【正文】 圖 414 PCB
。 第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 26 PWM 頻率與控制 電磁鐵在電壓大于 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生吸合，在經(jīng)過(guò)數(shù)十毫秒之后，這時(shí)為了降低電磁鐵在工作時(shí)的電壓，但同時(shí)又要保持電磁鐵處在吸合狀態(tài)下，以防止電壓過(guò)低而產(chǎn)生脫扣，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用的是 PWM 法，進(jìn)行對(duì)電壓的調(diào)節(jié)，使用這一方法的好處一番方面我們可以調(diào)節(jié)電壓的大小，另一方面還可以用來(lái)降低電磁鐵由于長(zhǎng)時(shí)間工作中產(chǎn)生的熱量，就是能夠起到保護(hù)電路的作用 ，因?yàn)樵诒敬握撐脑O(shè)計(jì)之中采用單片機(jī)進(jìn)行控制，由于 PIC12F683 單片機(jī)它的內(nèi)部含有 PWM 模塊資源，在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中為了得到一個(gè)平穩(wěn)的電磁鐵的兩端的端電壓，因?yàn)椴蓸与妷褐苯訉?duì) PWM 的占空比有直接的影響，而且采樣電壓也受到電網(wǎng)中輸入電壓的高低得影響，所以再輸入時(shí)當(dāng)電網(wǎng)電壓較高時(shí)， PWM 的占空比相對(duì)會(huì)很小，反之，依然成立 。示波器中出現(xiàn)的波形如圖 410 所示。 經(jīng)過(guò)對(duì)比最終選擇 Multisim 仿真軟件進(jìn)行電路的仿真，在這里我們采 進(jìn)行仿真， 根據(jù)圖 48 所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路圖和參數(shù)的計(jì)算結(jié)果選擇好元器件并且線(xiàn)相連，仿真得到的圖如圖 49 所示。但是需要由 Matlab 軟件一起配合才好使用 3. Protues 仿真軟件 Protues 軟件與前面介紹的兩款軟件相比它的最顯著的優(yōu)點(diǎn)是他能夠做到軟件和硬件同時(shí)進(jìn)行開(kāi)發(fā)以及調(diào)試，使用這一款軟件也是相當(dāng)?shù)谋憷@就可以大大減少在該軟件上研制所需要花費(fèi)的時(shí)間和精力，反過(guò)來(lái)想就是節(jié)約成本，減少 經(jīng)費(fèi)的不必要支出，同時(shí)也可以構(gòu)建單片機(jī)在它的外圍所設(shè)置的電路，這樣做就可以使得功能很豐富，比如 PCB 自動(dòng)或人工布線(xiàn)、電路仿真等功能。 2. Simulink 仿真軟件 Simulink 軟件是主要就是用來(lái)對(duì)電路中的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。 1. Multisim 仿真軟件 Multisim 軟件在所有電路仿真之中對(duì)模擬電路和數(shù)字電路的仿真是最為方便，而且入門(mén)簡(jiǎn)單。 第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 24 R X 33 0 K1 2 VR X 15 1 K1 2 VR X 4 1 0V C CC X 13 3 0 PT X 28 5 5 0T X 19 0 1 3T X 39 0 1 3O U TR X 25 1 KC X 21 n F 圖 48 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路仿真 為了驗(yàn)證圖 48 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)是否合理，我們運(yùn)用仿真軟件。對(duì)于電路中的電容 CX1 正確性則需要使用仿真軟件仿真之后才可以知道結(jié)果，在仿真調(diào)試 過(guò)程中使 得 CX1=330PF。 CX1 與 CX2 分別是加速電容器，目的是為了加快 TX3 的導(dǎo)通與關(guān)斷的頻率快慢。 當(dāng) PWM 信號(hào)為高電平時(shí)，此時(shí)發(fā)射電阻 RX1 處在反向偏置，晶體管將處在截至狀態(tài)下，這個(gè)時(shí)候 TX1 截止，而對(duì)于 TX2 本省又沒(méi)有基極電流而截止。本次論文設(shè)計(jì)使用這種驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)響應(yīng)十分的快，驅(qū)動(dòng)效果也非常的好，并且該電路被更多的使用在中等功率的場(chǎng)合，而另一種情況則更多使用在小功率的場(chǎng)合，操作方便并且安全性能好，成本也低，適用于不要求 隔離的小功率開(kāi)關(guān)裝置。這樣我們就可以用電壓來(lái)控制電路的通斷了。由于二氧化硅絕緣層很薄，而 P 區(qū)的電子因?yàn)樵陔妶?chǎng)力的作用下被吸到二氧 化硅絕緣層周?chē)?，這些電子正好處在兩個(gè) N 區(qū)之間，于是便形成了一個(gè) N 通道。就像二極管也有兩種溝道，接下來(lái)我們首先以 N 溝道為例，絕緣柵場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)如圖 49 所示，它是用一種 P 型半導(dǎo)體作為它的基礎(chǔ)， P 區(qū)表面上偶第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 23 兩個(gè)挨得距離距離很近的 N 型半導(dǎo)體塊，在 它的表面覆蓋了一層二氧化硅絕緣層但 N 型半導(dǎo)體塊是能夠和外界用導(dǎo)體進(jìn)行導(dǎo)通的，我們把其中的一個(gè)叫作稱(chēng)之為源極 S，一個(gè)叫作漏極 D，在二氧化硅絕緣層上面兩個(gè) N 區(qū)之間還有一個(gè)柵極 G，柵極與其他部位是絕緣的，如果只接通源極 S 和漏極 D 那是肯定不能導(dǎo)通的，它的組成結(jié)構(gòu)機(jī)理與爽警惕二極管差不多，但是原理卻截然不同。但是電力 MOSFET 也是有它本身的缺點(diǎn)，因?yàn)樗荒軌蛟试S通過(guò)的管子電流非常的小，所以只能承受極小的電壓，并且往往他還受到功率對(duì)它的限制作用，所以只能一般用在 10kw 的電力設(shè)備當(dāng)中 MOS 管驅(qū)動(dòng)電路。還有一個(gè)好處就是開(kāi)關(guān)動(dòng)作準(zhǔn)確而且靈敏，并且他的工作頻率相對(duì)的來(lái)說(shuō)也很高。 MOS 管一邊可以作為開(kāi)關(guān)電路另一邊還可以做模擬放大。 VH 的最高電壓為 220 120%=264V，給單片機(jī)提供 3V 的電壓， 264*（ R1+R2+R3） R3=3V,即： R3=，取 10K。 20V 30%=66V 時(shí) 66V/1mA=66K， 22*120%=264V， 264/66=4mA， 即 RW2=66K 滿(mǎn)足設(shè)計(jì)預(yù)期。 W TC Z T A 4 4Z 11 2 V1 2 V V C CC D 34 . 7 u F / 6 . 3 VV i n2G1+ 5 V3W 1H T 7 1 3 0 2C D 14 . 7 u F / 2 5 VC D 41 0 0 n3 2 VR W 11 5 KR W 31 0 0 KC D 21 0 0 nZ 21 2 VR W 21 5 KR W 41 0 0 KR W 51 0 0 KR W 01 5 KV H 圖 45 電源電路 第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 22 參數(shù)計(jì)算如下： （ 1）采用單片機(jī)，預(yù)計(jì) 12V 電源供電電流約為 左右。 本設(shè)計(jì)的電源電路圖如圖 45 所示，上面串聯(lián)型的穩(wěn)壓電源經(jīng)過(guò)交流電整流之后得到 12V 的穩(wěn)壓電壓作為 HT71302 的輸入電壓， CD3 濾波電容，能夠抗電磁干擾。 HT7130 的主要特點(diǎn)有下面幾個(gè)： （ 1） 高輸入電壓（可達(dá) 24V），輸出電壓 3~5%V （ 2） 壓降低，功耗低，溫度系數(shù)低。最終我們選用 HT7130 的三端穩(wěn)壓器，它屬于 CMOS 類(lèi)型的穩(wěn)壓器，工作時(shí)靜態(tài)消耗小，由于采用 CMOS 技術(shù)的三端低功耗 高電壓的調(diào)節(jié)器，使得在工作時(shí)可以工作在高電壓在 24V 上。 R 15 1 0 KR 39 . 1 KC 14 7 0 nS AV HR 25 1 0 K3 V 圖 46 采樣電路 穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)供電大多數(shù)情況下會(huì)選擇 LM78 系列三端穩(wěn)壓器來(lái)構(gòu)成線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。單片機(jī)采用 3V工作電壓。 L10n/2KVCL210n/KVLNRV1DN468KR7 圖 410 EMC 電路圖 （ 1） CL CL2 是 差模濾波電容， 它的 主要 的功能就是 濾除差模干擾 得影響 ，在電路中取 電容 的區(qū)間是 ~，選取典型值 10n/2KV； （ 2） 選 用 了 壓敏電阻 RV0 并聯(lián) 在 L 與 N 線(xiàn) 之 間 ，是為了起放雷防護(hù)的作用；壓敏電阻的特點(diǎn)是當(dāng)兩端的電壓低于它的設(shè)定值時(shí)，流過(guò)它的電流會(huì)很小， 此時(shí)電路可以看作為斷路；而當(dāng)電壓如果超過(guò)設(shè)定值時(shí)，它的阻值又會(huì)變小，流過(guò)電路的電流增大但不影響其它電路工作， EMC 電路中的各元件也都參照其經(jīng)典值來(lái)選取的。差模濾波電感器的采用 ，使得脈沖電流的峰值能夠有效地降低，從而減小了電流諧波的干擾，但是不會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)的變大。 電源電路設(shè)計(jì) 電源電路是保證維護(hù)電路正常運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，無(wú)論是在微型處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還是在電源電路的設(shè)計(jì)當(dāng)中都是不可或缺的一部分，在這次的畢業(yè)論文設(shè)計(jì)，由于需要的電壓等級(jí)不同，需要給兩個(gè)不同的電源供電，一個(gè)是給 PIC 單片機(jī)提供 +3V 的電壓、另一個(gè)是給線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)電路提供 12V 的電壓，在本次設(shè)計(jì)中當(dāng) 電源接通后，經(jīng)壓敏電阻器RV0 后，又由電磁兼容性（ EMC）電路抗干擾抑制，獲得二次電源。 表 41 PIC12F683 引腳的功能介紹 第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 19 表中： AN=模擬輸入或輸出 TTL=TTL 兼容輸入 HV=高電壓 CMOS=CMOS 兼容輸入或輸出 ST=帶 CMOS 電平的施密特觸發(fā)器輸入 XTAL=晶振 在所有的硬件電路的設(shè)計(jì)中，選取合適的電源電壓尤為重要，以下我們根據(jù)不同穩(wěn)壓電源的等級(jí)進(jìn)行比較分析 . 這其中一類(lèi)是線(xiàn)性穩(wěn)壓電源，線(xiàn)性穩(wěn)壓電源原理改變晶體管的第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 20 通斷速度從而達(dá)到改變以及控制輸出電壓和電流的效果的目的，這個(gè)時(shí)候在線(xiàn)性穩(wěn)壓電源中晶體管中可以看作是一個(gè)可變電阻，以及通過(guò)調(diào)節(jié)管之間的電壓壓降來(lái)獲得合適的輸出。 第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 18 S AV D D1G P 5 / T 1 C K I / O S C 1 / C L K I N2G P 3 / M C L R / V P P4G P 4 / A N 3 / T 1 G / O S C 2 / C L K O U T3V S S8G P 0 / A N 0 / C I N + / I C S P D A T / U L P W U7G P 1 / A N 1 / C I N / V R E F / I C S P C L K6G P 2 / A N 2 / T 0 C K I / I N T / C O U T / C C P 15U 1P I C 1 2 F 6 8 3V C CO U TT 1T 2R E ST 2T 1止 鎖 時(shí) 間 設(shè) 定Z E R O 圖 43 單片機(jī)引腳圖 PIC12F683 單片機(jī)的引腳功能陳列的形式說(shuō)明如下表 41 所示。而且它是一個(gè) 由 8 引腳 的 8 位 CMOS 單片機(jī)，具有 10 位 PWM 模塊， 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、分辨率是也是 10 位的；最大工作頻率可以高達(dá) 20kHz；功耗相對(duì)消耗比較少，性?xún)r(jià)比高。 （ 2）處在睡眠和低功耗狀態(tài)時(shí)，軟件本身自帶看門(mén)狗，可以大大增強(qiáng)運(yùn)行的可靠性 （ 3）引腳具有防瞬態(tài)性能的能力，只要接上一個(gè)限流電阻就可以接到 220V 交流電源電壓上，并且通過(guò)繼電器與控制電路相連以及高精度的內(nèi)部振蕩器。 單片機(jī)選擇 通過(guò)上述三種單片機(jī)介紹，我們發(fā)現(xiàn) PIC 系列的型號(hào)為 12F683 的單片機(jī)適合本設(shè)計(jì)，主要它有著以下特點(diǎn)： （ 1）指令簡(jiǎn)單，但是執(zhí)行效率很高。 它就像人類(lèi)身體組織中的大腦環(huán)節(jié)， PIC 共享類(lèi)似于人的神經(jīng)系統(tǒng)，同時(shí) PIC 單片機(jī)也有著強(qiáng)大的計(jì)算能力以及記憶內(nèi)存的作用，一般存儲(chǔ)器容量有 1K4K 字節(jié)可以用來(lái)專(zhuān)門(mén)編寫(xiě)相關(guān)軟件。定時(shí)器等外設(shè)資源的框架都能用和現(xiàn)在比較火熱機(jī)型十分相似近似的方法來(lái)進(jìn)行相關(guān)控制，它的中斷功能的方法也又和 AVR 不太接近，它有著多個(gè)中斷源，但是卻只對(duì)應(yīng)其中的一個(gè)中斷向量，但是我們從總體上來(lái)看性?xún)r(jià)比上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 AVR 單片機(jī) . PIC 單片機(jī)歸納 PIC 單片機(jī)給人們用來(lái)建設(shè)和控制外圍裝置的集成電路。在它的平臺(tái)上面支撐著的三種子產(chǎn)品： STM8S （通用微控制器）； STM8L （超低功耗微控制器）； STM8A （汽車(chē)級(jí)別的微控制器）。 并在平臺(tái)采用 nm130 的嵌入式非易性存儲(chǔ)器獨(dú)特專(zhuān)用技術(shù)。 這使得很多使用硬件電路都難以實(shí)現(xiàn)的功能都可以用這個(gè)軟件 輕易做到，這給設(shè)計(jì)電路帶來(lái)極大的方便。 （ 2）低耗、高速、保密。同時(shí) AVR 系列單片機(jī)有著十分多的內(nèi)部資源，同時(shí)其價(jià)格也一般，這樣就使得許多情況下， 51 系列的單片機(jī)可以被他代替使用。 單片機(jī)選型比較與選擇 單片機(jī)應(yīng)用 第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 16 圖 41 單片機(jī)應(yīng)用 AVR 單片機(jī)概述 AVR 單片機(jī)是 ATMEL 公司利用 Flash 這一技術(shù)研究的一種新型單片機(jī)，它是一個(gè) 8 位的單片機(jī)，而且他的運(yùn)行速度很快。 E M C電 路全 波 整流 電 路V H過(guò) 零 電 路采 樣 電 路串 聯(lián) 穩(wěn) 壓 電路單 片 機(jī) M o s 管 驅(qū) 動(dòng) 電 路分 勵(lì)線(xiàn) 圈V HLNP W MC D 0 S A 圖 42 PWM 控制技術(shù)方案 輸入線(xiàn)路交流電壓 L,N 在經(jīng)過(guò) EMC 電路進(jìn)行濾波之后，就可以形成兩次電源電壓。同時(shí)電路在工作中時(shí)由于共振導(dǎo)致在器件工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生各種各樣噪音，為了降低噪聲，以及為了能夠得到讓 PWM 波的頻率保 持在一定的數(shù)值之上，第 4 章 DW450 分勵(lì)脫扣器硬件電路設(shè)計(jì) 15 我們通過(guò)使用場(chǎng)效應(yīng)管作為主要的開(kāi)關(guān)器件，并且我們同時(shí)設(shè)計(jì)了串