超声电机定子压电陶瓷环的极化装置设计【2张图/18700字】【优秀机械毕业设计论文】
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超声电机定子压电陶瓷环的极化装置设计
摘要：压电陶瓷环是超声电机的关键部件，其极化的性能对于超声电机性能有重要影响。为了充分挖掘压电陶瓷环的压电性能，并适应于高性能超声电机压电陶瓷环极化的需要本文研制一个压电陶瓷极化装置。
完成了以下工作：
1. 简述了压电陶瓷技术的发展及制作工艺，阐析了压电陶瓷的压电特点。
2. 介绍了压电陶瓷极化工艺的研究现状，分析了极化条件的选择，并根据极
要求提出了极化装置的设计方案。
3. 研制了一个温度测控系统，控制极化槽温度。该温度测控系统的测温、控温精度高，操作方便。可通过键盘，显示电路设定目标温度，控制参数，运行等。
4. 编写了温度测控程序.
关键字：压电陶瓷，温度测控，极化装置，
目 录
1 绪论
1.1压电陶瓷概述及其发展 (1)
1.2压电陶瓷的压电效应 (2)
1.3压电陶瓷的典型应用 (2)
1.4压电陶瓷的极化工艺 (5)
2 压电陶瓷温控系统硬件设计
2.1引言 (7)
2.2 温度控制器的总体设计方案 (7)
2.3 温度传感器的选择 (8)
2.4 V/F变换电路设计 (10)
2.4.1 V/F变换器的特点 (10)
2.4.2 V/F变换器的结构及工作原理 (11)
2.4 .3 V/F变换器的设计及计算 (11)
2.4.4 V/F变换对信号精度的影响 (13)
2.5 光电隔离技术 (15)
2.5.1光耦隔离 (15)
2.5.2光耦隔离电路 (16)
2.6 AT 89S52单片机概要 (16)
2.6.1 AT89S52单片机的硬件组成结构 (16)
2.6.2 AT89S52单片机引脚功能和接法说明 (17)
2.7 键盘控制及显示电路… (19)
2.8 强电控制及驱动电路设计 (20)
2.8.1可控硅的工作原理 (20)
2.8.2可控硅控制电路设计 (21)
3 温度控制器的程序设计
3.1 控制算法的研究 (23)
3.1.1 PID 控制原理 (23)
3.1.2 PID控制参数整定 (25)
3.2 采样周期的选取 (26)
3.3 输出控制 (27)
3.4程序流程图及程序 (27)
3.4.1系统功能 (27)
3.4.2 主程序 (28)
4 总结与展望
4.1 本文的主要贡献 (38)
4.2 进一步研究课题 (38)
4.3 设计心得 (39)
参考文献 (40)
致谢 (41)
The Design Of Polarization Device For Ultrasonic Motor Piezoelectric Ceramic Ring
Student name : Ji Huanhuan class : 050313
Supervisor : He Honglin
Abstract: The piezoelectric ceramics is one of the key components of a ultrasonic motor, improving its performance is a meaningful thing for improving the performance of ultrasonic motor. In order to get the better piezoelectric performance of piezoelectric ceramics, it’s necessary to develop a polarizing unit with good function for adapting to this the need. The following are the chief research achievements and work of this paper:
1. The development, application and manufacture method of piezoelectric ceramics are simply introduced, and the piezoelectric effect and parameters are systematically introduced. The principle of ultrasonic motor is introduced.
2. Several polarizing methods and their principles are introduced, and the polarizing conditions are analyzed. The author brought out the design scheme of a polarizing unit.
3. The paper developed a temperature controller to control the temperature of polarizing slot. This temperature controller could test and control temperature precisely, and could be operated easily. The temperature and control parameters could be set and displayed.
4. Prepare the programe of temperature control
Key Words: Piezoelectric Ceramics, Polarizing Method, Polarizing Unit,Temperature Control
Signature of supervisor:
- 内容简介：
-
1 1 绪论 电陶瓷概述及其发展 压电陶瓷是超声波电动机 中将电能转换成振动能的部件，压电陶瓷材料性能的优劣，关系到超声电机的机械特性，所以压电材料的研究始终是关系到是否能有效地提高超声电机综合性能的重点 。 图 电陶瓷 实物 压电陶瓷是电子陶瓷器件中一个重要的材料，它具有在力 (或形变 )作用下产生电荷 (或电压 )的正压电效应和电作用下产生力 (形变 )的逆压电效应功能，从而可进行电能 电能的转换。压电陶瓷的上述功能已被制备成传感器、换能器、驱动器等，广泛地应用于航空航天、 医学诊断、超声焊接等领域，成为生产和生活中重要的功能材料。利用压电陶瓷的正压电效应和逆压电效应可以制作成高性能的电源变压器。 压电陶瓷是一种具有压电效应的晶体，因其生产工艺和陶瓷生产工艺相似（原料粉碎，成型，高温烧结等）而得名。 某些各向异性晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电粒子发生相对位移，从而在晶体表面出现束缚电荷，这种现象称为压电效应。晶体的这种性质称为压电性。压电性是居里兄弟（ 1880 年在单晶体上发现的。几个月后，他们又用实验验证了逆压电效应，即 给晶体施加电场时，晶体会产生几何形变。 1940年以前，只有单晶压电材料，由于存在多种缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。 2 多层片式压电陶瓷变压器是近年来迅速发展起来的新一代小型高性能电源变压器。与电磁式变压器相比，它在小尺寸、低功率等应用场合下有着突出的优点，并已在实用中获得了很好的效果。随着通信和信息技术的迅猛发展，多层片式压电陶瓷变压器在小型电子设备中，将展现出独特的优点，具有广阔的应用前景。 电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种先进功能陶瓷，它具有压电效应，那么，什么是压电效应呢 ? 某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应。反之，在某些材料上施加电场，会产生机械变形，而且其应变与电场强度成正比，这称为逆压电效应。如果施加的是交变电场，材料将随着交变电场的频率作伸缩振动。施加的电场强度越强，振动的幅度越大。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 图 电效应原理图 并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆 等。将这些原材料在高温下致密烧结，制成陶瓷，并将制好的陶瓷在直流高压电场下进行极化处理，才能成为压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅以及三元系压电陶瓷等。 压电陶瓷的应用范围非常广泛，而且与人类的生活密切相关。压电陶瓷主要用在能量转换、传感、驱动、频率控制等方面。 电陶瓷的典型应用 压电陶瓷作为信息功能陶瓷的主流材料之一，除了超声电机领域的应用外，还在水声换能器、传感器、滤波器、变压器、点火器、陀螺仪、液流泵等众多领域内得到 3 了应用。这里简单介绍压电陶瓷的几个典型应用。 （ 1） 压电陶瓷 点火器 压电陶瓷点火器是一种将机械力转化为电火花而点燃燃烧物的装置，是压电换能器的典型实例。 1958 年开始利用 压电性点火，但这种材料着火率低，且噪声大。 如图 示的点火器可固定在家用灶具上点燃气体，它有结构简单，使用方便，经济耐用等优点。其工作原理是：利用转动凸轮开关 1 的凸出部分推动冲击块 3，并压缩冲击块后面的弹簧 2，当凸轮凸出部 分脱离冲击块后，由于弹簧力作用，冲击块给压电陶瓷元件 4 一个冲击力 F，使压电陶瓷元件两端面产生高压，经中间电极 5输出高压，产生电火花点燃气体。 （ 2）压电陀螺 压电陀螺是压电型振动陀螺仪的简称，也称超声波陀螺，是一种角度或角速度传感器。其原理与傅科摆的相同，是利用对振动着的物体外加旋转角速度时在与振动方向成直角的方向上产生哥氏力这一力学现象的传感器。 图 用压电点火器结构 图 电陀螺基本原理 如图 压电陀螺的基本原理。在振动着的振子中心轴（ Z 轴）上外加旋转角速度（ 0）时，在与振动方向（ X 轴）成直角的方向（ Y 轴）上便产生与旋转角速度成正比例的哥氏力（ 压电陀螺就是利用这种力学现象的陀螺。用起动压电陶瓷使 X 轴振动，利用 Y 轴上的检测压电陶瓷检出作为电压输出的哥氏力。这种陀螺的特征是 起动用压电陶瓷与检测用压电陶瓷分开正交配置，哥氏力一般可用下式求出 02 （ 1 式中， m 为质量， V 为速度， 0 为角速度。 （ 3）压电陶瓷在电光器件中的应用 70 年代，压电陶瓷的研制成功，开辟了压电陶瓷的新应用 电光应用。由于 4 解决了以前单晶材料几何尺寸的 限制、化学组成和光学均匀性的控制困难等问题，使单晶材料不能制作的器件成为可能。利用的电控光折射效应、电控光散射效应和光色效应可以制造光门、光调节器、光贮存器、电控多色滤色器、彩色显示器等电光器件。这些器件具有较高的技术指标和性能。 例如光阀可设置在 22525 m 的极微小的面积上，光贮存器在 m 极微小的瓷片上可贮存 256 位信息。 （ 4） 压电变压器 从五十年代就开始研制压电变压器。当时以钛酸钡为主要材料。升压比较低（只有 5060 倍）。输出电压 3000 伏左右。随着锆钛酸铅压电陶瓷材料的出现，升压比提高到 300500 倍压电变压器 ,逐步推广应用于电视机 ,静电复印机 ,负离子发生器中做为高压电源 . 1）压电变压器的基本原理 输入压电瓷片的电振动能量通过逆压电效应转换成机械振动能，再通过正压电效应又换成电能。在这两次能量转换中实现阻抗变换（由低阻抗变成高阻抗），从而在陶瓷片的谐振频率上获得高的电压输出。现以伸缩振动的横纵向型变压器为例说明变压原理。 图 压电变压器 如上图 示，整个陶瓷片分成两部分，左部为输入端（又称驱动部分），下面都有烧渗的银电极，沿厚度方向极化，右部为输出端（又称发电部分），其右端面有烧渗的银电极。沿长度方向极化。当输入端加上交变电压时，由于逆压电效应，瓷片产生沿长度方向的伸缩振动，将输入电能转变为机械能；而发电部分则通过正压电效应，将机械能转变为电能，从输出端输出电压。无负载时，开路升压比为： 2 3 1 3 3214Q K 5 式中料的机械品质因数；31K、33K材料的纵、横向机电耦合系数； L发电部分的长度； T变压器厚度。 2) 压电变压器的应用 压电变压器主要用于高压、低功率和正弦波变换的情况，具有输出电压高，重量轻，体积小，无泄漏磁场、不燃烧等独特优点。为了获得多个电压输出，根据横 纵变压器的输出电压与长度成正比，越靠近发电部分端头，电压越高，我们可在发电部分的不同位置制作电极作为抽头，从而获得不同的电压输出。 电陶瓷 的制作工艺 压电陶瓷材料性能的好坏，与其中制造工艺的关系非常密切。压电陶瓷的制造工艺和一般电子陶瓷的工艺类似，但也有它本身的特殊性。由于压电陶瓷中含有大量的铅氧化物，所以防止铅在高温下的挥发是一个重要问题。压电陶瓷工艺中最重要的是预烧（合成）、烧结（致密化）和人工极化这三个关键工序。 压电陶瓷的生产过程一般包括以下几个步骤： 图 电陶瓷的制作工艺 首先是根据配方和生产需要的数量来计算各种原料所需称取的量。所用的原料大多数是金属氧化物，少数也可用碳酸盐（预烧时便分解为氧化物）。为使生 成压电陶瓷的化学反应顺利进行，要求原料颗粒要细，一般不要超过 2 微米（平均直径）。 通常使用转动球磨机或振动球磨机进行原料的混合，同时起到粉碎原料颗粒的作用。 原料经预烧后，就合成了锆钛酸铅的固溶体化合物。再经过一次粉碎，就可以成型。成型可根据不同的要求采用轧膜、压型或静水压等方式，成型之前需加入粘合剂。成型后生坯中的粘合剂、水分等必须加温排去，称为排塑或排胶。 配料 混合 预烧 粉碎 成型 排塑 被电极 极化 测试 6 排塑以后的生坯重新装炉烧结。烧成的陶瓷经过研磨、清洗之后就可以被上电极，被上电极的产品再进行人工极化处理后，就可做为压电陶瓷元件使用了。 极化工艺是 压电陶瓷材料获得压电性的关键工序。它是在高电场作用下，使铁电体电畴的取向尽量一致，从而获得压电性。极化的优劣很大程度上影响陶瓷的压电特性及其老化特性。 瓷一般在 1 2kV/电场中进行极化，而 瓷在3 4kV/电场中进行极化，对于 瓷，其极化电场高达 5 6kV/ 为了提高行波超声电机所用压电陶瓷的性能，进而提高行波超声电机的运转平稳性和工作效率，我们开始了对压电陶瓷极化方式的研究。压电陶瓷的极化有多种方法，使用不同极化方法对极化装置有不同的设计要求。因为希望在满 足极化要求的前提下，设计的极化装置简单可靠，操作简便，所以最终选取了热极化法。 极化对于压电陶瓷的研制和生产的整个过程来说是一个极为重要的环节，因为压电材料只有经过极化之后才具有压电性能，才能成为压电元件。极化工艺是压电陶瓷所特有的工艺。 在极化工艺上除了常用的热极化方法，还有高温低压极化法，谐振极化法等，尽量将材料的性能发挥出来。 7 2 压电陶瓷极化装置温控系统硬件设计 言 在压电陶瓷极化过程中，需要对极化槽的温度进行严格控制，以便获得优良的化特性。为了实现温度控制，就 有必要设计一个温 度控制系统。根据 化的要求，本文所设计的极化槽温控系统，将以 89片机为核心，进行整个系统的控制、管理、协调。系统将采用热电偶式温度感器作为测温元件， 以 V/F 电路作为信号 转换， 保证温度信号以数字量的形式输入计算机， 抗干扰能力强，具有良好的线性度，外围电路简单，转换速度快。还采用了光耦隔离电路抗干扰能力进一步增强。采用 制和 宽调制技术相结合，提高了测量精度。在该温度控制器中，温度和控制参数的设置、运行等功能可以由键盘及显示电路完成。这里， 采用 89仅具 有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。 度控制器的总体设计方案 系统硬件电路分为 三 部分： 89片机系统、温度检测通道、输出控制通道。 系统工作过程为： 极化槽 温度信号通过热电偶温度传感器转换成电压信号，该信号很 弱 ， 需 经放大 电路 、滤波 电路 后进行电压频率转换， 以 得到与逻辑电路兼容的脉测温 放大滤波 V / F 转换 光隔 单片机电控制 光隔 键盘 度控制器系统组成图 8 冲串，脉冲频率与温度呈精确的比例关系 ，即有 f。该脉冲经光耦隔离后，输入 单片机， 并 通过程序处理后可得到当前温度值， 计算机 将它与温度的设定值相比较得到温度的偏差， 再 通过 法运算出 控制量，此控制量经双向可控硅控制加在加热器上的电压的通断时间， 这样就 达到控制温度的目的。 极化槽的温度，中断等控制参数由键盘输入，并可随时修改，采样温度显示在。 极化槽 控制单元采用双向可控硅。单片机产生占空比可调的方波脉冲，以此来控制一个采样周期内正弦交流电波的个数，达到调节控制温度的目的 . 度传感 器 选择 现代传感器 多种多样 的原理和结构 上 千差万别，如何根据具体的测控目的，测控对象以 及测控环境合理地选择传器，是 实现温度 测控 首先要解决的问题。 事实上 当传感器选定之后，与之相配的测控电路也就相应的确定了。测控结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选择是否合理。 图 电偶实物图 温度传感器作为单片机测控系统前向通道的关键部件，对其进行选择时主要应考虑以下几个方面： （ 1）根据测控对象与测控环境确定传感器的类型 ； （ 2）灵敏度的选择 ； （ 3）频率响应特性 ； （ 4）线性范围 ； （ 5）稳定性 ； 9 （ 6）精度的选择 ； 根据论文要求温度范围在 300 0C 500 0C，温 度分辨率在 2 0C 内。由于被测温度较高，一般选择热电偶式温度传感器。热电偶是一种传统的温度传感器，其测温范围一般为 +1600 0C ，最高可达 +28000C，并且有较高的测量精度。另外，热电偶产品已实现标准化，系列化，使用时易于选择，可方便地用计算机做线性补偿，因此在测温领域内仍被广泛使用。它利用热电效应将热能转化为电能。 1) 常用的热电偶温度传感器 目前，我国广泛使用的热电偶主要有以下 8 种类型： B 型、 E 型、 J 型、 K 型 R 型、 S 型和 T 型。 B 型 铂铑 30%铂铑 60% 温度范围 +600 +17000C E 型 镍铬 铜镍 900 J 型 铁 铜镍 +750 K 型 镍铬 镍硅 +1200 N 型 镍铬硅 镍硅 +1200 R 型 铂 铂 13%铑 0 +1600 S 型 铂铑 10%铂 0 +1600 T 型 铜 铜镍 +350 所以，选择 K 型热电偶就足以满足要求 、 2) 热电偶冷端温度补偿 在实际的工程测温中，冷端温度常随工作环境温度而变化。为了使热电势与被测温度间呈单值函数关系， 必须对冷端进行补偿。所谓冷端温度补偿，就是在热电偶的冷端人为地加入一个受同一环境温度 控制、并且与热电偶具有相同电压温度系数的相反极性的补偿电势 而使冷端的总热电势不再随环境温度而变化。 常用方法有以下几种： 0 度恒温法，冷端温度校正法，补偿导线法，硬件补偿法，软件补偿法。 本系统采用硬件补偿法 ，是利用模拟式集成温度传感器或热电偶冷端温度补偿专用芯片来进行补偿，也是目前工程中最常用的补偿方法。其优点是速度快、外围电路简单、不需调整、成本低。 适合做冷端端温度补偿用的模拟式集成温度传感器典型产品有 电流输出式集成温度传感、 三端可调式集成恒流源， 和 系列电压输出式集成温度传感器等。本系统选择 其主要特点如下： 10 （ 1） 测温精度高。在单电源供电的情况下，测量精度最高可达正负 量范围1050C。 重复性误差和长期稳定性小 于正负 （ 2） 它属于两端集成温度传感器，外围电路简单。电流温度系数为 1 微安 /K （ 3） 输出阻抗高，互换性很强。 （ 4） 电压范围是 +4V+30V， V/F 变换电路设计 ，对外界数据及信号的读取基本上都是通过 A/D 方式实现的。它主要有以下几个优点： （ 1） 根据需要，可很容易地买到转换精度适用的 A/D 转换器。 （ 2） A/D 转换器与 连接可按手册或资料提供的标准进行。 （ 3） 经过 A/D 转换提供的数据可直接识别。 （ 4） A/D 转换器对数据的转换速度快，一般为几微秒 几十微秒 正是由于以上这些因素，使人们在选择单片机测控系统对信号的采集方式时，首先想到的就是使用 A/D 转换器，这已成为人们在单片机测控设计时的一个习惯。就大多数情况而言，这一选择无疑是正确和明智的，因为这是一个十分可靠、成熟和简捷的方案。然而，在本文中的温度控制系统中所面临的压电陶瓷极化应用却是另外一种情况。该单片机系统工作的环境比较恶劣 ,干扰强 扰进入系统有两种渠道： （ 1） 供电系统干扰：干扰通过电源通道进入系统。 （ 2） 过程通道干扰：干扰通过与主机相连的前向通道、后向通道及与其他主机的相互通道进入系 统。 考虑到强电控制、弱电测量、数模干扰等问题，且在本系统中温度信号变化缓慢，并不要求很高的检测速度，所以在本文中采用 V/F 转换器件作为模数转换。 V/F 转换器（ 直接把模拟电压或电流转换成与逻辑电路兼容的脉冲串，其输出频率与模拟量呈精确的比例关系。 采用 V/F 转换有以下优点： （ 1） V/F 转换器线性度高，精度高； （ 2）抗干扰性好。 V/F 转换过程是对输入信号的不断积分，它需要被测信号提供适当的驱动电流，因干扰信号不能提供电流而被滤掉； 11 （ 3）由于 V/F 转换输出是脉冲，易实现光电隔离； （ 4）占用 计算机资源少。对于一种模拟信号仅占用一个输入通道。 ，如 司的 国国家半导体公司的 列； 司的 。每一种都有它们自已特点。从性能价格比和实际需要上考虑， 本文 选用 列的 V/F 转换器。 采用换器与单片机的接中具有以下特点： 接口简单。输 入的频率信号只占用单片机的一根 I/O 口线，作为中断源或计数器输入信号。 抗干扰能力强。压 /频转换过程本身就是一个积分过程。用 V/F 变换实现 A/D 转换，就是一个频率计数过程。相当于在计数时间内进行积分，因此抗干扰能力强。 便于远距离传输。 该系统考虑到成本及性价比，选择了 U/F 变换器是通用型 U/F 变换器其主要特性为： 频率范围： 1Z 非线性：正负 单电源或双电源供电； 单电源 +5V 时也可保证转换精度； 低功耗： +5V 供电时功耗仅为 15 ，如图 示。 由图可以看出，只要在芯片外围接上适当电阻、就可构成基本应用电路。输入比较器将输入电平 x 时，启动单稳脉冲定时器，并导通频率输出晶体管和开关电流源，定时器的定时待侧信号 小电压 010V 信号 电压信号 图 ， 在这个周期中，电流 i 向电容 电，使 ，电流关断，定时器自行复位，同时 到 止。然后比较器再次启动定时器，开始下一个循环。由于注入 平均电流严格等于A V E o u tI i t f ，流出 平均电流严格等于。 这种 V/F 转换器能在较宽的频率范围内保证其输出频率严格正比于输入电压。 图 化功能框图 由式（ 2 u t （ 2 实际系统中 V/F 变换器电路如图 示。为了消除干扰，在输入端端上加一个 通滤波器，电容 F，电阻 00波器截止频率0 13 0 111 1 . 6 ( )2f H 设计中使 1V 电压对应的输出频率为 1000： )(（ 2 由上式得 ： )( 0 63 为了保正 V/F 电路的温度稳定性，电路中的电阻、电容选用温度稳定性高的器件。 C 2R 1C 1RR sC tR DV i 2 V+ 1 2 际 V/F 变换电路原理图 ，但却改变了 被测信号的读取方式，由原来的对 A/D 输出信号的直接读取变为对 V/F 变换器输出脉冲频率信号的读取。对频率信号的测量大致有两种 方法：一种是平均周期检测法，另一种是齿周期检测法。下面就分析 两种不同检测方法对信号精度的影响。 (1)平均周期检测法 平均 周期检测法的原理如图 示。定时器计数值 先设定，时钟频率 期为 0为定时时间。定时器控制计数器，定时器为 0 时，计数器开始计数：定时时间到，计数器停止计数，计数时间为0。如果计算值为 输入信号的待测频率为： )( 0 (2 14 绝对误差 ： )( 0 1N )(10 相对误差 ： 由相对误差表达式可以看出，计数值 大，测量精度越高，所以平均周期法适于高频信号的测量。 (2)齿周期检测法 齿周期检测法原理如图 示。外部待测频率为输入定时器，定时器的计数值定：时钟脉冲 入计数器，时钟脉冲频率为 期为 定时器控制计数器的启停。由于待测脉冲频率 f 未知，定时时间随待测频率变化的变量，式中 T 为待测脉冲的周期。如果在定时时间，计数器的计数 图 均周期检测法原理 图 周期检测法原理 则： 0)(0 相对误差由相对误差表达式可以看出，计数值 大，测量 精度越高。而 大对应的待测脉冲的频率越低，故齿周期法适于低频信号的检测。 本文的温度控制系统中使用了使用了 V/F 变换器，其输出频率在 010间。 在本文电路中，测温范围为 300 500 ， K 型温度传感器对应温度输出为 15 10 ，为提高测量精度，再通过放大器放大 5 倍，然后进行 V/F 转换输入单片机。 )(505101010001000 3 （ 2 本电路中频率的输出范围为 100 6000了满足低频范围信号的测量，在本文中选取齿周期检测法。 耦隔离技术 经过 V/F 转换的信号还不规则，有时会出现紊乱的现象为了使输出到单片机系统当中的脉冲信号呈整齐的波形在硬件电路中增加一光电耦合器与 D 触发器。 耦隔离 在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低，产生误动作，从而带来破坏性的后果。因此，若硬件上采用一些设计技术，破坏干扰信号进入测控系统的途径，可有效地提高系统的抗干扰能力。事实证明，采用隔离技术是一种简便且行之有效的方法。隔离技术是破坏 地 干扰途径的抗干扰方法， 硬件上常用光电耦合器件实现电 光 电的隔离，它能有效地破坏干扰源的进入，可靠地实现信号的隔离，并易构成各种功能状态。 光电耦合器亦称为光电隔离器或光电耦合器，简称光耦（ 它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器与受光器封装在管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了 “电 光 电 ”转换。普通光电耦合器只能传输数字信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光电耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓 宽。 典型的光电耦合电路如图 电路主要应用在模数转换的数字信号输出，及由 出的控制信号与模拟电路的接口处，从而实现在不同系统间信号通路相联的同时，在电气通路上相互隔离，并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离，起到抑制交叉串扰的作用。 16 R 2 36 2 0T I L 1 1 3O U T P U 电耦合电路原理图 图 耦隔离电路图 在本文中选择 精度高性能光电耦合器，它的内部电路结构为达林顿晶体管输出，所以它的工作速度较慢，电流输出比大。经 V/F 转 换得到的脉冲信号通过耦隔离后有些变形，经施密特触发器整形后再输入到单片机，可达到抗干扰，输出信号频率能够被精确测量的要求。 耦隔离电路 如图 号从 片输入端进入，并接一电阻起到缓冲作用减弱对芯片的冲击，当输入信号为高电平时，二极管导通发光使右边的电路导通起到隔离两边的电路，使其不受到对方的干扰。 9片机 概要 片机的硬件组成结构 本设计采用 片机作为核心控制单元，并利 用驱动器 7407 芯片来增强和 的总线驱动能力。 作计时器的外部输入端。 作报警显示，当其为低电平时二极管发光起到报警作用。 一种低功耗、高性能 有 8K 在系统可编程 储器。使用 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。片内 许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 、超有效的解决方案。 89片机引脚图 示。 89括以下标准功能 : 17 图 T 89 片机 与 8 1000次擦写周期 全静态操作： 033 三级加密程序存储器 32个可编程 I/ 三个 16位定时器 /计数器 全双工 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 引脚 说明 主电源引脚 20脚）：电源地电平。 40）脚：电源供电电压 外接晶振或外部振荡器引脚 19脚）：当外接晶振时，接外部晶振的一个引脚。片内振荡器 由一个单级反相器组成， 外部振荡器提供时钟信号时，图 9 18 则由 18脚）：接外部晶振的另一个引脚，片内为单级反相器的输入 当外部时钟源提供时钟信号时，则本引脚浮空。 多功能 I/3932脚 ）： 8们并行 I/为输出口时，每个管脚可带个 外扩存储器时，它定义为 8位地址总线。当定义为 I/准双向 I/写入 “1”后就成为高阻抗输入口。在对片内 0口接收字节代码，在程序校验时输出字节代码。程序校验期间应外接上拉电阻。 18脚）：内接上拉电阻的位准双向 I/负担 4个 2128脚）：内接上拉电阻的 8位准双向 I/接 4个 访问外部存储器时定义为高 8位地址线时，它将 输出特殊功能寄存器中内容。 1017脚）：内接上拉电阻的 8位准双向 I/接待 4个 控制、选通和复位引脚 9脚）：复位信号输入端。振荡器启振后，该引脚置高电平 ，并持续 2个周期以上系统进行复位；在定时监视器定时输出后引脚成高电平并持续 96个振荡周期。特殊功能寄存器 址 8的 认的 30脚）： 访问外部器件时 位地址打入锁存器。在 非访问外部器件期间， ，可用于外部数或时钟信号。 29脚）：访问外部程序存储器读选通信号。在访问外部程序存器读取指令码时，每个机器周期产生两次有效信号 ，输出两个 执行片内程序存储器取指令码时不产生此脉冲，在读写外部数据时，不产生 1脚 )： 0000H元访问外部程 序存储器，则 如果保密位被编程，则复位时内部锁存 则 000果外部还有扩展程序存储器，则 对片内 引脚施加 12果选用的 2 19 脚接法 2脚 )接来自键盘的中断信号。 3脚 )输 入经过处理的温度信号。触发器 74155进行 I/ 当温度较低就延长加热时间 ,当温度过高就减少其加热时间来维持温度的恒定。 盘及显示电路 键盘显示系统采用矩阵键盘和 3 个七段数码管 示，以实现用户的输入和数据 输出。键盘的 7 个键 来完成温度的预设以及控制系统的停止和启动。七个开关分别接在 的七个 I / O 口来完成参数的设置，并且和 6 个与门搭配来实现单片机的中断系统。当前的温度值通过 3 个七段数码管 示了。 图 盘控制电路图 图 盘控制电路图 20 图 示电路 电驱动 与 控制 电路设计 在本文中对该部分电路的设计，主要应解决两个问题：对强电（ 控制；弱电（ 89强电的隔离。 单片机测控系统的开关信号，往往是通过芯片给出的低压直流如 种电平信号一般不能直接驱动外设，而需经过接口转换等手段处理后才能用于驱动设备开启或关；许多外设产生的干扰如不加隔离可能会串到测控系统中造成系统误动作或损坏，因此在接口处理中亦应包括隔离技术。 常用的功率开关接口器件及电路有功率开关驱动电路及功率型光电耦合器、集成驱动芯片及固体继电器等。 其中，可控硅是一种大功率电器元件，也称晶闸管；它具有体积小、效率高、寿命长等优点。在单片机控制系统中，可作为大功率驱动器件，以实现用小功率控制大功率。 控硅的工作原理 可控硅整流器（ 一种三端固态器件，其阳极相当于晶体管的集电极，阴极相当于基极。可控硅整流器只工作在导通或截止状态，故可作为开关器件。使 般输出负载电流和输入驱动电流之比大于 1000，是较为理想的大功率开关器件。但是，由于 部的反馈特性，它一旦导通，即使去掉门控电流也不会截止，如果负载电流去掉以后再加上，则 变为截止。由于这一特性， 交流功率开关电路中得到了广泛的应用，因为交流电在每半个周期都会过零一次，开关截止都不成问题 。所以在本文中通过控制可控硅的通断对强电（ 行控制。 21 图 控硅实物图 控硅控制电路的设计 在本文的可控硅控制电路中，要求在电源电压为零或刚过零时触发可控硅，减少可控硅导通时对电源的影响。这种触发方式，称为过零触发。过零触发需要过零检测电路，有些光电耦合器内部含有过零检测电路，如 如图 示就是本文所采用的 向可控硅触发电路。 双向可控硅输出型的光电耦合器，输 出端额定电压是 600V,最大重复浪涌电流为 1A，最大电压上升率 dV/ 1000 ，一般可达 2000 ，输入输出隔离电压大于 7500V。输入控制电流为 15 该电路的工作原理是：当 89电平时 ,脚和 4脚之间的电压稍过零时 ,内部双向可控硅导通 ,触发外部双向可控硅 通。当 向可控硅 图 过零触发的双向可控硅触发电路 图 限流电阻，使输入级的发光二极管（ 流不超过 1 3 ）（）（）（ （ 2 式中 户移相控制信号低电平输出端电压； 89 S 52P 1 . 0M O C 3061 负载 4C 220 R 27407R 1V 2 红外发光二极管的正向电压，约 红外发光二极管的正向连续工作电流，约 15工作温度在 25以下，适当增加。 所以，在实际电路中， 80电阻。 有小于或等于 500 入电阻 限流电阻，用于限制流经 A。 0V，所以限流电阻取稍大于 20，本文中选取 7。 触发双向可控硅的限流电阻，其值由交流电网峰值电压及触发器输出端允许峰值浪涌电流决定，可按下式选取： 3 2 2 0 2 1 3 0 8P T S I （ 2 式中 流电路中的峰值电压； 值浪涌电流（一般可取 1A）。 实际 电路中，我们选用的是 330 电阻作为 另外， 39 电阻和 容组成浪涌吸收电路，防止损坏双向可控硅。 压装置 其基本的工作过程都是：高频振荡产生低压脉冲 脉冲变压器升压到预定电压值 脉冲整流获得高压直流电，因此直流升压电路属于 C 电路的一种类型。 图 最后 本文得到温度控制电路总图 如下： 23 图 3 温度控制器的程序设计 制算法的研究 我们用单片机系统对加热过程进行控制。在本文的极化装置中，加热的一个很重要的指标是温控精度。 温控精度一方面由温度采样和加热控制时所能达到的最小差别决定，这些由硬件决定。这里讨论温控精度的另一方面：恒温保持的稳定性。在极化的整个过程当中，加热器需要做到恒温保持。事实上任何控制系统都做不到真正的恒温保持，温度总是围绕默认值不停地振荡。我们要做的就是追求尽可能小的振荡幅度。最基本的控制方法是采样极化槽内温度，高于默认值就断开 加热，低于默认值就接通加热。由于加热器件的物理惯性，槽内温度每次等于预设温度后，都会发生较大的过冲。从控制论的原理考虑，这是因为反馈信息只有被控制量的当前值，不能反映被控制量的变化趋势。我们采用了 制方法，用被控制量的当前值和一阶导数作为反馈信息，利用单片机软件实现，实验结果得到了比较满意的振荡幅度。 制原理 自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量适当的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。本文的控制算法采用了 制 。 例 积分 微分）控制器是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，使用中不需精确的系统模型等先决条件。因而，成为应用最为广泛的控制器。 制器是根据系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 24 如图模拟 制系统原理框图所示，输入值 )(测量值 )(比较，得出偏差)()()( ，然后对偏差 )(行处理，并将各个作用通过线性组合构成控制作用 )( 图 拟 其中，与 )(比例的分量，称为比例控制作用 )(P ； 与 )(时间积分 t (成比例的分量，称为积分控制作用 0 )(； 与 )(时间的导数成比例的分量，称为微分控制作用 D /)( 。 式中， 控制器的比例系数， 控制器的积分系数， 控制器的微分系数。 )()(1)()( 0 dt t （ 3 或 )()11()( （ 3 式中 具有时间量纲，分别称为积分时间常数和微分时间常数。 当上述控制算法公式只包含比例控制作用时，称为比例（ P）作用；只包含积分控制作用时，称为积分（ I）作用；但只包含微分控制作用的单纯微分（ D）作用是不采用的，因为它不能起到使被控变量接近设定值的效果；只包含比例控制作用和积分控制作用的是 包含比例控制作用和微分控制作用的是 用；同时包含这三个作用的为 用。 数字离 散 的特点是采样控制，每个被控变量的测量值隔一定时间与设定值比较一次，按照预定的控制算法得到输出值，通常还把它保留到下一次采样时刻。这里只能获得 )()()( ，而 ,2,1k 的数据。因此，比例作用只能采样进行，积分作用须通过数值积分，微分作用须通过数字 25 微分，通常用差分方法。 一类叫作位置算法，直接给出 )(第二类叫作增量算法，给出 )1()()( 第三类叫作速度算法，给出 )()(，式中的 t 为采样周期。 位置算法如下： )1()()()()1()()()()(003 式中 ，增量算法如下： )2()1(2)()()1()() ) 2()1()1()()()()1()()(3 速度 算法如下： （ 3 制参数整定 在 了使调节过程达到满意的品质，设置和调节 在 P、 I、 D 三个作用中，比例系数 往是最基本的控制作用，它可以加快系统的响应速度，提高系统调节精度。 大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，也就是对偏差的分辨率（重视程度）越高，但将产生超调，甚至导致系统不稳定。 值过小，则会降低调节精度，尤其是使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 积分作用系数 作用在于消除系统的稳态误差。 大，系统静态误差消除越快，但 大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若 小，将使系统静差难以消除，影响系统的调节精度。 微分作用系数 作用在于改善系统的动态特性。因为 制器的微分作用)2()1(2)()()()(/)()(2 6 环节是响应系统偏差变化率的，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差变化进行提前预报。但 大，则会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且系统的抗干扰性能较差。 括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。主要有对数频率特性法和根轨迹法等。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用， 还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛应用。工程整定方法主要包括经验法、临界比例法、反应曲线法和衰减法等。 由于本系统中 值直接决定了整个系统的精度，本系统采用了简便并且实用的方法：比如我们的加热范围为 0 200，我们如何得到 0 200的加温比例数据呢？我们假定只考虑 简单的比例控制算法，我们的控制范围为 200度，则设定温度与实际温度的差的最大值就是 200（度），我们就用它去输出，这时的参数1，当我们为了提高加热速度，而使受控的区域缩小，例
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