超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源的研究與設(shè)計(jì)

1、超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源的研究與設(shè)計(jì)北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文超（變）頻電磁感應(yīng)鍋爐電源的研究與設(shè)計(jì)姓名：聞偉中請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專(zhuān)業(yè):機(jī)械制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師:王建華20090501 摘要摘要隨著電子電力技術(shù)不斷發(fā)展，新型開(kāi)關(guān)器件的岀現(xiàn)，使得研制新型超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源來(lái)取代傳統(tǒng)電磁感應(yīng)加熱電源，并彌補(bǔ)其不足成為可 能。木文在電磁感應(yīng)加熱理論的基礎(chǔ)上,分析并選擇直流斬波調(diào)功方案作為設(shè)計(jì)方 案，設(shè)計(jì)一款基于實(shí)現(xiàn)的超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源。本電源具有超音頻，無(wú)噪聲污染，頻率可調(diào),諧波對(duì)網(wǎng)側(cè)電源的影響小等特點(diǎn)。木系統(tǒng)基于數(shù)字集成電路技術(shù)、電磁感應(yīng)加熱技術(shù)和變頻技術(shù)，包括總體方案設(shè)計(jì)，硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以

2、及軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。作為主控制器，主電路采用直流斬系統(tǒng)采用波電路形式,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁感應(yīng)鍋爐的有效控制。這種電路電路簡(jiǎn)單、功率因 數(shù)高，輸出波形好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，保護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn)，成本也比較低。在高速卬制電路板設(shè)計(jì)中，基于抗干擾技術(shù)，分析減小電磁干擾的方法，并從雙面板設(shè)計(jì)，布局和布線幾方面進(jìn)行分析，根據(jù)影響電磁干擾的因素采取 了相對(duì)的措施，并且進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢測(cè)，保證了高速數(shù)字信號(hào)的完整性，使得系統(tǒng) 能夠很好的實(shí)現(xiàn)其功能。軟件設(shè)計(jì)方面充分考慮軟件的可靠性和穩(wěn)定性,液晶顯示子程序和鍵盤(pán)掃描子程序放在主程序中，轉(zhuǎn)換采用中斷觸發(fā)形式。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路以及電磁干擾的控制方法適用于-般的高速印制電路板系統(tǒng)，碩件設(shè)計(jì)和

3、軟件設(shè)計(jì)具有一定的通用性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞；電磁感應(yīng)；電磁干擾;設(shè)計(jì)，獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其 他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京工業(yè)大學(xué)或其它教育 機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢 獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明木人完全了解北京工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán) 保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段

4、保存論文。保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定簽名：導(dǎo)師簽名：鮑聾綽第章緒論第章緒論課題來(lái)源及研究意義本課題來(lái)源于北京市華威鍋爐有限公司，該公司長(zhǎng)期從事鍋爐相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)是一種新型的加熱技術(shù)，它利用高頻電加熱原理，將交流電轉(zhuǎn)化為高頻電流,產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)磁力線通過(guò)絕緣板作用在鐵質(zhì)容器外殼時(shí)，磁力線被切割，產(chǎn)生大量小渦流，使鐵質(zhì)容器的自身迅速發(fā) 執(zhí)八、,從而達(dá)到加熱的目的【玨】。美國(guó)在抽樣上提出將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)列為世紀(jì)十大開(kāi)發(fā)課題之o目前、基于感應(yīng)加熱原理的工業(yè)應(yīng)用的h益擴(kuò)大，隨著我國(guó)新型制造業(yè)的發(fā)展，感應(yīng)加熱應(yīng)用范圍已由原來(lái)單一的金屬熱處理擴(kuò)展?jié)B透到半導(dǎo)體材料的 精練

5、和提純、人造金剛石的熔煉、鋼管涂塑、石油、橡膠塑料加工、光纖制造等行業(yè)，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。以塑料行業(yè)為例，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示:我國(guó)每年僅塑料加工企業(yè)，每年用電需求量為億度，如果采用該項(xiàng)技術(shù)，每年可節(jié)電億度,每度電按全國(guó)平均價(jià)元計(jì)算,其節(jié)電總價(jià)值為億人民幣。因此,該項(xiàng)技術(shù)會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。尤其隨著同行業(yè)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的日 益加居閑企業(yè)對(duì)節(jié)能降耗意識(shí)的提高，該項(xiàng)新技術(shù)會(huì)逐步替代傳統(tǒng)的電加熱設(shè)備, 同時(shí)極有可能引發(fā)一場(chǎng)塑料、橡膠等重石化行業(yè)的技術(shù)革命。感應(yīng)加熱技術(shù)，特別是先進(jìn)大功率感應(yīng)加熱技術(shù)在今后的年內(nèi)具有極光明的應(yīng)用前景，將在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的提升，發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變扮演重要的角色，面對(duì) 國(guó)外感

6、應(yīng)設(shè)備制造公司紛紛進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，本土企業(yè)設(shè)備在價(jià)格上的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì) 己漸減弱，用戶更看重的是設(shè)備的可靠性。因此本土企業(yè)應(yīng)抓緊時(shí)間研究這項(xiàng)技增加自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)贏得了更大的利益【一。課題的研究背景電磁感應(yīng)加熱技術(shù)是一種新型的加熱技術(shù)，它利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象對(duì)金屬加熱。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律，給感應(yīng)線圈通交變電流，線圈當(dāng)屮 產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，若工件放在加熱線圈的交變磁場(chǎng)內(nèi)，由于磁力線的切割，將在 同的深淺層面產(chǎn)牛感應(yīng)電流渦流,并因工件的阻抗性質(zhì)及渦流在工件上的流動(dòng)產(chǎn)生熱量，使工件的溫度升高，達(dá)到加熱的目的。感應(yīng)加熱具有加熱速度快、熱效率高和無(wú)空氣污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于金屬 北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩

7、士學(xué)位論文冶煉、金屬表面熱處理、金屬的焊接、加熱水等領(lǐng)域。用于加熱水的主要有 工頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱和高頻感應(yīng)加熱。變頻技術(shù)是指通過(guò)改變交流電頻率的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制的技術(shù)，是應(yīng)交流 電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。世紀(jì)年代后，隨著電力電子技術(shù)和控制技 術(shù)的飛速發(fā)展，使得以變頻調(diào)速為主的交流調(diào)速得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，開(kāi)始逐步 取代直流調(diào)速。交流異步電機(jī)的變頻調(diào)速發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于工藝調(diào)速傳動(dòng) 和節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)屮。年代以后,利用了變頻技術(shù)的脈寬調(diào)傳被廣泛應(yīng)用于工業(yè)功率控制的逆變系統(tǒng)中，不僅有效地改善和提高了品質(zhì)性能，還能將直 流電壓變換成電壓和頻率均可調(diào)的交流電壓。脈寬調(diào)制在兩類(lèi)工業(yè)功率控制裝置 中

8、應(yīng)用最廣泛:一是用于調(diào)速傳動(dòng)裝置中，尤其廣泛用于交流調(diào)速中，二是用于精 密功率電源中。超變頻電磁感應(yīng)加熱是感應(yīng)加熱技術(shù)與變頻技術(shù)相結(jié)合的一種新技術(shù)， 它根據(jù)電磁感應(yīng)加熱理論，充分利用了圓環(huán)、鄰近與集服三效應(yīng)的疊加原理,過(guò)鍋爐結(jié)構(gòu)和電源的頻率選擇機(jī)制，使兩個(gè)磁場(chǎng)或多個(gè)磁場(chǎng)同時(shí)存在一個(gè)單位空間中，相互撞擊、相吸、相斥產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大封閉且交變的電磁場(chǎng)。當(dāng)置于其 屮的鍋爐處于變化的磁場(chǎng)中時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生岀很大強(qiáng)度的渦流，渦流也即超 頻電流，在鍋爐的內(nèi)、外磁熱交換器的壁內(nèi)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大量的熱能,接著傳遞給在 其中高速流動(dòng)著的水，使水迅速加熱。傳統(tǒng)工頻電磁感應(yīng)鍋爐電源是指將、工頻電源直接輸入鍋爐感應(yīng)線圈，對(duì)

9、置于其中的水進(jìn)行加熱。這種方法廉價(jià)可靠，但是頻率低且不可調(diào) 整，功率因數(shù)小，無(wú)功損耗大;傳統(tǒng)高頻電磁感應(yīng)鍋爐電源由于其高頻電流透入 深度小，趨膚效應(yīng)太強(qiáng),對(duì)現(xiàn)有電力電子器件而言不能驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備;傳統(tǒng)中頻 電磁感應(yīng)電源受主控器件晶閘管在生產(chǎn)工藝和器件性能方面影響，需要設(shè)計(jì)特殊逆變電路,而且工作頻段在聲波范圍內(nèi)，工作時(shí)嚴(yán)重影響人們的休息, 必須在鍋爐房?jī)?nèi)設(shè)計(jì)隔音層。針對(duì)上述傳統(tǒng)電磁感應(yīng)鍋爐電源的不足，越來(lái)越 多廠家加入到新型超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源的研究屮來(lái)【x。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀電磁感應(yīng)加熱電源是感應(yīng)加熱的關(guān)鍵設(shè)備，其發(fā)展與電力電子學(xué)及電力半導(dǎo) 體器件的發(fā)展密切相關(guān)。第一臺(tái)晶閘管感應(yīng)加熱電源使用晶閘

10、管，工作頻率 較低。隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，、等新型自關(guān)斷器件不斷涌現(xiàn)，其質(zhì)量不斷提高，為屮高頻感應(yīng)加熱電源的推廣普及提供 了條件,。晶閘管加熱電源由于節(jié)能顯著、綜合技術(shù)指標(biāo)較好，是一種比較理想的感應(yīng) 第蘋(píng)緒論加熱設(shè)備。但傳統(tǒng)的晶閘管中頻電源，存在焊點(diǎn)多、連線和接插件多、調(diào)試 復(fù)雜以及不宜維修等問(wèn)題。另外，大功率晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的諧波是 不容忽視的，對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的公害，已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的問(wèn)題,從晶閘 筲設(shè)備的控制系統(tǒng)方面，通?？紤]釆用高精度觸發(fā)電路來(lái)加以抑制，而這是模 擬系統(tǒng)難以完美解決的。，自從年代后期以來(lái)，在感應(yīng)加熱電源方面,變頻技 術(shù)得到了迅速發(fā)展。它具有驅(qū)動(dòng)功率

11、小、開(kāi)關(guān)速度快、通態(tài)壓降小、載流能 力強(qiáng)、體積小、效率高和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，并成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。隨著新技術(shù)、新材料的運(yùn)用，功率模塊在電流、電壓等參數(shù)方面都有大幅度提高，特別是器件可工作在諧振狀態(tài)。全固態(tài)超咅頻電源與晶閘管屮頻電源 相比，具有明顯的節(jié)能、節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，是感應(yīng)加熱發(fā)展的必然趨勢(shì)】。自年美國(guó)公司發(fā)明功率器件后，己經(jīng)成為眾多加熱電源首選器件。年西班牙報(bào)道了一/的感應(yīng)加熱電源：年r本采用器件研制了 /的并聯(lián)逆變感應(yīng)加熱電源。比利時(shí)公司生產(chǎn)的電流型感應(yīng)加熱電源可達(dá)兆瓦級(jí)別。國(guó)外最大容量已達(dá)幾十兆瓦。應(yīng)用于高頻電源的另一功率器件為靜電感應(yīng)晶 體管，主要以日本為主，電源水平在年代末達(dá)

12、到/。國(guó)內(nèi)在“八五”計(jì)劃開(kāi)始加快了研究全固態(tài)的感應(yīng)加熱電源步伐。年天津高頻設(shè)備廠和天津大學(xué)聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)岀/的感應(yīng)加熱電源。同年，浙江大學(xué)，電流型并聯(lián)逆變感應(yīng)加熱電源通過(guò)鑒定。年浙江大學(xué)三伊公司研制成功/的固體電源。和國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)還有不少差距。國(guó)內(nèi)的大容量全固態(tài)感應(yīng)加熱電源十分缺乏,大多數(shù)用戶直接從國(guó)外進(jìn)口超咅頻感應(yīng)加熱電源，因而國(guó)內(nèi)發(fā)展超咅頻感應(yīng)加熱電源的前 景十分看好。在控制技術(shù)上，國(guó)外大量采用集成電路，數(shù)字顯示，微機(jī)控制。國(guó)內(nèi)大部分采用分立元件和繼電器，電路大都采用模擬電子電路，實(shí)現(xiàn)模擬控制。因而,決微機(jī)的頻率跟蹤以及系統(tǒng)的微機(jī)化設(shè)計(jì)具有實(shí)用意義。在生產(chǎn)上，國(guó)外一般采用標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)，

13、國(guó)內(nèi)仍處于手工業(yè)作坊階段。因此國(guó)內(nèi)電磁感應(yīng)加熱電源在頻段范圉與功率等級(jí)上與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，差距 逐漸縮小但是要趕上發(fā)達(dá)國(guó)家的感應(yīng)加熱的應(yīng)用水平，還有許多工作要做。比如 元器件質(zhì)量、壽命與無(wú)故障吋間、出廠的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等。目前，國(guó)內(nèi)外感應(yīng)加熱電源的發(fā)展有如下趨勢(shì)：第一逐漸取代晶閘管成為大功率中頻感應(yīng)加熱電源的主流功率器件。由于屬于全控型器件，關(guān)斷時(shí)間很短,不存在換相失敗問(wèn)題，對(duì)諧振電路屬性沒(méi)有嚴(yán)格要求,故設(shè)備的故障率極低。加之應(yīng)用技術(shù)不斷成熟，北京 工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文價(jià)格不斷下降，特別是一些專(zhuān)為低頻高功率場(chǎng)合設(shè)計(jì)的的出現(xiàn)使得其在大 功率應(yīng)用場(chǎng)合逐漸取代晶閘管、等器件。第二感應(yīng)加熱電源控制的數(shù)字化

14、，智能化。近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)的發(fā)展,使逆變電源的全數(shù)字控制成 為現(xiàn)實(shí)。能夠?qū)崊嫉刈x取逆變電源的輸岀，并實(shí)吋地訃算岀輸岀值， 使得一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于逆變電源控制成為可能。徳國(guó)公司于 上海分公司推出全球首款采用的系列新一代的中頻感應(yīng)加熱 電源產(chǎn)品。最高的輸出功率可達(dá)。隨著電子電力新器件出現(xiàn)，新控制方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，感應(yīng)加熱電源技術(shù)正朝高頻化、大容量化、智能控制、高功率因素、低 諧波電源的方向發(fā)展【綜合上述幾個(gè)因素，木課題研制一種基于控制的超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源。該電源具有以下特點(diǎn)：第一工作頻率在超音頻范圍內(nèi)，無(wú)噪音污染。第二工作頻帶寬，電源功率輸出與工作頻率能夠

15、同步。第三電源的整流部分采用不可控整流橋進(jìn)行整流，諧波對(duì)網(wǎng)側(cè)電源的影響 小。本課題的研究?jī)?nèi)容本課題來(lái)自北京市華威鍋爐有限公司。項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)一款超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源，該電源功率，工作頻率可調(diào)，能夠顯示及設(shè)置各種相應(yīng)參數(shù)。功能要求見(jiàn)表。表超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源功能要求9 功能要求組成部分所選芯片要求直流斬波脈沖寬度%.%。調(diào)功部分頻率范圍，輸岀兩路互補(bǔ)逆變部分波，能調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。顯示部分 液晶顯示模塊 電流、電壓、頻率顯示。時(shí)間控制，電壓、電流保護(hù)，能手動(dòng)調(diào)節(jié)上下自動(dòng)控制或單片機(jī)限。部分根據(jù)以上要求，本課題主要的內(nèi)容具體包括硬件電路設(shè)計(jì)、高速電磁干擾仿真研究分析和軟件三部分：第一在電磁感應(yīng)加熱理

16、論基礎(chǔ)上，綜合考慮系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體第 章緒論方案。第二碩件部分:根據(jù)功能要求進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)和研究;主要電子及其外圍硬件電路的設(shè)計(jì)。元器件的選擇;研究和設(shè)計(jì)。第三高速第四軟件部分:及其外圍硬件電路的驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)，調(diào)試整套系統(tǒng)，使其穩(wěn)定工作。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文第章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電磁感應(yīng)加熱原理電磁感應(yīng)加熱技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)為技術(shù),是在法拉第感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是法拉第感應(yīng)定律的一種應(yīng)用形式。年法拉第發(fā)現(xiàn):線圈內(nèi)磁場(chǎng)的變化會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的大小和線圈內(nèi)磁場(chǎng)變化的速率成正比。這就是法拉第電磁感應(yīng)定律。最初,法拉第 定律引起了電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器和無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展。然

17、而，在應(yīng)用過(guò)程 中人們發(fā)現(xiàn)，感應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱損耗，這成為破壞系統(tǒng)整體功能的令人最為頭 痛的問(wèn)題之一。于是，人們想到了利用這種熱損耗來(lái)加熱的方法，電磁感應(yīng)加熱的 概念便從此產(chǎn)生。電磁感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象對(duì)金屬做加熱的方法，如圖.所示，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律，給感應(yīng)線圈通交變電流,線圈當(dāng)中將產(chǎn) 牛交變磁場(chǎng)，若工件放在加熱線圈的交變磁場(chǎng)內(nèi)，由于磁力線的切割，將在不同的淺層面產(chǎn)生感應(yīng)電流渦流,并因工件的阻抗性質(zhì)及渦流在工件上的流動(dòng)產(chǎn)生 熱量，使工件的溫度升高，達(dá)到加熱的目的，此即感應(yīng)加熱電源的基本原理。 圖?感應(yīng)加熱原理的示意圖如圖所示是最簡(jiǎn)單的一種變壓器電路模型,其初級(jí)線圈和次級(jí)線

18、圈間功率、電壓和電流關(guān)系分別見(jiàn)式、式和式。忽略漏磁電流的影響，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的損耗均由繞組的電阻引起，當(dāng)次級(jí)繞組為且短路時(shí)，由 于負(fù)載電流次級(jí)繞組的電流增大而產(chǎn)生熱損耗，如圖所示。由能量守恒定律可知，電源提供的能量與初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的總損耗相等。第章系統(tǒng)總 體設(shè)計(jì)圖一般形式變壓器圖次級(jí)短路的變壓器尸木？9iv9iv,iv9iv式中？?總功率；?初級(jí)線圈電壓;?初級(jí)線圈電流;?初級(jí)線圈匝數(shù)；?次級(jí)線圈電流；?次級(jí)線圈電壓；?次級(jí)線圈匝數(shù)由于電磁感應(yīng)加熱的基木目的是使次級(jí)線圈產(chǎn)牛的熱量最大，因此，感應(yīng)加熱線圈與負(fù)載z間的縫隙要設(shè)計(jì)的足夠小，次級(jí)要有低阻抗且高滲透性特性 的材料制成。非鐵金屬或

19、不含鐵的金屬由于其高阻抗和低滲透性會(huì)破壞能量的功 效，通常不被釆用。因此，對(duì)于電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng),鑄鐵、不銹鋼等材料能滿足上 述要求，而陶瓷、玻璃、鋁、銅等材料則不能滿足要求。下面從能量的轉(zhuǎn)換角 度來(lái)看整個(gè)系統(tǒng)的原理。如圖所示第一個(gè)電能表示電源，第二個(gè)電能表示用于發(fā) 熱的感應(yīng)電流和渦流，只所以要經(jīng)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變,是為了提高發(fā)熱效率。北京工業(yè) 大學(xué)丁學(xué)碩十學(xué)位論文電能電能熱能磁能圖能量轉(zhuǎn)換圖當(dāng)交變電流過(guò)線圈時(shí)，根據(jù)安培定律,在線圈周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。見(jiàn)式?,見(jiàn)式。>/ ?式中一磁場(chǎng)強(qiáng)度；?截面積；?電流；一匝數(shù)；ii ?磁導(dǎo)率導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中時(shí),磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的速率會(huì)發(fā)生變化，并且，導(dǎo)體越接近磁場(chǎng)中心

20、,磁場(chǎng)密度越低，根據(jù)法拉第定律，導(dǎo)體表面所產(chǎn)生的電流與感應(yīng)的電流成比，見(jiàn)式導(dǎo)體表面的電流產(chǎn)生渦流。9占一矽/衍式中一磁感應(yīng)強(qiáng)度由感應(yīng)電流和渦流引起的電能就轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?見(jiàn)式：蘭2,其中由導(dǎo)體的電阻率和滲透性決定，電流由磁場(chǎng)強(qiáng)度決定。電磁感應(yīng)加熱在家電、淬火、焊接等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，具有如下優(yōu)點(diǎn)。加熱溫度高，而且是非接觸式加熱;加熱效率高，可以節(jié)能；加熱速度快，被加熱物的表面氧化少：溫度容易控制，可以局部加熱且加熱均勻，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使用方便；作業(yè)環(huán)境好，幾乎沒(méi)有熱、噪聲和灰塵；作業(yè)占地少，生產(chǎn)效率蒯z-o第章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本電源工作示意圖如圖所示:超變頻電磁感應(yīng)鍋爐

21、電源驅(qū)動(dòng)鍋爐正常工作，并接收鍋爐實(shí)時(shí)反饋參數(shù)。利用鍵盤(pán)調(diào)節(jié)超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源各種參數(shù)，利用顯示模塊顯示各種參數(shù),利用和計(jì)算機(jī)通訊。圖結(jié)構(gòu)示意圖九9 為了實(shí)現(xiàn)感應(yīng)加熱，電源都是帶有功率控制功能頻率轉(zhuǎn)換器。它的主電路拓?fù)渲斜厝话瑑煞N功能的電路，即調(diào)功電路和逆變電路。常見(jiàn)的感應(yīng)加熱電 源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種如圖所示：感應(yīng)線圈工件圖逆變側(cè)調(diào)功的感應(yīng)加熱電源.?感應(yīng)線圈工件/圖可控整流調(diào)功的感應(yīng)加熱電源感應(yīng)線圈工件/圖?直流斬波調(diào)功的感應(yīng)加熱電源.?逆變側(cè)調(diào)功的感應(yīng)加熱方案把調(diào)功部分集成在了逆變電路部分，成木成倍的 提高，并且會(huì)產(chǎn)生高次諧波;可控整流調(diào)功方案:三相整流技術(shù)可以使功 率因數(shù)得到有效的

22、提高，但由于高頻整流同樣使交流側(cè)的高次諧波含量 大，目前使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的三相整流技術(shù)正在研究階段，并不成熟。直流 斬波調(diào)功方案是指在采用不控整流得到直流電壓，然后在直流母線側(cè)采用 斬波電路，通過(guò)改變占空比的大小來(lái)調(diào)節(jié)直流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸擊功率的 節(jié)。直流斬波調(diào)功方案具有電路簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高，輸出波形好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快, 保護(hù)容易的優(yōu)點(diǎn)，成本也比較低。超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源的主電路由三相不控整流橋、軟開(kāi)關(guān)斬波器、逆變器和負(fù)載匹配電路四部分組成。三相交流輸入經(jīng)橋式不控整流橋整成動(dòng)的直流電壓，在經(jīng)過(guò)電容對(duì)直流電壓平滑濾波后，該電壓被斬波器進(jìn)行斬波功率調(diào)節(jié)。全橋逆變器輸岀形成頻率可調(diào)的方波電流，在鍋爐的

23、內(nèi)、外磁 熱交換器的壁內(nèi)流動(dòng)從而產(chǎn)生大量的熱能，高效迅速加熱其中流動(dòng)的水。全橋逆 變器工作頻帶寬，能夠很好兀配鍋爐的工作頻率至xi,保持同步。主第章系統(tǒng)總體 設(shè)計(jì)電路圖如圖所示。?【/圖主電路圖.本章小結(jié)本章節(jié)綜合介紹了電磁感應(yīng)原理及其應(yīng)用;在此基礎(chǔ)上介紹了超變頻電磁感應(yīng)鍋爐電源總體設(shè)計(jì)方案,包括逆變側(cè)調(diào)功方案，可控整流調(diào)功方案，宜 斬波調(diào)功方案，最后比較三種方案優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮項(xiàng)目要求，選擇直流斬波 功方案作為本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。第章碩件電路設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)概述在總體方案的設(shè)計(jì)思想下，圍繞構(gòu)建各種功能接口模塊。第一進(jìn)行控制和信號(hào)處理;第二利用模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生，從而驅(qū)動(dòng)全橋以及斬波電路;第三利用模塊實(shí)現(xiàn)

24、電壓電流的反饋；第四利用字符型液晶模塊顯示電壓電流以及頻率值；第五利用進(jìn)行計(jì)算機(jī)通信。功能框圖如圖?所示。液晶部圖？功能框圖.在實(shí)現(xiàn)模塊的設(shè)計(jì)需要以下幾個(gè)步驟：首先，進(jìn)行主要元器件的選擇。在選擇的過(guò)程中，要綜合考慮元器件的功能特性、成木、穩(wěn)定性以及設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度等方面。，這是一其次，選擇設(shè)計(jì)工具。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中選用了款設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，操作方便并口比較通用的設(shè)計(jì)軟件。再次,對(duì)核心器件的外圍電路進(jìn)行原理圖，圖的設(shè)計(jì)。最后，根據(jù)圖進(jìn)行制板,編寫(xiě)測(cè)試程序，進(jìn)行調(diào)試和修改，最終確定o硬件電路的設(shè)計(jì)【。元器件的選擇元器件的選擇是硬件設(shè)計(jì)的重要一步，選擇搭配合理的元器件對(duì)于系統(tǒng)的性 能有著非常重要的作用。在

25、選擇元器件時(shí),要對(duì)其性能、成本等各方面進(jìn)行綜合考慮。本系統(tǒng)的主要元器件包括、電源芯片、芯片等。芯片的選擇芯片也稱(chēng)數(shù)字信號(hào)處理囂，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理?？煞譃槎c(diǎn)運(yùn)算和浮點(diǎn)運(yùn)算兩種。定點(diǎn)的特點(diǎn)是主頻高、速度快、低,成木低、功耗小，主要用于計(jì)算復(fù)雜度不高的控制、通信、語(yǔ)音/圖像等領(lǐng)域。 通常用定點(diǎn)器件可以解決的問(wèn)題，盡量用定點(diǎn)器件，因?yàn)樗乃俣瓤臁⒊杀竟男?。浮點(diǎn)的速度一般比定點(diǎn)處理速度低，其成本和功耗都比定點(diǎn)高，但是由于其采用了浮點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，因而處理精度,動(dòng)態(tài)范圍都遠(yuǎn)高于定 點(diǎn),適合于運(yùn)算復(fù)雜度高，精度要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，由于所

26、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)算 速度要求比較高，所以系統(tǒng)選擇公司的型號(hào)作為核心控制器件。是公司推岀的定點(diǎn)芯片。最高主頻可達(dá)的的，通道，支持/。由于內(nèi)部集成了通道的'故無(wú)須再外擴(kuò)，可使碩件電路簡(jiǎn)潔。封裝如圖所示。;:圖引腳封裝頂視圖仃北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩上學(xué)位論文如圖所示為芯片的功能框圖，其中陰影部分為代碼保護(hù)模塊。圖功能框圖的主要性能為：高性能靜態(tài)技術(shù);時(shí)鐘周期.；低功耗核心電壓.；/口電壓.vi;編程電壓。邊界掃描支持。高性能的位屮央處理器;位位和位位乘和累加操作;哈佛總線結(jié)構(gòu)；強(qiáng)大的操作能力;迅速的中斷響應(yīng)和處理;統(tǒng)一的寄存器編程模式;可達(dá)字的線性程序地址;可達(dá)字的數(shù)據(jù)地址;代碼采用/或者匯編語(yǔ)言;

27、與/,處理器的源代碼兼容。片內(nèi)存儲(chǔ)器:位的存儲(chǔ)器;位的型只讀存儲(chǔ)器；和兩塊位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器;一塊位的單口隨機(jī)第章硬件電路設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器;和兩塊位的單口隨機(jī)存儲(chǔ)器。根只讀存儲(chǔ)器位，帶有軟件的模式，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字表。外部存儲(chǔ)器接口，有多達(dá)的存儲(chǔ)器，可編程等待狀態(tài)數(shù)，可編程讀/寫(xiě)選通計(jì)數(shù)器，三個(gè)獨(dú)立的片選端。時(shí)鐘與系統(tǒng)控制支持動(dòng)態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率。三個(gè)外部屮斷。個(gè)外部中外部中斷擴(kuò)展模塊，可支持個(gè)外部中斷，當(dāng)前僅用了斷。位密鑰，保護(hù)/和/，防止中的程序被盜個(gè)位的定時(shí)器。兩個(gè)事件管理器、。串口外圍設(shè)備；串行外圍接口；兩個(gè)串行通信接口，標(biāo)準(zhǔn)的;改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò);多通道緩沖串行接口和串行外圍接口模式。通道的位，包

28、含兩個(gè)采樣保持器。個(gè)可獨(dú)立編程、多用途通用輸入/輸出引腳等。與其它的嵌入式處理器相比，唯一的重要的區(qū)別在于支持單時(shí)鐘周期.的“乘一加”運(yùn)算。這一顯著特點(diǎn)使得使用的時(shí)候靈活性很強(qiáng)，有很好的。 數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)事性。以為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電鍍電源數(shù)字化主要包括以下 三個(gè)優(yōu)點(diǎn):第一能夠?qū)崿F(xiàn)電信號(hào)及過(guò)程參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)、顯示及動(dòng)作控制功 能；第二能夠根據(jù)檢測(cè)信號(hào)采用合理的智能控制算法確保電源具有較高的動(dòng)態(tài) 性能指標(biāo)，達(dá)到節(jié)能增效的目的;第三能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化觸發(fā)信號(hào)的輸岀，進(jìn)一步提高電源裝置的多方面性能指標(biāo)。 電源芯片的選擇芯片采用雙電源供電，的核內(nèi)電壓和/接口電壓分別為和，本系統(tǒng)需要三種電源，電壓為、和。因此系

29、統(tǒng)是一個(gè)多電源系統(tǒng)，需耍電源芯片產(chǎn)生合適的工作電壓。公司專(zhuān)門(mén)為設(shè)計(jì)的電 源芯片，的雙電源解決方案采用實(shí)現(xiàn)，輸入的電源電壓為，輸出電壓分別為.和.,每路電源的最大輸出電流為,并且配備了專(zhuān)門(mén)的復(fù)位芯片。具有如下特性：；雙路電源;獨(dú)立可控輸出；一路可調(diào);有效復(fù)位輸出;小尺寸封裝。封裝如圖所示。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文/9“圖.封裝頂視圖芯片的選擇芯片內(nèi)部包括的和的，其中的用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)軟件程序已經(jīng)足夠，但是在實(shí)際使用中，考慮到在工作過(guò)程中需要處理大量的數(shù)據(jù)，僅依靠芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)空間遠(yuǎn) 遠(yuǎn)不夠，所以考慮外擴(kuò)一片存儲(chǔ)器。是一種高速異步靜態(tài)的，其讀寫(xiě)周期為，與之間可以無(wú)需插入等待周期便可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作，

30、并可以直接映射到 外部存儲(chǔ)接口的或者區(qū)域。封裝如圖?所示。封裝頂視圖圖.？第章硬件電路設(shè)計(jì) 顯示芯片的選擇液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性,通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大 規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便 攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。顯示部分采用液晶模塊顯示溫度、電流、電壓、頻率信息。字符型液晶屏是用點(diǎn)陣圖形來(lái)顯示字符的液晶顯示器，根據(jù)顯示的容量可以分為行個(gè)字、行個(gè)字、行個(gè)字等。在系統(tǒng)中應(yīng)用液晶顯示器作為輸出器件有以下優(yōu)點(diǎn):顯示質(zhì)量高，數(shù)字式接口，體積小、重量輕，功耗低。

31、行個(gè)字的液晶模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的腳無(wú)背光或腳帶背光接口。液晶顯示工作原理：線段的顯示點(diǎn)陣圖形式液晶由x個(gè)顯示單元組成,假設(shè)顯示屏有行，每行有列，每列對(duì)應(yīng)字節(jié)的位，即每行由字節(jié)，共x個(gè)點(diǎn)組成，屏上x(chóng)個(gè)顯示單元與顯示區(qū)字節(jié)相對(duì)應(yīng)，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應(yīng)位置的亮暗對(duì)應(yīng)。例如屏的第一行的亮暗由區(qū)的叫的字節(jié)的內(nèi)容決定，當(dāng)時(shí)，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長(zhǎng)度為個(gè)點(diǎn);當(dāng)吋,則屏幕的右下,，角顯示一條短亮線；當(dāng)，,時(shí)，則在屏幕的頂部顯示一條由段亮線和條暗線組成的虛線。這就是顯示的基本原理。字符的顯示用顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由x或x點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示區(qū)的字節(jié)，還要

32、使每字節(jié)的不同位為“ ”，其它的為“”，為“'的點(diǎn)亮，為“ ” 的不亮。這樣一來(lái)就組成某個(gè)字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來(lái)說(shuō), 顯示字符就比較簡(jiǎn)單了，可以讓控制器工作在文木方式,根據(jù)在上開(kāi)始顯示的 行列號(hào)及每行的列數(shù)找出顯示對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對(duì) 應(yīng)的代碼即可。漢字的顯示漢字的顯示一般采用圖形的方式,事先從微機(jī)中提取要顯示的漢字的點(diǎn)陣碼一般用字模提取軟件，每個(gè)漢字占，分左右兩半，各占，左邊為、？?右邊為、？?根據(jù)在上開(kāi)始顯示的行列號(hào)及每行的列數(shù)可找出顯示對(duì)應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加，送第二個(gè)字節(jié)，換行按列對(duì)齊，送第三個(gè)字節(jié)直到 顯示完

33、就可以上得到一個(gè)完整漢字。液品模塊是一個(gè)慢顯示器件，在執(zhí)行每條指令之前耍確認(rèn)模塊的北京工業(yè)大 學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)先輸入顯示字符 地址，即告訴模塊在哪里顯示字符，如圖所示是的內(nèi)部顯示地址。掌纖/ '圖內(nèi)部顯不地址在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式,在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo) 自動(dòng)右移，無(wú)需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的 狀態(tài)。液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如圖所示，這些字符有:阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小 寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。、x x x x

34、旬，日手'式'，試靜x 丁芒x事工卜，盆乞、籠才于】習(xí)力，1串x x ,車(chē)，xxxx 冰、，蘋(píng)xxx，才寸匕口舅'串一一，乞工小暑°c乖，一習(xí)圖字符代碼與圖形對(duì)應(yīng)圖.第章硬件電路設(shè)計(jì) 采用標(biāo)準(zhǔn)的腳無(wú)背光或腳帶背光接口，各引腳接 口說(shuō)明見(jiàn)表.:表.引腳接口說(shuō)明表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明電源地?cái)?shù)據(jù)電源正極數(shù)據(jù)液晶顯示偏壓數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)/命令選擇數(shù)據(jù)/讀/寫(xiě)選擇數(shù)據(jù)使能信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)背光源正極數(shù)據(jù)背光源負(fù)極第腳:為地電源。第腳:接正電源。第腳:為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)。對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)的電位 器

35、調(diào)整對(duì)比度。第腳:為寄存器選擇，高電平吋選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平吋選擇指令寄存器。第腳:/為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作童。 當(dāng)和共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)為低電平/ 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)為高電平/為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。 第腳:端為使能端，當(dāng)端由高電平跳變成低電平吋，液晶模塊執(zhí)行命 令。第腳:一為位雙向數(shù)據(jù)線。第腳:背光源正極。第腳:背光源負(fù)極。外圍電路設(shè)計(jì)電源電路系統(tǒng)需要三種電源電壓,分別為、和。的雙電源解決方案釆用公司專(zhuān)門(mén)為設(shè)計(jì)的電源芯片實(shí)現(xiàn)，輸入的北京工業(yè)大學(xué)工學(xué) 碩士學(xué)位論文電源電壓為，輸出電壓分別為.和.設(shè)計(jì)時(shí)注意濾波電容要大小搭配使用。這

36、是因?yàn)殡娙莸淖杩固匦允切?的，并不是理想的“”形,也就是說(shuō)并不是高于導(dǎo)通頻率的信號(hào)都能通過(guò)。因 為電容都存在諧振頻率諧振是指當(dāng)頻率高達(dá)一定程度時(shí)，阻抗反而大于其容 抗，電容值越大的電容諧振頻率越低，其高頻特性比較差，而小電容的高頻特 性比較好,所以要用人小搭配來(lái)兼顧高低頻的濾波。頻率越高的能量越容易 在更短的線路上感應(yīng)傳導(dǎo)，高頻耦合電容要更靠近管腳。電源電路如圖.所示。xn口，9?蘭口'髓冒、口阿一。斛?可.mi., 旦撕,.】m蔓攀咿o ii印?o ?燼廠一一智圖和.電源電路時(shí)鐘電路吋鐘對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)非常的重要，它決定了系統(tǒng)的工作頻率的高低，并且可以通過(guò)對(duì)時(shí)鐘頻率的調(diào)整使得不同頻率的芯

37、片之間信號(hào)的傳輸達(dá)到同步。時(shí)鐘電路主要有三種類(lèi)型：晶體電路、晶振電路、可編程時(shí)鐘芯片電路。晶體電路優(yōu)點(diǎn)最為簡(jiǎn)單，只需晶體和兩個(gè)電容，價(jià)格便宜，體積小,能滿足時(shí)鐘信號(hào)電平要求,但驅(qū)動(dòng)能力差，不可提供多個(gè)器件使用，頻率范圍,使用時(shí)還須注意配置正確的負(fù)載電容，使輸出時(shí)鐘頻率精確、穩(wěn)定。芯片除、等外，大都內(nèi)部含有振蕩電路，可使用晶體電路產(chǎn)牛所需的時(shí)鐘信號(hào)。也可不使用片內(nèi)振蕩電路,直接由外部提 供時(shí)第章硬件電路設(shè)計(jì)鐘信號(hào)。晶振電路優(yōu)點(diǎn)電路簡(jiǎn)單、體積小、頻率范圍寬、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可為多個(gè)器件使用。但由于晶振頻率不能改變，多個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘 需要多個(gè)晶振。另外在使用晶振時(shí)，要注意時(shí)鐘信號(hào)電平,一般晶振輸出信號(hào)電

38、平為或.，對(duì)于要求輸入?yún)肩娦盘?hào)電平為的器件，不能選用晶振來(lái)提供時(shí)鐘信號(hào)如、和等?？删幊虝r(shí)鐘芯片電路其電路較簡(jiǎn)單，一般由可編程時(shí)鐘芯片、晶體和兩個(gè)外部電容構(gòu)成。有多個(gè)時(shí)鐘輸出，可產(chǎn)生特殊頻率值，適于多個(gè)時(shí)鐘源 的系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，頻寬最高可達(dá)，輸岀信號(hào)電平一般為或.，常用器件為。處理器片上有基于的時(shí)鐘模塊，為器件及各種外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)。鎖相環(huán)有位倍頻設(shè)置位,可以為處理器提供各種速度的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘模塊提供兩種操作模式，如圖所示。內(nèi)部振蕩器如果使用內(nèi)部振蕩器，則必須在/和兩個(gè)引腳之間連接一個(gè)石英晶體。外部時(shí)鐘源如果采用外部時(shí)鐘源，可以將輸入的時(shí)鐘信號(hào)直接接到/引腳上，而引腳懸空。在這種情況下，不使

39、用內(nèi)部振蕩器。螂”圖時(shí)鐘模塊功能框圖9 外部引腳可以選擇系統(tǒng)的時(shí)鐘源。當(dāng)為低電平時(shí)，系統(tǒng)直接采用外部時(shí)鐘或晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘;當(dāng)為高電平時(shí)，外部時(shí)鐘經(jīng) 過(guò)倍頻后，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。系統(tǒng)可以通過(guò)鎖相環(huán)控制寄存器來(lái)選擇鎖相 環(huán)的工作模式和倍頻系數(shù)。本系統(tǒng)引腳通過(guò).電阻和.電源相連接，外部時(shí)鐘經(jīng)過(guò)北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士 學(xué)位論文倍頻后為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。木系統(tǒng)選用晶體時(shí)鐘電路，晶體選用頻率，便于鎖相環(huán)倍頻。時(shí)鐘電 路如圖所示。圖.時(shí)鐘電路 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)可方便地人工復(fù)位。復(fù)位電路一方 面應(yīng)確保復(fù)位低電平時(shí)間足夠長(zhǎng)，保證可靠復(fù)位;另一方面應(yīng)保證穩(wěn)定性良好,防止誤復(fù)位。復(fù)位電路如圖所

40、示。圖復(fù)位電路仿真口電路是年制定的檢測(cè)和芯片的.。通過(guò)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，年被修改后成為的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)具有口芯片的硬件電路進(jìn)行邊界掃描和故障檢測(cè)。第章硬件電 路設(shè)計(jì)具有口的芯片都有如下引腳定義：?測(cè)試時(shí)鐘輸入。?測(cè)試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過(guò)輸入口。卜測(cè)試數(shù)據(jù)輸岀，數(shù)據(jù)通過(guò)從口輸岀。?測(cè)試模式選擇，用來(lái)設(shè)置處于某種特定的測(cè)試模式?？蛇x引腳卜測(cè)試復(fù)位，輸入引腳,低電平有效。接口用于連接最小系統(tǒng)板和仿真器，實(shí)現(xiàn)仿真器對(duì)的訪問(wèn)，接口的連接需要和仿真器上的接口一致。不論什么型號(hào)的仿真器,其接口都滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下,最小系統(tǒng)板需要引岀雙排腳插針，引腳間隔為英寸，引腳寬度為英寸，引腳長(zhǎng)度英寸。在多數(shù)情況下

41、，如果目標(biāo)板和仿真器之間的連接電纜不超過(guò)英寸。應(yīng)注意的和引腳都需要上拉電阻,一般阻值為.或者與仿真器連接的接口設(shè)計(jì)如圖所示【。圖.接口電路電路的是位于其中的一段程序。當(dāng)器件為微機(jī)模式時(shí),它將在復(fù)位后執(zhí)行。用于在系統(tǒng)上電后將外部的代碼轉(zhuǎn)移到內(nèi)部或外部接口】存儲(chǔ)器。這允許先把代碼放在外部慢速的非易失性存儲(chǔ)器中，然后轉(zhuǎn)移到內(nèi) 部高速存儲(chǔ)器中執(zhí)行。為了適應(yīng)不同的系統(tǒng)要求，提供了多種方式來(lái)裝載代碼。這些模式僅當(dāng)處理器處于微機(jī)模式時(shí)才可以使用。使用不同的引腳信北京工業(yè)大學(xué) 工學(xué)碩士學(xué)位論文號(hào)來(lái)決定采用何種引導(dǎo)模式【。引導(dǎo)模式配置如圖所示，接口電路設(shè)計(jì)如圖所示。刪鎬撕一磯幻。協(xié)？圖引導(dǎo)模式配置9 圖.接口電

42、路設(shè)計(jì)芯片屯路存儲(chǔ)器接口負(fù)責(zé)將訪問(wèn)存儲(chǔ)器邏輯控制單元同存儲(chǔ)器、外設(shè)以及其它的接口連接起來(lái)。存儲(chǔ)器接口包含獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序總線，因此在一個(gè)周期 內(nèi)能同時(shí)訪問(wèn)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該接口還包含存儲(chǔ)器訪問(wèn)需要的各.第蘋(píng)駛件電路設(shè)計(jì)種控制信號(hào)，通過(guò)這些信號(hào)控制存儲(chǔ)器或外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸。處理器的外部接口映射到個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，當(dāng)訪問(wèn)相應(yīng)的存儲(chǔ)空間時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)片選信號(hào)；不過(guò)有的存儲(chǔ)空間公用一 個(gè)片選信號(hào)，使用時(shí)采用統(tǒng)一的編址方式。每個(gè)空間都可以獨(dú)立地設(shè)置訪問(wèn)等待、 選擇、建立以及保持時(shí)間，同時(shí)還可以使用信號(hào)來(lái)控制外設(shè)的訪問(wèn)。外部接口的訪問(wèn)時(shí)鐘頻率由內(nèi)部的提供，可以等于或/。連接到的空間，幾口電路設(shè)計(jì)圖如

43、圖.所示。瑚了恥00乃00/洲月由/壓。:彰影影影一、】/影影，ix,艦蹦猶瑚黜圖.接口電路設(shè)計(jì) 串行通訊電路串行通信接口是采用雙線通信的異步串行通信接口，即通常所說(shuō)的ii 口。為減少串口通信時(shí)候的開(kāi)銷(xiāo)，的串口支持級(jí)接收和發(fā)送。模塊采用標(biāo)準(zhǔn)非歸零屹數(shù)據(jù)格式，可以與或其它通信數(shù)據(jù)格式兼容的異步外設(shè)進(jìn)行數(shù)字通信。當(dāng)不使用時(shí)，接收 器和發(fā)送器采用雙級(jí)緩沖傳送數(shù)據(jù)。接收器和發(fā)送器有自己的獨(dú)立使能和中 斷位，可以獨(dú)立操作,在雙全工模式下還可以同時(shí)操作。為了保證數(shù)據(jù)完整，模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷、極性、超限和幀錯(cuò)北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文誤檢測(cè)。通過(guò)對(duì)位的波特率控制寄存器進(jìn)行編稈，配置不同的通信速率。

44、其功能框圖如圖所示。圖.功能框圖通信接口主要特點(diǎn)如下：兩個(gè)外部引腳：:數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。:數(shù)據(jù)接收引腳。兩引腳為多功能復(fù)用引腳，可以作為數(shù)字量/使用。種通信速率。數(shù)據(jù)格式:一個(gè)開(kāi)始位廣個(gè)數(shù)據(jù)位，奇校驗(yàn)/偶校驗(yàn)/無(wú)校驗(yàn)可選，或個(gè)停止位。第章硬件電路設(shè)計(jì)個(gè)錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)志位:奇偶錯(cuò)誤，超時(shí)錯(cuò)誤,幀錯(cuò)誤，間斷檢測(cè)。兩種多處理器喚醒方式:空閑線喚醒或地址位喚醒。全/半雙工通信。雙緩沖接收和發(fā)送功能。發(fā)送和接收可以采用中斷和查詢(xún)兩種方式。獨(dú)立的發(fā)送和接收中斷使能控制砌除外。非歸零通信模式。個(gè)模塊控制寄存器,起始地址為。自動(dòng)通信速率檢測(cè)。級(jí)發(fā)送/接收。由于端串口采用電平標(biāo)準(zhǔn),其高低電平分別為與。而 的高低電平分別

45、為與。因此與通信需要電平轉(zhuǎn) 換,這里系統(tǒng)選用了公司兼容標(biāo)準(zhǔn)的電平轉(zhuǎn)換芯片。內(nèi)部有兩個(gè)電荷泵,每個(gè)電荷泵需要一個(gè)快速充電電容和一個(gè)儲(chǔ)能電 容器。手冊(cè)推薦電容值為。的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳和數(shù)據(jù)接收引腳分別與的數(shù)據(jù)輸入引腳和數(shù)據(jù)輸出引腳連 接。電路如圖所示。§ :型;億姒勉8 8 一蟲(chóng)曲圖.接口電路設(shè)計(jì)？.外擴(kuò)電路的模塊有個(gè)通道，可配置為兩個(gè)獨(dú)立的通道模塊，方便為事件管理器和事件管理器服務(wù)。兩個(gè)獨(dú)立的通道模塊可以級(jí)連成為一個(gè)通道的模塊。雖然具有豐富的輸入通道和兩個(gè)排序器，但是，模北京工 業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文塊中只有一個(gè)轉(zhuǎn)換器。兩個(gè)通道模塊能夠自動(dòng)排序一系列的轉(zhuǎn)換，每個(gè)模塊可以通過(guò)多路開(kāi)關(guān)，選擇其

46、具有的個(gè)通道屮的任何一個(gè)。在級(jí)連模式下自動(dòng)排序器作為一個(gè)通 道的排序器使用。每個(gè)排序器一旦轉(zhuǎn)換完成，就將所選擇通道的值存儲(chǔ)在其 各自的寄存器屮。自動(dòng)排序功能允許對(duì)同一個(gè)通道進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，允許用戶使用過(guò)采樣算法，相對(duì)純銅單次采樣轉(zhuǎn)換，這將提高結(jié)果的精度引。為了獲得制定的精度，須采用正確的電路板布局。為了獲得最佳效果， 引腳引出的引線要盡量遠(yuǎn)離數(shù)字信號(hào)線。這將最大程度地消除數(shù)字電 路中開(kāi)關(guān)噪聲與輸入之間的耦合；同時(shí),模塊的電源引腳與數(shù)字電源z間需要間隔適當(dāng)?shù)木嚯x。接口電路設(shè)計(jì)圖如圖所示。:?盎iii，亡?幻:啪:科:匕？如 舖四;?印 "f99擎弦圖接口電路設(shè)計(jì)電路脈沖寬度調(diào)制是英文“”

47、的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制。脈沖寬度調(diào)制是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào) 的電平進(jìn)行編碼。信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻,滿幅值的直流 供電要么完全有,要么完全無(wú)。電壓或電流源是以種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候,斷的吋候即是供電被斷開(kāi)的吋候。只要帶寬足夠,任何模擬值都 可以使用進(jìn)行編碼。的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足 以將邏輯改變?yōu)檫壿嫽驅(qū)⑦壿嫺淖優(yōu)檫壿嫊r(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)

48、產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)⒂糜谕ㄐ诺闹饕?。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過(guò)適當(dāng)?shù)幕蚓W(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。接口屯路如圖所示。:凹iii慍第章碩件電路設(shè)計(jì)臣爨母雖瞬嬲簍伊口黜匪羅圖接口電路設(shè)計(jì).顯示接口電路顯示接口電路負(fù)責(zé)與液晶模塊連接通信,其電路 圖如圖?所示。'：'日零、'、'圖.顯示接口電路設(shè)計(jì)9 鍵盤(pán)電路本設(shè)計(jì)使用鍵盤(pán)電路調(diào)節(jié)輸出波形參數(shù)和液晶模塊顯示內(nèi)容。其電路圖如圖所示。北京工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文鍵盤(pán)圖鍵盤(pán)電路設(shè)計(jì)？木設(shè)計(jì)使用到了按鍵陣列，所以按

49、鍵消抖部分不可缺少的。實(shí)際的按鍵確認(rèn)都需要考慮到按鍵消抖問(wèn)題。通常按鍵的開(kāi)關(guān)為機(jī)械彈性觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),它是利 用機(jī)械觸點(diǎn)解除和分離實(shí)現(xiàn)電路的通、斷。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，加上人們 按鍵時(shí)的力度、方向的不同，按鍵開(kāi)關(guān)從按下到解除穩(wěn)定要經(jīng)過(guò)數(shù)毫秒的彈跳抖 動(dòng)，即在按下的幾十毫秒時(shí)間里會(huì)連續(xù)產(chǎn)生多個(gè)脈沖；而釋放按鍵時(shí)，電路也不 會(huì)一下子斷開(kāi)，同樣會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)如圖所示的按鍵操作波形。這兩次抖動(dòng)的時(shí)間 分別為左右，而按鍵的穩(wěn)定閉合期通常大于。因此,為了確保對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次，在確認(rèn)按鍵是否閉合時(shí),必須要進(jìn)行消抖處理;否則由于熱按鍵執(zhí)行的速度很快,非?？赡軐⒍秳?dòng)產(chǎn)生的多個(gè)脈沖誤認(rèn)為多次的按鍵。第章硬件電路

50、設(shè)計(jì)圖按鍵抖動(dòng)時(shí)的電壓信號(hào)按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長(zhǎng)短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為零點(diǎn) 幾秒至數(shù)秒。鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀多次。為確保對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動(dòng)。在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)讀取鍵的狀態(tài),并且必須判別 到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動(dòng),可用硬件或軟件兩種方法。使用碩件消抖的方式，需要在按鍵鏈接的碩件設(shè)計(jì)上增加碩件消抖電路，例 如采用觸發(fā)器或積分電路等。采用硬件消抖方式增加了系統(tǒng)的成木，而 利用軟件方式消抖則是比較經(jīng)濟(jì)的做法，但增加了軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。軟件消抖的基本原理是在軟件中對(duì)按鍵進(jìn)行兩次測(cè)試確認(rèn)，即在第一次檢測(cè)到按鍵按下后，間隔左右再次檢測(cè)該按鍵是否按下，只有在兩次都檢測(cè)到 按鍵按下時(shí)才最終確認(rèn)有鍵按下，從而消除了抖動(dòng)的影響。當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋 放后,也要給、的延時(shí),待后沿抖動(dòng)消失后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序?？傮w電路原理圖如圖所示。本章小結(jié)本章著重介紹了芯片外圍碩件電路的設(shè)計(jì)，包括電子元器件的選擇，各種外圍接口的工作原理以及在此基礎(chǔ)