电磁加热设计(电磁炉).doc

本本科毕业论文 设计 科毕业论文 设计 论文 设计 题目 论文 设计 题目 可编程电磁加热系统设计 学学 院 院 专专 业 业 班班 级 级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 2011 年 05 月 20 日 贵州大学本科毕业论文 设计 贵州大学本科毕业论文 设计 诚信责任书诚信责任书 本人郑重声明 本人所呈交的毕业论文 设计 是在导师的 指导下独立进行研究所完成 毕业论文 设计 中凡引用他人已经 发表或未发表的成果 数据 观点等 均已明确注明出处 特此声明 论文 设计 作者签名 日 期 贵州大学本科毕业论文 设计 第 I 页 摘要 VI ABSTRACT VII 前言 1 第一章 电磁加热设计的意义及任务 2 1 1 电磁加热的意义 2 1 2 设计任务 2 第二章 电磁加热的工作原理 3 2 1 电磁加热电控部分工作原理 3 2 2 电磁加热的加热原理 3 第三章 主要电路组成及分析 4 3 1 MCU 电路 5 3 1 1 复位电路 5 3 1 2 晶振电路 5 3 2 串行接口电路 6 3 3 LC 振荡电路 7 3 4 同步及振荡电路 9 3 5 IGBT 高压保护电路 10 3 6 PWM 脉宽调控电路 10 3 7 IGBT 驱动电路 11 3 8 浪涌保护电路 12 3 9 电流检测电路 12 3 10 电压检测电路 13 3 11 电源供电电路 14 3 12 蜂鸣器报警电路 14 3 13 IGBT 温度检测电路 15 贵州大学本科毕业论文 设计 第 II 页 3 14 风扇驱动电路 15 第四章 主要元器件的介绍 17 4 1 IGBT 17 4 1 1 定义 17 4 1 2 防静电 17 4 1 3 测量方法 18 4 2 MCU 18 4 2 1 性能特点 18 4 2 2 引脚介绍 20 4 3 MAX232 21 第五章 系统的软件设计 23 第六章 系统的制作 焊接与调试 24 6 1 系统的制作 24 6 2 系统的焊接 24 6 3 系统的调试 24 设计总结 26 参考文献 27 致谢 28 附录 29 附录一 系统的程序清单 29 附录二 可编程电磁加热系统控制电路原理图 36 附录三 可编程电磁加热系统功率电路的原理图 37 附录四 可编程电磁加热系统电路的 PCB 图 38 附录五 可编程电磁加热系统的元件清单 39 贵州大学本科毕业论文 设计 第 III 页 可编程电磁加热系统设计 摘要 根据 IGBT 的特点及电磁加热的原理 本文提出一种用单片机控制的电磁加热的 方法 同时给出软硬件的设计方法 设计过程中包括硬件电路设计和软件程序编写两 个方面 本系统硬件利用单片机作为 CPU 进行总体控制 通过 IGBT 驱动形成高频交 流电 从而产生 LC 震荡回路 线圈盘上就会产生交变磁场 磁力线就会在被加热的物 体反复切割变化 使被加热的物体产生环状电流 涡流 并利用无数的小涡流高速 振荡铁分子 致使器皿本身自行高速发热 然后通过热量传递原理 使器皿加热盛装 在其内的东西 这种振荡生热的加热方式 能减少热量传递的中间环节 大大提高制 热效率 这种加热方式无论是在民用或者工业上都具有非常高的应用价值 在民用上可用 于烹饪食物 如 家用电磁炉 电磁加热在工业上也用非常高的应用价值 可广泛用 于塑料加工 食品加工等方面 更是具有热销率高 干净卫生 使用方便 使用安全 等各种优点 关键词 单片机 电磁加热 IGBT 电磁炉 贵州大学本科毕业论文 设计 第 IV 页 Programmable electromagnetic heat system design Abstract According to the characteristics and IGBT the principle of electromagnetic heating this paper proposes a kind of control of the MCU electromagnetic heating method is presented and the design method of software and hardware the design process including hardware circuit design and software programming two aspects This system hardware microcontroller as CPU in overall control through IGBT drive formation thus produce high frequency ac circuit Shaken LC Induction cooker coil plate can produce alternating magnetic field field will in heated object change make the cut repeatedly heated objects produce circular current eddy current and using countless small eddy current high speed oscillation iron molecules led by vessels itself then through high fever heat transfer principle the vessels in the things which heat costumes The oscillation heat generating heating mode can reduce the heat transfer the intermediate links greatly improving heating efficiency This heating mode whether in civil or industry has very high application value Can be used in civil on cook food such as household induction cooker Electromagnetic heating in industry also use very high application value which can be widely used in plastics processing food processing etc Have more pollution etc advantages Keywords microcontroller electromagnetic heating IGBT induction cooker 贵州大学本科毕业论文 设计 第 1 页 前言 随着我国经济水平的发展及当即科技水平的发展电磁加热也越来越普及 无论 是在民用或者是工业上都具有极高的应用价值及研究价值 在民用方面 电磁炉已经成为人们日常生活主要烹饪工具 已普及到千家万户 在工业方面 电磁加热系统已经普遍用于塑料加工 食品加工等方面 电磁加热主 要是通过震荡生热的加热方式 这种方式能减少热量传递的中间环节 大大提高制 热效率 电磁加热系统是应用高频感应涡流生热的原理设计制造的 它具有热销率 高 干净卫生 使用方便 使用安全等各种优点 随着电子技术的不断发展 单片 机技术的日益成熟 和多媒体技术的普遍应用 使得电磁加热系统更加完善 本设 计根据 IGBT 的特点及电磁加热的原理 本文提出一种用单片机控制的电磁加热的方 法 本设计的论文包括硬件电路设计和软件程序设计两个方面 在本设计论文的结 尾 分别附有与本设计相关的资料 包括设计系统主程序 系统原理图 元件清单 等 贵州大学本科毕业论文 设计 第 2 页 第一章 电磁加热设计的意义及任务 1 1 电磁加热的意义 随着我国经济水平的发展及当即科技水平的发展电磁加热也越来越普及 无论 是在民用或者是工业上都具有极高的应用价值及研究价值 其应用越来越广泛 利 用电磁加热具有热销率高 干净卫生 使用方便 使用安全等各种优点 因此设计 出一台好的电磁加热系统是非常有必要的 1 2 设计任务 本设计根据 IGBT 的特点及电磁加热的原理 本文提出一种用单片机控制的电磁 加热的方法 同时给出软硬件的设计方法 设计过程中包括硬件电路设计和软件程 序编写两个方面 本系统硬件利用单片机作为 CPU 进行总体控制 通过 IGBT 驱动形 成高频交流电 从而产生 LC 震荡回路 线圈盘上就会产生交变磁场 磁力线就会在 锅具底部反复切割变化 使被加热物体产生环状电流 涡流 并利用无数的小涡 流高速振荡铁分子 致使被加热物体本身自行高速发热 然后通过热量传递原理 使器皿加热盛装在其内的东西 该电磁炉设计结构简单 使用灵活 功能稳定 无 论对于社会或者科研也有一定的研究价值 贵州大学本科毕业论文 设计 第 3 页 第二章 电磁加热系统的工作原理 本章主要阐述了电磁加热系统的工作原理及其加热原理 让读者对电磁加热的 工作原理及加热原理有个初步的了解 2 1 电磁加热电控部分工作原理 图 2 1 系统结构设计图 2 2 电磁加热的加热原理 电磁加热主要是利用电磁感应原理将电能转换为热能 当次系统在正常工作时 由整流电路将 50Hz 的交流电压变成直流电压 再经过 控制电路将直流电压转换成频率为 20 40KHz 的高频电压 线圈盘上就会产生交变磁 场 磁力线就会在锅具底部反复切割变化 使被加热物体产生环状电流 涡流 并利用无数的小涡流高速振荡铁分子 致使器皿本身自行高速发热 然后通过热量 传递原理 使器皿加热盛装在其内的东西 这种振荡生热的加热方式 能减少热量传递的中间环节 大大提高制热效率 此系统是应用高频感应涡流生热的原理设计制造的 利用电磁加热具有热销率 高 干净卫生 使用方便 使用安全等各种优点 贵州大学本科毕业论文 设计 第 4 页 第三章 主要电路组成及分析 本设计电路可以从功能模块上划分成以下主要的 14 个电路模块 本节将对 14 个模块的实际电路原理进行阐述 MCU 部分 串行接口电路 LC 振荡电路 同步振荡电路 IGBT 高压保护电路 PWM 脉宽调控电路 IGBT 驱动电路 浪涌保护电路 电流检测电路 电压检测电路 5V 电源 蜂鸣器报警电路 IGBT 温度检测电路 风扇驱动电路 电路模块结构图 贵州大学本科毕业论文 设计 第 5 页 3 1 MCU 电路 如图 3 1 所示 MCU 电路部分主要用单片机 复位电路及晶振电路构成 图 3 1 MCU 电路图 3 1 1 复位电路 在 STC12C1410 单片机中的振荡器运行时 RST 引脚上保持到少 2 个机器周期 的高电平输入信号 复位过程即可完成 根据此原理 本设计采用上电复位嵌套在 系统中 增强了系统的实用性 如图 3 1 所示 3 1 2 晶振电路 STC12C1410 在工作时需要外部提供时钟信号 因此 本设计选择在其 XTALX2 脚与 XTAL1 脚之间接上 11 0592MHz 的晶振 为单片机提供 1 s 的机器 贵州大学本科毕业论文 设计 第 6 页 振荡周期 其电路连接图如图 3 1 所示 在图中 电容器 C19 C20 起稳定振荡频率 快速起振的作用 其电容值一般在 20 50pF 3 2 串行接口电路 本设计中单片机和 PC 机之间通信的电平转换采用 MAX232 芯片来实现 由于 单片机是 TTL 电平 PC 机是标准的 RS 232 正负逻辑状态 所以它们之间只有经过 相互转换之后才能互相连接 RS 232 标准是美国 EIA 和 BELL 公司一起开发的一种 通信协议 它适合于传输速率在 0 20000bit s 范围内的通信 本设计中 MAX232 其主要分为 5 个部分 如图 3 2 所示 1 外接电容 外接有 5 个 0 1 F 瓷片电容 作用是对电压的匹配和电源的去 耦 2 TTL 的输入 两路 TTL 电平的输入引脚 10 脚和 11 脚 连接单片机的 TXD 输出端口 3 TTL 的输出 两路 TTL 电平的输出引脚 9 脚和 12 脚 连接单片机的 RXD 输出端口 4 RS 232 的输入 两路 RS 232 逻辑电压的 输入引脚 8 脚和 13 脚 连接 RS 232 的 TXD 输出端口 5 RS 232 的输出 两路 RS 232 逻辑电压的输出引脚 7 脚和 14 脚 连接 RS 232 的 TXD 输出端口 图 3 2 串行接口电路 贵州大学本科毕业论文 设计 第 7 页 贵州大学本科毕业论文 设计 第 8 页 3 3 LC 振荡电路 元件组成如图 5 1 谐振电容 C1 电感线圈 L IGBT LC 振荡电路是整个电路的核心部分 是电能转换成为电磁能的实现部分 其中 L 是指接在 LIN 和 LOUT 之间的线圈盘 而 C 则为并在 L 之间的电容 C1 电路通过 IGBT 的高频开关 一般频率在 20K 30K 形成 LC 振荡 从而在 L 上 形成高频变化 的电流 变化的电流又使得 L 产生变化的电磁波 图 3 3 LC 振荡电路 下图是根据 LC 振荡工作原理 绘制的示意图 T1 T2 IGBT 控制极为高电平 IGBT 饱和导通 电流 I1 从电源流过线盘 L 电 能转换为磁能存储在线盘上 贵州大学本科毕业论文 设计 第 9 页 T2 T3 IGBT 控制极为低电平 关断 IGBT 由于电感不允许电流突变 电流 I2 流向电容 C1 能量转移到 C1 I2 减到最小时 也就是线盘的能量全部放完时 VC 达到最高 T3 T4 电容开始通过线盘方向放电 所以此时 I3 为负向 电容的能量转移线 盘上 VC 最低时 反向电流 I3 最大 T4 T5 此时 IGBT 开通 但由于感 抗的作用 不允许电流突变 负向电流 I4 继续向电容 C1 充电直至为 0 所以 在一个高频的周期里 T2 T3 的 I2 是线盘磁能对电容 C1 的充电电流 T3 T4 的 I3 逆程脉冲峰 压通过 L1 放电得电流 T4 T5 得 I4 是 线盘两端的电动势反向时形成的阻尼电 流 因此 IGBT 的导通电流实际是 I1 IGBT 的电压变化 在静态时 VC 为输入电源经过整流滤波后得直流电源 T1 T2 IGBT 饱和导通 VC 接近地电位 T4 T5 VC 为负压 T2 T4 也就是 LC 自 由震荡得半个周期 VC 上出现峰值电压 在 T3 时 VC 达到最大值 以上证明两个问题 一是在高频电流得一个周期中 只有 I1 是电源供给线盘能 量的 所以 I1 的大小就决定加热功率的大小 同时脉冲宽度越大 T1 T2 的时间就 越长 I1 就越大 反之亦然 所以要调节加热功率 只需要调节脉冲宽度 二是 LC 自由震荡的半个周期是出现峰值电压的时间亦是 IGBT 的截止时间 也是开关脉冲没 有到达的时间 这个时间关系是不能错位的 如果峰值脉冲还没有消失 而开关脉 冲已提前到来 就会出现很大的瞬间电流导致 IGBT 烧坏 因此必须保证开关脉冲的 前沿与峰值脉冲后沿同步 贵州大学本科毕业论文 设计 第 10 页 3 4 同步及振荡电路 元件组成 R4 R5 R6 R7 R13 R15 C24 LM339N 等组成 电磁炉功率控制的核心电路 主要作用是从 LC 振荡中取得同步信号 注注 1 1 根据同步信号振荡产生锯齿波 为 IGBT 提供前级驱动波形 此电路的输入信号是线 盘两端 即 LIN 和 LOUT 的谐振波形 U6 的 P3 7 脚输出控制 IGBT 前级的 PWM 信 号 如图所示 其信号取自LC振荡的电容C5两端的分压 一路经过R4 R5 R13 得 到相位电压A 点 送到LM339N的9脚 另一路经过R6 R7 R15 得到相位电压B 点 送到LM339N8脚 LM339N得到两者信号 并经过内部处理 从而得到可控制的同步 PWM 并从单片机的的P3 7脚输出 注注 1 1 同步信号 IGBT 在导通时 其 C 极电压越低 IGBT 内部的损耗越小 反 之则损耗越大 当 IGBT 内部损耗过大 则 IGBT 内部发热严重而导致烧坏 在理想 状态 C 极电压为零时开通 IGBT 其内部损耗 W UcI 0 但实际上在电磁炉上电后 C 极电压不可能为 0V 所以 只能取 IGBTC 极最低的电压时开通 IGBT 使 IGBT 的 开关损耗最小 所以 同步信号就是 IGBTC 极电压最低时的检测信号 也就是最佳 的 IGBT 开通时机 图 3 4 同步振荡电路 贵州大学本科毕业论文 设计 第 11 页 3 5 IGBT 高压保护电路 元件组成 R8 R16 R17 R18 R27 R49 R53 Q10 U6 P1 4 脚 在一定的条件下 IGBT 的 C 极导通时间越长 电磁炉的功率越大 IGBT 的 C 极 的电压就越高 当电压过高 IGBT 管就会烧坏 因此需要此电路进行保护 如图 IGBTC 极电压经过 R8 R16 R17 R18 分压后再经过 R49 Q10 R53 到单 片机的 P1 4 脚进行控制 确保 IGBT 的 C 极高压不高于 1100V 否则 IGBT 将非常容 易被烧坏 图 3 5 IGBT 高压保护电路 3 6 PWM 脉宽调控电路 元件组成 R42 R43 U6 P3 7 脚 等 脉宽调控电路是由 CPU 内部根据不同档位单片机 P3 7 脚并配合同步信号自动输 出 PWM 脉宽控制 IGBT 的占空比 从而影响功率的大小 PWM 的占空比越大 IGBT 驱 动脉宽就越宽 则电磁炉的输出功率就越大 反之越小 CPU 通过控制 PWM 脉冲的宽与窄 控制送至振荡电路的加热控制电压 控制 IGBT 导通时间的长短 脉冲宽度 结果控制了加热功率的大小 贵州大学本科毕业论文 设计 第 12 页 图 3 6 PWM 脉宽调控电路 3 7 IGBT 驱动电路 元件组成 R29 R30 R32 Q2 Q4 等 振荡电路产生的驱动信号电压较低 基本在 4 5V 之间 不能驱动 IGBT 所以 要将这电压放大到 20V 以更好地驱动 IGBT 此电路分为两部分 由 Q2 Q4 组成的推挽电路 驱动波形通过由两个三极管 Q2 Q4 组成的推 挽电路 将输出 Vout 电压提高到 20V 由 LM339N2 脚组成的 IGBT 使能控制电路 当 LM339N2 脚为低电平时 Q4 导通 从而拉低 IGBT 基极 则 IGBT 驱动电路不工作 当 LM339N2 脚为高电电平时 IGBT 启动 3 7 IGBT 驱动电路 贵州大学本科毕业论文 设计 第 13 页 3 8 浪涌保护电路 元件组成 R3 R11 R12 D15 C28 U6 P1 5 脚 等 电磁炉在使用过程中 如果电网电压不稳 高压脉冲 一般高于 400V 冲击电 磁炉 造成电磁炉 IGBT 击穿 浪涌保护电路就是为了防止此浪涌高压对电磁炉的损 坏而设计的 图 3 8 浪涌保护电路 浪涌电路的信号取样于电网电压整流后的信号 市电经过 D15 D14 LM339N 等送 入单片机的 P1 5 脚取样 当电源电压正常时 P1 5 脚为低电平 约 0 8V 经过 U6 内部处理后不影响后级 IGBT 使能控制电路 当电源突然有浪涌电压输入时 造 成 P1 5 脚 电压升高为高电平 约高于 2 5V 控制 IGBT 驱动电路使 IGBT 截止 停止工作从而保护 IGBT 管 3 9 电流检测电路 元件组成 U6 P1 0 脚 VR1 R20 R21 等 电流进过 VR1 R21 等送入单片机的 P1 0 脚 CPU 根据检测此电压信号的变化 来检测电磁炉的输入电流 从而自动做出各种动作 1 工作时 单片机时刻检测电流的变化 根据检测到的电压及电流信号 自动 调整 PWM 做功率恒定处理 2 工作时 单片机时刻检测电流的变化 当电流变化过大时 做无锅具的判断 贵州大学本科毕业论文 设计 第 14 页 VR1 是 0 欧到 500 欧姆的可调电阻 主要是通过此调节电阻来调整因为结构误 差引起的功率偏差 通过调节此电阻来改变电流检测的基准 达到调节电磁炉输出 功率大小的目的 当 VR1 增大时 相应的电流检测的电压会提高 在输入电流一定 的情况下 输出感应出来的电压相应提高 那么电流检测的 AD 值的会提高 根据软 件恒功的要求 功率会相对下降 图 3 9 电流检测电路 3 10 电压检测电路 元件组成 R1 R2 R10 C3 U6 P1 1 脚 电压信号取自电磁炉电源交流输入 通过 R1 R2 R10 C3 得到信号送到单片机 P1 1 口 CPU 根据检测此电压信号的变化来检测电磁炉的输入电压 从而自动做出各种 动作 1 工作时 单片机时刻检测电压的变化 若电压过高或过低时 一般 250V 150V 电压为正常 单片机将会发出保护的指令 停止加热 并显示代码 待电压恢复正常后 电磁炉自动恢复继续工作 2 工作时 单片机时刻检测电压的变化 根据检测到的电压及电流信号 自动 调整 PWM 做功率恒定处理 贵州大学本科毕业论文 设计 第 15 页 图 3 10 电压检测电路 3 11 电源供电电路 元件组成 T1 R19 C7 BG2 D2 等 此电源模块将 220V 交流电经过变压器和桥式整流器稳压管 D2 得到 5V 电源 5V 电源用于单片机 显示板 信号采样提供基准等电路 3 12 蜂鸣器报警电路 元件组成 R13 R14 Q1 B2 U6 P1 6 通过一个 PNP 管驱动蜂鸣器 当单片机 P1 6 为低电平时 Q1 截止蜂鸣器不工作 当单片机 P1 6 输出高电平时 Q1 导通 蜂鸣器正常工作发出报警声音 图 3 12 蜂鸣器报警电路 贵州大学本科毕业论文 设计 第 16 页 3 13 IGBT 温度检测电路 该检测热敏电阻紧贴在 IGBT 散热片上面 具有负温度特性的热敏电阻的阻值的 变化间接反映了 IGBT 温度的变化 根据热敏电阻的负温度特性可知 温度越高 热 敏电阻阻值就越小 分压所的的电压 IGBT TEMP 就越大 单片机就是通过检测 IGBT TEMP 电压的变化间接检测 IGBT 的温度的变化 从而做出相应的动作 热敏电阻 RT1 1 高温保护 当检测到 IGBT 温度高于 90 100 时 电磁炉将会停止加热待 到温度下降到 60 70 后恢复加热 当 IGBT 温度高于 110 时 电磁炉将会立 即停止加热并保护显示高温代码 E6 保护 IGBT 2 热敏异常保护 当热敏电阻异常时 短路 短路 电磁炉将不能启动或保护 显示保护代码 图 3 13 IGBT 温度检测电路 3 14 风扇驱动电路 元件组成 D16 R17 Q3 风扇 U6 P1 7 风扇使用 12V 的风扇 电路由 D16 R17 Q3 构成 当 FAN 口为高时 Q1 导通 风扇工作 当 FAN 口为低时 Q3 截止 风扇关断 由于风扇为感性负载 Q3 关断后 风扇仍有电流 电流可通过 D16 放掉 在电磁炉很多方案中 风扇驱动控制口 FAN 和蜂鸣器驱动端口 BUZ 复用同一个单片机端口 所以 在蜂在蜂鸣器鸣叫时输出方 贵州大学本科毕业论文 设计 第 17 页 波 风扇会暂时减慢 但由于鸣叫时间很短 短于 1S 而风扇转动时存在惯性 所以转动减慢不明显 并不影响实际效果 图 3 14 风扇电路 贵州大学本科毕业论文 设计 第 18 页 第四章 主要元器件的介绍 本章主要对本系统中主要的元器件进行介绍 其目的是让读者更好的理解后面 的内容 4 1 IGBT 4 1 1 定义 绝缘栅双极晶体管 Iusulated gate bipolar transistor 俗称 IGBT 本质 上是一个场效应晶体管 只是在漏极和漏区之间多了一个 P 型层 根据国际电工委 员会的文件建议 其各部分名称基本沿用场效应晶体管的相应命名 4 1 2 防静电 IGBT 的 VGE 的耐压值为 20V 在 IGBT 模块上加出了超出耐压值的电压的场合 由于会导致损坏的危险 因而在栅极 发射极之间不能超出耐压值的电压 这点请注 意 在使用装置的场合 如果栅极回路不合适或者栅极回路完全不能工作时 珊极 处于开路状态 若在主回路上加上电压 则 IGBT 就会损坏 为防止这类损坏情况 发生 应在栅极一发射极之间接一只 10k 左左的电阻为宜 此外 由于 IGBT 模块为 MOS 结构 对于静电就要十分注意 因此 请注意下面 几点 1 在使用模块时 手持分装件时 请勿触摸驱动端子部份 2 在用导电材料连接驱动端子的模块时 在配线未布好之前 请先不要接上模块 3 尽量在底板良好接地的情况下操作 4 当必须要触摸模块端子时 要先将人体或衣服上的静电放电后 再触摸 5 在焊接作业时 焊机与焊槽之间的漏泄容易引起静电压的产生 为了防止静电的 产生 请先将焊机处于良好的接地状态下 6 装部件的容器 请选用不带静电的容器 贵州大学本科毕业论文 设计 第 19 页 4 1 3 测量方法 1 用数字万用表的欧姆档分别正反两次测量 不带内置二极管 IGBT 的 C E 之间阻值大小 阻值非常大 则 IGBT 正常 如果二者之间阻值很小 则 IGBT 击穿 损坏 2 用数字万用表的欧姆档测量 带有内置二极管 IGBT 的 C 红表笔 E 黑表笔 之间阻值大小 阻值非常大 则 IGBT 正常 测量 C 黑表笔 E 红 表笔 之间阻值大小 有一定的阻值 内置二极管的阻值 IGBT 正常 若测量任 意两脚间的阻值很小 则说明 IGBT 击穿损坏 图 4 1 1 IGBT 4 2 MCU 在本系统中选择由宏晶科技生产 STC12C5410AD 系列单片机 STC12C5410AD 是 高速 低功耗的新一代 8051 单片机 全新的流水线 精简指令集结构 内部集成 MAX810 专用复位电路 4 2 1 性能特点 贵州大学本科毕业论文 设计 第 20 页 此系列与 AT89C5 系列相比它具体更丰富的片内资源及功能 其主要特性如下 1 增强型 1T 流水线 精简指令集结构 8051CPU 2 工作电压 5 5V 3 4V 5V 单片机 3 8V 2 0V 3V 单片机 3 工作频率范围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 4 用户应用程序空间 12K 10K 8K 6K 4K 2K 字节 5 片上集成 512 字节 RAM 6 通过 I O 口 27 23 个 复位后为 准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可设置成四种模式 准双向口 弱上拉 推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 7 ISP 在系统可编程 ASP 在应用可编程 无需专用编程器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 数秒即可完成一片 8 EPROM 功能 9 看门狗 10 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶振 20M 以下时 可省外部复位 电路 11 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部 R C 振荡器 用户在下载用户程序时 可选择是使用内部 R C 振荡器还是外部晶体 时钟 常温下内部 R C 振荡器频率为 5 65MHz 5 95MHz 精度不高时 可选择使用内部时钟 但因为有温漂 应认为是 5MHz 6 5MHz 12 共 2 个 16 位定时器 计数器 13 PWM 4 位 PCA 可编程计数器阵列 也可用来在实现 4 个定时器 14 ADC 10 位精度 ADC 共 8 路 15 通用异步串行口 UART 16 SPI 同步通信口 主模式 从模式 17 工作温度范围 0 75 40 85 18 封装 PDIP 28 SOP 28 PDIP 20 SOP 20 TSSOP 20 PLCC 32 贵州大学本科毕业论文 设计 第 21 页 STC12C5410AD 单片机中包含中央处理器 程序存储器 Flash 数据存储器 RAM EEPROM 定时 计数器 I O 接口 UART 接口和中断系统 SPI 接口 高速 A D 转换模块 PWM 或捕捉 比较单元 以及硬件看门狗 电源监控 片内 RC 振荡器等模块 可以说 STC12C1410AD 单片机几乎包含了数据采集和控制中 所需的所有单元模块 可称得上一个片上系统 SOC 可以很容易地构成典型的 测控系统 图 4 2 1 STC12C5410AD 的塑封图 4 2 2 引脚介绍 STC12C5410 系列单片机分别有有 40 28 20 个引脚的封装 在系统中所选用 的封装为 DIP28 如图 4 2 2 所示 图 4 2 2 MCU 的引脚图 贵州大学本科毕业论文 设计 第 22 页 1 VCC 28 脚 供电电压 一般接 5V 电压 2 GND 14 脚 接工作地 3 P1 口 18 25 脚 4 P2 口 1 2 26 27 15 16 12 13 脚 5 P3 口 4 5 8 11 17 脚 6 RST 3 脚 复位输入端 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周 期的高电平时间 7 XTAL1 7 脚 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 如采用外 部时钟源时 XTAL1 为输入端 8 XTAL2 8 脚 振荡器反相放大器的输出端 如采用外部时钟源时 XTAL2 应悬空不接 4 3 MAX232 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS 232 标准串口设计的单电源电平 转换芯片 使用 5v 单电源供电 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS 232 标准串口设计的单电源电平转换芯片 使用 5v 单电源供电 4 3 1 引脚介绍 第一部分是电荷泵电路 由 1 2 3 4 5 6 脚和 4 只电容构成 功能是 产生 12v 和 12v 两个电源 提供给 RS 232 串口电平的需要 第二部分是数据转换通道 由 7 8 9 10 11 12 13 14 脚构成两个 数据通道 其中 13 脚 R1IN 12 脚 R1OUT 11 脚 T1IN 14 脚 T1OUT 为 第一数据通道 8 脚 R2IN 9 脚 R2OUT 10 脚 T2IN 7 脚 T2OUT 为第二数据 通道 贵州大学本科毕业论文 设计 第 23 页 TTL CMOS 数据从 T1IN T2IN 输入转换成 RS 232 数据从 T1OUT T2OUT 送 到电脑 DB9 插头 DB9 插头的 RS 232 数据从 R1IN R2IN 输入转换成 TTL CMOS 数据后从 R1OUT R2OUT 输出 第三部分是供电 15 脚 GND 16 脚 VCC 5v 图 4 3 MAX232 引脚图 4 3 2 主要特点 1 符合所有的 RS 232C 技术标准 2 只需要单一 5V 电源供电 3 片载电荷泵具有升压 电压极性反转能力 能够产生 10V 和 10V 电压 V V 4 功耗低 典型供电电流 5mA 5 内部集成 2 个 RS 232C 驱动器 6 内部集成两个 RS 232C 接收器 贵州大学本科毕业论文 设计 第 24 页 第五章 系统的软件设计 本设计的软件部分主要是有单片机 P3 7 脚产生脉冲驱动 IGBT 管 但本系统中 软件部分实际的关键在于各个保护电路的程序设计 下图出本次设计的软件流程图 贵州大学本科毕业论文 设计 第 25 页 如流程图所示 当启动程序以后 P3 7 产生 PWM 脉冲以驱动 IGBT 管 从而使 本设计工作 在工作过程中 不断的对同步振荡 IGBT 温度 IGBT 高压 浪涌 电压 电流等进行检测 当其中某一环节出现问题后 系统停止工作 从而保护了 本设计不被烧坏 如 当 IGBT 温度过高超过设定值后 本设计就会停止工作 因此 本设计的软件部分关键是在于各个保护电路的设计 只保护电路部分设 计好后 本设计才能安全 稳定 正常的工作 贵州大学本科毕业论文 设计 第 26 页 第六章 系统的制作 焊接与调试 本章主要介绍了可编程电磁加热系统的制作 焊接 安装及调试 及此过程的 遇到的一系列问题 6 1 系统的制作 通过以上的几章的介绍和说明 按照电子工艺的操作工程开始制作电路板 1 根据系统原理设计出系统原理图 并根据原理图去电子市场或网上购买是需 要的元器件 IGBT 管可以多买几个 2 根据所购买的元器件的封装设计出 PCB 图 3 根据所设计的 PCB 图用热转印的方法制作出电路板 4 根据安装图把元器件安装相对应的电路板上 6 2 系统的焊接 在元件的焊接过程中 需要注意几点事项 1 先焊接跳线 再焊接个子较低的元件 最后焊接体积大的 个子高的元件及 飞线 2 在焊接过程中 要注意焊接的质量 避免有空焊 虚焊 桥接等焊接质量问 题的出现 3 极性元件在安装焊接的时候一定要注意极性是否和原理图上的相对应 特别 是电解电容和二极管 4 在焊接 IGBT 的时候管特别得注意防静电 在第四章有详细介绍 且在焊接 IGBT 管时可以给 IGBT 管的引脚套上绝缘套并在引脚中间的板子上进行刻槽 6 3 系统的调试 按照上面的步骤 系统在正常的情况下安装并焊接完成 在调试前 先检测系 统的 VCC 和 GND 之间是否有短路和断路现象 如果有 用万用表检查故障原因并 维修好 直到把故障消除 然后按照设计结构电路分别对各电路结构进行检测 在 检测过程中首先对 IGBT 管电路进行检测 其次对各个保护电路进行检测 最后才 对其他部分点路进行检测 贵州大学本科毕业论文 设计 第 27 页 1 电路的调试 前工序做好了 把变压器输出的交流 9V 电源接在 PCB 板上的 9J2 AC 插座上 观察电源指示灯是否正常点亮 如果正常点亮 则说明电源部 分电路正常 否则检测电源电路故障 直到电源指示灯正常点亮 2 IGBT 管的调试 在系统中调试过程优先对 IGBT 管的电路部分进行调试 IGBT 管时本系统的一个关键且是一个非常容易被烧坏的元器件 两端电压不要超过 20V 统不能正常工作 优先考虑是否是 IGBT 管工作不正常或者坏了 a 用数字万用表的欧姆档分别正反两次测量 不带内置二极管 IGBT 的 C E 之间阻值大小 阻值非常大 则 IGBT 正常 如果二者之间阻值很小 则 IGBT 击穿 损坏 b 用数字万用表的欧姆档测量 带有内置二极管 IGBT 的 C 红表笔 E 黑表笔 之间阻值大小 阻值非常大 则 IGBT 正常 测量 C 黑表笔 E 红 表笔 之间阻值大小 有一定的阻值 内置二极管的阻值 IGBT 正常 若测量任 意两脚间的阻值很小 则说明 IGBT 击穿损坏 如果确定是 IGBT 被烧坏了 就换一个新的 IGBT 管 3 保护电路的调试 在本系统有着各种各样的保护电路 如 同步振荡电路 IGBT 高压保护电路 PWM 脉宽调控电路 浪涌保护电路 电流检测电路 电压检测 电路 IGBT 温度检测电路 这些保护电路的目的都是为了保护 IGBT 管能够正常工 作 各个保护电路的功能在上面有详细介绍 4 软件调试 如果硬件电路确定都没有问题 则可以进行软件方面的调试 软件调试可以用 KEIL 软甲所自带的工具进行一步一步的调试 或者利用软件 proteus 进行验证程序是否有问题 对以上各个部分检测完并确定都正常后 至此 系统的整过制作过程结束 否 则 要对其相应的部分做维修处理 直到一切都正常为止 贵州大学本科毕业论文 设计 第 28 页 设计总结 通过这次对 可编程电磁加热系统设计 的设计与制作过程 让我更清楚了该 次设计的流程 更加懂得该设计中各个电路部分