PHILIPS 51LPC系列單片機(jī)解析方案

1 概述

PHILIPS 51LPC系列單片機(jī)目前已包括P87LPC760/1/2/4/7/8/9共七個(gè)型號(hào)。51LPC提供高速和低速的晶振和RC振蕩方式，可編程選擇;具有較寬的操作電壓范圍2.7～6.0V，可編程I/O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入，LED驅(qū)動(dòng)輸出;有內(nèi)部看門狗定時(shí)器及提供掉電檢測(cè)模擬功能，最大限度地減少了外部元件的使用。這些特性和改進(jìn)的C51結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，使得在設(shè)計(jì)高集成度、低成本和低功耗控制電路時(shí)具有更多的選擇。該系列主要用于對(duì)系統(tǒng)成本有嚴(yán)格要求，且系統(tǒng)具有高抗干擾性能的低功耗應(yīng)用領(lǐng)域，已廣泛用于電子陽(yáng)性能表、IC卡水表、電子稱、消毒碗柜、LED顯示屏、煤氣表等工業(yè)控制領(lǐng)域。

本文介紹在市電情況下使用LPC系列微控制器P87LCP761與三象限雙向晶閘管(Triac)控制感性負(fù)載交流電機(jī)的方法。使用一種全新的電流過零檢測(cè)方法，不必在負(fù)載電流線路中加入旁路電阻，利用單相關(guān)波整提供控制電路的電源。LPC的高抗干擾性能使得只用極少外部零件即能完成此系統(tǒng)。此解決方案可通過P87LPC761系列單片機(jī)的片內(nèi)RC振蕩器和比較來實(shí)現(xiàn)，或者其它帶有片內(nèi)PWM、ADC和DAC等功能的LPC系列芯片。該系統(tǒng)可用于對(duì)電機(jī)(AC/DC)閥門、泵燈等的控制，廣泛用于照明、HVAC、電源工具、儀表及工業(yè)控制等領(lǐng)域。表1是P87LPC761的引腳功能。

表1 P87LPC761引腳功能

2 原理

2.1 負(fù)載電壓的過零控制——單輸入檢測(cè)

方框圖1和2為該應(yīng)用的總體框圖。電路直接通過市電進(jìn)行供電，相位控制時(shí)序取決于市電電壓過零檢測(cè)(Voltage Zero Crossing)(見圖1)或負(fù)載電流過零檢測(cè)(Current ZeroCrossing)(見圖2)。采用哪種檢測(cè)方式取決于實(shí)際應(yīng)用的情況。控制模塊計(jì)算機(jī)發(fā)時(shí)刻，LPC可直接吸收多個(gè)Triac的門電流。為了降低EMI，保證安全操作并控制相位，有必要在電流過零或一個(gè)特定的相位角時(shí)觸發(fā)Triac。對(duì)于阻性負(fù)載，電流和電壓過零是一致的;對(duì)于感性負(fù)載，電流滯后于電壓。負(fù)載的狀態(tài)決定了Triac是根據(jù)電壓過零還是電流過零進(jìn)行可控硅的觸發(fā)。

檢測(cè)電壓過零最簡(jiǎn)單的方法就是測(cè)量市電電壓極性的變化。LPC的+5V端連接到電源線(或中性點(diǎn))，而中性點(diǎn)(或電源線)通過限流電阻連接到任意一個(gè)I/O 口。I/O口的電壓被內(nèi)部鉗位二極管鉗制0V和+5V之間，如圖3所示。微控制器可讀入輸入口的輸入狀態(tài)，并且當(dāng)狀態(tài)從1變?yōu)?或從0變?yōu)?時(shí)，檢測(cè)到過電壓的過零點(diǎn)。電平跳變點(diǎn)取決于I/O口的模式(TTL或施密特觸發(fā))，過零點(diǎn)到檢測(cè)點(diǎn)的延遲時(shí)間取決于電源電壓的變化率(例如230V或110V系統(tǒng))，這些都必須納入考慮范圍。該電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單和成本低，因?yàn)閮H需要一個(gè)額外的電阻(要求高耐壓值)并可使用LPC的任何一個(gè)I/O口。

2.2 電流過零檢測(cè)——電流過零窗口比較器

電流過零(CZC)是Triac的換流點(diǎn)。在非線性負(fù)載時(shí)，由于電流過零點(diǎn)和電壓過零(VZC)點(diǎn)不一致，CZC檢測(cè)尤其重要;但是，監(jiān)控CZC并不像監(jiān)控 VZC那么容易，因?yàn)椋ǔz測(cè)方式需要在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)電阻，這就分離了負(fù)載電路且浪費(fèi)了電能。通常方法是通過放大和電平變換，然后和微控制器相連，這至少需要一個(gè)額外的運(yùn)算放大器及其相關(guān)元件。LPC檢測(cè)電流過零采用了一種全新的方法：監(jiān)控Triac門極(VG)到陽(yáng)極(T1)的電壓。VG-T1給出了Triac即將換流的一個(gè)信號(hào)，因?yàn)閂G-T1在CZC時(shí)過零，根據(jù)負(fù)載電流和Triac的特性，VG-T1可低至0.1V或大于1.2V。如圖4所示電路，使用窗口比較器監(jiān)控該電壓即能完成CZC功能。圖4窗口比較器用于門電壓和電流過零檢測(cè)器，VG-T1相對(duì)于線電壓可正可負(fù)，取決于負(fù)載電流的方向。也就是說VG-T1相對(duì)于VCC+5V而言可正可負(fù)。因此在LPC可監(jiān)控之前，必須通過R4和R5分壓，以使其低于VCC并處于比較器的操作電壓范圍，R1、R2和R3將電壓限制在過零點(diǎn)附近。