采用AVR单片机ATMEGA8实现通用外置功率调控装置的应用设计

目前，绝大多数阻性（主要依靠电阻发热工作的电器）大功率家电的功率调节一般是包含在产品内部的、由机械开关分档（强、弱）调节的装置，基于二极管的单向导通特性，容易实现半功率和全功率两档，不能进行无级调节，功能有限，在很多场合不能满足使用需求。也有通过控制可控硅导通角度进行调节的，但没有使用单片机控制，也没有数码显示，功能相对较弱，使用不方便。特别是没有外置的通用型功率调控装置。

本设计提供了一种通用的外置功率调控装置，能够高精度、线性地调节功率，还可定时开关，并具有数码显示功能，从而克服了上述功率调节中存在的问题。

系统总体设计

该设计主要由过零采样、按键输入、单片机控制、数码显示和可控硅功率控制模块组成。

总体设计思想为，对50Hz的交流电信号进行过零采样后，由单片机检测过零点，并触发单片机内部定时器，执行延时程序。延时长短由外部按键输入设定，不同的延时使可控硅在不同的角度导通，实现不同的功率输出，由于延时变量可以达到很高的精度，从而实现了功率的精细调控。

过零检测模块

220V市电通过9V双抽头同芯工频变压器降压后进行交流取样，同时还为单片机系统供电，并提供给运算放大器NE5532工作所需的正负电压。过零检测电路的工作过程是：NE5532反相端接地，同相端接变压器次级50Hz无相移的取样交流信号，经开环放大后，通过限流电阻R1和5V稳压二极管D1限幅整形后，输出满足单片机I/O输入要求的TTL信号。该TTL信号在市电过零点翻转，上升沿、下降沿处为过零点。

可控硅功率控制电路

采用大功率的双向可控硅对220V交流市电进行控制，其工作状态相当于一个无触点的的高效开关。

双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）和控制极G三个引脚。

无论所加电压的极性是正向还是反向，只要控制极G和第一阳极A1间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通，呈低阻状态。此时，A1、A2间压降约1V。双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。只有当A1、A2电流减小，小于维持电流或A1、A2间电压极性改变且没有触发电压时，双向可控硅才截止，此时，只有重新加触发电压方可导通。

单片机控制系统

单片机控制系统主要完成对过零TTL信号的检测、键值识别、延时调控可控硅、显示输出和定时开关控制这5项任务。

本系统采用AVR单片机ATMEGA8，其内部带有多通道的10位ADC和低温漂的内部能隙基准，可以满足高精度的设计要求；两个8位、一个16位的定时器，除了可以进行普通的定时、计数外，还具有比较匹配、捕捉、RTC等功能，高精度可校准的片内RC振荡时钟在减低成本的同时，满足了时钟精度要求，实现精确定时开关。

其控制工作过程如图1所示，单片机检测到零点后，启动定时器，定时延迟结束后，在k点开启可控硅，之后，可控硅在g点自动关断，其中，延迟由外部按键输入设定。

图1 单片机控制工作过程

按键输入

为了使设计更加实用方便，更具有人性化的交互性，按键输入界面由5个按键和若干电阻构成。按键采用电阻分压，利用不同按键输入不同电压值，依靠A/D转换得到键值。

显示模块

显示模块由LED七段数码管和两个发光二极管构成。七段数码管显示当前功率百分比值，发光二极管指示当前工作模式，数码显示采用动态扫描的方式，使得电路简单。

硬件电路

系统硬件电路主要由过零采样模块、按键输入模块、单片机、数码显示、可控硅功率控制电路几部分组成，单片机I/O输入端与过零检测电路输出端和按键输出端相连，单片机I/O输出端与可控硅电路、数码显示电路相连。

图2是本设计的模拟部分硬件电路图，包括电源、过零采样和可控硅接口电路。220V市电由外接电源插头输入，串联可控硅电路后，外接扩展电源接线板输出。同时，经220V-9V×2变压器降压、整流、滤波后，提供本系统所需的低压电源，包括±9V和+5V电源，+5V是经过7805稳压后得到的，为单片机系统供电。过零采样电路由运算放大器NE5532反相端接地，同相端接变压器次级50Hz交流信号，经开环放大、整形后输出满足单片机I/O输入要求的TTL信号。图2中与输入插头、输出接线板相连的导线加粗，表示需承载大电流通过，串联其中的保险管，以保证输出电路短路时的系统安全。可控硅控制电路选用的是双向大功率可控硅BTA20，还需加装散热片。

图2 模拟部分的电路图

图3是单片机系统及输入/输出和数码显示硬件电路图。显示模块接口P3、P4同单片机P5、P6相连；按键输入接口P7同单片机P8相连；单片机输入接口P9同图2中过零检测电路接口P1相连，P10同图2中可控硅电路接口P2相连。数码显示采用动态扫描模式，电路简单，按键采用电阻分压，依靠单片机A/D转换得到键值，这样就简化了硬件电路。

图3 单片机、输入/输出和显示电路

程序流程设计

图4是单片机外部中断流程图，交流电过零点时，过零信号触发单片机外部中断，中断响应后，P9输出低电平，使可控硅维持断开状态，随后设定定时器初值，并且开启定时器后返回。两路外部中断分别设定上升沿触发和下降沿触发，分别完成电源正负半周控制。

图4 单片机外部中断流程

图5是单片机定时中断流程图，定时溢出触发中断，P9输出高电平，触发可控硅导通，关闭定时中断后返回。

图5 单片机定时中断流程

图6是单片机主程序流程图。在主程序中主要是循环读取按键输入值，根据输入调整系统参数，启动定时功能，完成数码显示任务。

图6 单片机主程序流程

总的工作过程是市电过零信号驱动单片机的两个外部中断，在上升沿和下降沿处完成可控硅导通角相位控制，实现可控硅导通角任意调整，从而实现功率调节。用户可通过按键输入调整功率并设置定时功能，定时功能是通过开关外部中断实现的。

结语

本设计的样机试用结果表明，该设计能够很好地实现功率的无级调控，客观上解决了阻性大功率家电的功率调控问题，并且具有很高的精度和线性度，实现了定时开关、数码显示等功能，是一种很有市场开发潜力的通用型外置功率调控装置。

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