【正文】 鍍制品的質(zhì)量，同時(shí)還大大限制了電鍍技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，不能適應(yīng)當(dāng)前的社會(huì)生產(chǎn)，尤其是精密制造的需要。因此，我們希望能改進(jìn)電鍍技術(shù)，從而提高電鍍制品的質(zhì)量。當(dāng)今比較成熟而穩(wěn)定的電鍍電源為開關(guān)電源，我們通過查閱相關(guān)資料，對(duì)電鍍生產(chǎn)的最基本原理進(jìn)行研究，考慮到各方面因素，決定從生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行改革，通過采用先進(jìn)的電鍍電源，達(dá)到提高電鍍生產(chǎn)的水平的目的，在提高電鍍制品質(zhì)量的同時(shí)，也加快了電鍍生產(chǎn)的生產(chǎn)效率，并且消除電鍍中的種種缺陷。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)開關(guān)式電鍍電源技術(shù)已有突破性發(fā)展，在中小型功率領(lǐng)域已進(jìn)入推廣應(yīng)用的階段。但在輸出功率，通用品種，可靠性，批量生產(chǎn)能力，推廣范圍，特別是數(shù)字化智能控制等方面，同國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家水平，尚有較大差距。為了適應(yīng)我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展和成為世界制造中心的需求，進(jìn)一步加強(qiáng)電鍍電源的高頻高效化，數(shù)字化智能控制綠色可靠的工作并解決相關(guān)問題，對(duì)推動(dòng)開關(guān)式電鍍電源的持續(xù)發(fā)展是很有必要的。電鍍電源經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：（1）直流發(fā)電機(jī)階段：這種電源耗能大、效率低、噪聲大，已經(jīng)被淘汰。（2）硅整流階段 是直流發(fā)電機(jī)的換代產(chǎn)品， 技術(shù)十分成熟，但效率低，體積大，控制不方便。目前，仍有許多企業(yè)使用這種電鍍電源。（3）可控硅整流階段：是目前替代硅整流電源的主流電源，具有效率高、體積小、調(diào)控方便等特點(diǎn)。隨著核心器件——可控硅技術(shù)的成熟與發(fā)展， 該電源技術(shù)日趨成熟，已獲得廣泛應(yīng)用。（4）晶體管開關(guān)電源即脈沖電源階段：脈沖電鍍電源是當(dāng)今最為先進(jìn)的電鍍電源，它的出現(xiàn)是電鍍電源的一次革命。這種電源具有體積小、效率高、性能優(yōu)越、紋波系數(shù)穩(wěn)定，而且不易受輸出電流影響等特點(diǎn)。脈沖電鍍電源是發(fā)展的方向，現(xiàn)已開始在企業(yè)中使用早期使用的電鍍電源是直流發(fā)電機(jī)組，隨后出現(xiàn)了硒堆整流器，均因體積大、噪聲大，成本及能耗高等原因，被硅整流電源所替代。20世紀(jì)60年代隨著晶閘管(SCR)的問世和成功應(yīng)用，使電鍍電源得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了晶閘管電鍍電源，晶閘管在該電源中既作為整流器件又作為調(diào)壓器件，控制系統(tǒng)采用移相技術(shù)，應(yīng)用閉環(huán)Pl調(diào)節(jié)，使電源具有自動(dòng)穩(wěn)壓、穩(wěn)流等功能，而且保護(hù)方式靈活，在體積、運(yùn)行效率、自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)方式等方面與硅整流設(shè)備相比具有較大優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛應(yīng)用。但晶閘管電鍍電源在小電流情況下容易使網(wǎng)側(cè)及負(fù)載上的諧波嚴(yán)重，引起電網(wǎng)的波形畸變，從而形成電網(wǎng)“公害”，在電網(wǎng)中需要增加必要的防范措施。 20世紀(jì)80年代以后，變流裝置中的普通晶閘管逐漸被新型器件如電力晶體管(GTR)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等取代。以MOSFET和IGBT為功率器件的整流器工作頻率可提高至20～50kHz，所以該類整流器又稱為高頻開關(guān)電源。其工作過程是將整流后的直流電源，逆變成高頻交流電，再經(jīng)整流后獲得直流電源。由于采用的是高頻率開關(guān)工作模式，所以變壓器的體積和器件的功耗大大降低，功率因數(shù)和運(yùn)行效率大大提高，是目前電鍍電源的發(fā)展方向。隨著IGBT器件功率增加、耐壓提高和應(yīng)用技術(shù) 的日益成熟，IGBT必將在大多領(lǐng)域中取代晶閘管(SCR)，以達(dá)到高效、節(jié)能目的。目前正在研制的大功率智能功率模塊(IPM)，是將電力電子器件和驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、控制電路集成到一起，從而提高了系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性，進(jìn)一步降低成本與能耗，必將不斷應(yīng)用至電鍍電源中。 隨著電鍍工藝的迅速發(fā)展，新的電鍍工藝從波形、頻率、自動(dòng)控制、綜合功能等方面對(duì)電鍍電源提出更高的要求。目前，普遍采用的電鍍電源按波形可分為脈動(dòng)直流電源、平滑直流電源、周期換向電源、單向脈沖電源、換向脈沖電源、直流疊加脈沖及智能化多波形電源等，以滿足不同電鍍工藝需要。 綜上所述，電鍍電源的整體發(fā)展趨勢(shì)是低能耗、無(wú)電網(wǎng)污染、高可靠、小體積、高性能和多功能。常用電鍍電源簡(jiǎn)介：(1)硅整流電源 硅整流電源降壓變壓器一次側(cè)采用調(diào)壓器調(diào)壓，二次側(cè)采用二極管整流。根據(jù)容量不同，可分為單相全波、三相全波和六相雙反星整流等。小容量電源采用干式接觸式調(diào)壓器調(diào)壓，容量較大時(shí)采用油浸感應(yīng)式調(diào)壓器調(diào)壓。根據(jù)容量不同，整流組件的冷卻方式分為自冷、風(fēng)冷、水冷和油浸自冷等。由于采用交流調(diào)壓器調(diào)壓，所以輸出波形為脈動(dòng)連續(xù)直流，該類電源因效率低、體積大、成本高及自動(dòng)控制難以實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)，在電鍍領(lǐng)域中應(yīng)用受到限制，屬于淘汰產(chǎn)品。(2)晶閘管整流電源 晶閘管整流器在小容量時(shí)采用交流電源經(jīng)隔離變壓器降壓，再經(jīng)晶閘管移相調(diào)壓和整流后獲得直流電壓。在容量較大時(shí)采取晶閘管交流側(cè)移相調(diào)壓，再經(jīng)隔離變壓器降壓和二極管整流后獲取直流電壓。晶閘管及二極管的冷卻方式根據(jù)不同容量分為自冷、風(fēng)冷、水冷和油浸自冷等。目前整流變壓器大多采用三相五柱芯式節(jié)能型變壓器，它與六相雙反星帶平衡電抗器的整流方式相比，可以省去平衡電抗器，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。晶閘管整流器輸出波形為脈動(dòng)直流，電壓低時(shí)不連續(xù)，為了提高輸出波形的平滑性，可增加濾波器或采用多相整流電路。 晶閘管整流器一般具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流、軟啟動(dòng)等功能，可靈活應(yīng)用于生產(chǎn)線中。近幾年隨著微機(jī)控制技術(shù)在晶閘管整流器中的廣泛應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)輸出波形的換向、直流疊加脈沖、波形分段控制等，還可以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)、定時(shí)、自動(dòng)控溫、電量計(jì)量和定量等控制功能。(3)高頻開關(guān)電鍍電源 高頻開關(guān)電源自從20世紀(jì)90年代開始在電鍍領(lǐng)域使用，現(xiàn)已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。該類電源具有效率高、體積小等特點(diǎn)，在3000A以下通用型電鍍電源中有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。通過近幾年的運(yùn)行檢驗(yàn)，其穩(wěn)定性、輸出波形和控制方面已能夠滿足生產(chǎn)的需要，現(xiàn)正在向5000～10000A，甚至更大容量擴(kuò)展，有望在大多電鍍領(lǐng)域中取代晶閘管整流器。 普通開關(guān)電源的輸出波形為高頻調(diào)制的脈沖直流，若對(duì)平滑性有較高要求可以增加直流濾波器，冷卻方式一般采取風(fēng)冷。 本文主要研究工作本課題圍繞單片機(jī)為核心，完成監(jiān)控電路和鍵盤輸入、狀態(tài)顯示等硬件電路的設(shè)計(jì)。單片機(jī)使用AT89C51，按照需求將引腳分配給監(jiān)控電路，按鍵電路，顯示電路；監(jiān)控電路使用MAX813L作為控制芯片，完成上電復(fù)位，自動(dòng)復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位，和電源監(jiān)控的功能；鍵盤電路使用4*4矩陣鍵盤，完成數(shù)值設(shè)置的功能；顯示電路使用LCD1602，LCD1602能顯示兩行字符，每行8個(gè)，滿足顯示的要求；從系統(tǒng)選用AT89C2051作為控制芯片，產(chǎn)生控制開關(guān)電源的脈沖。電源電路在正常導(dǎo)通時(shí)能夠輸出可調(diào)電壓，當(dāng)控制電路給電源電路開關(guān)脈沖時(shí)，電源電路根據(jù)開關(guān)管的導(dǎo)通情況形成脈沖直流電源。2 電鍍數(shù)字脈沖電源的總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)中關(guān)鍵的問題是定時(shí)，電鍍時(shí)間的定時(shí)及驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的脈沖定時(shí)，而且后者的定時(shí)精度直接影響輸出脈沖波形的頻率精度。同時(shí)考慮到系統(tǒng)顯示及按鍵處理的因素，本系統(tǒng)采用了雙 CPU 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)。主系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)顯示、按鍵管理、電鍍時(shí)間控制以及運(yùn)行中的暫停等控制；從系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖。數(shù)字控制系統(tǒng)的原理圖如圖21所示。顯 示鍵 盤運(yùn)行暫停、結(jié)束等控制接口從CPU驅(qū) 動(dòng)開關(guān)電源主CPU圖21 雙CPU系統(tǒng)原理圖 主系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 主系統(tǒng)利用AT89C51作為中央控制芯片，P0口作為液晶顯示的數(shù)據(jù)線，用于顯示電路，P2口作為按鍵控制電路的行線和列線，P1口作為一般雙向I/O口使用，、其他P3口作為一般雙向I/O口使用?？撮T狗電路利用MAX813L作為控制芯片，使用其經(jīng)典電路做到上電自動(dòng)復(fù)位和電路監(jiān)控的功能，同時(shí)設(shè)計(jì)了一些外圍電路，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位功能。按鍵電路是使用一個(gè)4*4矩陣鍵盤，通過控制行線和列線達(dá)到控制按鍵的功能。矩陣式鍵盤可以有效的節(jié)省I/O口。顯示電路是使用液晶顯示，使用了一片1602，達(dá)到ton，toff，T的顯示功能。 從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)從系統(tǒng)是基于AT89C2051的控制電路，由從系統(tǒng)單片機(jī)定時(shí)器提供定時(shí)，向電源電路發(fā)送一個(gè)脈沖，控制電路的通斷，使電源電路的輸出由直流變?yōu)橹绷髅}沖。從系統(tǒng)與主系統(tǒng)的通信方式選為串口通信，通過TXD,RXD交叉連接實(shí)現(xiàn)，共用復(fù)位信號(hào)，由主系統(tǒng)的定時(shí)器提管理串口通信。電源電路是一個(gè)將交流電轉(zhuǎn)換為脈沖直流的電路，首先交流電源經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換為28V的交流電源，再經(jīng)過整流橋整流后輸出直流，通過開關(guān)管控制直流電源的通斷而達(dá)到輸出脈沖直流的效果。 主、從系統(tǒng)通信方式的方案設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，雙 CPU 或多 CPU 系統(tǒng)的建構(gòu)通常有以下 3 種形式。1）雙口 RAM 方式使用一個(gè) CPU 有時(shí)會(huì)導(dǎo)致軟件編寫復(fù)雜，尤其是當(dāng)多個(gè)外圍芯片發(fā)生中斷請(qǐng)求時(shí)，容易造成數(shù)據(jù)處理的延誤。采用雙口 RAM 的雙 CPU 電路，整個(gè)電路分成 2 大部分，每個(gè) CPU 編有單獨(dú)的程序，各管理 1 部分，這樣可減小整個(gè)軟件編寫的難度，增加儀器工作的可靠性。作為 2 個(gè) CPU 交換信息的媒介，主 CPU和從 CPU 均可通過與雙口 RAM 相連的總線對(duì)雙口 RAM 進(jìn)行讀/寫。由于雙口RAM 大多具有雙總線，而且具有總線仲裁機(jī)構(gòu)，因此這種方式的特點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，但成本相對(duì)較高。這種方式的實(shí)現(xiàn)原理可用圖22表示。片選片選狀態(tài)狀態(tài)總線總線主CPU從CPU左總線 右總線雙口RAM圖22 雙口RAM方式2）并口通信方式直接將 2 個(gè) CPU 通過并行接口連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)與交流。這種方式是以犧牲并行接口為代價(jià)的。雖然是半雙工通信方式，但由于是并行通信方式，速度還是比串口方式要快。在并行接口緊張的應(yīng)用場(chǎng)合，需要權(quán)衡。圖23即為雙CPU 通過并行接口連接。P1CPU1P34P35P1CPU2P34P35圖23 并行通信方式3) 串行通信方式串行通信方式，即主、從 CPU 之間通過串行接口或模擬串行接口進(jìn)行協(xié)調(diào)和交流。這種方式的特點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)也很方便。適合于本次設(shè)計(jì)的需要。本次系統(tǒng)在串行通信的基礎(chǔ)上，配合以適當(dāng)?shù)挠参帐致?lián)絡(luò)信號(hào)，以克服純軟件握手對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖的影響。雙口RAM方式硬件電路簡(jiǎn)單，但成本較高，并行通信方式通信速度快，卻是以犧牲I/O口為代價(jià)，不適合本次設(shè)計(jì)的要求，串行通信方式雖然通信速度稍慢，但硬件電路簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)也很方便，適合本次設(shè)計(jì)的需要，兩CPU通過RXD,TXD交叉連接完成串口通信。3 電鍍數(shù)字脈沖電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)由于系統(tǒng)中關(guān)鍵的問題是定時(shí)，電鍍時(shí)間的定時(shí)及驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的脈沖定時(shí)，而且后者的定時(shí)精度直接影響輸出脈沖波形的頻率精度。同時(shí)考慮到系統(tǒng)顯示及按鍵處理的因素，本系統(tǒng)采用了雙 CPU 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)。主系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)顯示、按鍵管理、電鍍時(shí)間控制以及運(yùn)行中的暫停等控制；從系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖。 主CPU的選擇、方案確定 AT89C51單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能主CPU系統(tǒng)主要管理顯示電路、按鍵電路、運(yùn)行狀態(tài)控制及向從CPU系統(tǒng)發(fā)送脈沖參數(shù)等，核心是AT89C51單片機(jī)。其中暫停開關(guān)PKEY與暫停指示燈通過接口與單片機(jī)連接，暫停時(shí)指示燈會(huì)發(fā)光指示。主、從CPU系統(tǒng)的握手信號(hào)為R/P，SCOMM。其中R/P用來(lái)由主CPU控制從CPU的運(yùn)行與暫停；SCOMM信號(hào)是從CPU向主CPU指示通信狀態(tài)的，成功結(jié)束有效；否則無(wú)效。本次設(shè)計(jì)使用AT89C51單片機(jī)作為主系統(tǒng)芯片，AT89C51單片機(jī)芯片內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖31所示。圖31 AT89C51內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)各部分的情況簡(jiǎn)單介紹如下：a）中央處理器（CPU）中央處理器是單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制操作。在CPU里面包含了運(yùn)算器、控制器以及若干寄存器等部件組成。b）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)，地址范圍為00H～FFH（256B）。是一個(gè)多用多功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通用工作寄存器、堆棧、位地址等空間。c）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格。因此稱之為程序存儲(chǔ)器，地址范圍為0000H～FFFFH（64KB）。d）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器51系列共有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或記數(shù)功能。e）并行I/O口MCS51共有4個(gè)8位的I/O口（P0、PPP3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并