人造金刚石压机低频加热系统毕业论文

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，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ABSTRACTTHISPOWERCONTROLSYSTEMFORTHEHEATINGCIRCUITANALYSISANDRESEARCH,PRESENTSAPWMSIGNALFROMTHEMICROCOMPUTERCONTROLLEDDIGITALTRIGGERCIRCUITDESIGNUSINGMICROCONTROLLERINTERFACECIRCUITANDTHECORRESPONDINGCONTROLPROGRAMTOACHIEVEFREQUENCYANDVOLTAGEREGULATIONFUNCTIONSDIAMONDPRESSANDSCMFIRSTUNDERSTANDTHEBACKGROUNDANDPROSPECTSOFRESEARCHONUNDERSTANDINGTHECONCEPTOFDESIGNREQUIREMENTSFORTHEDESIGNOFLAYINGTHECORNERSTONETHENACCORDINGTODESIGNREQUIREMENTSTOCHOOSETHEACHIEVEMENTOFTHEPROGRAMDEMONSTRATED,THROUGHVARIOUSPROGRAMSOFCIRCUIT,FUNCTIONALANDCOMPARATIVEANALYSISTODETERMINETHEOUTPUTWAVEFORMDESIGNFOLLOWEDBYHARDWAREDESIGN,THEOVERALLFRAMEWORKOFTHESTRUCTURE,POWERTHROUGHTHERECTIFIERANDTHENPROCEEDTOSTEPDOWNINTOTHESILICONASTHEADJUSTMENTOBJECT,THENUSETHEOUTPUTPWMCONTROLSIGNALSINGLECHIPDRIVERCIRCUITTHROUGHTHESWITCHTOCONTROLTHETHYRISTORVOLTAGEREGULATORTHEPURPOSEOFREGULATINGINTERNALPROCEDURESTOCHANGETHEMICROCONTROLLERPWMOUTPUTCYCLETOCHANGETHEOUTPUTFREQUENCY,THENADETAILEDDESCRIPTIONOFTHEVARIOUSMODULESOFTHECIRCUITANDTOEACHOTHERONTHEDESIGNOFCHIPSUSEDINAVARIETYOFFUNCTIONSBYTHEUSEOFELABORATEFOLLOWEDBYSOFTWAREDESIGN,FIRSTINTRODUCEDTHEPRINCIPLEOFPWMCONTROLTECHNIQUES,ELABORATEDSOFTWAREDESIGNPROCESSFINALLY,SYSTEMDEBUGGINGANDCONCLUSIONS,USINGSIMULATIONSOFTWARESIMULATIONANDDEBUGGINGOFTHEREALRESULTSOFTHEFINALDEBUGGINGBYSIMULATIONANDREALRESULTSSHOWTHATTHEPROGRAMISFEASIBLE,THEPOWERCONTROLSYSTEMUSESLOWFREQUENCYHEATINGTECHNOLOGYFORSILICONCONTROLLEDPWMCONTROLREGULATORTOMAKEMORERATIONALUSEOFRESOURCES,CONTROLMORESIMPLEINTELLIGENCE,INCREASETHEFREQUENCYOFVOLTAGECHANGEUTILIZATION,THELOWFREQUENCYHEATINGCONTROLSYSTEMISSMALL,SIMPLE,ADJUSTABLEFREQUENCYANDVOLTAGETOAMOREEFFICIENTHEATINGSYSTEMKEYWORDSPWMAVRMICROCONTROLLERSCRRECTIFIERDIGITALDISPLAY引言41绪论511课题的背景和前景512课题研究的目的及意义613系统设计的主要任务62方案设计721设计要求722方案的选择73硬件设计831系统结构框图832整流滤波降压电路设计9321整流滤波电路9322降压电路1133可控硅驱动电路设计12331驱动电路的设计12332低频的实现14333调压的实现1434稳压电源设计1435主控模块15351ATMEGA16单片机简介15352单片机外围电路1736数码管显示电路设计1937输出滤波电路的设计21371滤波电路的选择21372输出额定功率的实现234系统软件设计2541PWM控制技术25411PWM控制的基本原理26412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3251控制系统的PCB制作32511PCB的制作规则32512PCB布局规则33513PCB布线规则3352硬件的调试3453软件的调试356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,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的特点将会在金刚石加工领域得到更广泛的应用1绪论11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12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，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12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。13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。21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、以单片机为主控芯片进行设计；2、电源220V，输出空载电压37V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。22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31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电路等组成,总体的结构框图如图31所示PA0PB0PB3PD4ATMEGA16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31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。输出滤波电路利用电容滤波减少输出纹波使电压输出稳定。绘制总体结构框图的目的只是为了对总体思路的一种清晰的表达以及了解各部分之间的联系，下面分别介绍各个模块的工作原理和具体内容。32整流滤波降压电路设计321整流滤波电路因为直流电加热稳定性更高，所以需要将交流电经过整流再供给加热系统。常用的整流电路有半波整流、全波整流、桥式整流。半波整流半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。电路及所得波形如图32所示图32半波整流电路及波形全波整流在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件，而在另一外一个半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使流经它们的电流以同一方向流过负载。全波整流整流前后的波形与半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的两个半波，这就提高了整流器的效率，并使已整电流易于平滑。全波整流输出电压对比半波整流直流成分增大，脉动程度减小，一般适用于要求输出电压不太高的场合。电路及波形如图33所示图33全波整流电路及波形桥式整流桥式整流利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。电路及波形如图34所示图34桥式整流及波形经过三种整流电路的波形对比，决定选用桥式全波整流电路可以使整流更加的全面达到需求。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。若滤波电路元件仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。无源滤波电路通常用在功率电路中，比如直流电源整流后的滤波，或者大电流负载时采用LC电路滤波。滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。综合以上滤波电路的特点和常用电路，整流滤波电路采用桥式全波整流和LC滤波电路，整体的电路图如图35所示图35桥式整流滤波电路322降压电路降压电路采用LM317稳压电路进行电压调节。LM317是可调节3端正电压稳压器，具有在输出电压范围12V到37V时能够提供超过15A的电流、典型线性调整率001、典型负载调整率01、80DB纹波抑制比、输出短路保护、过流、过热保护、调整管安全工作区保护的特性。其封装形式如图36所示图36LM317封装形式用LM317T制作可调稳压电源，常因电位器接触不良使输出电压升高而烧毁负载。如果增加一只三极管（如图37所示），在正常情况下，Q1的基极电位为0，Q1截止，对电路无影响；而当R1接触不良时，Q1的基极电位上升，当升至07V时，导通，将LM317T的调整端电压降低，输出电压也降低，从而对负载起到保护作用。图37LM317调压电路决定LM317输出电压的是电阻R1和R2的比值，R2是一个固定电阻因为输出端的电位高,电流经R1,R2流入接地点LM317的控制端消耗非常少的电流,可忽略不计所以,控制端的电位是IXR1,又因为LM317控制端,输出端接脚间的电位差为125V,所以OUT输出）的电压是；接下来计算I，OUT与ADJ接脚间的电位差为1251RVOUT125V，电阻为R1，所以电流是125/R2，输出电压计算公式为21OUT33可控硅驱动电路设计331驱动电路的设计电力MOSFET是一种单极型的电压控制器件，不仅有自关断能力，而且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,电力MOSFET种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分，在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。电力MOSFET大多采用垂直导电结构，提高了器件的耐电压和耐电流能力。电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因为它的驱动电路相对简单，当栅极电压超过开启电压且较小时，MOS工作在线性区，此时源极与漏极之间电流与栅极电压成线性关系；当栅极电压超过某个值时，MOS工作在饱和区，此时源、漏之间的电流为一恒定值。MOS的一个主要特征是栅极与源极之间具有很大的电阻，从而可以实现栅极与驱动部分的信号隔离。电力MOSFET的应用选择应该综合各方面的限制及要求，首先应考虑漏源电压的选择，在此上的基本原则为DSVMOSFET实际工作环境中的最大峰值漏源间的电压不大于器件规格书中标称漏源击穿电压的90。其次考虑漏极电流的选择，基本原则为MOSFET实际工作环境中的最大周期漏极电流不大于规格书中标称最大漏极电流的90；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的90。接着是驱动要求，MOSFET的驱动要求由其栅极总充电电量QG参数决定，在满足其他要求的情况下，尽量选择QG小者以便驱动电路的设计，驱动电压选择在保证远离最大栅源电压前提下使RON尽量小的电压值，小的RON值有利于减小导通期间的损耗，小的RTH值可减小温度差，有利于散热。综合以上的选择参数，为了让电路有较大的余量和考虑到元器件选购的因素，决定采用IRF540，下面是IRF540的参数表参数符号额定值单位漏源电压VDS100V栅源电压VG20V连续漏极电流I27A脉冲漏极电流DM108A耗散功率P125W最高结温TJ150存贮温度SG55150接着是对IRF540驱动电路的设计，作为一个开关电源一个好的MOSFET驱动电路的要求是开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡；开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定使可靠导通；关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断；关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通；另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离。驱动电路设计如图38所示图38可控硅驱动电路采用用图腾柱的驱动电路方式用来为MOSFET匹配电压以及提高驱动能力，R5和R7提供了PWM电压基准，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置。这个电路提供了如下的特性1用低端电压和PWM驱动高端MOS管；2用小幅度的PWM信号驱动高门电压需求的MOS管；3通过使用合适的电阻，可以达到很低的功耗。332低频的实现低频是指频率在工频50HZ以下，降低频率可以使电路感抗降低，从而减少能量损失，提高电效率。电源频率的改变是通过改变可控硅的开关频率来实现的。通过单片机对电压的采集分析通过数码管显示出来后，让操作者判断炉腔内温度的变化然后通过按键来改变PWM输出的占空比以及载波周期，驱动可控硅开关频率的改变而实现对频率的调节。333调压的实现系统要求的输出空载电压在3V到7V之间可调是通过控制可控硅的开关实现的。可控硅存在一个开启电压，当栅源电压高于开启电压的时候可控硅导通，漏极和源极导电，形成电压输出。电压的调节是通过改变PWM控制信号的占空比实现的，占空比越大则可控硅导通的时间越长，输出电压升高，反之则降低。在设计PWM控制信号的时候应该注意不要使栅源之间的电压过高，防止其绝缘层击穿，在程序中设置一个电压比较参数，让可控硅尽量的工作于非饱和区和截止区之间。34稳压电源设计稳压电源是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置，在电子制作电路中是必不可少的。78L05是一种固定电压5V三端集成稳压器,其适用于很多应用场合。78L05的特性三端稳压器、输出电流可达到100MA、无需外接元件、内部热过载保护、内部短路电流限制。78L05输出端应注意接滤波电容，大电容滤除低频波，小电容滤除高频波，根据这个原则选择滤波电容的大小。稳压电源电路原理图如图39所示图39稳压电源电路35主控模块主控模块主要实现的功能是输出PWM信号控制可控硅的开关进行电压调节，利用PWM控制可控硅的开关频率改变频率，分析AD口接收的电压信号进行显示，扫描按键的动作进行电压和频率的可控连续调节。351ATMEGA16单片机简介控制系统采用单片机控制，采用AVR系列单片机中的ATMEGA16单片机作为主控芯片，其主要的功能是扫描按键开关的动作进行判断，改变PWM控制波形的占空比输出控制可控硅的开关时间和频率，并分析AD口接收的电压反馈信号进行数码显示。ATMEGA16的产品特性高性能、低功耗的8位AVR微处理器；先进的RISC结构131条指令、大多数指令执行时间为单个时钟周期、32个8位通用工作寄存器、全静态工作、工作于16MHZ时性能高达16MIPS、只需两个时钟周期的硬件乘法器；非易失性程序和数据存储器16K字节的系统内可编程FLASH擦写寿命10,000次、具有独立锁定位的可选BOOT代码区，通过片上BOOT程序实现系统内编程，真正的同时读写操作、512字节的EEPROM擦写寿命100,000次；1K字节的片内SRAM；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密；JTAG接口与IEEE11491标准兼容符合JTAG标准的边界扫描功能、支持扩展的片内调试功能、通过JTAG接口实现对FLASH、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程；外设特点两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器、一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器、具有独立振荡器的实时计数器RTC、四通道PWM、8路10位ADC8个单端通道、TQFP封装的7个差分通道；2个具有可编程增益（1X,10X,或200X）的差分通道、面向字节的两线接口、两个可编程的串行USART、可工作于主机/从机模式的SPI串行接口、具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器、片内模拟比较器特殊的处理器特点上电复位以及可编程的掉电检测、片内经过标定的RC振荡器、片内/片外中断源、6种睡眠模式空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、STANDBY模式以及扩展的STANDBY模式I/O和封装32个可编程的I/O口、40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装工作电压ATMEGA16L2755V、ATMEGA164555V速度等级08MHZATMEGA16L、016MHZATMEGA16DIP封装的ATMEGA16的引脚配置如下图310所示。ATMEGA16内部结构主要包括有ALU部件、三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器T/C、片内/外中断、可编程串行USART、有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益TQFP封装的ADC、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口等。ALU与32个通用工作寄存器直接相连，寄存器与寄存器之间、寄存器与立即数之间的ALU运算只需要一个时钟周期。ALU操作分为3类算术、逻辑和位操作，此外还提供了支持无/有符号数和分数乘法的乘法器。其他的引脚功能为VCC数字电路的电源；GND地；PA口做为A/D转换器的模拟输入端，端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态；PB口端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态；PC口端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5TDI、PC3TMS与PC2TCK的上拉电阻被激活；PD口端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状；RESET复位输入引脚,持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位；XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端；XTAL2反向振荡放大器的输出端；AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接，使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接；AREFA/D的模拟基准输入引脚。图310ATMEGA16单片机引脚图352单片机外围电路1时钟电路XTAL1与XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出，这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。熔丝位CKOPT用来选择这两种放大器模式的其中之一。当CKOPT被编程时振荡器在输出引脚产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境，以及需要通过XTAL2驱动第二个时钟缓冲器的情况。而且这种模式的频率范围比较宽。当保持CKOPT为未编程状态时，振荡器的输出信号幅度比较小。其优点是大大降低了功耗，但是频率范围比较窄，而且不能驱动其他时钟缓冲器。对于谐振器，CKOPT未编程时的最大频率为8MHZ，CKOPT编程时为16MHZ。C1和C2的数值要一样，不管使用的是晶体还是谐振器。最佳的数值与使用的晶体或谐振器有关，还与杂散电容和环境的电磁噪声有关。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。需要注意的是电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定、可靠的工作电路图如图311所示。图311时钟电路2复位电路ATMEGA16有5个复位源上电复位电源电压低于上电复位门限VPOT时，MCU复位；外部复位引脚RESET上的低电平持续时间大于最小脉冲宽度时MCU复位；看门狗复位。看门狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生；掉电检测复位掉电检测复位功能使能，且电源电压低于掉电检测复位门限VBOT时，MCU即复位；JTAGAVR复位。复位寄存器为1时MCU复位。上电复位上电复位POR脉冲由片内检测电路产生无论何时VCC低于检测电平POR即发生。POR电路可以用来触发启动复位，或者用来检测电源故障。POR电路保证器件在上电时复位。VCC达到上电门限电压后触发延迟计数器。在计数器溢出之前器件一直保持为复位状态。当VCC下降时，只要低于检测门限，RESET信号立即生效；外部复位外部复位由外加于RESET引脚的低电平产生。当复位低电平持续时间大于最小脉冲宽度时即触发复位过程，即使此时并没有时钟信号在运行。当外加信号达到复位门限电压VRST上升沿时，延时周期开始。延时结束后MCU启动。复位电路如下图程序运行出错或操作错TTOU误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，需要按复位键以重新启动。RET是复位信号输入端，复位信号低电平有效。按键复位又分按键脉冲复位和按键电平复位。电平复位将复位端通过电阻与相连，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到CV复位的。选用按键电平复位电路，如图312所示图312复位电路3键盘电路键盘电路主要是通过按键实现用户对电压及频率的调节功能。电路通过按键产生低电平信号经过单片机的扫描识别之后对程序进行修改从而改变PWM控制信号的输出驱动可控硅的开关频率和关断达到调节电压和频率的目的。电路图如图313所示图313按键电路36数码管显示电路设计显示有数字式、指针式两种方式。采用数字式的显示让人可以对结果有更为直观的了解和观察。现在驱动LED数码管一般采用单片机设计电路，直接用单片机的八位数据口作为数码管的八段显示驱动口，这种驱动方式虽然简便，电路简单，但是能够显示的位数较少，但是已经可以满足本设计课题的要求。LED的结构原理LED即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压，半导体中的少数截流子和多数截流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射继而发光。LED的核心部分是PN结，P区带过量的正电荷，N区带过量的负电荷。当正向导通的电压加在这个半导体材料的PN结上时，电子就会从N区向P区移动，空穴从P区向N区移动，在P区和N区的交界处电子和空穴发生复合，即电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，复合过程中能量就会以光的形式从LED中发射出来。电流从阳极流向阴极时，晶体就发出从紫外到红外不同顏色的光线，光的强弱与电流有关。而光的波长也就是光的颜色，这是由形成PN结的材料决定的。八段LED数码管所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形，其编号分别是A、B、C、D、E、G、H和DP。数码管又分为共阴极和共阳极两种类型，其实共阴极就是将八个LED的阴极连在一起，让其接地，这样给任何一个LED的另一端高电平，它便能点亮。而共阳极就是将八个LED的阳极连在一起。使用LED显示器的时候，为了显示数字或是字符，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是通过各个段的亮与灭来显示不同字符的，因此称之为段码。LED的显示原理N个LED显示块就可以组成N位LED显示器，N个LED显示块有N根位选线和8N根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方法也各不同。段选线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块的公共端，它控制该LED显示位的亮，暗。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“A,B,C,D,E,F,G,DP“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12MS，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。本次设计采用的是八段四位共阴数码管动态显示的方式。如果在设计中按照一般的数码管的使用方法，既是ADP段位与单片机相对应的数据位相连接，在制作PCB布局和布线时将会很困难，因为实际的数码管的封装并不是按照与单片机数据位相连接的那样一一对应的。因此在设计数码管电路的时候改变数码管的引脚封装位置，让其可以更好的和单片机的数据位对应，大幅的减少布线的复杂度，改变了引脚之后相应的编码也应该随之改变，在硬件连接的基础上做相应的软件译码，这样就方便了PCB以及电路板的制作，体现了单片机的灵活性。数码管的的段位由单片机的PC口控制，而段选由PA4PA7控制，经过封装修改的数码管如图314所示图314数码管与单片机的连接基于以上数码管的硬件连接，在单片机编程时要对数码管进行软件译码，各数字所对应的码字如下表所示显示字符共阴段码显示字符共阴段码00XD780XDF10X1190X5F20XCDA0X9F30X5DB0XDA40X1BC0XC650X5ED0XD960XDEE0XCE70X15F0X8E37输出滤波电路的设计371滤波电路的选择课题的要求在额定负载下，电源波动10时，输出纹波小于1。所以在输出电路要加上滤波电路进行调节。整流电路的输出电压不是纯粹的直流，从示波器观察整流电路的输出，与直流相差很大，波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较理想的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数S输出电压交流分量的基波最大值输出电压的直流分量半波整流输出电压的脉动系数为S157，全波整流和桥式整流的输出电压的脉动系数SO67。对于全波和桥式整流电路采用C型滤波电路后，其脉动系数S14RLCT1。T为整流输出的直流脉动电压的周期。电阻滤波电路RC型滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的。如图315BRC滤波电路。若用S表示C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数S1/C2RS。由分析可知，电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻两端，最后由C2再旁路掉。在值一定的情况下，R愈大，C2愈大，则脉动系数愈小，也就是滤波效果就越好。而R值增大时，电阻上的直流压降会增大，这样就增大了直流电源的内部损耗；若增大C2的电容量，又会增大电容器的体积和重量，实现起来也不现实。这种电路一般用于负载电流比较小的场合（A）电容滤波（B）RC型电阻滤波电路（C）LC电感滤波（D）型滤波电路图315无源滤波电路的基本形式电感滤波电路根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图315所示。因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。若采用电感滤波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。通过上述滤波电路的比较，决定选用电感滤波电路，因为这样可以电感滤波电路可以使负载电流变得平滑，对合成设备起到一定的保护，而不至于突变的加热或降温损坏设备。372输出额定功率的实现额定功率要求15KW，额定电压为220V，所以电流的要求很高，而控制电路的电流只有几A，远远不能达到输出的要求，因此要通过特别的电路对电流进行处理来实现电路的要求。在电源系统中使用闭环霍尔电流传感器可以实现对输出电流的隔离测量，并且通过反馈控制输出电流。当电源的输出功率不足时，可以通过反馈增加输出电流的大小，从而实现电源输出功率的要求。霍尔电流传感器的工作原理是被测电流流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流即可精确反映原边电流值。其电路设计如图316所示图316霍尔电流传感器电路另外需要注意的是输出电路接负载后进行电压采样，由于采样电压是直接接入单片机的AD口进行分析的，所以必须考虑AD口的基准电压，ATMEGA16单片机的ADC的参考电压源VREF反映了ADC的转换范围。若单端通道电平超过了VREF，其结果将接近0X3FF。VREF可以是AVCC、内部256V基准或外接于AREF引脚的电压。AVCC通过一个无源开关与ADC相连。片内的256V参考电压由能隙基准源VBG通过内部放大器产生。无论是哪种情况，AREF都直接与ADC相连，通过在AREF与地之间外加电容可以提高参考电压的抗噪性。VREF可通过高输入内阻的伏特表在AREF引脚测得。由于VREF的阻抗很高，因此只能连接容性负载。如果将一个固定电源接到AREF引脚，那么就不能选择其他的基准源了，因为这会导致片内基准源与外部参考源的短路。如果AREF引脚没有联接任何外部参考源，可以选择AVCC或11V作为基准源。参考源改变后的第一次ADC转换结果可能不准确，建议不要使用这一次的转换结果。根据设计的电路图可以知道ADC的参考电压为5V，而输出电路的最高电压为7V，超过了参考电压，所以在输出的两端用电阻分压对电压进行采集。4系统软件设计系统硬件只是一个系统能够实现的充分条件，而系统软件才是让系统运行的关键所在。系统能够实现的功能除了硬件电路的连接方式决定之外，软件的设计也是系统实现功能的一种方式，接下来将介绍系统软件设计的过程。41PWM控制技术PWM，脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，脉宽PWM法，是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期；2、在PWM控制寄存器中设置接通时间；3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚；4、启动定时器；5、使能PWM控制器PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。411PWM控制的基本原理采样控制理论中有一个重要结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有