单片机控制可控硅加热
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摘要：随着计算机的发展和普及，单片机以他体积小，性能稳定，性价比高，操作简单等优点得到快速的发展。本文主要介绍利用单片机通过双向可控硅控制一个周波内的导通角来控制单位周波的导通时间，从而控制负载的功率。本试验负载为一个灯泡，通过实验证明了通过控制导通角的大小可以改变灯泡的亮度，本论文验证了实验的可行性。因此，利用单片机编程可控制负载在单位周波内的导通时间，达到控制温度的目的。
关键词：单片机；设计；可控硅
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、电路主要设计思路
本试验的各个主要环节如下图：
本试验主要论证的是控制器和执行机构之间的部分。即使用8031单片机对双向可控硅进行控制，改变其一个周波内的导通角，从而控制单位周波的导通时间，最后使得控制负载的功率发生改变。为了更加直观的说明问题，本试验使用一个灯泡作为其负载，通过实验证明了通过控制导通角的大小可以改变灯泡的亮度。程序要使用汇编语言在计算机上用编译器进行编程，然后用WAVE仿真器对程序进行测试，最后编程器将由计算机串口输出程序代码转换成八位的并行数据通过单片机的编程口下载到单片机的内存中。实验时把单片机放入设计好的电路当中。单片机就可以按照提前编好的程序工作。
二、 硬件设计
2.2.1 MCS-51系列单片机简介
MCS-51单片机是由美国INTE公司于1980年推出的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍然是应用的主流产品。MCS-51系列单片机主要包括8031，8051和8751等产品。
MCS-51单片机主要有CPU和存储器构成，其中CPU由运算器和控制器组成：
8051单片机的内部总体结构其基本特性如下： 8位CPU、片内振荡器 4k字节ROM、128字节RAM 21个特殊功能寄存器 32根I/O线 可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空
2个16位定时器、计数器 中断结构：具有二个优先级、五个中断源 一个全双口串行口。
2.2.2可控硅简介
可控硅也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极A，阴极K和控制极G 。 可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。由于双向可控硅具有两个方向轮流导通、关断的特性。本实验采用为双向可控硅。
三、电路设计及部分介绍
整个电路由两大部分组成，即可控硅及其控制的电阻等组成的主电路和过零检测电路。这两个部分分别接在8031单片机的P1.0引脚和INT0引脚。
晶闸管控制过程中，需要由电源电压过零时开始计算控制角，因此需要一个过零检测电路，上图的INT0引脚的电路为过零检测电路。过零检测电路由变压器B，二极管D1，D2以及晶体管T组成。电源电压为零时，晶体管T截止，INT0端输入为高电平，不断产生中断，当电源电压过零后，晶体管T导通，集点极为低电平，产生INT0中断，使单片机 8031 得知电源电压过零的时刻。INT0中断工作在跳变沿方式，即只在INT0的输入电平由高电平变为低电平时产生中断。
触发方式我选择使用芯片MOC3061。其原因是：以往的触发方式易受电网电压波动和电源波形畸变的影响, 电路也较为复杂。采用MOTOROLA 公司生产的MOC3061 系列光电耦合器件, 很好地解决了上述问题, 它输出为正弦波, 波形无畸变、电磁干扰小、无噪声, 而且触发电路简单可靠。
MOC3061的内部结构及管脚排列见图。器件由输入、输出两部分组成。1、2 脚为输入端,输入级是一个砷化镓红外发光二极管(L ED ) , 该二极管在5～15mA 正向电流作用下,发出足够的红外光,触发输出部分。3、5 脚为空脚, 4、6 脚为输出端, 输出级为具有过零检测的光控双向可控硅。当红外发光二极管发射红外光时,光控双向可控硅触发导通。
当8031的P1.0端输出低电平时，MOC3061的输入端有约16 m A的电流输入，在MOC3061的输出端6脚和4脚之间的电压稍过零时，内部双向晶闸管导通，触发外部双向晶闸管KS导通。当P1.0端输出高电平时，双向晶闸管KS关断。MOC3061在输出端关断的状态下，也有小于500µA的电流，加入R3可以消除这个电流对外部双向晶闸管的影响。R1是MOC3061的限流电阻，用于限制流经MOC3061输出端的电流最大值不超过1A。MOC3061过零检测的电压值为20V，所以限制电阻取消大于20Ω。如果负载是电感性,由于电感的影响，触发外部双向晶闸管KS的时间延长，这时流经MOC3061输出端的电流会增长，所以在电感性负载的系统中，R1的值需要增大。当负载的功率因数小于0.5时，R1取最大值。最大值由下式计算：
R1=Vp/Ip=311Ω
取300Ω,在其他情况下可取27Ω~330Ω.当R1取得较大时,对最小触发会有影响.最小触发电压V1由下式计算:
V1= R1(Ir3+Vgr)+ Vgr+Vtm
式中: Ir3是流过R3的电流.
Ir3= Vgr/ R3
Igt为晶闸管KS门极触发电流;
Vgr为晶闸管KS门极触发电压;
Vtm为MOC3021输出晶闸管的导通压降,一般取约等于3V.
与双向晶闸管KS并联的RC回路用于降低双向晶闸管所受的冲击电压,保护KS及MOC3061.
另外，选择主控元件双向晶闸管KS时，要考虑到双向晶闸管KS的承受能力，由于双向晶闸管承受浪涌电流的能力较差，所以安全余量要取大些，一般取稳态电流的3到5倍。
四、试验程序设计流程分析
在程序开端对程序进行初始化，定义完程序后设定控制量初值。设定值检测用来对所设置的控制量数值进行检测，检查是否超出控制量的范围，以免造成程序错误，检测无误后进入过零中断检测，当外电源过零时转入中断程序，否则继续等待。中断服务程序中包括控制角计时，采样周期计时，脉冲宽度计时和脉冲产生程序。从转入中断程序开始控制角计时和采样周期计时起开始工作，当控制角计时到达后执行脉冲产生程序，在单片机的P1.0端输出高电平，同时开始脉冲宽度计时。当宽度到达设定值后将P0口清零，触发脉冲形成。在这过程中，采样周期计时器一直工作，每次脉冲形成后都要检测一次采样周期计时器一直工作，每次脉冲形成后都要检测一次采样周期的状态位。没有达到计时则返回主程序继续等待过零中断。若达到计时时间，则进入初值设定程序，重新设定控制量。然后返回主程序继续等待中断。采样周期没有达到以前控制量无法重新定义，以免由于频繁改变控制量所造成的系统震荡。