人造金刚石压机低频加热系统毕业

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1、摘 要本文针对加热电源控制系统电路进行分析和研究，简介了一种由单片机控制的PWM信号数字触发电路，设计运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。一方面理解金刚石压机和单片机的研究背景以及发展前景，对设计规定的概念进行理解，为设计打下基石。然后根据设计规定对实现方案进行选择论证，通过多种方案的电路图，功能以及输出波形的比较分析拟定设计方案。接下来是系统的硬件设计,对总体框架进行构造，电源通过整流滤波然后进行降压送入可控硅作为调节对象，然后运用单片机输出PWM控制信号通过驱动电路控制可控硅的开关达到调压的目的，变化单片机内部程序调节PWM输出周期从而变化输出频率，再具

2、体的简介了各模块的电路原理以及互相的关系，对设计中使用的多种芯片所运用的功能进行论述。接着是软件设计，先简介PWM控制技术的原理，论述软件程序的设计流程。最后是系统的调试及结论，运用仿真软件进行仿真实验及对实物进行调试得到最后的成果通过仿真实验和实物调试的成果表白方案是可行的，该低频加热电源控制系统运用PWM控制技术进行可控硅调压使资源得到更合理的运用，控制更简朴智能，频率的变化提高了电压的运用率，该低频加热控制系统体积小，操作简朴，频率和电压的可调让加热系统更效率。核心词：PWM；AVR单片机；可控硅；整流滤波；数码显示AbstractThis power control system fo

3、r the heating circuit analysis and research, presents a PWM signal from the microcomputer controlled digital trigger circuit design using microcontroller interface circuit and the corresponding control program to achieve frequency and voltage regulation functions. Diamond Press and SCM first underst

4、and the background and prospects of research on understanding the concept of design requirements for the design of laying the cornerstone. Then according to design requirements to choose the achievement of the program demonstrated, through various programs of circuit, functional and comparative anal

5、ysis to determine the output waveform design. Followed by hardware design, the overall framework of the structure, power through the rectifier and then proceed to step-down into the silicon as the adjustment object, then use the output PWM control signal single chip driver circuit through the switch

6、 to control the thyristor voltage regulator The purpose of regulating internal procedures to change the microcontroller PWM output cycle to change the output frequency, then a detailed description of the various modules of the circuit and to each other on the design of chips used in a variety of fun

7、ctions by the use of elaborate. Followed by software design, first introduced the principle of PWM control techniques, elaborated software design process. Finally, system debugging and conclusions, using simulation software simulation and debugging of the real results of the final Debugging by simul

8、ation and real results show that the program is feasible, the power control system uses low-frequency heating technology for silicon-controlled PWM control regulator to make more rational use of resources, control more simple intelligence, increase the frequency of voltage change utilization, the lo

9、w frequency heating control system is small, simple, adjustable frequency and voltage to a more efficient heating systemKey words：PWM; AVR microcontroller; SCR; Rectifier; Digital display引言41 绪论51.1 课题的背景和前景51.2 课题研究的目的及意义61.3 系统设计的重要任务62 方案设计72.1 设计规定72.2 方案的选择73 硬件设计83.1 系统构造框图83.2 整流滤波降压电路设计93.2.

10、1整流滤波电路93.2.2降压电路113.3 可控硅驱动电路设计123.3.1 驱动电路的设计123.3.2 低频的实现143.3.3 调压的实现143.4 稳压电源设计143.5 主控模块153.5.1 ATMEGA16单片机简介153.5.2单片机外围电路173.6 数码管显示电路设计193.7 输出滤波电路的设计213.7.1 滤波电路的选择213.7.2 输出额定功率的实现234 系统软件设计254.1 PWM控制技术254.1.1PWM控制的基本原理264.1.2几种实现PWM功能的措施及其工作原理265 系统的制作与调试325.1 控制系统的PCB制作325.1.1 PCB的制作规

11、则325.1.2 PCB布局规则335.1.3 PCB布线规则335.2 硬件的调试345.3 软件的调试35 6 结论36谢 辞37参照文献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，特别是在当规定控制精度高，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

12、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运用石墨在高温高压的环境中,在触媒的催化作用下,其原子构造发生变化,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重要设备,它不仅影响合成的产量,合成工艺的稳定性,同步将直接影响合成的质量和品级,随着产品工艺规定的提高,对金刚石压机的控制规定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,结合近年来前辈对金刚石工艺的进一步研究,可以使用单片机对加

13、热系统进行改善一方面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,再运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,同步运用单片机进行频率调节,使设备不需要特殊的电源规定而可以更以便的应用于生产工业一种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构成,一方面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,同步加入了数码管显示,让控制更清晰明了其简朴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1.

14、1 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的专用解决器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一种芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积规定严格的控制设备当中。单片机比专用解决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1-2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,它不是完毕某一种逻辑功能的芯片,而是把一种计算机系统集成到一

15、种芯片上。相称于一种微型的计算机，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。目前单片机渗入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高，且电路简朴，故障率低，可靠性高，成本低廉。单片机种类诸多，为什么该课题设计要选用AVR单片机呢？AVR单片机具有如下的长处：一、简便易学，费用低廉：AVR单片机开发技术简朴，便于升级，费用低廉；二、高速、低耗、保密；三、I/O口功能

16、强,具有A/D转换等电路；四、有功能强大的定期器/计数器及通讯接口。因此，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,几乎波及国计民生的各个领域国内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,这重要是由于质量不高所导致生产人造金刚石的重要设备是压机,从国内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运用机械、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种密封的正方体超高压容腔，同步通过电加热装置对该腔体加热，该腔体就可以产生合成人

17、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、液压系统相配合完毕一系列工作。其中，电控系统重要通过对由大、小柱塞泵和十几种电磁阀构成的液压系统以及电加热装置等的控制来完毕自动、调节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称落后,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

18、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,这样的加热方式改善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始终恒温加热挥霍资源,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运用和制造资源,这是本课题研究的意义所在,并且工业智能化经济化也是国内工业迈进的方向和目的1.2 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。本次设计的重要长处在于：成本较低并且可以对炉温进行较为精确的控制；控制系统操作简朴，无需专业人员

19、进行培训；电压和频率持续可调，可以进行实时调节无需停机，效率更高；直流加热，可以减少不必要的损耗，更经济化使用范畴广泛，可以应用到工业生产的其她电压控制系统当中。1.3 系统设计的重要任务本课题研究的加热控制系统可以对金刚石合成设备的电压及频率实现持续的调节，运用按键控制单片机程序输出实现电压和频率的调节。设计中最核心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核心问题。变频的实现变化频率输出是通过变化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变化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，选择可控硅调压重要是易控制，驱动简朴，大大的

20、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种总体的理解和思路，并且根据题目的规定对所波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规定的功能。硬件电路的设计是分析设计规定，运用不同的电子元器件构成功能电路模块并进行相应的连接，达到设计规定实现的最后目的。硬件电路的设计涉及了对多种元器件以及其构成电路功能的理解和选择，完毕设计方案最优的目的。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。2.1 设计规定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规定：1、 以单片机为主控芯片进行设计；2、 电源220V，输出空

21、载电压3-7V可调，额定负载状况下，电源波动10%时，输出纹波不不小于1%；3、 低频加热电源，频率可调。2.2 方案的选择在仔细的研究考虑了设计规定后，觉得本次设计的重点在于如何调压及调频，因此一方面要拟定调压及调频的方案。调压的方案有诸多种，可以采用阻容降压、稳压电路调压、可控硅调压等；阻容降压由于不安全，不能用于大功率条件，并且不适合动态负载条件，因此予以排除；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规定；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

22、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长额外的AD转换电路，增长了功能实现的困难度。而AVR系列单片机带有特定的PWM功能的定期器/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毕的功能。3 硬件设计3.1 系统构造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构成,总体的构造框图如图3.1所示PA0

23、PB0PB3PD4 ATMEGA16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3.1系统总体构造框图电压采样电路 由于单片机内部参照电压最高为5V,因此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 通过按键产生一种脉冲通过单片机扫描后变化PWM输出控制可控硅的关断控制电压输出。输出滤波电路 运用电容滤波减少输出纹波使电压输出稳

24、定。绘制总体构造框图的目的只是为了对总体思路的一种清晰的体现以及理解各部分之间的联系，下面分别简介各个模块的工作原理和具体内容。3.2 整流滤波降压电路设计3.2.1整流滤波电路由于直流电加热稳定性更高，因此需要将交流电通过整流再供应加热系统。常用的整流电路有：半波整流、全波整流、桥式整流。半波整流：半波整流运用二极管单向导通特性，在输入为原则正弦波的状况下，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3.2所示：图3.2 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，电流流过一种整流器件，而在另一外一种半周内，电流流经第二个整流器件，并且两个整流器件的连接能使

25、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，是在全波整流中运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，脉动限度减小，一般合用于规定输出电压不太高的场合。电路及波形如图3.3所示：图3.3 全波整流电路及波形桥式整流：桥式整流运用四个二极管，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，因此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运用效率比半波整流高一倍。电路及波形如图3.4所示：图3.4 桥式整流及波形通过三种

26、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）构成，则称为无源滤波电路。无源滤波的重要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(涉及倒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）构成，则称为有源滤波电路。有源滤波的重要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。无源滤波电路一般用在功率电路中，例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。滤波电路尽量减小脉动的直流电压中的交流成分，保存其直流成分，使输出电压

27、纹波系数减少，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3.5所示：图3.5 桥式整流滤波电路3.2.2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，具有在输出电压范畴1.2V到37V时可以提供超过1.5A的电流、典型线性调节率0.01%、典型负载调节率0.1%、80dB纹波克制比、输出短路保护、过流、过热保护、调节管安全工作区保护的特性。其封装形式如图3.6所示：图3.6 LM317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。如果增长一只三极

28、管（如图3.7所示），在正常状况下，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0.7V时，导通，将LM317T的调节端电压减少，输出电压也减少，从而对负载起到保护作用。图3.7 LM317调压电路决定LM317输出电压的是电阻R1和R2的比值，R2是一种固定电阻.由于输出端的电位高,电流经R1, R2流入接地点. LM317的控制端消耗非常少的电流,可忽视不计.因此, 控制端的电位是I x R1,又由于LM317 控制端, 输出端接脚间的电位差为1.25 V,因此Out(输出）的电压是: ；接下来计算I，out与adj接脚间的电位差为1.25V，

29、电阻为R1，因此电流是：1.25/R2，输出电压计算公式为： 3.3 可控硅驱动电路设计3.3.1 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，并且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,电力MOSFET种类和构造有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同步又有耗尽型和增强型之分，在电力电子装置中，重要应用N沟道增强型。电力MOSFET大多采用垂直导电构造，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，由于它的驱动电路相对简朴，当栅极电压超过启动电压且较小时，MOS工作在线性区，此时源极与漏极之间电流与栅极电压

30、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的一种重要特性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的应用选择应当综合各方面的限制及规定，一方面应考虑漏源电压的选择，在此上的基本原则为MOSFET实际工作环境中的最大峰值漏源间的电压不不小于器件规格书中标称漏源击穿电压的90%。另一方面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不小于规格书中标称最大漏极电流的90%；漏极脉冲电流峰值不不小于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的90%。接着是驱动规定，MOSFET的驱动规定由其

31、栅极总充电电量Qg参数决定，在满足其她规定的状况下，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值有助于减小导通期间的损耗，小的Rth值可减小温度差，有助于散热。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100V栅-源电压20V持续漏极电流27A脉冲漏极电流108A耗散功率125W最高结温150存贮温度-55-150接着是对IRF540驱动电路的设计，作为一种开关电源一种好的MOSFET驱动电路的规定是：开关管开通瞬时,驱动电

32、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,保证开关管能迅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种尽量低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的迅速泄放,保证开关管能迅速关断；关断期间驱动电路最佳能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通；此外规定驱动电路构造简朴可靠,损耗小,最佳有隔离。驱动电路设计如图3.8所示：图3.8 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，通过变化这个基准，可以让电路工作在PWM

33、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驱动高品位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。3.3.2 低频的实现低频是指频率在工频50HZ如下，减少频率可以使电路感抗减少，从而减少能量损失，提高电效率。电源频率的变化是通过变化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变化PWM输出的占空比以及载波周期，驱动可控硅开关频率的变化而实现对频率的调节。3.3.3 调压的实现系统规定的输出空载电压在3V到7V之间可调是通过控制

34、可控硅的开关实现的。可控硅存在一种启动电压，当栅源电压高于启动电压的时候可控硅导通，漏极和源极导电，形成电压输出。电压的调节是通过变化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，反之则减少。在设计PWM控制信号的时候应当注意不要使栅源之间的电压过高，避免其绝缘层击穿，在程序中设立一种电压比较参数，让可控硅尽量的工作于非饱和区和截止区之间。3.4 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,其合用于诸多应用场合。78L05的特性：三端稳压器、输出电流可达到100

35、mA、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3.9所示 图3.9 稳压电源电路3.5 主控模块主控模块重要实现的功能是：输出PWM信号控制可控硅的开关进行电压调节，运用PWM控制可控硅的开关频率变化频率，分析AD口接受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持续调节。3.5.1 ATMEGA16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，其重要的功能是扫描按键开关的动作进行判断，变化PWM控制波形的

36、占空比输出控制可控硅的开关时间和频率，并分析AD口接受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微解决器；先进的RISC 构造：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，真正的同步读写操作、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

37、行编程以实现顾客程序的加密；JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 原则兼容)：符合JTAG原则的边界扫描功能、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位定期器/ 计数器、一种具有预分频器、比较功能和捕获功能的16 位定期器/ 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ADC：8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

38、口、具有独立片内振荡器的可编程看门狗定期器、片内模拟比较器特殊的解决器特点：上电复位以及可编程的掉电检测、片内通过标定的RC 振荡器、片内/ 片外中断源、6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声克制模式、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:ATmega16L：2.7-5.5V、ATmega16：4.5-5.5V速度级别：0-8MHz ATmega16L、0-16MHz ATmega16DIP封装的ATMEGA16的引脚配备如下图3.10所示。AT

39、MEGA16内部构造重要涉及有ALU部件、三个具有比较模式的灵活的定期器/ 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期器，一种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 运算只需要一种时钟周期。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。其她的引脚功能为：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

40、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，可以输出和吸取大电流。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，虽然系统时钟尚未起振，端口A处在高阻状态；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，可以输出和吸取大电流。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，虽然系统时钟尚未起振，端口B处在高阻状态；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，可以输出和吸取大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻

41、使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，虽然系统时钟尚未起振，端口C处在高阻状态。如果JTAG接口使能，虽然复位浮现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)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，可以输出和吸取大电流。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，虽然系统时钟尚未起振，端口D处在高阻状；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

42、的输出端；AVCC：AVCC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时应通过一种低通滤波器与VCC 连接；AREF：A/D的模拟基准输入引脚。图3.10 ATMEGA16单片机引脚图3.5.2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状况。并且这种模式的频率范畴比较宽。当

43、保持CKOPT 为未编程状态时，振荡器的输出信号幅度比较小。其长处是大大减少了功耗，但是频率范畴比较窄，并且不能驱动其她时钟缓冲器。对于谐振器， CKOPT 未编程时的最大频率为8 MHz， CKOPT 编程时为16 MHz。C1和C2 的数值要同样，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接近单片机，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接近，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3.11所示。图3.11 时钟电路2.复位电路ATmega16有5个

44、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不小于最小脉冲宽度时MCU 复位；看门狗复位。看门狗使能并且看门狗定期器溢出时复位发生；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；JTAG AVR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始终保持为复位状态

45、。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不小于最小脉冲宽度时即触发复位过程，虽然此时并没有时钟信号在运营。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：程序运营出错或操作错误使系统处在死锁状态时，为了挣脱困境，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，按键脉冲复位是运用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的。选用按键电平复位电路，如图3.12所示图3

46、.12 复位电路3.键盘电路键盘电路重要是通过按键实现顾客对电压及频率的调节功能。电路通过按键产生低电平信号通过单片机的扫描辨认之后对程序进行修改从而变化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3.13所示： 图3.13 按键电路3.6 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成果有更为直观的理解和观测。目前驱动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，电路简朴，但是可以显示的位数较少，但是已经可以满足本设计课题的规定。LED的构造原理LED即发光二

47、极管，是一种半导体固体发光器件。它是运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P-N结的

48、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，这样给任何一种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显示屏的时候，为了显示数字或是字符，要为LED显示屏提供代码，由于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显示块就可以构成N位LED显示屏，N个LED显示块有N根位选线和8*N根段选线。根据显示

49、方式的不同，位选线和段选线的连接措施也各不同。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种段码都由一种单片机的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。静态驱动的长处是编程简朴，显示亮度高，缺陷是占用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，实际应用时必须增长译码驱动器进行驱动，增长了硬

50、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，此外为每个数码管的公共极COM增长位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接受到相似的字形码，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，因此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。通过度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

51、12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管事实上各位数码管并非同步点亮，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同样的，可以节省大量的I/O端口，并且功耗更低。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措施，既是a-dp段位与单片机相相应的数据位相连接，在制作PCB布局和布线时将会很困难，由于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相应的。因此在设计数码管电路的时候变化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相应，大幅的减少布线的复杂度，变化了引脚之

52、后相应的编码也应当随之变化，在硬件连接的基本上做相应的软件译码，这样就以便了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PA4-PA7控制，通过封装修改的数码管如图3.14所示： 图3.14 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，各数字所相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00xD780xDF10x1190x5F20xCDA0x9F30x5DB0xDA40x1BC0xC650x5Ed0xD960xDEE0xCE70x15F0x8E3.7 输出滤波电路的设计3.7.1 滤波电路的选择课题

53、的规定在额定负载下，电源波动10%时，输出纹波不不小于1%。因此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正的直流，从示波器观测整流电路的输出，与直流相差很大，波形中具有较大的脉动成分，称为纹波。为获得比较抱负的直流电压，需要运用品有储能作用的电抗性元件（如电容、电感）构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达，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S=157，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

54、用C型滤波电路后，其脉动系数S=1(4(RLCT-1)。(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本上再加一级RC滤波电路构成的。如图3.15(B)RC滤波电路。若用S表达C1两端电压的脉动系数，则输出电压两端的脉动系数S=(1/C2R)S。由分析可知，电阻R的作用是将残存的纹波电压降落在电阻两端，最后由C2再旁路掉。在值一定的状况下，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

55、电流比较小的场合. （A）电容滤波 （B）RC-型电阻滤波电路 （C） L-C电感滤波 （D） 型滤波电路 图3.15 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所构成的滤波电路的基本形式如图3.15所示。由于电容器C对直流开路，对交流阻抗小，因此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。而当输入电压减少时，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。通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

56、波，当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增长，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，由于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。3.7.2 输出额定功率的实现额定功率规定15KW，额定电压为220V，因此电流的规定很高，而控制电路的电流只有几A，远远不能达到输出的规定，因此要通过特别的电路对电流进行解决来实现电路的规定。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。

57、当电源的输出功率局限性时，可以通过反馈增长输出电流的大小，从而实现电源输出功率的规定。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3.16所示： 图3.16 霍尔电流传感器电路此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，因此必须考虑AD口的基准电压，ATMEGA16单片机的ADC的参照电压源(VREF)反映了ADC的转换范畴。若单端通道电平超过了VREF，其成果将接近0x3FF。VREF可以是A

58、VCC、内部2.56V 基准或外接于AREF 引脚的电压。AVCC通过一种无源开关与ADC相连。片内的2.56V参照电压由能隙基准源(VBG)通过内部放大器产生。无论是哪种状况，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照电压的抗噪性。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。如果将一种固定电源接到AREF 引脚，那么就不能选择其她的基准源了，由于这会导致片内基准源与外部参照源的短路。如果AREF 引脚没有联接任何外部参照源，可以选择AVCC 或1.1V 作为基准源。参照源变化后的第一次ADC 转换成

59、果也许不精确，建议不要使用这一次的转换成果。根据设计的电路图可以懂得ADC的参照电压为5V，而输出电路的最高电压为7V，超过了参照电压，因此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种系统可以实现的充足条件，而系统软件才是让系统运营的核心所在。系统可以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，接下来将简介系统软件设计的过程。4.1 PWM控制技术PWM，脉冲宽度调制，是运用微解决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

60、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变化，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，是运用微解决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朴,灵活和动态响应好的长处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线,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控制技术发展的重要方向之一。随着电子技术的发展，浮现了多种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，通过变化脉冲列的周期可以调频，变化脉冲的宽度或占空

61、比可以调压，采用合适控制措施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措施。通过高辨别率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一种具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，由于在给定的任何时刻，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反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具有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，这种微解决器规定在软件中完毕如下工作：1、设立提供调制方波的片上定期器/计数器的周期 ；2、在PWM控制寄存器中设立接通时间；3、设立PWM输出的方向，这个输出是一种通用I/O管脚；4、启动定期器；5、使能PWM控制器PWM的一种长处是从解决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变化为逻辑0或将逻辑0变化为逻辑1时，也才干对数字信号产生影响。对噪声抵御能力的增强是PWM相对于模拟控制的此外一种长处，并且这也是在某些时候将PWM用于通信的重要因素。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接受端，通过合