摘要：简要介绍了家用电器单片机控制所用的基本元件和基本电路, 较详细介绍了家用电器中单片机外围电路的功率驱动接口。

随着微电子技术的发展, 单片机在家用电器中的应用越来越广泛。单片机需要根据一定的控制规律控制家用电器中的一些功率部件工作。这些部件是实现家用电器功能的重要部件。例如洗衣机中的洗涤电机和脱水电机; 电热炉中的加热元件(硅碳棒或电热丝等) ; 电冰箱和空调器中的压缩电机; 在微波炉中的磁控管; 在电磁炉中的变换电路, 在半导体冰箱中的热电堆管等。单片机是微电子器件, 它的输入信号功率很小, 要直接驱动大功率部件是不可能的,要实现其控制作用, 需要中间的变换电路, 这种电路就是中间驱动电路接口。本文主要介绍常用的单片机电机驱动电路接口。

电机的控制是家用电器中一种普遍的应用技术, 用单片机去控制家用电器中的电机, 使之具有一定的状态和性能, 必须有适当的接口电路。一方面, 电机是大功率执行元件, 另一方面, 它是感性负载。在家电的控制中, 应给予考虑。例如洗衣机和电冰箱及空调器等家用电器中都是由电机拖动工作, 而且这些电机的工作状态是不一样的。空调器和电冰箱的电机用于带动压缩机工作, 所以它工作在间歇状态;洗衣机中的电机则工作在正反转状态; 而电风扇的电机则工作在长期运行工作状态或调速工作状态。要用单片机进行控制必须采用不同的驱动电路和接口电路。

1 电机控制的基本元件和电路

1.1 双向光电耦合器

双向光电耦合器和一般光电耦合器不同。一般光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成, 所以输出级光敏三极管中的电流是单向的。

在双向光电耦合器中, 输入级是发光二极管, 输出级是光敏双向管, 在导通时, 流过的双向电流达100 毫安, 压降小于3 伏, 导通时最小维持电流为100 微安。在截止时, 其阻断电压为直流250 伏, 当维持电流小于100 微安时, 双向管从导通变为截止。当阻断电压大于250 伏, 或发光二极管发光时, 则双向管导通。为了降低双向光电耦合器的误触发率, 通常在光电耦合器的输出端加阻容吸收电路。双向光电耦合器又称为双向晶闸管驱动器, 专门用于驱动双向晶闸管。类型有过零触发耦合器(例如MOC3030 等) 和非过零触发耦合器(例如MOC3009) 两种。

1.2 固态继电器SSR

固态继电器是电子继电器, 它有两个输入端和两个输出端, 输入端和输出端之间有光电隔离, 并且是过零开关输出。其特点是: 无运动部件, 所以无振动, 无冲击噪声; 开关速度快, 通常小于10 微秒; 不会产生抖动输出; 在半个周期内有锁存功能; 灵敏度高; 可直接由TTL 或CMOS 逻辑控制, 输出间的电容小等。经常用于微机控制的接口电路中。

1.3 感性负载控制电路

电路如图1 所示。在控制电路中用了两个双向光电耦合器。因为每个双向光电耦合器只能耐250 伏的直流电压, 不能直接用在220 伏的交流电路中(其峰值电压为311 伏)。图中R2和R3 是平衡电阻, 其作用是使两个光电耦合器分得相同的电压。R4 是限流电阻。R4 的选取可按下式选择。

R4= Vpr/1.2。Vpr是加在MOC3011 上的峰值电压, 图中R4 的阻值取180 欧姆。

图1　感性负载控制电路

由于感性负载电流和电压不同相, 所以其电压的变化率就升高, 由此容易引起误触发。为了减小电压的变化率, 常在电路中加RC 阻容吸收环节, 图1 中的阻容吸收电路由R5 和C1组成。取值由Itg (双向可控硅控制极的触发电流) 确定。

Itg= 15mAR5= 2.4kbC1= 0.1uF

301.20.2

500.80.3

如果双向可控硅所控制的是电阻性负载,可以不用RC 阻容吸收电路。

2 单片机的电机驱动接口电路

大功率驱动部件——电机, 在家用电器中一般有两种工作方式, 一种是开关控制方式; 另一种是调压控制方式。前者用于起停压缩机及洗涤电机等。后者用于电风扇等的调速控制。

2.1 开关控制方式的电机驱动接口

电路如图2 所示。图中所示有两个部分。上面部分是直接逻辑电平耦合电路接口, 下面部分是光电耦合电路接口。在直接耦合电路中, 电路是由三极管Q1, 双向可控硅TR1 和电机M1等组成, 其中双向可控硅TR1 是工作在第二、第三象限, 其门极的触发信号为负电压。即当三极管Q1 导通后触发双向可控硅TR1 使之导通, 而当Q1 截止时, TR1 也截止。其工作过程是: 当单片机的A 口I/O 输出为低电平时,三极管Q1 截止, 此时双向可控硅TR1 没有被触发也处于截止状态, 压缩机等电机就不工作;当单片机的A 口I/O 输出为高电平时, Q1 导通, TR1 被触发导通, 压缩机开始工作。

图2　开关控制方式电机驱动接口电路

在光电耦合电路接口中, 驱动电路由双向光电耦合器OC1 (MOC3081) 和双向可控硅TR2 和电机M2 等元件组成, 其工作过程如下: 当B 口I/O

输出为高电平时, 发光二极管不亮, TR2 截止,电机M2 就不工作, 反之, 当B 口I/O 输出为低电平时, 发光二极管发光, 可控硅TR2 被触发导通, 驱动电机M2 工作。

2.2 调压控制方式的电机驱动接口

在有些家用电器中, 需要对电机进行调速,此时可利用图3 所示的驱动控制电路实现。图3 中有两个不同的接口电路, 它的结构是类同的。只是电机部分的电路不同, 这些电路的工作还需要电源过零信号同步。电源过零信号可以从电源变压器低压端整流后取得。图中A 口I/O 是单相电容电机调速控制电路。其电路由OC1 (MOC3021) , TR 1 和电机M1 组成, 在过零信号同步作用下, A 口I/O 线输出100Hz 的移相信号, 正脉冲使双向耦合管中的发光二极管导通发光, 进而触发TR 1, 随着移相角不同,TR1 的导通情况就不同, 电机M1 上得到的电压就不同, 所以它的速度也就不同。从而达到了调速的目的。

图3　调压控制方式的电机驱动接口电路

B I/O 和A I/O 相似。区别在于电机部分,电容C4 是电机的启动电容, 当TR2 导通时, 电机M2 的工作电流很大, 在R7 上形成较大的压降, 从而触发TR3 导通, C4 和启动绕组有电流, 电机启动。当转速稳定时, 工作电流下降,从而使R7 上的电压降变小, TR3 不导通, C4和启动绕组断开。电机此后进入正常工作状态。

图中的C5 和R 8 是阻容吸收电路, 用于抑制TR3 的电压速度变化率。

总之, 在家用电器的控制方面, 现在越来越趋向于小型化和智能化, 要实现这种功能, 微型计算机起了一个很重要的作用。应该说, 单片机在家用电器的控制方面有着广泛的应用。如何利用单片机等小功率的器件去控制大功率器件十分重要。