畢業(yè)設計（論文）油管中頻加熱修復系統(tǒng)設計

1、緒論前 言隨著科學的進步與發(fā)展，對能源的需求量急劇增加，采油、輸油量也隨著增加，因此，為節(jié)約能源，提高生產(chǎn)效率，對油管的數(shù)量及質(zhì)量要求也更嚴格。但在生產(chǎn)、加工油管時，因生產(chǎn)工藝、設備等原因，使油管的質(zhì)量不合格（如裂縫、表面突起或內(nèi)部有砂眼等），必須對其進行修復。因中頻感應加熱效率高，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛。國外工業(yè)先進國家以及電力資源豐富的國家，廣泛的采用中頻感應加熱對鋼材和有色金屬材料進行加熱和熱處理。7o年代以來，國外感應加熱熱處理爐在鋼管尤其是石油鋼管的?；驼{(diào)質(zhì)熱處理中得到了應用并不斷發(fā)展。美國隆斯塔鋼鐵公司，無限制管公司以及日本川崎鋼鐵公司都有中頻感應熱處理爐，

2、對石油套管進行調(diào)質(zhì)熱處理。近年來為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，減少投資，改善勞動條件，在鋼材加熱和熱處理方面也廣泛的采用中頻感應加熱爐，如一些鍛壓機和鋼管擠壓機及楔橫軋機的坯料加熱，pc鋼筋的調(diào)質(zhì)熱處理，石油鉆桿的管端加熱，石油鉆桿和工具接頭的焊縫熱處理，焊管的焊縫熱處理等等。感應加熱早期主要用于有色金屬熔煉和熱處理工藝，其加熱效率高、速度快、可控性好及易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，廣泛應用于金屬熔煉、透熱、熱處理和焊接等工業(yè)生產(chǎn)過程中，成為冶金、國防、機械加工等部門及鑄、鍛船舶、飛機、汽車制造業(yè)等不可缺少的技術手段。與傳統(tǒng)火焰爐和電阻爐加熱相比，感應加熱的主要優(yōu)點是：1、加熱速度快，能夠成倍提高加熱設

3、備的生產(chǎn)率，降低成本，提高模具的使用壽命；2、加熱溫度高，是非接觸式的電磁感應加熱；3、加熱時間短，效率高。感應加熱爐設備的生產(chǎn)率可達60% 70%，而火焰爐只有20%左右，電阻爐也只有約40%；4、作業(yè)環(huán)境好，環(huán)保，幾乎無熱、噪聲、粉塵等污染，作業(yè)占地少，生產(chǎn)效率高,5、容易實現(xiàn)自動化控制，具有較好的人機界面操作環(huán)境。因此，利用中頻感應進行加熱可快速將工件加熱至1000c以上，使油管軟化，自動修復微小的裂紋，融合砂眼，增加產(chǎn)品重復利用率，提高質(zhì)量，減小成本，使生產(chǎn)更高效有序的進行。1 緒論1.1 課題來源來源于生產(chǎn)/社會實際 1.2 研究的目的、意義、應解決的主要問題1目前單片機滲透到我們生

4、活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能ic卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。因為單片機通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性的轉(zhuǎn)變！ 鑒于單片機的這些廣泛用途及如此簡便的使用方法，作為本專業(yè)的學生我們更應該好好學習單片機。本次畢業(yè)設計的目

5、的就是為了進一步熟悉單片機語言及單片機工作原理，煅煉單片機與信號檢測的綜合應用能力，為以后在工作中解決各種問題打好基礎2中頻加熱是將工頻交流電50hz 220v整流濾波為直流電，再經(jīng)igbt變?yōu)橹蓄l（300hz以上至10k hz），利用單片機控制其驅(qū)動電路，將其變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的中頻電流，根據(jù)電磁感應原理，將中頻電流通入感應線圈內(nèi)，在其內(nèi)部和周圍同時產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場，使置于感應線圈內(nèi)的工件，受到電流交變磁場作用，依靠電流熱效應將工件表面迅速加熱。中頻感應加熱具有電流透入深度比較大，加熱速度較快，加熱過程容易控制的優(yōu)點。進行本課題研究的目的和意義在于以下幾個方面：1中頻加熱電源采用不可控整

6、流,交-直-交變頻技術,設計了電壓型igbt并聯(lián)諧振電路以及以單片機為核心的控制電路。2在油管的生產(chǎn)與運輸中，會出現(xiàn)不合規(guī)格產(chǎn)品，如：油管破裂、表面突起或內(nèi)部有砂眼等。為節(jié)約資源，提高生產(chǎn)效率，則要對其進行修復。中頻加熱修復是一種高效節(jié)能的方法。3利用單片機進行信號控制，可以使其更加方便精確，同時，讓單片機與計算機進行串口通信，使人機界面友好、操作簡潔方便。第 35 頁 （共 42 頁）系統(tǒng)硬件設計1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及存在主要問題我國中頻感應加熱在工業(yè)上的應用，起步于20世紀50年代，在機床制造、紡織機制造、汽車、拖拉機工業(yè)等部門應用最早，當時的感應加熱技術，絕大部分來自前蘇聯(lián)，

7、少部分來自捷克、比利時等國家。5 0年代末，我國已自制出電子管式高頻電源與機械式中頻發(fā)電機，感應熔煉、感應透熱、淬火、介質(zhì)加熱等各種設備與工藝相繼在工業(yè)上得到應用。6 0年代后，各個部門、企業(yè)在自力更生精神鼓舞下，研制出晶閘管中頻電源，改進了電子管式高頻電源，并設計、制造了各種型式的淬火機床，其典型結(jié)構(gòu)已匯編入原機械部第六設計院的淬火機床圖集，共計55種。對外開放以來，通過出國考察、進口設備、引進技術等多種渠道，工業(yè)發(fā)達國家的現(xiàn)代感應加熱技術逐漸進入了我國工業(yè)的各個部門，使中頻感應加熱這一節(jié)能、高效、自動化、高重現(xiàn)性、環(huán)保的技術更有效地得到利用。油管中頻加熱修復系統(tǒng)的主要性能特點：1中頻感應加

8、熱遠比紅外加熱、電阻加熱或其它火焰加熱快的多。由于加熱時間短、氧化的幾率少，使質(zhì)量得以保證。實際上，管體外口加熱時間只用一分多鐘(可調(diào))就加熱到工藝要求的溫度，達到了預期效果。2中頻電路主控板可裝在一金屬屏蔽箱內(nèi)，防止外界的各種干擾，控制系統(tǒng)系數(shù)字電路，高度集成化，可靠性高，調(diào)試方便。3電路的不可控整流橋簡單，設備工作穩(wěn)定、可靠。4計算機界面控制，單片機輔助控制，極大地減輕了勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率。5由于中頻感應加熱鋼管的溫度取決于磁感應強度b 的分布。感應加熱線圈、油管都是規(guī)則的圓柱體,只要兩者同心、周圍間隙均勻,就能保證鋼管圓周的溫度均勻,實際測量和實踐結(jié)果都說明了這一點。6熱電偶測量

9、精度高、應用廣泛，可達到預定溫度( 800 1 200 , 可調(diào))。1.4 設計方案 方案確定：題目要求設計一個油管中頻加熱修復系統(tǒng)系統(tǒng)，實現(xiàn)對油管的加熱修復。中頻加熱電路采用不可控整流,交-直-交變頻技術,設計了電壓型igbt諧振電路以及以單片機為核心的控制電路。采用上位機對系統(tǒng)進行操作，通過單片機輸出的驅(qū)動信號控制igbt的g極電壓來控制電路的通斷，達到給工件加熱的目的。同時，用熱電偶測量工件溫度，與設定值（800可調(diào)）比較，若大于設定值則停止加熱工作，小于則繼續(xù)加熱。基于設計思路在設計過程中選擇合適的元器件，使用合適的單元電路模塊，有效的達到設計要求。adc0804 溫度采集 方案結(jié)構(gòu)如

10、圖1：mcs-51溫度比較pc機顯示操作模塊油管加熱修復模塊產(chǎn)生中頻 led溫度顯示圖1 系統(tǒng)框圖 利用vb軟件編一個窗口界面，再利用與單片機之間的串口通信，對加熱電路進行操作。這樣更加直觀明了和智能化。2 系統(tǒng)硬件設計2.1 器件介紹2.1.1 單片機本設計所用的單片機采用mcs-51系列單片機。mcs-51系列單片機是80年代由美國intel公司推出的一種高性能8位單片機。它的片內(nèi)集成了并行i/o，串行i/o，16位定時器/計數(shù)器，片內(nèi)的ram和rom都比較大，ram可達256b，新型8051rom可達64kb；由于片內(nèi)rom空間大，basic語言等都可以固化在單片機內(nèi)，如8052ah-b

11、asic芯片等?，F(xiàn)在mcs-51系列單片機已有許多品種，典型的為8031，8051和8751。mcs-51系列單片機有七種尋址方式，可尋址64kb字節(jié)的程序存貯器空間和64kb字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器空間；共有111條指令，其中包括乘除指令和位操作指令；中斷源有5個（8032/8052為6個），分為2個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的；在ram區(qū)中還開辟了4個通用工作寄存區(qū)，共有32個通用寄存器，可以適用于多種中斷或子程序嵌套的情況。在mcs-51系列單片機內(nèi)部還有1個由直接可尋址位組成的布爾處理機，即位處理機，指令系統(tǒng)中的位處理指令即是專用于對布爾處理機的各位進行布爾處理，特別適用于控制目的和解

12、決各種邏輯問題。2.1.1 .1 89c51基本結(jié)構(gòu)mcs-51系列單片機一般采用hmos和chmos工藝制造，這兩種單片機完全兼容。chmos工藝比較先進，不公具有hmos的高速性，同時還具有cmos的低功耗性。為區(qū)別起見，chmos工藝的單片機名稱前冠以字母c，如80c31，80c51和87c51等。此外chmos型單片機中還有一些以80c51為核心，加上一些新的功能部件所組成的增強型單片機，如：8xc51fb增加了一個可編程的讀數(shù)器陣列pca；8xc51ga增加了片內(nèi)的a/d轉(zhuǎn)換器；荷蘭philips公司生產(chǎn)的與mcs-51兼容的增強型單片機8xc552，不僅增加了片內(nèi)a/d轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)

13、watchdog電路和片內(nèi)pwm輸出通道，還提供一種新型的芯片間通訊總線i2c接口，利用數(shù)據(jù)和時鐘兩根線就可以實現(xiàn)芯片之間數(shù)據(jù)傳送。首先介紹mcs-51單片機的引腳及其功能。hmos工藝制造的mcs-51單片機都采用40引腳雙列直插土封裝（dip）方式，chmos工藝制造的80c51/80c31除采用dip封裝方式外，還采用方形封裝。圖2 80c51引腳圖圖2是80c51的引腳圖，引腳說明如下： vcc ：80c51電源正極輸入，接+5v電壓。 gnd ：電源接地端。 xtal1 ：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，些引

14、腳應接地。 xtal2 ：接外部晶振的一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。ale/prog： ale 是英文address latch enable的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當訪問外部存儲器時，ale信號負跳變來觸發(fā)外部的8 位鎖存器 (如 74ls373)，將端口p0的地址總線(a0-a7)鎖存進入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間，ale 引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的 1/16，因此可以用來驅(qū)動其他外圍芯片的時鐘輸入。當問外部存儲器期間，將以1/12振蕩頻率輸出。 ea/vpp ：該引腳為低電平時，則

15、讀取外部的程序代碼 (存于外部 eprom 中)來執(zhí)行程序。因此在8031中，ea 引腳必須接低電位，因為其內(nèi)部無程序存儲器空間。p0 ：p0 口(p0.0p0.7)是一個 8 位漏極開路雙向輸入輸出端口，當訪問外部數(shù)據(jù)時，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向 io 口用。p0 口每一個引腳可以推動 8個lsttl負載。 p2 ：p2 口(p2.0p2.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 i/0 端口(準雙向并行 i/o 口)，當訪問外部程序存儲器時，它是高8位地址。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向 io 口用。每一個引腳可以推動 4個lstl負載。 p1

16、 ：p1 口(p1.0p1.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 i/0 端口(準雙向并行 i/o 口)，其輸出可以推動4個lsttl負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。 p3 ：p3 口(p3.0p3.7)口是具有內(nèi)部提升電路的雙向 i/0 端口(準雙向并行 i/o 口)，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ?。其特殊功能引腳分配如下： p3.0 rxd串行通信輸入 p3.1 txd串行通信輸出 p3.2 int0外部中斷 0輸入，低電平有效 p3.3 int1 外部中斷 1輸入，低電平有效 p3.4 t0計數(shù)器 0外部事件計數(shù)輸入端

17、p3.5 t1計數(shù)器 1外部事件計數(shù)輸入端 p3.6 wr外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效 p3.7 rd 外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效 cpu的組成2.1.1 .2 單片機的cpu mcs-51單片機的cpu由運算器、控制器和若干個特殊功能寄存器組成，運算器可以加、減以及各種邏輯運算，還可以進行乘除運算。控制器在單片機內(nèi)部協(xié)調(diào)各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運算等操作，并對單片機外部發(fā)出若干控制信息。cpu中使用的特殊功能寄存器acc、b、psw、sp和dptr。acc就是累加器，在指令中一般寫為a。在做乘除運算時，b寄存器用來存放一個操作數(shù)，也用來存放運算后的一部分結(jié)果；若不作乘除操

18、作時，則b可用做通用寄存器。程序狀態(tài)字寄存器psw相當于一般微處理器中的狀態(tài)寄存器，其中各位的定義如表1所示。 表1 psw狀態(tài)寄存器位地址d7d6d5d4d3d2d1d0符號cyacf0rs1rs0ovp其中各位的意義如下：cy（psw.7）：高位進位標志位。常用“c”表示。 ac（psw.6）：輔助進位標志。 f0（psw.5）：用戶標志位。 rs1（psw.4）、rs0（psw.3）：寄存器組選擇控制位。8051共有4個8位工作寄存器，分別命名為r0r7。用戶通過改變rs1和 rs0的狀態(tài)可以方便地決定r0r7的實際物理地址。rs1和 rs0與寄存器區(qū)的對應關系如表2所示。表2 rs1、

19、rs2與工作寄存器組的關系rs1rs0寄存器組ram中的地址00110101012300h-07h08h-0fh10h-17h18h-1fhov（psw.2）：溢出標志位。 （psw.1）：保留位，無定義。 p（psw.0）：奇偶校驗位，在每一個指令周期中，若累加器（a）中的“1”的位個數(shù)是奇數(shù)個則p1，偶數(shù)個則p0。2.1.1 .3 at89c51內(nèi)存空間 從物理地址空間看，89c51有4個存儲器地址空間，片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器，其存儲情況如下：（1）內(nèi)部程序存儲器（rom）4k字節(jié)。 （2）外部程序存儲器（rom）64k字節(jié)。 （3）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（

20、ram）256字節(jié)。 （4）外部數(shù)據(jù)存儲器（ram）64k字節(jié)。2.1.1 .4 單片機的中斷系統(tǒng)單片機與外部設備交換信息一般采用兩種方式，即查詢方式和中斷方式。由于中斷方式具有cpu效率高，適合于實時控制系統(tǒng)等優(yōu)點，因而更為常用。89c51單片機的中斷系統(tǒng)從面向用戶的角度來看，就是若干擱特殊功能寄存器：定時器控制寄存器tcon、中斷允許寄存器ie、中斷優(yōu)先級寄存器ip、串行口控制器scon。89c51單片機是一個多中斷源系統(tǒng)。有5個中斷源，即兩個外部中斷，兩個外部中斷、兩個定時器/計數(shù)器中斷和一個串行口中斷。（1）方式控制寄存器tmod的控制字格式如下：表3 tmod控制字位地址d7d6d5

21、d4d3d2d1d0符號gatec/tm1m0gatec/tm1m0低4位為t0的控制字，高4位為t1的控制字。gate為門控位，對定時器/計數(shù)器的啟動起輔助控制作用。gate=1時，定時器/計數(shù)器的計數(shù)受外部引腳輸入電平的控制，此時只有p3口的p3.2（或p3.3）引腳即int0（或int1）為1才啟動計數(shù)；gate=0時，定時器/計數(shù)器的運行不受外部輸入引腳的控制。c/t為方式選擇位。c/t=0為定時器方式，采用單片機內(nèi)部振蕩脈沖的12分頻信號人作為時鐘計數(shù)脈沖，若采用12mhz的振蕩器，則定時器的計數(shù)頻率為1mhz，從定時器的計數(shù)值便可得定時時間。（2）m1、m0二位的狀態(tài)確定定時器的工

22、作方式，詳見下表：表4 m1、m0功能說明m1m0功能說明00方式0，為13位定時器/計數(shù)器01方式1，為16位定時器/計數(shù)器10方式2，為常數(shù)自動重新裝入的8位定時器/計數(shù)器11方式3，僅適用于t0，分為二個8位計數(shù)器（3）tcon定時/計數(shù)器工作方式控制寄存器表5 tcon控制字位地址8fh8eh8dh8ch8bh8ah89h88h符號tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0tf1（tcon.7）：計時器 1溢出標志，當計時溢出時，由硬件設定為 1，在執(zhí)行 相對的中斷服務程序后則自動清 0。 tr1（tcon.6）：計時器1啟動控制位，可以由軟件來設定或清除。tr1時啟動計時器工作

23、，trl=0 時關閉。 tf0（tcon.5）：計時器 0溢出標志，當計時溢出時，由硬件設定為 1，在執(zhí)行相對的中斷服務程序后則自動清 0。 tr0（tcon.4）：計時器 0啟動控制位，可以由軟件來設定或清除。tr0=1時，啟動計時器工作，tr0=時關閉。 ie1（tcon.3）：外部中斷 1工作標志，當外部中斷被檢查出來時，硬件自動設定此位，在執(zhí)行中斷服務程序后，則清 0。 it1（tcon.2）：外部中斷 1工作形式選擇，it1=1時，由下降緣產(chǎn)生外部中斷， it1=0時，則為低電位產(chǎn)生中斷。 ie0（tcon.1）：外部中斷 0 工作標志，當外部中斷被檢查出來時，硬件自動設定此位，在執(zhí)

24、行中斷服務程序后，則清 0。 it0（tcon.0）：外部中斷 0工作形式選擇，it1=1時，由下降緣產(chǎn)生外部中斷， it1=0時，則為低電位產(chǎn)生中斷。（4） scon串行口控制寄存器sm0（scon.7）：串行通訊工作方式設定位0。 sm1（scon.6）：串行通訊工作方式設定位 1。 表6 scon 控制字位地址9fh9eh9dh9ch9bh9ah99h98h符號sm0sm1sm2rentb8rb8tirism2 （scon.5）：允許方式 2 或方式 3 多機通訊控制位。在方式 2 或方式 3 時，如sm2=1，ren=1，則從機處于只有接收到 rb8=1(地址幀)才激發(fā)中斷請求標志ri

25、=1，向主機請求中斷處理。被確認為尋址的從機復位sm2=0，才能接收 rb8=0 的數(shù)據(jù)幀；在方式 1 時，如 sm2=l，則只有在接收到有效停止位時才置位中斷請求標志位ri=1；在方式0時，sm2應為 0。 ren（scon.4）：ren，允許/禁止串行接收控制位。由軟件置位ren=1為允許串行接收狀態(tài)，可啟動串行接收器rxd，開始接收信息。軟件復位ren0，則禁止接收。 tb8（scon.3）：在方式2或方式3，它為要發(fā)送的第 9位數(shù)據(jù)，按需要由軟件置位。2.1.1 .5單片機最小系統(tǒng)（1） 振蕩電路單片機是一種時序電路，必須提供脈沖信號才能正常工作，在單片機內(nèi)部已集成了振蕩器，使用晶體振

26、蕩器，接18、19腳。如圖，對外部c1、c2的取值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性。c1、c2通常取值c1=c2=3030pf；8051的晶振最高振蕩頻率為12m，at89c51的外部晶振最高頻率可到24m。典型的晶振取11.0592mhz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通訊的場合)/12mhz(產(chǎn)生精確的us級時歇，方便定時操作)。（2）電源電路這當然是必不可少的了。單片機使用的是5v電源，其中正極接40引腳，負極（地）接20引腳。（3） 復位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性質(zhì)，可

27、以知道，當系統(tǒng)一上電，rst腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的rc值來決定。典型的51單片機當rst腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合rc的取值就可以保證可靠的復位。一般教科書推薦c取10u，r取10k。當然也有其他取法的，原則就是要讓rc組合可以在rst腳上產(chǎn)生不少于2個機周期 的高電平。至于如何具體定量計算，可以參考電路分析相關書籍。（4） ea訪問程序存儲器控制信號，當ea為低電平時，對rom的讀操作限制在外部程序存儲器；當ea為高電平時，則對rom的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。高電平就是選用內(nèi)部rom，低電平就是不選用內(nèi)部

28、rom。圖3 單片機最小系統(tǒng)2.1.2 光電耦合器光電耦合器是一種把紅外光發(fā)射器件和紅外光接受器件以及信號處理電路等封裝在同一管座內(nèi)的器件。當輸入電信號加到輸入端發(fā)光器件led上，led發(fā)光，光接受器件接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號，然后將電信號直接輸出，或者將電信號放大處理成標準數(shù)字電平輸出，這樣就實現(xiàn)了“電光電” 的轉(zhuǎn)換及傳輸，光是傳輸?shù)拿浇?，因而輸入端與輸出端在電氣上是絕緣的，也稱為電隔離。下為原理圖和仿真圖：+ce發(fā)光器件led受光器件光電二極管光電三極管 實現(xiàn) 電 - 光 - 電 傳輸和轉(zhuǎn)換圖4 光電耦合器原理圖圖5 光電耦合器仿真圖1. 特 點 光電耦合器因為其獨特的結(jié)構(gòu)特點，因此在實際

29、使用過程中，具有以下明顯的優(yōu)點： (1) 能夠有效抑制接地回路的噪聲，消除地干擾，使信號現(xiàn)場與主控制端在電氣上完全隔離，避免了主控制系統(tǒng)受到意外損壞。 (2) 可以在不同電位和不同阻抗之間傳輸電信號，且對信號具有放大和整形等功能，使得實際電路設計大為簡化。 (3) 開關速度快，高速光電耦合器的響應速度到達ns數(shù)量級，極大的拓展了光電耦合器在數(shù)字信號處理中的應用。 (4) 體積小，器件多采用雙列直插封裝，具有單通道、雙通道以及多達八通道等多種結(jié)構(gòu)，使用十分方便。 (5) 可替代變壓器隔離，不會因觸點跳動而產(chǎn)生尖峰噪聲，且抗震動和抗沖擊能力強。 (6) 高線性型光電耦合器除了用于電源監(jiān)測等，還被用

30、于醫(yī)用設備，能有效地保護病人的人生安全。 2 .分 類 由于光電耦合器的品種和類型非常多，在光電子data手冊中，其型號超過上千種，通?？梢园匆韵路椒ㄟM行分類： (1) 按光路徑分，可分為外光路光電耦合器（又稱光電斷續(xù)檢測器）和內(nèi)光路光電耦合器。外光路光電耦合器又分為透過型和反射型光電耦合器。 (2) 按輸出形式分，可分為： a、光敏器件輸出型，其中包括光敏二極管輸出型，光敏三極管輸出型，光電池輸出型，光可控硅輸出型等。 b、npn三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型，互補輸出型等。 c、達林頓三極管輸出型，其中包括交流輸入型，直流輸入型。 d、邏輯門電路輸出型，其中包括門電路輸出型，

31、施密特觸發(fā)輸出型，三態(tài)門電路輸出型等。 e、低導通輸出型（輸出低電平毫伏數(shù)量級）。 f、光開關輸出型（導通電阻小余10）。 g、功率輸出型（igbt/mosfet等輸出）。 (3) 按封裝形式分，可分為同軸型，雙列直插型，to封裝型，扁平封裝型，貼片封裝型，以及光纖傳輸型等。 (4) 按傳輸信號分，可分為數(shù)字型光電耦合器（oc門輸出型，圖騰柱輸出型及三態(tài)門電路輸出型等）和線性光電耦合器（可分為低漂移型，高線性型，寬帶型，單電源型，雙電源2。(5) 按速度分，可分為低速光電耦合器（光敏三極管、光電池等輸出型）和高速光電耦合器（光敏二極管帶信號處理電路或者光敏集成電路輸出型）。 (6) 按通道分，

32、可分為單通道，雙通道和多通道光電耦合器。 (7) 按隔離特性分，可分為普通隔離光電耦合器（一般光學膠灌封低于5000v，空封低于2000v）和高壓隔離光電耦合器（可分為10kv,20kv,30kv等）。 (8) 按工作電壓分，可分為低電源電壓型光電耦合器（一般515v）和高電源電壓型光電耦合器（一般大于30v）。 2.1.3 推挽電路推挽結(jié)構(gòu)一般是指兩個三極管分別受兩互補信號的控制，總是在一個三極管導通的時候另一個截止。要實現(xiàn)線與需要用 oc（open collector）門電路。在電路中，各負責正負半周的波形放大任務，電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小效率高。推

33、挽輸出既可以向負載灌電流，也可以從負載抽取電流。無輸出電容的功率放大電路，簡稱ocl電路。理想情況下，輸入電壓為正弦波時的工作原理： 當ui0時，t1管導通，t2管截止，正電源供電，電流如右圖所示，電路為射極輸出形式，uoui；當ui0時，t2管導通，t1管截止，負電源供電，電流如圖所示，電路也為射極輸出形式，uoui；可見電路實現(xiàn)了“t1和t2交替工作，正、負電源交替供電，輸出與入之間雙向跟隨”。 圖6 推挽電路原理圖“互補”電路：不同類型的兩只晶體管交替工作，且均組成射極輸出形式的電路稱“互補”電路?！盎パa”工作方式：兩只管子的這種交替工作方式稱“互補”工作方式。推挽電路適用于低電壓大電流

34、的場合，廣泛應用于功放電路和開關電路中。圖7 推挽電路仿真圖其中nec-ps2501-1是高速光耦,用于實現(xiàn)輸入輸出信號的電氣隔離,q4,q5組成功率放大電路,采用+15 v和-10 v雙電源供電,保證正負偏壓滿足要求。它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，開關變壓器磁芯利用率高，推挽電路工作時，兩只對稱的功率開關管每次只有一個導通，所以導通損耗小。缺點是：變壓器帶有中心抽頭，而且開關管的承受電壓較高；由于變壓器原邊漏感的存在，功率開關管關斷的瞬間，漏源極會產(chǎn)生較大的電壓尖峰，另外輸入電流的紋波較大，因而輸入濾波器的體積較大。 2.1.4 igbtigbt(insulated gate bipolar tra

35、nsistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由bjt(雙極型三極管)和mos(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件, 兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。gtr飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;mosfet驅(qū)動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。igbt綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600v及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。 圖8 igbt結(jié)構(gòu)圖左邊所示為一個n 溝道增強型絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)， n+ 區(qū)稱為源區(qū)，附于其上的電極稱為源極。p+ 區(qū)稱為漏

36、區(qū)。器件的控制區(qū)為柵區(qū)，附于其上的電極稱為柵極。溝道在緊靠柵區(qū)邊界形成。在漏、源之間的p 型區(qū)（包括p+ 和p 一區(qū)）（溝道在該區(qū)域形成），稱為亞溝道區(qū)（ subchannel region ）。而在漏區(qū)另一側(cè)的p+ 區(qū)稱為漏注入?yún)^(qū)（ drain injector ），它是igbt 特有的功能區(qū)，與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成pnp雙極晶體管，起發(fā)射極的作用，向漏極注入空穴，進行導電調(diào)制，以降低器件的通態(tài)電壓。附于漏注入?yún)^(qū)上的電極稱為漏極。igbt 的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給npn晶體管提供基極電流，使igbt 導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使igbt 關斷。ig

37、bt 的驅(qū)動方法和mosfet 基本相同，只需控制輸入極n一溝道m(xù)osfet ，所以具有高輸入阻抗特性。當mosfet 的溝道形成后，從p+ 基極注入到n 一層的空穴（少子），對n 一層進行電導調(diào)制，減小n 一層的電阻，使igbt 在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。工作特性：靜態(tài)特性：igbt 的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開關特性。igbt 的伏安特性是指以柵源電壓ugs 為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓ugs 的控制，ugs 越高， id 越大。它與gtr 的輸出特性相似也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止狀態(tài)下的igbt ，正

38、向電壓由j2 結(jié)承擔，反向電壓由j1結(jié)承擔。如果無n+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入n+緩沖區(qū)后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了igbt 的某些應用范圍。igbt 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流id 與柵源電壓ugs 之間的關系曲線。它與mosfet 的轉(zhuǎn)移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓ugs(th) 時，igbt 處于關斷狀態(tài)。在igbt 導通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， id 與ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15v左右。igbt 的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。igbt 處于導通態(tài)時，由于它的pnp 晶體管為寬基區(qū)晶體

39、管，所以其b 值極低。盡管等效電路為達林頓結(jié)構(gòu)，但流過mosfet 的電流成為igbt 總電流的主要部分。此時，通態(tài)電壓uds(on) 可用下式表示為保證igbt可靠工作,其驅(qū)動電路應滿足如下要求:(1)動態(tài)驅(qū)動能力強,能為igbt柵極提供驅(qū)動脈沖,使igbt迅速導通。(2)能向igbt提供適當?shù)恼蚱珘汉妥銐虻姆聪蚱珘?使igbt可靠的開通和關斷,一般取正偏電壓為+15 v,反偏電壓為-10 v為宜。(3)有足夠的輸入輸出電氣隔離能力,使信號電路與柵極驅(qū)動電路隔離,且具有靈敏的短路、過流保護功能。圖9 推挽電路仿真圖 其中nec-ps2501-1是高速光耦,用于實現(xiàn)輸入輸出信號的電氣隔離,q

40、4,q5組成功率放大電路,采用+15 v和-10 v雙電源供電,保證正負偏壓滿足要求。圖10 驅(qū)動信號驅(qū)動igbt頻率2.2 電路設計：2.2.1 加熱系統(tǒng)設計本設計主要是用單片機中斷來產(chǎn)生一個中頻信號，此驅(qū)動信號經(jīng)過驅(qū)動電路后，驅(qū)動igbt管，使加熱電路工作或停止。如下圖，220v市電經(jīng)整流后，給加熱電路供電，l與c振蕩產(chǎn)生渦流磁場使加熱導體發(fā)熱。圖10 系統(tǒng)電路圖 2.2.2 交流變直流電路設計整流電路的選擇：半波整流，全波整流，橋式整流。比較三者，半波整流最簡單，成本最低，但是整流的效率最低，波動較大。全波解決了半波的不足，但是電路復雜，變壓器利用率低，成本高（要用雙繞組），橋式整流最好

41、，成本較全波低，電源利用率高，輸出波動小，就是電路較復雜。故采用橋式整流 。由于整流出來的直流有波動，所以整流之后還要濾波。這里我采用電容濾波電路。最后系統(tǒng)采用的整流濾波電路為單相橋式整流電容濾波電路，如下圖所示。圖11 整流與加熱電路仿真圖2.2.3 溫度信號采集電路設計如下圖所示，以滑動變阻器代替熱電偶，將采集的電壓信號經(jīng)adc0804芯片轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，經(jīng)單片機處理后由led顯示。 圖12 溫度信號采集電路圖2.2.4 電源模塊設計 圖13 5v穩(wěn)壓電路 電源是系統(tǒng)中最重要的模塊之一，輸入電源經(jīng)穩(wěn)壓塊后輸出穩(wěn)定的+5v電源，用以驅(qū)動系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件設計3 系統(tǒng)軟件設計3.1 vb與串口通信

42、3.1.1 rs232協(xié)議s232c標準是美國eia(電子工業(yè)聯(lián)合會)與bell等公司一起開發(fā)的1969年公布的通信協(xié)議。它適合于數(shù)據(jù)傳輸速率在020000b/s范圍內(nèi)的通信。這個標準對串行通信接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通行設備廠商都生產(chǎn)與rs232c制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。rs232c標準(協(xié)議)的全稱是eia-rs232c標準，其中eia代表美國電子工業(yè)協(xié)會，rs(recommended tandard)代表推薦標準，232是標識號，c代表rs232的最新一次修改 (1969)，在這之前，有rs232b、rs

43、232a。rs232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。rs232c總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道，在多數(shù)況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。rs232-c標準規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。rs232c標準規(guī)定了一個25個腳的db25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。db25的串口一般用到的管腳只有2(rxd)、3(txd)、7(gnd)這三個，隨著設備的不斷改進，現(xiàn)在db25

44、針很少看到了，代替他的是db9的接口，db9所用到的管腳比db25有所變化，是2(rxd)、3(txd)、5(gnd)這三個。因此現(xiàn)在都把rs232接口叫做db9。在后面的敘述中，所有的rs232接口指的都是db9。典型的rs232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在 +5+15v，負電平在-5-15v電平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為ttl，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從ttl電平到rs232電平再返回ttl電平。接收器的典型的工作電平在 +3+12v與-3-12v。rs232-c標準規(guī)定，驅(qū)動器允許有2500pf的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pf

45、/m的通信電纜時，最大通信距離為15m;若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是rs232屬單端信號傳送，發(fā)送電平與接收電平的差僅為2v至3v左右，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。同時rs232是為點對點(即只用一對收、發(fā)設備)通訊而設計的，其驅(qū)動器負載為37k。所以rs232適合本地設備之間的通信。db9的結(jié)構(gòu)及各引腳定義如圖2所示。在連接2個rs232c的9針接口時，只要保證a接口的rxd和b接口的txd相連，a接口的txd和b接口的rxd相連以及a、b接口的gnd相連，就可以進行rs232c串口通信了。所以常用的引腳只有2腳rx

46、d、3腳txd和5腳gnd。eia-rs232c對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定： 圖14 9針接口圖在txd和rxd上：邏輯1(mark)=-3v-15v ，邏輯0(space)=+315v；在rts、cts、dsr、dtr和dcd等控制線上：信號有效（接通，on狀態(tài)，正電壓）+3v+15v，信號無效（斷開，off狀態(tài)，負電壓)=-3v-15v。 3.1.2 串口通信串口是計算機上一種非常通用設備通信的協(xié)議(不要與通用串行總線universal serial bus或者usb混淆)。大多數(shù)計算機包含兩個基于rs232的串口。串口同時也是儀器儀表設備通用的通信協(xié)議；很多gpib兼

47、容的設備也帶有rs232口。同時，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠程采集設備的數(shù)據(jù)。串口通信的概念非常簡單，串口按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離通信。比如ieee488定義并行通行狀態(tài)時，規(guī)定設備線總常不的超過20米，并且任意兩個設備間的長度不的超過2米；而對于串口而言，長度可達1200米。典型地，串口用于ascii碼字符的傳輸。通信使用3根線完成: (1)地線，(2)發(fā)送，(3)接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是

48、不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配: 1.波特率 這是一個衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送300個bit。當我們提到時鐘周期時，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時鐘是4800hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800hz。通常電話線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠遠大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是gpib設備的通信。2.數(shù)據(jù)位這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當計

49、算機發(fā)送一個信息包，實際的數(shù)據(jù)不會是8位的，標準的值是5、7和8位。如何設置取決于你想傳送的信息。比如，標準的ascii碼是0127(7位)。擴展的ascii碼是0255(8位)。如果數(shù)據(jù)使用簡單的文本(標準 ascii碼)，那么每個數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個包是指一個字節(jié)，包括開始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗位。由于實際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術語 “包”指任何通信的情況。3.停止位 用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時的，并且每一個設備有其自己的時鐘，很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計算機校正時

50、鐘同步的機會。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時也越慢。4.奇偶校驗位在串口通信中一種簡單的檢錯方式。有四種檢錯方式: 偶、奇、高和低。當然沒有校驗位也是可以的。對于偶和奇校驗的情況，串口會設置校驗位(數(shù)據(jù)位后面的一位)，用一個值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對于偶校驗，校驗位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個。如果是奇校驗，校驗位位1，這樣就有3個邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡單置位邏輯高或者邏輯低校驗。這樣使的接收設備能夠知道一個位的狀態(tài)，有機會判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步。3.1.3

51、 vb接口設計在visual basic 專業(yè)版里，有一個專為設計串行通訊的控件，也就是mscomm通訊控制項，只要將它外掛進程序里，設定好通訊協(xié)定。便能使用rs232與外界相匹配的電子設備進行通訊。mscomm控件最常用的屬性如下：commport屬性：設置并返回通信端口號,指定pc機上用于通信的串口。setting屬性：以字符串的形式設置并返回波特率,奇偶校驗,數(shù)據(jù)位和停止位。portopen屬性：設置并返回通信端口的狀態(tài),用于打開和關閉端口。rthreshold 屬性：mscomm 控件設置commevent 屬性為comevreceive并產(chǎn)生oncomm之前設置并返回的要接收的字符數(shù)

52、。input屬性：從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符,用于接收數(shù)據(jù)。inputlen 屬性：設置并返回input屬性從接收緩沖區(qū)讀取的字符數(shù)。 mscomm1.output=outputstring 發(fā)送數(shù)據(jù),outputstring 是定義的字符型變量（dim outputstring as string）。一般用定時器的timer事件來定時發(fā)送數(shù)據(jù),接到回應字符后則關閉定時器。mscomm控件可以直接把字符串轉(zhuǎn)化成二進制數(shù)據(jù)形式發(fā)送,不需要我們在程序中用算法來轉(zhuǎn)換。每次發(fā)送完畢最好關閉串口。用mscomm1.portopen=false來實現(xiàn)。mscomm_oncomm事件可以捕捉通信時發(fā)生的錯誤

53、,也可以接收數(shù)據(jù)。由于rthreshold的屬性值為3,所以當輸入緩沖區(qū)滿三個字符時,就觸發(fā)mscomm_oncomm事件,通過對接收字符的判斷,可以決定主程序分支的去向。（1） 打開vb6.0，新建一個工程。 圖15 新建工程（2）點擊按鈕。（3）執(zhí)行菜單命令【工程】【部件】選擇microsoft comm control6.0單擊按鈕，然后點擊按鈕。圖16 添加串口部件(4)添加控件，文本框，引用通訊控件。界面如下圖，放置一個文字輸入框，作為標題，并放置三個控制按鈕，一個登陸鍵，兩個控制鍵，里頭有專屬的控制指令。圖17 操作界面仿真系統(tǒng)軟件設計 (5)引用控制項完成后，便是設定其通訊協(xié)定的屬性，如下圖，設定波特率參數(shù)，vb程序與89c51單片機的匯編語言程序的波特率參數(shù)必須相同，本文是設定9600bps，其中“9600，n，8，1”，代表“所使用的通訊口是以每秒9600bit的速度進行傳輸，不作同位位元