黄跃娟　张冬冬　刘琳　李世勋　谭岩

摘要：基于STM32单片机与双向可控硅调光系统的设计，是利用单片机为控制核心通过控制双向可控硅的触发角的大小改变，从而使调光电路中的电压发生了改变，达到灯光亮度可调的目的。双向可控硅应用于交流调压系统中完成调压、调功最根本的原因是可控硅在交流电路中作为电力电子开关来控制电路通断将电压等效减小。对于双向可控硅调光系统的设计，在双向可控硅调光的基础上，填加按键控制与采用光敏电阻对实际光照情况进行检测，以单片机控制双向可控硅为调光控制器，最终在系统手动或自动的条件下完成灯光亮度明暗变化。

关键词：调光系统;双向可控硅;触发角;单片机控制

1总体设计方案

根据题目进行分析，预想达到的目的是：完成以STM32单片机为核心，以双向可控硅为控制电路组成光亮可调的照明系统。通过查找文献与对针对该设计的学习最终得到以下四个步骤进行总体设计，方案如下：

（1）通过STM32单片机软件编程控制双向可控硅的导通角度，探究学习并完成双向可控硅的触发电路、同步电路、主电路的设计。对于本次设计的三个电路，两个角度，两种电流进行详细的设计和规划。

（2）完成双向可控硅可以在STM32单片机的控制下达到可控硅控制照明灯的由暗变亮的循环变化。通过设计此步骤，对可控硅调压系统有了解和认识，并且用触发角度控制有严密的规划。

（3）通过单片机的外部电路按键进行由按键控制光照强度档位的变化。并实现自动循环和手动调光的切换模式。

（4）设计并制作光敏电阻采集电路，读取AD值实现由现实光照强度改变灯的光照，并将自动切换模式改为此控制模式。通过系统上的实验测试，软件编写程序，软硬件调试联调，从设计目的出发，以探究和学习的角度去考虑每一个步骤。最终完成本次设计。

2硬件设计

基于STM32单片机与双向可控硅调光系统的设计，通过使用光敏电阻的光亮采集模块对STM32单片机传输模拟量的电压值反应实际光照强度，并通过单片机输出脉冲信号，使双向可控硅的触发角相位发生改变，实现对光照系统电压的调节，导致光照系统的光亮明暗变化。

（1）STM32单片机最小系统设计

STM32F103RCT6核心板将JTAG端口外置出来方便程序的调试和下载。并在核心板上集成四个按键包括一个复位按键，UP键，两个可编写操作按键KEY0和KEY1。按键在核心板上集成出来应用于系统的调试和控制操作。

STM32单片机以及其它的外围芯片都是3.3V供电，所以需要用到将5V转3.3V为了经济性，使用常用的AMS1117-3.3V电源稳压芯片。AMS1117属于线性电源芯片，比开关电源芯片的噪声要好很多。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。输出3.3V电压供给单片机及外部电路提供电源。

（2）双向可控硅调光模块

同步电路也可以称为过零检测电路。同步电路通过220V50Hz转5V交流变压器将同步电压供给同步电路，再通过光电偶合器整形输出整形脉冲信号，再通过74LS02反相器反向的到最终整形的波形。其中PS2501-1是一种双列直插式封装，一个单位的光电耦合器或称光反射面。输入的最大电流为80mA，最大工作电压为80V。输入信号和输出信号进行了很高的隔离传输效率。74LS02芯片是6非门反相器，工作电压是5V，他的内部含有6个cmos反相器，在下面的电路中起到的作用是把0信号反向成1信号。是即同步脉冲。经由PC0引脚输入到STM32单片机。

双向可控硅的触发电路及主电路，由单片机输出PC1引脚的触发信号，通过光电耦合器进行隔离和光电传输，输入到双向可控硅的门极，以双向可控硅的A1，A2为主电路的电力电子器件开关接点，控制光照电路的路端电压，最终完成双向可控硅调光的设计目的。

在触发电路中通过PS2501-4光电耦合器输出和隔离传输触发信号给双向可控硅。

PS2501-4与PS2501-1的区别在于，PS2501-1是四引脚输出而PS2501-4是16引脚的光电耦合器，PS2501-4光电耦合隔离器包含发光二极管和NPN型硅光电晶体管。选择使用该器件的原因是，该器件最适合应用于双向可控硅触发电路的设计。

（3）光敏电阻测光模块

对光照采集电路分析，在外接电源的情况下，RL光敏电阻上端与下段的电位差通过上端引脚传入LM358运算放大器，采用同相放大的形式接入电路构成放大，10K的电位器可调放大倍率。最后通过RC吸收滤波传出放大后的信号，将实际光照反应的电压值输入单片机。光照强度的模拟量信号采集部分，在本此设计中应用的是光敏电阻这一电子器件。光敏电阻经常使用的制造材料为硫化硒，另外还有一些其他具有光照特性的材料。这些制作材料在一定光照波长的光照下，感光材料阻值迅速减小，由于光照产生的载流子在光照条件下，在外部连接了具有不同电势差的作用下载流子实现漂移运动，游离电子向电源的电动势高的地方聚集，空穴向电动势低的地方聚集，从而使光敏电阻阻值迅速下降[11]。根据系统的设计原理，光敏电阻值的范围为1.4～3.6k时最适合设计预期达到的目标。

光敏电阻的工作特性是：无光照时，电阻导电效率低，称为暗电阻，电路中可以移动的电子很少称为暗电流;当光照强度增加时，内部游离的电子也随之增加，电导率减增加。由于内部材料的特性其阻值和光照强度成反比。光敏电阻一段连接在电路中，另一端接GND，这样连在电路的一端引脚就可以将相应强度光照所对应的的电阻值转化为不同的电压值。再通过运算放大将最终得到的电压通过电路传送给单片机。

在外接核心板引出的5V电源的情况下，RL光敏电阻上端与下段的电位差通过上端引脚传入LM358运算放大器，采用同相放大的形式接入电路构成放大，10K的电位器可调放大倍率。最后通过RC吸收滤波传出放大后的信号，将实际光照反应的电压值输入单片机PA0引脚，作为模拟量转换输入。

（4）按键模块

本次设计应用到的按键为系统板上集成好的按键，除去复位按键之外，还有三个按键KEY_UP、KEY0、KEY1。对于STM32这款单片机来讲，输入输出的引脚是有独特的定义程序的，STM32单片机的输入有四种模式选取：

1）上拉输入：若GPIO引脚配置為上拉输入模式，在默认状态下，读取得的GPIO引脚数据为1，即高电平。

2）下拉输入：与上拉输入正好相反，在默认状态下其引脚数据为0，即低电平。

3）浮空输入：经由触发输入，在芯片内部没有上拉或下拉电阻。因为是其输入阻抗较大，正常情况下把这种模式用于标准的通讯协议，比如I2C协议。

4）模式输入：该模式不使用触发输入，不接上拉或下拉电阻，经由一条线把电压信号和片上外设连接起来进行通信[12]。如ADC，由其采集模拟量电压信号。必须只有在设置为模拟输入模式时，ADC外设才能和单片机进行通信。对于按键的输入定义应该在软件程序中定义完整。对于系统板的按键KEY-UP、KEY0、KEY1，分别对应PA13、PA14、PA15。

3 小结

通过使用STM32单片机与外部的双向可控硅模块、光敏电阻测光模块，分别进行了光照强度检测，调节控制交流电压。实现了交流电路中照明设备通过调压达成了光亮可控可调的目的，具有性价比高、稳定可靠、耗能低、易于使用的特点。

参考文献

[1]彭刚.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京：电子工业出版社，2011

[2]朱贵国.基于STM32单片机的直流电机调速系统设计.数控技术，2013

[3]蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天出版社，2011

[4]杨琴芝.基于STM32的多功能电能表的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2012