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正文內(nèi)容

中頻淬火電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-23 06:03 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 集成度高,功能強(qiáng),可靠性高,體積小,功耗低,使用方便,價(jià)格低廉等特點(diǎn),在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。單片機(jī)最早是以嵌入式微控制器(EmbeddedMicrocontroller)的面貌出現(xiàn)的。在嵌入式系統(tǒng)中,它是應(yīng)用最多的核心器件。在計(jì)算機(jī)主導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)并且日益走進(jìn)家庭生活的今天,從家用電器、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器到軍事應(yīng)用,到處都有單片機(jī)的存在[5]。目前世界上有很多單片機(jī)制造公司,如美國的INTEL. ATMEL, MOTOROLA和ZILOG公司。德國的SIEMES公司。荷蘭的PHILIP公司等。他們相繼推出了各種類型的單片機(jī),其中INTEL公司推出的一種高性能8位單片機(jī)MCS51系列單片機(jī)以優(yōu)越的性能,成熟的技術(shù)和高性價(jià)比迅速占領(lǐng)了工業(yè)測控和自動化工程領(lǐng)域的主要市場,成為單片機(jī)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)中采用Intel(美國因特爾)公司的MCS51系列的AT89C51單片機(jī)。控制電路由MCS51單片機(jī)、過零檢測、驅(qū)動電路、調(diào)理電路、時(shí)鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤顯示器組成。如下圖所示:驅(qū)動控制過零檢測鍵盤控制溫度顯示單片機(jī)數(shù)據(jù)采集主電路時(shí)鐘電路 控制電路框圖單片機(jī)選用AT89C51,擴(kuò)展一片24C256(用作鍵盤接口)和一片74HC138(用作顯示器接口和三個(gè)LED燈)系統(tǒng)時(shí)鐘電路和看門狗電路。鍵盤與顯示器是人機(jī)聯(lián)系的接口,鍵盤由10個(gè)數(shù)字鍵和6個(gè)命令鍵組成,供操作者輸入命令和參數(shù)。顯示屏由四片LED段顯示器和三個(gè)LED燈組成。四片顯示器用來顯示溫度,三個(gè)LED燈用來指示啟動、加溫、冷卻、結(jié)束。一個(gè)命令鍵用于選擇淬火溫度,另3個(gè)鍵分別為自動、啟動、停止鍵。過程量通道I/O包括包括模擬量輸入,執(zhí)行信號和開關(guān)量的輸出。溫度檢測時(shí)通過以下過程來完成的;從被加熱工件輻射出來的光,經(jīng)過WDL2型光電溫度計(jì)進(jìn)行光電耦合,產(chǎn)生一個(gè)電信號;再經(jīng)過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波,然后通過A/D轉(zhuǎn)換器至CPU進(jìn)行數(shù)字處理、標(biāo)度變換,最后輸出并顯示溫度[11,15]。 芯片的功能引腳介紹AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓,高性能CMOS8位微處理器,俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器,AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51的結(jié)構(gòu)VCC:供電電壓。GND:接地。1) 數(shù)據(jù)地址口功能介紹P0口:P0口為一個(gè)8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí),被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí),P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí),P0輸出原碼,此時(shí)P0外部必須被拉高。P1口:P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時(shí),將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí),P1口作為第八位地址接收。P2口:P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個(gè)TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1”時(shí),其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時(shí),P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí),P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí),它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí),P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。P3口:P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí),要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ALE/:當(dāng)訪問外部存儲器時(shí),地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí),ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是:每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí),將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí), ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。:外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間,每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí),這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。/VPP:當(dāng)保持低電平時(shí),則在此期間外部程序(0000HFFFFH),不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時(shí),將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)端保持高電平時(shí),此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2:來自反向振蕩器的輸出。2) 振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動器件,XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器,因此對外部時(shí)鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3) 芯片擦除:整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合,并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前,該操作必須被執(zhí)行。此外,AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯,支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下,CPU停止工作。但RAM,定時(shí)器,計(jì)數(shù)器,串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下,保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)單片機(jī)只能識別數(shù)字信號,這就要求我們把采集的信號都要轉(zhuǎn)換成數(shù)字的。ADC0809是廣泛使用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心電路。目前A/D轉(zhuǎn)換電路的種類繁多,但大量投放市場的單片集成或模塊A/D按其轉(zhuǎn)換原理主要分為逐次逼近式、雙積分式、量化反饋式和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高,抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低,但轉(zhuǎn)換速度較慢。并行式轉(zhuǎn)換器速度快,但價(jià)格高。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換精度較高、速度快,大約在幾微妙到幾百微妙之間,但抗干擾能力相對弱??偟膩碇v逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的性價(jià)比最高,應(yīng)用最廣泛,國內(nèi)使用較多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801ADCO805及ADC0816/0817和AD574等,本系統(tǒng)選用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)為:1)分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量,習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。2)量化誤差由A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差。3)轉(zhuǎn)換精度反映一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上與理想A/D轉(zhuǎn)換器的差值。4)轉(zhuǎn)換速率指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度,即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。AD0809的技術(shù)指標(biāo):1)分辨率 8位;2)總的不可調(diào)誤差 177。1/2LSB;3)第一電源 5V;4)溫度范圍 40℃~+85℃;5)低功耗 15mVW;6)變換時(shí)間 100μS;7)按比例操作,或參考電壓接直流5V,或接可調(diào)的模擬電壓。本設(shè)計(jì)主要是將負(fù)載的溫度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給單片機(jī),以達(dá)到對淬火加熱溫度的控制。在可不采用外部總線結(jié)構(gòu)的單片機(jī)系統(tǒng)中(如由AT89C51組成的系統(tǒng))。ADC0809的數(shù)據(jù)線直接與單片結(jié)構(gòu)的P0口相連,并由單片機(jī)的P0口直接對ADC0809進(jìn)行控制。 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)的時(shí)鐘信號用來提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn),時(shí)鐘信號通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩和外部振蕩。MCS51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器,引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端,由于采用內(nèi)部方式時(shí),電路簡單,所得的時(shí)鐘信號比較穩(wěn)定,實(shí)際使用中常采用這種方式,(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式,片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。,它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用,其值均為30pF左右,晶振頻率選6MHz[13]。 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器,必須采用復(fù)位的方式,復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài),并從初始狀態(tài)開始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來實(shí)現(xiàn)的,在正常運(yùn)行情況下,只要RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平,即可引起系統(tǒng)復(fù)位,但如果RST引腳上持續(xù)為高電平,單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入/輸出(I/O)端口寄存器置為FFH,堆棧指針SP置為07H, SBUF內(nèi)置為不定值,其余的寄存器全部清0,內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響,在系統(tǒng)上電時(shí)RAM的內(nèi)容是不定的[20]。復(fù)位操作有兩種情況,即上電復(fù)位和手動(開關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。,其值R取為1KΩ , C取為1μF。 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 看門狗電路設(shè)計(jì)看門狗電路主要是對主單片機(jī)AT89C51的保護(hù),它能使CPU從死循環(huán)和彈飛狀態(tài)中進(jìn)入正常的程序流程??梢杂脕碓鰪?qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。軟件抗干擾屬于單片機(jī)系統(tǒng)的自身防御行為。 看門狗電路設(shè)計(jì)電路中芯片MAX813有以下四種功能;1在微控制器上電、掉電或電壓降低時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號;2獨(dú)立的看門狗輸出端,;4具有低電平手動輸入端。在設(shè)計(jì)中其7腳接單片機(jī)的9腳,6腳接單片機(jī)的15腳,2腳和3腳分別接電源和地??撮T狗電路主要特點(diǎn):1) 。2) 精確的電壓監(jiān)測功能。3) 200毫秒復(fù)位信號寬度。4) 獨(dú)立的看門狗電路()。5) 提供電源掉電或電池電壓過低報(bào)警功能。綜上所述,此看門狗電路對單片機(jī)的保護(hù)很可靠,并且電路線路簡單,所以本設(shè)計(jì)中用此電路來保護(hù)了單片機(jī)AT89C51。 報(bào)警電路設(shè)計(jì)當(dāng)主電路的負(fù)載端出現(xiàn)過電壓或過電流的情況時(shí),單片機(jī)除了停止觸發(fā)脈沖外,還應(yīng)有報(bào)警電路來提示人們采取相應(yīng)措施。,它由單片機(jī)的I/O口控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音,對單片機(jī)復(fù)位以后可使其停止蜂鳴[15]。 報(bào)警電路 調(diào)理電路的設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路的功能是將傳感器采集的非電量信號經(jīng)過調(diào)理后變成可以測量的數(shù)字信號。 調(diào)理電路 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口,是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié),對整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路,可使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài),縮短開關(guān)時(shí)間,減小開關(guān)損耗,對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。另外,對電力電子器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往就近設(shè)在驅(qū)動電路中,或者通過驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn),這使得驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)更為重要。簡單地說,驅(qū)動電路的基本任務(wù),就是將信息電子電路傳來的信號按照其控制目標(biāo)的要求,轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間,可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號,對全控型器件既要提供開通控制信號,又要提供關(guān)斷控制信號,以保證器件可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。驅(qū)動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。一般用光隔離或磁隔離。光隔離一般用光耦合器。光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成,封裝在一個(gè)外殼內(nèi)。按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì),可以將電力電子分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類。驅(qū)動電路設(shè)計(jì)即觸發(fā)電路設(shè)計(jì),在本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)了晶閘管觸發(fā)電路和IGBT觸發(fā)電路。 晶閘管觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖,保證晶閘管在需要的時(shí)刻有阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件,具有弱電控制,強(qiáng)電輸出的特點(diǎn),只需要很小的功率,就可以控制較大的電流。觸發(fā)信號通常經(jīng)脈沖變壓器或光電耦合器隔離后,加到晶閘管上。這對安全操作特別有利。本設(shè)計(jì)使用脈沖變壓器的觸發(fā)電路。脈沖變壓器用于隔離主回路與觸發(fā)電路,并把觸發(fā)脈沖加到晶閘管的門極上。使用脈沖變壓器,可以把脈沖電壓升高或降低,改變脈沖的極性及使阻抗匹配。脈沖變壓器在結(jié)構(gòu)上與普通變壓器相似,但其工作情況卻有很大的區(qū)別,普通變壓器初級加的是正弦電壓,而脈沖變壓器初級加的是周期脈沖電壓,他們的電磁過程各有特點(diǎn)。脈沖觸發(fā)方式可以減少晶閘管門極的功耗以及觸發(fā)信號放大電路的功耗。它是晶閘管較常用的觸發(fā)方式。觸發(fā)脈沖由單片機(jī)AT89C51的INT1端控制,當(dāng)其為低電平時(shí),光電耦合器有電流輸出,是晶閘管T導(dǎo)通,脈沖變壓器BM得出既有電流流過,次級輸出觸發(fā)脈沖,經(jīng)DI后觸發(fā)晶閘管。當(dāng)其為高電平時(shí)晶閘管T截至,觸發(fā)脈沖結(jié)束[12]。觸發(fā)脈沖的寬度由單片機(jī)社定。為了保證晶閘管的可靠導(dǎo)通,要求觸發(fā)的脈沖具有一定的寬度。一般晶閘管導(dǎo)通時(shí)間為6,故觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)有6以上,一般區(qū)2050,對于電感性負(fù)載,觸發(fā)脈沖寬度還應(yīng)加大,否則在脈沖終止時(shí),主回路電流還未上升到晶閘管的維持電流以上,則晶閘管又重新關(guān)斷,故脈沖寬度不應(yīng)小于100,一般用到1ms,經(jīng)
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