杜宇上，鐘積星，徐小明

（1.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學(xué) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣東 廣州，510006；3.廣東工業(yè)大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

照明電路在很多應(yīng)用場合下需要進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，亮度調(diào)節(jié)通常利用可控硅來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)包含了可控硅、單片機(jī)及相關(guān)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)內(nèi)容。將數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)引入電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，作為學(xué)生基于研發(fā)設(shè)計的學(xué)習(xí)內(nèi)容［1］，有助于促進(jìn)學(xué)生對電子技術(shù)知識的綜合運(yùn)用，提高了學(xué)生解決問題能力，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

Proteus是Labcenter Electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件。采用基于Proteus的仿真平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)是探索電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一種途徑，已越來越受到國內(nèi)外很多著名大學(xué)關(guān)注［2］。Proteus克服了以往在實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的一些弊端，減少了教學(xué)開支，易于操作，提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)計效率，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、自主性和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力［3］。本文提出一種以Proteus為仿真平臺的數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 數(shù)字調(diào)光原理

數(shù)字調(diào)光是在系統(tǒng)輸入電源電壓不變的情況下，通過改變調(diào)光信號來控制燈具的發(fā)光和熄滅時間，利用人眼的視覺積分特性實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)［4］。采用可控硅可實(shí)現(xiàn)燈光的亮度調(diào)節(jié)［5］?？煽毓枋菓?yīng)用極為廣泛的半導(dǎo)體功率開關(guān)元件，它具有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)［6］。本系統(tǒng)采用雙向可控硅，當(dāng)雙向可控硅門極出現(xiàn)觸發(fā)信號時可使雙向可控硅導(dǎo)通［7］。

當(dāng)可控硅兩端承受正弦波電壓，從正弦波電壓過零點(diǎn)開始到使可控硅導(dǎo)通的觸發(fā)信號出現(xiàn)，這一區(qū)間稱為觸發(fā)角，而可控硅觸發(fā)后在該半周期中的導(dǎo)通區(qū)間稱為導(dǎo)通角［8］。如圖1所示：Ui為系統(tǒng)輸入電源電壓，設(shè)其有效值為U；Ug為雙向可控硅門極觸發(fā)信號；Ud為雙向可控硅輸出負(fù)載兩端的工作電壓。可控硅的觸發(fā)角為α，且0＜α＜π，導(dǎo)通角為（α～π）?？煽毓韫ぷ鲿r相關(guān)信號波形見圖1。

圖1 可控硅工作時相關(guān)波形

由式（1）可知，改變雙向可控硅的觸發(fā)角α就可改變其負(fù)載的平均工作電壓。而調(diào)光電路中負(fù)載為燈具，可通過改變雙向可控硅的觸發(fā)角α來改變燈具的平均工作電壓以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。在1個周期中，觸發(fā)信號越早出現(xiàn)，觸發(fā)角α就越小，即導(dǎo)通角越大，燈具的平均工作電壓UD則越大，燈具亮度就被提高。反之，則燈具亮度被降低。

本文的數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)就是利用單片機(jī)等數(shù)字電路模塊產(chǎn)生雙向可控硅導(dǎo)通觸發(fā)信號，以及控制該觸發(fā)信號出現(xiàn)的時間，進(jìn)行雙向可控硅觸發(fā)角和導(dǎo)通角的調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)燈具亮度的調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100級亮度，開機(jī)默認(rèn)亮度為50。亮度值由鍵盤設(shè)置，用兩位LED數(shù)碼管顯示。圖2所示為數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖3所示為在Proteus平臺上構(gòu)建的數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)電路。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 單片機(jī)的選擇

單片機(jī)需要完成4個主要的功能：（1）掃描鍵盤狀態(tài)，根據(jù)鍵盤狀態(tài)確定調(diào)光亮度值的大??；（2）向LED顯示模塊輸出調(diào)光亮度值，并控制LED模塊的顯示；（3）接收過零檢測模塊發(fā)送的過零信號；（4）當(dāng)出現(xiàn)過零信號時，根據(jù)亮度值控制可控硅的觸發(fā)時間，使可控硅定時導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)調(diào)光。

由于單片機(jī)需要執(zhí)行鍵盤掃描、過零檢測和亮度顯示、可控硅導(dǎo)通控制等功能，而單片機(jī)AT89C52具有時鐘中斷和外部中斷，也能實(shí)現(xiàn)鍵盤狀態(tài)的循環(huán)掃描以及數(shù)據(jù)的輸入和輸出［10］，可見它能完成調(diào)光系統(tǒng)所需要的控制行為；同時，系統(tǒng)輸入的電源電壓為220V市電，其頻率為50Hz，其半周期為1ms，設(shè)置100個亮度等級的單位時間為10ns，單片機(jī)AT89C52使用12MHz晶振，普通模式下一般單指令處理時間為1ns，小于10 ns。因此使用單片機(jī)AT89C52便能滿足調(diào)光要求。

2.2 鍵盤掃描的實(shí)現(xiàn)

鍵盤模塊采用的是4×4鍵盤［10］，與圖3中的單片機(jī)P2口相接。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鍵盤功能的程序流程如圖4所示。其中，變量Key用于存儲所有按鍵的當(dāng)前狀態(tài)，變量i對應(yīng)P2口8個引腳的位置。單片機(jī)先使P2口高四位引腳P2.7—P2.4為低電平，低四位引腳P2.3—P2.0為高電平，延遲10個指令周期后再讀出P2口的狀態(tài)，如果P2口的各個引腳狀態(tài)都沒發(fā)生變化，則認(rèn)為沒有按鍵按下，此時所有按鍵都關(guān)閉；若P2口有引腳的電平發(fā)生變化，則先延遲40個指令周期進(jìn)行按鍵抖動檢測后，單片機(jī)再掃描按鍵狀態(tài)。單片機(jī)掃描按鍵狀態(tài)是從P2口高四位的P2.4引腳開始，依次把P2口的高四位引腳P2.7—P2.4中的每一引腳變?yōu)榈碗娖?，保持其?個引腳為高電平，同時掃描檢測P2口低四位引腳P2.3—P2.0電平的高低狀態(tài)，并逐次保存記錄，最后獲得16個按鍵的開關(guān)狀態(tài)。

圖3 在Proteus平臺上構(gòu)建的系統(tǒng)電路

圖4 鍵盤掃描流程圖

2.3 調(diào)光值顯示的實(shí)現(xiàn)

顯示模塊采用Proteus軟件中的4位一體7段LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管采用動態(tài)顯示方法［11］，即分時輪流選通各位數(shù)碼管的公共端，使各位數(shù)碼管輪流在顯示字段上得到顯示字形碼。這種方法提高了數(shù)碼管的發(fā)光效率，簡化了系統(tǒng)線路。

本調(diào)光系統(tǒng)把4位LED數(shù)碼管的所有筆畫段（即數(shù)碼管引腳A、B、C、D、E、F、G和 DP）與圖3中的單片機(jī)P0口相連，由P0口控制輸出單個顯示數(shù)字的內(nèi)容。引腳P1.0—P1.3分別與各位數(shù)碼管的公共端（即數(shù)碼管引腳1、2、3、4）相連，控制LED數(shù)碼管顯示的位置，當(dāng)P1.0為低電平，P1.1、P1.2、P1.3為高電平時，顯示LED數(shù)碼管的第1位，如此類推。P1.0、P1.1、P1.2、P1.3依次單獨(dú)為低電平，快速輪流控制四位LED數(shù)碼管顯示的位置，由于人眼有暫存記憶，刷新頻率比較高，所以看起來并不會閃爍。

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)LED數(shù)碼管顯示調(diào)光值的程序流程圖如圖5所示。其中，變量curLED作為當(dāng)前顯示位置的標(biāo)志。設(shè)計系統(tǒng)時，令curLED分別為0或者1，對應(yīng)顯示千位或者百位，由于調(diào)光亮度值為0～99，LED數(shù)碼管顯示千位和百位為預(yù)留位，因此設(shè)定curLED不會出現(xiàn)0和1的狀態(tài)，設(shè)其初值為2。若curLED為2，顯示十位上的數(shù)字；若curLED為3，顯示個位數(shù)的數(shù)字；其他情況下均不在任何位置顯示任何數(shù)字，全部熄滅。

圖5 LED數(shù)碼管顯示控制流程圖

2.4 過零檢測及亮度調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)

由于可控硅調(diào)光是通過改變可控硅的觸發(fā)角和導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)的，并以該點(diǎn)為時間基準(zhǔn)點(diǎn)，所以調(diào)光系統(tǒng)中單片機(jī)必須檢測主回路電源電壓的過零點(diǎn)。

電壓過零點(diǎn)由過零檢測模塊檢測。過零檢測模塊由變壓器、二極管、三極管等元器件組成。圖3中的變壓器TR1將220V電源電壓降低，二極管D1、D2、D3、D4構(gòu)成整流橋［12］對降壓后的正弦交流電壓信號進(jìn)行整流，當(dāng)該整流電壓下降到低于三極管Q1的截止電壓時，Q1截止，其集電極輸出高電平，即輸出過零信號。圖3中三極管Q1的集電極經(jīng)非門7404輸入到單片機(jī)引腳P3.2。非門的作用是將過零信號中的高電平脈沖轉(zhuǎn)變成低電平脈沖，方便單片機(jī)使用引腳P3.2進(jìn)行下降沿中斷檢測過零信號的出現(xiàn)。

當(dāng)單片機(jī)檢測到過零信號時，由引腳P3.3發(fā)出信號，經(jīng)限流電阻R3使可控硅截止，并打開定時器T1，定時時間由鍵盤設(shè)置的亮度值決定。當(dāng)定時器T1定時中斷結(jié)束時，單片機(jī)引腳P3.3發(fā)出觸發(fā)信號令可控硅導(dǎo)通。這樣，實(shí)現(xiàn)了由鍵盤輸入的亮度值決定可控硅導(dǎo)通時間，從而引起燈泡每個工作周期平均工作電壓的變化，達(dá)到亮度調(diào)節(jié)和改變的目的。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)定時器T1中斷并產(chǎn)生觸發(fā)信號的流程如圖6所示，TH1、TL1分別表示定時器T1計數(shù)初始值的高8位和低8位。

220V交流電下的工作環(huán)境應(yīng)該選擇耐壓大于交流電的最大瞬時電壓的雙向可控硅。在Proteus元件庫中選擇耐壓值為400V、型號是L4004L3的雙向可控硅。L4004L3維持電流比較小，又能通過足夠大的負(fù)載電流，保證燈泡能夠正常工作。圖3中為實(shí)時觀測燈泡L1工作電壓和工作電流的變化，接上了虛擬的交流電流表和交流電壓表。

圖6 定時器中斷及觸發(fā)可控硅導(dǎo)通流程圖

3 系統(tǒng)仿真

電路系統(tǒng)通過Proteus和Keil軟件相結(jié)合，進(jìn)行仿真調(diào)試［13］。首先根據(jù)圖2所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和調(diào)光系統(tǒng)的功能要求，以及圖4、圖5、圖6所示的流程圖，在單片機(jī)工具軟件KeilμVision3中編寫整個項(xiàng)目工程的程序代碼，并編譯得到HEX文件。在圖3所示的Proteus界面中單擊選擇AT89C52單片機(jī)組件，打開屬性窗口；設(shè)置單片機(jī)的晶振頻率為12MHz，源文件確定為在Keil編譯好的HEX文件。

啟動仿真運(yùn)行電路，修改設(shè)定的亮度值，查看虛擬示波器顯示的波形圖。圖7所示是設(shè)定亮度為50時的虛擬示波器的波形圖。圖7中示波器顯示的4個通道波形從上到下分別為：通道A（Channel A）波形為系統(tǒng)輸入的220V電源電壓經(jīng)變壓、整流后的波形；通道B（Channel B）波形為過零檢測電路輸出的過零信號，它隨電源電壓過零點(diǎn)的出現(xiàn)而出現(xiàn)；通道C（Chan－nel C）波形為過零檢測電路輸出的過零信號通過非門后轉(zhuǎn)換成的負(fù)脈沖信號；通道D（Channel D）波形為可控硅控制下的燈泡兩端的電壓波形。從圖7中燈泡兩端電壓波形可知，當(dāng)亮度為50時，可控硅在1個周期內(nèi)基本實(shí)現(xiàn)一半時間導(dǎo)通，一半時間截止。

圖7 調(diào)光亮度為50的仿真結(jié)果

綜合測試結(jié)果表明，亮度設(shè)定值基本與燈泡的導(dǎo)通時間相符，如表1所示，系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。通過仿真調(diào)試可知，基于Proteus的數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)是可行的。

表1 各亮度設(shè)定值對應(yīng)燈泡導(dǎo)通時間比值

4 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)中將科學(xué)技術(shù)與社會、生活相結(jié)合，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)技術(shù)對生產(chǎn)和生活的作用，培養(yǎng)熱愛科學(xué)技術(shù)與熱愛生活的態(tài)度［14］。將數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)作為電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，和生產(chǎn)、生活實(shí)際緊密聯(lián)系，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生將“學(xué)”與“用”相結(jié)合。

（2）數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)涉及單片機(jī)、可控硅、LED數(shù)碼管顯示和有關(guān)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)知識。將數(shù)字調(diào)光系統(tǒng)作為電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用電子技術(shù)知識的能力。

（3）以Proteus軟件作為調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計工具，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中具有可行性，可減少教學(xué)成本，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)積極性，也拓展了高等院校電子技術(shù)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)內(nèi)容和策略。

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