基于單片機和晶閘管驅動器的燈控系統硬件設計

張帆　陳小江

【摘 要】本系統采用以AT89C51單片機為核心控制單元，利用MOC3063光電耦合器，輸入端為砷化鎵紅外發光二極管（LED），輸出端為雙向晶閘管，實現多路燈光控制，顯示多種燈光花樣。

【關鍵詞】單片機；MOC3063；驅動器

0 前言

本設計基于單片機和晶閘管驅動器的燈控系統，以AT89C51為控制核心，采用MOC3063光電耦合器實現強弱電的光電隔離并在交流電壓過零時觸發功率雙向晶閘管導通。一方面，可通過軟件編程，顯示多種燈光花樣，尤其在不改變硬件電路，只改變軟件程序的情況下，就很容易變換燈光花樣；另一方面，采用晶閘管過零觸發，同步檢測電路簡單，且在晶閘管導通瞬間不會產生高次諧波干擾，因此不會造成電網電壓波形畸變，也就不會對電網造成污染，所以不會發出機械噪聲。該系統成本低，顯示效果好，特別適合城市的亮化。

1 設計方案的確定

本設計采用單片機AT89C51為核心，利用MOC3063光電耦合器實現強弱電的光電隔離并在交流電壓過零時觸發功率雙向晶閘管，控制燈的亮與滅，實現各種燈光花樣。

該系統硬件電路主要由AT89C51單片機、8個相同的過零觸發驅動電路、鍵盤控制器、直流穩壓源等組成。利用高性能低價格AT89C51單片機，輸出驅動負載的能力較強（可提供20mA的灌電流），因此可直接驅動發光二極管，不用再配置發光二極管驅動電路，從而簡化了電路結構。過零觸發驅動電路主要由MOC3063和大功率雙向晶閘管VT組成。使MOC3063觸發功率雙向晶閘管，不僅可消除或大大減小功率雙向晶閘管導通時對電網的影響，而且可以用低電壓、小電流控制高電壓、大電流，特別是由于采用了光電隔離且可用TTL電平驅動，故很容易與微處理器接口，進行各種自動控制設備的實時控制。

2 硬件電路的設計

硬件電路主要由AT89C51單片機（擴展一片程序存儲器2764）、8個相同的過零觸發驅動電路、鍵盤控制器、直流穩壓源等組成。

2.1 AT89C51芯片及其程序存儲器的擴展

本設計選擇AT89C51單片機作為核心控制單元，利用它的P1口八根I/O口線控制八路燈。由于程序較多，所以擴展一片程序存儲器2764，利用鎖存器74LS575鎖存信號。

單片機AT89C51擴展一片程序存儲器2764，連接如圖2：

AT89C51的P1口用來控制八路燈，當P1口輸出低電平時，燈亮；當P1口輸出高電平時，燈滅；即由P1口輸出高低電平來控制燈的亮與滅，從而實現豐富多彩的燈光花樣。

2.2 過零觸發驅動電路

過零觸發驅動電路主要由光電耦合器MOC3063和大功率雙向晶閘管VT組成。如圖3：

AT89C51的P1口8根I/O口線，控制8路過零觸發驅動電路，而每路過零觸發驅動電路又控制兩盞燈。

2.2.1 光電耦合器MOC3063簡介

MOC3063為雙向晶閘管輸出型光藕合器，具有過零檢測、觸發電路，其輸入端1、2腳的控制電流為5mA，輸出端4、6腳的額定電壓為600v，最大重復浪涌電流為1A，輸入、輸出間隔離電壓為7500V。M0C3063的輸入端為砷化稼紅外發光二極管（LED），輸出端為光控雙向晶閘管。

2.2.2 元器件的作用及選擇

1）R2的作用及選擇

作用：R2是MOC3063的限流電阻，使其輸出端的電流不超過1A。

選擇：MOC3O63過零檢測的電壓值為2Ov，故選R2稍大于20歐姆（電阻性負載）。對于電感性負載，因電感的影響，觸發外部晶閘管的時間延長，流過MOC3063輸出端的電流將增大，故需增大R2的值。當感性負載的功率因數小于0.5時，選R2為330歐姆，其他情況下可取27—330歐姆。由于加入R2，使觸發電路有一個最小觸發電壓，低于該電壓，外部晶閘管不導通，直到高于該電壓才導通。R2增大時，最小觸發電壓增大。

2）R3的作用

MOC3063在輸出端關斷狀態下，也有小于或等于0.5mA的電流，加入R3可消除該電流對外部晶閘管的影響。

3）R、C的作用

R、C起保護VT的作用，選擇R為39歐姆，C為0.01微法。

2.2.3 工作原理

當光電耦合器MOC3063的輸入引腳輸入一定的電流時，發光二極管LED導通發射紅外線，且過零檢測電路檢測出輸出端的交流電壓過零時，內部雙向晶閘管被觸發導通，從而外部雙向晶閘管導通。

2.3 鍵盤控制器SK5278

鍵盤控制器SK5278是一種可管理16個按鍵的鍵盤控制器，該器件內部具有去抖動處理電路，采用串行方式與單片機進行接口，使用該器件可簡化單片機系統軟硬件的鍵盤接口。

2.3.1 特點

（1）該芯片采用4線串行接口，可與任何種類的單片機連接。

（2）它具有按鍵有效指示輸出，可用中斷方式管理鍵盤。

（3）其行線X0～X3與列線Y0～Y3可構成4×4鍵盤矩陣。

（4）SK5278的16鍵鍵盤控制器內含去抖動處理電路，因而可直接輸出鍵值。

（5）該器件的工作電源電壓范圍寬達4～6V。

2.3.2 工作原理

SK5278可用行線X0～X3和列線Y0～Y3構成4×4矩陣鍵盤，在芯片內部可自動完成掃描、譯碼、去抖動處理等任務。當SK5278檢測到有效的按鍵時，按鍵有效指示“KEY”引腳將從低電平變為高電平，并一直保持到按鍵代碼被讀取為止。在“KEY”為高電平期間，如果SK5278接收到“讀鍵盤數據”命令，（即“CS”管腳變低），則輸出當前按鍵的鍵盤代碼（SK5278鍵盤代碼的范圍00H-0FH）如果在接收到“讀鍵盤數據”時沒有按鍵按下，SK5278將輸出FFH，在一次讀鍵盤過程完成后，按鍵有效指示“KEY”將變為低電平。利用按鍵有效指示“KEY”與單片機的外部中斷端相連，可完成具有中斷的鍵盤監控功能，從而提高CPU的工作效率，減少按鍵響應時間。

SK5278工作時需要外接RC振蕩電路以供系統工作，RC元件的典型值R5=3.3kΩ，C1=20pF，此時的振蕩頻率約為4MHz，由于此振蕩頻率較高，故在印制電路板布線時，所有元件尤其是振蕩電路的元件應盡量靠近芯片，并盡量使電路連線最短。

SK5278的RESET復位端在一般應用情況下，可以直接與正電源連接，在需要較高可靠性的情況下，可以連接外部RC復位電路，在上電或接收到RESET端的復位信號后，SK5278大約需要經過25ms的復位時間才會進入到正常工作狀態。

2.4 整體電路圖（圖4）

當單片機AT89C51的P1口線輸出低電平時，光電耦合器MOC3063的輸入端有約5mA的電流（選R1為560歐姆）輸入，發光二極管導通，且在MOC3063輸出端4、6腳之間的電壓過零時，M0C3063的內部雙向晶閘管導通，觸發外部雙向晶閘管VT導通，該路的燈亮；當單片機AT89C51P1口線輸出高電平時，由于發光二極管的單向導電性，其關斷，從而內、外部雙向晶閘管也關斷，該路的燈熄滅。這樣通過軟件編程，調用子程序，控制燈的亮滅，很好的實現了各種燈光花樣。

3 結束語

本系統主要針對目前城市亮化不夠完善而設計，因許多城市亮化中，存在燈光圖案單一，缺乏變換，還會發出機械噪聲等缺點，所以本設計以AT89C51為控制核心，采用MOC3063實現強弱電的光電隔離并在交流電壓過零時觸發功率雙向晶閘管，通過軟件編程，使燈顯示出豐富多彩的燈光圖案。尤其在不改變控制電路的情況下，調整部分顯示子程序的執行順序或增加其他顯示子程序，還可以不斷更新顯示圖案。

該系統不僅電路簡單，顯示效果好，而且可靠性好，成本低，實用性強，非常適合于城市的亮化。

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[責任編輯：薛俊歌]