基于AVR单片机的电子镇流器设计

摘 要：电子镇流器(Electrical ballast)是镇流器的一种，是指采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明的电子设备。电子镇流器自身功耗低，有更佳的照明效果，消除了闪频现象，发光更稳定，而且可以调光。文章采用AVR单片机作为控制芯片，通过电子镇流器进行调光和相关功能的控制，最大限度地发挥智能型镇流器的特点。实际应用表明，文中的方法有效。
   　　0 引言
   　　电子镇流器是新型节能产品，不仅能带动一些照明灯具，还可以和一些紫外灯结合在一起，对于空气净化和水源净化都有着非常大的作用。当前，全世界都在大力提倡环境保护，电子镇流器间接地为环保提供了原动力。
   　　AVR单片机是一款性价比较高的单片机，用这种单片机来对电子镇流器进行调光和时间采样非常合适，首先是AVR单片机本身较稳定，抗干扰能力比较强，其次是其本身的Harvard结构使得运行速度比较快，数据回读时间较快，可以实现实时在线控制。
   　　1 AVR单片机介绍
   　　1.1 AVR单片机的特点
   　　与以往的8位单片机相比，AVR单片机采用Harvard结构，也就是程序总线和数据总线分开，并采用两级流水线，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力。片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能模块，外围电路简单，系统更加稳定可靠。大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM、PWM、RTC、SPI、UART、TWI、ISP、AD、Analog Comparator、WDT等单元模块。
   　　1.2 AVR单片机的PWM功能
   　　AVR单片机的定时器功能强大，以Atmega48为例，它有两个8位定时器和一个16位定时器，都具有硬件PWM功能。每个定时器都有两个输出比较单元，使PWM更加简单。
   　　AVR定时器的PWM波分5种工作类型(1)普通模式。最简单的工作模式，在此模式下计数器不停地累加。计到最大值后(MAX=0xFFFF)由于数值溢出，计数器简单地返回到最小值0x0000重新开始。
   　　(2)CTC模式。a.用于输出50%占空比的方波信号；b.用于产生准确的连续定时信号。
   频率计算公式：
   　　(3)快速PWM模式。用于输出高频率的PWM信号(比双斜波的高一倍频率)。
   　　频率计算公式：
   　　(4)相位修正PWM模式。用于输出高精度的相位准确的PWM信号。
   　　频率计算公式：
   　　1.3 AVR单片机的串口通讯功能
   　　AVR单片机都有效支持C高级语言，串口接收可采用中断方式也可以采用查询方式，AVR的串口是全双工操作(独立的串行接收和发送寄存器)，支持异步或同步操作，支持5、6、7、8或9个数据位和1个或2个停止位，硬件支持奇偶校验操作，有三个独立的中断源，其中包括UART接收完成中断、发送完成中断、寄存器空中断，在判断是否接收到数据时，也可以用查询的方式，本身采用中断的方式。
   　　2 电子镇流器
   　　2.1 电子镇流器的优点
   　　(1)节能。电子镇流器自身的功率损耗仅为电感镇流器的40%左右，而且荧光灯在30kHz左右的高频下，光效将提高20%，工作电流仅为电感的40%左右，并且能够在低温、低压下启动和工作。
   　　(2)无频闪。灯管在30kHz左右工作时，发光稳定，人眼感觉不出"频闪"有利于保护视力。
   　　(3)无噪声。有利于在安静的环境中工作和学习。
   　　(4)功率因数高。减少了无功损耗，提高了供电设备容量的有效利用率，减少线路的损耗。
   　　(5)本身具有保护功能，如无灯保护和过压保护，增强了电子镇流器的可靠性。
   　　2.2 电子镇流器的硬件电路设计
   　　(1)图1为AVR单片机控制电路， 芯片用的是Atmega48，单片机的引脚PD0和PD1作为RS485的接收端和发送端。PD2接到RS485的输出端。
   

图1 AVR单片机控制电路
   　　(2)图2是RS485的通信电路，接收端和输入端分别接上一个光耦合器，对接收、发送信号起隔离作用，由于光耦合器输入输出间互相隔离，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件， 因而具有很强的共模抑制能力。图中6LB184是一个具有瞬变电压抑制功能的差分收发器，它的抗噪声能力比较强。
   

图2 RS485调光电路
   　　(3)图3是输入EMI滤波器和PFC升压电路，LC1和CY1、CY2用来滤除共模噪声，CX1和CX2滤除差模噪声。
   　　UC2843是一个固定频率的脉宽调制器，和Q101组成升压电路，功率因素校正电路用于提高整流器的导通角，同时使输入交流电流的波形正选化，并与电压波形同向。
   

图3 功率因素校正升压电路
   　　3 电子镇流器软件设计
   　　3.1 AVR单片机对镇流器调光的具体方法及软件流程
   　　电子镇流器启动时，通过预热频率和点火频率后，最终稳定的工作在点火频率。然后软件将RS485置为接收状态，如果有调光命令发下来，单片机根据命令，改变镇流器的运行频率，以此达到调光的目的。
   

图4 软件流程图
   　　4 总结
   　　本文通过AVR单片机对电子镇流器进行了调光控制，实现了不仅可以全开全关，还可以对具体镇流器进行智能控制。而且有些电子镇流器与灯管等集成在一起，使用起来非常地方便。通过一些具体工程项目，将电子镇流器和UV灯管结合在一起进行调光，证明文中方法有效。