基于MK6A11P單片機(jī)的寬電壓智能型爆閃燈的設(shè)計(jì)

摘要 利用MK6A11P單片機(jī)設(shè)計(jì)的寬電壓智能型爆閃燈，這種爆閃燈自動(dòng)調(diào)節(jié)高壓充電速率及電壓，減輕了開關(guān)管和充電電容負(fù)擔(dān)，并且具有多種工作模式，具有過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)等功能，可在10～48 V寬電壓范圍工作。由于使用了性價(jià)比很高的MK6A11P單片機(jī)，整體電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，產(chǎn)品的一致性好、成本低。
關(guān)鍵詞 MK6A11P單片機(jī)；智能；爆閃燈；寬電壓

    MK6A11P單片機(jī)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，內(nèi)含RC振蕩器、看門狗及復(fù)位電路，與其他系列單片機(jī)相比，省去了很多外圍元件，且格低廉，適用于各種工業(yè)用小型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
    利用該芯片和NE555芯片組合設(shè)計(jì)的智能型爆閃燈，具有整體電路簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定，產(chǎn)品的一致性好，極大地提高批量生產(chǎn)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。

1 利用MK6A11P的寬電壓智能型爆閃燈
1．1 整體電路框圖
    整體電路框圖如圖1所示，由溫度檢測(cè)、過(guò)壓檢測(cè)、工作模式設(shè)置、能量調(diào)節(jié)及驅(qū)動(dòng)、高壓檢測(cè)及脈沖觸發(fā)部分組成，從而使爆閃燈具有完善的保護(hù)功能和自適應(yīng)功能。


1．2 MK6A11P單片機(jī)的特性
    MK6A11P是RISC高性能的8位單片機(jī)，內(nèi)部包含1 kbit×14 bit的OTP方式的ROM，48個(gè)8位RAM和一個(gè)8位定時(shí)／計(jì)數(shù)器。內(nèi)含上電復(fù)位、低電壓復(fù)位、外部復(fù)位、WDT復(fù)位。具有外部RC、LS晶振、NS晶振、HS晶振和內(nèi)部4 MHz RC振蕩器，有8腳和14腳封裝，I／O口在輸入狀態(tài)下，可置為上拉電阻或下拉電阻模式，可省去外部的上拉電阻。
1．3 同步方式的反激式升壓電路設(shè)計(jì)
    利用簡(jiǎn)單電路設(shè)計(jì)能量可控制的反激式升壓器是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。MK6A11P單片機(jī)I／O的輸出電壓約為4．5 V，驅(qū)動(dòng)電流較小，因此不能直接驅(qū)動(dòng)MOSFET。如果利用電平變換方法驅(qū)動(dòng)也可以，但是一旦程序進(jìn)入“死循環(huán)”，I／O的狀態(tài)是不定的，因此不能及時(shí)關(guān)斷MOSFET開關(guān)管(死循環(huán)時(shí)內(nèi)部的看門狗能自動(dòng)復(fù)位，但時(shí)間是ms量級(jí)，不能保護(hù)開關(guān)管)，即可損壞開關(guān)管。
    因此需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有1O V／300 mA以上的驅(qū)動(dòng)能力，可設(shè)置能量?jī)?chǔ)存值，可快速關(guān)斷開關(guān)管，且價(jià)格低廉。
    NE555是通用的定時(shí)器芯片，輸出電壓為5～15 V，輸出電流可達(dá)500 mA。內(nèi)有2個(gè)比較器，比較點(diǎn)電壓分別是UF和UF／2，圖2所示，當(dāng)2腳的電壓低于UF／2時(shí)輸出為高電平，6腳的電壓高于UF時(shí)輸出為低電平。利用此特性設(shè)計(jì)出同步方式的轉(zhuǎn)換能量可改變的反激式變換器。

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    變壓器T1初級(jí)儲(chǔ)存的能量由式(1)決定。
   
    圖2電路中UH=UD+UZ，UZ為穩(wěn)壓管D3的穩(wěn)壓值，當(dāng)UH>UF時(shí)NE555輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷，因此式(2)成立。
   
    可知變壓器初級(jí)電感儲(chǔ)存的能量取決于UF的大小，而UF的大小取決于K點(diǎn)的PWM信號(hào)的占空比，因此改變占空比可改變UF的大小，從而調(diào)節(jié)充電速率。
    MK6A11P單片機(jī)發(fā)出30 kHz的同步脈沖，經(jīng)過(guò)C5加到2腳觸發(fā)，使輸出為高電平，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，變壓器初級(jí)的電流線性增加，D點(diǎn)的電壓也線性增加，當(dāng)UD>UF-UZ 時(shí)，NE555輸出為低電平，快速關(guān)斷開關(guān)管，變壓器初級(jí)儲(chǔ)存的能量通過(guò)次級(jí)釋放到高壓電容，電容被充電。由于同步脈沖是單片機(jī)發(fā)出的，因此工作頻率穩(wěn)定，可減少諧波。
1．4 充電速率的智能控制原理
    圖3為2次爆閃模式下工作時(shí)，正常、過(guò)慢、過(guò)快充電情況下的充電曲線。理想的充電速率是，當(dāng)電壓剛達(dá)到設(shè)定值時(shí)，頻閃管被觸發(fā)，高壓電容的電壓被放電。由圖3可知充電過(guò)慢達(dá)不到設(shè)定值，影響爆閃亮度，過(guò)陜產(chǎn)生過(guò)充電壓，增加開關(guān)管、變壓器、高壓電容的負(fù)擔(dān)，在3次或4次爆閃模式下工作時(shí)更為嚴(yán)重。


    表l是電容C1為100μF時(shí)充電電壓與儲(chǔ)存能量的關(guān)系表。當(dāng)正常工作時(shí)一次放電電壓為350 V，二次放電電壓為200 V，而過(guò)快時(shí)一次放電電壓為350 V，而二次放電電壓為240 V，過(guò)充電壓為40 V，則電壓改變量為20％，而能量改變量可達(dá)44％，這是因?yàn)殡娙葜袃?chǔ)存的能量與充電電壓成平方關(guān)系。


    工作時(shí)MK6A11P單片機(jī)檢測(cè)圖7中E點(diǎn)的電壓，當(dāng)電壓過(guò)早達(dá)到設(shè)定值時(shí)，K點(diǎn)的PWM信號(hào)占空比減少，從而UF降低，減少充電速率，反之亦然。
    圖4為升壓電路工作時(shí)B，D，F(xiàn)，G點(diǎn)的波形，每次被觸發(fā)后延遲5～6μs后G點(diǎn)為高電平，可知同步效果和開關(guān)波形良好，能量控制點(diǎn)(F點(diǎn))的電壓紋波很小。


    圖5為3次爆閃模式工作時(shí)，實(shí)測(cè)的工作波形，可見高壓剛達(dá)到設(shè)定值后，被觸發(fā)脈沖觸發(fā)放電，不發(fā)生過(guò)慢、過(guò)快充電現(xiàn)象。
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1．5 脈沖序列發(fā)生器設(shè)計(jì)
    爆閃式信號(hào)燈需要多種工作模式，圖6中列出了部分不同的工作模式。


    為了產(chǎn)生30 kHz的同步脈沖單片機(jī)的定時(shí)器T0以30 kHz速率申請(qǐng)中斷，通過(guò)N次分頻后可得所需要的脈沖序列，利用模式選擇開關(guān)S1選擇不同的工作模式。
1．6 過(guò)電壓和過(guò)溫度保護(hù)
    圖7為整體工作電路，通過(guò)R1，R5對(duì)電源的輸入電壓進(jìn)行分壓檢測(cè)，如果大于50 V則停止輸出同步脈沖，電路停止工作。


    過(guò)高的溫度是損壞或縮減產(chǎn)品壽命的重要原因，特別是高壓電容工作在高壓、大電流放電狀態(tài)，工作溫度很高，實(shí)際電路中采用105℃的電解電容，但要求不要超過(guò)80℃，以防止電解液干枯，縮短使用壽命。
    熱敏電阻RT1在線路板上安裝在靠近高壓電容的位置，檢測(cè)信號(hào)燈內(nèi)部的最高的溫度，一旦超過(guò)80℃，停止輸出同步脈沖，電路停止工作，待溫度降下后自動(dòng)工作。如果不允許爆閃燈停止工作的場(chǎng)合，可降低設(shè)定的高壓值工作，待溫度降下后自動(dòng)恢復(fù)。

2 結(jié)束語(yǔ)
    利用MK6A11P單片機(jī)設(shè)計(jì)的寬電壓智能型爆閃燈，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論：各種保護(hù)功能工作正常，自適應(yīng)各種情況，在寬電壓范圍工作時(shí)充電速率很理想。反激式升壓部分采用了由單片機(jī)發(fā)出同步脈沖開啟，由NE555快速關(guān)閉，因此工作頻率穩(wěn)定，即使發(fā)生了死機(jī)現(xiàn)象也能很好地保護(hù)開關(guān)管。整體電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，產(chǎn)品的一致性好，從而極大地提高生產(chǎn)能力、維護(hù)能力和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。