交流过零调速器
传统的机械恒温器主要用于厨具等开关器具,控制温度的开关调节,存在调节精度不高、低温调节不**、出厂校准、容易损坏零部件等缺陷,本文利用PIC10F204微控制器,结合可控硅开关器件设计的基于微控制器的恒温器,可广泛应用台灯、吸尘器等家用器具,具有超低成本、操作简单、灵敏度高、自动断电等功能。
机械恒温器的工作原理
机械恒温器运转的工作原理以传统电灶为例,它产生的热量是由电阻加热元件的交流线电压引起。可调整的机械恒温器的加热部件有一个可以旋转的拨号盘,能够设置部件的电流值,如图1所示。机械恒温器是由金属条、垫片和接触器组成,用以连接和断开电源,其中,连接和断开是由旋转拨号盘的设置决定,当机械恒温器的拨号盘介于全关和全开之间时运作顺序如下:①开关的两个终端产生了接触;②开关的电阻材料,使得某些部分加热以至膨胀;③膨胀的材料推开了接触器并且停止传导电流;④元件开始冷却直到接触器又重新接触。
根据拨号的位置,开关频繁地重复操作。它可以无限地控制,但没有一个明显的参考界限,因此精度不高而且不断地随着温度的变化而改变。当拨号没有处在**的位置(全关或全开)时,接触器上经常发生拱起,这些缺点都影响了其可靠性。
PIC10F204微控制器的恒温器方案
在利用微控制器的设计中,可控硅开关元件是用来控制电流回流到加热的元件。可控硅开关元件是个三端双向的交流开关,它是由门电路的低能量信号触发。
1.PIC10F204微控制器特点
PIC10F204微控制器为RISC结构、低成本、高性能、8位、全静态和基于闪存的CMOS的8引脚MCU,特点为:
①3个可单独进行方向控制的I/O口和1个只用作输入的I/O口,可直接驱动LED指示灯;
②16字节RAM、256字节的Flash程序存储器;
③ 8位实时时钟/计数器,带8位可编程预分频器;
④看门狗定时器;
⑤1个比较器,8个特殊功能寄存器;
⑥支持在线串行编程、在线调试、可编程代码保护功能;
⑦4MHz高精度内部振荡器。
PIC10F204具有降低系统成本和功耗的特殊功能。内部具有上电复位电路(POR)和器件复位定时器(DRT),无须外接复位电路,内部的高精度振荡器节省了I/O口资源,MCU的省电休眠模式、看门狗定时器和代码保护功能降低了系统成本和功耗,增强了系统的可靠性。
2.可控硅的工作条件如下:
a.可控硅承受反向阳极电压时,不管门极承受何种电压,可控硅都处于关断状态。
b.可控硅承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下可控硅才导通。
c.可控硅在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,不论门极电压如何,可控硅保持导通,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,可控硅关断。
3.过零切换原理
可控硅调压方法有2种:通过可控硅移相触发控制和可控硅过零触发控制。
3.1 可控硅移相触发
可控硅触发脉冲的移相触发角分别为30°、90°、150°时的导通情况如图2-a、图2-b、图2-c所示,负载两端的电压及平均功率是随移相触发角的变化而变化的。
3.2 可控硅过零触发
可控硅过零触发是在电源电压零点附近触发可控硅导通,通过改变设定周期内可控硅导通的次数,实现交流调压和调功。定周期过零触发工作原理图如图3所示,图中Tc为控制信号的周期,t1和t2分别为可控硅的通、断时间,且Tc=t1十t2。由于过零切换是全周期或开或关,这样消除了电磁干扰,同时电阻加热元件情况下,这种控制方法能更有效的降低的电磁干扰。
4.电路设计原理图
利用PIC10F204的硬件设计原理图如图4所示,电路简单,微控制器的电源是由电阻式电源变压器供电,由于该供电方式受交流干扰较大,故电路中用了较多的滤波电路。其中,5V齐纳二极管的阳极串联一个电阻直接接到GP3输入,通过该引脚可以看出它是否过零点;3V的齐纳二极管D4用于保证当地信号波动时电源VDD的稳定性;LED指示灯用于指示可控硅的工作状态。
图4 系统电路原理图
电路初始化工作时,将微控制器的GP1引脚设为输出,对C6进行充电,电充满后,将GP1设为PIC10F204的内部比较器,比较器使用的时间是通过定时器0测量得到。GP1的电压约为微控制器内沟道的参考电压(0.6V),当RC衰减电路的电压下降到参考电压值时,比较器触发,同时将比较器的触发周期作为可控硅的控制周期,再结合过零检测触发可控硅的导通。
比较器的触发跳变时间 计算,式中VREF=0.6V,VZ=3V,本文的电位计阻值变化范围为0~25kΩ之间,且变化与时间存线性关系,利用比较器的跳变时间t可以**计算衰减时间,同时RC时间常数应满足*大延时为半个周期或8.33ms,满足过零点放电时间且可测量下一个过零点输出电压的衰减时间。
考虑到交流线的噪声及外界对微控制器的干扰,增强系统抗干扰能力,在电路中增加了π滤波电路,同时使用陶瓷电容能更有效地抵抗射频信号的干扰。
软件设计
软件设计重点为过零点检测设计,对GP3电平由1变为0与由0变为1的判断,可知发生了过零,再通过软件处理过零点触发可控硅的通断。通过电位器调节可控硅的控制周期,从而达到恒温的效果。可控硅的控制原理如图3所示,软件流程如图5所示。
由于该电路是在国外应用的,如果应用到我们实际中来时要对软、硬件进行适当的改变,满足不同的设计要求。
开发环境及工具
系统软件调试工具可采用入门级编程调试器MicrochipPICKitTM2。它是一种成本低廉、简单、快速的开发型编程调试器,支持大多数Flash系列单片机,同时PICKitTM2编程调试器支持固件升级,操作系统升级后可支持更多的新器件。
PICKitTM2编程调试器为USB迷你-B型连接器,通过6引脚连接到目标器件,支持在线串行编程(ICSP)方式进行编程,ICSP连接的5个信号分别为:
①编程电压VPP:提供器件的编程电压时器件将进入编程模式;
②编程时钟线(ICSPCLK 或PGC):PICkit™ 2 到目标器件的单向同步串行时钟线;
③编程数据线(ICSPDAT或PGD):一个双向的同步串行数据线;
④电源正极VDD;
⑤电源参考地VSS。编程调试时必须允许编程信号连接到PICmicro器件上,且不会干扰编程信号,同时ICSP连接头应尽可能缩短PICkit™2到目标标的连线,确保ICSP信号电平的转换速率。
当然,硬件调试工具还可采用ICD2或其它下载器,软件环境可采用Mplab IDE或其它Microchip 编译软件。
结束语
本文介绍的可控硅开关恒温器作为一种通用型方案,具有较高的可靠性、**性、**性、可在线编程的灵活设计性等优点。整个系统设计连接简单,实用性强,同时还可在该方案的基础上扩展温度反馈和自校准功能,增加系统的扩展功能。