复合材料敲击检测仪设计方案

1 复合材料 敲击检测仪设计方案 本设计的背景 复合材料 (以一种 特殊 材料 作 为基体 (另一种特殊 材料 作 为增强体 (两者相互 组合而 行 成的 另一种特殊 材料。我们将 复合材料的基体 材料通常 分为金属和非金属两大类 别 。金属基体 材料经 常用 到 的 是 钛 、 铝、铜 、 镁及其合金 等 。非金属基体 材料通常包括 石墨、橡胶、碳 、合成树脂等。增强材料 目前常用的有 碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。 对于 复合材料 ，它 使用历史可以追溯到古代 文明时期 。 例如， 从古沿用 至今 的 麦穗皮或 稻草 作为 增强 体的 粘土 的牢固性 和已使用 了将近 上百年的钢筋混凝土 全部是 由两种 不同 材料复合 形 成 的 。 二十 世纪 四十 年代， 由于 航空工业 快速发展的 的需要， 人们研发 了 以 玻璃纤维 为 增强 体的 塑料（俗称玻璃钢）， 人们将其称为复合材料 。 自 上世纪五十 年代以后， 复合材料 陆续发展 出 了硼纤维 、 碳化硅纤维 、 碳纤维 和 石墨纤维等高模量 、 芳纶纤维 和 高强度 的纤维。这些高模量 、 高强度 的 纤维 可以 与陶瓷、合成树脂、石墨、橡胶 、 碳等非金属基体或镁、铝、 铜、 钛等金属基体 组 合 ，形 成具 有不同 特色 或特性 的复合材料 。 一种事物的发 明创造就要涉及到该事物的检测方法。而对于复合材料的检测就显得尤为重要。只有没有任何缺陷的复合材料才能更大程度的展现其优点。 本论文所讲的就是一种复合材料缺陷检测的方法 敲击法，检测复合材料是否符合使用要求及其缺陷形式。下面就复合材料的一些特点进行介绍。 复合材料特性及应用 复合材料的主要特点如下： （ 1） 比刚度高 材料的刚度除以其密度得到的值称之为比刚度。该值表示所测材料的承载重物的能力大小。若材料的比刚度高，那么该材料的质量轻巧，承载能力大。而这种结构设计的材料，非常适合用做航天器件的结构材料。如今， 有很多飞行器材都采用该结构的材料，例如飞机、卫星、宇宙飞船及导弹等。 （ 2）强度高 2 强度指的是复合材料的一种物理特性，其的含义跟上述的比刚度类似。在此就不做详细介绍了。 （ 3）力学性能优越 我们知道复合材料是由几种不同的材料复合而成的，由于不同材料的可以有多种不同的组合，所以就会在复合材料中形成不同的层次，每个层次所含的物质不尽相同，而且同一种材料也会形成不同的层次。因此，在生产制造复合材料的过程中，我们可以选择不同的原料，同时采用不同的层次去铺合成复合材料。这样所形成的的复合材料由于材料和内部结构的不同会 具有不同的特性。比如，跟物体的圆周运动相识，运动方向和受力方向垂直，在某种特定结构的复合材料中，一个方向运动或受力，而垂直该方向的利益方向也会受力。这是一种复合材料独具的性能。 （ 4）抗疲劳性能优良 我们常用的普通金属的疲劳强度大约是 百分之四十 到 百分之五十 ，而某些复合材料的疲劳强度可以高达 百分之七十 到 百分之八十之间 。有趣的是，复合材料的损坏形式犹如水的波纹一样是由一点逐渐向四周扩散的形式。损坏以复合材料的基体为起点，慢慢地延伸到基体和增强体的临界面，而不是像炸弹爆炸那样，一下子突变到周围，这样会延缓复合材料 损坏的速度，因此，人们有足够的时间去检验复合材料是否完好。即人们才使用复合材料的同时，应用一定的传感器技术对复合材料进行实时检测，一旦发现有一丝的缺陷，我们有足够的时间去将其修复或是更换。该特性即保证了以复合材料为主体的物件的使用寿命大大增加，又确保了使用人员的人身安全。 （ 5）耐高温性能较强 在高温 的环境 下，用碳 纤维 或硼纤维 作为 增强的金属 复合材料，该种复合材料的刚度和 强度都 事要 比原金属的 刚度和 强度高 出 很多 的 。 通常情况下， 普通 的铝合金在 温度达到 400 时， 它的各种性能都会随之大幅度下降。 而在 相同的 温度下， 复 合材料的各项性能却是可以 基本 保持 不变 的 。 在生活中，很多地方所需要的材料都要求其热导率必须很低，来提升物体的瞬时耐高温性能，而在金属中，铬和锰是导热最差的两种金属，但由于这两种金属的稀少和生产成本较高，因此难以广泛应用。随着复合材料的出现，这一难题得以解决，大部分复合材料都有很小的热导率，而且成本很低，是一种十分安全环保的选择。 （ 6）使用安全 前面我们知道复合材料是由基体和增强体组合而成的。以钢筋混凝土为例，使用钢筋扎制而成的钢筋笼，就相当于增强体在复合材料内部的作用，起到一个骨架的作用，不同的是，在纤维做 为增强体的复合材料内纤维以数以万计的丝状 3 存在的，也就是说以纤维骨架的复合材料内部结构显得更加致密。在钢筋混凝土使用过程中，承载重力虽然在一个点上，但是在其内部，钢筋骨架会把这份重力平均分配给其他位置的骨架，这就可以达到承载更大的重力。而在纤维为增强体的复合材料内部，由于纤维的众多，纤维平均重力的能力更强，所以在使用时更加安全可靠。 由于以上复合材料所表现出来的傲人的性能，所以在其不断发展的过程中，越来越受到大批的业内人士的青睐。复合材料的快速发展，在社会生产生活中得到了很大的应用，其中应用最广的是在航天航空 领域。 据不完全统计， 两千零七年通用飞机的复合材料的使用量，占总材料使用量的 百分之五十七 。 2015 年 5 月 ，随着中航工业惠阳航空螺旋桨为我国运 8 飞机完成设计了以复合材料为主要结构的航空螺旋桨，我国成功跻身于世界第四个可制造复合材料航空螺旋桨的国家。该复合螺旋桨使用是复合材料桨叶，以该材料为主的螺旋桨的飞机具有节省燃料、飞行时间长、性能可靠等众多优点。 除了在飞机行业的大规模应用，复合材料在生活中也占据很大的市场。近日，北京多地出现“纸糊井盖 ” 的报到，该井盖不含任何铁质成分，完全是由众多填充材料构成。其实该井盖 就是由我们常说的复合材料制作而成的，据专家解释，该种复合材料制作的井盖质轻美观，至少可承载 5 吨的重力，而且成本很低。可见复合材料越来越走进我们的身边，并承担着重要的作用。 虽然复合材料具有如此众多的优点，但其缺点也是显而易见的。而对于这些缺点，人们需要去判断去检测，这也本论文的重点，本文采用的敲击检测法对复合材料进行检测。下面介绍一下目前常用的复合材料无损检测方法。 复合材料常用的无损检测方法及其过程 虽然复合材料在使用的过程中体现了众多的优势，但在其制造过程中会有一些严重的缺陷，例如 气泡孔、分离层、界 面错位、固化不牢固、机械损伤等。而在复合材料使用的过程中也存在一些不容忽视的缺陷，比如，机械疲劳损伤和环境磨损损伤等。我们知道复合材料在使用的工程中承担着十分重要的作用，同时为了确保人员的安全使用，因此在这些符合材料进入生产使用市场之前，都需要经过十分严格的缺陷检查。相应的，复合材料检测技术就此得到了飞速的发展，而在众多的检测技术中，无损检测技术是最好的一种。以下是一些复合材料生产过程中常用的无损检测技术。 （ 1） 声波检测 该种方法包括声波检测和超声波检测。目前该检测技术是复合材料制造过程 4 中人们最常用的检测方法。 复合材料在生产或使用的过程中，内部会出现断裂，而在断裂的过程中会发出声音，通过检测该声波来确定复合材料内部是否完整的方法就是声波检测法。对于超声波检测，在超声波检测中，0 兆赫的超声波进行检测。该方法的工作原理是将一定频率的超声波束照射到要检测的复合材料物件上，超声波进入物体并且遇到缺陷时，其中的一部分会被缺陷反射出去，此时超声波接收器接受反射回来的超声波并通过算法进行分析和处理，从而精确的定出物体内部缺陷的位置和缺陷大小，同时也能测量物体的厚度和周长。 （ 2） X 射线检测 通常在 X 射线 检测 的过程中， 将一束 X 射线 穿过待检复合材料样品，然后在 X 射线图像传感器上形成了一个放大的 X 光图。该成像系统的对比度决定了图像传感器的探测的效率和一定的 X 射线的能量。目前一般的 X 射线成像技术可以获得好于 百分之 1 的对比度。 （ 3） 传感器检测法 由于现如今传感器的种类繁多，因此本文只就用于复合材料的检测的传感器进行介绍，例如光纤传感器。该传感器与传统的传感器相比 ,具有很多的优点 ,例如，稳定性能好、可靠性能高、抗干扰能力强、高的精确度、易于与光纤传输系统形成了遥测的网络而且不会破坏复合材料的完整性。因此，可以将其埋入或者附 着在复合材料的结构内部，可以实现对复合材料的结构进行了长期和实时检测。 在如此众多的复合材料检测方法中，本文采用的敲击检测法更具有一定的特点和优势。 设计的主要目的及其意义 本设计的目的是采用隔离型电源和单片机对敲击探头进行驱动和控制，完成对复合材料的无损检测。在对现在复合材料无损检测技术的基础上，本文采用了最为常用的单片机作为此检测系统的主控芯片，设计了一种高精度的隔离型电源用于敲击探头的驱动，同时完成了驱动电路的设计。采用 C 语言编写控制程序。并制作了 ，进行了实验和调试。 对于超声波检测和 X 射线 检测，首先这两种方法的成本较高，而本论文介绍的敲击检测法却能够以最低的成本来达到上面两种方法的检测效果。再有，在超声波和 X 射线检测时，对外部环境的要求较为严格，同时操作比较复杂。对于本文中的敲击检测法，合适于多种环境，特别是条件较为恶劣的环境，使用时， 5 只需操作人员手持敲击仪器，然后放在复合材料上进行敲击，操作起来简单方便。因此本论文设计的复合材料敲击检测仪更适合复合材料缺陷检测。其成本低廉、操作简单、检测精确等特点适合大量生产使用，能够创造更大的效益。 设计的主要内容 本 文设 计 一种快速有效的检测复合材料缺 陷的探头及其驱动电路，实现对复合材料精确无损的缺陷检测。其主要内容包括： （ 1）敲击探头驱动电路 设计方案； （ 2）驱动电路 硬件电路及软件设计； （ 3）敲击探头和驱动电路的 实验及测试。 6 第一章 复合材料敲击检测敲击探头及其驱动电路设计方案 引言 复合材料的敲击检测仪一款简单方便的手持式检测仪，其通过驱动带有传感器的敲击头轻轻敲击被检测工件的表面，根据传感器返回的信号来判断材料是否存在缺陷，并将将此过程作出准确的定量显示。本章主要介绍敲击检测仪的敲击探头的工作原理及其系统结构。 敲击检测系统的设计方案 敲击检测系统包括供电模块、敲击探头、控制系统和驱动电路等组成，组成框图如图 2示。 图 2统结构组成框图 该系统的工作原理是供电模块通过驱动电路驱动敲击探头工作，同时控制系统对敲击探头进行控制，实现不同的敲击频率，从而达到对复合材料的无损检测。 7 敲击探头及其驱动电路设计方案 本文设计模块主要包括：最小系统供电电源、隔离型电源、敲击探头、单片机最小系统及驱动电路。如 2所示。 图 2体设计框图 敲击探头的工作过程为：隔离型电源给驱动电路供电，驱动敲击探头工作，同时由最小 系统供电电源给单片机供电，控制敲击探头的工作频率。 隔离型电源设计方案 本文设计了一个 85V265V 交流输入，输出电压为 12V， 出电流，总功率为 25W 的直流输出的隔离型电源，其主要模块包括：低压变压器、桥式整流电路、滤波电路、反激变压器、反激控制芯片和光电开关反馈电路。其组成框图如 2所示。 图 2离型电源系统框图 其工作原理是低压变压器将 220V 交流电转换为电压较低的交流电，经过桥 8 式整流电路转换为直流电，再经过滤波电路滤除其交流杂讯。反激芯片调制占空比，从而控制反激变压器 输出电压，光电开关用于反馈，达到自动控制的作用。 本章总结 本章主要介绍了本论文总体设计方案。通过对整体方案的分析，有提出了各个模块的设计方块及其组成结构。为以后具体的设计过程提供了一个方向。 9 第二章 隔离型电源设计 引言 目前越来越多的企业或实验室开始使用隔离型电源。隔离型电源将输入和输出通过磁性元件连接，这样可以保护使用者不会触电。本章主要介绍了反激隔离型电源的工作原理及设计过程。 隔离型电源定义及其种类 如今确保人生安全已是每个企业或实验室首要任务，而隔离型电源是将所需要的输入电源采用 1 ： 1 的工频变压器与市电 220V 进行隔离，如此一来，操作人员无论碰到线路的哪一根线都不会有触电的危险，因为隔离电源与大地之间是没有任何的连接了。 隔离型电源指的是将输入端和输出端由变压器等磁性元器件连接的电源。在我们日常生产生活中，用到最多的电源实则属于非隔离型电源。这种非隔离电源由于它的输入输出是直接通过电气连接的，故人碰触到会有触电的危险。由此，隔离型电源能很好的确保人员的安全而渐渐得到人们的认可，并大量的使用。 根据隔离电源的不同的结构，我们通常把其分为两大类：反激电源和正激电源。本文采用的是反激电源。 反激电源的应用 生活中反激电源被广泛应用于小功率变换的场合。其在小功率的电源中，尤其是低电压的输入功率在 50W 以下的电源中，或高电压的输入功率小于 150原因在于反激转换器相对于其他的拓扑而言是比较简单的，而且它的输出没有滤波用的电感，因此成本很低。反激转换器是经过升降压转换器的演变而来的，反激转换器与升降压转换器中的电感有着相同的功能，因此反激转换器更像是一个储能的电感，但它同时还有隔离的作用。 10 反激电源的工作原理 反激电源中核心的东西是反激变压器，而反激变压器就是 指当直流电压通过该变压器的初级线圈时，该变压器的次级线圈没有功率输出，而是仅在通过该变压器初级线圈的电压断开后才会有一定功率的输出，人们通常称这种变压器电源为反激电源。图 3反激变压器电源的简单原理图。 图 3反激变压器电源简单原理图 图 3， 输入电压， T 是反激变压器， K 是单刀单掷开关， D 是稳压二极管， C 是储能及滤波的电容， R 是负载电阻。图 3反激变压器电源的电压的输出波形。 其工作原理为当 K 闭合的时候， 接加载到变压器 T 的初级线圈，此时T 的线圈的同名端相对于非同 名端为正，故此时 T 的次级的二极管 D 处于断开状态 ,电源将能量储存在电感中。而当 K 断开时， T 进入反激状态，此时 T 的线圈的同名端相对于非同名端则变为负，故此时 T 的次级的二极管 D 处于导通状态，此时储能电感中的能量一方面传给输出电容 C，对其 进行充电，另一方面则为负载提供电压和电流。 反激电源的工作模式 根据反激变压器的线圈电感中的电流是否连续变化，可以将反激变换器的工作方式式分成以下三种模式： 11 （ 1）电流连续模式（ 储存在电感中的电流，在下一个周期开始时，仍有一部分电流保留在电感中。 （ 2）电流断续模式（ 储存在电感中的电流，在反激期间全部传输到输出端。 （ 3）电流临界连续模式（ 介于 连续 和 断续 两者 之间的一种模式。 反激电源变压器设计 反激变压器是反激电源设计的核心内容，它决定了反激电源的一系列重要参数，如占空比 D，最大峰值电流 。在设计反激变压器的过程中，需要让反激电源工作在一个恰当的工作点上。其的最大作用是减小电源的发热量，同时也能降低了器件的磨损。同样的 样的铁芯，如果变压器的设计存在不合理的定法，就会导致整个电源的性能大大的下降了。然而损耗的过大，也会导致最大输出功率 的下降等。 在设计变压器是，首先要选定一个工作点，这个工作关系到变压器的各项参数的选取。这个点就是最低的交流输入电压，它对应的是最大输出功率。反激变压器的参数包括：最大占空比 边感应电压 数比 n，初级电感量 小初级匝数，初级、次级、反馈绕组匝数关系，磁芯的参数等。 以下是一个典型的反激式开关电源，我们来计算一下它的参数。 图 3型的反激式开关电源 12 （ 1） 确定 开关管 Q 闭合时，初级线圈电压为： 输入为 265V 时，达到 375V），如果变压器初级线 圈为 级线圈为 数比为 n=s。则次级线圈的电压为 n。由于次级二极管 向，没有形成回路，所以线圈没有电流流经负载。而二极管的反向耐压， / n V (3输出电压。当开关管 Q 关断时，变压器中储存的能量向负载释放。次级线圈的电压， S o V(3整流二极 管 向压降。初级线圈的电压为： *P S le gV n V V (3变压器漏感产生的尖锋电压，与输入电压反向。设定 n*反射电压。则开关管承受的电压： m a o le (3实际选择开关管是必须留 2050V 的余量。故， m a x( V V ) = 5 5 8 5 Vo r d s i n l e 余 量(3开关管的额定耐压， 600V； 在 265V 输入时， 375V； 一般在 120V；余量为 20V50V。 根据伏秒法则， *in o n o r o (3开关管闭合时间； 开关管关断时间；占空比 D= 周期 T。故， * * ( 1 D )in o (3( )o r in o (3( )m a x o r i n m i n o (3议设置在 当输入电压最小时取得最大占空比。 （ 2） 匝数比 n / ( )o r o V V (3（ 3） 初级电感量 工作在 式下时，有电感、电压、电流和时间的关系： */p p pV t (3t 为时间， 电流的变化量。初级电感量： */p i n m i n o n m a x p (3， 13 2 * / ( * )p p i n i n m i n m a (3* * fo n m a x m a x m a x (3开关频率。故， */p i n m i n o n m a x p (3当工作在 式下时，由于电流并没有下降到 0。 当 K 小于 1。故， */p i n m i n o n m a x p (3当输入为窄电压时， K 取 当输入为宽电压时， K 取 在实际应用中，取值在以上的基础上乘以 ，再以 10%的误差制作 。 （ 4） 磁芯的选择 * ( * 1 0 0 0 ) / 2 * * *p w e P B f J K (3式中 + 传输功率。 J 是 电流密度 A / 300500)。 绕組系数 （ 5） 最小初级匝数 最小匝数计算如下 * / ( * )p p p p m B (3（ 6） 初级、次级、反馈绕组匝数关系 由 n=s，可以得到， / (3令反馈绕组为 压为 于反馈绕组与次级绕组同名端同向 ，所以，反馈绕组电压与次级绕组电压成比例，即， 1/ ( ) / ( )S a o d a V V V n (3次级整流二极管正向压降， 反馈绕组整流二极管 向压降， 匝比。 / ( * ) n n a (3 反激电源输出电容的设计 若 开关工作频率 为 f，输出电流 为 根据变压器，输入、输出电压实际最大占空比 为 计算 1 / * (1 )o ff m a (31 / *o n m a (3计算输出峰值电流， 14 2 / (1 )p k (3根据输出波形，来计算输出电容 值。 图 3出波形图 由上图波形可知： 少 时 减小，即输出电容主要维持 间段 的 电压。设输出纹波为 120则 */m i n p k o n p (3纹波电流，一般取输出电流的 5% 20%， 实际应用的 电解电容 每个 纹波电流为 满足设计要求 。 等效电阻 /p p r i p p l R V (3 反激电源硬件电路 （ 1）交流低压转换电路 图 3流低压转换电路 15 (2) 桥式整流及滤波电路 图 3式整流及滤波电路 本设计选用 璃钝化整流桥，如图 3示。 图 3流桥 该整流桥具有如下特点： - 最大峰值反向电压 1000V - 低正向压降，高电流 - 塑料型封装，成本低 - 适合于 版 （ 3）反激变压器 16 图 3激变压器及输出电路 本设计采用了 0 骨架，由 6A/绝缘漆膜的为聚氨酯漆的统称， 2 是漆膜厚度等级）铜圆线饶制而成的变压器作为反激变压器，同时在次级线圈输出接入 司的 高电压功率肖特基整流器过 通断对电感 行储能和释放能量。 17 均为滤波电容。 以下是对 介绍。 图 3示。 17 图 3同封装形式 有以下特点： - 开关损耗极小 - 高结温承受能量强 - 较小的漏电流 - 绝缘电压高达 2000V 特定的雪崩能力 （ 4）反激控制芯片电路 图 3于 反激控制电路 本文采用了 司制作的绿色环保模式反激控制器 交流和直流消费类电源解决方案的性能和可靠性水平提高到全新的水平。一个脉 宽调制 (调制算法在整个运行范围内保持断续或转换模式运行的同时，变化开关频率和初级电流。 与一个共源共栅架构组合在一起，这些技术创新在一个传统反激式架构中改进了效率、可靠性和系统成本。供一个可预期的最大功率阀值，以及一个针对过载的定时响应，从而实现对浪涌功率要求的安全处理。 对于重试或锁存模式，过载故障响应是可由用户设定的。 额外保护特性包括输出过压检测、可编程最大接通时间和热关断。 如下特性及应用。 特性： - 共源共栅配置可实现完全集成的电流控制，无需使用外部感 测电阻 18 - 针对整个运行范围内最优效率的频率和峰值电流调制 - 绿色环保模式 (突发开关数据包提升无负载效率 - 高级过流保护限制均方根 (输入和输出电流 - 热关断 - 支持重试或锁存响应的定时过载 - 可编程无光耦输出过压保护 - 快速闭锁故障恢复 - 8 引脚小外形尺寸集成电路 (封装以及 8 引脚塑料双列直插 (无铅封装 应用范围： - 通用输入交流和直流适配器， 12W 至 65W - 高效内务处理和辅助电源 - 离线电池充电器 - 消费类电子产品（ 放器、机顶盒、数字电 制 视、游戏机、打印机等 ） 反激变换器在低功率 用领域具有很大的吸引力，原因在于它具备输出隔离、最少使用组件数量和宽输入工作能力等优点。反激式变换器的主流操作模式是非连续导通模式（ 因为它消除了反向恢复损耗输出整流器，并且简化了控制。该 一个反激式控制器，多用在空载运行的低交流线路电源和高平均效率的 12W 到 65W 源领域。该控制器限制了转换器的 作模式。它禁止连续传导模式（ 作。强制 作模式 操作的结果是形成了一个独特的并且对交流线路变化不敏感的安全限流特性。由 于该转换器工作在 式，所以峰值电流模式调制器不需要斜率补偿。 工作方式 是通过驱动外部高电压 功率 源极进行工作的 ，这种 工作方式 被称 为共源共栅驱动。它具有在无负载的情况下快速起动和低输入功率的优点，而无需高电压连接到控制装置。共源共栅驱动器对反激转换器的总体操作没有任何影响。反馈引脚 用电流检测而不是电压检测。这种特殊的功能通过避免从光耦合器电流外部电阻转换为电压的空载操作从而最小化了初级侧的功耗。 平均峰值效率优化成带有峰值电路恒定、可变关断时间调制的峰 值功率和 22%的峰值功率。 该调制趋于使效率恒定在 22和100的峰值负载 。为满足能源之星的平均水平要求，平均效率无需过度设计。 如图 3示 换电路。 19 图 3换电路 下面介绍 引脚的功能。 FB 1 引脚，电流反馈引脚，并且只检测电流，反馈电压始终为 据反馈电流的大小，决定 部的工作模式。 2 引脚，零电流检测引脚，该引脚有两个功能： 测变压器复位时基于一个有效的零电流信号。 用反激变压器 的初级偏置绕组的分压来控制输出 压保护）。 CL 3 引脚，限流引脚，该引脚决定了每个开关周期的初级电感的峰值电流 。该引脚通过与地之间接入限流电阻来实现其功能。 4 引脚，最大导通时间设定引脚。该引脚有三个功能： 该引脚决定了内部驱动器的最大导通时间 该引脚通过任意一个开机或关机响应或锁断响应来决定转化器对过载和电源出入欠压时的反应。 该引脚可以通过外部关断电源来将 低至 该引脚释放时，在经过重启延时后，转化器重新启动工作。 5 引脚，该引脚 为外部高压 栅极提供直流电压。该引脚在使用时必须在 间加一个 陶瓷电容，并尽量靠近该引脚。该引脚也可以通过连接在输入电压上的一个大阻值电阻器来启动偏置。 6 引脚，该引脚用来驱动外部高电压功率 源极，它承载了转化器的所有主要电流。该引脚工作时需要在 间连接一个 20 肖特基二极管来提供初始偏置启动。 7 引脚，接地引脚，该引脚是 有模拟和功率信号的电流返回终端。该终端带有转化器全部的电流。该引脚将大容值电容返回 路径和 路径进行了分离。 8 引脚，该引脚是为 供偏置电源引脚。此电源可以来自外部源或辅助绕组。 该引脚在使用时必须在 间加一个 尽量靠近该引脚。 表 3议使用的工作条件 输入电压 9 20 V 来自低阻抗电源的输入电压 9 13 来自低阻抗电源的输入电流 10 2000 对地电阻 关机 /重启 模式 25 100 锁模式 150 750 对地电阻 00 辅绕组电阻 50 200 容 33 200 路陶瓷电容 图 3，开关管 们选用东芝公司制造的 N 沟道 效应管2图 3示 图 3 沟道 效应管 221 如上图， 1 为 效应管的栅极， 2 为 效应管的漏极， 3 为 2如 下特性： - 低漏源导通电阻 ： = 较高的正向转移导纳： | 低漏电流： 00A（ 00V） - 增强模式： （ 10 V， 1 2简单工作原理图如图 3示。 图 3单工作原理图 如上图，当 时，没有 N 型导电沟道， 效应管不导通， 当 ，出现 N 沟道， 效应管导通， 拉低至地。 （ 4） 光电开关反馈电路 图 3电开关反馈电路 本文采用仙童公司制造的光电晶体管耦合器 为光电开关。 止电流过大烧坏发光二极管。 部包括一个砷化镓红 22 外发光二极管和一个 体管，采用双列直插式的封装。如图 3示。 图 3型和内部结构 1 引脚为发光二极管的阳极，接正电压； 2 引脚为发光二极管的阴极，接负电压； 4 引脚为 体管的发射极； 5 引脚为 体管的集电极； 3 和 6阴极为无用引脚。 工作原理是，当发光二极管接入 高电平时，就会向外发射一定频率的光， 体管在接受到发光二极管发射的光后， 导通， 发光二极管接入低电平是，发光二极管不工作，因此 体管也不导通，此时 图 3示。 图 3关电路测试和测试波形 本章总结 本章主要讲解了反激隔离电路的设计过程，反激变压器的参数计算和设置， 23 输出电容的计算。在设计过程的所使用的主要元器件的简单介绍及应用，遇到的问题解决过程。 24 第三章 驱动和控制系统设计 单片机简介 作为本文设计的主控芯片 ，我们采用了最常用的单片机。单片机是一种采用超大规模集成电路技术制造而成的单片微控制器。它内部集成有中央处理器、只读存储器、随机存储器、各种功能各异的端口、中断系统、定时器 /计数器等功能。目前，单片机已由当初的 4 位单片机，发展到如今的 300M 的高速单片机。单片机在社会生活和工业制造领域得到了十分广泛的应用。 本设计选用宏晶公司的 片机最为主控芯片， 片机比传统 8051 单片机具有以下的优势。 - 超强的抗干扰能力 - 新一代的加密技术，防止程序被破解 - 超大容量的 高可为 超低的功耗，正常工作模式下，功耗仅为 4 大大的降低了对外的电磁辐射 - 脚复用串口功能 除了以上的优点， 其他方面与传统的 8051 一样。 如图 48051 单片机组成框图。 图 4051 单片组成框图 25 以下是 90片的主要特点及参数。 （ 1） 内置标准 8051 核，增强型为 6 个时钟 /机械周期，普通型为 12个时钟 /机械周期； （ 2） 两种工作电压： 3V 单片机 和 5V 单片机 ； （ 3） 工作频率： 040 兆赫兹 ，实际工作频率可以达到 48 兆赫兹 ； （ 4） 用户应用程序 间： 436024 （ 5） 存储器（ 128 字节 /512 字节 ； （ 6） 定时器 /计数器： 3 个 16 位 （ 7） I/O 口 ： 准双向口 /弱上拉端口， 是开漏输出， 作为总线扩展时无需加上拉电阻，作为 I/O 时，需要加上拉电阻； （ 8） 通用异步串行口 （ 1 个 （ 9） 8 个 中断 源 ； （ 10） 两种编程方式： 系统可编程） 和 应用可编程 ) （ 11） 内部集成 用复位电路，在外部时钟 20M 一下，可以省去外部复位电路 ； （ 12） 外形封装： 40 脚 44 脚 ，见图 4示； （ 13） 工作温度： 075 度 /5 度。 图 41 单片机两种形式的封装 下面简单介绍一下 90片机各引脚的功能。 40 引脚，接 5V 或 3V 直流电源，给单片机工作供电。 39脚，该 8 个引脚不同于其他 I/O 口，该 8 个引脚虽然也是双向开漏的 I/O 口，但是该 8 个引脚没有上拉电阻，因此在使用的过程中，需要加上拉电阻，来增加该 8 个引脚的驱动能力。一般上拉电阻的选取为 10K 26 的排阻，以此来起到限流的作用。但在 访问外部存储器时做 数据总线的时候，无需再加上拉电阻，因为此时单片机可以通过内部强上拉输出 1。 31 引脚，该引脚为外部寻址使能 /编程电压。在访问全部外部存储器时， 须外部置为低电平。该引脚一般不需要接任何东西，但在将程序写入单片机时，需要接 5V 或是 12V 的电压。 30 引脚，该引脚为地址锁存使能端。在本论文中没有使用到该引脚，所以该引脚也没有接任何东西。但如果要访问外部存储器时，需要用到该引脚。而在使用到外部时钟或是外部定时器时，也需要对该引脚进行相应的编程处理。 29 引脚，该引脚为 程序存储使能 端。由于本论文中没有用到外部存储器，所以该引脚在本论文中也没有用到。该引脚是用来使能外部存储器里的程序，控制外部存储器里的程序是否执行。在执行外部程序时， 再 每个机器周期 内被两次写 1，此时无论是访问内部程序还是 外部 程序， 无效。 21 到 28 引脚。这组 8 个引脚在使用时不需要加上拉电阻，其内部是自带上拉的。该 8 个引脚既可以做输出，也可以做输入。其他的一些功能跟 8 个端口类似，在此不做详解。 20 引脚，接地引脚。 19 引脚，该引脚为外部晶振接入的一个引脚。该引脚为反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入。 18 引脚，该引脚为外部晶振接入的另一个引脚。该引脚反相振荡放大器输出。 10 到 17 引脚，这 8 组引脚是单片机里最特殊的 8 个引脚，其一般的功能跟其他 I/O 类似，内部带有上拉，可以做输出和输入。不同的是，该 8 个引脚每个引脚都有一定的复用功能。具体复用功能如下所示。 行输入引脚 3.1 行输出引脚 3.2 部中断 0 引脚 部中断 1 引脚 3.4 时器 0 外部输入引脚 3.5 时器 1 外部输入引脚 3.6 部存储器写信号引脚 3.7 部存储器读信号引脚 ST 9 引脚，该引脚为复位引脚。一般单片机有两种复位方式，一种是 27 上电复位（也叫硬件复位），另一种是软件复位。对于上电复位，就是在该引脚外部接电阻电容和一个按键，当按键按下，将该引脚强制拉低，单片机复位。而软件复位时用单片机内部的看门狗来执行的。由于本论文只用到 上电复位，所以软件复位就不做详细讲解了。 1 到 8 引脚，该 8 个一般功能与 似，不做详解。我们只就其中两个复用引脚来讲解。 脚，其复用的功能为定时器 2，可以用作外部计数的输入和时钟输出。 脚的复用功能是定时器 2 重装载和外部捕获。 单片机内部各模块的功能 （ 1）外部振荡器 单片机外部振荡是由 脚这两个引脚来控制的。在使用时，需要在外部接一个晶振，若严格根据单片机内部的要求，赫兹的晶振，但一般的情况下，我们 选用 12 兆赫兹的晶振就可以了。除此之外，还需要接两个瓷片电容，大约是 33后在接地。具体的一些要求可以参考单片机的使用手册。 （ 2）复 位 复位功能和之前介绍的 脚的功能一样。要补充的是， 为了 确保 上电复位的可靠 性， 脚 保持 为 高电平的时间至少 是外部 振荡器启动 的 时间 （ 通常 是 几毫秒 ） 再加上两个机器周期 。即在上电复位的过程中，我们按下按键的时间要稍微长一点，然后再松开，而在程序中判断是否复位时，需要经过一定的延时来判断按键是否真的按下了。又因为人为按下时所产生的信号不是很平稳，所以还要在程序里加去 抖动的程序。 （ 3）时钟控制寄存器 该模块提供了一种对单片机是 6 时钟还是 12 时钟的选择方法。当寄存器中的 置为高电平时，单片机以 6 时钟进行工作。当 为低电平时，单片机将切换到 12 时钟进行工作。 由于时钟模式的选择是由该寄存器的 的值来决定的，所以 可以随时访问 该位 并 且 修改 。然而使用时，值得我们 注意的是 如果 将 低电平 转变为高电平时，单片机内程序 代码 的执行速度将会是原来速度的两倍。原因在于我们将 6 时钟变为 12 时钟时，单片机 系统 的 时间间隔 将会变成原来的 1/2，所以 程序 代码 的运行 速度 会 降低为 原来的 1/2。 （ 4）低功耗模式 在集成电路快速发展的今天，功耗是最主要的指标，现在生产的 在向 28 低功耗靠近，单片机也不例外。该模式有详细分为两种：时钟停止模式和掉电模式。对于时钟停止模式既是将时钟的频率降至为 0，此时，外部晶振停止振荡，但单片机内部的 的内容却可以保持不变，以此来达到降低功耗的作用。相比时钟停止模式，掉电模式是人们最常用的的一种模式。对于掉电模式，操作更为简单，我们只需在程序中检测外部复位或是中断来实现。当单片机进入掉电模式时，其工作电压会降低至 2V 左右，片内 保持不变。要想从掉电模式 中恢复，只需要禁止外部中断就可唤醒单片机。其实单片机还有一种低功耗模式，那就是空闲模式，指的是当单片机 入睡眠状态时，但单片机内部的其他模块仍可以保持工作状态。这跟我们常用的电脑一样。 （ 5）定时器 0 和 1 的操作 单片机的定时和计数功能通常是由其内部的 存器来控制的，给该寄存器赋值不同的值，单片机会执行定时或者计数的功能。 时也可以控制选取那个定时器工作，单片机内有两个定时器分别为 这两个定时器又分别有四种模式。不同模式的设定也是由 制的。 当 为低 电平时，定时器以方式 0 工作，可以当做 13 位的定时器或是计数器。当 为高电平时，定时器以方式 3 工作，可以用作两个 8 位计数器。当 高电平， 低电平时，定时器以方式 2 工作，可以当做 8位定时器或是计数器，并且有初值自动重装的功能。最后一种模式是 低电平， 高电平，定时器进入方式 1，用来作 16 位定时器或计数器使用。 （ 6）定时器 2 在最初的单片机内其实只有一个定时器 1，由于单片机使用范围的扩大，一个定时器已经无法满足人们的需求，由此定时器应运而生。定时器 2 跟定时器 1一样，是一个 16 位定时器 /计 数器。不同的是，定时器 2 是通过设置新的寄存器控制定时器 2 当做定时器或计数器。同时定时器 2 有自身特殊的优点。它自带了两种特殊的功能，分别为捕获和波特率发生器。捕获，从字面意思可以理解为捉住什么东西，但对定时器 2 的捕获功能而言，该种捕获是用于对外部信号的捕获，并送去内部寄存器进行处理。通常