人造金剛石壓機(jī)低頻加熱系統(tǒng)

1、 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第43頁 共43頁摘 要本文針對(duì)加熱電源控制系統(tǒng)電路進(jìn)行分析和研究，介紹了一種由單片機(jī)控制的PWM信號(hào)數(shù)字觸發(fā)電路，設(shè)計(jì)利用單片機(jī)的接口電路以及相應(yīng)的控制程序來實(shí)現(xiàn)頻率以及電源電壓的調(diào)節(jié)功能。首先了解金剛石壓機(jī)和單片機(jī)的研究背景以及發(fā)展前景，對(duì)設(shè)計(jì)要求的概念進(jìn)行理解，為設(shè)計(jì)打下基石。然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行選擇論證，通過各種方案的電路圖，功能以及輸出波形的比較分析確定設(shè)計(jì)方案。接下來是系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),對(duì)總體框架進(jìn)行構(gòu)造，電源經(jīng)過整流濾波然后進(jìn)行降壓送入可控硅作為調(diào)節(jié)對(duì)象，然后利用單片機(jī)輸出PWM控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制可控硅的開關(guān)達(dá)到調(diào)壓的目的

2、，改變單片機(jī)內(nèi)部程序調(diào)節(jié)PWM輸出周期從而改變輸出頻率，再詳細(xì)的介紹了各模塊的電路原理以及相互的關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)中使用的各種芯片所運(yùn)用的功能進(jìn)行闡述。接著是軟件設(shè)計(jì)，先介紹PWM控制技術(shù)的原理，闡述軟件程序的設(shè)計(jì)流程。最后是系統(tǒng)的調(diào)試及結(jié)論，利用仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)及對(duì)實(shí)物進(jìn)行調(diào)試得到最后的結(jié)果通過仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物調(diào)試的結(jié)果表明方案是可行的，該低頻加熱電源控制系統(tǒng)利用PWM控制技術(shù)進(jìn)行可控硅調(diào)壓使資源得到更合理的利用，控制更簡單智能，頻率的改變提高了電壓的利用率，該低頻加熱控制系統(tǒng)體積小，操作簡單，頻率和電壓的可調(diào)讓加熱系統(tǒng)更效率。關(guān)鍵詞：PWM；AVR單片機(jī)；可控硅；整流濾波；數(shù)碼顯示Abstra

3、ctThis power control system for 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. Diamo

4、nd Press and SCM first understand 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, f

5、unctional and comparative analysis 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 dri

6、ver circuit through the switch 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

7、chips used in a variety of functions 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 o

8、f the final Debugging by simulation 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 volt

9、age change utilization, the low 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 緒論51.1 課題的背景和前景51.2 課題研究的目的及意義61.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)62 方案設(shè)計(jì)72.1 設(shè)計(jì)要求72.2 方案的選擇73 硬件設(shè)計(jì)8

10、3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖83.2 整流濾波降壓電路設(shè)計(jì)93.2.1整流濾波電路93.2.2降壓電路113.3 可控硅驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)123.3.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)123.3.2 低頻的實(shí)現(xiàn)143.3.3 調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)143.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)143.5 主控模塊153.5.1 ATMEGA16單片機(jī)簡介153.5.2單片機(jī)外圍電路173.6 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)193.7 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)213.7.1 濾波電路的選擇213.7.2 輸出額定功率的實(shí)現(xiàn)234 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)254.1 PWM控制技術(shù)254.1.1PWM控制的基本原理264.1.2幾種實(shí)現(xiàn)PWM功能的方法及其工作原理265 系統(tǒng)的制作與調(diào)試3

11、25.1 控制系統(tǒng)的PCB制作325.1.1 PCB的制作規(guī)則325.1.2 PCB布局規(guī)則335.1.3 PCB布線規(guī)則335.2 硬件的調(diào)試345.3 軟件的調(diào)試35 6 結(jié)論36謝 辭37參考文獻(xiàn)38附 錄39引言隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計(jì)算機(jī)的功能也不斷地增強(qiáng)，許多高性能的新型機(jī)種不斷的涌現(xiàn)出來，單片機(jī)以其集成度高、功能強(qiáng)、體積小可靠性高、價(jià)格低和開發(fā)周期短等特點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測控領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中，成為必不可少的器件，尤其是在當(dāng)要求控制精度高，而成本低的社會(huì)里，往往都是采用單片機(jī)作為數(shù)字控制器取代模擬控制器。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機(jī)最是起到了不可替代的核心

12、作用。隨著國內(nèi)外基建行業(yè)技術(shù)水平的迅猛發(fā)展,市場對(duì)金剛石粉末鋸片砂輪磨料等人造金剛石制品的需求量越來越大人造金剛石是利用石墨在高溫高壓的環(huán)境中,在觸媒的催化作用下,其原子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,合成人造金剛石這一機(jī)理來實(shí)現(xiàn)的金剛石壓機(jī)是人造金剛石生產(chǎn)過程的主要設(shè)備,它不僅影響合成的產(chǎn)量,合成工藝的穩(wěn)定性,同時(shí)將直接影響合成的質(zhì)量和品級(jí),隨著產(chǎn)品工藝要求的提高,對(duì)金剛石壓機(jī)的控制要求也越來越高溫度控制是人造金剛石生產(chǎn)中重要的條件之一,在壓力控制水平一定的條件下,電加熱系統(tǒng)的控制水平將直接影響著合成金剛石的質(zhì)量和產(chǎn)量目前,國內(nèi)人造金剛石壓機(jī)合成設(shè)備中的加熱系統(tǒng)仍普遍才用穩(wěn)定電壓的加熱方式來控制合成腔內(nèi)的溫度

13、,結(jié)合多年來前輩對(duì)金剛石工藝的深入研究,可以使用單片機(jī)對(duì)加熱系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)首先先對(duì)電壓進(jìn)行整流轉(zhuǎn)換成直流電,這樣更利于加熱的穩(wěn)定性,再利用單片機(jī)控制可控硅進(jìn)行調(diào)壓從而達(dá)到控制加熱系統(tǒng)的目的,同時(shí)利用單片機(jī)進(jìn)行頻率調(diào)節(jié),使設(shè)備不需要特殊的電源要求而能夠更方便的應(yīng)用于生產(chǎn)工業(yè)一個(gè)基于單片機(jī)控制的金剛石低頻加熱系統(tǒng),它大體由整流濾波電路按鍵控制顯示部分單片機(jī)控制調(diào)節(jié)可控硅控制電路電壓采樣電路組成,首先通過電壓采樣電路采樣合成設(shè)備的電壓傳送至單片機(jī)進(jìn)行比較,然后通過按鍵調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出PWM控制可控硅的關(guān)斷從而控制電壓而達(dá)到加熱系統(tǒng)的控制目的,同時(shí)加入了數(shù)碼管顯示,讓控制更清晰明了其簡單迅捷穩(wěn)定以及易操作

14、的特點(diǎn)將會(huì)在金剛石加工領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用1 緒論1.1 課題的背景和前景單片機(jī)也被稱為微控制器，單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。單片機(jī)比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實(shí)上單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是

15、完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表和機(jī)器人制作等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提升，且電路簡單，故障率低，可靠性高，成本低廉。單片機(jī)種類很多，為什么該課題設(shè)計(jì)要選用AVR單片機(jī)呢？AVR單片機(jī)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：一、簡便易學(xué)，費(fèi)用低廉：AVR單片機(jī)開發(fā)技術(shù)簡單，便于

16、升級(jí)，費(fèi)用低廉；二、高速、低耗、保密；三、I/O口功能強(qiáng),具有A/D轉(zhuǎn)換等電路；四、有功能強(qiáng)大的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及通訊接口。所以，學(xué)習(xí)AVR單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用是有著廣闊前景的。 人造金剛石是一種重要的工業(yè)原材料,幾乎涉及國計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域我國目前是金剛石生產(chǎn)和出口大國,產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的2/3但是,國產(chǎn)金剛石工業(yè)產(chǎn)值卻只占世界工業(yè)產(chǎn)值的1/3,這主要是由于質(zhì)量不高所造成生產(chǎn)人造金剛石的主要設(shè)備是壓機(jī),從我國目前生產(chǎn)金剛石的設(shè)備來看,大部分生產(chǎn)廠家使用六面頂壓機(jī), 六面頂金剛石壓機(jī)可以利用機(jī)械、液壓裝置從六個(gè)方向向主機(jī)中心加壓，在主機(jī)中心硬質(zhì)合金頂錘的作用下使生產(chǎn)原料形成一個(gè)密封的正方體超高壓容腔，

17、同時(shí)通過電加熱裝置對(duì)該腔體加熱，該腔體就可以產(chǎn)生合成人造金剛石所需的高溫、高壓條件。整個(gè)設(shè)備的工作過程需要由電控系統(tǒng)與機(jī)械、液壓系統(tǒng)相配合完成一系列工作。其中，電控系統(tǒng)主要通過對(duì)由大、小柱塞泵和十幾個(gè)電磁閥組成的液壓系統(tǒng)以及電加熱裝置等的控制來完成自動(dòng)、調(diào)整等不同模式下的工作。整個(gè)設(shè)備是一種典型的機(jī)、電、液一體化集成產(chǎn)品。隨著國內(nèi)六面頂腔體的大型化和對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用,與國外在技術(shù)裝備上的差距在進(jìn)一步縮小但是,國內(nèi)在壓機(jī)的控制水平上還相當(dāng)落后,阻礙了金剛石質(zhì)量的提高因此,提高國內(nèi)金剛石壓機(jī)的控制水平成為當(dāng)務(wù)之急目前,國內(nèi)人造金剛石合成設(shè)備中的加熱系統(tǒng)仍普遍采用穩(wěn)定電壓的加熱方式來控制合成腔內(nèi)

18、的溫度用交流穩(wěn)壓器自耦調(diào)壓器和加熱變壓器構(gòu)成的加熱系統(tǒng)較多而采用可控硅調(diào)壓電源的系統(tǒng)也有一定數(shù)量國外則采用的有直流加熱脈沖加熱及超低頻加熱等方式,通過控制加熱功率實(shí)現(xiàn)間接控制合成腔內(nèi)的溫度,這樣的加熱方式改進(jìn)讓金剛石合成設(shè)備的控制更智能化,能達(dá)到合理控制合成腔溫度而不至于一直恒溫加熱浪費(fèi)資源,在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)更簡便更迅速的目的金剛石合成設(shè)備控制的研究可以更好的利用和制造資源,這是本課題研究的意義所在,而且工業(yè)智能化經(jīng)濟(jì)化也是我國工業(yè)邁進(jìn)的方向和目標(biāo)1.2 課題研究的目的及意義該課題的研究目的是為了設(shè)計(jì)出性能更加可靠，更加經(jīng)濟(jì)化和智能化的加熱控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)在于：成本較低并且能夠?qū)?/p>

19、爐溫進(jìn)行較為準(zhǔn)確的控制；控制系統(tǒng)操作簡單，無需專業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)；電壓和頻率連續(xù)可調(diào)，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)無需停機(jī)，效率更高；直流加熱，可以降低不必要的損耗，更經(jīng)濟(jì)化使用范圍廣泛，能夠應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的其他電壓控制系統(tǒng)當(dāng)中。1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本課題研究的加熱控制系統(tǒng)能夠?qū)饎偸铣稍O(shè)備的電壓及頻率實(shí)現(xiàn)連續(xù)的調(diào)節(jié)，利用按鍵控制單片機(jī)程序輸出實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的部分是變頻的實(shí)現(xiàn)以及調(diào)壓電路的選擇，這也是設(shè)計(jì)中最難解決的關(guān)鍵問題。變頻的實(shí)現(xiàn)改變頻率輸出是通過改變開關(guān)的動(dòng)作頻率實(shí)現(xiàn)的，通過單片機(jī)輸出PWM信號(hào)控制可控硅的開關(guān)動(dòng)作頻率而達(dá)到改變輸出頻率的調(diào)節(jié)調(diào)壓電路的選擇調(diào)壓電路的選擇非

20、常的廣泛，選擇可控硅調(diào)壓主要是易控制，驅(qū)動(dòng)簡單，大大的簡化了電路的復(fù)雜性2 方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)就是對(duì)本課題的一個(gè)總體的理解和思路，并且根據(jù)題目的要求對(duì)所涉及的硬件電路進(jìn)行選擇和規(guī)劃，并用軟件對(duì)其進(jìn)行編程設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)要求的功能。硬件電路的設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)要求，利用不同的電子元器件組成功能電路模塊并進(jìn)行相應(yīng)的連接，達(dá)到設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)的最終目的。硬件電路的設(shè)計(jì)包含了對(duì)各種元器件以及其構(gòu)成電路功能的理解和選擇，完成設(shè)計(jì)方案最優(yōu)的目標(biāo)。軟件的設(shè)計(jì)則是針對(duì)硬件電路的連接方式編寫相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)其功能，通過對(duì)程序的調(diào)試優(yōu)化電路的功能實(shí)現(xiàn)度。2.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的人造金剛石壓機(jī)低頻加熱電源控制系統(tǒng)電路有如下要求：1、

21、以單片機(jī)為主控芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)；2、 電源220V，輸出空載電壓3-7V可調(diào)，額定負(fù)載情況下，電源波動(dòng)10%時(shí)，輸出紋波小于1%；3、 低頻加熱電源，頻率可調(diào)。2.2 方案的選擇在仔細(xì)的研究考慮了設(shè)計(jì)要求后，認(rèn)為本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何調(diào)壓及調(diào)頻，所以首先要確定調(diào)壓及調(diào)頻的方案。調(diào)壓的方案有很多種，可以采用阻容降壓、穩(wěn)壓電路調(diào)壓、可控硅調(diào)壓等；阻容降壓因?yàn)椴话踩?，不能用于大功率條件，而且不適合動(dòng)態(tài)負(fù)載條件，所以予以排除；穩(wěn)壓電路調(diào)壓，例如LM317調(diào)壓電路由于輸出電流過小而不能滿足功率的要求；在排除了前兩種方案之后決定使用可控硅進(jìn)行調(diào)壓，使用單片機(jī)輸出PWM信號(hào)控制可控硅的開關(guān)從而達(dá)到調(diào)壓的目的。接

22、下來選擇的是PWM信號(hào)的產(chǎn)生方案，也就是選用何種單片機(jī)作為主控模塊，我們常用的單片有89C51單片機(jī)以及AVR系列單片機(jī)，兩者都可以產(chǎn)生PWM信號(hào)，使用89C51單片機(jī)作為主控芯片外圍電路較為復(fù)雜，且在信號(hào)采集時(shí)需要增加額外的AD轉(zhuǎn)換電路，增加了功能實(shí)現(xiàn)的困難度。而AVR系列單片機(jī)帶有特定的PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，且有內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換I/O口，對(duì)本次設(shè)計(jì)來說使用AVR系列單片機(jī)能更快更容易的實(shí)現(xiàn)所要完成的功能。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖金剛石壓機(jī)合成設(shè)備加熱系統(tǒng)的控制器以ATMEGA16單片機(jī)為核心,由電壓采樣電路單片機(jī)可控硅驅(qū)動(dòng)電路整流濾波電路頻率和電壓按鍵顯示電路穩(wěn)壓電源輸出濾波

23、電路等組成,總體的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示PA0 PB0PB3PD4 ATMEGA16電壓采樣電路整流濾波降壓電路穩(wěn)壓電源可控硅驅(qū)動(dòng)電路輸出濾波電路負(fù)載按鍵控制數(shù)碼管顯示電路電源圖3.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖電壓采樣電路 因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部參考電壓最高為5V,所以電壓采樣電路采用電阻分壓采樣,直接送入單片機(jī)的AD口。ATMEGA16單片機(jī) 控制器的核心部分，通過軟件產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)可控硅，運(yùn)用自帶的AD轉(zhuǎn)換對(duì)采樣電壓進(jìn)行采樣比較穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路使用78L05穩(wěn)壓電路將輸入的12V電壓轉(zhuǎn)換成固定5V給單片機(jī)供電。按鍵控制 通過按鍵產(chǎn)生一個(gè)脈沖經(jīng)過單片機(jī)掃描后改變PWM輸出控制可控硅的關(guān)斷控制電壓輸出。輸

24、出濾波電路 利用電容濾波減少輸出紋波使電壓輸出穩(wěn)定。繪制總體結(jié)構(gòu)框圖的目的只是為了對(duì)總體思路的一種清晰的表達(dá)以及了解各部分之間的聯(lián)系，下面分別介紹各個(gè)模塊的工作原理和具體內(nèi)容。3.2 整流濾波降壓電路設(shè)計(jì)3.2.1整流濾波電路因?yàn)橹绷麟娂訜岱€(wěn)定性更高，所以需要將交流電經(jīng)過整流再供給加熱系統(tǒng)。常用的整流電路有：半波整流、全波整流、橋式整流。半波整流：半波整流利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，在輸入為?biāo)準(zhǔn)正弦波的情況下，輸出獲得正弦波的正半部分，負(fù)半部分則損失掉。電路及所得波形如圖3.2所示：圖3.2 半波整流電路及波形全波整流：在這種整流電路中，在半個(gè)周期內(nèi)，電流流過一個(gè)整流器件，而在另一外一個(gè)半周內(nèi)，電

25、流流經(jīng)第二個(gè)整流器件，并且兩個(gè)整流器件的連接能使流經(jīng)它們的電流以同一方向流過負(fù)載。全波整流整流前后的波形與半波整流所不同的，是在全波整流中利用了交流的兩個(gè)半波，這就提高了整流器的效率，并使已整電流易于平滑。全波整流輸出電壓對(duì)比半波整流直流成分增大，脈動(dòng)程度減小，一般適用于要求輸出電壓不太高的場合。電路及波形如圖3.3所示：圖3.3 全波整流電路及波形橋式整流：橋式整流利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接。輸入正弦波的正半部分是兩只管導(dǎo)通，得到正的輸出；輸入正弦波的負(fù)半部分時(shí)，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。 橋式整流器對(duì)輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。電路及波形

26、如圖3.4所示：圖3.4 橋式整流及波形經(jīng)過三種整流電路的波形對(duì)比，決定選用橋式全波整流電路可以使整流更加的全面達(dá)到需求。常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。若濾波電路元件僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。無源濾波的主要形式有電容濾波、電感濾波和復(fù)式濾波(包括倒L型、LC濾波、LC型濾波和RC型濾波等)。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運(yùn)放）組成，則稱為有源濾波電路。有源濾波的主要形式是有源RC濾波，也被稱作電子濾波器。無源濾波電路通常用在功率電路中，比如直流電源整流后的濾波，或者大電流負(fù)載時(shí)采用LC電路濾波。濾波電路盡可能減小脈動(dòng)

27、的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。綜合以上濾波電路的特點(diǎn)和常用電路，整流濾波電路采用橋式全波整流和LC濾波電路，整體的電路圖如圖3.5所示：圖3.5 橋式整流濾波電路3.2.2降壓電路降壓電路采用LM317穩(wěn)壓電路進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。LM317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，具有在輸出電壓范圍1.2V到37V時(shí)能夠提供超過1.5A的電流、典型線性調(diào)整率0.01%、典型負(fù)載調(diào)整率0.1%、80dB紋波抑制比、輸出短路保護(hù)、過流、過熱保護(hù)、調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)的特性。其封裝形式如圖3.6所示：圖3.6 LM317封裝形式用LM317T制作可調(diào)穩(wěn)壓電源，常因電位器

28、接觸不良使輸出電壓升高而燒毀負(fù)載。如果增加一只三極管（如圖3.7所示），在正常情況下，Q1的基極電位為0，Q1截止，對(duì)電路無影響；而當(dāng)R1接觸不良時(shí)，Q1的基極電位上升，當(dāng)升至0.7V時(shí)，導(dǎo)通，將LM317T的調(diào)整端電壓降低，輸出電壓也降低，從而對(duì)負(fù)載起到保護(hù)作用。圖3.7 LM317調(diào)壓電路決定LM317輸出電壓的是電阻R1和R2的比值，R2是一個(gè)固定電阻.因?yàn)檩敵龆说碾娢桓?電流經(jīng)R1, R2流入接地點(diǎn). LM317的控制端消耗非常少的電流,可忽略不計(jì).所以, 控制端的電位是I x R1,又因?yàn)長M317 控制端, 輸出端接腳間的電位差為1.25 V,所以O(shè)ut(輸出）的電壓是: ；接下來

29、計(jì)算I，out與adj接腳間的電位差為1.25V，電阻為R1，所以電流是：1.25/R2，輸出電壓計(jì)算公式為： 3.3 可控硅驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.3.1 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電力MOSFET是一種單極型的電壓控制器件，不僅有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特點(diǎn),電力MOSFET種類和結(jié)構(gòu)有許多種，按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，同時(shí)又有耗盡型和增強(qiáng)型之分，在電力電子裝置中，主要應(yīng)用N溝道增強(qiáng)型。電力MOSFET大多采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，提高了器件的耐電壓和耐電流能力。電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因?yàn)樗尿?qū)動(dòng)電路相對(duì)簡單，當(dāng)柵極電壓超過開啟電壓且較小時(shí)，M

30、OS工作在線性區(qū)，此時(shí)源極與漏極之間電流與柵極電壓成線性關(guān)系；當(dāng)柵極電壓超過某個(gè)值時(shí)，MOS工作在飽和區(qū)，此時(shí)源、漏之間的電流為一恒定值。MOS的一個(gè)主要特征是柵極與源極之間具有很大的電阻，從而可以實(shí)現(xiàn)柵極與驅(qū)動(dòng)部分的信號(hào)隔離。電力MOSFET的應(yīng)用選擇應(yīng)該綜合各方面的限制及要求，首先應(yīng)考慮漏源電壓的選擇，在此上的基本原則為MOSFET實(shí)際工作環(huán)境中的最大峰值漏源間的電壓不大于器件規(guī)格書中標(biāo)稱漏源擊穿電壓的90%。其次考慮漏極電流的選擇，基本原則為MOSFET實(shí)際工作環(huán)境中的最大周期漏極電流不大于規(guī)格書中標(biāo)稱最大漏極電流的90%；漏極脈沖電流峰值不大于規(guī)格書中標(biāo)稱漏極脈沖電流峰值的90%。接著

31、是驅(qū)動(dòng)要求，MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求由其柵極總充電電量Qg參數(shù)決定，在滿足其他要求的情況下，盡量選擇Qg小者以便驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電壓選擇在保證遠(yuǎn)離最大柵源電壓前提下使Ron盡量小的電壓值，小的Ron值有利于減小導(dǎo)通期間的損耗，小的Rth值可減小溫度差，有利于散熱。綜合以上的選擇參數(shù)，為了讓電路有較大的余量和考慮到元器件選購的因素，決定采用IRF540，下面是IRF540的參數(shù)表：參數(shù)符號(hào)額定值單位漏-源電壓100V柵-源電壓20V連續(xù)漏極電流27A脈沖漏極電流108A耗散功率125W最高結(jié)溫150存貯溫度-55-150接著是對(duì)IRF540驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，作為一個(gè)開關(guān)電源一個(gè)好的MOSFET驅(qū)

32、動(dòng)電路的要求是：開關(guān)管開通瞬時(shí),驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開關(guān)管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩；開關(guān)管導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定使可靠導(dǎo)通；關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放,保證開關(guān)管能快速關(guān)斷；關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通；另外要求驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡單可靠,損耗小,最好有隔離。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3.8所示：圖3.8 可控硅驅(qū)動(dòng)電路采用用圖騰柱的驅(qū)動(dòng)電路方式用來為MOSFET匹配電壓以及提高驅(qū)動(dòng)能力，R5和R7提供了PWM電壓基準(zhǔn)，

33、通過改變這個(gè)基準(zhǔn)，可以讓電路工作在PWM信號(hào)波形比較陡直的位置。這個(gè)電路提供了如下的特性：1. 用低端電壓和PWM驅(qū)動(dòng)高端MOS管；2. 用小幅度的PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)高門電壓需求的MOS管；3. 通過使用合適的電阻，可以達(dá)到很低的功耗。3.3.2 低頻的實(shí)現(xiàn)低頻是指頻率在工頻50HZ以下，降低頻率可以使電路感抗降低，從而減少能量損失，提高電效率。電源頻率的改變是通過改變可控硅的開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)的。通過單片機(jī)對(duì)電壓的采集分析通過數(shù)碼管顯示出來后，讓操作者判斷爐腔內(nèi)溫度的變化然后通過按鍵來改變PWM輸出的占空比以及載波周期，驅(qū)動(dòng)可控硅開關(guān)頻率的改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的調(diào)節(jié)。3.3.3 調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求的輸出

34、空載電壓在3V到7V之間可調(diào)是通過控制可控硅的開關(guān)實(shí)現(xiàn)的?？煽毓璐嬖谝粋€(gè)開啟電壓，當(dāng)柵源電壓高于開啟電壓的時(shí)候可控硅導(dǎo)通，漏極和源極導(dǎo)電，形成電壓輸出。電壓的調(diào)節(jié)是通過改變PWM控制信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)的，占空比越大則可控硅導(dǎo)通的時(shí)間越長，輸出電壓升高，反之則降低。在設(shè)計(jì)PWM控制信號(hào)的時(shí)候應(yīng)該注意不要使柵源之間的電壓過高，防止其絕緣層擊穿，在程序中設(shè)置一個(gè)電壓比較參數(shù)，讓可控硅盡量的工作于非飽和區(qū)和截止區(qū)之間。3.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源是能為負(fù)載提供穩(wěn)定交流電源或直流電源的電子裝置，在電子制作電路中是必不可少的。78L05是一種固定電壓(5V)三端集成穩(wěn)壓器,其適用于很多應(yīng)用場合。78L05的

35、特性：三端穩(wěn)壓器、輸出電流可達(dá)到100mA、無需外接元件、內(nèi)部熱過載保護(hù)、內(nèi)部短路電流限制。78L05輸出端應(yīng)注意接濾波電容，大電容濾除低頻波，小電容濾除高頻波，根據(jù)這個(gè)原則選擇濾波電容的大小。穩(wěn)壓電源電路原理圖如圖3.9所示 圖3.9 穩(wěn)壓電源電路3.5 主控模塊主控模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能是：輸出PWM信號(hào)控制可控硅的開關(guān)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，利用PWM控制可控硅的開關(guān)頻率改變頻率，分析AD口接收的電壓信號(hào)進(jìn)行顯示，掃描按鍵的動(dòng)作進(jìn)行電壓和頻率的可控連續(xù)調(diào)節(jié)。3.5.1 ATMEGA16單片機(jī)簡介控制系統(tǒng)采用單片機(jī)控制，采用AVR系列單片機(jī)中的ATMEGA16單片機(jī)作為主控芯片，其主要的功能是掃描按鍵開

36、關(guān)的動(dòng)作進(jìn)行判斷，改變PWM控制波形的占空比輸出控制可控硅的開關(guān)時(shí)間和頻率，并分析AD口接收的電壓反饋信號(hào)進(jìn)行數(shù)碼顯示。ATMEGA16的產(chǎn)品特性：高性能、低功耗的 8 位AVR微處理器；先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)：131 條指令、大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期、32個(gè)8位通用工作寄存器、全靜態(tài)工作、工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS、只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash：擦寫壽命10,000次、具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀寫操作、512 字節(jié)的EEPROM：擦寫壽命100,000次；

37、1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM；可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密；JTAG 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容)：符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能、支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能、通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程；外設(shè)特點(diǎn)：兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器、具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC、四通道PWM、8路10位ADC：8個(gè)單端通道、TQFP封裝的7個(gè)差分通道；2個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道、面向字節(jié)的兩線接口、兩個(gè)可編程的串行USART、可

38、工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口、具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器、片內(nèi)模擬比較器特殊的處理器特點(diǎn)：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測、片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器、片內(nèi)/ 片外中斷源、6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式I/O 和封裝：32個(gè)可編程的I/O口、40引腳PDIP封裝, 44引腳TQFP封裝, 與44引腳MLF封裝工作電壓:ATmega16L：2.7-5.5V、ATmega16：4.5-5.5V速度等級(jí)：0-8MHz ATmega16L、0-16MHz ATmega16DIP封裝的ATMEGA

39、16的引腳配置如下圖3.10所示。ATMEGA16內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括有ALU部件、三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C)、片內(nèi)/外中斷、可編程串行USART、有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口等。ALU 與32 個(gè)通用工作寄存器直接相連，寄存器與寄存器之間、寄存器與立即數(shù)之間的ALU 運(yùn)算只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。ALU 操作分為3類：算術(shù)、邏輯和位操作，此外還提供了支持無/ 有符號(hào)數(shù)和分?jǐn)?shù)乘法的乘法器。其他的引腳功能為：VCC：數(shù)字電路的電源；GND：地；PA口：做為A

40、/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端，端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)；PB口：端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)；PC口：端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收

41、大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活；PD口：端口D為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D處于高阻狀；RESET: 復(fù)位輸入引腳,持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位；XTAL1: 反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路

42、的輸入端；XTAL2: 反向振蕩放大器的輸出端；AVCC：AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接，使用ADC時(shí)應(yīng)通過一個(gè)低通濾波器與VCC 連接；AREF：A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。圖3.10 ATMEGA16單片機(jī)引腳圖3.5.2單片機(jī)外圍電路1.時(shí)鐘電路XTAL1 與XTAL2 分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出，這個(gè)振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。熔絲位CKOPT 用來選擇這兩種放大器模式的其中之一。當(dāng)CKOPT 被編程時(shí)振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。這種模式適合于噪聲環(huán)境，以及需要通過XTAL2 驅(qū)動(dòng)第二個(gè)時(shí)鐘緩沖器的

43、情況。而且這種模式的頻率范圍比較寬。當(dāng)保持CKOPT 為未編程狀態(tài)時(shí)，振蕩器的輸出信號(hào)幅度比較小。其優(yōu)點(diǎn)是大大降低了功耗，但是頻率范圍比較窄，而且不能驅(qū)動(dòng)其他時(shí)鐘緩沖器。對(duì)于諧振器， CKOPT 未編程時(shí)的最大頻率為8 MHz， CKOPT 編程時(shí)為16 MHz。C1和C2 的數(shù)值要一樣，不管使用的是晶體還是諧振器。最佳的數(shù)值與使用的晶體或諧振器有關(guān)，還與雜散電容和環(huán)境的電磁噪聲有關(guān)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。需要注意的是：電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖3.11所示。圖3.11 時(shí)鐘

44、電路2.復(fù)位電路ATmega16有5個(gè)復(fù)位源：上電復(fù)位：電源電壓低于上電復(fù)位門限VPOT時(shí)，MCU 復(fù)位；外部復(fù)位：引腳 RESET 上的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)MCU 復(fù)位；看門狗復(fù)位?？撮T狗使能并且看門狗定時(shí)器溢出時(shí)復(fù)位發(fā)生；掉電檢測復(fù)位：掉電檢測復(fù)位功能使能，且電源電壓低于掉電檢測復(fù)位門限VBOT時(shí)，MCU即復(fù)位；JTAG AVR復(fù)位。復(fù)位寄存器為1時(shí)MCU復(fù)位。上電復(fù)位：上電復(fù)位(POR)脈沖由片內(nèi)檢測電路產(chǎn)生無論何時(shí)VCC低于檢測電平POR即發(fā)生。POR電路可以用來觸發(fā)啟動(dòng)復(fù)位，或者用來檢測電源故障。POR電路保證器件在上電時(shí)復(fù)位。VCC 達(dá)到上電門限電壓后觸發(fā)延遲計(jì)數(shù)器。在

45、計(jì)數(shù)器溢出之前器件一直保持為復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)VCC 下降時(shí)，只要低于檢測門限，RESET 信號(hào)立即生效；外部復(fù)位：外部復(fù)位由外加于RESET 引腳的低電平產(chǎn)生。當(dāng)復(fù)位低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)即觸發(fā)復(fù)位過程，即使此時(shí)并沒有時(shí)鐘信號(hào)在運(yùn)行。當(dāng)外加信號(hào)達(dá)到復(fù)位門限電壓VRST(上升沿)時(shí)，延時(shí)周期開始。延時(shí)結(jié)束后MCU啟動(dòng)。復(fù)位電路如下圖：程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，需要按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RET是復(fù)位信號(hào)輸入端，復(fù)位信號(hào)低電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過電阻與相連，按鍵脈沖復(fù)位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達(dá)到復(fù)位的。選用按鍵

46、電平復(fù)位電路，如圖3.12所示圖3.12 復(fù)位電路3.鍵盤電路鍵盤電路主要是通過按鍵實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)電壓及頻率的調(diào)節(jié)功能。電路通過按鍵產(chǎn)生低電平信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)的掃描識(shí)別之后對(duì)程序進(jìn)行修改從而改變PWM 控制信號(hào)的輸出驅(qū)動(dòng)可控硅的開關(guān)頻率和關(guān)斷達(dá)到調(diào)節(jié)電壓和頻率的目的。電路圖如圖3.13所示： 圖3.13 按鍵電路3.6 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)顯示有數(shù)字式、指針式兩種方式。采用數(shù)字式的顯示讓人可以對(duì)結(jié)果有更為直觀的了解和觀察。現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管一般采用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，直接用單片機(jī)的八位數(shù)據(jù)口作為數(shù)碼管的八段顯示驅(qū)動(dòng)口，這種驅(qū)動(dòng)方式雖然簡便，電路簡單，但是能夠顯示的位數(shù)較少，但是已經(jīng)可以滿足本設(shè)計(jì)課題的要

47、求。LED的結(jié)構(gòu)原理LED即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料。當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的少數(shù)截流子和多數(shù)截流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射繼而發(fā)光。LED的核心部分是PN結(jié)，P區(qū)帶過量的正電荷，N區(qū)帶過量的負(fù)電荷。當(dāng)正向?qū)ǖ碾妷杭釉谶@個(gè)半導(dǎo)體材料的PN結(jié)上時(shí)，電子就會(huì)從N區(qū)向P區(qū)移動(dòng)，空穴從P區(qū)向N區(qū)移動(dòng)，在P區(qū)和N區(qū)的交界處電子和空穴發(fā)生復(fù)合，即電子和空穴就會(huì)被推向量子阱，在量子阱內(nèi)電子跟空穴復(fù)合，復(fù)合過程中能量就會(huì)以光的形式從LED中發(fā)射出來。電流從陽極流向陰極時(shí)，晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。而光的波長也

48、就是光的顏色，這是由形成P-N結(jié)的材料決定的。八段LED數(shù)碼管所謂的八段就是指數(shù)碼管里有八個(gè)小LED發(fā)光二極管，通過控制不同的LED的亮滅來顯示出不同的字形，其編號(hào)分別是a、b、c、d、e、g、h和dp。數(shù)碼管又分為共陰極和共陽極兩種類型，其實(shí)共陰極就是將八個(gè)LED的陰極連在一起，讓其接地，這樣給任何一個(gè)LED的另一端高電平，它便能點(diǎn)亮。而共陽極就是將八個(gè)LED的陽極連在一起。使用LED顯示器的時(shí)候，為了顯示數(shù)字或是字符，要為LED顯示器提供代碼，因?yàn)檫@些代碼是通過各個(gè)段的亮與滅來顯示不同字符的，因此稱之為段碼。 LED的顯示原理N個(gè)LED顯示塊就可以組成N位LED顯示器，N個(gè)LED顯示塊有N

49、根位選線和8*N根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不同。段選線控制顯示字符的字型，而位選線為各個(gè)LED顯示塊的公共端，它控制該LED顯示位的亮，暗。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O端口多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O端口來驅(qū)動(dòng)，

50、實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管

51、輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。本次設(shè)計(jì)采用的是八段四位共陰數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的方式。如果在設(shè)計(jì)中按照一般的數(shù)碼管的使用方法，既是a-dp段位與單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位相連接，在制作PCB布局和布線時(shí)將會(huì)很困難，因?yàn)閷?shí)際的數(shù)碼管的封裝并不是按照與單片機(jī)數(shù)據(jù)位相連接的那樣一一對(duì)應(yīng)的。因此在設(shè)計(jì)數(shù)碼管電路的時(shí)候改變數(shù)碼管的引腳封裝位置，讓

52、其可以更好的和單片機(jī)的數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)，大幅的減少布線的復(fù)雜度，改變了引腳之后相應(yīng)的編碼也應(yīng)該隨之改變，在硬件連接的基礎(chǔ)上做相應(yīng)的軟件譯碼，這樣就方便了PCB以及電路板的制作，體現(xiàn)了單片機(jī)的靈活性。數(shù)碼管的的段位由單片機(jī)的PC口控制，而段選由PA4-PA7控制，經(jīng)過封裝修改的數(shù)碼管如圖3.14所示： 圖3.14 數(shù)碼管與單片機(jī)的連接基于以上數(shù)碼管的硬件連接，在單片機(jī)編程時(shí)要對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行軟件譯碼，各數(shù)字所對(duì)應(yīng)的碼字如下表所示：顯示字符共陰段碼顯示字符共陰段碼00xD780xDF10x1190x5F20xCDA0x9F30x5DB0xDA40x1BC0xC650x5Ed0xD960xDEE0xCE70x

53、15F0x8E3.7 輸出濾波電路的設(shè)計(jì)3.7.1 濾波電路的選擇課題的要求在額定負(fù)載下，電源波動(dòng)10%時(shí)，輸出紋波小于1%。所以在輸出電路要加上濾波電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。整流電路的輸出電壓不是純粹的直流，從示波器觀察整流電路的輸出，與直流相差很大，波形中含有較大的脈動(dòng)成分，稱為紋波。為獲得比較理想的直流電壓，需要利用具有儲(chǔ)能作用的電抗性元件（如電容、電感）組成的濾波電路來濾除整流電路輸出電壓中的脈動(dòng)成分以獲得直流電壓。直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來表示，此值越大，則濾波器的濾波效果越差。脈動(dòng)系數(shù)(S)=輸出電壓交流分量的基波最大值輸出電壓的直流分量半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S=157，全波整

54、流和橋式整流的輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)SO67。對(duì)于全波和橋式整流電路采用C型濾波電路后，其脈動(dòng)系數(shù)S=1(4(RLCT-1)。(T為整流輸出的直流脈動(dòng)電壓的周期。)電阻濾波電路：RC-型濾波電路，實(shí)質(zhì)上是在電容濾波的基礎(chǔ)上再加一級(jí)RC濾波電路組成的。如圖3.15(B)RC濾波電路。若用S表示C1兩端電壓的脈動(dòng)系數(shù)，則輸出電壓兩端的脈動(dòng)系數(shù)S=(1/C2R)S。由分析可知，電阻R的作用是將殘余的紋波電壓降落在電阻兩端，最后由C2再旁路掉。在值一定的情況下，R愈大，C2愈大，則脈動(dòng)系數(shù)愈小，也就是濾波效果就越好。而R值增大時(shí)，電阻上的直流壓降會(huì)增大，這樣就增大了直流電源的內(nèi)部損耗；若增大C2的電容量，

55、又會(huì)增大電容器的體積和重量，實(shí)現(xiàn)起來也不現(xiàn)實(shí)。這種電路一般用于負(fù)載電流比較小的場合. （A）電容濾波 （B）RC-型電阻濾波電路 （C） L-C電感濾波 （D） 型濾波電路 圖3.15 無源濾波電路的基本形式電感濾波電路根據(jù)電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，由電容C及電感L所組成的濾波電路的基本形式如圖3.15所示。因?yàn)殡娙萜鰿對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以C并聯(lián)在負(fù)載兩端。電感器L對(duì)直流阻抗小，對(duì)交流阻抗大，因此L應(yīng)與負(fù)載串聯(lián)。并聯(lián)的電容器C在輸入電壓升高時(shí)，給電容器充電，可把部分能量存儲(chǔ)在電容器中。而當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，電容兩端電壓以指數(shù)規(guī)律放電，就可以把存儲(chǔ)的能量釋放出來。經(jīng)過濾波電路向負(fù)載放電，負(fù)載上得到的輸出電壓就比較平滑，起到了平波作用。若采用電感濾波，當(dāng)輸入電壓增高時(shí)，與負(fù)載串聯(lián)的電感L中的電流增加，因此電感L將存儲(chǔ)部分磁場能量，當(dāng)電流減小時(shí)，又將能量釋放出來，使負(fù)載電流變得平滑，因此，電感L也有平波作用。通過上述濾波電路的比較，決定選用電感濾波電路，因?yàn)檫@樣可以電感濾波電路可以使負(fù)載電流變得平滑，對(duì)合成設(shè)備起到一定的保護(hù)，而不至于突變的加熱或降溫?fù)p壞設(shè)備。3.7.2 輸出額定功率的實(shí)現(xiàn)額定功