一種基于單片機(jī)的燈光調(diào)光控制系統(tǒng)開發(fā)

1 引言
調(diào)光器是機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)的核心控制設(shè)備。目前,國(guó)內(nèi)外使用的調(diào)光器主要采用可控硅斬波技術(shù),這種調(diào)光器存在波形畸變大、電網(wǎng)要求高、對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重、效率低、負(fù)載適應(yīng)能力差等缺點(diǎn)。針對(duì)以往系統(tǒng)存在的不足,提出了正弦波調(diào)光器,它采用逆變技術(shù),輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓,它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)、對(duì)電網(wǎng)要求低、污染輕、效率高、輸出波形好等。正弦波調(diào)光器采用逆變技術(shù),輸出幅度可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓,通過控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光回路的高精度恒流控制。“正弦波調(diào)光器”將極大地提高調(diào)光器的技術(shù)水平,改善調(diào)光器的性能,增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
機(jī)場(chǎng)燈光調(diào)光器控制系統(tǒng)由電壓傳感器、電流傳感器、人機(jī)接口、存儲(chǔ)器接口、主回路等部分組成,示意框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
系統(tǒng)以Intel 16位單片機(jī)為控制核心,利用電壓、電流傳感器采集變壓器二次側(cè)電壓和回路電流值。由于采集的信號(hào)為交流信號(hào)不能直接進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,經(jīng)有效值轉(zhuǎn)換電路得到它們的有效值直流信號(hào),再經(jīng)低通濾波、信號(hào)放大后送入單片機(jī)內(nèi)部10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,A/D轉(zhuǎn)換后的值經(jīng)過軟件濾波后,電壓值輸出顯示,電流值與光級(jí)設(shè)定值一同進(jìn)入控制算法,算法的輸出量參與到PWM信號(hào)產(chǎn)生機(jī)制中,最終調(diào)整輸出等效正弦脈寬調(diào)制信號(hào)(SPWM)。
2.2 硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)
1、主回路設(shè)計(jì)。主回路由整流電路、逆變電路、濾波電路等組成,其框圖如圖2所示。

圖2 調(diào)光器主回路框圖
主回路中三相交流電壓經(jīng)全橋整流、濾波后得到直流電壓,將此電壓連接到IGBT(IPM)模塊兩端。單片機(jī)輸出的等效正弦脈寬調(diào)制信號(hào)(SPWM)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制兩塊IGBT(IPM)對(duì)加在其兩端的直流電壓進(jìn)行逆變,輸出的信號(hào)經(jīng)過LC濾波電路后得到幅值可調(diào)的正弦電壓。逆變后的電壓經(jīng)過升壓變壓器直接送入燈泡回路,從而改變回路的電流值,最終達(dá)到設(shè)定值。通過按鍵可以任意切換光級(jí),當(dāng)光級(jí)改變時(shí)由程序算法控制使電流、電壓快速達(dá)到穩(wěn)定值,完成光級(jí)的切換。同時(shí),通過控制板上的數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出變壓器二次側(cè)電壓值和回路電流值,使系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)一目了然。系統(tǒng)工作時(shí),可能由于某些情況產(chǎn)生了過壓、過流等情況,導(dǎo)致IPM產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),單片機(jī)采用中斷方式采集報(bào)警信號(hào)。
2、控制回路設(shè)計(jì)。核心控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)中最重要的一部分,它完成控制的全過程。核心控制器選用的是Intel 16位單片機(jī)80C196MC, 80C196MC由一個(gè)C196核心,一個(gè)三相波形發(fā)生器WFG和若干個(gè)其它片內(nèi)外設(shè)構(gòu)成,其它外設(shè)裝置包括一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)事件處理陣列(EPA)、兩個(gè)定時(shí)器和一個(gè)脈寬調(diào)制單元PWM。由于80C196MC內(nèi)部的資源有限,需外擴(kuò)EPROM、RAM,對(duì)于16位機(jī)實(shí)現(xiàn)外擴(kuò)EPROM、RAM硬件連接起來比較麻煩,所以硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用了可編程外圍芯片PSD。通過編程決定它內(nèi)部RAM、EPROM的大小?？删幊掏鈬酒倪\(yùn)用簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是PSD302/301。

圖3 二階低通濾波器 圖4 同相放大器
3、數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊主要的功能是采集二次側(cè)電壓和回路電流,利用電流、電壓互感器采集信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊中。由于采集的信號(hào)為交流信號(hào)不能直接進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,必須經(jīng)過有效值轉(zhuǎn)換電路得到它們的有效值直流信號(hào),系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用了AD536芯片完成這一功能。此外,信號(hào)中必然含有許多干擾信號(hào),它們將直接影響測(cè)量精度,所以電路設(shè)計(jì)中加入了濾波電路,消除干擾信號(hào)。轉(zhuǎn)換、濾波后的信號(hào)電壓值偏小,不利于數(shù)模轉(zhuǎn)換,所以電路中又加入了模擬信號(hào)的放大部分。
濾波部分采用的是有源濾波器中的無限增益多環(huán)反饋型濾波器即二階低通濾波器。有源濾波器由電阻、電容和運(yùn)算放大器組成。其中運(yùn)算放大器采用的是LM324。二階低通濾波器的示意圖如圖3所示。系統(tǒng)中采用的是增益可調(diào)反相放大器,經(jīng)過調(diào)節(jié)可得到所需范圍的電壓信號(hào)。如圖4所示。