基于Arduino構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)

　　家庭自動(dòng)化系統(tǒng)日益普及，如今通過使用一些簡(jiǎn)單的控制機(jī)制（如繼電器或開關(guān)）來打開和關(guān)閉某些設(shè)備變得很容易，我們之前使用繼電器構(gòu)建了許多基于 Arduino 的家庭自動(dòng)化項(xiàng)目。但是有許多家用電器需要控制這種交流電源，而不僅僅是打開或關(guān)閉?，F(xiàn)在，進(jìn)入交流相位角控制的世界，這是一種簡(jiǎn)單的技術(shù)，您可以通過它控制交流相位角。這意味著您可以控制吊扇或任何其他交流風(fēng)扇的速度，甚至可以控制 LED 或白熾燈泡的強(qiáng)度。

　　雖然聽起來很簡(jiǎn)單，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)的過程非常困難，所以在本文中，我們將借助555 定時(shí)器構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的交流相位角控制電路，最后我們將使用 Arduino生成一個(gè)簡(jiǎn)單的PWM 信號(hào)來控制白熾燈泡的強(qiáng)度。正如您現(xiàn)在可以清楚地想象的那樣，使用此電路，您可以構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，您可以使用單個(gè) Arduino控制風(fēng)扇和交流調(diào)光器。

　　什么是交流相角控制，它是如何工作的？

　　交流相位角控制是一種我們可以控制或斬波交流正弦波的方法。開關(guān)器件的觸發(fā)角在過零檢測(cè)后發(fā)生變化，導(dǎo)致平均電壓輸出與修正的正弦波成比例變化，下圖描述了更多信息。

　　如您所見，首先我們有交流輸入信號(hào)。接下來，我們有過零信號(hào)，它每 10ms 產(chǎn)生一個(gè)中斷。接下來是門極觸發(fā)信號(hào)，一旦我們得到一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，我們等待一定的時(shí)間再給觸發(fā)脈沖，我們等待的時(shí)間越長(zhǎng)，我們?cè)侥芙档推骄妷海粗嗳弧Ｎ覀儗⒃诒疚暮竺嬗懻摳嗟闹黝}。

　　相角控制的挑戰(zhàn)

　　在我們查看原理圖和所有材料要求之前，讓我們先談?wù)勁c這種電路相關(guān)的一些問題以及我們的電路如何解決這些問題。

　　我們的目標(biāo)是在微控制器的幫助下控制交流正弦波的相位角，用于任何類型的家庭自動(dòng)化應(yīng)用。如果我們看下圖，你可以看到黃色是我們的正弦波，綠色是我們的過零信號(hào)。

　　當(dāng)我們使用 50Hz 正弦波時(shí)，您可以看到過零信號(hào)每 10ms 出現(xiàn)一次。在微控制器中，它每 10 毫秒產(chǎn)生一次中斷。如果我們要放置除此之外的任何其他代碼，則其他代碼可能由于中斷而無法工作。我們知道在印度聽到的線路頻率是 50Hz，所以我們正在使用 50Hz 的正弦波，為了控制電源交流，我們需要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)打開和關(guān)閉 TRIAC。為此，基于微控制器的相位角控制電路使用過零信號(hào)作為中斷，但這種方法的問題是除了步速角控制代碼之外，您無法運(yùn)行任何其他代碼，因?yàn)樵谀撤N程度上它會(huì)中斷循環(huán)周期和其中一個(gè)代碼將不起作用。

　　讓我用一個(gè)例子來澄清一下，假設(shè)你要做一個(gè)項(xiàng)目，你需要控制白熾燈泡的亮度，同時(shí)你還需要測(cè)量溫度。要控制白熾燈泡的亮度，您需要一個(gè)相位角控制電路，還需要讀取溫度數(shù)據(jù)，如果是這種情況，您的電路將無法正常工作，因?yàn)?DHT22 傳感器需要一些時(shí)間給出它的輸出數(shù)據(jù)。在這段時(shí)間內(nèi)，相位角控制電路將停止工作，即如果您將其配置為輪詢模式，但如果您將過零信號(hào)配置為中斷模式，您將永遠(yuǎn)無法讀取 DHT 數(shù)據(jù)因?yàn)镃RC校驗(yàn)會(huì)失敗。

　　為了解決這個(gè)問題，您可以為不同的相位角控制電路使用不同的微控制器，但這會(huì)增加 BOM 成本，另一種解決方案是使用我們的電路，該電路由 555 定時(shí)器等通用組件組成，成本也更低。

　　交流相角控制電路所需材料

　　下圖顯示了用于構(gòu)建電路的材料，因?yàn)樗怯煞浅Ｍㄓ玫慕M件制成的，您應(yīng)該能夠在當(dāng)?shù)氐膼酆蒙痰曛姓业剿辛谐龅牟牧稀?/p>

　　我還在下表中列出了組件的類型和數(shù)量，因?yàn)樗且粋€(gè)演示項(xiàng)目，所以我使用單通道這樣做。但電路可以根據(jù)需要輕松擴(kuò)展。

　　交流相角控制電路圖

　　交流相位角控制電路原理圖如下圖所示，該電路非常簡(jiǎn)單，使用通用元件來實(shí)現(xiàn)相位角控制。

　　交流相角控制電路——工作

　　該電路由非常精心設(shè)計(jì)的組件組成，我將逐一介紹并解釋每個(gè)模塊。

　　過零檢測(cè)電路：

　　首先，在我們的列表中，過零檢測(cè)電路由兩個(gè) 56K、1W 電阻器以及四個(gè) 1n4007 二極管和一個(gè) PC817 光耦合器組成。該電路負(fù)責(zé)向 555 定時(shí)器 IC 提供過零信號(hào)。此外，我們已經(jīng)對(duì)相位和中性信號(hào)進(jìn)行了錄音，以便在 TRIAC 部分進(jìn)一步使用它。

　　LM7809 穩(wěn)壓器：

　　7809穩(wěn)壓器是用來給電路供電的，電路負(fù)責(zé)給整個(gè)電路供電。此外，我們使用了兩個(gè) 470uF 電容和一個(gè) 0.1uF 電容作為 LM7809 IC 的去耦電容。

　　NE555定時(shí)器控制電路：

　　上圖顯示了 555 定時(shí)器控制電路，555 配置為單穩(wěn)態(tài)配置，因此當(dāng)來自過零檢測(cè)電路的觸發(fā)信號(hào)擊中觸發(fā)器時(shí)，555 定時(shí)器開始借助電阻器對(duì)電容器充電（一般來說），但我們的電路有一個(gè) MOSFET 代替電阻器，通過控制 MOSFET 的柵極，我們控制流向電容器的電流，這就是我們控制充電時(shí)間的原因，因此我們控制 555 定時(shí)器的輸出。 在許多項(xiàng)目中，我們使用555 定時(shí)器 IC來制作我們的項(xiàng)目，如果您想了解更多關(guān)于這個(gè)主題的信息，您可以查看所有其他項(xiàng)目。

　　TRIAC 和 TRIAC 驅(qū)動(dòng)電路：

　　TRIAC 作為實(shí)際打開和關(guān)閉的主開關(guān)，從而控制交流信號(hào)的輸出。驅(qū)動(dòng)TRIAC的是MOC3021光可控硅驅(qū)動(dòng)器，它不僅驅(qū)動(dòng)TRIAC，還提供光隔離，0.01uF 2KV高壓電容，47R電阻組成緩沖電路，保護(hù)我們的電路免受高壓尖峰的影響當(dāng)它連接到感性負(fù)載時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況，開關(guān)交流信號(hào)的非正弦特性是造成尖峰的原因。此外，它還負(fù)責(zé)功率因數(shù)問題，但這是另一篇文章的主題。此外，在各種文章中，我們將TRIAC作為我們的首選設(shè)備，如果您感興趣，可以查看這些文章。

　　低通濾波器和 P 溝道 MOSFET（作為電路中的電阻器）：

　　82K 電阻和 3.3uF 電容組成低通濾波器，負(fù)責(zé)平滑 Arduino 產(chǎn)生的高頻 PWM 信號(hào)。如前所述，P 溝道 MOSFET 充當(dāng)可變電阻器，控制電容器的充電時(shí)間?？刂扑氖潜坏屯V波器平滑掉的PWM信號(hào)。在上一篇文章中，我們已經(jīng)清除了低通濾波器的概念，如果您想進(jìn)一步了解該主題，可以查看有關(guān)有源低通濾波器或無源低通濾波器的文章。

　　交流相角控制電路的 PCB 設(shè)計(jì)

　　我們的相位角控制電路的 PCB 設(shè)計(jì)在單面板上。我使用 Eagle 來設(shè)計(jì)我的 PCB，但您可以使用您選擇的任何設(shè)計(jì)軟件。我的電路板設(shè)計(jì)的 2D 圖像如下所示。

　　足夠的接地填充物用于在所有組件之間建立正確的接地連接。12V DC 輸入和 220 V AC 輸入位于左側(cè)，輸出位于 PCB 右側(cè)。Eagle 和 Gerber 的完整設(shè)計(jì)文件可以從下面的鏈接下載。

　　手工PCB：

　　為方便起見，我制作了我手工制作的 PCB 版本，如下所示。

用于交流相角控制的 Arduino 代碼

一個(gè)簡(jiǎn)單的 PWM 生成代碼用于使電路工作，代碼及其解釋如下。您還可以在此頁面底部找到完整的代碼。首先，我們聲明所有必要的變量，

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常量 int 類比輸入引腳 = A0；// 電位器連接到的模擬輸入引腳
常量 int 模擬輸出引腳 = 9; // LED 連接到的模擬輸出引腳
int 傳感器值 = 0; // 從鍋中讀取的值
int 輸出值 = 0; // 值輸出到 PWM（模擬輸出）

?

變量用于聲明 Analog 引腳、analogOut 引腳，其他變量用于存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換和打印映射值。接下來在setup()部分，我們將 UART 初始化為 9600 波特，以便我們可以監(jiān)控輸出，這就是我們?nèi)绾握页瞿軌蛲耆刂齐娐份敵龅?PWM 范圍。

?

無效設(shè)置（）{
  // 以 9600 bps 初始化串行通信：
  序列號(hào).開始（9600）；
}

?

接下來，在loop()部分，我們讀取模擬引腳 A0 并將值存儲(chǔ)到傳感器值變量中，接下來我們將傳感器值映射到 0 -255 因?yàn)?atmega 的 PWM 定時(shí)器只有 8 位，接下來我們使用 Arduino的analogWrite()函數(shù)設(shè)置PWM 信號(hào)。最后，我們將值打印到串行監(jiān)視器窗口以找出控制信號(hào)的范圍，如果您按照本教程進(jìn)行操作，最后的視頻將使您對(duì)該主題有更清晰的了解。

?

sensorValue = analogRead(analogInPin);// 讀取模擬輸入值：
outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // 將其映射到模擬輸出的范圍：
模擬寫入（模擬輸出引腳，輸出值）；// 改變模擬輸出值：
Serial.print("傳感器 = "); // 將結(jié)果打印到串行監(jiān)視器：
Serial.print(sensorValue);
Serial.print("\t 輸出 = ");
Serial.println(outputValue);

?

　　測(cè)試交流相角控制電路

　　上圖顯示了電路的測(cè)試設(shè)置。12V 電源由 12V SMPS 電路提供，負(fù)載在我們的例子中是一個(gè)燈泡，它可以很容易地替換為像風(fēng)扇這樣的電感負(fù)載。另外你可以看到我已經(jīng)連接了一個(gè)電位器來控制燈的亮度，但它可以用任何其他形式的控制器代替，如果你放大圖像，你可以看到電位器連接到Arduino 的 A0 引腳和 PWM 信號(hào)來自 Arduino 的 pin9。

　　如上圖所示，輸出值為84，白熾燈泡的亮度很低，

　　在這張圖片中，您可以看到該值為 82，并且白熾燈泡的亮度增加了。

　　經(jīng)過多次失敗的嘗試，我能夠想出一個(gè)實(shí)際工作正常的電路。有沒有想過當(dāng)電路不工作時(shí)測(cè)試臺(tái)的外觀？讓我告訴你它看起來很糟糕，

　　這是我之前設(shè)計(jì)的電路。我不得不將它完全扔掉并制作一個(gè)新的，因?yàn)榍耙粋€(gè)有點(diǎn)不起作用。

　　進(jìn)一步增強(qiáng)

　　對(duì)于這個(gè)演示，電路是在手工制作的 PCB 上制作的，但是電路可以很容易地構(gòu)建在質(zhì)量好的 PCB 上，在我的實(shí)驗(yàn)中，由于元件尺寸，PCB 的尺寸確實(shí)很大，但在生產(chǎn)環(huán)境中，它可以通過使用廉價(jià)的 SMD 元件來減少，在我的實(shí)驗(yàn)中，我發(fā)現(xiàn)使用 7555 定時(shí)器而不是 555 定時(shí)器可以大大增加受控者，此外，電路的穩(wěn)定性也增加了。

常量 int 類比輸入引腳 = A0；// 電位器連接到的模擬輸入引腳
常量 int 模擬輸出引腳 = 9; // LED 連接到的模擬輸出引腳
int 傳感器值 = 0; // 從鍋中讀取的值
int 輸出值 = 0; // 值輸出到 PWM（模擬輸出）
無效設(shè)置（）{
// 以 9600 bps 初始化串行通信：
序列號(hào).開始（9600）；
}
無效循環(huán)（）{
sensorValue = analogRead(analogInPin);// 讀取模擬輸入值：
outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // 將其映射到模擬輸出的范圍：
//outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); // 將其映射到模擬輸出的范圍：
模擬寫入（模擬輸出引腳，輸出值）；// 改變模擬輸出值：
Serial.print("傳感器 = "); // 將結(jié)果打印到串行監(jiān)視器：
Serial.print(sensorValue);
Serial.print("\t 輸出 = ");
Serial.println(outputValue);
延遲（2）；// 在模數(shù)轉(zhuǎn)換的下一個(gè)循環(huán)之前等待 2 毫秒
}