基于STM32單片機與雙向可控硅調光系統的設計

黃躍娟　張冬冬　劉琳　李世勛　譚巖

摘要：基于STM32單片機與雙向可控硅調光系統的設計，是利用單片機為控制核心通過控制雙向可控硅的觸發角的大小改變，從而使調光電路中的電壓發生了改變，達到燈光亮度可調的目的。雙向可控硅應用于交流調壓系統中完成調壓、調功最根本的原因是可控硅在交流電路中作為電力電子開關來控制電路通斷將電壓等效減小。對于雙向可控硅調光系統的設計，在雙向可控硅調光的基礎上，填加按鍵控制與采用光敏電阻對實際光照情況進行檢測，以單片機控制雙向可控硅為調光控制器，最終在系統手動或自動的條件下完成燈光亮度明暗變化。

關鍵詞：調光系統;雙向可控硅;觸發角;單片機控制

1總體設計方案

根據題目進行分析，預想達到的目的是：完成以STM32單片機為核心，以雙向可控硅為控制電路組成光亮可調的照明系統。通過查找文獻與對針對該設計的學習最終得到以下四個步驟進行總體設計，方案如下：

（1）通過STM32單片機軟件編程控制雙向可控硅的導通角度，探究學習并完成雙向可控硅的觸發電路、同步電路、主電路的設計。對于本次設計的三個電路，兩個角度，兩種電流進行詳細的設計和規劃。

（2）完成雙向可控硅可以在STM32單片機的控制下達到可控硅控制照明燈的由暗變亮的循環變化。通過設計此步驟，對可控硅調壓系統有了解和認識，并且用觸發角度控制有嚴密的規劃。

（3）通過單片機的外部電路按鍵進行由按鍵控制光照強度檔位的變化。并實現自動循環和手動調光的切換模式。

（4）設計并制作光敏電阻采集電路，讀取AD值實現由現實光照強度改變燈的光照，并將自動切換模式改為此控制模式。通過系統上的實驗測試，軟件編寫程序，軟硬件調試聯調，從設計目的出發，以探究和學習的角度去考慮每一個步驟。最終完成本次設計。

2硬件設計

基于STM32單片機與雙向可控硅調光系統的設計，通過使用光敏電阻的光亮采集模塊對STM32單片機傳輸模擬量的電壓值反應實際光照強度，并通過單片機輸出脈沖信號，使雙向可控硅的觸發角相位發生改變，實現對光照系統電壓的調節，導致光照系統的光亮明暗變化。

（1）STM32單片機最小系統設計

STM32F103RCT6核心板將JTAG端口外置出來方便程序的調試和下載。并在核心板上集成四個按鍵包括一個復位按鍵，UP鍵，兩個可編寫操作按鍵KEY0和KEY1。按鍵在核心板上集成出來應用于系統的調試和控制操作。

STM32單片機以及其它的外圍芯片都是3.3V供電，所以需要用到將5V轉3.3V為了經濟性，使用常用的AMS1117-3.3V電源穩壓芯片。AMS1117屬于線性電源芯片，比開關電源芯片的噪聲要好很多。AMS1117的片上微調把基準電壓調整到1.5%的誤差以內，而且電流限制也得到了調整，以盡量減少因穩壓器和電源電路超載而造成的壓力。輸出3.3V電壓供給單片機及外部電路提供電源。

（2）雙向可控硅調光模塊

同步電路也可以稱為過零檢測電路。同步電路通過220V50Hz轉5V交流變壓器將同步電壓供給同步電路，再通過光電偶合器整形輸出整形脈沖信號，再通過74LS02反相器反向的到最終整形的波形。其中PS2501-1是一種雙列直插式封裝，一個單位的光電耦合器或稱光反射面。輸入的最大電流為80mA，最大工作電壓為80V。輸入信號和輸出信號進行了很高的隔離傳輸效率。74LS02芯片是6非門反相器，工作電壓是5V，他的內部含有6個cmos反相器，在下面的電路中起到的作用是把0信號反向成1信號。是即同步脈沖。經由PC0引腳輸入到STM32單片機。

雙向可控硅的觸發電路及主電路，由單片機輸出PC1引腳的觸發信號，通過光電耦合器進行隔離和光電傳輸，輸入到雙向可控硅的門極，以雙向可控硅的A1，A2為主電路的電力電子器件開關接點，控制光照電路的路端電壓，最終完成雙向可控硅調光的設計目的。

在觸發電路中通過PS2501-4光電耦合器輸出和隔離傳輸觸發信號給雙向可控硅。

PS2501-4與PS2501-1的區別在于，PS2501-1是四引腳輸出而PS2501-4是16引腳的光電耦合器，PS2501-4光電耦合隔離器包含發光二極管和NPN型硅光電晶體管。選擇使用該器件的原因是，該器件最適合應用于雙向可控硅觸發電路的設計。

（3）光敏電阻測光模塊

對光照采集電路分析，在外接電源的情況下，RL光敏電阻上端與下段的電位差通過上端引腳傳入LM358運算放大器，采用同相放大的形式接入電路構成放大，10K的電位器可調放大倍率。最后通過RC吸收濾波傳出放大后的信號，將實際光照反應的電壓值輸入單片機。光照強度的模擬量信號采集部分，在本此設計中應用的是光敏電阻這一電子器件。光敏電阻經常使用的制造材料為硫化硒，另外還有一些其他具有光照特性的材料。這些制作材料在一定光照波長的光照下，感光材料阻值迅速減小，由于光照產生的載流子在光照條件下，在外部連接了具有不同電勢差的作用下載流子實現漂移運動，游離電子向電源的電動勢高的地方聚集，空穴向電動勢低的地方聚集，從而使光敏電阻阻值迅速下降[11]。根據系統的設計原理，光敏電阻值的范圍為1.4～3.6k時最適合設計預期達到的目標。

光敏電阻的工作特性是：無光照時，電阻導電效率低，稱為暗電阻，電路中可以移動的電子很少稱為暗電流;當光照強度增加時，內部游離的電子也隨之增加，電導率減增加。由于內部材料的特性其阻值和光照強度成反比。光敏電阻一段連接在電路中，另一端接GND，這樣連在電路的一端引腳就可以將相應強度光照所對應的的電阻值轉化為不同的電壓值。再通過運算放大將最終得到的電壓通過電路傳送給單片機。

在外接核心板引出的5V電源的情況下，RL光敏電阻上端與下段的電位差通過上端引腳傳入LM358運算放大器，采用同相放大的形式接入電路構成放大，10K的電位器可調放大倍率。最后通過RC吸收濾波傳出放大后的信號，將實際光照反應的電壓值輸入單片機PA0引腳，作為模擬量轉換輸入。

（4）按鍵模塊

本次設計應用到的按鍵為系統板上集成好的按鍵，除去復位按鍵之外，還有三個按鍵KEY_UP、KEY0、KEY1。對于STM32這款單片機來講，輸入輸出的引腳是有獨特的定義程序的，STM32單片機的輸入有四種模式選取：

1）上拉輸入：若GPIO引腳配置為上拉輸入模式，在默認狀態下，讀取得的GPIO引腳數據為1，即高電平。

2）下拉輸入：與上拉輸入正好相反，在默認狀態下其引腳數據為0，即低電平。

3）浮空輸入：經由觸發輸入，在芯片內部沒有上拉或下拉電阻。因為是其輸入阻抗較大，正常情況下把這種模式用于標準的通訊協議，比如I2C協議。

4）模式輸入：該模式不使用觸發輸入，不接上拉或下拉電阻，經由一條線把電壓信號和片上外設連接起來進行通信[12]。如ADC，由其采集模擬量電壓信號。必須只有在設置為模擬輸入模式時，ADC外設才能和單片機進行通信。對于按鍵的輸入定義應該在軟件程序中定義完整。對于系統板的按鍵KEY-UP、KEY0、KEY1，分別對應PA13、PA14、PA15。

3 小結

通過使用STM32單片機與外部的雙向可控硅模塊、光敏電阻測光模塊，分別進行了光照強度檢測，調節控制交流電壓。實現了交流電路中照明設備通過調壓達成了光亮可控可調的目的，具有性價比高、穩定可靠、耗能低、易于使用的特點。

參考文獻

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[2]朱貴國.基于STM32單片機的直流電機調速系統設計.數控技術，2013

[3]蒙博宇.STM32自學筆記[M].北京：北京航空航天出版社，2011

[4]楊琴芝.基于STM32的多功能電能表的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012