【文章內(nèi)容簡介】 (23)式中：/為電流基波有效值同變壓器次級(jí)電流有效值之比，它表示了電流波形含高次諧波的程度，稱為畸變因數(shù)，用表示。圖21 整流變壓器次級(jí)電壓和電流波形 諧波的抑制對(duì)策1 LC無源濾波器利用LC電路串聯(lián)諧振特點(diǎn)抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流。在諧振頻率上電路的阻抗最小，而非諧振頻率上，阻抗增大。將諧振點(diǎn)調(diào)整至某特征諧波頻率，即可濾去某一高次諧波。LC無源濾波器如圖22所示，圖中包含有5次諧波濾波器，7次諧波濾波器，11次諧波濾波器。在工業(yè)電磁制動(dòng)器運(yùn)行的電網(wǎng)中加入LC無源濾波器能有效的抑制諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害。圖22 LC無源濾波器2 靜止無功補(bǔ)償器在網(wǎng)側(cè)設(shè)置無功補(bǔ)償裝置(Static Var Compensator，SVC)用于補(bǔ)償諧波造成的無功功率，以提高功率因數(shù)。合理設(shè)置無功補(bǔ)償裝置中的電感L和電容C，使其能在某次頻率產(chǎn)生諧振，從而濾除該頻率的諧波。圖23 SCV類型 本章小結(jié)本章主要論述系統(tǒng)方案的選擇與論證，介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。確定了工業(yè)電磁制動(dòng)器的控制方案，決定采用可編程數(shù)字器件作為主控芯片。確定了所使用晶閘管的型號(hào)。確定晶閘管的觸發(fā)方案，并分析了晶閘管的諧波公害，及其抑制方法。 第3章 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)第3章 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 處理器電路的設(shè)計(jì) 圖31 處理器模塊電路原理圖At89S52單片機(jī)是一款美國ATMEL公司生產(chǎn)的基于51內(nèi)核的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)。其片上資源非常豐富：⑴8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器。⑵256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。⑶采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)。⑷與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容。⑸片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元。⑹具有1000次擦寫周期。⑺三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。⑻32個(gè)可編程I/O口線。⑼三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。⑽8個(gè)中斷源。⑾低功耗空閑和掉電模式。單片機(jī)復(fù)位電路的作用是使單片機(jī)有效復(fù)位，此款單片機(jī)的復(fù)位方式是高電平復(fù)位，此復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位和按鍵復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)電容C7充電，單片機(jī)RESET引腳出現(xiàn)一個(gè)高電平并持續(xù)一定時(shí)間，使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)按鍵開關(guān)按下時(shí)單片機(jī)RESET引腳直接接到VCC，實(shí)現(xiàn)按鍵復(fù)位。在單片機(jī)的VCC與GND上加上一個(gè)濾波電容，這樣做的原因是為了最大限度減少電源對(duì)單片機(jī)的干擾。通常情況濾波電容都是一個(gè)瓷片電容和一個(gè)電解質(zhì)電容，瓷片電容是過濾低頻雜波，電解質(zhì)電容是過濾高頻雜波。在本次電路設(shè)計(jì)中考慮到系統(tǒng)本身為低頻率電路故把電解質(zhì)電容去掉只用的貼片封裝的瓷片電容方便PCB板的制作。 電源電路的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中系統(tǒng)需要提供5V電源為單片機(jī)、MOC304P52LCM12864等器件供電，為了防止供電出現(xiàn)問題，決定直接取用市電作為供電電源，變壓器TF將220V交流電轉(zhuǎn)換為9V交流電，通過整流橋和電容進(jìn)行整流和濾波后再經(jīng)過穩(wěn)壓芯片,得到穩(wěn)定的5V電壓。穩(wěn)壓芯片分為兩種類型，一種為線性穩(wěn)壓，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)壓后的電源諧波少，價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是壓差大，散熱大，能源利用率低。另一種為開關(guān)電源，其優(yōu)點(diǎn)為壓差小，損耗小；缺點(diǎn)為穩(wěn)壓后的諧波比較多，容易產(chǎn)生噪聲。綜合穩(wěn)定性的考慮。LM7805是三端正電源穩(wěn)壓電路，使用方便，電子制作中經(jīng)常采用，它的封裝形式為TO220,它有固定的電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛。由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本上不會(huì)損壞。如果能夠提供足夠的散熱片。具有熱過載保護(hù)，短路保護(hù)，輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)等保護(hù)措施。但當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。其原理圖如圖32所示，第1引腳為輸入端，第2引腳為地，第3引腳為輸出端，電容CC4為電解電容，容值較大作用是濾波，利用電容的充放電效應(yīng)，使脈動(dòng)直流變成紋波不大的直流電。CC3為陶瓷電容，容值較小，作用在于旁路頻率較高的波動(dòng)電壓。圖32 單片機(jī)供電電路 過零檢測電路的設(shè)計(jì) 圖33 過零檢測電路如圖33所示，過零檢測的原理是220V交流電經(jīng)過變壓器后變?yōu)?V交流電，經(jīng)過整流橋之后變?yōu)橹绷髅}沖，當(dāng)脈沖在過零點(diǎn)時(shí)使輸出端導(dǎo)通，給單片機(jī)外部中斷送入一個(gè)脈沖。此設(shè)計(jì)需要注意的是電阻R5的選取，其阻值不能太小，否則輸出的脈沖波形的幅值會(huì)比較小，無法觸發(fā)單片機(jī)的中斷。電阻R4用來限制流過光電耦和器U4的電流，防止流過光電耦合器U4的電流過大而使光耦合器燒毀。變壓器TF2的作用是將220V交流電變?yōu)?V交流電，目的是方便信號(hào)的提取。整流橋的功率是2W，可以流過10A的電流，滿足系統(tǒng)要求。 光耦合器觸發(fā)晶閘管電路的設(shè)計(jì) 在要求觸發(fā)脈沖較寬的晶閘管控制系統(tǒng)中，常用光耦合器組成晶閘管觸發(fā)電路。MOC3041是雙向晶閘管輸出型的光耦合器，用于觸發(fā)雙向晶閘管且不需要另外的觸發(fā)電源，使用雙向晶閘管的工作電源作為觸發(fā)電源。如圖34所示，當(dāng)單片機(jī)的IO口輸出低電平時(shí)，MOC3041的輸入端有電流輸入，輸出端的雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)外部的雙向晶閘管VR導(dǎo)通；當(dāng)單片機(jī)的IO口輸出高電平時(shí)，MOC3041輸出端的雙向晶閘管關(guān)斷，外部雙向晶閘管VR也關(guān)斷。電阻限制流過MOC3041輸出端的電流不要超過1A。的大小由下式計(jì)算，式中為工作電壓的峰值，為MOC3041輸出端的最大的允許電流。當(dāng)負(fù)載為感性負(fù)載時(shí)，由于電壓上升率較大時(shí)，就會(huì)造成MOC3041的輸出晶閘管誤導(dǎo)通。因此，在MOC3041的輸出回路中加入和組成的回路，降低電壓上升率，使在允許的范圍內(nèi)。圖34光耦合器觸發(fā)晶閘管電路 系統(tǒng)監(jiān)控電路及其信號(hào)部分的設(shè)計(jì) 監(jiān)控及其信號(hào)部分微處理器電路的設(shè)計(jì)在工業(yè)產(chǎn)品中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要，因此需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)控與信號(hào)部分，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在故障發(fā)生后，第一時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，以求最大限度的減少故障所帶來的損失。Atmega8 單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，Atmeg8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。通過將8位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)使ATmega8 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 主要特點(diǎn)為： ⑴8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，RWW)。⑵256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。⑶1K 字節(jié) SRAM，32 個(gè)通用 I/O 口線，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元。⑷32 個(gè)通用工作寄存器三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。⑸三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 (T/C)。⑹10 位 6 路 (8 路為 TQFP 與 MLF 封裝 )ADC。⑺具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。⑻低功耗空閑和掉電模式。⑼五種可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。⑽一個(gè) SPI 串行端口。圖35 監(jiān)控與信號(hào)部分微處理器電路Atmega8的最小系統(tǒng)部分和復(fù)位電路部分如圖35所示，Atmega8為高電平復(fù)位方式，此復(fù)位電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位的機(jī)械式復(fù)位兩種復(fù)位模式。其原理與At89S52類似，因此這里就不在詳細(xì)敘述。 單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 圖36 單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位電路MAX813L是美國MAXIM公司生產(chǎn)的微處理器專用監(jiān)控器，具有看門狗、電壓檢測和上電復(fù)位等功能，可提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。目前監(jiān)控電路在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)和微處理器中已得到廣泛地應(yīng)用，它可以有效的防止程序的“跑飛”，并自動(dòng)將系統(tǒng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。當(dāng)外來干擾導(dǎo)致數(shù)據(jù)總線、I/O總線或控制總線上的數(shù)字信號(hào)錯(cuò)亂時(shí)，將引發(fā)一系列的后果，特別是程序指針計(jì)數(shù)器PC值受干擾而改變時(shí)，將引起程序“跑飛”，使系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)或其他一些不可預(yù)知的情況。將WDO接到微處理器的非屏蔽中斷輸入端NMI，當(dāng)電源電壓Vcc低于復(fù)位的門限電平時(shí)，無論看門狗計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值是否到，WDO端都將被拉至低電平，產(chǎn)生非屏蔽中斷，同時(shí)RESET信號(hào)也同時(shí)產(chǎn)生，因此，非屏蔽中斷將會(huì)被RESET信號(hào)所覆蓋。手動(dòng)操作MR端允許通過手動(dòng)按鈕開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖去觸發(fā)復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)RESET。MR端對(duì)TTL/CMOS兼容，因此，它可以由外部的邏輯電路去驅(qū)動(dòng)。在MAX813L中，可以利用MR接到看門狗定時(shí)器的輸出脈沖端來產(chǎn)生復(fù)位脈沖，因此只要將MR和WDO簡單的接在一起即可。，那么，WDO就會(huì)輸出一個(gè)負(fù)脈沖，這個(gè)負(fù)脈沖作用于MR端，通過復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生器強(qiáng)制產(chǎn)生RESET信號(hào)。如圖36所示。，即電源電壓低于額定值時(shí)，PFO將產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，可以用于向CPU發(fā)出中斷，使CPU完成應(yīng)急處理。此功能可以完成電源電壓監(jiān)測。在軟件的編制中。如果程序出現(xiàn)“跑飛”現(xiàn)象，程序?qū)⒉荒苷＿\(yùn)行，這個(gè)定時(shí)發(fā)出的脈沖也得不到保障。，MAX813L內(nèi)部的定時(shí)器將會(huì)強(qiáng)制將WDO拉到低電平，這個(gè)低電平通過MR產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。單片機(jī)復(fù)位后從初始狀態(tài)開始運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)的可靠性，起到了看門狗的作用。 晶閘管溫度監(jiān)測電路的設(shè)計(jì)晶閘管屬于功率器件，當(dāng)有較大的電流流過的時(shí)候，芯片會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，當(dāng)流過的電流過大時(shí)芯片會(huì)發(fā)熱嚴(yán)重，這時(shí)候就需要采取一定的措施，防止芯片因溫度過高而燒毀。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一片支持“單總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器連接等優(yōu)點(diǎn)，可以直接將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)供處理器處理。DS18B20溫度傳感器特性：⑴適應(yīng)電壓范圍寬，, 在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。⑵獨(dú)特的單總線接口方式，它與微處理器連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。⑶支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。⑷在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。⑸測溫范圍55℃~+125℃，在10℃~+85℃時(shí)精度為177?！?。⑹可編程分辨率為9~12位，℃，℃，℃可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。⑺測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC效驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。⑻負(fù)壓特性。電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。如圖37所示，DS18B20的電路非常簡單，1腳接地，3腳接VCC，然后接到單片機(jī)的I/O口。圖37 溫度檢測電路 人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)圖38 LCM12864顯示電路原理圖人機(jī)交互界面主要由按鍵和液晶顯示器組成，按鍵用于輸入信息，液晶顯示器用于顯示信息。液晶顯示器的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面并配合背部燈管構(gòu)成畫面。各種信號(hào)的液晶通常按照顯示字符的行數(shù)或液晶點(diǎn)陣的行、列數(shù)來命名。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)用到的是12864液晶，12864的意思是由128列、32行組成，即共有128*32個(gè)點(diǎn)來顯示各種圖形，可以通過程序控制這些點(diǎn)中的任一個(gè)點(diǎn)顯示或不顯示。液晶的體積小、功耗低、顯示操作簡單。如圖38所示，液晶LCM12864的1腳為電源地、2腳為電源正極。3腳為液晶的顯示對(duì)比度端口，可以懸空。4腳R/S（CS）為數(shù)據(jù)/指令選擇端或串行操作的片選端，高電平為寫數(shù)據(jù)，低電平為寫指令。5腳R/W（SID）為讀/寫選擇端或串行操作的數(shù)據(jù)口，高電平時(shí)讀出數(shù)據(jù)，低電平時(shí)寫入數(shù)據(jù)。6腳E為使能信號(hào)，在單片機(jī)向12864寫數(shù)據(jù)/指令時(shí)需要將使能信號(hào)從低拉到高再拉低，數(shù)據(jù)/指令才能寫入。7腳至14腳為8個(gè)數(shù)據(jù)端口。15腳PSB為并口串口選擇端，當(dāng)輸入高點(diǎn)平時(shí)為并口操作方式，輸入低電平時(shí)為串口操作方式，在本次設(shè)計(jì)中應(yīng)使用并口操作故直接將15腳解電源。17腳為硬件復(fù)位端口高電平有效，在本次設(shè)計(jì)中12864采用軟件復(fù)位故直接將17腳接地。120為12864的背光電源。由于單片機(jī)的I/O資源有限，所以決定采用串行通信方式，即只需要5個(gè)引腳就可以完成12864液晶與單片機(jī)之間的通信。圖39 按鍵部分電路的設(shè)計(jì)如圖39所示，按鍵部分采用獨(dú)立按鍵的形式，當(dāng)按鍵按下時(shí)將I/O口狀態(tài)變?yōu)榈碗娖健?無線通信模塊的電路設(shè)計(jì)圖310 無線模塊接口電路的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)電磁制動(dòng)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器、輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。其主要特點(diǎn)如下：⑴ ISM 頻段免許可證使用。⑵最高工作速率 2Mbps，高效 GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合。⑶126 頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。⑷內(nèi)置硬件 CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。⑸內(nèi)置 天線，體積小巧 34mm X 17mm。⑹模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)指示，可直接接各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便。⑺內(nèi)置專門穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括 DC/DC 開關(guān)電源均有很好的通信效果。 ⑻標(biāo)準(zhǔn) DIP 間距接口，便于嵌入式應(yīng)用。⑼工作于 Enhanced ShockBurst 具有 Automatic packet handling, Aut