基于AT89C2051的晶閘管觸發電路設計

魏海嘯，于群

（山東科技大學 信息與電氣工程學院，山東 青島 266590）

自晶閘管被用作開關元件以來，其觸發電路經過了晶閘管分離元件階段和集成電路階段后進入了單片機嵌入階段。使用以單片機為核心的觸發電路雖然避免了前兩個階段元件多、故障率高和低智能化的缺點，但可靠性、迅速性和抗干擾性還存在諸多不足。

本設計詳細介紹了一種基于AT89C2051單片機的晶閘管觸發電路，具有高集成度、智能化、體積小、安全、迅速、可靠穩定等優點，今后必將被廣泛應用。文中以晶閘管投切電容器為例來詳細說明觸發電路的工作原理。

1 觸發電路的硬件設計

硬件電路以ATMEL公司的AT89C2051單片機為核心，包括晶閘管過零檢測電路、控制器投切命令電路、脈沖隔離放大電路等幾部分組成，硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 Block diagram of hardware system

1.1 AT89C2051簡介

AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含2 k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機數據存儲器（RAM），兩個16位定時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，內置一個精密比較器，片內振蕩器及時鐘電路，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，這使得其開發調試都十分方便[3]。

功能強大的AT89C2051單片機提供了高度靈活和低成本的解決辦法，完全可以滿足對晶閘管觸發電路快速、準確的要求。AT89C2051硬件結構如圖2所示。

圖2 AT89C2051硬件結構Fig.2 Hardware structure of AT89C2051

1）端口P1 P1口是一個8位雙向I/O口。引腳P1.2至P1.7提供內部上拉電阻，P1.0和P1.1則需外加上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內精密模擬比較器的同相輸入（ANI0）和反相輸入（AIN1）。

2）端口P3 P3口的P3.0至P3.5、P3.7是帶有內部上拉電阻的7個雙向I/O口。P3.6用于固定輸入片內比較器的輸出信號并且它作為一通用I/O引腳而不可訪問。

1.2 輔助電路的設計

1.2.1 晶閘管過零檢測電路

晶閘管投入電容器的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同的時刻[4]。因為根據電容器的特性，當加在電容上的電壓有階躍變化時，將產生沖擊電流，會損壞晶閘管且給所在電力系統帶來高頻振蕩等不利影響。所以設計了晶閘管過零檢測電路來解決殘壓測量的難題。晶閘管過零檢測電路如圖3所示。

圖3 晶閘管過零檢測電路Fig.3 Zero-crossing detection electric circuit of SCR

當電源電壓與電容器的殘壓相等時，晶閘管上電壓為零，光電耦合器就會輸出下降沿負脈沖至單片機INT0、INT1管腳，如果此時控制器投入指令存在，此脈沖就會經過一系列環節，產生脈沖串去觸發晶閘管，保證晶閘管的導通，平穩投入電容器；當電源電壓與電容器的殘壓不相等時，晶閘管上電壓不為零，光耦導通，接到單片機的INT0、INT1呈高電平，在軟件中設置此種情況不產生觸發脈沖，晶閘管呈關斷狀態。

1.2.2 控制器投切命令電路

控制器投切命令電路如圖4所示。

圖4 控制器投切命令電路Fig.4 Controller commands the switching circuit

控制器是工作人員用來向觸發電路下達電容器投切命令的電路。當工作中需要電容器投入時，控制器在J3處給晶閘管觸發電路+4 V信號，光耦U3導通，使單片機P1.0（控制器投切ORDER命令管腳）呈高電平，通過邏輯判斷電路使得觸發脈沖得以驅動脈沖變壓器，使晶閘管導通，電容器投入；同理，當需要切除電容器時，取消控制器+4 V信號，光耦關斷，ORDER管腳呈低電平，通過邏輯判斷電路屏蔽了管腳的觸發脈沖，此時無論觸發脈沖管腳輸出的何種脈沖，都不能驅動脈沖變壓器，管腳晶閘管在電流過零時自然關斷。這種設計的優點就是可靠性高，抗干擾能力強，避免了因外部干擾或程序問題而使得晶閘管誤導通[5]。

1.2.3 晶閘管觸發主電路

晶閘管觸發主電路如圖5所示。電路以AT89C2051單片機為核心，采用8 M晶振定時器工作方式。P1口用作觸發晶閘管的脈沖輸出，P3口用作晶閘管過零信號檢測。其管腳具體連接見圖5。

其工作過程是：當單片機通過投切命令電路接到電容器投入指令時，P1.0 ORDER管腳會呈高電平。此時檢測電路檢測晶閘管是否過零，當檢測到晶閘管過零時，單片機INT0、INT1管腳會觸發中斷，單片機進入脈沖中斷程序，產生觸發脈沖，在單片機P1口輸出去驅動脈沖[6]。

圖5 晶閘管觸發主電路Fig.5 Trigger circuit of thyristor

單片機輸出的觸發脈沖信號為高頻調制脈沖，所以脈沖變壓器采用高頻變壓器，體積小，不發熱，易安裝，二極管均采用快速二極管[1]。工作原理是：當單片機高頻脈沖輸出時，三極管立即進入導通狀態，由于電容C9的瞬間短路作用，使得脈沖變壓器的原邊得到信號為+24 V的尖峰脈沖，它可以用作晶閘管的強觸發脈沖，在C9的兩端并上電阻R30減小了高頻信號的阻抗，相當于微分，這樣提高了信號的上升速率，加快了導通速度，提高觸發的可靠性。而后單片機輸出的高頻脈沖使得變壓器副邊得到持續的幅值較低的高頻調制脈沖，繼續供給晶閘管觸發脈沖，以提高電流斷續時晶閘管工作的穩定性，同時也降低了觸發電路的功耗[2]。

2 觸發電路的軟件設計

軟件設計采用中斷服務程序的方法。脈沖寬度和間隔采用軟件延時方法來定時。程序設計簡單，短小精悍，思路清晰。程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖Fig.6 Flow chart of program

3 性能測試

為檢驗觸發電路的性能，設計了檢測電路。檢測電路原理圖如圖7所示。

圖7 檢測電路原理圖Fig.7 Detection circuit schematic diagram

實驗電路由觸發電路、一組反并聯晶閘管、一組串聯電容、DC 24 V和DC 5 V開關電源各一個連接而成。實建電路如圖8所示。其中DC 24 V電源提供觸發板工作電壓，DC 5 V電源模擬控制器投切信號。為觀察方便，筆者在一個電容器上并聯了指示燈，具體如圖8所示。

圖8 性能檢測電路Fig.8 Performance testing circuit

正確連接電路，檢查無誤后打開24 V直流電源，觸發電路中L1指示燈被點亮，單片機正常工作；打開AC220 V電源，使晶閘管兩極帶電；打開5 V電源，使觸發板開始工作，此時L2、L3、L4指示燈全部被點亮，并聯電容上的指示燈也被點亮，證明觸發電路觸發晶閘管導通。

用示波器觀察脈沖變壓器觸發信號如圖9所示。

圖9 圖9脈沖變壓器觸發信號Fig.9 Trigger pulse transformer

經觀察觸發脈沖前沿陡度達1～2 A/μs，觸發電流為晶閘管最大觸發電流的2倍，脈沖幅度足夠，電路設計十分成功。

4 結 論

基于AT89C2051單片機的晶閘管觸發電路成功的實現了對晶閘管迅速、可靠的觸發，已成功的應用于電力系統無功補償、濾波裝置中，其智能、安全、可靠的優點通過了工業現場惡劣環境的檢驗，具有很好的應用前景。

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[3]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2001.

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[5]張玉奎，陳元平，李樹召.可控硅觸發電路的改進[J].繼電器，2003，31（6）：82-84.ZHANG Yu-kui，CHEN Yuan-ping，LI Shu-zhao.Improvement of SCR trigger circuit[J].Relay，2003，31（6）：82-84.

[6]耿恒山，薛美云，耿躍華，等.基于AT89C2051單片機的嵌入式晶閘管觸發器[J].電力電子技術，2004，38（5）：77-79.GENG Heng-shan，XUE Mei-yun，GENG Yue-hua，et al.Embedded SCR trigger based on single chip AT89C2051[J].Power Electronics Synopsis，2004，38（5）：77-79.