人造金刚石压机低频加热系统.docx
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人造金刚石压机低频加热系统
摘要
本文针对加热电源控制系统电路进行分析和研究，介绍了一种由单片机控制的PWM信号数字触发电路，设计利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。
首先了解金刚石压机和单片机的研究背景以及发展前景，对设计要求的概念进行理解，为设计打下基石。
然后根据设计要求对实现方案进行选择论证，通过各种方案的电路图，功能以及输出波形的比较分析确定设计方案。
接下来是系统的硬件设计,对总体框架进行构造，电源经过整流滤波然后进行降压送入可控硅作为调节对象，然后利用单片机输出PWM控制信号经过驱动电路控制可控硅的开关达到调压的目的，改变单片机内部程序调节PWM输出周期从而改变输出频率，再详细的介绍了各模块的电路原理以及相互的关系，对设计中使用的各种芯片所运用的功能进行阐述。
接着是软件设计，先介绍PWM控制技术的原理，阐述软件程序的设计流程。
最后是系统的调试及结论，利用仿真软件进行仿真实验及对实物进行调试得到最后的结果
通过仿真实验和实物调试的结果表明方案是可行的，该低频加热电源控制系统利用PWM控制技术进行可控硅调压使资源得到更合理的利用，控制更简单智能，频率的改变提高了电压的利用率，该低频加热控制系统体积小，操作简单，频率和电压的可调让加热系统更效率。
关键词：
PWM；AVR单片机；可控硅；整流滤波；数码显示
Abstract
Thispowercontrolsystemfortheheatingcircuitanalysisandresearch,presentsaPWMsignalfromthemicrocomputercontrolleddigitaltriggercircuitdesignusingmicrocontrollerinterfacecircuitandthecorrespondingcontrolprogramtoachievefrequencyandvoltageregulationfunctions.
DiamondPressandSCMfirstunderstandthebackgroundandprospectsofresearchonunderstandingtheconceptofdesignrequirementsforthedesignoflayingthecornerstone.Thenaccordingtodesignrequirementstochoosetheachievementoftheprogramdemonstrated,throughvariousprogramsofcircuit,functionalandcomparativeanalysistodeterminetheoutputwaveformdesign.Followedbyhardwaredesign,theoverallframeworkofthestructure,powerthroughtherectifierandthenproceedtostep-downintothesiliconastheadjustmentobject,thenusetheoutputPWMcontrolsignalsinglechipdrivercircuitthroughtheswitchtocontrolthethyristorvoltageregulatorThepurposeofregulatinginternalprocedurestochangethemicrocontrollerPWMoutputcycletochangetheoutputfrequency,thenadetaileddescriptionofthevariousmodulesofthecircuitandtoeachotheronthedesignofchipsusedinavarietyoffunctionsbytheuseofelaborate.Followedbysoftwaredesign,firstintroducedtheprincipleofPWMcontroltechniques,elaboratedsoftwaredesignprocess.Finally,systemdebuggingandconclusions,usingsimulationsoftwaresimulationanddebuggingoftherealresultsofthefinal
Debuggingbysimulationandrealresultsshowthattheprogramisfeasible,thepowercontrolsystemuseslow-frequencyheatingtechnologyforsilicon-controlledPWMcontrolregulatortomakemorerationaluseofresources,controlmoresimpleintelligence,increasethefrequencyofvoltagechangeutilization,thelowfrequencyheatingcontrolsystemissmall,simple,adjustablefrequencyandvoltagetoamoreefficientheatingsystem
Keywords：
PWM;AVRmicrocontroller;SCR;Rectifier;Digitaldisplay
引言4
1绪论5
1.1课题的背景和前景5
1.2课题研究的目的及意义6
1.3系统设计的主要任务6
2方案设计7
2.1设计要求7
2.2方案的选择7
3硬件设计8
3.1系统结构框图8
3.2整流滤波降压电路设计9
3.2.1整流滤波电路9
3.2.2降压电路11
3.3可控硅驱动电路设计12
3.3.1驱动电路的设计12
3.3.2低频的实现14
3.3.3调压的实现14
3.4稳压电源设计14
3.5主控模块15
3.5.1ATMEGA16单片机简介15
3.5.2单片机外围电路17
3.6数码管显示电路设计19
3.7输出滤波电路的设计21
3.7.1滤波电路的选择21
3.7.2输出额定功率的实现23
4系统软件设计25
4.1PWM控制技术25
4.1.1PWM控制的基本原理26
4.1.2几种实现PWM功能的方法及其工作原理26
5系统的制作与调试32
5.1控制系统的PCB制作32
5.1.1PCB的制作规则32
5.1.2PCB布局规则33
5.1.3PCB布线规则33
5.2硬件的调试34
5.3软件的调试35
6结论36
谢辞37
参考文献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，尤其是在当要求控制精度高，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｡人造金刚石是利用石墨在高温､高压的环境中,在触媒的催化作用下,其原子结构发生改变,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主要设备,它不仅影响合成的产量,合成工艺的稳定性,同时将直接影响合成的质量和品级,随着产品工艺要求的提高,对金刚石压机的控制要求也越来越高｡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,结合多年来前辈对金刚石工艺的深入研究,可以使用单片机对加热系统进行改进｡首先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,再利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,同时利用单片机进行频率调节,使设备不需要特殊的电源要求而能够更方便的应用于生产工业｡一个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､电压采样电路组成,首先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,同时加入了数码管显示,让控制更清晰明了｡其简单迅捷､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
1.1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的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
单片机比专用处理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,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，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。
目前单片机渗透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升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。
单片机种类很多，为什么该课题设计要选用AVR单片机呢？
AVR单片机具有以下的优点：
一、简便易学，费用低廉：
AVR单片机开发技术简单，便于升级，费用低廉；二、高速、低耗、保密；三、I/O口功能强,具有A/D转换等电路；四、有功能强大的定时器/计数器及通讯接口。
所以，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,几乎涉及国计民生的各个领域｡我国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,这主要是由于质量不高所造成｡生产人造金刚石的主要设备是压机,从我国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利用机械、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个密封的正方体超高压容腔，同时通过电加热装置对该腔体加热，该腔体就可以产生合成人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、液压系统相配合完成一系列工作。
其中，电控系统主要通过对由大、小柱塞泵和十几个电磁阀组成的液压系统以及电加热装置等的控制来完成自动、调整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当落后,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,这样的加热方式改进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一直恒温加热浪费资源,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利用和制造资源,这是本课题研究的意义所在,而且工业智能化､经济化也是我国工业迈进的方向和目标｡
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。
本次设计的主要优点在于：
⑴成本较低并且能够对炉温进行较为准确的控制；
⑵控制系统操作简单，无需专业人员进行培训；
⑶电压和频率连续可调，能够进行实时调节无需停机，效率更高；
⑷直流加热，可以降低不必要的损耗，更经济化
⑸使用范围广泛，能够应用到工业生产的其他电压控制系统当中。
1.3系统设计的主要任务
本课题研究的加热控制系统能够对金刚石合成设备的电压及频率实现连续的调节，利用按键控制单片机程序输出实现电压和频率的调节。
设计中最关键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关键问题。
⑴变频的实现
改变频率输出是通过改变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改变输出频率的调节
⑵调压电路的选择
调压电路的选择非常的广泛，选择可控硅调压主要是易控制，驱动简单，大大的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个总体的理解和思路，并且根据题目的要求对所涉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要求的功能。
硬件电路的设计是分析设计要求，利用不同的电子元器件组成功能电路模块并进行相应的连接，达到设计要求实现的最终目的。
硬件电路的设计包含了对各种元器件以及其构成电路功能的理解和选择，完成设计方案最优的目标。
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设计要求
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要求：
1、以单片机为主控芯片进行设计；
2、电源220V，输出空载电压3-7V可调，额定负载情况下，电源波动10%时，输出纹波小于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要求后，认为本次设计的重点在于如何调压及调频，所以首先要确定调压及调频的方案。
调压的方案有很多种，可以采用阻容降压、稳压电路调压、可控硅调压等；阻容降压因为不安全，不能用于大功率条件，而且不适合动态负载条件，所以予以排除；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要求；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加额外的AD转换电路，增加了功能实现的困难度。
而AVR系列单片机带有特定的PWM功能的定时器/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成的功能。
3硬件设计
3.1系统结构框图
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､输出滤波电路等组成,总体的结构框图如图3.1所示｡
⑴电压采样电路因为单片机内部参考电压最高为5V,所以电压采样电路采用电阻分压采样,直接送入单片机的AD口。
⑵ATMEGA16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
⑶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。
⑷按键控制通过按键产生一个脉冲经过单片机扫描后改变PWM输出控制可控硅的关断控制电压输出。
⑸输出滤波电路利用电容滤波减少输出纹波使电压输出稳定。
绘制总体结构框图的目的只是为了对总体思路的一种清晰的表达以及了解各部分之间的联系，下面分别介绍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
因为直流电加热稳定性更高，所以需要将交流电经过整流再供给加热系统。
常用的整流电路有：
半波整流、全波整流、桥式整流。
⑴半波整流：
半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，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
⑵全波整流：
在这种整流电路中，在半个周期内，电流流过一个整流器件，而在另一外一个半周内，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，是在全波整流中利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，脉动程度减小，一般适用于要求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
⑶桥式整流：
桥式整流利用四个二极管，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，所以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利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
经过三种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）组成，则称为无源滤波电路。
无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波（包括倒L型、LC滤波、LCπ型滤波和RCπ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）组成，则称为有源滤波电路。
有源滤波的主要形式是有源RC滤波，也被称作电子滤波器。
无源滤波电路通常用在功率电路中，比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。
滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，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，具有在输出电压范围1.2V到37V时能够提供超过1.5A的电流、典型线性调整率0.01%、典型负载调整率0.1%、80dB纹波抑制比、输出短路保护、过流、过热保护、调整管安全工作区保护的特性。
其封装形式如图3.6所示：
图3.6LM317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。
如果增加一只三极管（如图3.7所示），在正常情况下，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的调整端电压降低，输出电压也降低，从而对负载起到保护作用。
图3.7LM317调压电路
决定LM317输出电压的是电阻R1和R2的比值，R2是一个固定电阻.因为输出端的电位高,电流经R1,R2流入接地点.LM317的控制端消耗非常少的电流,可忽略不计.所以,控制端的电位是IxR1,又因为LM317控制端,输出端接脚间的电位差为1.25V,所以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，电阻为R1，所以电流是：
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，而且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点,电力MOSFET种类和结构有许多种，按导电沟道可分为P沟道和N沟道，同时又有耗尽型和增强型之分，在电力电子装置中，主要应用N沟道增强型。
电力MOSFET大多采用垂直导电结构，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，因为它的驱动电路相对简单，当栅极电压超过开启电压且较小时，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的一个主要特征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的应用选择应该综合各方面的限制及要求，首先应考虑漏源电压
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大于器件规格书中标称漏源击穿电压的90%。
其次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大于规格书中标称最大漏极电流的90%；漏极脉冲电流峰值不大于规格书中标称漏极脉冲电流峰值的90%。
接着是驱动要求，MOSFET的驱动要求由其栅极总充电电量Qg参数决定，在满足其他要求的情况下，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值有利于减小导通期间的损耗，小的Rth值可减小温度差，有利于散热。
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
100
V
栅-源电压
20
V
连续漏极电流
27
A
脉冲漏极电流
108
A
耗散功率
125
W
最高结温
150
℃
存贮温度
-55-150
℃
接着是对IRF540驱动电路的设计，作为一个开关电源一个好的MOSFET驱动电路的要求是：
⑴开关管开通瞬时,驱动电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,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡；
⑵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；
⑶关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断；
⑷关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通；
⑸另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离。
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，通过改变这个基准，可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置
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