本設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了一種基于AT89C2051單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)電路，具有高集成度、智能化、體積小、安全、迅速、可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，今后必將被廣泛應(yīng)用。文中以晶閘管投切電容器為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明觸發(fā)電路的工作原理。

　　1 觸發(fā)電路的硬件設(shè)計(jì)

　　硬件電路以ATMEL公司的AT89C2051單片機(jī)為核心，包括晶閘管過(guò)零檢測(cè)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。

　　1.1 AT89C2051簡(jiǎn)介

　　AT89C2051是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含2 k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128 bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，這使得其開(kāi)發(fā)調(diào)試都十分方便。

　　功能強(qiáng)大的AT89C2051單片機(jī)提供了高度靈活和低成本的解決辦法，完全可以滿(mǎn)足對(duì)晶閘管觸發(fā)電路快速、準(zhǔn)確的要求。AT89C2051硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　1)端口P1 P1口是一個(gè)8位雙向I/O口。引腳P1.2至P1.7提供內(nèi)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(nèi)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(nèi)部上拉電阻的7個(gè)雙向I/O口。P3.6用于固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號(hào)并且它作為一通用I/O引腳而不可訪(fǎng)問(wèn)。

　　1.2 輔助電路的設(shè)計(jì)

　　1.2.1 晶閘管過(guò)零檢測(cè)電路

　　晶閘管投入電容器的時(shí)刻，也就是晶閘管開(kāi)通的時(shí)刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同的時(shí)刻。因?yàn)楦鶕?jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊電流，會(huì)損壞晶閘管且給所在電力系統(tǒng)帶來(lái)高頻振蕩等不利影響。所以設(shè)計(jì)了晶閘管過(guò)零檢測(cè)電路來(lái)解決殘壓測(cè)量的難題。晶閘管過(guò)零檢測(cè)電路如圖3所示。

　　當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓相等時(shí)，晶閘管上電壓為零，光電耦合器就會(huì)輸出下降沿負(fù)脈沖至單片機(jī)INT0、INT1管腳，如果此時(shí)控制器投入指令存在，此脈沖就會(huì)經(jīng)過(guò)一系列環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脈沖串去觸發(fā)晶閘管，保證晶閘管的導(dǎo)通，平穩(wěn)投入電容器;當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓不相等時(shí)，晶閘管上電壓不為零，光耦導(dǎo)通，接到單片機(jī)的INT0、INT1呈高電平，在軟件中設(shè)置此種情況不產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，晶閘管呈關(guān)斷狀態(tài)。

　　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。

　　控制器是工作人員用來(lái)向觸發(fā)電路下達(dá)電容器投切命令的電路。當(dāng)工作中需要電容器投入時(shí)，控制器在J3處給晶閘管觸發(fā)電路+4V信號(hào)，光耦U3導(dǎo)通，使單片機(jī)P1.0(控制器投切ORDER命令管腳)呈高電平，通過(guò)邏輯判斷電路使得觸發(fā)脈沖得以驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器，使晶閘管導(dǎo)通，電容器投入;同理，當(dāng)需要切除電容器時(shí)，取消控制器+4 V信號(hào)，光耦關(guān)斷，ORDER管腳呈低電平，通過(guò)邏輯判斷電路屏蔽了管腳的觸發(fā)脈沖，此時(shí)無(wú)論觸發(fā)脈沖管腳輸出的何種脈沖，都不能驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器，管腳晶閘管在電流過(guò)零時(shí)自然關(guān)斷。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)就是可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，避免了因外部干擾或程序問(wèn)題而使得晶閘管誤導(dǎo)通。

　　1.2.3 晶閘管觸發(fā)主電路

　　晶閘管觸發(fā)主電路如圖5所示。電路以AT89C2051單片機(jī)為核心，采用8 M晶振定時(shí)器工作方式。P1口用作觸發(fā)晶閘管的脈沖輸出，P3口用作晶閘管過(guò)零信號(hào)檢測(cè)。其管腳具體連接見(jiàn)圖5。

　　其工作過(guò)程是：當(dāng)單片機(jī)通過(guò)投切命令電路接到電容器投入指令時(shí)，P1.0 ORDER管腳會(huì)呈高電平。此時(shí)檢測(cè)電路檢測(cè)晶閘管是否過(guò)零，當(dāng)檢測(cè)到晶閘管過(guò)零時(shí)，單片機(jī)INT0、INT1管腳會(huì)觸發(fā)中斷，單片機(jī)進(jìn)入脈沖中斷程序，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，在單片機(jī)P1口輸出去驅(qū)動(dòng)脈沖。

　　單片機(jī)輸出的觸發(fā)脈沖信號(hào)為高頻調(diào)制脈沖，所以脈沖變壓器采用高頻變壓器，體積小，不發(fā)熱，易安裝，二極管均采用快速二極管。工作原理是：當(dāng)單片機(jī)高頻脈沖輸出時(shí)，三極管立即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，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(hào)為+24 V的尖峰脈沖，它可以用作晶閘管的強(qiáng)觸發(fā)脈沖，在C9的兩端并上電阻R30減小了高頻信號(hào)的阻抗，相當(dāng)于微分，這樣提高了信號(hào)的上升速率，加快了導(dǎo)通速度，提高觸發(fā)的可靠性。而后單片機(jī)輸出的高頻脈沖使得變壓器副邊得到持續(xù)的幅值較低的高頻調(diào)制脈沖，繼續(xù)供給晶閘管觸發(fā)脈沖，以提高電流斷續(xù)時(shí)晶閘管工作的穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了觸發(fā)電路的功耗。

　　2 觸發(fā)電路的軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)采用中斷服務(wù)程序的方法。脈沖寬度和間隔采用軟件延時(shí)方法來(lái)定時(shí)。程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，短小精悍，思路清晰。程序流程圖如圖6所示。

　　3 性能測(cè)試

　　為檢驗(yàn)觸發(fā)電路的性能，設(shè)計(jì)了檢測(cè)電路。檢測(cè)電路原理圖如圖7所示。

　　實(shí)驗(yàn)電路由觸發(fā)電路、一組反并聯(lián)晶閘管、一組串聯(lián)電容、DC 24 V和DC 5 V開(kāi)關(guān)電源各一個(gè)連接而成。實(shí)建電路如圖8所示。其中DC 24 V電源提供觸發(fā)板工作電壓，DC 5V電源模擬控制器投切信號(hào)。為觀(guān)察方便，筆者在一個(gè)電容器上并聯(lián)了指示燈，具體如圖8所示。

　　正確連接電路，檢查無(wú)誤后打開(kāi)24 V直流電源，觸發(fā)電路中L1指示燈被點(diǎn)亮，單片機(jī)正常工作;打開(kāi)AC220 V電源，使晶閘管兩極帶電;打開(kāi)5 V電源，使觸發(fā)板開(kāi)始工作，此時(shí)L2、L3、L4指示燈全部被點(diǎn)亮，并聯(lián)電容上的指示燈也被點(diǎn)亮，證明觸發(fā)電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

　　用示波器觀(guān)察脈沖變壓器觸發(fā)信號(hào)如圖9所示。

　　經(jīng)觀(guān)察觸發(fā)脈沖前沿陡度達(dá)1～2 A/μs，觸發(fā)電流為晶閘管最大觸發(fā)電流的2倍，脈沖幅度足夠，電路設(shè)計(jì)十分成功。

　　4 結(jié)論

　　基于AT89C2051單片機(jī)的晶閘管觸發(fā)電路成功的實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶閘管迅速、可靠的觸發(fā)，已成功的應(yīng)用于電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償、濾波裝置中，其智能、安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的檢驗(yàn)，具有很好的應(yīng)用前景。