張兆友

（山東省寧陽(yáng)縣職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，山東寧陽(yáng)，271400）

0 引言

最近一農(nóng)村小型養(yǎng)豬場(chǎng)的場(chǎng)長(zhǎng)給我反映：“他的豬舍內(nèi)臭味非常濃，在冬天打開(kāi)排氣扇有時(shí)忘了關(guān)，致使豬舍內(nèi)的溫度下降，導(dǎo)致豬生病?！彼屛覟樨i舍1.5kW的三相排氣扇加裝定時(shí)排氣功能，要求要有三種模式：30分鐘啟動(dòng)3分鐘；1小時(shí)啟動(dòng)3分鐘；2小時(shí)啟動(dòng)3分鐘。

豬舍的排氣扇是1.5kW的三相電機(jī)，設(shè)計(jì)控制電路可以用PLC來(lái)進(jìn)行控制，但對(duì)于小型養(yǎng)豬場(chǎng)來(lái)說(shuō)成本太高。我以操作安全、成本低廉、具有可拓展性為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以51單片機(jī)為核心的控制電路，控制交流接觸器的通斷，以弱電控制強(qiáng)電，從而完成養(yǎng)豬場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)所提出的定時(shí)功能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由強(qiáng)電部分和弱電部分組成：強(qiáng)電部分主要是三相排氣扇的供電，在電路上由交流接觸器和三相排氣扇組成；弱電部分由電源電路、按鍵電路、單片機(jī)電路、顯示電路及輸出電路組成，其框圖如圖1所示。

圖1 整機(jī)電路框圖

在框圖中，左側(cè)為強(qiáng)電部分，主要由三相四線輸入、交流接觸器和三相電動(dòng)機(jī)組成，右側(cè)為弱電控制部分。其基本控制過(guò)程為：電源電路是利用三相四線輸入中的一相火線及零線為降壓變壓器供電，得到低壓部分所需要的12V和5V電壓；顯示電路可以看出單片機(jī)的工作狀態(tài)；輸入控制電路利用按鍵來(lái)控制所需要的三種工作模式；單片機(jī)電路是整個(gè)電路的控制核心，也為功能的拓展提供了可能；控制輸出電路是利用單片機(jī)的輸出指令來(lái)控制交流接觸器的工作狀態(tài)，從而控制了三相電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

圖2 電源電路原理圖

2 電路組成及器件選擇

■2.1 電源電路

電源電路的原理圖如圖2所示。在電路中在三相四線輸入取出的220V交流電壓經(jīng)T1降壓得到12V交流電壓，再經(jīng)VD1～VD4橋式整流、C1濾波后得到約15V直流電壓；15V電壓為U2(7812)供電得到的直流電壓VC1為12V；12V電壓經(jīng)C2濾波后除了為控制輸出電路中的直流繼電器供電外，還為U3(7805)供電，輸出經(jīng)C3濾波后得到5V直流電壓，為單片機(jī)電路、顯示電路、輸出控制電路及控制輸出電路供電。

■2.2 單片機(jī)電路

單片機(jī)電路如圖3所示，采用AT89S52作為核心器件。焊接時(shí)根據(jù)位置把四個(gè)I/O口大致劃分為：P0口作為數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)口，P1口作為輸出口，P2口作為輸入口，P3口作為預(yù)留端口。

在電路中18、19腳是晶振的接入端，晶振的本振頻率是12MHz，C6、C7為啟振電容；9腳為復(fù)位端口，外部通過(guò)10μF的電解電容C4接電源，通過(guò)一個(gè)10k的電阻R5接地，如圖5所示，兩個(gè)元件組成RC電路的時(shí)間常數(shù)能保證單片機(jī)在開(kāi)機(jī)的瞬間使用內(nèi)部處理器復(fù)位。

為讓這一電路具有拓展性，當(dāng)場(chǎng)長(zhǎng)提出新的要求時(shí)避免重新制作,我在未使用的部分I/O口上接出了輸入輸出端的外圍電路。

圖3 單片機(jī)電路

■2.3 顯示電路

為方便在調(diào)試電路時(shí)清晰的觀察到其工作狀態(tài)，我在P0口接入了顯示電路，電路如圖4所示。由于AT89S52輸出的拉電流較小，而灌電流大，為使電路簡(jiǎn)單化，我接入了共陽(yáng)極數(shù)碼管。在電路中，R6～R13為限流電阻，保證數(shù)碼管正常工作，其阻值為510Ω。

圖4 顯示電路

■2.4 輸入控制電路

輸入控制電路主要由按鍵組成，如圖5所示。按鍵的作用是當(dāng)按鍵閉合時(shí)給單片機(jī)的I/O口輸入一個(gè)低電平，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到低電平時(shí)作出相應(yīng)的處理。按照?qǐng)鲩L(zhǎng)提出的要求，我設(shè)計(jì)了SET1、SET2、OK三個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)2小時(shí)啟動(dòng)3分鐘、1小時(shí)啟動(dòng)3分鐘和30分鐘啟動(dòng)3分鐘三個(gè)模式。

■2.5 控制輸出電路

控制輸出電路如圖6所示，由集成運(yùn)放LM358、三極管S8050、直流繼電器K1和交流接觸器KM組成。在電路中，集成運(yùn)放U4的一個(gè)運(yùn)放單元組成電壓跟隨器作為驅(qū)動(dòng)電路，來(lái)彌補(bǔ)AT89S52輸出的拉電流小的不足；三極管V1作為開(kāi)關(guān)管使用，來(lái)控制直流繼電器線圈電流的通與斷，從而控制了繼電器的工作狀態(tài)。

圖5 輸入控制電路和復(fù)位電路

在電路中，C5的作用是吸收開(kāi)機(jī)時(shí)單片機(jī)輸出端口的瞬間高電平，VD5的作用是吸收直流繼電器K1線圈在斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電壓，對(duì)V1起到保護(hù)作用。

圖6 控制輸出電路

交流接觸器的型號(hào)是CJT1-10，其外形如圖7所示，線圈使用220V交流電，允許通過(guò)的最大電流是10A，滿足了1.5kW排氣扇的需要。

圖7 交流接觸器

設(shè)計(jì)好的整機(jī)電路如圖8所示。

3 程序設(shè)計(jì)

本電路所使用的程序附后，現(xiàn)在只說(shuō)一下流程圖和部分程序進(jìn)行說(shuō)明，不再一一闡述。

圖8 整機(jī)電路

■3.1 程序流程

由于操作人員的專業(yè)水平較低，為使用這一電路的操作變簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)的程序流程如圖9所示，用三個(gè)按鍵設(shè)置SET值，SET值對(duì)應(yīng)三種工作模式，SET=0時(shí)作為初態(tài)，當(dāng)SET=1時(shí)工作在模式1，當(dāng)SET=2時(shí)工作在模式2，當(dāng)SET=3時(shí)工作在模式3。

圖9 程序流程圖

■3.2 程序說(shuō)明

在編寫(xiě)程序時(shí)設(shè)計(jì)了四個(gè)子函數(shù)：具有分時(shí)判斷的函數(shù)void timeadd(uc min2,uc hour2)、按鍵檢測(cè)函數(shù)void key()、輸出時(shí)間控制函數(shù)void outlimit(uc min1)和T0中斷函數(shù)void timer0() interrupt 1。下面重點(diǎn)說(shuō)一下具有分時(shí)判斷功能的函數(shù)void timeadd(uc min2,uc hour2)。

void timeadd(uc min2,uc hour2)是在常用的走時(shí)函數(shù)中增加了兩個(gè)時(shí)間常數(shù)，這一函數(shù)具有時(shí)間累加和分時(shí)判斷功能，有三種工作模式：當(dāng)電路工作在模式1時(shí)，uc min2和uc hour2分別設(shè)定為61和1，即分鐘可以到達(dá)60正常進(jìn)位，當(dāng)小時(shí)大于1，即到達(dá)2小時(shí)時(shí)小時(shí)數(shù)回零，電路工作在2小時(shí)啟動(dòng)一次的狀態(tài)；當(dāng)電路工作在模式2時(shí)，uc min2和uc hour2分別設(shè)定為61和0，分鐘可以到達(dá)60正常進(jìn)位，當(dāng)小時(shí)大于0，即到達(dá)1小時(shí)時(shí)小時(shí)數(shù)回零，電路工作在1小時(shí)啟動(dòng)一次的狀態(tài)；當(dāng)電路工作在模式3時(shí)，uc min2和uc hour2分別設(shè)定為31和0，分鐘只能到達(dá)30后回零，電路工作在30分鐘啟動(dòng)一次的狀態(tài)。通過(guò)引入這一函數(shù)，大大簡(jiǎn)化了主程序的編寫(xiě)。

4 焊接與調(diào)試

焊接完成的電路如圖10所示。電源部分布局在左下方，為7812和7805加上散熱片，以保證電路長(zhǎng)時(shí)間工作。輸入的按鍵電路在右下方，適應(yīng)人右手操作的習(xí)慣，又預(yù)留出P2.3、P2.4兩個(gè)輸入端口。顯示電路在右上方，周圍元件少，便于觀察。輸出電路在左上方，在焊接的后期，又增加了P1.1輸出端口。

圖10 焊接完成的電路

組裝調(diào)試過(guò)程如圖11所示，低壓部分在控制板的右側(cè)，高壓部分在控制板的左側(cè)，保證了操作人的安全。

圖11 組裝調(diào)試過(guò)程

5 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)這一電路的設(shè)計(jì)，且有成本低、操作簡(jiǎn)單、使用安全，適合專業(yè)水平低人員操作。在設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了弱電與強(qiáng)電的有機(jī)結(jié)合，用單片機(jī)的程序控制交流接觸器，從而控制了三相排氣扇的工作狀態(tài)。器件的布局實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電與弱電的分離，操作起來(lái)安全可靠。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的使用，運(yùn)行狀態(tài)良好，也受到了養(yǎng)豬場(chǎng)場(chǎng)長(zhǎng)的好評(píng)。

* [1]侯殿有.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社 ,2010:74—85.

* [2]陳振源.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2015:181—183.

* [3]張兆友.一款對(duì)交流電流取樣的電動(dòng)車充電定時(shí)器[J].電子制作 ,2015,(296):69—72.

* [4]張兆友. 51單片機(jī)I/O口瞬間高電平的研究[J].電子制作 ,2015,(296):68—100.