基于ATmega48單片機的恒速風(fēng)扇控制器的設(shè)計

1、摘要本文介紹了采用ATmega48單片機實現(xiàn)恒速風(fēng)扇控制器的方法。概括地說就是通過用ATmega48單片機控制雙向可控硅的導(dǎo)通角的大小來實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制，同時要將給定轉(zhuǎn)速顯示在DG03532液晶顯示器的液晶屏上。由于單片機的工作電源為直流5V，電機為交流220V，需要從交流220V中整流出直流5V電源；雙向可控硅的導(dǎo)通角分別通過轉(zhuǎn)速上升鍵、轉(zhuǎn)速下降鍵來實現(xiàn)，而且能適應(yīng)不同工頻電壓下的工作環(huán)境。在硬件設(shè)計部分，運用Protel軟件繪制出原理圖，從原理圖中所涉及的元件的選擇開始介紹，對原理圖進(jìn)行了各部分的功能的實現(xiàn)進(jìn)行講解并詳細(xì)解釋所選元件值的計算方法。在軟件設(shè)計部分，通過前面對AVR系列AT

2、mega48單片機的指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和管腳功能的具體介紹，用AVR的匯編語言編程并配合程序流程圖對程序進(jìn)行解釋，使通過程序?qū)崿F(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制和顯示、雙向可控硅觸發(fā)功能以及DG03532液晶的顯示驅(qū)動等功能，并通過對所編寫程序在AVR Studio上的調(diào)試，驗證了程序的正確性及可用性。關(guān)鍵詞：小型單相異步電機 雙向可控硅 DG03532液晶顯示器 ATmega48ABSTRACTThis paper introduces the method that uses the ATmega48 single-chip to realize the constant speed ventilator

3、controller. Generally speaking, it uses ATmega48 single-chip to control the breakover angle size of the TRAIC to realize to control the speed of single-phase asynchronous motor, at the same time, it must make the given speed number display on the LCD, whose model is DG03532. Because the work power s

4、upply of the ATmega48 single-chip is 5V DC, and the work power supply of single-phase asynchronous motor is 220V AC, it must exchange the source from 220V AC to 5V DC using the rectification; it uses the up and down key of the speed to control the breakover angle size of the TRAIC, at the same time,

5、 it must adapt to different working environment that has different frequency.To design the part of hardware, it uses Protel to draw the schematic diagram. The paper also reduces the choice of components involved, the functions of the various parts involved, and the calculation methods of the value o

6、f the components. To design the part of software, with the information of the instruction system, the hardware structure and the function of the pin of the ATmega48 single-chip reduced above, the paper makes the procedure with assembly language and explains them with the procedure flow chat, in orde

7、r to make the functions mentioned above achieved, it uses AVR Studio to test the procedure to verify the procedure, and makes the procedure accurate and available.Key words: single-phase asynchronous motor TRAIC DG03532LCD ATmega48目錄第一章概述11.1小型單相異步電機11.2 AVR單片機介紹11.3 ATmega48單片機21.4恒速風(fēng)扇控制器的功能介紹71.5可

8、行性分析7第二章恒速風(fēng)扇控制器的硬件設(shè)計82.1硬件總體設(shè)計82.2電路保護(hù)部分82.3單片機的電源部分92.4測速部分112.5轉(zhuǎn)速控制部分132.6液晶顯示部分142.7按鍵處理部分17第三章恒速風(fēng)扇控制器的軟件設(shè)計183.1軟件總體設(shè)計183.2主程序183.3外部中斷203.4定時器t1溢出中斷213.5定時器t2溢出中斷223.6 ATmega48與DG03532的驅(qū)動253.7調(diào)試與仿真28結(jié)束語32謝辭33參考文獻(xiàn)34附錄35第一章概述1.1小型單相異步電機1.1.1單相異步電機簡介單相異步電動機(single-phase asynchronous motor)是靠220V單相交

9、流電源供電的一類電動機。其具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、堅固耐用、維護(hù)量少及可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點并已得到了極其廣泛的應(yīng)用。它適用于只有單相電源(single-phase power)的小型工業(yè)設(shè)備和家用電器中1。單相異步電動機有單相電容運轉(zhuǎn)式、單相電容起動式、單相雙值電容起動式、單相罩極式等。也可以分為帶離心起動開關(guān)的單相電動機和不帶離心開關(guān)的單相電動機。單相異步電動機大都為1.5kw以下的小功率電動機或者微特電動機，功率雖然小，但在市場上的占有量卻很大,因此研究與發(fā)展其調(diào)速方式具有現(xiàn)實意義。1.1.2單相異步電機的常用調(diào)速方法單相異步電動機常用的調(diào)速方法有調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速和變頻調(diào)速3種方式。所謂

10、調(diào)壓調(diào)速是指改變供電電壓時，電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線和機械特性曲線交點也隨之改變，故能用改變電壓實現(xiàn)調(diào)速。對于調(diào)壓調(diào)速來說，單相異步電動機通常拖動的是通風(fēng)性負(fù)載，如風(fēng)扇等。負(fù)載轉(zhuǎn)矩不是恒定常數(shù)，而是隨轉(zhuǎn)速增加而增加的，表示為Mna(a1)。目前多采用雙向晶閘管對電壓作相位控制來實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。對于變極調(diào)速來說，可利用改變極對數(shù)p來改變轉(zhuǎn)速n的。顯然,該方法雖然簡易,但不能實現(xiàn)無級調(diào)速。對于變頻調(diào)速來說，可將單相電容運轉(zhuǎn)式電動機繞組接入單相電源輸入/單相輸出變頻器。若用一般的三相變頻器對單相異步電動機調(diào)速，可將繞組接于變頻器的輸出端(U、V、W)的任意兩端進(jìn)行控制。該方法解決了高頻對電容的危害以及影響副繞

11、組的移相角度等問題，此方法雖調(diào)速成本雖低，但范圍較小，低速轉(zhuǎn)矩較差。也可以應(yīng)用變頻調(diào)速器將單相電動機改為雙相電動機來實現(xiàn)變極調(diào)速。但由于解決變頻器給調(diào)速帶來的難題，采用了多個功率元件，成本較高2。對于小功率系統(tǒng)來說，變頻調(diào)速成本比較高，變極調(diào)速只能調(diào)定幾個固定的速度，而調(diào)壓調(diào)速不僅成本比較低，還可以實現(xiàn)速度連續(xù)可調(diào)，所以本設(shè)計中選擇采用調(diào)壓調(diào)速，并通過采用雙向可控硅對電壓做相位控制以實現(xiàn)對單相異步電機的調(diào)速。1.2 AVR單片機介紹AVR單片機是Atmel公司1997年推出的RISC單片機。RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）是相對于CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機）而言的。RISC并非只是簡單地去減少

12、指令，而是通過使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理而提高運算速度的。RISC優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令：并固定指令寬度，減少指令格式和尋址方式的種類，從而縮短指令周期，提高運行速度。由于AVR采用了RESC的這種結(jié)構(gòu)，使AVR系列單片機都具備了1MIPS/MHz（百萬條指令每秒/兆赫茲）的高速處理能力。AVR單片機吸收了DSP雙總線的特點，采用Harvard總線結(jié)構(gòu)，因此單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分離的，并且可對具有相同地址的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行獨立的尋址。在AVR單片機中，CPU執(zhí)行當(dāng)前指令時取出將要執(zhí)行的下一條指令放入寄存器中，從而可以避免傳統(tǒng)MCS51系列單片機中多指

13、令周期的出現(xiàn)。傳統(tǒng)的MCS51系列單片機所有的數(shù)據(jù)處理都是基于一個累加器的，因此累加器與程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就成了單片機的瓶頸；在AVR單片機中，寄存器由32個通用工作寄存器組成，并且任何一個寄存器都可以充當(dāng)累加器，從而有效地避免了累加器的瓶頸效應(yīng)，提高了系統(tǒng)的性能。AVR單片機具有良好的集成性能。AVR系列的單片機都具備在線編程接口，其中的Mega系列還具備JTAG仿真和下載功能；都含有片內(nèi)看門狗電路、片內(nèi)程序Flash、同步串行接口SPI；多數(shù)AVR單片機還內(nèi)嵌了AD轉(zhuǎn)換器、EEPROM、摸擬比較器、PWM定時計數(shù)器等多種功能；AVR單片機的I/O接口具有很強的驅(qū)動能力，灌

14、電流可直接驅(qū)動繼電器、LED等器件，從而省去驅(qū)動電路，節(jié)約系統(tǒng)成本。AVR單片機采用低功率、非揮發(fā)的CMOS工藝制造，除具有低功耗、高密度的特點外，還支持低電壓的聯(lián)機Flash，EEPROM寫入功能。AVR單片機還支持Basic、C等高級語言編程。采用高級語言對單片機系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)是單片機應(yīng)用的發(fā)展趨勢。對單片機用高級語言編程可很容易地實現(xiàn)系統(tǒng)移植，并加快軟件的開發(fā)過程。AVR單片機系列齊全，可適用于各種不同場合的要求。AVR單片機共分為三個系列：低檔：ATtiny；中檔：AT90；高檔：ATmega。1.3 ATmega48單片機1.3.1 ATmega48單片機的簡介ATmega48是基于A

15、VR增強型RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega48的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾3。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega48有如下特點：4K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有在編程過程中還可以讀的能力，即RWW)，256字節(jié)EEPROM，512字節(jié)SRAM，23個通用

16、I/O口線，32個通用工作寄存器，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)的兩線串行接口，一個SPI串行端口，一個6路10位ADC(TQFP與MLF封裝的器件具有8路10位ADC)，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，以及五種可以通過軟件選擇的省電模式。空閑模式時CPU停止工作，而SRAM、T/C、USART、兩線串行接口、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作，寄存器的內(nèi)容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續(xù)運行，以允許用戶維持時間基準(zhǔn)，器件的其他部分則處于睡眠狀態(tài)；ADC噪

17、聲抑制模式時CPU和所有的I/O模塊停止運行，而異步定時器和ADC 繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力4。ATmega48是以Atmel的高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISPFlash可以通過SPI接口、通用編程器，或引導(dǎo)程序進(jìn)行多次編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲區(qū)。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時引導(dǎo)程序區(qū)的代碼繼續(xù)運行，從而實現(xiàn)了FLASH的RWW操作。通過將8位RISC CPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega48為許多嵌入式控制應(yīng)用提

18、供了靈活而低成本的方案。ATmega48AVR有整套的開發(fā)工具，包括C編譯器，宏匯編，程序調(diào)試器/仿真器和評估板。1.3.2 ATmega48單片機的引腳介紹ATmega48單片機的TQFP封裝引腳如圖1-1所示。圖1-1ATmega48單片機TQFP封裝的引腳圖ATmega48單片機的引腳介紹：VCC：數(shù)字電路的電源。GND：地。端口B(PB7PB0)XTAL1/XTAL2/TOSC1/TOSC2：端口B為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系

19、統(tǒng)時鐘還未起振，端口B保持為高阻態(tài)。通過對系統(tǒng)時鐘選擇位的設(shè)定，PB6可作為反向振蕩放大器與內(nèi)部時鐘操作電路的輸入。通過對系統(tǒng)時鐘選擇位的設(shè)定，PB7可作為反向振蕩放大器的輸出。系統(tǒng)使用內(nèi)部RC振蕩器時，通過設(shè)置ASSR寄存器的AS2位，可以將PB7、PB6作為異步定時器/計數(shù)器2的輸入口TOSC2、TOSC1使用。端口B也可以用做其他不同的特殊功能，見表1-1。表1-1端口B的第二功能端口引腳第二功能PB7XTAL2(芯片時鐘振蕩器引腳2)TOSC2(定時器振蕩器引腳2)PCINT7(引腳電平變化中斷7)PB6XTAL1(芯片時鐘振蕩器引腳1或外部時鐘輸入)TOSC1(定時電平器振蕩器引腳1

20、)PCINT6(引腳變化中斷6)PB5SCK(SPI總線主時鐘輸入)PCINT5(引腳變化中斷5)PB4MISO(SPI總線主機輸入/從機輸出)PCINT4(引腳電平變化中斷4)PB3MOSI(SPI總線主輸/從輸入)OC2A(定時器/計數(shù)器2輸出比較匹配A輸出)PCINT3(引腳電平變化中斷3)PB2(SPI總線主從選擇)OC1B(定時器/計數(shù)器1輸出比較匹配B輸出)PCINT2(引腳電平變化中斷2)PB1OC1A(定時器/計數(shù)器1輸出比較匹配A輸出)PCINT1(引腳電平變化中斷1)PB0ICP1(定時器/計數(shù)器1輸入捕捉輸入)CLKO(系統(tǒng)時鐘分頻輸出)PCINT0(引腳電平變化中斷0)

21、端口C(PC5PC0)：端口C為7位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C保持為高阻態(tài)。PC6/：RSTDISBL位被編程時，可將PC6作為一個I/O口使用。因此，PC6引腳與端口C其他引腳的電特性是有區(qū)別的。RSTDISBL位未編程時，PC6將作為復(fù)位輸入引腳Reset。此時，即使系統(tǒng)時鐘沒有運行，該引腳上出現(xiàn)的持續(xù)時間超過最小脈沖寬度的低電平將產(chǎn)生復(fù)位信號。持續(xù)時間不到最小脈沖寬度的低電平不會產(chǎn)生復(fù)位信號。端口C也可以用做其

22、他不同的特殊功能，見表1-2。表1-2端口C的第二功能端口引腳第二功能PC6(復(fù)位引腳)PCINT14(引腳電平變化中斷14)PC5ADC5(ADC輸入通道5)SCL(兩線串行總線接口時鐘線)PCINT13(引腳電平變化中斷13)PC4ADC4(ADC輸入通道4)SDA(兩線串行總線接口數(shù)據(jù)輸入/輸出線)PCINT12(引腳電平變化中斷12)PC3ADC3(ADC輸入通道3)PCINT11(引腳電平變化中斷11)PC2ADC2(ADC輸入通道2)PCINT10(引腳電平變化中斷10)PC1ADC1(ADC輸入通道1)PCINT9(引腳電平變化中斷9)PC0ADC0(ADC輸入通道0)PCINT

23、8(引腳電平變化中斷8)端口D(PD7PD0)：端口D為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D呈現(xiàn)為三態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能，見表1-3。表1-3端口D的第二功能端口引腳第二功能PD7AIN1(模擬比較器負(fù)輸入)PCINT23(引腳電平變化中斷23)PD6AIN0(模擬比較器負(fù)輸入)OC0A(定時器/計數(shù)器0輸出比較匹配A輸出)PCINT22 (引腳電平變化中斷22)PD5T1(定時器/計數(shù)器1外部計數(shù)器輸入

24、)OC0B(定時器/計數(shù)器輸出比較輸出)PCINT21(引腳電平變化中斷21)PD4XCK(USART外部時鐘輸入/輸出)T0 (定時器/計數(shù)器0外部計數(shù)器輸入)PCINT20(引腳電平變化中斷20)PD3INT1(外部中斷1輸入)OC2B(定時器/計數(shù)器2輸出比較匹配B輸出 )PCINT19(引腳電平變化中斷19)PD2INT0(外部中斷0輸入)PCINT18(引腳電平變化中斷18)PD1TXD(USART輸出引腳)PCINT17(引腳電平變化中斷17)PD0RXD(USART輸入引腳)PCINT16(引腳電平變化中斷16)AVCC：AVCC為A/D轉(zhuǎn)換器的電源。當(dāng)引腳PC3PC4與PC7、

25、PC6用于ADC時，AVCC應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC連接。不使用ADC時該引腳應(yīng)直接與VCC連接。PC6PC4的電源則是由VCC提供的。AREF：AREF為ADC的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。ADC7、ADC6(TQFP與MLF封裝)：TQFP與MLF封裝芯片的ADC7、ADC6引腳為兩個10位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入口，它們的電壓由AVCC提供。同時嵌入式儀器儀表的開發(fā)和概念的探討正如火如荼的進(jìn)行，其功能的實現(xiàn)大多通過各種各樣的單片機編程來實現(xiàn)而且AVR系列單片機目前在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，相關(guān)資料豐富，功能成熟，可見選用ATmega48單片機為設(shè)計提供了良好的軟件條件。1.4恒速風(fēng)扇控制器的功能介紹基于

26、ATmega48單片機的恒速風(fēng)扇控制器主要是針對小型單相異步電機的設(shè)計。具體的功能是通過用ATmega48單片機控制雙向可控硅的導(dǎo)通角的大小來實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制，同時要將給定轉(zhuǎn)速顯示在DG03532液晶顯示器的液晶屏上。由于單片機的工作電源為直流5V，電機為交流220V，需要從交流220V中整流出直流5V電源；雙向可控硅的導(dǎo)通角分別通過轉(zhuǎn)速上升鍵、轉(zhuǎn)速下降鍵來實現(xiàn)，而且能適應(yīng)不同工頻電壓下的工作環(huán)境。1.5可行性分析一方面，通過前面對ATmega48單片機的介紹可知，其功能成熟，目前正在被廣泛使用，而且學(xué)校能夠為我們提供AVR單片機仿真器，可以對控制器的軟件部分進(jìn)行仿真，同時我們的指導(dǎo)教師常

27、年參與嵌入式儀器儀表的開發(fā)、研究及現(xiàn)場應(yīng)用，在這方面有豐富的單片機開發(fā)經(jīng)驗和理論知識，使我們能夠更好的掌握相關(guān)方面的知識。另一方面，ATmega48單片機的價格便宜，并且設(shè)計所需雙向可控硅、電感、電容和電阻等元件都在一元錢以下，設(shè)計的成本很低，具有經(jīng)濟(jì)可行性。第二章恒速風(fēng)扇控制器的硬件設(shè)計2.1硬件總體設(shè)計在恒速風(fēng)扇控制器的硬件設(shè)計中，主要實現(xiàn)的功能是電路保護(hù)、提供單片機的工作電源、測速、轉(zhuǎn)速控制、液晶顯示和按鍵的處理等。其中主要的元件包括雙向可控硅、DG03532液晶顯示器、槽型光耦H42B6、安規(guī)電容、穩(wěn)壓管和ATmega48單片機等。在設(shè)計原理圖時，根據(jù)主要元件的特性，選用合適的電容和電

28、阻將主要元件連接起來，在保護(hù)電路和元件不受損壞的前提下，使得原理圖中各部分功能得以實現(xiàn)5。2.2電路保護(hù)部分在原理圖中起電路保護(hù)作用的部分如圖2-1所示。C1=C2=0.01f，C3=0.22f。圖2-1電路保護(hù)部分電路工作時，P1和P2接220V交流電壓。電容C1和C2串聯(lián)再與安規(guī)電容C3并聯(lián)，對電網(wǎng)起保護(hù)作用，防止后面的電路的電流過大對電網(wǎng)造成沖擊。上面提到的安規(guī)電容是指用于這樣的場合，即電容器失效后，不會導(dǎo)致電擊，不危及人身安全。根據(jù)IEC 60384-14，安規(guī)電容器分為X電容及Y電容。X電容是跨接在火線和零線（L-N）之間的電容，一般選用金屬薄膜電容；Y電容是分別跨接在火線和地、零線

29、和地之間（L-G，N-G）的電容，一般是成對出現(xiàn)。(L=Line，N=Neutral，G=Ground)X電容底下又分為X1，X2，X3。主要差別在于：1、X1耐高壓大于2.5kV，小于等于4kV；2、X2耐高壓小于等于2.5kV；3、X3耐高壓小于等于1.2kV。Y電容底下又分為Y1，Y2，Y3，Y4。主要差別在于：1、Y1耐高壓大于8kV；2、Y2耐高壓大于5kV；3、Y3耐高壓n/a；4、Y4耐高壓大于2.5kV?；诼╇娏鞯南拗?，Y電容值不能太大，一般X電容是F級，Y電容是nF級。X電容抑制差模干擾，Y電容抑制共模干擾。所以，本設(shè)計中選用的是X3電容，C3=0.22f。而且有了安規(guī)電容

30、的存在，對電路起到更好的保護(hù)作用。2.3單片機的電源部分在原理圖中單片機的電源部分如圖2-2所示。C4=1f，C5=47f，C6=0.1f。圖2-2單片機的電源部分由于單片機的工作電源為直流5V，電機為交流220V，需要從交流220V中整流出直流5V電源；由于二極管D1單向?qū)ㄗ饔?，原理圖中的整流部分相當(dāng)于半波整流6。圖2-2中ZW1為穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓二極管也稱齊納二極管或反向擊穿二極管，在電路中起穩(wěn)定電壓作用。穩(wěn)壓二極管在電路中常用“ZW”加數(shù)字表示。它是利用二極管被反向擊穿后，在一定反向電流范圍內(nèi)反向電壓不隨反向電流變化這一特點進(jìn)行穩(wěn)壓的。穩(wěn)壓二極管通常由硅半導(dǎo)體材料采用合金法或擴散法制成，是

31、一個特殊的面接觸型的半導(dǎo)體硅二極管。它既具有普通二極管的單向?qū)щ娞匦?，又可工作于反向擊穿狀態(tài)。其伏安特性曲線與普通二極管相似，但反向擊穿曲線比較陡，如圖2-3所示。穩(wěn)壓管在反向電壓較低時，反向電流很小，穩(wěn)壓二極管截止；當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然猛增，穩(wěn)壓管從而反向擊穿，穩(wěn)壓二極管進(jìn)入擊穿區(qū)，此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，穩(wěn)壓二極管兩端的反向電壓也能保持基本不變。利用這一特性，穩(wěn)壓管就在電路到起到穩(wěn)壓的作用了。但若反向電流增大到一定數(shù)值后，穩(wěn)壓二極管則會被徹底擊穿而損壞。穩(wěn)壓管與其它普通二極管不同之處在于反向擊穿是可逆的，當(dāng)去掉反向電壓穩(wěn)壓管又恢復(fù)正常，但如果反向電流超過允許范圍

32、，二極管將會發(fā)熱擊穿，所以，與其配合的電阻往往起到限流的作用。圖2-3穩(wěn)壓管伏安特性曲線從上面對穩(wěn)壓管的介紹可知，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變，即保證整流輸出的電壓穩(wěn)定在5V。同時電容C5的低頻濾波作用和電容C6的高頻濾波作用，再次確保整流輸出的電壓穩(wěn)定在5V。電容C4在此處起到電容降壓的作用，電容降壓實際上是利用容抗限流，即利用電容在一定的交流信號頻率下產(chǎn)生的容抗來限制最大工作電流。例如,在50Hz的工頻條件下,一個1uF的電容所產(chǎn)生的容抗（1/2fC）約為3180歐姆。當(dāng)220V的交流電壓加在電容器的兩端,

33、則流過電容的最大電流約為70mA，半波整流時則為35mA。而后面電路中所需電流之和小于35mA，所以此處電容值選為C4=1f。2.4測速部分在原理圖中測速部分如圖2-4所示。R5=330。圖2-4測速部分圖2-4中IC3為槽型光耦H42B6。H42B6是由原裝進(jìn)口高發(fā)射功率的砷化鎵（砷鋁鎵）紅外發(fā)射管和高靈敏度的光敏晶體管組成。它是利用被檢測物對光束的遮擋，由同步選通電路，從而檢測物體的有無。在恒速風(fēng)扇控制器中主要是用來時刻檢測單相異步電機的速度。內(nèi)部電路示意圖如圖2-5所示。圖2-5內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖H42B6具有以下特點：1、 易安裝、高可靠性；2、 響應(yīng)速度快，光縫0.8mm；3、 槽寬6m

34、m，腳距14.4mm；H42B6的極限參數(shù)和光電特性如表2-1和表2-2所示。表2-1H42B6的極限參數(shù) （Ta=25）項目符號數(shù)值單位輸入耗散功率P80mW反向電壓VR5V正向電流IF50mA輸出集電極功耗PC50mW集電極電流IC20mA集-射電壓VCEO30V射-集電壓VECO5V工作溫度Topr-20+65儲存溫度Tstg-20+75焊接溫度Tsol240表2-2H42B6的光電特性 （Ta=25）項目符號測試條件最小典型最大單位輸入正向壓降VFIF=10mA-1.31.6V反向電流IRVR=5V-10A波長PI=10mA-940-rm輸出集電極暗電流ICEOE=0mW/cm2VCE

35、=20V-1A集電極光電流ILVCE=5VIF=10mA0.5-mA飽和壓降VCE（sat）IF=10mA IC=mA-0.4V傳輸特性上升時間TrVCE=5V IC=2mARL=100-5-s下降時間Tf-5-s圖2-6H42B6的正向電流與正向電壓的曲線圖H42B6的正向電流與正向電壓的曲線圖如圖2-6所示。從上面對槽型光耦的介紹可知，輸入端在IF=10mA的測試條件下，典型的正向壓降VF=1.3V，最大的正向電壓VF=1.6V（見表2-2）。R5處在正向輸入端，當(dāng)VF=1.3V時，R5=（5-1.3）/0.01=370；當(dāng)VF=1.6V時，R5=（5-1.6）/0.01=340，R5在3

36、40和370之間，但考慮到實際電阻標(biāo)稱值的大小，這里選取R5=330。2.5轉(zhuǎn)速控制部分在原理圖中轉(zhuǎn)速控制部分如圖2-7所示。R6=250。圖2-7轉(zhuǎn)速控制部分圖2-7中T3為雙向可控硅。普通可控硅（VS）實質(zhì)上屬于直流控制器件。要控制交流負(fù)載，必須將兩只可控硅反極性并聯(lián)，讓每只SCR控制一個半波，為此需兩套獨立的觸發(fā)電路，使用不夠方便。雙向可控硅亦稱為雙向晶閘管，其英文名稱是TRIAC即三端雙向交流開關(guān)。雙向可控硅是在普通可控硅（SCR）的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個觸發(fā)電路，是目前比較理想的交流開關(guān)器件。雙向可控硅可廣泛用于工業(yè)、交通、家用電器等領(lǐng)域，

37、實現(xiàn)交流調(diào)壓、電機調(diào)速、交流開關(guān)、路燈自動開啟與關(guān)閉、溫度控制、臺燈調(diào)光、舞臺調(diào)光等多種功能，它還被用于固態(tài)繼電器（SSR）和固態(tài)接觸器電路中。雙向可控硅中型號為BTA16和BTA20是高性能玻璃鈍化PNPN零件。這些零件適用于需要高沖擊電流能力的一般應(yīng)用上。例如，應(yīng)用于相位控制和在電感或電阻負(fù)荷的靜態(tài)開關(guān)7。盡管從形式上可將雙向可控硅看成兩只普通可控硅的組合，但實際上它是由7只晶體管和多只電阻構(gòu)成的功率集成器件。小功率雙向可控硅一般采用塑料封裝，有的還帶散熱板。雙向可控硅屬于NPNPN五層器件，它是三端元件，其三端分別為T1（第二端子），T2（第一端子）和G（控制極）亦為一閘極控制開關(guān)，與S

38、CR最大的不同點在于TRIAC無論處于正向或反向電壓時皆可導(dǎo)通，因此除控制極G以外的兩個電極（T1、T2）統(tǒng)稱為主端子外，不再劃分成陽極或陰極。其符號和構(gòu)造如圖2-8所示。(a)符號 (b)構(gòu)造圖2-8TRIAC的符號和構(gòu)造雙向可控硅可用直流信號、交流相位信號及脈沖信號觸發(fā)。由于雙向可控硅是能雙向?qū)ǖ模恼?fù)半周均能觸發(fā)，控制極電壓VG極性與主端子間電壓VT1T2四種組合分別如下：1. VT1T2為正，VG為正。2. VT1T2為正，VG為負(fù)。3. VT1T2為負(fù)，VG為正。4. VT1T2為負(fù)，VG為負(fù)。一般最好使用在對稱情況下（1與4或2與3），以使正負(fù)半周能得到對稱的結(jié)果。最方便的控

39、制方法則為1與4的控制狀態(tài)，因為控制極信號與VT1T2同極性。在恒速風(fēng)扇控制器的設(shè)計中，選用的就是型號為BTA16或BTA20的雙向可控硅，通過ATmega48單片機控制它的導(dǎo)通角的大小實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制。由于雙向可控硅的控制級的導(dǎo)通電流為220mA，R6=5/0.02=250，R6=5/0. 2=2.5K，R6值在250和2.5K之間，最后選取R6=250。2.6液晶顯示部分在原理圖中液晶顯示部分如圖2-9所示。圖2-9液晶顯示部分圖2-9中Y1是DG03532液晶顯示器。液晶顯示器大致可以分為兩種：字段式和點陣式。前者所顯示的圖形是可以向廠家定制的，同樣可以顯示各種固定的圖像，多用于圖形

40、界面比較固定的場合。后者可以組成任意圖形，顯示功能強大，但是需要專門的驅(qū)動電路8。設(shè)計中所用的液晶顯示器是DG03532字段式液晶顯示器，它是一種TN型液晶顯示器，顯示界面和引腳排列見圖2-10。圖2-10DG03532液晶顯示器界面當(dāng)DG03532與ATmega48連接時，只需與ATmega48芯片上普通I/O口相連接。由第一章對ATmega48單片機的引腳介紹中得知，圖2-9中ATmega48與DG03532所連接的引腳都符合要求。對于DG03532型號的液晶顯示器來說，只有兩個底電極COM1和COM2，只需要兩個引腳實現(xiàn)高阻態(tài)并且電壓能夠穩(wěn)定地處于2.5V，且不消耗電流，由于此處電壓為5

41、V，只需要求電阻值相等，可選任何阻值，可保證電阻2.5V的穩(wěn)定電壓，所以選取R1=R2=R3=R4=200K。如圖2-11所示。圖2-111COM和2COM的連接2.7按鍵處理部分在原理圖中按鍵處理部分如圖2-12所示。圖2-12按鍵處理部分按鍵只需與ATmega48芯片中帶有上拉電阻的引腳相連接。從關(guān)于第一章對ATmega48單片機的引腳介紹中得知，引腳PD0、PD1和PD3均帶有上拉電阻。第三章恒速風(fēng)扇控制器的軟件設(shè)計3.1軟件總體設(shè)計在恒速風(fēng)扇控制器的軟件設(shè)計中，用AVR匯編語言進(jìn)行編寫程序。程序的功能是通過用ATmega48單片機的轉(zhuǎn)速上升鍵和下降鍵控制雙向可控硅的導(dǎo)通角的大小并且而且

42、能適應(yīng)不同工頻電壓下的工作環(huán)境，同時，要將單相異步電機的給定轉(zhuǎn)速顯示在DG03532液晶顯示器的液晶屏上。將編寫好的程序在AVR Studio上進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試與仿真，使得所編寫的程序正確和可靠。3.2主程序主程序主要的作用是單片機上電后，進(jìn)行初始化堆棧、初始化引腳、初始化內(nèi)存、初始化定時器和中斷設(shè)置，并開中斷，等待中斷的到來去執(zhí)行相應(yīng)的子程序。主程序的流程圖如圖3-1所示。初始化引腳開總中斷等待中斷發(fā)生初始化堆棧上電初始化內(nèi)存初始化定時器及中斷設(shè)置圖3-1主程序流程圖具體程序如下：reset:nop ;初始化堆棧ldi r16,high(ramend)out sph,r16ldi r16,lo

43、w(ramend)out spl,r16nop;初始化引腳;配置引腳;PB口、PD口、PC口;PD0，PD1，PD2，PD3，PD4，PD5輸入，PD6為輸出ldi r16,(0ddd0)|(0ddd1)|(0ddd2)|(0ddd3)|(0ddd4)|(0ddd5)|(1ddd6)out ddrd,r16sbi pind,ctrl;測試，pd0 pd1為高sbi pind，keyupsbi pind，keydowncbi pind，keywrk;初始化內(nèi)存ldi r16,0ldi r17,50ldi r29,high(sram_start)ldi r28,ow(sram_start)clea

44、r:st y+,r16 dec r17 brne clear;PB05為輸出ldi r16,(1ddb0)|(1ddb1)|(1ddb2)|(1ddb3)|(1ddb4)|(1ddb5)out ddrb,r16;PC0為輸出，PC1、2為輸出，PC6暫為輸入（RESET輸入端）ldi r16,(1ddc0)|(1ddc1)|(1ddc2)|(0ddc6)out ddrc,r16 nop clr r16 sts u_k_r,r16 sts d_k_r,r16 out tcnt0,r16 sts TCNT1H,r16 sts TCNT1L,r16 ser r16 sts stop，r16;int0

45、配置為下降沿觸發(fā)ldi r16,(1isc01)|(0isc00)sts eicra,r16;int0中斷使能ldi r16；(1int0)out eimsk,r16;t2ldi r16,ht2tsts tcnt2,r16sts tccr2b,r16;開定時器t1和t2中斷l(xiāng)di r16,1toie1sts timsk1,r16ldi r16,1toie2sts timsk2,r16rcall inictrldi r16,zearosts degree,r16rcall getledrcall getangrcall getoutseiloop: nop nop nop nop nop nop

46、 nop rjmp loop.exit3.3外部中斷外部中斷通過引腳INT0與INT1或PCINT23PCINT0觸發(fā)。也就是說外部中斷可以是電平引發(fā)中斷，也可以時下降沿引發(fā)中斷。所謂電平中斷，只要使能了中斷，即使引腳INT0與INT1或PCINT23PCINT0配置為輸出，只要電平發(fā)生了合適的變化，中斷也會觸發(fā)。這個特點可以用來產(chǎn)生軟件中斷。只要使能，PCINT23PCINT0引腳上的電平變化將觸發(fā)外部中斷PCI2，PCINT14PCINT8引腳上的電平變化將觸發(fā)外部中斷PCI1，PCINT7PCINT0將觸發(fā)外部中斷PCI0。PCMSK2、PCMSK1與PCMSK0寄存器則用來檢測是哪個引

47、腳上的電平發(fā)生了變化。PCINT23PCINT0外部中斷的檢測是異步的。也就是說，和其他中斷方式一樣，這些中斷也可以用來將器件從休眠模式喚醒。通過電平中斷將MCU從掉電模式喚醒時，要保證低電平保持一定的時間以使MCU完成喚醒過程并觸發(fā)中斷。如果觸發(fā)電平在啟動時間結(jié)束前就消失，MC將被喚醒，但中斷不會被觸發(fā)。啟動時間由熔絲位SUT與CKSEL決定。INT0與INT1中斷可以由下降沿、上升沿，或者是低電平觸發(fā)。具體由外部中斷控制寄存器A-EICRA的設(shè)置來確定。當(dāng)INT0或INT1中斷使能且設(shè)定為電平觸發(fā)時，只要引腳電平被拉低，中斷就會產(chǎn)生。若要求INT0或INT1在信號下降沿或上升沿觸發(fā)中斷，則

48、I/O時鐘必須工作。INT0與INT1的低電平中斷檢測是異步的。也就是說它可以用來將器件從休眠模式喚醒。在休眠過程（除了空閑模式中I/O時鐘）是停止的。設(shè)計中選用的是外部中斷0的下降沿中斷。當(dāng)處于上電工作狀態(tài)時，外部中斷0用作參數(shù)計算，主要用于計算電源電壓的頻率。當(dāng)處于正常工作狀態(tài)時，外部中斷0用作同步信號，計算脈沖相隔的時間。外部中斷0的程序流程圖如圖3-2所示。引腳電平產(chǎn)生下降沿，進(jìn)入中斷處理程序計算相關(guān)參數(shù)給t1付初值并啟動返回前兩次進(jìn)入中斷YN圖3-2外部中斷0的程序流程圖3.4定時器t1溢出中斷定時器t1溢出中斷用作雙向可控硅的移相觸發(fā)脈沖，與觸發(fā)脈沖程序一起完成對雙向可控硅觸發(fā)角的

49、控制，進(jìn)而控制實現(xiàn)對單相異步電機的轉(zhuǎn)速控制。定時器t1溢出中斷控制雙向可控硅的程序流程圖如圖3-3所示。t1溢出中斷產(chǎn)生狀態(tài)是0還是1？ctrl引腳置低電平脈沖寬度計數(shù)初值送t1寄存器ctrl引腳置高電平返回狀態(tài)轉(zhuǎn)為1狀態(tài)轉(zhuǎn)為0下次觸發(fā)的計數(shù)初值送t1寄存器01圖3-3定時器t1溢出中斷控制雙向可控硅的程序流程圖3.5定時器t2溢出中斷定時器t2溢出中斷的作用是顯示DG03532的驅(qū)動、對按鍵進(jìn)行處理、檢測單相異步電機的轉(zhuǎn)速以及對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整等。定時器t2溢出中斷的程序流程圖如圖3-4所示，按鍵處理及讀鍵子程序流程圖如圖3-5所示，檢測轉(zhuǎn)速及調(diào)整轉(zhuǎn)速子程序流程圖如圖3-6所示。進(jìn)入t2中斷處理

50、程序判斷是否有按鍵？改變轉(zhuǎn)速給定值顯示給定轉(zhuǎn)速中斷返回與給定轉(zhuǎn)速不同？t1計數(shù)并計算實際轉(zhuǎn)速調(diào)整觸發(fā)角YYNN圖3-4定時器2溢出中斷的程序流程圖進(jìn)入10ms定時中斷處理程序有按鍵？狀態(tài)加1狀態(tài)為4？調(diào)用鍵處理程序狀態(tài)清零返回NNYY圖3-5按鍵處理及讀鍵子程序流程圖進(jìn)入10ms定時中斷計數(shù)脈沖已持續(xù)100ms計算出實際轉(zhuǎn)速重新開始脈沖計數(shù)調(diào)整觸發(fā)角返回5？YYNN圖3-6檢測轉(zhuǎn)速及調(diào)整轉(zhuǎn)速子程序流程圖3.6 ATmega48與DG03532的驅(qū)動3.6.1 ATmega48單片機的I/O引腳特性ATmega48是ATMEL公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的8位AVR微處理器，也是一種性價比很高的

51、單片機。我們這里需要注意的是它的I/O端口特性。當(dāng)作為通用數(shù)字I/O使用時，AVR所有的I/O端口或者引腳都可以通過指令來改變引腳的狀態(tài)。它的每個端口有3個寄存器，分別為數(shù)據(jù)寄存器PORTx、數(shù)據(jù)方向寄存器DDRx和端口輸入引腳PINx。通過配置，可以使某個引腳處于高電平、低電平或者高阻態(tài)。3.6.2 DG03532的驅(qū)動方法液晶顯示器有很多參數(shù)，但是與驅(qū)動方式有關(guān)的參數(shù)只有兩個9：一個是“偏置”，指熄滅時的信號幅度與顯示時的信號幅度之比；另一個是“占空比”，一般情況下，為了減少引腳數(shù)目，通常幾個“段”的電極會連在一起由一個引腳引出，在一個顯示周期內(nèi)各段輪流顯示，每個段的顯示時間與顯示周期之比

52、稱為顯示占空比。設(shè)計中所用DG03532液晶顯示器其驅(qū)動方式為1/2D，1/2B，各個引腳對應(yīng)的電極見表3-1。DG03532字段式液晶顯示器的內(nèi)部構(gòu)造見圖3-7。從圖3-7中可以看出，面電極是成對相連的，而底電極則只引出兩個引腳。因為這種型號的LCD是1/2D的液晶顯示器，如果COM1引腳所加電平為0V，則面電極引腳所加信號為5V時，對應(yīng)的段就顯示；反之，COM1為5V，面電極信號為0V時，同樣顯示。只有在COM1為2.5V時，無論面電極加5V還是0V電平，對應(yīng)的段都不顯示。圖3-7DG03532液晶顯示器的內(nèi)部構(gòu)造表3-1DG03532液晶顯示器各個引腳信息驅(qū)動程序主要包括底電極固定波形的

53、產(chǎn)生以及面電極的顯示信號。按照以下驅(qū)動思路：底電極上的波形固定，用來在特定的時間上與其相對應(yīng)的面電極能夠顯示或者禁止顯示。對于DG03532來說，加在兩個COM端的波形見圖3-8?？梢姡绻袃蓚€COM端的話，加在底電極上的波形就可以分為4個狀態(tài)：S0，S1，S2和S3。如果有3個COM端的話，就可以有6個狀態(tài)。如果想讓對應(yīng)的字段能夠顯示，就給相應(yīng)引腳加上高電平或者低電平，否則給相應(yīng)引腳上加上熄滅時的驅(qū)動信號幅值（這里為2.5V）即可。在底電極有效的時候，給對應(yīng)的面電極加上與底電極相反的信號即可顯示出字段來10。圖3-8COM1和COM2引腳的波形3.6.3液晶顯示程序跟大多數(shù)程序一樣，我們這

54、里把顯示的段碼存放在一個表中，通過查表來得到需要送出的段碼。數(shù)字09對應(yīng)的段碼為：;segdef 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (按共陰方式定義);高位到低位：分別對應(yīng)GFEDCBAsegd1:.db $00，$06，$5b，$4f，$66，$6d，$7d，$07，$7f，$6fsegd2:.db $3，$06，$5b，$4f，$66，$6d，$7d，$07，$7f，$6f其中，segd1部分對應(yīng)高位(COM1)段碼(為0時全滅)，segd2部分對應(yīng)低位(COM2)段碼。面電極的信號(暫存在寄存器r16中，通過查表得到)可以由子程序outdis送出。具體如下：;這里我們假定PB，PC的其他引腳懸空，對顯示無影響outdis:noppush r16lsl r16;將查表得到的值左移兩位，使其與相應(yīng)引