【《基于STM32单片机的感应加热系统设计》13000字】

第页基于STM32单片机的感应加热系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u560基于STM32单片机的感应加热系统设计 114021摘要 227271绪论 2175551.1本课题的研究背景与意义 258371.2本课题的国内外研究现状 4322741.3题目解析 5216572感应加热系统设计 6310932.1引言 6269372.2主控单元的选择 6142882.3显示屏显示方案的选择 719372.4键盘设计原理 8261602.5电磁线圈驱动设计方案 980352.6系统供电方案 11308583感应加热系统硬件设计 1248703.1引言 12299953.2STM32单片机最小系统设计 1240003.2.1基准电压供电电路 13154953.2.2MCU供电电路 13174533.2.3MCU时钟电路 13144893.2.4系统调试接口电路 14219923.2.5MCU复位电路 14307743.3LED数码管驱动电路设计 1594193.4电磁线圈驱动电路设计 1576783.5线圈信号反馈电路设计 16187543.5.1电压信号采集电路 1620003.5.2电流信号采集电路 16154323.6系统供电电路设计 17314704感应加热系统的软件设计 18259814.1引言 18169524.2软件编译环境KEIL 18263724.3HAL库函数 18222964.4数码管驱动子函数 19320334.5系统主函数 19130945系统调试 21143185.1硬件安装调试 2160205.2系统软件调试 21183415.3实验结果 22165166总结 25摘要近年来，随着"节能环保"加热口号的不断提出，安全环保的"绿色加热"加热方法逐渐完全取代了一些传统的机械加热工艺手段。感应加热技术的提出是加热方式的一种革命，具有很多优点，比如效率高、节能环保、加热快、不与工件接触、易于实现机械化、自动化、频率跟踪等。该加工技术已经广泛应用扩大到各种金属钢的熔炼、透热、热处理和金属焊接等加工过程，成为国家冶金、国防、机械加工等工业部门重要加工设备，也是用于轮船、飞机、汽车等设备制造业的重要能源，民用也发展很快，如电磁炉、微波炉等。针对这一发展现状，本文设计了一款基于STM32单片机的感应加热系统。在本文中主要包括硬件设计与软件设计部分，在软件方面主要基于C语言与HAL库函数编程，通过KEIL环境进行编写。其中主要包括数码管显示子函数与系统控制主函数。在硬件设计方面，本系统较为复杂。主要有单片机最小系统设计、数码管驱动电路设计、电磁线圈驱动电路设计、线圈信号反馈电路设计以及系统的供电电路设计。经过PCB设计与实物制作，证明本系统可以通过按键，调整输出的PWM占空比，能够有效的控制线圈对金属的加热效率。关键词：感应加热；STM32单片机；数码管；反馈电路1绪论1.1本课题的研究背景与意义感应加热装置可以直接叫各种金属感应加热金属复合加热电器设备专用设备，也有时可以直接称作各种金属感应加热器，是所有被使用感应金属加热过的金属工件和其他工件导体需要加热涉及各种金属感应加热金属复合加热的电器设备及其统称。其有时可以直接包括:各种金属感应加热金属复合加热电器设备专用电源、感应加热金属复合加热专用电器设备、轴承机等感应金属加热器、轴承机等各种感应加热金属复合加热器。也有时可以直接包括作为各种工业需要加热用的管道金属塑料工件预热后热，蒸发金属塑料预热镀膜、紫铜金属塑料预热钎焊所用的需要加热使用的各种金属感应加热金属复合加热电器设备。其本质上就是在加温过程中的工作交互作用，即用双向感应的导电电流来驱动电场，从而形成一个双向的交流感应磁场。这个交变的双向交流电感磁场也就可以直接使其中的一个电感金属加热温度丝在电感导体内部快速升温并且形成交变的磁涡流(eddycurrent)，这样也就可以直接使其他使用金属电感加温过的工件快速导体升温甚至过热。一般而言使用电感金属加温的工件导体升温效果，有时由加热时的频率、电流、磁场共同相互作用等来决定。在被感应器件加热的工作过程中，温度不断升高的只是被感应加热金属工件的一些金属主体部分，感应器件加热器本身也可能会残留有不少热量。大多数被感应器件的使用主体在工作中大都需要先通过加冷却水进行降温，被感应加热金属工件的其他非金属部分并不需要发热。感应机械锅炉产品的发热特性和使用寿命和其它的热处理技术工艺密不可分，感应机械加热技术作为一项新兴的机械热处理技术工艺，其主要特点具有以下几个优点(1)流体加热处理速度快，加热处理效率高。传统的火焰涡流制冷加热金属处理制冷方法，通过热传导制冷技术直接进行火焰涡流制冷加热，属于间接送入涡流制冷加热。大部分处于金属中的热量被直接快速散失在湿热低的空气中，加热高温过程制冷速度慢。而现在采用传统感应火焰涡流制冷加热则主要是通过依靠被直接送入涡流加热高温过程材料工件自身涡流加热过程产生的热将火焰感应涡流直接送入加热材料进行感应涡流制冷加热，加热高温过程制冷速度快。据目前相关统计数据分析结果显示，感应火焰涡流制冷加热的整体工作效率比采用传统加热天然气制冷电阻加热高30%~50%，比传统涡流制冷电阻加热高20%~30%。但是工作效率并没有明显的显著大幅提升。另外，加热高温过程制冷速度的大大提高，降低了被直接送入涡流加热制冷过程材料工件的加热物体内部表面上的金属表皮氧化和内部外皮镀层烧伤的总受损率。一般是在加热过程情况下，火焰感应涡流制冷加热时，金属的内部表皮氧化烧伤受损率在1%~3%之间，而现在采用传统感应火焰涡流制冷加热期间针对金属的内部表皮氧化烧伤受损率只有0.5%，节约了金属加热过程材料和金属人工加热费用。(2)易于实现自动化控制。该系统能够利用电子线路，对受控加热制品的工作状况进行实时监测，根据负荷的变化来调节加热线圈的加热强度和加热速度，从而达到精确的加热温度，从而达到加热元件的加热效果。(3)大力节约能源总量消耗，改善和保护环境。维护我们所生活的自然环境、高效地节约资源，是当前世界所面对的一个严重的环境问题，是推动人们与自然的长期和平相处的根本需求。利用感应式电磁炉进行感应式加热，既能有效地减少煤炭、石油、天然气等非洁净能源的消耗，又能减少对环境的污染，又不会造成一氧化碳、二氧化碳等化学气体，不会排放烟雾，是一种无害的电磁采暖。而且在该环境中不会产生任何的化学物质，能有效地保证高品质的装备生产对产品的表面洁净要求。(4)安全可靠。火灾感应发生的是一种具有一定强度的火灾，若使用不当或室内有易燃危险品，很可能造成人身伤害，对现场的工作人员造成危害。高温感应式火焰加热不能在同一时间内点燃明火，避免机械爆炸、火灾等危险事故的发生，大大增加了作业的安全。(5)操作使用方便，设备启动快。电阻器的发热，首先要对受热的电阻器进行高压加热，使其内部的热量持续上升，从而使整个受热过程产生较大的延迟。而使用的是电磁式自动感应式电阻器，无需任何预热，即可迅速开启、迅速关机，使用简单、节省能源。(6)安装占用场地小。感应炉的高温加热高压控制组件装置基本结构紧凑，它的控制部件的结构完全可以看作是一种完全标准化的、模块化的、压力的加热器控制器。它的质量和寿命比其它的高压加热器和其它的高压加热器要低得多，它的寿命更短、占地更少、而且易于安装。可以大大幅度节省工业建筑使用场地和其他工业基建设施建设上的费用。(7)局部加热效果好。感应式加热因其高的高效性，能够在短时间内快速地设置若干加热过渡区，使被快速加热的零件能够实现多个区域的快速、连续的加热，而在高温下，过渡区减小，从而减小了大量的内部电力损失。(8)成本低。因为采用的是直流电力，其电力利用简单、洁净、环境友好、成本低等优点，与煤炭、煤气等可回收的能量相比，感应式电热技术可以节约大量的运输、存储等中间环节，节约了大量的成本。由于各种局部加热技术具有上述诸多优势，因此，各类局部加热技术可以充分地适应当前工业化的需要。因而，它的电磁感应加热在各个行业得到了广泛的使用。尤其是工程机械制造、冶金、实验科学研究、生活等各个行业。比如，可以在某些大尺寸的金属产品上进行局部电热，也可以在一定程度上实现局部的高温。比如某些大型的汽车部件，可以采用电磁感应加热技术进行局部热处理。正是针对这一应用背景，设计了一种电磁感应加热系统。1.2本课题的国内外研究现状1831年，法拉第率先提出了一种初级电磁场的感应涡动，这种情况下，一次反馈绕组内的感应电流急剧改变，会使附近绕组的二次感应线圈内的电流发生接近。1883年，楞次首次提出了楞次感应法，这就是为什么感应线圈的电流会被阻挡，导致附近的磁通量和能量发生急剧的改变。1841年，焦耳首先给出了第一个焦尔法则，并且证明了一种感应法则，即感应的电力可以在同一时间内快速地转换成其它的热量。福考特于1868年首先提出了电磁场涡动的概念。到19世纪末，感应加热高温快速加热高冷淬火工艺技术才真正完全开始被广泛应用到实际上的工业生产中，这种先进技术已被大量用于快速、高温度的各类非合金冶炼。1890年，美国人在瑞典成功地开发出了首个小型的半开槽式有心快速加热高温熔炼炉，但是当时存在加热熔炼炉的机器受热温度改变波动大。由于电力系统的不稳定等弊端，目前已经被许多公司放弃使用。1916年至1921年，美国人相继成功研制发明了两台全封闭式小型开槽式有心加热高温有机燃烧中心炉和半开槽式加热无心炉。到1969年，美国时在中国电子工程科学技术工程师专业技术设备工业协会全国电加热淬火技术专业年会上。在过去的35年里，纵向感应式的快速、高效的高低温淬火技术是一项重大的技术进展。到了1976年，在美国的垂直感应式纵向快速感应加热和高速低温冷却技术在整个纵向感应式快速加热装置中所用的比例达到了25%。而在1980年时，这种技术在日本的应用比例达到了35%。在我国供热设备行业中，相关技术的使用时间相对比较短。直到上世纪50年代，它的应用范围从大型拖拉机、机床、大型纺织机械等行业中解放出来，而感应式加热则被越来越多地用于建筑工程中的箱形零件的表面硬化。在上世纪80年代后，国内首个采用单片机控制的异步电动机异步加热炉在当时国内得到了广泛的应用。20世纪九十年代，随着电磁加热加热技术在国外的相关技术公司陆续来到中国与我们合资建厂，我们的电磁加热加热技术也在这一段时期逐渐发展成熟起来，使得这一环保、节能、高效的加热技术产品得到了有效的推广利用。经过60余年的发展，我国民用电磁炉和感应电源加热设备技术已经取得了巨大的成功。并在我国的近代工业、石化工业中迅速发展，其使用范围日益扩大，其应用范围也逐步扩大，在人民的生活中也逐步发展，获得了广泛的应用。1.3题目解析本次毕业设计论文中，通过对文献的大量查阅。首先对设计中用到的主要控制芯片STM32F103C8T6芯片进行具体且详细的资料了解，并且获取关于感应加热系统的相关研究论文并加以学习和分析。对本次设计中希望得到一个详细构思的系统，通过多次的重复实验来调整该系统的软件的设计流程和硬件的相关分析最终设计出一款完善的系统。本系统具有以下这些功能：1、本系统可以通过感应线圈对金属进行加热处理。2、可以通过显示屏对经过线圈的电流与线圈两端的电压进行观察3、可以通过按键调整系统输出信号，并且能够改变系统的加热效率。2感应加热系统设计2.1引言在本章内容中主要针对系统的整体方案进行设计，分析并讨论设计方案。主要包括主控单元的选择、显示屏显示方案的选择、键盘设计原理、电磁线圈驱动设计方案以及系统供电方案。如下图2.1所示为本系统的设计框图。图2.1电磁加热系统的设计框图上图中可以看到，电源模块主要为系统整体进行供电，最小系统支撑主控模块的正常运行，显示屏则负责显示系统中输出的控制信号信息、经过线圈的电流信号与线圈两端的电压信号。用户可以通过键盘模块控制线圈的加热效率。主控模块通过MOS驱动模块控制电磁线圈工作。2.2主控单元的选择对市面上种类众多的单片机型号进行查询以及筛选后，决定可以使用以下两种方案进行设计。方案一：选择STC89C52RC。这个单片机包含了上述AT系列单片机的所有基础性能，并且在现有性能上有所提升，因此也有了一些不同。首先第一个不同之处是AT89C51不能够使用ISP烧录程序，但STC89C52RC可以用USB转串口下载程序，方便使用。第二个不同之处在于STC89C52RC与AT89C51工作对现有环境要求不同，当电压低于5V时STC89C52RC可以正常使用，而AT89C51不能正常运行。方案二：使用STM32F103系列单片机。STM32系列单片机是一款现行较为主流的智能设备开发核心元器件。这一类芯片具有主频率高、任务调度能力强的特点。同时这款芯片已经发布多年，很多机构与企业产品都是基于此类架构而设计，故其具有技术成熟的特点。其内核外部集成了较多的外设，很多数据传输协议不需要使用软件进行模拟，通过其完善的标准库函数即可直接对外设开发。除此之外，基于上述有点使得其开发门槛较低，能够在较短的时间内掌握该芯片的技术开发。因此就性能要求而言，任何一个单片机的性能都满足本设计的需求，但是MCU.51内核的单片机的频率都不高，于本系统而言需要使其产生较复杂的PWM信号，并不适用。而且STM32单片机其内部定时器较多，且相比于51内核单片机而言，具有较多的设计选择。其具有8个内部定时器，其中两个高级TIM定时器、6个TIM通用定时器以及两个基本定时器。对于通用定时器而言，其具有定时计数、PWM输出、输入捕获以及输入比较的强大功能，这是51内核单片机所不具备的。在本设计中使用的单片机型号为STM32F103C8T6其实物图如图2.2。图2.2STM32F103C8T6单片机实物图2.3显示屏显示方案的选择由于本系统需要显示系统中输出的控制信号信息、经过线圈的电流信号与线圈两端的电压信号并且能够实现简单的人机交互功能，所以要选择合适的显示模块进行数据的显示，显示器是嵌入式开发中人机交互设计不可缺少的一部分，它能够根据设计的需求执行对应的功能。对于目前市场上相关显示器进行调查后主要由以下三种设计方案：方案一：使用七段数码管。数码管显示是我们生活中最常见的一种控制方式，其内部主要由发光二极管构成，分为共阴极排列与共阳极排列方式。其驱动方式较简单，但是如果系统显示的内容较多，则需要设计动态显示控制程序。如果显示的内容较多，则使用缓存器等数据处理单元拓展单片机IO功能，会提高设计成本。方案二：LCD液晶显示屏。经过相关调查，目前市场主流的LCD液晶显示屏主要有LCD1602以及LCD12864。这款显示屏的优点在于其显示的功能较强大，能够控制矩阵显示界面的每个位置的显示字符。其与国际通用的ASCⅡ码兼容，在设计显示字符时较容易，可以通过控制亮度引脚控制显示屏的背光亮度。由于其兼容性较好，很多消费电子设备都会选择这个模块作为显示器。但是其在实际应用至产品中时，其显示界面的内容对比度不高，会使得用户观察数据困难。方案三：使用OLED显示屏，这款显示屏是一种新型的显示方案。该模块在上电以后无需控制显示屏的背光情况，硬件设计较方便。其显示界面对比度较高，同时体积与质量都是同类显示屏中最小的。主机控制通讯时一般使用IIC或者SPI通讯协议即可实现控制与数据传输的功能。除此之外，这款显示屏还具有界面刷新频率较高、功耗较低的特点。其缺点也很明显，由于其无背光光源的设计故其在无控制信号时页面无任何显示，所以在使用这款模块进行显示操作时很容易导致屏幕无字符的BUG。针对这种情况下进行调试时复杂度较高，很难快速判断是由于硬件导致还是软件导致，从而使得整个项目开发拖延过久。综合以上几种方案的优缺点，最终选择七段数码管作为本系统的显示模块。根据本系统的需求，要求显示系统中输出的控制信号信息、经过线圈的电流信号与线圈两端的电压信号，数码管显示的内容不复杂且数据量较小。所以在选择数码管会使得系统的成本降低很多。在同等条件下，该方案无疑是开发周期最短的一种。在本设计中适用的数码管为三位。其实物图如下图2.3所示图2.3三位数码管实物图同时为了避免占用单片机较多资源，在本设计中选择使用移位缓存器来拓展单片机的I/O，这样不仅避免了单片机引脚的输出效率低导致的显示效果不好的问题，而且能够节约资源，降低系统的整体设计成本。在本设计中使用的移位寄存器为74HC595，其实物图如下图2.4所示。图2.474HC595移位寄存器实物图2.4键盘设计原理在本节内容中主要针对本系统的键盘电路设计方案进行讨论。键盘是单片机系统中不可缺少的一部分，它是实现人机交互的关键模块。通过对相关文献的查阅，键盘的设计方案主要有以下两种：方案一：独立式键盘这种方案的键盘使用独立设置的方式，但是会导致占用过多的I/O资源。在这种类型的键盘中，键盘上的每个按键的工作情况相互不会干扰，所以在设计时可以根据需要灵活的改变电路设计。单按键的最大的缺点就是会占用过多的资源，在设计中只有使用较少按键时才会使用这种方式。方案二：行列式键盘这种方案的键盘顾名思义是以N条I/O线为行线，以M条I/O线为列线的键盘，故称之为行列式键盘。在这个这个行列式中，每一个交点上都会有对应一个按键，所以这款键盘是一种实用性较高的键盘。在使用这种键盘时，需要使用单片机的I/O口，不断地使用查询方式来对键盘进行扫描，所以在设计时需要判断主控机是否处于空闲状态。所以在这种电路设计时要使用单片机的内部定时器，按一定的时间间隔，对此进行枚举算法。但是按照这种方式操作，会由于主控机的定时器类型，导致扫描较为麻烦。除此之外，如果CPU的运行速度过慢，则会导致漏扫的情况，甚至无法获得键值，从而导致按键获取信息的失败。根据以上的论述，结合本设计的需求决定采用方案一。方案一的键盘设计方式除了上述内容的优点之外，也是综合考虑到本设计的按键需求不大、键码复杂度不高、主控制芯片的I/O资源还有剩余。同时，如果单片机需要实时访问矩阵键盘的按下情况，则会降低系统PWM信号的输出效果，如果通过外部异常的方式检测键码，则有可能产生中断冲突的问题。常用的按键如下图2.5所示。图2.5按键实物图2.5电磁线圈驱动设计方案在本设计中需要驱动感应线圈对金属进行加热。但是对单片机供电的电压为3.3V，显然这种低电压的信号并不能供给给电磁线圈，这会导致线圈的加热效率低下，且并不安全。为了提高线圈的加热效率，则必须提高线圈两端的电压与经过的电流。为了能够放大单片机引脚的输出信号，其设计方案有以下两种：方案一：使用三极管作为功率放大器件三极管是常用的信号放大器件。在使用时只需要在其基级使用高于其与射极见的电压即可。一般0.6V的导通型为硅材料，0.3V为锗材料。方案二：使用MOS管作为放大器件为了能够驱动MOS管，使用的驱动电压必须高于其由内部结构导致的死区电压才可以。而且此类管与三极管有较大区别，根据其型号的不同，能够驱动其正常工作的电压也是不同的。综上所述，决定使用MOS管作为驱动电磁线圈的前端。在本系统进行工作时，三极管的内部结构中会有较大的级间电阻，这会使得当线圈在高强度的工作下产生较多热量，会导致系统高温，导致危险运行。而MOS管由于其为电压驱动的单元，其内部发热并不严重。在本设计中使用的MOS管型号为STP65NF06。其实物图如下图2.6所示。图2.6STP65NF06实物图这款三极管为NMOSFET，其最大漏极电流可达60A，最大漏源电压可达60V。而最大漏源阻值仅为13mΩ，与本设计的需求十分契合。在确定驱动元器件后，又会产生新的问题，单片机的推挽输出电压仅为3.3V，这并不能使得该MOS管快速饱和，甚至很难超越死去电压。这就需要设计一个合理的方案解决该矛盾，使得单片机的信号能够打开该MOS管。为了能够有效的驱动该MOS管，主要考虑以下两种设计方案：方案一：多级放大电路这种设计方案是由多个单三极管组合而成的放大单元，在其每个独立单三极管之间，静态工作点相对独立，并不会互相干扰。方案二：TC4427模块这款芯片常用于开关式电源、线路驱动器与脉冲变压器中，可以工作在.4.5V至+18V之间，这就说明该芯片可以输出的最大电压可达18V。本设计选择使用TC4427模块拓展单片机引脚的输出功率。多级放大电路中其不易集成与匹配，低频信号相应差。而且会对电源造成较大设计负担，而使用TC4427只需要单独设计一部分分压为该芯片供电即可。在本设计中使用的电源输出电压为12V，这就使得在驱动MOS管时其驱动电压可达12V，完全可以使得该模块瞬间达到饱和状态。TC4427实物图如下图2.7所示。图2.7TC4427实物图2.6系统供电方案为了能够满足系统的负载要求。需要合理选择系统的电源模块，否则会降低整个系统的性能，通过相关产品的类比了解到主要有以下几种电源设计方案。方案一：USB接口技术在十几年前是作为一种只能够完成充电功能的接口，但是随着技术的不断进步，该接口现在已经变成了一个带有数据接口的供电部件。USB总线可提供5V左右的电压，USB在供电时，只要输出电压保持在3.4V以上，USB总线就能为负载供电，并且可以为电池充电，在任何时间地点都可以用USB充电的方式来供电。只是USB供电的范围小，不适用为一些电容量大的器件供电。方案二：使用锂离子电池作为供电元件，该元件在供电接口输出电压低于2.4v时会对其本身造成永久性的损坏。该电池工作在持续输出的条件下时，其输出端口的电压会不断降低，故在使用这种方式对系统进行供电时应当注意设置电池保护环节以增加电池的使用寿命。除此之外为避免电池损坏，锂离子电池不适合在需要工作频率高的情况下使用，会减短电池的寿命。方案三：使用直流稳压源作为系统的供电模块，此类产品尽管能够输出较多的电压种类，其可输出功率也较大。但是其体积较大，会导致系统整体体积庞大，而且需要为其考虑散热问题。综上所述，本系统选择使用直流稳压源作为系统的供电单元。常见的USB接口输出功率不足，甚至可能导致其降压稳压模块损坏。在使用电池供电时，由于本系统需要的能量十分庞大、电池组很难满足系统的消耗，而且系统的充电会导致在开发过程中产生新的问题。故选择使用直流稳压源，此产品最大输出电流可达60A，十分契合电磁线圈的工作条件。在本设计中使用的为350W12/24VLED恒压电源。常见的直流稳压源如下图2.8所示。图2.8恒压电源实物图3感应加热系统硬件设计3.1引言本章内容主要是完成对第二章内容的补充。主要涉及单片机的最小系统设计、LED数码管驱动电路设计、电磁线圈驱动电路设计、系统供电电路设计以及线圈信号反馈电路设计。3.2STM32单片机最小系统设计STM32单片机最小系统电路是保证主控芯片能够正常工作和调试的电路，电路图如图3.1所示。图3.1STM32F103C8T6最小系统图3.1中U3是STM32F103C8T6主控芯片，X1是8MHZ无源晶振，配合C12、C15两个22PF起振电容构成晶振电路，用来保证主控芯片正常工作。STM32F103C8T6主控芯片采用双电源供电，即给数字引脚使用的VDD，和给模拟引脚使用的VDDA。由于STM32F103C8T6主控芯片内部已经将基准电压引脚Vref+、Vref.与模拟电源引脚VDDA、VSSA连接在了一起，所以直接使用VDDA模拟电源电压作为基准电压即可。3.2.1基准电压供电电路在本设计中需要读取供给给线圈的功率信号，所以为单片机内部的ADC供电的基准电压十分重要，故设计了如下图3.2所示的基准电压供电电路。图3.2基准电压供电电路为了能够提供稳定且准确的信号，必须尽量滤除信号中的干扰信息。上图左侧为信号的入口端口，使用C81uF的电容滤除进入端口的低频信号，使用R205R1的电阻使得经过的信号进一步平稳，最后在输出端之前使用C9100nF的电容滤除信号中的高频噪声。经过上述的滤波电路后，系统得到的基准电压将会十分稳定，为系统对线圈的功率判别提供基础。3.2.2MCU供电电路为了给芯片提供稳定的3.3V电压接入了一个降压模块可以有效的将电压从5V降到3.3V，后面加入一个指示电路当电源系统工作正常时指示灯亮起。供电电路如图3.3所示。图3.3MCU供电电路为了能够净化给MCU提供的数字端供电的电源。设计了电源滤波电路，3.3V的电源从这里接入，其中电容起到滤波的作用将电源可能产生的电泳滤除。3.2.3MCU时钟电路时钟电路的工作原理是将一个外部微控制器连接到一个振荡器，在分频之后提高频率脉冲产生高频信号。内部的微控制器时钟，控制信号协调各个组件正常工作其作用是与外部晶振配合以实现振荡电路，从而可以为带有芯片的微计算机提供工作时间。晶体振荡器的功能是为姿态检测的控制系统提供最基本的时钟信号，电容的作用是保证晶体振荡器输出的振荡频率更加稳定。时钟电路如图3.5所示。图3.5MCU时钟电路3.2.4系统调试接口电路STM32经常用的下载调试的方式有JTAG和SWD两种，本系统设计采用的是SWD调试接口。SWD接口电路如图3.6所示。图3.6SWD接口电路3.2.5MCU复位电路为了进一步为系统程序的运行设计了如下图3.7所示的MCU复位电路。图3.7MCU复位电路NRST为STM32F103C8T6主控芯片的复位引脚，当NRST引脚为低电平时STM32F103C8T6主控芯片复位，即程序从主函数首地址开始运行，R29电阻、C20电容、SW5按键构成复位电路。在STM32F103C8T6主控芯片上电的过程中，C20在充电的过程中相当于对GND短路，STM32F103C8T6主控芯片复位，保证程序从主函数首位开始运行。当C20电容充满电时，相当于对GND断路，STM32F103C8T6主控芯片不再复位。R29的作用有两个，第一个作用是上拉NRST引脚，虽然STM32F103C8T6主控芯片内部有上拉电阻，但是是弱上拉。为保险就在外部上拉，使NRST引脚有确定的电平，不易受外界的影响而导致STM32F103C8T6主控芯片误复位，当按键按下时保证3V3与GND不会短路。第二个作用是在上电瞬间保证C20充电不会瞬间完成，C20充电瞬间完成会导致STM32F103C8T6主控芯片上电复位不成功。3.3LED数码管驱动电路设计为了能够实现显示系统中输出的控制信号信息、经过线圈的电流信号与线圈两端的电压信号，本文设计了如下图3.8所示的LED数码管驱动电路。图3.8LED数码管驱动电路为了能过够使得74HC595模块正常工作，需要为其提供+5V的电压，同样为了使得该芯片工作稳定，使用100nF的电容稳定电源信号。MR引脚为复位引脚，故在本设计中使用10K的电阻对其进行上拉，防止芯片因为干扰而复位。OE引脚为芯片的使能引脚，其在低电平时会使得74HC595开始输出数据到总线。为了能够合理的控制数码管的亮度，需要对其功率进行计算如下(1)所示。PD=Cpd∗VCC∗(1)其中F1表示芯片信号的输入频率，CL表示其输出电容，F0为芯片的输出频率(MHZ)，VCC为芯片电源电压。同时为了防止电流烧毁数码管，使用1K电阻对输出信号限流保护。3.4电磁线圈驱动电路设计为了能够驱动线圈，在上述内容中阐述了使用MOS管驱动的方案。其实际设计电路如下图3.10所示。图3.10电磁线圈驱动电路设计上图中可以看到单片机输出的PWM信号从TC4427的INA与INB引脚进入。经过芯片的放大后自OUTA与OUTB引脚输出。经过限流电阻R1与R4后进入MOS管，JP1与JP2为线圈接口。3.5线圈信号反馈电路设计为了实现对单片机输出的PWM信号实现有效的控制，需要使用电压电流信号采集电路才能实现单片机对输出信号的检测。3.5.1电压信号采集电路在图3.10中可以看到驱动线圈的电压为36V，所以需要使用合适的分压将电压信号降低，同时输入至单片机的ADC转换外设，使用电压负反馈电路采集线圈两端的电压信号。如下图3.11所示。图3.11电压信号采集电路线圈电压信号通过R31前被采集，经过分压后进入运放电路，该运放电路工作在负反馈状态下，在V_ADC端信号进入单片机的ADC外设。使用C23滤波电容稳定输出信号。3.5.2电流信号采集电路为了采集电流信号，使用电流负反馈电路采集经过线圈的电流信号。如下图3.12所示。图3.12电流信号采集电路由于在采集信号的过程中，是针对线圈功率信号的部分采集。故在计算电压电流信号时，需要在软件方面针对这一情况进行补偿。3.6系统供电电路设计在本设计中使用的电压供电较多，有36V、12V、5V、3.3V等。故对电源的要求较高，针对实际情况设计了如下图3.13所示的控制系统供电电路。图3.13控制系统供电电路上图中为了便于观测电路的工作状态，使用LED作为工作指示灯。为了获得5V的信号，使用TPS5420DR芯片进行降压。输出端使用稳压管与22uH的线圈稳定信号输出。同时为了获得3.3V电压源，使用AMS1117-3V3芯片对5V电源降压，单独对单片机进行供电。这样能够成功避免后续电路负载过大导致电源的发热问题。4感应加热系统的软件设计4.1引言在本章内容中主要介绍软件的编译环境以及STM32单片机编程用的库函数。之后对系统中主要的子函数与系统主函数介绍设计原理。4.2软件编译环境KEIL当今电子设计行业中，由于科技的快速发展，这个行业也随即进入快速发展阶段。许多厂商都推出了不同的编译环境，可以根据开发者的需要选择相应的开发环境。微软公司推出的KEIL是一种专为调试硬件而开发的工程软件，该软件可以非常方便地将开发者的代码编译出来，快速通过文件映射转换成能被机器识别的机器语言。当工程师编写程序时，可以通过上位机软件快速烧录代码，使整个产品开发过程变得非常简单。许多产品在设计过程中，都需要对整个设备进行流水线操作。这款编译环境集成了大量的芯片的头文件，可以快速实现库函数的调用这也是为什么选择KEIL软件进行软件编译的原因。KEIL5软件界面如下图4.1所示。图4.1KEIL5编程环境4.3HAL库函数标准库函数与其HAL库函数基本原理像似，都是针对寄存器操作进行的封装。HAL中被额外增加了状态位的判断。该库主要发布于2019-11-30。同时其编译后产生的文件执行效率较标准库函数高，具有很大的实际应用空间。4.4数码管驱动子函数本设计中使用的数码管为共阳极数码管。其数据段码保存至程序内部的数组内如下图4.2所示。图4.2数码管段码在使用数码管时主要为动态显示，故在显示数据时，需要不断循环位选引脚同时发送段码数据，其子函数框图4.3如下所示。图4.3数码管驱动子函数程序框图4.5系统主函数本系统主函数程序设计框图如下图4.4所示。图4.4本系统的主函数程序设计系统主函数核心代码如下： v_adc_num+=ADC_ConvertedValue[0];//电压的adc求500次平均值 v_adc_count++; if(v_adc_count>500){ v_adc=v_adc_num/v_adc_count; v_adc_num=0; v_adc_count=0; } a_adc_num+=ADC_ConvertedValue[1];//电流的adc求500次平均值 a_adc_count++; if(a_adc_count>500){ a_adc=a_adc_num/a_adc_count; a_adc_num=0; a_adc_count=0; } dianya=36.0f-((float)(v_adc))/4096.0f*3.3f/0.06f;//计算电压 dianliu=((float)(a_adc))/4096.0f*3.3f/6.87f*1000.0f/40.0f;//计算电流 disp[0]=(JiaReDuty/100)%10;//显示加热占空比 disp[1]=(JiaReDuty/10)%10; disp[2]=(JiaReDuty/1)%10; disp[3]=(int)(dianliu/10)%10;//显示电流 disp[4]=(int)(dianliu/1)%10; disp[5]=(int)(dianliu*10)%10; HAL_Delay(1); TIM_Set_Duty(TIM1,1,JiaReDuty);//占空比输出}在系统开机上电以后首先进行系统的初始化操作。其中主要包括单片机的引脚初始化、内部定时器初始化、ADC外设初始化等。在初始化完成以后，系统便进入主循环部分。为了能够较好的计算电压电流信号，每次将输出显示至数码管之前取500次采样的平均值作为最终结果。之后根据用户的加减按键调整系统的PWM占空比实现对线圈加热效率的稳定控制。5系统调试5.1硬件安装调试本系统使用PCB制作，系统PCB图经过打样、焊接、接线后的系统整体状态图如图5.1所示。图5.1系统整体状态上图中主板上方为数码管显示屏，第一个显示的数据为系统输出PWM占空比信息，下方为经过线圈的电流数据。主板左侧为MOS管驱动部分，主板中央为单片机最小系统，右侧为线圈加热部分，主板下方的数码管为电压显示模块。5.2系统软件调试在软件程序编写完成后，编译结果如下图5.2所示。图5.2软件编译结果上图中提示0错误0警报，证明系统通过编译，可以正常运行。在控制占空比时，主要通过HAL库函数中封装完成的API