【正文】 輸出顯示 電壓、電流同時(shí) LED 數(shù)碼管顯示 工作方式 恒流 /恒壓任選 電鍍時(shí)間 t 鍵盤設(shè)定， 0~9999s 15 15 第四章 系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì) 根據(jù)前幾章對(duì)數(shù)字單脈沖電源及其應(yīng)用原理的介紹，我們開始沿著第三章 的數(shù)字脈沖電源原理框圖來設(shè)計(jì)其核心部分 —— 數(shù)字控制器電路，來得到數(shù)字單脈沖的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 因此 ,我們可以看出脈沖電鍍有以下幾點(diǎn)主要 優(yōu)勢(shì) [10]： ① 電鍍時(shí)的高電流密度可以得到細(xì)致的結(jié)晶鍍層，提高硬度、韌度等； ② 鍍液濃度差得到間期恢復(fù)，鍍液分散能力改善，可以得到均勻性好的鍍層，并且加快了電鍍速度； ③ 關(guān)斷期內(nèi)吸脫附現(xiàn)象的存在，可以使吸附在陰極的不溶性雜質(zhì)及氫等脫落，提高鍍層純度，減輕氫脆影響，提高機(jī)械強(qiáng)度。因此脈沖電鍍導(dǎo)通期 ont 時(shí)間內(nèi)，峰值電流是直流電流（平均電流）的幾倍甚至幾十倍， 正是這個(gè)瞬時(shí)高電流密度使金屬離子在極高的過電位下還原 ,從而使沉積層晶粒變細(xì) 高電流密度促使晶體形成的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶體長(zhǎng)大的速度 ,使鍍層結(jié)晶細(xì)化 ,排列緊密 ,孔隙減小，形成結(jié)晶細(xì)致均勻的鍍層 [9]。這就導(dǎo)致電流密度 J 不能達(dá)到所需的值，影響電鍍速度和效率。 直流電鍍中 ,鍍液中的金屬離子在陰極附近溶液中不斷被消耗 ,造成了陰極處被鍍金屬離子與溶液中被鍍金屬離子的濃度出現(xiàn)差值。但在本文中，我們采用低頻率即可滿足實(shí)驗(yàn)方案。根據(jù)頻率大小的不同可 以分為高頻 （ ≥5000Hz） 、中頻 （ 500~5000Hz） 和低頻 （ ≤500Hz） 3種類型 [9]。這是因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)，電流在 ont 內(nèi)連通，在 oft 內(nèi)為 0，可知 J 是一個(gè)平均值。如圖 34所示： 圖中所示參數(shù)： ont 是脈沖電流導(dǎo)通時(shí)間； oft 是脈沖電流斷電時(shí)間； ?T offon tt ? 是脈沖周期； J 是電流密度； pI 是電流峰值。 11 11 數(shù)字單脈沖電源的參數(shù) 正是因?yàn)槊}沖電源可以調(diào)節(jié)占空比和頻率，才使得它能滿足不同需求 和指標(biāo)，在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中得以被廣泛采用，所以我們現(xiàn)在要通過認(rèn)識(shí)其參數(shù)，以此為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)方案。 （ 4）斬波控制系統(tǒng)：包括頻率、占空比調(diào)節(jié)、電鍍時(shí)間等，決定了斬波電路能否得到我們所需的波形。目前 ,大多數(shù)斬波系統(tǒng)利用大功率的開關(guān)管 IGBT（開關(guān)管：一種三極管，主要用于電路關(guān)與通的轉(zhuǎn)換）對(duì)直流電源進(jìn)行斬波 ,以輸出數(shù)字脈沖用于電鍍[8]。其中可控硅整流器正被廣泛應(yīng)用，而開關(guān)電源則是電鍍電源的一次重大突破，其作為理想的直流源，應(yīng)用前景廣闊。下面我們將對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行介紹和分析。電鍍應(yīng)用系統(tǒng)則包括鍍缸生產(chǎn)、輔助控制及保護(hù)、輸出調(diào)節(jié) 3個(gè)環(huán)節(jié) 分解后的數(shù)字脈沖電源原理示意圖如圖 33所示： 低 波 紋 直 流 源斬 波 系 統(tǒng)調(diào) 制 后 的 脈 沖電 源鍍 缸 產(chǎn) 生調(diào) 節(jié) 輸 出 系統(tǒng)輔 助 控 制 及保 護(hù)斬 波 控 制 系統(tǒng) 圖 33 數(shù)字脈沖電源原理示意圖 其中數(shù)字單脈沖的產(chǎn)生環(huán)節(jié)有底紋波直流源、斬波系統(tǒng)、斬波控制系統(tǒng)、脈沖電源 4個(gè)環(huán)節(jié)。 數(shù)字脈沖電源即采用微處理器（ CPU）等數(shù)字電路對(duì)斬波低紋波直流得到的脈沖電流進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示與數(shù)字調(diào)節(jié)的一種脈沖電源。首先，數(shù)字單脈沖電源輸出波形如圖 所示： ItO 圖 31 數(shù)字單脈沖電源輸出波形 8 8 經(jīng)過開關(guān)管后的直流信號(hào)在數(shù)字控制器的調(diào)制下得 到了我們所需要的數(shù)字單脈沖信號(hào)。因而我們?cè)诒疚囊韵聝?nèi)容中的討論就以數(shù)字單脈沖電源為切入點(diǎn)。 數(shù)字脈沖電源又分為雙脈沖電源和單脈沖電源 2種。這在很大程度上滿足了不同的鍍層需求。目前數(shù)字脈沖電源是最先進(jìn)的電鍍電源，也是電鍍電源的發(fā)展發(fā)向。數(shù)字脈沖電流波形有 6 6 多個(gè)參數(shù)可被調(diào)節(jié)，能滿足人們不同的需求，因而在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣 泛應(yīng)用。脈沖電鍍不僅可以調(diào)節(jié)波形還可以調(diào)節(jié)參數(shù)。脈沖電源是與傳統(tǒng)的直流電源相比的。目前 ，普遍采用的電鍍電源按波形可分為脈動(dòng)直流電源、周期換向電源、單向脈沖電源、換向脈沖電源等，以滿足不同的電鍍工藝需求。而這就需要我們知道電鍍電源在電鍍中的角色及工作原理。 電鍍電源是電鍍生產(chǎn)中的主要設(shè)備，可向鍍槽的陰陽兩極提供具有一定電壓、電流和頻率等符合工藝要求的輸出波形，保證不同鍍層的性能要求。 從電鍍的基本原理上看，改進(jìn)鍍層質(zhì)量可以從 2方面入手：調(diào)整電鍍?nèi)芤?；改進(jìn)電鍍電源。 但是目前電鍍技術(shù)仍存在某些缺陷，例如加工時(shí)間長(zhǎng)、鍍層厚度均勻性差、鍍層容易出現(xiàn)缺陷以及存在較大的內(nèi)應(yīng)力等等。另一方面，在陽極界面上則發(fā)生金屬 M 的溶解，釋放 n 個(gè)電子生成金屬離子 Mn+。其工作原理圖如圖 ： 圖 21 電鍍工作原理圖 把要 鍍上去的金屬（鍍層金屬）接在陽極，待鍍的金屬制品（鍍件）接在陰極，并且正負(fù)極以鍍上去的金屬的正離子組成的電解質(zhì)溶液相連，這就 5 5 構(gòu)成了電鍍的基本裝置。而斬波系統(tǒng)我們?cè)诖瞬辉龠M(jìn)行贅述。這就是主系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。有了一個(gè)研究方向和目標(biāo)后，我們開始設(shè)計(jì)了雙 CPU的系統(tǒng)，用來達(dá)到剛才所述的指標(biāo)。而數(shù)字控制器恰恰是核心部分，而我們所要討論的弱電部分也是數(shù)字控制器部分。通過其參數(shù)特性說明了其在電鍍中的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槊}沖電源波形特點(diǎn)，能搞有效地得到純度較高的鍍層，并且有效地節(jié)約了貴重金屬，帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。 3 3 電鍍電源的整體趨勢(shì)是低能耗、無電網(wǎng)污染、高可靠、小體積、高性能和多功能。它主要用于電 鍍金、銀、鎳、錫、合金，可以明顯改善鍍層的功能性；而用于防護(hù) 裝飾性電鍍（如裝飾金）時(shí)，可使鍍層色澤均勻一致，亮度好，耐蝕性強(qiáng)；脈沖電源用于貴金屬提純時(shí)，貴金屬的純度更高 [4]。在波形上，我們有周期換向電流、交直流疊加和脈沖電源等，而脈沖電源具有體積小、性能優(yōu)越、紋波系數(shù)小、不易受輸出電流影響的特征。在研究和推廣上，數(shù)字脈沖電源采用數(shù)字控制，直觀簡(jiǎn)單，是我們研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)。而脈沖電源在鍍層質(zhì)量、鍍層能力、電鍍效率等方面與傳統(tǒng)的直流電鍍相比有著明顯的優(yōu)勢(shì)，為電鍍 技術(shù)的發(fā)展開辟了新的途徑，并且?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。從早期的蓄電池組和直流發(fā)電機(jī)，到之后的曬整流器、硅整流器和可控硅電源設(shè)備，發(fā)展到現(xiàn)在出現(xiàn)了開關(guān)電源等新型直流電源設(shè)備。 近來 ，在電子器件、航空工業(yè)、高性能儀表制造、裝飾品等方面，人們對(duì)鍍層性能、種類等電鍍工藝的要求越來越高，包括在電源波形、頻率、控制、保護(hù)等方面的要求更為嚴(yán)格。我們不僅要解決電鍍鍍層質(zhì)量的高要求，還要在低功耗、低污染等方面面臨著很大壓力。電鍍最早開始于 19世紀(jì)初，并在 20世紀(jì)初形成了完整的工業(yè)體系，得到了廣泛應(yīng)用；進(jìn)入 21世紀(jì)后，電鍍工業(yè)發(fā)展在環(huán)境、效率、替代品等問題上更是面臨挑戰(zhàn)和突破 [1]。從系統(tǒng)的唯一目的即為產(chǎn)生我們所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖，為斬波電路提供信號(hào) 支持，從而能夠斬波得到具有多個(gè)參數(shù)的輸出脈沖信號(hào)。該系統(tǒng)以得到驅(qū)動(dòng)斬波電路用的脈沖信號(hào)輸出為準(zhǔn)則，在硬件和軟件兩方面進(jìn)行了分析。 單片機(jī)由于其廉價(jià)性和數(shù)字控制等優(yōu)勢(shì)在電鍍工藝上的應(yīng)用是舉足輕重的。作為其中最具代表性的電鍍電源理，脈沖電源所當(dāng)然成為我們主要討論的內(nèi)容。本文在介紹了電鍍工藝的基本原理和改進(jìn)方法后，進(jìn)一步在電鍍電源上做足文章，描述了電鍍電源的發(fā)展歷程及其發(fā)展方向。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 指導(dǎo)教師評(píng)閱書 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)： 一、撰寫（設(shè)計(jì)）過程 學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、論文（設(shè)計(jì)）水平 論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建議成績(jī)： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“√”） 指導(dǎo)教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 評(píng)閱教師評(píng)閱書 評(píng)閱教師評(píng)價(jià)： 一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)） 水平 論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 建議成績(jī)： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“√”） 評(píng)閱教師： （簽名） 單位： （蓋章） 年 月 日 I I 教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見 教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)： 一、答辯過程 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見解的敘述情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 對(duì)答辯問題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學(xué)生答辯過程中的精神狀態(tài) □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量 論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 三、論文（設(shè)計(jì)）水平 論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問題的指導(dǎo)意義 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 論文（設(shè)計(jì)說明書）所體現(xiàn)的整體水平 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 評(píng)定成績(jī)： □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 （在所選等級(jí)前的□內(nèi)畫“√”） 教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名） 年 月 日 II II 教學(xué)系意見： 系主任： （簽名） 年 月 日 III III