基于微处理器的大电流模拟继电器的设计 林摇 森1 崔转玲2 1 兰州交通大学 机电工程学院 甘肃 兰州摇 730070 2 兰州交通大学 自动化与电气工程学院 甘肃 兰州摇 730070 摘摇 要 由于受到传统开关器件的*** 大电流开关电源存在功率小 效率低等问题 在对 PWM 软开关技术进行分析 后 利用 AT89C52 单片机的中断方式输出频率和占空比可调的 PWM 脉冲 控制大功率开关管 GT40T101 的通断 从而 实现以模拟继电器的方式控制电路的通断 通过***电路验证了 PWM 软开关在控制大功率电源方面的优越性 对 于实际的电气工程应用具有一定的参考价值 关键词 单片机 IGBT 模拟继电器 人机交互系统 中图分类号 TP23摇 摇 摇 摇 摇 摇 文献标志码 A摇 摇 摇 摇 摇 摇 文章编号 1007 4414 2014 02 0174 04 Design of High Current Analogue Relay Based on SCM LIN摇 Sen1 CUI Zhuan ling2 1 School of Mechatronic Engineering Lanzhou Jiaotong University Lanzhou Gansu 730070 China 2 School of Automation IGBT analogue relay human computer interaction systems 0摇 引摇 言 目前开关电源技术主要朝着高效率 高性能 高 可靠性的方向发展 传统的开关器件通断速度慢并 且在状态变换的瞬间电流或电压都会有急剧的变化 从而造成极大的损耗 因此如何提高开关速度降低开 关损耗已成为一个亟待解决的问题 6 大功率 IGBT 开关器件通断速度快 导通电流大极好的符合了这一 要求 PWM 软开关技术也为此提供了解决办法 3 笔者通过软件的方法控制单片机使之输出规定的 PWM 波 以电平的方式控制功率管 GT40T101 的通 断 以模拟继电器的方式控制电路的接通和断开 利 用扫描键盘和 1602 液晶实现良好的人机交互界面 并通过软件仿真进行验证 5 1摇 电路工作原理简介 此研究的控制对象是一个阻感负载 使其按照一 定的频率接通或断开 如图 1 所示 L1即为被控对 象 R1为限流电阻 D1为续流二极管 C1为输入端滤 波电容 Q1为 IGBT 器件 GT40T101 通过控制栅极电 流实现电路的导通或关断 编程使单片机输出特定 的 PWM 脉冲控制功率管的导通或关断从而实现电 路的通断 2 图 1摇 电路原理图 摇 摇GT40T101 是东芝出品的 N 沟道型绝缘栅双极 性晶体管大电流功率开关 其开启电压 UGE在 3 0 V 6 0 V 上升时间 0 6 滋s 开通时间为 0 7 滋s 下 降时间 0 2 滋s 关段时间为 0 5 滋s 故该晶体管 可以满足电压和通断时间的要求 另外单片机 I O 口输出的电压约 5 V 故通过稳压电路可以满足 该管的开启电压的要求 1 GT40T101 的最大集 电极电流包括额定直流电流 IC为 40 A 和 1 ms 脉 宽电流 80A 故该晶体管可以满足设计中大电流 50 A 的要求 4 2摇 系统硬件设计 系统由主控芯片 AT89C52 单片机 1602 液晶显 示器 按键以及部分外围电路组成 硬件结构图如图 2 所示 471 检测与控制摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 2 期 第 27 卷 总第 130 期 机械研究与应用 收稿日期 2014 01 13 作者简介 林摇 森 1988 男 陕西渭南人 在读硕士 研究方向 机械制造及自动化和工业自动控制 图 2摇 系统结构硬件图 2 1摇 整体硬件设计 单片机和外围扩展模块的接口电路图如图 3 所 示 图 3摇 硬件电路接口原理图 摇 摇 AT89C52 通过 P0 口与键盘组成扫描键盘 用以 在液晶上显示0 9 十个数字 通过 P2 口连接液晶显 示器的数据口 键盘输入的数据可以通过此口传送给 1602 另有两个***键盘 采用外部中断的方式分别 执行确定和取消功能 74HC245 是一个增强 I O 驱动能力的芯片 设 计中将芯片的片选控制口 OE 始终接地保持片选有 效 芯片的数据传输方向控制口 DIR 接高电平 其数 据从 A 端向 B 段传送 2 2摇 键盘硬件设计 摇 摇 如图 4 所示 按键 0 9 采用的是扫描式键盘 0 3 键一端接 P0 0 4 7 键一端接 P0 1 另一端分别 接接 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 8 9 键一端接 P0 2 另 一端分别接接 P0 4 P0 5 ***按键分别接外部中断 0 和外部中断 1 扫描 时逐次将 P0 口的低四位置零 检测高四位的电平状 态 从而确定按键按下 2 3摇 1602 液晶硬件设计 摇摇如图 5 所示 1602 液晶显示器与单片机通过 驱动芯片 74HC245 连接 并由 P1 口的低三位提 供控制线 P1 0 是数据命令选择口 P1 1 是读写 控制口 P1 2 是使能信号控制口 具体组合如表 1 所列 图 4摇 键盘接口原理图 图 5摇 1602 液晶接口原理图 表 1摇 1602 液晶控制时序 功能写命令读数据读状态写数据 RS0101 RW0110 E尹11尹 3摇 系统软件设计 软件部分包括主程序 中断定时程序 液晶显示 程序 键盘扫描程序 主程序包括 1602 液晶初始化 程序 扫描键盘编码程序 数据传递程序 采用模块 化的方式编写程序使得程序具有较高的安全性和可 调用行 流程图如图 6 所示 3 1摇 1602 液晶程序 该段程序的作用是为液晶进行显示做好准备 通过单片机的 P2 数据口向 1602 写入若干条命令 具体程序如下 571 机械研究与应用 2014 年第 2 期 第 27 卷 总第 130 期 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 检测与控制 初始化 void init lcd1602 e 0 rw 0 write com 0 x0f 开显示 光标闪烁 write com 0 x38 双行显示 8 位数据 write com 0 x01 显示清屏 write com 0 x0c 开显示 光标不闪 write com 0 x06 指针自动加一 不移屏 write com 0 x80 设置初始化数据指针 通过上述程序 1602 进入准备状态 当主程序执 行写数据指令之后液晶就会在指定位置显示指定的 字符 或调用液晶内部以固化的 RAM 字符 图 6摇 程序作流程图 1602 的写命令可以由下面的子程序实现 写指令或写数据 void write uchar i bit j read busy P2 i 待写入数据 RS j 其中 j 0 写指令 j 1 写数据 RW 0 写操作 EN 1 提供高脉冲 EN 0 在程序的后续操作中 不论是读写数据还是命令 都需要对 1602 进行判忙操作 即判断液晶是否处在 空闲状态 如果没有在空闲状态 对 1602 的读写操作 均为无效 下面就是判忙子程序 读写允许判断函数 void read busy P2 0 xff RS 0 RW 1 EN 1 输出八位状态字 while P2 P2 口最高位位若不为0 停在此处 读写禁止 若为 0 读写允许 进入下一步 EN 0 通过上面的子程序 即可对 1602 做到准确有效 的操作 3 2摇 键盘扫面程序 此设计里的所有按键都是一端接 P0 口的一个低 四位 另一端接 P0 口里的一个高四位 工作时高四 位为高电平 低四位逐位拉低 通过检测高四位的电 平状态从而判断出是哪一个键按下 不同的 P0 口状 态代表了不同的数据 并对应不同的显示数据 具体 的 I O 状态与数据如表 2 所列 表 2摇 数据对应表 I O 状态 EEDEBE7EEDDDBD7DEBDB 数据0123456789 根据上表的对应关系 可以编写出键盘扫描子程 序 具体程序如下 键盘扫描函数 unsigned char KeyScan void unsigned char cord h cord l 行列值中间变量 KeyPort 0 xf0 行线输出全为 0 cord h KeyPort 读入列线值 if cord h 0 xf0 先检测有无按键按下 DelayMs 10 去抖 if KeyPort 读入列线值 KeyPort cord h 0 x0f 输出当前列线值 cord l KeyPort 读入行线值 while KeyPort 等待松开并输出 return cord h cord l 键盘最后组合码值 return 0 xff 返回该值 671 检测与控制摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇2014 年第 2 期 第 27 卷 总第 130 期 机械研究与应用 3 3摇 中断定时程序 此设计中频率在 1 400Hz 占空比在 1 100 之间连续可调 经过计算可知输出高电平时间 最短为 25 滋s 最长为 1 s 设计中采用中断的方式严格准确的定时 25 滋s 通过计数的方式准确的使得 I O 口输出规定的高电 平时间 设计中采用定时器 1 利用方式 2 即 8 位自动数 据重装方式 计数的数据格式采用长整型数据 以防 止数据溢出 定时器 1 设置 EA 1 摇 中断总控制位 允许中断 ET1 1 摇 定时器 1 中断允许 TMOD 0 x20 定时器 1 软启动 方式 2 TH1 0 xFF 自动重装的数据 1us 中断 TL1 0 xFF TR1 1 摇 摇 启动定时器 1 另外在中断子程序中需要给定时器 1 中自动重 装数据 为了防止中断操作影响时序 因此中断子程 序中的命令不宜过长 具体如下 void tim1 interrupt 1 TH1 0 xFF TL1 0 xFF count1 通过以上程序便可完成设计的目的 即通过 I O 口便可输出频率占空比可调的 PWM 脉冲 通过软 件仿真可以得到合适的波形 效果良好 4摇 软件仿真 利用 Proteus7 5 ***最小系统仿真电路 仿真 验证数据如表 3 所列 表 3摇 仿真数据 摇 摇占空比 频率摇 摇 摇 30 50 70 20 Hz15 ms25 ms35 ms 100 Hz3 ms5 ms7 ms 摇 摇 图 7 中四张图纵向的每一小格代表 1V 横向的 每一小格代表 5 ms 20 Hz 或 1 ms 100 Hz 从上 面图3 或图4 可以看出 100 Hz 时下降沿或上升沿有 一定的延时 这是因为频率越高导致周期越短 由于 单片机的运算速度有限才导致了有所延迟 所以要想 消除延迟应提高处理器的运算速度 图 7摇 不同频率和占空比时输出的波形图 5摇 结摇 语 针对系统的控制对象 设计出合理的可为电源提 供开关信号的单片机系统 系统具有简单的交互式 人机系统 可方便的对电源进行控制 通过改进将来 可以很好地实现自动控制 参考文献 1 摇 林摇 云 管摇春 电力电子技术 M 北京 人民邮电出版社 2012 2 摇 李朝春 刘艳玲 单片机原理及接***术 M 北京 北京航空航 天大学出版社 2013 3 摇 蔡宣三 倪本来 开关电源设计与制作基础 M 北
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