数字单脉冲电源控制器的的设计

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1、摘 要电镀在200多年的历史中走到今天，在电子、机械、装饰品等方面有着不可替代的作用，而镀层质量直接影响到其防护、装饰、功能性等指标的高低。电镀电源则作为电镀的核心部件之一，很大程度上决定了镀层质量。其中脉冲电源在电镀技术中带来了一场革命。脉冲电镀具有镀件质量好,节约原材料及环保等优点而得到广泛应用。为此我们将重点讨论脉冲电源的实现及控制。首先我们介绍了脉冲电源的工作原理及其控制电路。其中本文所要研究的是其中的弱电部分，核心是数字控制器的设计方案。数字单脉冲电源因其简单直观、易于分析和控制，更具有代表性，因而我们选定数字单脉冲电源作为切入点。之后深入讨论了数字单脉冲电源的性能指标和参数，并据此

2、提出了基于8051和89C2051单片机的双CPU设计方案。在硬件系统方面我们主要从主从CPU方面解决了输入、显示、控制、脉冲产生等方面设计应用电路。最终我们通过斩波用脉冲驱动电路得到我们所需的脉冲电源信号。同时进行了相应的软件设计。关键词：电镀；数字单脉冲电源；数字控制器；双CPU系统；斩波用脉冲驱动电路ABSTRACT Electroplating has gone through until now in the last 200 years. In electronics, machinery, accessories, etc, electroplating has an irrep

3、laceable role, and the quality of coating directly affects the protective, decorative and functional index. As one of the most important parts in electroplating, electroplating power supply, to a large extent,determines the quality of coating. And as we all know that he pulse power has brought a rev

4、olution into the electroplating technology. Pulse plating is now being widely used, because of its help to good quality, saving raw materials and environmental protection. Because of this, we will focus on the implementation and control of pulse power supply.Firstly,we introduce the working principl

5、e of pulse generator and control circuit. What we will discuss about in this article is the weak current part, and the core is digital controller design scheme. Digital single pulse power supply is more representative, because of its simplification and intuitive easiness to analysis and control, so

6、we choose digital single pulse power as an entry point. And then we discuss its performance index and parameters deeply, according to which we put forward a scheme based on double CPU design of 8051 and 89C2051 single chip microcomputer. In the aspect of hardware system, we mainly solve the issue of

7、 input, display, control, pulse generating circuit design application and so on in the master-slave CPU. In the aspect of software system, timing interrupt becomes the key to set in. Eventually we get driving signal which can drive the chopper circuit, so that we can attain the digital pulse signals

8、 for the application of electroplating. Key words: Electroplating; Pulsed power supply; SCM;Double CPU system毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者

9、 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集

10、体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生

11、掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良

12、中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良

13、 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意

14、义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题背景及现状11.2 研究目的及意义21.3 研究内容3第二章 电镀与脉冲电源42.1 电镀原理及改进方法42.2 脉冲电源及其特性5第三章 数字单脉冲电源的性能分析及设计要求73.1 数字单脉冲电源73

15、.2 数字单脉冲电源的参数113.3 脉冲电源电镀（脉冲电镀）的工作原理133.4 设计要求14第四章 双CPU系统设计方案15第五章 硬件设计185.1 主系统设计195.1.1 主系统电路195.1.2 显示电路255.1.3 按键电路325.2 从系统设计345.2.1 从CPU系统345.2.2 斩波脉冲驱动输出电路设计35第六章 软件设计396.1 主系统软件设计396.2 从系统软件设计41结 论44致 谢45参考文献46ContentsAbstractThe first chapter .11.1 Topic background and present situation 11

16、.2 Objective and significance of the 1.2 Study.21.3 Research contents.3The second chapter plating with pulse power of.42.1 Electroplating principle and improved method.42.2 Pulse power supply and the characteristics of the.5The third chapter of digital design and performance analysis of single pulse

17、 power supply requirements73.1 Digital single pulse power supply.73.2 Digital single pulse power supply parameter.113.3 Pulse power supply (pulse electroplating electroplating) principle of work.133.4 Design requirements.14The fourth chapter design of double CPU system15The fifth chapter, the hardwa

18、re design185.1 Main system design.195.1.1 Main circuit of system.195.1.2 Display circuit.255.1.3 Key circuit.325.2 From the system design.345.2.1 From the CPU system.345.2.2 Chopper pulses drive output circuit design.35Chapter sixth design software.396.1 Main system software design.396.2 From the sy

19、stem software design.41Conclusions.44Reference.45Thanks.46第1章 绪论1.1 课题背景及现状电镀电源是电镀工艺的核心部分，是改进镀层质量的关键所在。而脉冲电源在波形控制、经济和环境效益等方面具有无可比拟的优势，成为当今的研究焦点和发展方向。本文在介绍了电镀工艺的基本原理和改进方法后，进一步在电镀电源上做足文章，描述了电镀电源的发展历程及其发展方向。脉冲电源利用数字控制器控制斩波电路以得到不同波形的脉冲输出信号作为电镀用的电流，得到了广泛的应用和极大的重视。作为其中最具代表性的电镀电源理，脉冲电源所当然成为我们主要讨论的内容。并且其参数在

20、很大程度上决定了电镀的工艺质量，因而根据这些参数和我们的需要，我们设计了一套以数字控制器为核心的方案。单片机由于其廉价性和数字控制等优势在电镀工艺上的应用是举足轻重的。我们基于8051和89C2051单片机设计了主从双CPU系统，以达到简化电路、简单控制和简化程序的目的。该系统以得到驱动斩波电路用的脉冲信号输出为准则，在硬件和软件两方面进行了分析。硬件上，8051单片机用来控制按键输入、数码管显示、运行操作等，并且为以89C2051单片机为核心的从系统提供参数支持。从系统的唯一目的即为产生我们所需要的驱动脉冲，为斩波电路提供信号支持，从而能够斩波得到具有多个参数的输出脉冲信号。电镀是对基体表面

21、进行装饰、防护并获得某些特殊性能的一种表面工程技术，有着悠久的历史。电镀最早开始于19世纪初，并在20世纪初形成了完整的工业体系，得到了广泛应用；进入21世纪后，电镀工业发展在环境、效率、替代品等问题上更是面临挑战和突破1。科技的进步，尤其是人们对生产环节的重新审视，使得新型电镀产业的形成已经是迫在眉睫。我们不仅要解决电镀镀层质量的高要求，还要在低功耗、低污染等方面面临着很大压力。但其在工业、生活等方面的重要地位却是无法取代的。 近来，在电子器件、航空工业、高性能仪表制造、装饰品等方面，人们对镀层性能、种类等电镀工艺的要求越来越高，包括在电源波形、频率、控制、保护等方面的要求更为严格。电镀电源

22、作为电镀中的核心部件，也得到了充分的发展。从早期的蓄电池组和直流发电机，到之后的晒整流器、硅整流器和可控硅电源设备，发展到现在出现了开关电源等新型直流电源设备。在供电方式上，以前多采用直流电，现在为提高镀层质量，常采用周期换向电流、交直流叠加和脉冲电源等2。而脉冲电源在镀层质量、镀层能力、电镀效率等方面与传统的直流电镀相比有着明显的优势，为电镀技术的发展开辟了新的途径，并且带来了巨大的经济效益和环境效益。由此我们可以看出电镀电源的整体趋势则是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能3。在研究和推广上，数字脉冲电源采用数字控制，直观简单，是我们研究和应用的焦点。1.2 研究目的及意义在

23、电镀工业的实际生产中，人们广泛采用改进电镀电源的方法来提高电镀的性能。在波形上，我们有周期换向电流、交直流叠加和脉冲电源等，而脉冲电源具有体积小、性能优越、纹波系数小、不易受输出电流影响的特征。通过推广脉冲电源，将促成电镀工业的一场革命。它主要用于电镀金、银、镍、锡、合金，可以明显改善镀层的功能性；而用于防护-装饰性电镀（如装饰金）时，可使镀层色泽均匀一致，亮度好，耐蚀性强；脉冲电源用于贵金属提纯时，贵金属的纯度更高4。这说明脉冲电源远远优于传统的电镀电源，是电镀电源的发展方向。电镀电源的整体趋势是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能。脉冲电源不仅在功能上有着突出的优势，在环保、

24、效率等方面也是相当有效的一种电源方式。因为脉冲电源波形特点，能搞有效地得到纯度较高的镀层，并且有效地节约了贵重金属，带来很大的经济效益和环境效益。1.3 研究内容本文主要集中在脉冲电源的讨论与研究，并以数字单脉冲电源作为切入点。通过其参数特性说明了其在电镀中的优点。在结构上，数字脉冲电源主要由供电电源、数字控制器、开关管和负载构成5。而数字控制器恰恰是核心部分，而我们所要讨论的弱电部分也是数字控制器部分。由此我们在构建一个可以控制大功率开关管的斩波控制系统，以设置我们所需要的参数，并将得到的脉冲驱动信号来控制斩波电路，即可得到电镀所需的脉冲信号输出。有了一个研究方向和目标后，我们开始设计了双C

25、PU的系统，用来达到刚才所述的指标。一个完整、可实施的系统同时需要输入电路和显示电路，并且需要必要的控制设备。这就是主系统的设计目标。从系统则是通过产生经过设置参数的脉冲，并经过光电隔离和放大后，就是我们所能得到的驱动信号。而斩波系统我们在此不再进行赘述。第2章 电镀与脉冲电源2.1 电镀原理及改进方法电镀采用电化学的方法（电解原理）使金属离子还原为金属,并在金属或非金属制品表面形成符合要求的平滑、致密的金属覆盖层（金属或合金，如锌、镉、金或铜等），以达到防护性、功能性、装饰性等目的6。其工作原理图如图2.1所示：图 2-1 电镀工作原理图把要镀上去的金属（镀层金属）接在阳极，待镀的金属制品（

26、镀件）接在阴极，并且正负极以镀上去的金属的正离子组成的电解质溶液相连，这就构成了电镀的基本装置。在阴极，金属离子Mn+从阴极上获得n个电子，还原成金属M。另一方面，在阳极界面上则发生金属M的溶解，释放n个电子生成金属离子Mn+。这就是电镀镀层的实现过程6。但是目前电镀技术仍存在某些缺陷，例如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大的内应力等等。这就不能满足时代的需求，例如很多精密制造的需要。从电镀的基本原理上看，改进镀层质量可以从2方面入手：调整电镀溶液；改进电镀电源。现实生产中电镀电源成为人们广泛关注和改善的焦点6。电镀电源是电镀生产中的主要设备，可向镀槽的阴阳两极提供具有

27、一定电压、电流和频率等符合工艺要求的输出波形，保证不同镀层的性能要求。随着技术的进步与成熟，改进电镀电源既能提高有效控制电镀进程，又能改善镀层的物理化学特性，可谓一举两得。而这就需要我们知道电镀电源在电镀中的角色及工作原理。2.2 脉冲电源及其特性 随着电镀工艺的迅速发展，新的电镀工艺从波形、频率、自动控制、综合功能等方面对电镀电源提出了更高的要求。目前，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源等，以满足不同的电镀工艺需求。 脉冲电源信号是直流调制的结果，是一种通、断或起、伏的直流电源信号。脉冲电源是与传统的直流电源相比的。脉冲电源电流波形有方波、正

28、弦半波、锯齿波、等多种形式，一般镀单金属以方波脉冲（数字单脉冲）电流波为好7。脉冲电镀不仅可以调节波形还可以调节参数。传统的直流电源信号只有一个参数，不能达到生产中各种电镀指标要求。数字脉冲电流波形有多个参数可被调节，能满足人们不同的需求，因而在实际生产中得到广泛应用。 脉冲电源在类型上包括数字脉冲电源和模拟脉冲电源。目前数字脉冲电源是最先进的电镀电源，也是电镀电源的发展发向。因为数字脉冲电源驱动波形规整，对提高电镀质量十分有利；并且采用数字调控，直观简单；波形调节范围宽；温度漂移系数小，能长期稳定连续运行7。这在很大程度上满足了不同的镀层需求。为此我们将又数字脉冲电源作为切入点。 数字脉冲电

29、源又分为双脉冲电源和单脉冲电源2种。双脉冲电源信号虽然更有利于电镀质量的提高，但是相比较而言，在要求不是很高且分析简单的情况下，单脉冲信号作为最基本的脉冲形式，在波形、控制等方面更是易于获得和实现，成为实验研究及实际生产的得力助手。因而我们在本文以下内容中的讨论就以数字单脉冲电源为切入点。第3章 数字单脉冲电源的性能分析及设计要求3.1 数字单脉冲电源数字单脉冲是电流方向不随时间改变的方波脉冲，我们之后将要讨论的就是如何得到该种脉冲波用于电镀。首先，数字单脉冲电源输出波形如图3.1所示：图 3-1 数字单脉冲电源输出波形经过开关管后的直流信号在数字控制器的调制下得到了我们所需要的数字单脉冲信号

30、。数字控制器部分是本系统的核心部分，也是我们研究的对象。数字脉冲电源即采用微处理器（CPU）等数字电路对斩波低纹波直流得到的脉冲电流进行控制并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。根据定义得到数字单脉冲电源的原理示意图如图3-2所示：图 3-2 数字单脉冲电源原理示意图其中数字单脉冲的产生环节有底纹波直流源、斩波系统、斩波控制系统、脉冲电源4个环节。电镀应用系统则包括镀缸生产、辅助控制及保护、输出调节3个环节分解后的数字脉冲电源原理示意图如图3-3所示：图 3-3 数字脉冲电源原理示意图其中数字单脉冲的产生环节有底纹波直流源、斩波系统、斩波控制系统、脉冲电源4个环节。电镀应用系统则包括镀缸生产

31、、辅助控制及保护、输出调节3个环节。下面我们将对相关环节进行介绍和分析。（1）低纹波直流源（作为电镀电源）：发展历程为直流电机、硅整流器、可控硅整流器、开关电源4个发展阶段。其中可控硅整流器正被广泛应用，而开关电源则是电镀电源的一次重大突破，其作为理想的直流源，应用前景广阔。（2）斩波系统：原来一条直线的电源,被线路斩成了一块一块的脉冲。目前,大多数斩波系统利用大功率的开关管IGBT（开关管：一种三极管，主要用于电路关与通的转换）对直流电源进行斩波 ,以输出数字脉冲用于电镀8。（3）辅助控制及保护系统：主要包括温控系统以及短路保护、过流保护系统等。（4）斩波控制系统：包括频率、占空比调节、电镀

32、时间等，决定了斩波电路能否得到我们所需的波形。这也正是我们本文所要解决的问题。3.2 数字单脉冲电源的参数正是因为脉冲电源可以调节占空比和频率，才使得它能满足不同需求和指标，在生产和实验中得以被广泛采用，所以我们现在要通过认识其参数，以此为基础来设计方案。通过下面所示的脉冲波形图，我们可以看出数字单脉冲电源有3个独立的参数：脉冲电流密度、导通时间、关断时间。如图3-4所示：图中所示参数：是脉冲电流导通时间；是脉冲电流断电时间；是脉冲周期；是电流密度；是电流峰值。如图3-4所示：图 3-4 数字单脉冲波形由此我们可以推导出以下参数：脉冲占空比（导通时间占周期T的百分比）为 (1)脉冲频率： (2

33、)电流密度、电流峰值和占空比三者之间的关系：。这是因为在一个周期内，电流在内连通，在内为0，可知是一个平均值。在实际生产中，频率是一个关键的参数。根据频率大小的不同可以分为高频（5000Hz）、中频（5005000Hz）和低频（500Hz）3种类型9。高频和低频都会影响电镀效果，因而在实际生产中多采用中频脉冲电源。但在本文中，我们采用低频率即可满足实验方案。3.3 脉冲电源电镀（脉冲电镀）的工作原理在这里我们通过直流电镀和脉冲电镀的比较来说明脉冲电镀的基本原理。直流电镀中,镀液中的金属离子在阴极附近溶液中不断被消耗,造成了阴极处被镀金属离子与溶液中被镀金属离子的浓度出现差值。这种差别随着电流密

34、度的增大而加大，当阴极附近液溶液中的金属离子浓度降到0时,就达到了极限电流密度,传质过程完全受到扩散控制。这就导致电流密度不能达到所需的值，影响电镀速度和效率。脉冲电镀中,由于关断期的存在,阴极附近被消耗的金属离子可以利用这段时间进行扩散、补充，使金属离子浓度提升进而为导通期的快速消耗做准备；当下一导通期到来时,阴极附近的金属离子浓度得到恢复,因而可以使用较高的电流密度。因此脉冲电镀导通期时间内，峰值电流是直流电流（平均电流）的几倍甚至几十倍，正是这个瞬时高电流密度使金属离子在极高的过电位下还原,从而使沉积层晶粒变细高电流密度促使晶体形成的速度远远高于晶体长大的速度,使镀层结晶细化,排列紧密,

35、孔隙减小，形成结晶细致均匀的镀层9。每个周期循环如此，构成了脉冲电镀的原理及过程。因此,我们可以看出脉冲电镀有以下几点主要优势10： 电镀时的高电流密度可以得到细致的结晶镀层，提高硬度、韧度等； 镀液浓度差得到间期恢复，镀液分散能力改善，可以得到均匀性好的镀层，并且加快了电镀速度； 关断期内吸脱附现象的存在，可以使吸附在阴极的不溶性杂质及氢等脱落，提高镀层纯度，减轻氢脆影响，提高机械强度。3.4 设计要求本系统的设计要求通过以下性能指标来实现，如表3.5所示：表 3.5 系统性能指标供电电源三相,50Hz,380V15%输出峰值电流440A，连续可调输出峰值电压330V,连续可调脉冲频率110

36、kHz，可调脉冲占空比0100%，可调0.1999.9ms0.1999.9ms电流电压波形脉冲输出显示 电压、电流同时LED数码管显示工作方式恒流/恒压任选电镀时间t键盘设定，09999s第四章 系统方案设计根据前几章对数字单脉冲电源及其应用原理的介绍，我们开始沿着第三章的数字脉冲电源原理框图来设计其核心部分数字控制器电路，来得到数字单脉冲的驱动信号。但是首先要解决本电路系统中的核心问题定时，即: 电镀时间t的定时； 驱动开关管的脉冲定时。而驱动开关管的脉冲定时（斩波控制系统）决定了数字单脉冲信号的参数，其精度直接影响输出数字单脉冲波形的频率精度。同时一个完整的应用系统需要包含及时控制和显示装

37、置，即系统状态显示及按键操作等。本系统采用了双CPU（主从CPU）或称为双机通信的系统设计结构。各自的任务分别是：主系统负责显示按键管理、电镀时间控制、显示电路控制、暂停控制、报警控制、复位控制等；从系统负责驱动开关管的脉冲驱动问题。这样做可以使2个CPU各司其职，使软件设计的难度大大降低。并且单片机相对较廉价，所以这种方案是可行的。要使用双CPU系统方案就必须保证主从CPU两者的协调与通信。其实现前提是: 满足系统的实时性要求,并能完成系统的所有设计功能； 软硬件实现简单。在单片机的应用系统中,要实现主从CPU间的联系通常有以下几种形式:a、双口RAM方式；b、并口通信方式；c、串行通信方式

38、 其中，串行通信方式是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。并且在近距离内，可以直接用TTL电平传输方法来实现双机通信，即采用单片机双机串行通信11。用TTL电平传输方法实现双机通信的电路如图4-1所示：图 4-1 用TTL电平传输方法实现双机通信的电路TTL电平信号表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路，即串行口可以直接相连。虽然这种方式虽然实时性和抗干扰性能较差，但是硬件设计简单，

39、软件容易实现，容易讨论。所以本系统将讨论采用串行通信方式连接的双CPU系统，图4-2为双CPU系统原理框图：图 4-2 双CPU系统原理框图第五章 硬件设计 根据上一章的设计方案可知,系统的功能模块应当包括主CPU系统、从CPU系统、显示/按键电路、复位与看门狗电路、斩波控制电路（脉冲驱动放大电路）、斩波电路、低纹波直流电源及保护环节等13。在这里我们只讨论弱电部分，即前5部分。首先，双CPU系统电路图如下图5-1所示：图 5-1 双CPU系统电路图下面我们将从主系统和从系统两大方面对硬件设计进行讨论。5.1 主系统设计 主系统电路（1）主CPU系统主CPU系统负责显示电路、按键电路、运行状态

40、控制及向从CPU 系统发送脉冲参数等。核心是8051单片机芯片。PKEY开关为暂停开关，通过P12与单片机接口，暂停时通过P11控制暂停指示灯PAULED发光指示。喂狗信号WDI（看门狗输入信号）由P10输出，其实质是一个负脉冲。主从CPU的握手信号为R/P，SCOMM。其中R/P作用是由主CPU控制从CPU的运行与暂停；SCOMM信号是从CPU向主CPU指示通信状态的，成功结束有效，否则无效。X1和X2连接晶体，来设置8051的时钟控制信号。考虑到主CPU系统对定时的要求不高,采用6MHz主频信号。当运行出错或者操作错误时，P17变为低电平，触发蜂鸣器BEEP报警。下面通过介绍8051芯片来

41、具体了解主CPU的工作方式。下图5-2是8051芯片引脚及功能介绍：图 5-2 8051芯片X1和X2: 时钟引脚，外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，为单片机提供时钟控制信号；RESET: 复位信号输入端，高电平有效；ALE/P: 输出地址锁存允许信号；RXD、TXD: 分别为串行输入口、串行输出口；EA:高电平时，单片机访问片内程序存储器；(2) 看门狗电路按照系统的设计要求及长期连续运行等实际情况,本系统的复位必须考虑三种情况:上电复位、手动复位及看门狗定时器溢出复位。我们采用的是看门狗技术解决这三个问题。系统受到干扰可能会失控引起程序乱飞，可能会是程序陷入死循环，如果操作人员在

42、场，则可以按下人工复位按钮，强制系统复位。但操作人员不可能一直在场，这就需要“看门狗”技术来监视着系统，使系统复位。“看门狗”技术就是使用一个计数器来不断计数，监视程序循环运行。若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这是计数器溢出，然后强迫系统复位，在复位入口0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行进入正轨12。目前“看门狗”电路已经集成在一片微处理器监控器芯片中，其中即包括我们采用的MAX813L芯片。MAX813L芯片示意图如下图5-3所示:图 5-3 MAX813L:人工复位输入端；:看门狗输入端（喂狗信号由8051的P10输出到该端）；：看门狗输出端微处理器在上

43、电时，监控器产生复位脉冲信号，这可保证微处理器实现上电自动复位。看门狗电路是计数器式定时电路，在WDI端输入1个脉冲(TTL电平)，定时器开始计数。因此它可以实现上述提到的主系统的3个复位问题。至于从系统的复位问题，我们可以让主CPU、从CPU系统共用一个复位信号,目的是当系统中任何一个子系统运行失效时,必须共同复位，以恢复待机状态，避免错误运行。另外利用通信握手信号SCOMM，在从系统的非正常程序区全部写满设置SCOMM无效指令。这样，当系统失常、程序“跑飞”时，落入非正常区的握手信号始终无效，此时主系统的串行查询程序反复查询，使得喂狗型号WDI无法及时送出，从而引起看门狗定时器溢出复位。（

44、3）专用接口芯片8279它是一种通用可编程键盘/显示器接口电路芯片，它能完成监视键盘输入和显示控制2种功能。图5-4是它的引脚及其功能介绍：图 5-4 8279芯片1）与CPU的接口引脚：DB0DB7：数据总线、双向、三态；CLK：时钟输入线；RESET: 复位输入线，高电平有效；CS：片选线。CS=0,8279被选中；CS=1，禁止8279读写；2）与键盘连接的引脚RL0RL7:输入线，键盘矩阵列信号输入线；3）与显示器连接的引脚OUTA0OUTA3、OUTB0OUTB3：输入线，连接到数码管的8位段码线；4）扫描信号输出引脚SL0SL3：扫描输出线，用来扫描键盘和显示器。外接4线-16线译

45、码器4514，译码器输出16中取1的扫描信号。图中8279的SL0SL3经4514译码输出，经反向驱动器驱动后，DG1DG4接键盘的行线，来实现逐行扫描；DG1DG12接显示器的各位的公共阴极，进行逐位扫描显示。 显示电路电镀实际生产中，显示采用8段数码管（包括小数点DP）；同时为了减轻主CPU的负担,简化硬件设计,显示与按键电路通过8279专用接口芯片与单片机接口相连。通过上面的8279我们了解了数码管的显示原理，下面来看一下8段数码管示意图，如图5-5所示：图 5-5 共阴极数码管原理及结构由于系统设置导通时间，断开时间,电镀时间等参数的要求，以及运行中电镀时间的倒计时的需要，一共用了3组

46、数码管，每组4个数码管（或者可以是3个4位LED显示器）。共12个数码管，因而符合8279的设计能力（物理上可以管理=16个数码管）。并且该系统中的数码管采用了小型超高亮共阴数码管。在这里为了简化硬件电路，我们采用LED动态显示方式，即将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位的I/O口（OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3）控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阴极分别由相应的I/O线(DG1DG12)控制，形成各位的分时选通13。这样数码管的每个数码管的共阴极通过4514译码器与8279相接；8279的SL0SL3经4514译码输出，经反向驱动器驱动后，DG1DG12接显示器的各位

47、的公共阴极，进行逐位扫描显示.在这里为了简化硬件电路，我们采用LED动态显示方式，即将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位的I/O口（OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3）控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阴极分别由相应的I/O线(DG1DG12)控制，形成各位的分时选通13。这样数码管的每个数码管的共阴极通过4514译码器与8279相接；8279的SL0SL3经4514译码输出，经反向驱动器驱动后，DG1DG12接显示器的各位的公共阴极，进行逐位扫描显示。图 5-6 数码管显示电路图在这里为了简化硬件电路，我们采用LED动态显示方式，即将所有位的段码线相应段并联在一起，由1个

48、8位的I/O口（OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3）控制，形成段码线的多路复用，而各位的共阴极分别由相应的I/O线(DG1DG12)控制，形成各位的分时选通13。这样数码管的每个数码管的共阴极通过4514译码器与8279相接；8279的SL0SL3经4514译码输出，经反向驱动器驱动后，DG1DG12接显示器的各位的公共阴极，进行逐位扫描显示。简化后的显示电路图如图5-7所示：图 5-7 12位LED动态显示电路图为了区别，前2个参数的显示可以采用绿色，后1个参数的显示可以采用红色。和参数在运行中始终显示，而参数则以秒为单位倒计时显示，到0时结束运行。通过8051的P15引脚向MAX8

49、13L发出RSTK1信号，使系统复位，也即停止从CPU的脉冲输出，结束电镀运行。下面介绍下显示电路的辅助控制芯片4514译码器、MC1413反向驱动器和7407同相驱动器来了解显示电路的工作原理和工作方式。（1）4514译码器它是一种4线-16线译码器，对单片机高位地址进行译码，译码输出作为片选信号。可用于存储器的扩展。其芯片引脚及其功能如图5.8所示：图 5-8 4514译码器芯片D1D4：数据输入端；S0S15：数据输出端；INH:输出禁止控制端；STR：数据锁存控制端。4514芯片的功能表如表5-9所示，8279的SL0SL3经4514译码输出，通过选择信号对键盘的行线，来实现逐行扫描；

50、并对显示器进行逐位扫描显示。表 5.9 4514芯片功能表输入高电平输出端STRINHD3D2D1D0HHHHHHHHHLLLLLLLLLLLLLLLLLHLLLLHHHHLLLHHLLHHLLHLHLHLHLY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8(2) MC1413反向驱动器它是摩托罗拉公司出品的高耐压、大电流达林顿反向驱动器。由于4514的选择信号输出为高电平，而数码管采用的是共阴极数码管，所以要首先将高电平信号进行反向处理，才能进行片选15。其内部结构图及引脚如图5-10所示：图 5-10 MC1413反向驱动器芯片(3) 7407同向驱动器同向驱动器，用于缓冲并输出更大电流。其引脚及功能

51、如图5-11所示：图 5-11 7407同向驱动器芯片逻辑图LED数码管的8位段码线是8279的OUTA0OUTA3和OUTB0OUTB3接口，为高电平有效，所以经过同向驱动后输出8位的I/O段码。 按键电路键盘设计要考虑参数的输入和运行的控制，因而需要设置的按键有：数字键09；及t的参数设置键，还需要设置与之配套的确认键Enter，清除键CLS,进位键“”等键；运行控制键Start。按键电路设计图如图5-12所示：图 5-12 按键电路设计图(1)数字键09：用来设置参数。在当前编辑位上输入数字，每按1个数字键便覆盖原数字。（2）参数设置键：ON,OFF,TT等3个键用来选择设置参数类型。流

52、程为：按3个中任意1个，以选择参数项目；再通过数字键送入第1位（最高位），通过“”键切换到下一位；再送入数字，一直到4为数字全部送完，再通过回车键Enter键确认。因为范围是0.1999.9ms，所以ON,OFF两个参数采用定点数，小数点位置固定不变，小数位为1位。输入过程中，如出现错误，可按CLS键清除，重新输入。当3个参数全部送完，则设置参数存在标志，为运行做好准备；否则不能运行。（3）运行控制键：包括暂停键和运行键Start。暂停键为单独建PKEY，Start键为矩阵按键。若所有参数齐备，按Start键，则开始运行，T参数开始倒计时；若参数不齐备，按此键无效。5.2 从系统设计 从系统电

53、路从系统电路是基于89C2051单片机的单芯片系统,其作用是产生斩波所需要的脉冲信号。系统的主频是12MHz，其目的是为了保证最小定时0.1ms的需要，在T2定时中断服务程序中完成相应动作。中断服务程序的总执行时间必须小于0.1ms；否则，会引起定时失常，出现比较大的脉冲频率误差，甚至不能正常工作。X1和X2: 时钟引脚，外接晶体与片内的反相放大器构成了1个振荡器，为单片机提供时钟控制信号；RST: 复位信号输入端，高电平有效；RXD、TXD: 分别为串行输入口、串行输出口；脉冲PULSE从P1.6输出，经Q1（9012）小功率三极管驱动后，经光电隔离驱动斩波信号驱动电路。89C2051引脚及

54、其功能如图5-13所示：图 5-13 89C2051 斩波脉冲驱动输出电路设计从系统产生的脉冲信号经高速光耦TIL117光电隔离后，送入驱动放大电路。斩波用脉冲驱动电路如图5-14所示：图 5-14 斩波用脉冲驱动电路从系统产生的脉冲信号经高速光耦TIL117光电隔离后，送入驱动放大电路。当M1+为低电平时，光耦截止，中功率三极管BG2截止，MZ11与MZ15间无信号输出；当M1+为高电平时，则光耦导通，BG2导通，则MZ11与MZ15间的电平信号约为16V，能满足斩波电路驱动信号的要求。如果调整R16，则可使输出信号在一定范围内具有可调性，以适应不同斩波用开关管的技术要求14。TIL117光

55、电耦合器是一种晶体管输出型光电耦合器驱动接口，可以将单片机与前向、后向以及其他部分切断电路的联系，即光电隔离。它的发光器是发光二极管，受光体是光电晶体管。当光电耦合器的发光二极管发光时光电晶体管受光的影响在cb和ce间有电流流过，这两个电流基本上受光的照度控制，常用ce极间的电流作为输出电流14。在这里作为开关使用，这时发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态，通过电流脉冲PULSE时，发光晶体管在电流脉冲持续时间内导通15。其示意图如图5-15所示。图 5-15 TIL117MC7818T是三端稳压集成电路，又叫三端稳压管。只有3条引脚输出，分别是输入端、输出端和接地端。在电路中起到稳压作用

56、。如图5-16所示：图 5-16 MC7818T通过斩波器件BG2，将原来一条直线的输出电压源VO,斩成了一块一块的脉冲，在MZ11与MZ15之间得到的输出信号即可用于电镀。实际应用中发现，3端稳压器的输出端不接大容量滤波电容，可以改善波形的边沿特性。第六章 软件设计如前几章所示，采用双CPU系统结构后，可以使2个CPU各司其职，并且是软件设计的难度也大大降低。由于单片机的廉价性，这种实现思路是可行的。下面我们讨论主从系统的软件设计问题。6.1 主系统软件设计根据前一章的硬件部分我们可以得知，主系统4大功能模块及其功能分别是: 主程序模块:系统初始化及其他模块的协调与调用。 串行通信模块:向从

57、系统发送编辑好的,及t等参数。 T2定时中断系统服务模块:计量电镀时间（对t参数倒计时处理）。 参数编辑模块:编辑输入脉冲所需的,及T等参数。主程序模块的程序框图如图6-1所示：图 6-1 主系统主程序框图6.2 从系统软件设计从系统软件有3大模块: 主程序模块 串行通信模块 T1定时中断服务程序其中T1定时中断服务程序是核心，主要生成脉冲波形。主程序模块的程序框图如图6-2所示：从系统的关键是0.1ms定时问题。这里采用定时器T1来实现，但在实际软件设计中必须注意2个问题16： 产生0.1ms定时的T1中断服务程序的执行时间不能超过定时器的定时常数0.1ms；否则出现定时混乱，不能保证脉冲频率精度。