基于单片机和晶闸管驱动器的灯控系统硬件设计

张帆　陈小江

【摘 要】本系统采用以AT89C51单片机为核心控制单元，利用MOC3063光电耦合器，输入端为砷化镓红外发光二极管（LED），输出端为双向晶闸管，实现多路灯光控制，显示多种灯光花样。

【关键词】单片机；MOC3063；驱动器

0 前言

本设计基于单片机和晶闸管驱动器的灯控系统，以AT89C51为控制核心，采用MOC3063光电耦合器实现强弱电的光电隔离并在交流电压过零时触发功率双向晶闸管导通。一方面，可通过软件编程，显示多种灯光花样，尤其在不改变硬件电路，只改变软件程序的情况下，就很容易变换灯光花样；另一方面，采用晶闸管过零触发，同步检测电路简单，且在晶闸管导通瞬间不会产生高次谐波干扰，因此不会造成电网电压波形畸变，也就不会对电网造成污染，所以不会发出机械噪声。该系统成本低，显示效果好，特别适合城市的亮化。

1 设计方案的确定

本设计采用单片机AT89C51为核心，利用MOC3063光电耦合器实现强弱电的光电隔离并在交流电压过零时触发功率双向晶闸管，控制灯的亮与灭，实现各种灯光花样。

该系统硬件电路主要由AT89C51单片机、8个相同的过零触发驱动电路、键盘控制器、直流稳压源等组成。利用高性能低价格AT89C51单片机，输出驱动负载的能力较强（可提供20mA的灌电流），因此可直接驱动发光二极管，不用再配置发光二极管驱动电路，从而简化了电路结构。过零触发驱动电路主要由MOC3063和大功率双向晶闸管VT组成。使MOC3063触发功率双向晶闸管，不仅可消除或大大减小功率双向晶闸管导通时对电网的影响，而且可以用低电压、小电流控制高电压、大电流，特别是由于采用了光电隔离且可用TTL电平驱动，故很容易与微处理器接口，进行各种自动控制设备的实时控制。

2 硬件电路的设计

硬件电路主要由AT89C51单片机（扩展一片程序存储器2764）、8个相同的过零触发驱动电路、键盘控制器、直流稳压源等组成。

2.1 AT89C51芯片及其程序存储器的扩展

本设计选择AT89C51单片机作为核心控制单元，利用它的P1口八根I/O口线控制八路灯。由于程序较多，所以扩展一片程序存储器2764，利用锁存器74LS575锁存信号。

单片机AT89C51扩展一片程序存储器2764，连接如图2：

AT89C51的P1口用来控制八路灯，当P1口输出低电平时，灯亮；当P1口输出高电平时，灯灭；即由P1口输出高低电平来控制灯的亮与灭，从而实现丰富多彩的灯光花样。

2.2 过零触发驱动电路

过零触发驱动电路主要由光电耦合器MOC3063和大功率双向晶闸管VT组成。如图3：

AT89C51的P1口8根I/O口线，控制8路过零触发驱动电路，而每路过零触发驱动电路又控制两盏灯。

2.2.1 光电耦合器MOC3063简介

MOC3063为双向晶闸管输出型光藕合器，具有过零检测、触发电路，其输入端1、2脚的控制电流为5mA，输出端4、6脚的额定电压为600v，最大重复浪涌电流为1A，输入、输出间隔离电压为7500V。M0C3063的输入端为砷化稼红外发光二极管（LED），输出端为光控双向晶闸管。

2.2.2 元器件的作用及选择

1）R2的作用及选择

作用：R2是MOC3063的限流电阻，使其输出端的电流不超过1A。

选择：MOC3O63过零检测的电压值为2Ov，故选R2稍大于20欧姆（电阻性负载）。对于电感性负载，因电感的影响，触发外部晶闸管的时间延长，流过MOC3063输出端的电流将增大，故需增大R2的值。当感性负载的功率因数小于0.5时，选R2为330欧姆，其他情况下可取27—330欧姆。由于加入R2，使触发电路有一个最小触发电压，低于该电压，外部晶闸管不导通，直到高于该电压才导通。R2增大时，最小触发电压增大。

2）R3的作用

MOC3063在输出端关断状态下，也有小于或等于0.5mA的电流，加入R3可消除该电流对外部晶闸管的影响。

3）R、C的作用

R、C起保护VT的作用，选择R为39欧姆，C为0.01微法。

2.2.3 工作原理

当光电耦合器MOC3063的输入引脚输入一定的电流时，发光二极管LED导通发射红外线，且过零检测电路检测出输出端的交流电压过零时，内部双向晶闸管被触发导通，从而外部双向晶闸管导通。

2.3 键盘控制器SK5278

键盘控制器SK5278是一种可管理16个按键的键盘控制器，该器件内部具有去抖动处理电路，采用串行方式与单片机进行接口，使用该器件可简化单片机系统软硬件的键盘接口。

2.3.1 特点

（1）该芯片采用4线串行接口，可与任何种类的单片机连接。

（2）它具有按键有效指示输出，可用中断方式管理键盘。

（3）其行线X0～X3与列线Y0～Y3可构成4×4键盘矩阵。

（4）SK5278的16键键盘控制器内含去抖动处理电路，因而可直接输出键值。

（5）该器件的工作电源电压范围宽达4～6V。

2.3.2 工作原理

SK5278可用行线X0～X3和列线Y0～Y3构成4×4矩阵键盘，在芯片内部可自动完成扫描、译码、去抖动处理等任务。当SK5278检测到有效的按键时，按键有效指示“KEY”引脚将从低电平变为高电平，并一直保持到按键代码被读取为止。在“KEY”为高电平期间，如果SK5278接收到“读键盘数据”命令，（即“CS”管脚变低），则输出当前按键的键盘代码（SK5278键盘代码的范围00H-0FH）如果在接收到“读键盘数据”时没有按键按下，SK5278将输出FFH，在一次读键盘过程完成后，按键有效指示“KEY”将变为低电平。利用按键有效指示“KEY”与单片机的外部中断端相连，可完成具有中断的键盘监控功能，从而提高CPU的工作效率，减少按键响应时间。

SK5278工作时需要外接RC振荡电路以供系统工作，RC元件的典型值R5=3.3kΩ，C1=20pF，此时的振荡频率约为4MHz，由于此振荡频率较高，故在印制电路板布线时，所有元件尤其是振荡电路的元件应尽量靠近芯片，并尽量使电路连线最短。

SK5278的RESET复位端在一般应用情况下，可以直接与正电源连接，在需要较高可靠性的情况下，可以连接外部RC复位电路，在上电或接收到RESET端的复位信号后，SK5278大约需要经过25ms的复位时间才会进入到正常工作状态。

2.4 整体电路图（图4）

当单片机AT89C51的P1口线输出低电平时，光电耦合器MOC3063的输入端有约5mA的电流（选R1为560欧姆）输入，发光二极管导通，且在MOC3063输出端4、6脚之间的电压过零时，M0C3063的内部双向晶闸管导通，触发外部双向晶闸管VT导通，该路的灯亮；当单片机AT89C51P1口线输出高电平时，由于发光二极管的单向导电性，其关断，从而内、外部双向晶闸管也关断，该路的灯熄灭。这样通过软件编程，调用子程序，控制灯的亮灭，很好的实现了各种灯光花样。

3 结束语

本系统主要针对目前城市亮化不够完善而设计，因许多城市亮化中，存在灯光图案单一，缺乏变换，还会发出机械噪声等缺点，所以本设计以AT89C51为控制核心，采用MOC3063实现强弱电的光电隔离并在交流电压过零时触发功率双向晶闸管，通过软件编程，使灯显示出丰富多彩的灯光图案。尤其在不改变控制电路的情况下，调整部分显示子程序的执行顺序或增加其他显示子程序，还可以不断更新显示图案。

该系统不仅电路简单，显示效果好，而且可靠性好，成本低，实用性强，非常适合于城市的亮化。

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[责任编辑：薛俊歌]