，功能相對(duì)較弱，使用不方便。特別是沒有外置的通用型功率調(diào)控裝置。

本設(shè)計(jì)提供了一種通用的外置功率調(diào)控裝置，能夠高精度、線性地調(diào)節(jié)功率，還可定時(shí)開關(guān)，并具有數(shù)碼顯示功能，從而克服了上述功率調(diào)節(jié)中存在的問題。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要由過零采樣、按鍵輸入、單片機(jī)控制、數(shù)碼顯示和可控硅功率控制模塊組成。

總體設(shè)計(jì)思想為，對(duì)50Hz的交流電信號(hào)進(jìn)行過零采樣后，由單片機(jī)檢測(cè)過零點(diǎn)，并觸發(fā)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器，執(zhí)行延時(shí)程序。延時(shí)長短由外部按鍵輸入設(shè)定，不同的延時(shí)使可控硅在不同的角度導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)不同的功率輸出，由于延時(shí)變量可以達(dá)到很高的精度，從而實(shí)現(xiàn)了功率的精細(xì)調(diào)控。

過零檢測(cè)模塊

220V市電通過9V雙抽頭同芯工頻變壓器降壓后進(jìn)行交流取樣，同時(shí)還為單片機(jī)系統(tǒng)供電，并提供給運(yùn)算放大器NE5532工作所需的正負(fù)電壓。過零檢測(cè)電路的工作過程是：NE5532反相端接地，同相端接變壓器次級(jí)50Hz無相移的取樣交流信號(hào)，經(jīng)開環(huán)放大后，通過限流電阻R1和5V穩(wěn)壓二極管D1限幅整形后，輸出滿足單片機(jī)I/O輸入要求的TTL信號(hào)。該TTL信號(hào)在市電過零點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，上升沿、下降沿處為過零點(diǎn)。

可控硅功率控制電路

采用大功率的雙向可控硅對(duì)220V交流市電進(jìn)行控制，其工作狀態(tài)相當(dāng)于一個(gè)無觸點(diǎn)的的高效開關(guān)。

雙向可控硅有第一陽極A1（T1），第二陽極A2（T2）和控制極G三個(gè)引腳。

無論所加電壓的極性是正向還是反向，只要控制極G和第一陽極A1間加有正負(fù)極性不同的觸發(fā)電壓，就可觸發(fā)導(dǎo)通，呈低阻狀態(tài)。此時(shí)，A1、A2間壓降約1V。雙向可控硅一旦導(dǎo)通，即使失去觸發(fā)電壓，也能繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。只有當(dāng)A1、A2電流減小，小于維持電流或A1、A2間電壓極性改變且沒有觸發(fā)電壓時(shí)，雙向可控硅才截止，此時(shí)，只有重新加觸發(fā)電壓方可導(dǎo)通。

單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)控制系統(tǒng)主要完成對(duì)過零TTL信號(hào)的檢測(cè)、鍵值識(shí)別、延時(shí)調(diào)控可控硅、顯示輸出和定時(shí)開關(guān)控制這5項(xiàng)任務(wù)。

本系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)ATMEGA8，其內(nèi)部帶有多通道的10位ADC和低溫漂的內(nèi)部能隙基準(zhǔn)，可以滿足高精度的設(shè)計(jì)要求；兩個(gè)8位、一個(gè)16位的定時(shí)器，除了可以進(jìn)行普通的定時(shí)、計(jì)數(shù)外，還具有比較匹配、捕捉、RTC等功能，高精度可校準(zhǔn)的片內(nèi)RC振蕩時(shí)鐘在減低成本的同時(shí)，滿足了時(shí)鐘精度要求，實(shí)現(xiàn)精確定時(shí)開關(guān)。

其控制工作過程如圖1所示，單片機(jī)檢測(cè)到零點(diǎn)后，啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)延遲結(jié)束后，在k點(diǎn)開啟可控硅，之后，可控硅在g點(diǎn)自動(dòng)關(guān)斷，其中，延遲由外部按鍵輸入設(shè)定。

圖1 單片機(jī)控制工作過程

按鍵輸入

為了使設(shè)計(jì)更加實(shí)用方便，更具有人性化的交互性，按鍵輸入界面由5個(gè)按鍵和若干電阻構(gòu)成。按鍵采用電阻分壓，利用不同按鍵輸入不同電壓值，依靠A/D轉(zhuǎn)換得到鍵值。

顯示模塊

顯示模塊由LED七段數(shù)碼管和兩個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成。七段數(shù)碼管顯示當(dāng)前功率百分比值，發(fā)光二極管指示當(dāng)前工作模式，數(shù)碼顯示采用動(dòng)態(tài)掃描的方式，使得電路簡單。

硬件電路

系統(tǒng)硬件電路主要由過零采樣模塊、按鍵輸入模塊、單片機(jī)、數(shù)碼顯示、可控硅功率控制電路幾部分組成，單片機(jī)I/O輸入端與過零檢測(cè)電路輸出端和按鍵輸出端相連，單片機(jī)I/O輸出端與可控硅電路、數(shù)碼顯示電路相連。

圖2是本設(shè)計(jì)的模擬部分硬件電路圖，包括電源、過零采樣和可控硅接口電路。220V市電由外接電源插頭輸入，串聯(lián)可控硅電路后，外接擴(kuò)展電源接線板輸出。同時(shí)，經(jīng)220V-9V×2變壓器降壓、整流、濾波后，提供本系統(tǒng)所需的低壓電源，包括±9V和+5V電源，+5V是經(jīng)過7805穩(wěn)壓后得到的，為單片機(jī)系統(tǒng)供電。過零采樣電路由運(yùn)算放大器NE5532反相端接地，同相端接變壓器次級(jí)50Hz交流信號(hào)，經(jīng)開環(huán)放大、整形后輸出滿足單片機(jī)I/O輸入要求的TTL信號(hào)。圖2中與輸入插頭、輸出接線板相連的導(dǎo)線加粗，表示需承載大電流通過，串聯(lián)其中的保險(xiǎn)管，以保證輸出電路短路時(shí)的系統(tǒng)安全。可控硅控制電路選用的是雙向大功率可控硅BTA20，還需加裝散熱片。

圖2 模擬部分的電路圖

圖3是單片機(jī)系統(tǒng)及輸入/輸出和數(shù)碼顯示硬件電路圖。顯示模塊接口P3、P4同單片機(jī)P5、P6相連；按鍵輸入接口P7同單片機(jī)P8相連；單片機(jī)輸入接口P9同圖2中過零檢測(cè)電路接口P1相連，P10同圖2中可控硅電路接口P2相連。數(shù)碼顯示采用動(dòng)態(tài)掃描模式，電路簡單，按鍵采用電阻分壓，依靠單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換得到鍵值，這樣就簡化了硬件電路。

圖3 單片機(jī)、輸入/輸出和顯示電路

程序流程設(shè)計(jì)

圖4是單片機(jī)外部中斷流程圖，交流電過零點(diǎn)時(shí)，過零信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，中斷響應(yīng)后，P9輸出低電平，使可控硅維持?jǐn)嚅_狀態(tài)，隨后設(shè)定定時(shí)器初值，并且開啟定時(shí)器后返回。兩路外部中斷分別設(shè)定上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)，分別完成電源正負(fù)半周控制。

圖4 單片機(jī)外部中斷流程

圖5是單片機(jī)定時(shí)中斷流程圖，定時(shí)溢出觸發(fā)中斷，P9輸出高電平，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，關(guān)閉定時(shí)中斷后返回。

圖5 單片機(jī)定時(shí)中斷流程

圖6是單片機(jī)主程序流程圖。在主程序中主要是循環(huán)讀取按鍵輸入值，根據(jù)輸入調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，啟動(dòng)定時(shí)功能，完成數(shù)碼顯示任務(wù)。

圖6 單片機(jī)主程序流程

總的工作過程是市電過零信號(hào)驅(qū)動(dòng)單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷，在上升沿和下降沿處完成可控硅導(dǎo)通角相位控制，實(shí)現(xiàn)可控硅導(dǎo)通角任意調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。用戶可通過按鍵輸入調(diào)整功率并設(shè)置定時(shí)功能，定時(shí)功能是通過開關(guān)外部中斷實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)的樣機(jī)試用結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠很好地實(shí)現(xiàn)功率的無級(jí)調(diào)控，客觀上解決了阻性大功率家電的功率調(diào)控問題，并且具有很高的精度和線性度，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)開關(guān)、數(shù)碼顯示等功能，是一種很有市場(chǎng)開發(fā)潛力的通用型外置功率調(diào)控裝置。

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