基于MK6A11P单片机的宽电压智能型爆闪灯的设计

摘要 利用MK6A11P单片机设计的宽电压智能型爆闪灯，这种爆闪灯自动调节高压充电速率及电压，减轻了开关管和充电电容负担，并且具有多种工作模式，具有过压、过温保护等功能，可在10～48 V宽电压范围工作。由于使用了性价比很高的MK6A11P单片机，整体电路简单，工作稳定，产品的一致性好、成本低。
关键词 MK6A11P单片机；智能；爆闪灯；宽电压

    MK6A11P单片机具有较强的抗干扰能力，内含RC振荡器、看门狗及复位电路，与其他系列单片机相比，省去了很多外围元件，且格低廉，适用于各种工业用小型产品的设计。
    利用该芯片和NE555芯片组合设计的智能型爆闪灯，具有整体电路简单、工作稳定，产品的一致性好，极大地提高批量生产能力和竞争能力。

1 利用MK6A11P的宽电压智能型爆闪灯
1．1 整体电路框图
    整体电路框图如图1所示，由温度检测、过压检测、工作模式设置、能量调节及驱动、高压检测及脉冲触发部分组成，从而使爆闪灯具有完善的保护功能和自适应功能。


1．2 MK6A11P单片机的特性
    MK6A11P是RISC高性能的8位单片机，内部包含1 kbit×14 bit的OTP方式的ROM，48个8位RAM和一个8位定时／计数器。内含上电复位、低电压复位、外部复位、WDT复位。具有外部RC、LS晶振、NS晶振、HS晶振和内部4 MHz RC振荡器，有8脚和14脚封装，I／O口在输入状态下，可置为上拉电阻或下拉电阻模式，可省去外部的上拉电阻。
1．3 同步方式的反激式升压电路设计
    利用简单电路设计能量可控制的反激式升压器是设计的关键。MK6A11P单片机I／O的输出电压约为4．5 V，驱动电流较小，因此不能直接驱动MOSFET。如果利用电平变换方法驱动也可以，但是一旦程序进入“死循环”，I／O的状态是不定的，因此不能及时关断MOSFET开关管(死循环时内部的看门狗能自动复位，但时间是ms量级，不能保护开关管)，即可损坏开关管。
    因此需要一个驱动器，该驱动器具有1O V／300 mA以上的驱动能力，可设置能量储存值，可快速关断开关管，且价格低廉。
    NE555是通用的定时器芯片，输出电压为5～15 V，输出电流可达500 mA。内有2个比较器，比较点电压分别是UF和UF／2，图2所示，当2脚的电压低于UF／2时输出为高电平，6脚的电压高于UF时输出为低电平。利用此特性设计出同步方式的转换能量可改变的反激式变换器。


    变压器T1初级储存的能量由式(1)决定。
   
    图2电路中UH=UD+UZ，UZ为稳压管D3的稳压值，当UH>UF时NE555输出低电平，开关管关断，因此式(2)成立。
   
    可知变压器初级电感储存的能量取决于UF的大小，而UF的大小取决于K点的PWM信号的占空比，因此改变占空比可改变UF的大小，从而调节充电速率。
    MK6A11P单片机发出30 kHz的同步脉冲，经过C5加到2脚触发，使输出为高电平，开关管Q1导通，变压器初级的电流线性增加，D点的电压也线性增加，当UD>UF-UZ 时，NE555输出为低电平，快速关断开关管，变压器初级储存的能量通过次级释放到高压电容，电容被充电。由于同步脉冲是单片机发出的，因此工作频率稳定，可减少谐波。
1．4 充电速率的智能控制原理
    图3为2次爆闪模式下工作时，正常、过慢、过快充电情况下的充电曲线。理想的充电速率是，当电压刚达到设定值时，频闪管被触发，高压电容的电压被放电。由图3可知充电过慢达不到设定值，影响爆闪亮度，过陕产生过充电压，增加开关管、变压器、高压电容的负担，在3次或4次爆闪模式下工作时更为严重。


    表l是电容C1为100μF时充电电压与储存能量的关系表。当正常工作时一次放电电压为350 V，二次放电电压为200 V，而过快时一次放电电压为350 V，而二次放电电压为240 V，过充电压为40 V，则电压改变量为20％，而能量改变量可达44％，这是因为电容中储存的能量与充电电压成平方关系。


    工作时MK6A11P单片机检测图7中E点的电压，当电压过早达到设定值时，K点的PWM信号占空比减少，从而UF降低，减少充电速率，反之亦然。
    图4为升压电路工作时B，D，F，G点的波形，每次被触发后延迟5～6μs后G点为高电平，可知同步效果和开关波形良好，能量控制点(F点)的电压纹波很小。


    图5为3次爆闪模式工作时，实测的工作波形，可见高压刚达到设定值后，被触发脉冲触发放电，不发生过慢、过快充电现象。


1．5 脉冲序列发生器设计
    爆闪式信号灯需要多种工作模式，图6中列出了部分不同的工作模式。


    为了产生30 kHz的同步脉冲单片机的定时器T0以30 kHz速率申请中断，通过N次分频后可得所需要的脉冲序列，利用模式选择开关S1选择不同的工作模式。
1．6 过电压和过温度保护
    图7为整体工作电路，通过R1，R5对电源的输入电压进行分压检测，如果大于50 V则停止输出同步脉冲，电路停止工作。


    过高的温度是损坏或缩减产品寿命的重要原因，特别是高压电容工作在高压、大电流放电状态，工作温度很高，实际电路中采用105℃的电解电容，但要求不要超过80℃，以防止电解液干枯，缩短使用寿命。
    热敏电阻RT1在线路板上安装在靠近高压电容的位置，检测信号灯内部的最高的温度，一旦超过80℃，停止输出同步脉冲，电路停止工作，待温度降下后自动工作。如果不允许爆闪灯停止工作的场合，可降低设定的高压值工作，待温度降下后自动恢复。

2 结束语
    利用MK6A11P单片机设计的宽电压智能型爆闪灯，经过实验得出如下结论：各种保护功能工作正常，自适应各种情况，在宽电压范围工作时充电速率很理想。反激式升压部分采用了由单片机发出同步脉冲开启，由NE555快速关闭，因此工作频率稳定，即使发生了死机现象也能很好地保护开关管。整体电路简单，工作稳定，产品的一致性好，从而极大地提高生产能力、维护能力和产品的竞争能力。