电镀数字脉冲电源控制电路设计本科毕业设计(编辑修改稿)

电镀数字脉冲电源控制电路设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

普通开关电源的输出波形为高频调制的脉冲直流，若对平滑性有较高要求可以增加直流滤波器，冷却方式一般采取风冷。 本文主要研究工作 本课题围绕单片机为核心，完成监控 电路 和键盘输入、状态显示 等硬件电路的设计。 单片机使用 AT89C51，按照需求将引脚分配给监控电路，按键电路， 显示电路；监控电路使用 MAX813L 作为控制芯片，完成上电复位，自动复位，手动复位，和电源监控的功能；键盘电路使用 4*4 矩阵键盘，完成数值设置的功能；显示电路使用 LCD1602，LCD1602 能显示两行字符，每行 8 个，满足显示的要求；从系统选用 AT89C2051 作为控制芯片，产生控制开关电源的脉冲。 电源电路在正常导通时能够输出可调电压，当控制电路给电源电路开关脉冲时，电源电路根据开关管的导通情况形成脉冲直流电源。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4 2 电镀数字脉冲电源 的总体方案设计 系统总体 方案 设计 由于系统中关键的问题是定时， 电镀时间的定时及驱动开关管的脉冲定时，而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。 同时考虑到系统显示及按键处理的因素，本系统采用了双 CPU 系统设计架构。 主系统主要负责显示、按键管理、电镀时间控制以及运行中的暂停等控制；从系统主要负责产生开关管的驱动脉冲。 数字控制系统的原理图如图 21 所示。 主系统方案设计 主系统利用 AT89C51 作为中央控制芯片， P0 口作为液晶显示的数据线，用于显示电路， P2 口作为 按键控制电路的行线和列线， P1 口作为一般双向 I/O 口使用， P3 口的 、 作为串行通信 接 口使用，其他 P3 口作为一般双向 I/O 口使用。 看门狗电路利用 MAX813L 作为控制芯片，使用其经典电路做到上电自动复位和电路监控的功能，同时设计了一些外围电路，实现手动复位功能。 按键电路是使用一个 4*4 矩阵键盘，通过控制行线和列线达到控制按键的功能。 矩阵式键盘可以有效的节省 I/O 口。 显示电路是使用液晶显示，使用了一片 1602，达到 ton， toff， T 的显示功能。 显 示 键 盘 运行暂停、结束等控制接口 从 CPU 驱 动 开关电源 主 CPU 图 21 双 CPU 系统原理图 电镀数字脉冲电源控制电路设计 5 从系统方案设计 从系统是基于 AT89C2051 的控制电路，由从系统 单片机定时器提供定时，向电源电路发送一个脉冲，控制电路的通断，使 电源电路的输出由直流变为直流脉冲。 从系统与主系统的通信方式选为串口通信，通过 TXD,RXD 交叉连接实现，共用复位信号，由主系统的定时器提管理串口通信。 电源电路是一个将交流电转换为脉冲直流的电路，首先交流电源经过变压器转换为28V 的交流电源，再经过整流桥整流后输出直流，通过开关管控制直流电源的通断而达到输出脉冲直流的效果。 主、从系统通信方式的方案设计 在单片机应用系统中，双 CPU 或多 CPU 系统的 建构通常有以下 3 种形式。 1） 双口 RAM 方式 使用一个 CPU 有时会导致软件编写复杂，尤其是当多个外围芯片发生中断请求时，容易造成数据处理的延误。 采用双口 RAM 的双 CPU 电路，整个电路分成 2 大部分，每个 CPU 编有单独的程序，各管理 1 部分，这样可减小整个软件编写的难度，增加仪器工作的可靠性。 作为 2 个 CPU 交换信息的媒介，主 CPU 和从 CPU 均可通过与双口 RAM 相连的总线对双口 RAM 进行读 /写。 由于双口 RAM 大多具有双总线，而且具有总线仲裁机构，因此这种方式的 特点是硬件简单，但成本相对较高。 这种方式的实现原理可用图 22 表示。 2） 并口通信方式 直接将 2 个 CPU 通过并行接口连接起来，实现协调与交流。 这种方式是以牺牲并行接口为代价的。 虽然是半双工通信方式，但由于是并行通信方式，速度还是比串口片选 片选 状态 状态 总线 总线 主 CPU 从 CPU 左总线 右总线 双口 RAM 图 22 双口 RAM 方式 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 6 方式要快。 在并行接口紧张的应用场合，需要权衡。 图 23 即为双 CPU 通过并行接口连接。 3) 串行通信方式 串行通信方式，即主、从 CPU 之间通过串行接 口或模拟串行接口进行协调和交流。 这种方式的特点是硬件简单，软件实现也很方便。 适合于本次设计的需要。 本次系统在串行通信的基础上，配合以适当的硬握手联络信号，以克服纯软件握手对驱动脉冲的影响。 双口 RAM 方式硬件电路简单，但成本较高，并行通信方式通信速度快，却是以牺牲 I/O 口为代价，不适合本次设计的要求，串行通信方式虽然通信速度稍慢，但硬件电路简单，软件实现也很方便，适合本次设计的需要，两 CPU 通过 RXD,TXD 交叉连接完成串口通信。 P1 CPU1 P34 P35 P1 CPU2 P34 P35 图 23 并行通信方式 电镀数字脉冲电源控制电路设计 7 3 电镀数字脉冲电源设计的关键技术和实现 由于系 统中关键的问题是定时， 电镀时间的定时及驱动开关管的脉冲定时，而且后者的定时精度直接影响输出脉冲波形的频率精度。 同时考虑到系统显示及按键处理的因素，本系统采用了双 CPU 系统设计架构。 主系统主要负责显示、按键管理、电镀时间控制以及运行中的暂停等控制；从系统主要负责产生开关管的驱动脉冲。 主 CPU 的选择、 方案确定 AT89C51 单片机的内部结构和引脚功能 主 CPU 系统主要管理显示电路、按键电路、运行状态控制及向从 CPU 系统发送脉冲参数等，核心是 AT89C51 单片机。 其中暂停开关 PKEY 与 暂停指示灯通过接口与单片机连接，暂停时指示灯会发光指示。 主、从 CPU 系统的握手信号为 R/P， SCOMM。 其中 R/P 用来由主 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。 本次设计使用 AT89C51 单片机作为主系统芯片， AT89C51 单片机芯片内部的逻辑结构如下图 31 所示。 图 31 AT89C51 内部逻辑结构 各部分的情况简单介绍如下： a） 中央处理器（ CPU） 中央处理器是单片机的核心，完成运算和控制操作。 在 CPU 里面包含了运算器、控制器以及 若干寄存器等部件组成。 b） 内部数据存储器（ RAM） 用于存放可读写的数据，地址范围为 00H～ FFH（ 256B）。 是一个多用多功能数据存储，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 8 c） 内部程序存储器（ ROM） 用于存放程序、原始数据或表格。 因此称之为程序存储器，地址范围为 0000H～FFFFH（ 64KB）。 d） 定时器 /计数器 51 系列共有两个 16 位的定时器 /计数器，以实现定时或记数功能。 e） 并行 I/O 口 MCS51 共有 4 个 8 位的 I/O 口（ P0、 P P P3），以实现数据的并行输入输出。 f） 串行口 MCS51 有一个全双工的串行口，以实现单片机和其它数据设备之间的串行数据传送。 该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。 g） 中断控制系统 MCS51 单片机的中断功能较强，以满足控制应用的需要。 h） 时钟电路 i） 位处理器 8051 是标准的 40 引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列参照下图 32。 图 32 AT89C51 管脚图 信号引脚介绍 a)输出口线 ～ P0 口 8 位双向口线 ～ P1 口 8 位双向口线 电镀数字脉冲电源控制电路设计 9 ～ P2 口 8 位双向口线 ～ P3 口 8 位双向口线 b)ALE 地址锁存控制信号 在系统扩展时， ALE 用于控制把 P0 口输出的低 8 位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。 c)PSEN 外部程序存储器读选通信号在读外部 ROM 时 PSEN 有效（低电平），以实现外部 ROM 单元的读操作。 d)EA 访问程序存储器控制信号 当 EA 信号为低电平时，对 ROM 的读操作作限定在外部程序存储器；而当 EA 信号为高电平时，则对 ROM 的读操作作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。 e)RST 复位信号 当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上高电平时即位有效，用以完成单片机的复位操作。 f)XTAL1 和 XTAL2 外接晶体引线端 当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 g)Vss 地线 h)Vcc +5V 电源 引脚的分配 AT89C51 作为中央控制芯片， P0 口作为液晶显示的数据线，用于显示电路， P2 口作为按键控制电路的行线和列线， P1 口作为一般双向 I/O 口使用， P3 口的 、 作为串行通信借口使用，其他 P3 口作为一般双向 I/O 口使用。 显示电路设计 作为显示电路，要求实现的功能有：能够对 ton， toff， T 的数值进行显示和设计，并且没个数值都要求有四位有效数字，可以用三组 4 位的数码管显示，也可以用液晶显示实现，下面对这两种显示方式做 以下 介绍。 数码管显示电路设计 数码管采用小型超高亮共阴数码管。 为了有所区别，前 2 个参数的显示采用绿色，后 1 个参数的显示采用红色。 ton, toff 参数在运行中始终显示，而 T 参数则以秒为单位倒计时显示，到 0 时结束运行。 通过 P15 引脚向 MAX813L 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。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 10 由于显示电路的需要，本次设计中共用到 3 组，每组四个的数码管，因单片机上 I/O口有限，利用一个 8279 对 I/O 口进行扩展。 1)8279 8279 是可编程的键盘、显示接口芯片。 它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，在单片机系统中应用很广泛。 8279 内部有键盘 FIFO（先进先出堆栈） /传感器，双重功能的 8*8=64BRAM，键盘控制部分可控制 8*8=64 个按键或 8*8 阵列方式的传感器。 该芯片能自动消抖并具有双键锁定保护功能。 显示 RAM 容量为 16*8，即显示器最大配置可达 16 位 LED 数码显示。 ○ 1 数据线 DB0DB7 是双向三态数据总线，在接口电路中与系统数据总线相连，用以传送 CPU和 8279 之间的数据和命令。 ○ 2 地址线 /CS=0 选中 8279，当 A0=1 时，为命令字及状态字地址；当 A0=0 时，为片内数据地址，故 8279 芯片占用 2 个端口地址。 ○ 3 控制线 CLK： 8279 的时钟输入线。 IRQ：中断请求输出线， 高电平有效。 /RD、 /WR：读、写输入控制线。 SL0SL3：扫描输出线，用来作为扫描键盘和显示的代码输出或直接输出线。 RL0RL7：回复输入线，它们是键盘或传感器矩阵的信号输入线。 SHIFT：来自外部键盘或传感器矩阵的输入信号，它是 8279 键盘数据的次高位即 D6 位的状态，该位状态控制键盘上 /下档功能。 在传感器方式和选通方式中，该引脚无用。 CNTL/S：控制 /选通输入线，高电平有效。 键盘方式时，键盘数据最高位（ D7）的信号输入到该引脚，以扩充键功能；选通方式时，当该引脚信号上升沿 到时，把 RL0RL7 的数据存入 FIFO RAM 中。 OUTA0OUTA3：通常作为显示信号的高 4 位输出线。 OUTB0OUTB3：通常作为显示信号的低 4 位输出线。 /BD：显示熄灭输出线，低电平有效。 当 /BD=0 时将显示全熄灭。 2） 4514 4514 由锁存器和 4— 16 线译码器组成，主要功能是锁存和译码。 3） MC1413 MC1413 高耐压、大电流达林顿陈列反相输出器，又七个硅 NPN 达林顿管组成。 MC1413 的每一对达林顿管都串联一个 的基极电阻，在 5V 的 工作电压下它能与TTL 和 COMS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 电镀数字脉冲电源控制电路设计 11 MC1413 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能。