人造金刚石压机低频加热系统毕业论文.doc
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1、 桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸 第43页 共43页摘 要本文针对加热电源控制系统电路进行分析和研究,介绍了一种由单片机控制的PWM信号数字触发电路,设计利用单片机的接口电路以及相应的控制程序来实现频率以及电源电压的调节功能。首先了解金刚石压机和单片机的研究背景以及发展前景,对设计要求的概念进行理解,为设计打下基石。然后根据设计要求对实现方案进行选择论证,通过各种方案的电路图,功能以及输出波形的比较分析确定设计方案。接下来是系统的硬件设计,对总体框架进行构造,电源经过整流滤波然后进行降压送入可控硅作为调节对象,然后利用单片机输出PWM控制信号经过驱动电路控制可控硅的开关达到调压的目的
2、,改变单片机内部程序调节PWM输出周期从而改变输出频率,再详细的介绍了各模块的电路原理以及相互的关系,对设计中使用的各种芯片所运用的功能进行阐述。接着是软件设计,先介绍PWM控制技术的原理,阐述软件程序的设计流程。最后是系统的调试及结论,利用仿真软件进行仿真实验及对实物进行调试得到最后的结果通过仿真实验和实物调试的结果表明方案是可行的,该低频加热电源控制系统利用PWM控制技术进行可控硅调压使资源得到更合理的利用,控制更简单智能,频率的改变提高了电压的利用率,该低频加热控制系统体积小,操作简单,频率和电压的可调让加热系统更效率。关键词:PWM;AVR单片机;可控硅;整流滤波;数码显示Abstra
3、ctThis power control system for the heating circuit analysis and research, presents a PWM signal from the microcomputer controlled digital trigger circuit design using microcontroller interface circuit and the corresponding control program to achieve frequency and voltage regulation functions. Diamo
4、nd Press and SCM first understand the background and prospects of research on understanding the concept of design requirements for the design of laying the cornerstone. Then according to design requirements to choose the achievement of the program demonstrated, through various programs of circuit, f
5、unctional and comparative analysis to determine the output waveform design. Followed by hardware design, the overall framework of the structure, power through the rectifier and then proceed to step-down into the silicon as the adjustment object, then use the output PWM control signal single chip dri
6、ver circuit through the switch to control the thyristor voltage regulator The purpose of regulating internal procedures to change the microcontroller PWM output cycle to change the output frequency, then a detailed description of the various modules of the circuit and to each other on the design of
7、chips used in a variety of functions by the use of elaborate. Followed by software design, first introduced the principle of PWM control techniques, elaborated software design process. Finally, system debugging and conclusions, using simulation software simulation and debugging of the real results o
8、f the final Debugging by simulation and real results show that the program is feasible, the power control system uses low-frequency heating technology for silicon-controlled PWM control regulator to make more rational use of resources, control more simple intelligence, increase the frequency of volt
9、age change utilization, the low frequency heating control system is small, simple, adjustable frequency and voltage to a more efficient heating systemKey words:PWM; AVR microcontroller; SCR; Rectifier; Digital display引言41 绪论51.1 课题的背景和前景51.2 课题研究的目的及意义61.3 系统设计的主要任务62 方案设计72.1 设计要求72.2 方案的选择73 硬件设计8
10、3.1 系统结构框图83.2 整流滤波降压电路设计93.2.1整流滤波电路93.2.2降压电路113.3 可控硅驱动电路设计123.3.1 驱动电路的设计123.3.2 低频的实现143.3.3 调压的实现143.4 稳压电源设计143.5 主控模块153.5.1 ATMEGA16单片机简介153.5.2单片机外围电路173.6 数码管显示电路设计193.7 输出滤波电路的设计213.7.1 滤波电路的选择213.7.2 输出额定功率的实现234 系统软件设计254.1 PWM控制技术254.1.1PWM控制的基本原理264.1.2几种实现PWM功能的方法及其工作原理265 系统的制作与调试3
11、25.1 控制系统的PCB制作325.1.1 PCB的制作规则325.1.2 PCB布局规则335.1.3 PCB布线规则335.2 硬件的调试345.3 软件的调试35 6 结论36谢 辞37参考文献38附 录39引言随着集成电路技术的发展,单片微型计算机的功能也不断地增强,许多高性能的新型机种不断的涌现出来,单片机以其集成度高、功能强、体积小可靠性高、价格低和开发周期短等特点,成为自动化和各个测控领域中应用广泛的器件,在工业生产中,成为必不可少的器件,尤其是在当要求控制精度高,而成本低的社会里,往往都是采用单片机作为数字控制器取代模拟控制器。在温度控制系统中,单片机最是起到了不可替代的核心
12、作用。随着国内外基建行业技术水平的迅猛发展,市场对金刚石粉末锯片砂轮磨料等人造金刚石制品的需求量越来越大人造金刚石是利用石墨在高温高压的环境中,在触媒的催化作用下,其原子结构发生改变,合成人造金刚石这一机理来实现的金刚石压机是人造金刚石生产过程的主要设备,它不仅影响合成的产量,合成工艺的稳定性,同时将直接影响合成的质量和品级,随着产品工艺要求的提高,对金刚石压机的控制要求也越来越高温度控制是人造金刚石生产中重要的条件之一,在压力控制水平一定的条件下,电加热系统的控制水平将直接影响着合成金刚石的质量和产量目前,国内人造金刚石压机合成设备中的加热系统仍普遍才用稳定电压的加热方式来控制合成腔内的温度
13、,结合多年来前辈对金刚石工艺的深入研究,可以使用单片机对加热系统进行改进首先先对电压进行整流转换成直流电,这样更利于加热的稳定性,再利用单片机控制可控硅进行调压从而达到控制加热系统的目的,同时利用单片机进行频率调节,使设备不需要特殊的电源要求而能够更方便的应用于生产工业一个基于单片机控制的金刚石低频加热系统,它大体由整流滤波电路按键控制显示部分单片机控制调节可控硅控制电路电压采样电路组成,首先通过电压采样电路采样合成设备的电压传送至单片机进行比较,然后通过按键调节单片机输出PWM控制可控硅的关断从而控制电压而达到加热系统的控制目的,同时加入了数码管显示,让控制更清晰明了其简单迅捷稳定以及易操作
14、的特点将会在金刚石加工领域得到更广泛的应用1 绪论1.1 课题的背景和前景单片机也被称为微控制器,单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。单片机又称单片微控制器,它不是
15、完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域,使产品功能、精度和质量大幅度提升,且电路简单,故障率低,可靠性高,成本低廉。单片机种类很多,为什么该课题设计要选用AVR单片机呢?AVR单片机具有以下的优点:一、简便易学,费用低廉:AVR单片机开发技术简单,便于
16、升级,费用低廉;二、高速、低耗、保密;三、I/O口功能强,具有A/D转换等电路;四、有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。所以,学习AVR单片机的开发应用是有着广阔前景的。 人造金刚石是一种重要的工业原材料,几乎涉及国计民生的各个领域我国目前是金刚石生产和出口大国,产量约占世界产量的2/3但是,国产金刚石工业产值却只占世界工业产值的1/3,这主要是由于质量不高所造成生产人造金刚石的主要设备是压机,从我国目前生产金刚石的设备来看,大部分生产厂家使用六面顶压机, 六面顶金刚石压机可以利用机械、液压装置从六个方向向主机中心加压,在主机中心硬质合金顶锤的作用下使生产原料形成一个密封的正方体超高压容腔,
17、同时通过电加热装置对该腔体加热,该腔体就可以产生合成人造金刚石所需的高温、高压条件。整个设备的工作过程需要由电控系统与机械、液压系统相配合完成一系列工作。其中,电控系统主要通过对由大、小柱塞泵和十几个电磁阀组成的液压系统以及电加热装置等的控制来完成自动、调整等不同模式下的工作。整个设备是一种典型的机、电、液一体化集成产品。随着国内六面顶腔体的大型化和对这一技术的发展应用,与国外在技术装备上的差距在进一步缩小但是,国内在压机的控制水平上还相当落后,阻碍了金刚石质量的提高因此,提高国内金刚石压机的控制水平成为当务之急目前,国内人造金刚石合成设备中的加热系统仍普遍采用稳定电压的加热方式来控制合成腔内
18、的温度用交流稳压器自耦调压器和加热变压器构成的加热系统较多而采用可控硅调压电源的系统也有一定数量国外则采用的有直流加热脉冲加热及超低频加热等方式,通过控制加热功率实现间接控制合成腔内的温度,这样的加热方式改进让金刚石合成设备的控制更智能化,能达到合理控制合成腔温度而不至于一直恒温加热浪费资源,在工业上实现更经济更简便更迅速的目的金刚石合成设备控制的研究可以更好的利用和制造资源,这是本课题研究的意义所在,而且工业智能化经济化也是我国工业迈进的方向和目标1.2 课题研究的目的及意义该课题的研究目的是为了设计出性能更加可靠,更加经济化和智能化的加热控制系统。本次设计的主要优点在于:成本较低并且能够对
19、炉温进行较为准确的控制;控制系统操作简单,无需专业人员进行培训;电压和频率连续可调,能够进行实时调节无需停机,效率更高;直流加热,可以降低不必要的损耗,更经济化使用范围广泛,能够应用到工业生产的其他电压控制系统当中。1.3 系统设计的主要任务本课题研究的加热控制系统能够对金刚石合成设备的电压及频率实现连续的调节,利用按键控制单片机程序输出实现电压和频率的调节。设计中最关键的部分是变频的实现以及调压电路的选择,这也是设计中最难解决的关键问题。变频的实现改变频率输出是通过改变开关的动作频率实现的,通过单片机输出PWM信号控制可控硅的开关动作频率而达到改变输出频率的调节调压电路的选择调压电路的选择非
20、常的广泛,选择可控硅调压主要是易控制,驱动简单,大大的简化了电路的复杂性2 方案设计方案设计就是对本课题的一个总体的理解和思路,并且根据题目的要求对所涉及的硬件电路进行选择和规划,并用软件对其进行编程设计以实现要求的功能。硬件电路的设计是分析设计要求,利用不同的电子元器件组成功能电路模块并进行相应的连接,达到设计要求实现的最终目的。硬件电路的设计包含了对各种元器件以及其构成电路功能的理解和选择,完成设计方案最优的目标。软件的设计则是针对硬件电路的连接方式编写相应的程序实现其功能,通过对程序的调试优化电路的功能实现度。2.1 设计要求设计的人造金刚石压机低频加热电源控制系统电路有如下要求:1、
21、以单片机为主控芯片进行设计;2、 电源220V,输出空载电压3-7V可调,额定负载情况下,电源波动10%时,输出纹波小于1%;3、 低频加热电源,频率可调。2.2 方案的选择在仔细的研究考虑了设计要求后,认为本次设计的重点在于如何调压及调频,所以首先要确定调压及调频的方案。调压的方案有很多种,可以采用阻容降压、稳压电路调压、可控硅调压等;阻容降压因为不安全,不能用于大功率条件,而且不适合动态负载条件,所以予以排除;稳压电路调压,例如LM317调压电路由于输出电流过小而不能满足功率的要求;在排除了前两种方案之后决定使用可控硅进行调压,使用单片机输出PWM信号控制可控硅的开关从而达到调压的目的。接
22、下来选择的是PWM信号的产生方案,也就是选用何种单片机作为主控模块,我们常用的单片有89C51单片机以及AVR系列单片机,两者都可以产生PWM信号,使用89C51单片机作为主控芯片外围电路较为复杂,且在信号采集时需要增加额外的AD转换电路,增加了功能实现的困难度。而AVR系列单片机带有特定的PWM功能的定时器/计数器,且有内部自带AD转换I/O口,对本次设计来说使用AVR系列单片机能更快更容易的实现所要完成的功能。3 硬件设计3.1 系统结构框图金刚石压机合成设备加热系统的控制器以ATMEGA16单片机为核心,由电压采样电路单片机可控硅驱动电路整流滤波电路频率和电压按键显示电路稳压电源输出滤波
23、电路等组成,总体的结构框图如图3.1所示PA0 PB0PB3PD4 ATMEGA16电压采样电路整流滤波降压电路稳压电源可控硅驱动电路输出滤波电路负载按键控制数码管显示电路电源图3.1系统总体结构框图电压采样电路 因为单片机内部参考电压最高为5V,所以电压采样电路采用电阻分压采样,直接送入单片机的AD口。ATMEGA16单片机 控制器的核心部分,通过软件产生PWM信号驱动可控硅,运用自带的AD转换对采样电压进行采样比较稳压电路 稳压电路使用78L05稳压电路将输入的12V电压转换成固定5V给单片机供电。按键控制 通过按键产生一个脉冲经过单片机扫描后改变PWM输出控制可控硅的关断控制电压输出。输
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