杜宇上，鐘積星，徐小明

（1.華南師范大學 物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣東工業(yè)大學 實驗教學部，廣東 廣州，510006；3.廣東工業(yè)大學 物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006）

照明電路在很多應用場合下需要進行亮度調節(jié)，亮度調節(jié)通常利用可控硅來實現(xiàn)。數(shù)字調光系統(tǒng)包含了可控硅、單片機及相關的模擬電子技術和數(shù)字電子技術內容。將數(shù)字調光系統(tǒng)引入電子技術實驗教學中，作為學生基于研發(fā)設計的學習內容［1］，有助于促進學生對電子技術知識的綜合運用，提高了學生解決問題能力，調動了學生學習興趣。

Proteus是Labcenter Electronics公司研發(fā)的EDA工具軟件。采用基于Proteus的仿真平臺進行實驗教學是探索電子技術實驗教學改革的一種途徑，已越來越受到國內外很多著名大學關注［2］。Proteus克服了以往在實驗箱上進行驗證性實驗的一些弊端，減少了教學開支，易于操作，提高了實驗設計效率，有助于提高學生學習的積極性、自主性和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力［3］。本文提出一種以Proteus為仿真平臺的數(shù)字調光系統(tǒng)設計方案。

1 數(shù)字調光原理

數(shù)字調光是在系統(tǒng)輸入電源電壓不變的情況下，通過改變調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現(xiàn)亮度調節(jié)［4］。采用可控硅可實現(xiàn)燈光的亮度調節(jié)［5］?？煽毓枋菓脴O為廣泛的半導體功率開關元件，它具有導通和關斷兩種狀態(tài)［6］。本系統(tǒng)采用雙向可控硅，當雙向可控硅門極出現(xiàn)觸發(fā)信號時可使雙向可控硅導通［7］。

當可控硅兩端承受正弦波電壓，從正弦波電壓過零點開始到使可控硅導通的觸發(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通區(qū)間稱為導通角［8］。如圖1所示：Ui為系統(tǒng)輸入電源電壓，設其有效值為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載兩端的工作電壓?？煽毓璧挠|發(fā)角為α，且0＜α＜π，導通角為（α～π）。可控硅工作時相關信號波形見圖1。

圖1 可控硅工作時相關波形

由式（1）可知，改變雙向可控硅的觸發(fā)角α就可改變其負載的平均工作電壓。而調光電路中負載為燈具，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現(xiàn)調光。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)字調光系統(tǒng)就是利用單片機等數(shù)字電路模塊產(chǎn)生雙向可控硅導通觸發(fā)信號，以及控制該觸發(fā)信號出現(xiàn)的時間，進行雙向可控硅觸發(fā)角和導通角的調節(jié)控制，實現(xiàn)燈具亮度的調節(jié)。

2 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)實現(xiàn)100級亮度，開機默認亮度為50。亮度值由鍵盤設置，用兩位LED數(shù)碼管顯示。圖2所示為數(shù)字調光系統(tǒng)的結構框圖。圖3所示為在Proteus平臺上構建的數(shù)字調光系統(tǒng)電路。

圖2 系統(tǒng)結構框圖

2.1 單片機的選擇

單片機需要完成4個主要的功能：（1）掃描鍵盤狀態(tài)，根據(jù)鍵盤狀態(tài)確定調光亮度值的大??；（2）向LED顯示模塊輸出調光亮度值，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，使可控硅定時導通，實現(xiàn)調光。

由于單片機需要執(zhí)行鍵盤掃描、過零檢測和亮度顯示、可控硅導通控制等功能，而單片機AT89C52具有時鐘中斷和外部中斷，也能實現(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，設置100個亮度等級的單位時間為10ns，單片機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AT89C52便能滿足調光要求。

2.2 鍵盤掃描的實現(xiàn)

鍵盤模塊采用的是4×4鍵盤［10］，與圖3中的單片機P2口相接。單片機實現(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前狀態(tài)，變量i對應P2口8個引腳的位置。單片機先使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，則認為沒有按鍵按下，此時所有按鍵都關閉；若P2口有引腳的電平發(fā)生變化，則先延遲40個指令周期進行按鍵抖動檢測后，單片機再掃描按鍵狀態(tài)。單片機掃描按鍵狀態(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個按鍵的開關狀態(tài)。

圖3 在Proteus平臺上構建的系統(tǒng)電路

圖4 鍵盤掃描流程圖

2.3 調光值顯示的實現(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P0口相連，由P0口控制輸出單個顯示數(shù)字的內容。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。

單片機實現(xiàn)LED數(shù)碼管顯示調光值的程序流程圖如圖5所示。其中，變量curLED作為當前顯示位置的標志。設計系統(tǒng)時，令curLED分別為0或者1，對應顯示千位或者百位，由于調光亮度值為0～99，LED數(shù)碼管顯示千位和百位為預留位，因此設定curLED不會出現(xiàn)0和1的狀態(tài)，設其初值為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 過零檢測及亮度調節(jié)的實現(xiàn)

由于可控硅調光是通過改變可控硅的觸發(fā)角和導通角來實現(xiàn)的，并以該點為時間基準點，所以調光系統(tǒng)中單片機必須檢測主回路電源電壓的過零點。

電壓過零點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構成整流橋［12］對降壓后的正弦交流電壓信號進行整流，當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輸入到單片機引腳P3.2。非門的作用是將過零信號中的高電平脈沖轉變成低電平脈沖，方便單片機使用引腳P3.2進行下降沿中斷檢測過零信號的出現(xiàn)。

當單片機檢測到過零信號時，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，定時時間由鍵盤設置的亮度值決定。當定時器T1定時中斷結束時，單片機引腳P3.3發(fā)出觸發(fā)信號令可控硅導通。這樣，實現(xiàn)了由鍵盤輸入的亮度值決定可控硅導通時間，從而引起燈泡每個工作周期平均工作電壓的變化，達到亮度調節(jié)和改變的目的。單片機實現(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載電流，保證燈泡能夠正常工作。圖3中為實時觀測燈泡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)可控硅導通流程圖

3 系統(tǒng)仿真

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

啟動仿真運行電路，修改設定的亮度值，查看虛擬示波器顯示的波形圖。圖7所示是設定亮度為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換成的負脈沖信號；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，當亮度為50時，可控硅在1個周期內基本實現(xiàn)一半時間導通，一半時間截止。

圖7 調光亮度為50的仿真結果

綜合測試結果表明，亮度設定值基本與燈泡的導通時間相符，如表1所示，系統(tǒng)基本達到了預期的目標。通過仿真調試可知，基于Proteus的數(shù)字調光系統(tǒng)是可行的。

表1 各亮度設定值對應燈泡導通時間比值

4 結論

（1）實驗教學中將科學技術與社會、生活相結合，有利于激發(fā)學生的學習興趣，使學生認識到科學技術對生產(chǎn)和生活的作用，培養(yǎng)熱愛科學技術與熱愛生活的態(tài)度［14］。將數(shù)字調光系統(tǒng)作為電子技術實驗教學內容，和生產(chǎn)、生活實際緊密聯(lián)系，有助于提高學生的學習興趣，促進學生將“學”與“用”相結合。

（2）數(shù)字調光系統(tǒng)涉及單片機、可控硅、LED數(shù)碼管顯示和有關的模擬電子技術和數(shù)字電子技術知識。將數(shù)字調光系統(tǒng)作為電子技術實驗教學內容，有利于培養(yǎng)學生綜合運用電子技術知識的能力。

（3）以Proteus軟件作為調光系統(tǒng)的設計工具，在實驗教學中具有可行性，可減少教學成本，可提高學生學習效率和學習積極性，也拓展了高等院校電子技術創(chuàng)新型實驗教學的教學內容和策略。

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