毕业设计论文油管中频加热修复系统设计

前 言随着科学的进步与发展，对能源的需求量急剧增加，采油、输油量也随着增加，因此，为节约能源，提高生产效率，对油管的数量及质量要求也更严格。但在生产、加工油管时，因生产工艺、设备等原因，使油管的质量不合格（如裂缝、表面突起或内部有砂眼等），必须对其进行修复。因中频感应加热效率高，节能环保等优点，在工业生产中的应用越来越广泛。国外工业先进国家以及电力资源丰富的国家，广泛的采用中频感应加热对钢材和有色金属材料进行加热和热处理。7O年代以来，国外感应加热热处理炉在钢管尤其是石油钢管的常化和调质热处理中得到了应用并不断发展。美国隆斯塔钢铁公司，无限制管公司以及日本川崎钢铁公司都有中频感应热处理炉，对石油套管进行调质热处理。近年来为了提高产品质量，降低成本，减少投资，改善劳动条件，在钢材加热和热处理方面也广泛的采用中频感应加热炉，如一些锻压机和钢管挤压机及楔横轧机的坯料加热，PC钢筋的调质热处理，石油钻杆的管端加热，石油钻杆和工具接头的焊缝热处理，焊管的焊缝热处理等等。感应加热早期主要用于有色金属熔炼和热处理工艺，其加热效率高、速度快、可控性好及易于实现自动化等优点，广泛应用于金属熔炼、透热、热处理和焊接等工业生产过程中，成为冶金、国防、机械加工等部门及铸、锻船舶、飞机、汽车制造业等不可缺少的技术手段。与传统火焰炉和电阻炉加热相比，感应加热的主要优点是：1、加热速度快，能够成倍提高加热设备的生产率，降低成本，提高模具的使用寿命；2、加热温度高，是非接触式的电磁感应加热；3、加热时间短，效率高。感应加热炉设备的生产率可达60% 70%，而火焰炉只有20%左右，电阻炉也只有约40%；4、作业环境好，环保，几乎无热、噪声、粉尘等污染，作业占地少，生产效率高,5、容易实现自动化控制，具有较好的人机界面操作环境。因此，利用中频感应进行加热可快速将工件加热至1000C以上，使油管软化，自动修复微小的裂纹，融合砂眼，增加产品重复利用率，提高质量，减小成本，使生产更高效有序的进行。1 绪论1.1 课题来源来源于生产/社会实际 1.2 研究的目的、意义、应解决的主要问题1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。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。因为单片机通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性的转变！ 鉴于单片机的这些广泛用途及如此简便的使用方法，作为本专业的学生我们更应该好好学习单片机。本次毕业设计的目的就是为了进一步熟悉单片机语言及单片机工作原理，煅炼单片机与信号检测的综合应用能力，为以后在工作中解决各种问题打好基础2中频加热是将工频交流电50Hz 220V整流滤波为直流电，再经IGBT变为中频（300HZ以上至10K HZ），利用单片机控制其驱动电路，将其变为可调节的中频电流，根据电磁感应原理，将中频电流通入感应线圈内，在其内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场，使置于感应线圈内的工件，受到电流交变磁场作用，依靠电流热效应将工件表面迅速加热。中频感应加热具有电流透入深度比较大，加热速度较快，加热过程容易控制的优点。进行本课题研究的目的和意义在于以下几个方面：1中频加热电源采用不可控整流,交-直-交变频技术,设计了电压型IGBT并联谐振电路以及以单片机为核心的控制电路。2在油管的生产与运输中，会出现不合规格产品，如：油管破裂、表面突起或内部有砂眼等。为节约资源，提高生产效率，则要对其进行修复。中频加热修复是一种高效节能的方法。3利用单片机进行信号控制，可以使其更加方便精确，同时，让单片机与计算机进行串口通信，使人机界面友好、操作简洁方便。1.3 国内外发展现状、发展趋势及存在主要问题我国中频感应加热在工业上的应用，起步于20世纪50年代，在机床制造、纺织机制造、汽车、拖拉机工业等部门应用最早，当时的感应加热技术，绝大部分来自前苏联，少部分来自捷克、比利时等国家。5 0年代末，我国已自制出电子管式高频电源与机械式中频发电机，感应熔炼、感应透热、淬火、介质加热等各种设备与工艺相继在工业上得到应用。6 0年代后，各个部门、企业在自力更生精神鼓舞下，研制出晶闸管中频电源，改进了电子管式高频电源，并设计、制造了各种型式的淬火机床，其典型结构已汇编入原机械部第六设计院的淬火机床图集，共计55种。对外开放以来，通过出国考察、进口设备、引进技术等多种渠道，工业发达国家的现代感应加热技术逐渐进入了我国工业的各个部门，使中频感应加热这一节能、高效、自动化、高重现性、环保的技术更有效地得到利用。油管中频加热修复系统的主要性能特点：1中频感应加热远比红外加热、电阻加热或其它火焰加热快的多。由于加热时间短、氧化的几率少，使质量得以保证。实际上，管体外口加热时间只用一分多钟(可调)就加热到工艺要求的温度，达到了预期效果。2中频电路主控板可装在一金属屏蔽箱内，防止外界的各种干扰，控制系统系数字电路，高度集成化，可靠性高，调试方便。3电路的不可控整流桥简单，设备工作稳定、可靠。4计算机界面控制，单片机辅助控制，极大地减轻了劳动强度，提高了劳动生产率。5由于中频感应加热钢管的温度取决于磁感应强度B 的分布。感应加热线圈、油管都是规则的圆柱体,只要两者同心、周围间隙均匀,就能保证钢管圆周的温度均匀,实际测量和实践结果都说明了这一点。6热电偶测量精度高、应用广泛，可达到预定温度( 800 1 200 , 可调)。1.4 设计方案 方案确定：题目要求设计一个油管中频加热修复系统系统，实现对油管的加热修复。中频加热电路采用不可控整流,交-直-交变频技术,设计了电压型IGBT谐振电路以及以单片机为核心的控制电路。采用上位机对系统进行操作，通过单片机输出的驱动信号控制IGBT的G极电压来控制电路的通断，达到给工件加热的目的。同时，用热电偶测量工件温度，与设定值（800可调）比较，若大于设定值则停止加热工作，小于则继续加热。基于设计思路在设计过程中选择合适的元器件，使用合适的单元电路模块，有效的达到设计要求。ADC0804 温度采集 方案结构如图1：MCS-51温度比较PC机显示操作模块油管加热修复模块产生中频 LED温度显示图1 系统框图 利用VB软件编一个窗口界面，再利用与单片机之间的串口通信，对加热电路进行操作。这样更加直观明了和智能化。2 系统硬件设计2.1 器件介绍2.1.1 单片机本设计所用的单片机采用MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机是80年代由美国Intel公司推出的一种高性能8位单片机。它的片内集成了并行I/O，串行I/O，16位定时器/计数器，片内的RAM和ROM都比较大，RAM可达256B，新型8051ROM可达64KB；由于片内ROM空间大，BASIC语言等都可以固化在单片机内，如8052AH-BASIC芯片等。现在MCS-51系列单片机已有许多品种，典型的为8031，8051和8751。MCS-51系列单片机有七种寻址方式，可寻址64KB字节的程序存贮器空间和64KB字节的数据存贮器空间；共有111条指令，其中包括乘除指令和位操作指令；中断源有5个（8032/8052为6个），分为2个优先级，每个中断源的优先级是可编程的；在RAM区中还开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。在MCS-51系列单片机内部还有1个由直接可寻址位组成的布尔处理机，即位处理机，指令系统中的位处理指令即是专用于对布尔处理机的各位进行布尔处理，特别适用于控制目的和解决各种逻辑问题。2.1.1 .1 89C51基本结构MCS-51系列单片机一般采用HMOS和CHMOS工艺制造，这两种单片机完全兼容。CHMOS工艺比较先进，不公具有HMOS的高速性，同时还具有CMOS的低功耗性。为区别起见，CHMOS工艺的单片机名称前冠以字母C，如80C31，80C51和87C51等。此外CHMOS型单片机中还有一些以80C51为核心，加上一些新的功能部件所组成的增强型单片机，如：8XC51FB增加了一个可编程的读数器阵列PCA；8XC51GA增加了片内的A/D转换器；荷兰PHILIPS公司生产的与MCS-51兼容的增强型单片机8XC552，不仅增加了片内A/D转换器，片内WATCHDOG电路和片内PWM输出通道，还提供一种新型的芯片间通讯总线I2C接口，利用数据和时钟两根线就可以实现芯片之间数据传送。首先介绍MCS-51单片机的引脚及其功能。HMOS工艺制造的MCS-51单片机都采用40引脚双列直插土封装（DIP）方式，CHMOS工艺制造的80C51/80C31除采用DIP封装方式外，还采用方形封装。图2 80c51引脚图图2是80C51的引脚图，引脚说明如下： VCC ：80C51电源正极输入，接+5V电压。 GND ：电源接地端。 XTAL1 ：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。 XTAL2 ：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。ALE/PROG： ALE 是英文ADDRESS LATCH ENABLE的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8 位锁存器 (如 74LS373)，将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。 EA/VPP ：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部 EPROM 中)来执行程序。因此在8031中，EA 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。P0 ：P0 口(P0.0P0.7)是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 IO 口用。P0 口每一个引脚可以推动 8个LSTTL负载。 P2 ：P2 口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 IO 口用。每一个引脚可以推动 4个LSTL负载。 P1 ：P1 口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3 ：P3 口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下： P3.0 RXD串行通信输入 P3.1 TXD串行通信输出 P3.2 INT0外部中断 0输入，低电平有效 P3.3 INT1 外部中断 1输入，低电平有效 P3.4 T0计数器 0外部事件计数输入端 P3.5 T1计数器 1外部事件计数输入端 P3.6 WR外部随机存储器的写选通，低电平有效 P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效 CPU的组成2.1.1 .2 单片机的CPU MCS-51单片机的CPU由运算器、控制器和若干个特殊功能寄存器组成，运算器可以加、减以及各种逻辑运算，还可以进行乘除运算。控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机外部发出若干控制信息。CPU中使用的特殊功能寄存器ACC、B、PSW、SP和DPTR。ACC就是累加器，在指令中一般写为A。在做乘除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不作乘除操作时，则B可用做通用寄存器。程序状态字寄存器PSW相当于一般微处理器中的状态寄存器，其中各位的定义如表1所示。 表1 PSW状态寄存器位地址D7D6D5D4D3D2D1D0符号CYACF0RS1RS0OVP其中各位的意义如下：CY（PSW.7）：高位进位标志位。常用“C”表示。 AC（PSW.6）：辅助进位标志。 F0（PSW.5）：用户标志位。 RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）：寄存器组选择控制位。8051共有4个8位工作寄存器，分别命名为R0R7。用户通过改变RS1和 RS0的状态可以方便地决定R0R7的实际物理地址。RS1和 RS0与寄存器区的对应关系如表2所示。表2 RS1、RS2与工作寄存器组的关系RS1RS0寄存器组RAM中的地址00110101012300H-07H08H-0FH10H-17H18H-1FHOV（PSW.2）：溢出标志位。 （PSW.1）：保留位，无定义。 P（PSW.0）：奇偶校验位，在每一个指令周期中，若累加器（A）中的“1”的位个数是奇数个则P1，偶数个则P0。2.1.1 .3 AT89C51内存空间 从物理地址空间看，89C51有4个存储器地址空间，片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器，其存储情况如下：（1）内部程序存储器（ROM）4K字节。 （2）外部程序存储器（ROM）64K字节。 （3）内部数据存储器（RAM）256字节。 （4）外部数据存储器（RAM）64K字节。2.1.1 .4 单片机的中断系统单片机与外部设备交换信息一般采用两种方式，即查询方式和中断方式。由于中断方式具有CPU效率高，适合于实时控制系统等优点，因而更为常用。89C51单片机的中断系统从面向用户的角度来看，就是若干搁特殊功能寄存器：定时器控制寄存器TCON、中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、串行口控制器SCON。89C51单片机是一个多中断源系统。有5个中断源，即两个外部中断，两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串行口中断。（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D7D6D5D4D3D2D1D0符号GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0低4位为T0的控制字，高4位为T1的控制字。GATE为门控位，对定时器/计数器的启动起辅助控制作用。GATE=1时，定时器/计数器的计数受外部引脚输入电平的控制，此时只有P3口的P3.2（或P3.3）引脚即INT0（或INT1）为1才启动计数；GATE=0时，定时器/计数器的运行不受外部输入引脚的控制。C/T为方式选择位。C/T=0为定时器方式，采用单片机内部振荡脉冲的12分频信号人作为时钟计数脉冲，若采用12MHz的振荡器，则定时器的计数频率为1MHz，从定时器的计数值便可得定时时间。（2）M1、M0二位的状态确定定时器的工作方式，详见下表：表4 M1、M0功能说明M1M0功能说明00方式0，为13位定时器/计数器01方式1，为16位定时器/计数器10方式2，为常数自动重新装入的8位定时器/计数器11方式3，仅适用于T0，分为二个8位计数器（3）TCON定时/计数器工作方式控制寄存器表5 TCON控制字位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H符号TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1（TCON.7）：计时器 1溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为 1，在执行 相对的中断服务程序后则自动清 0。 TR1（TCON.6）：计时器1启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR1时启动计时器工作，TRl=0 时关闭。 TF0（TCON.5）：计时器 0溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为 1，在执行相对的中断服务程序后则自动清 0。 TR0（TCON.4）：计时器 0启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR0=1时，启动计时器工作，TR0=时关闭。 IE1（TCON.3）：外部中断 1工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。 IT1（TCON.2）：外部中断 1工作形式选择，IT1=1时，由下降缘产生外部中断， IT1=0时，则为低电位产生中断。 IE0（TCON.1）：外部中断 0 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。 IT0（TCON.0）：外部中断 0工作形式选择，IT1=1时，由下降缘产生外部中断， IT1=0时，则为低电位产生中断。（4） SCON串行口控制寄存器SM0（SCON.7）：串行通讯工作方式设定位0。 SM1（SCON.6）：串行通讯工作方式设定位 1。 表6 SCON 控制字位地址9FH9EH9DH9CH9BH9AH99H98H符号SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM2 （SCON.5）：允许方式 2 或方式 3 多机通讯控制位。在方式 2 或方式 3 时，如SM2=1，REN=1，则从机处于只有接收到 RB8=1(地址帧)才激发中断请求标志RI=1，向主机请求中断处理。被确认为寻址的从机复位SM2=0，才能接收 RB8=0 的数据帧；在方式 1 时，如 SM2=l，则只有在接收到有效停止位时才置位中断请求标志位RI=1；在方式0时，SM2应为 0。 REN（SCON.4）：REN，允许/禁止串行接收控制位。由软件置位REN=1为允许串行接收状态，可启动串行接收器RXD，开始接收信息。软件复位REN0，则禁止接收。 TB8（SCON.3）：在方式2或方式3，它为要发送的第 9位数据，按需要由软件置位。2.1.1 .5单片机最小系统（1） 振荡电路单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。如图，对外部C1、C2的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响到振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。C1、C2通常取值C1=C2=3030PF；8051的晶振最高振荡频率为12M，AT89C51的外部晶振最高频率可到24M。典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的us级时歇，方便定时操作)。（2）电源电路这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。（3） 复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般教科书推荐C取10u，R取10K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期 的高电平。至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。（4） EA访问程序存储器控制信号，当EA为低电平时，对ROM的读操作限制在外部程序存储器；当EA为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。高电平就是选用内部ROM，低电平就是不选用内部ROM。图3 单片机最小系统2.1.2 光电耦合器光电耦合器是一种把红外光发射器件和红外光接受器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发光，光接受器件接受光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就实现了“电光电” 的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。下为原理图和仿真图：+ce发光器件LED受光器件光电二极管光电三极管 实现 电 - 光 - 电 传输和转换图4 光电耦合器原理图图5 光电耦合器仿真图1. 特 点 光电耦合器因为其独特的结构特点，因此在实际使用过程中，具有以下明显的优点： (1) 能够有效抑制接地回路的噪声，消除地干扰，使信号现场与主控制端在电气上完全隔离，避免了主控制系统受到意外损坏。 (2) 可以在不同电位和不同阻抗之间传输电信号，且对信号具有放大和整形等功能，使得实际电路设计大为简化。 (3) 开关速度快，高速光电耦合器的响应速度到达ns数量级，极大的拓展了光电耦合器在数字信号处理中的应用。 (4) 体积小，器件多采用双列直插封装，具有单通道、双通道以及多达八通道等多种结构，使用十分方便。 (5) 可替代变压器隔离，不会因触点跳动而产生尖峰噪声，且抗震动和抗冲击能力强。 (6) 高线性型光电耦合器除了用于电源监测等，还被用于医用设备，能有效地保护病人的人生安全。 2 .分 类 由于光电耦合器的品种和类型非常多，在光电子DATA手册中，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类： (1) 按光路径分，可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。 (2) 按输出形式分，可分为： a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光可控硅输出型等。 b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。 c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。 d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。 e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。 f、光开关输出型（导通电阻小余10）。 g、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。 (3) 按封装形式分，可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，以及光纤传输型等。 (4) 按传输信号分，可分为数字型光电耦合器（OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路输出型等）和线性光电耦合器（可分为低漂移型，高线性型，宽带型，单电源型，双电源2。(5) 按速度分，可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。 (6) 按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。 (7) 按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV,20kV,30kV等）。 (8) 按工作电压分，可分为低电源电压型光电耦合器（一般515V）和高电源电压型光电耦合器（一般大于30V）。 2.1.3 推挽电路推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制，总是在一个三极管导通的时候另一个截止。要实现线与需要用 OC（open collector）门电路。在电路中，各负责正负半周的波形放大任务，电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小效率高。推挽输出既可以向负载灌电流，也可以从负载抽取电流。无输出电容的功率放大电路，简称OCL电路。理想情况下，输入电压为正弦波时的工作原理： 当ui0时，T1管导通，T2管截止，正电源供电，电流如右图所示，电路为射极输出形式，uoui；当ui0时，T2管导通，T1管截止，负电源供电，电流如图所示，电路也为射极输出形式，uoui；可见电路实现了“T1和T2交替工作，正、负电源交替供电，输出与入之间双向跟随”。 图6 推挽电路原理图“互补”电路：不同类型的两只晶体管交替工作，且均组成射极输出形式的电路称“互补”电路。“互补”工作方式：两只管子的这种交替工作方式称“互补”工作方式。推挽电路适用于低电压大电流的场合，广泛应用于功放电路和开关电路中。图7 推挽电路仿真图其中NEC-PS2501-1是高速光耦,用于实现输入输出信号的电气隔离,Q4,Q5组成功率放大电路,采用+15 V和-10 V双电源供电,保证正负偏压满足要求。它的优点是：结构简单，开关变压器磁芯利用率高，推挽电路工作时，两只对称的功率开关管每次只有一个导通，所以导通损耗小。缺点是：变压器带有中心抽头，而且开关管的承受电压较高；由于变压器原边漏感的存在，功率开关管关断的瞬间，漏源极会产生较大的电压尖峰，另外输入电流的纹波较大，因而输入滤波器的体积较大。 2.1.4 IGBTIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 图8 IGBT结构图左边所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。P+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给NPN晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。工作特性：静态特性：IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示为保证IGBT可靠工作,其驱动电路应满足如下要求:(1)动态驱动能力强,能为IGBT栅极提供驱动脉冲,使IGBT迅速导通。(2)能向IGBT提供适当的正向偏压和足够的反向偏压,使IGBT可靠的开通和关断,一般取正偏电压为+15 V,反偏电压为-10 V为宜。(3)有足够的输入输出电气隔离能力,使信号电路与栅极驱动电路隔离,且具有灵敏的短路、过流保护功能。图9 推挽电路仿真图 其中NEC-PS2501-1是高速光耦,用于实现输入输出信号的电气隔离,Q4,Q5组成功率放大电路,采用+15 V和-10 V双电源供电,保证正负偏压满足要求。图10 驱动信号驱动IGBT频率2.2 电路设计：2.2.1 加热系统设计本设计主要是用单片机中断来产生一个中频信号，此驱动信号经过驱动电路后，驱动IGBT管，使加热电路工作或停止。如下图，220V市电经整流后，给加热电路供电，L与C振荡产生涡流磁场使加热导体发热。图10 系统电路图 2.2.2 交流变直流电路设计整流电路的选择：半波整流，全波整流，桥式整流。比较三者，半波整流最简单，成本最低，但是整流的效率最低，波动较大。全波解决了半波的不足，但是电路复杂，变压器利用率低，成本高（要用双绕组），桥式整流最好，成本较全波低，电源利用率高，输出波动小，就是电路较复杂。故采用桥式整流 。由于整流出来的直流有波动，所以整流之后还要滤波。这里我采用电容滤波电路。最后系统采用的整流滤波电路为单相桥式整流电容滤波电路，如下图所示。图11 整流与加热电路仿真图2.2.3 温度信号采集电路设计如下图所示，以滑动变阻器代替热电偶，将采集的电压信号经ADC0804芯片转变为数字信号，经单片机处理后由LED显示。 图12 温度信号采集电路图2.2.4 电源模块设计 图13 5V稳压电路 电源是系统中最重要的模块之一，输入电源经稳压块后输出稳定的+5V电源，用以驱动系统。3 系统软件设计3.1 VB与串口通信3.1.1 RS232协议S232C标准是美国EIA(电子工业联合会)与BELL等公司一起开发的1969年公布的通信协议。它适合于数据传输速率在020000b/s范围内的通信。这个标准对串行通信接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通行设备厂商都生产与RS232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。RS232C标准(协议)的全称是EIA-RS232C标准，其中EIA代表美国电子工业协会，RS(Recommended tandard)代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最新一次修改 (1969)，在这之前，有RS232B、RS232A。RS232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。RS232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道，在多数况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS232C标准规定了一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般用到的管脚只有2(RXD)、3(TXD)、7(GND)这三个，随着设备的不断改进，现在DB25针很少看到了，代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2(RXD)、3(TXD)、5(GND)这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。在后面的叙述中，所有的RS232接口指的都是DB9。典型的RS232信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在 +5+15V，负电平在-5-15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS232电平再返回TTL电平。接收器的典型的工作电平在 +3+12V与-3-12V。RS232-C标准规定，驱动器允许有2500PF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150PF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS232属单端信号传送，发送电平与接收电平的差仅为2V至3V左右，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。同时RS232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的，其驱动器负载为37K。所以RS232适合本地设备之间的通信。DB9的结构及各引脚定义如图2所示。在连接2个RS232C的9针接口时，只要保证A接口的RXD和B接口的TXD相连，A接口的TXD和B接口的RXD相连以及A、B接口的GND相连，就可以进行RS232C串口通信了。所以常用的引脚只有2脚RXD、3脚TXD和5脚GND。EIA-RS232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定： 图14 9针接口图在TXD和RXD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V ，逻辑0(SPACE)=+315V；在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V，信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V。 3.1.2 串口通信串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议(不要与通用串行总线Universal Serial Bus或者USB混淆)。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。串口通信的概念非常简单，串口按位(bit)发送和接收字节。尽管比按字节(byte)的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不的超过20米，并且任意两个设备间的长度不的超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字符的传输。通信使用3根线完成: (1)地线，(2)发送，(3)接收。由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手，但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配: 1.波特率 这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。当我们提到时钟周期时，我们就是指波特率例如如果协议需要4800波特率，那么时钟是4800Hz。这意味着串口通信在数据线上的采样率为4800Hz。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。2.数据位这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如，标准的ASCII码是0127(7位)。扩展的ASCII码是0255(8位)。如果数据使用简单的文本(标准 ASCII码)，那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语 “包”指任何通信的情况。3.停止位 用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。4.奇偶校验位在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式: 偶、奇、高和低。当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位(数据位后面的一位)，用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位位1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使的接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。3.1.3 VB接口设计在Visual Basic 专业版里，有一个专为设计串行通讯的控件，也就是MSComm通讯控制项，只要将它外挂进程序里，设定好通讯协定。便能使用RS232与外界相匹配的电子设备进行通讯。MSComm控件最常用的属性如下：CommPort属性：设置并返回通信端口号,指定PC机上用于通信的串口。Setting属性：以字符串的形式设置并返回波特率,奇偶校验,数据位和停止位。PortOpen属性：设置并返回通信端口的状态,用于打开和关闭端口。Rthreshold 属性：MSComm 控件设置CommEvent 属性为ComEvReceive并产生OnComm之前设置并返回的要接收的字符数。Input属性：从接收缓冲区返回和删除字符,用于接收数据。InputLen 属性：设置并返回Input属性从接收缓冲区读取的字符数。 MSComm1.Output=OutputString 发送数据,OutputString 是定义的字符型变量（Dim OutputString As String）。一般用定时器的Timer事件来定时发送数据,接到回应字符后则关闭定时器。MSComm控件可以直接把字符串转化成二进制数据形式发送,不需要我们在程序中用算法来转换。每次发送完毕最好关闭串口。用MSComm1.PortOpen=False来实现。MSComm_OnComm事件可以捕捉通信时发生的错误,也可以接收数据。由于RThreshold的属性值为3,所以当输入缓冲区满三个字符时,就触发MSComm_OnComm事件,通过对接收字符的判断,可以决定主程序分支的去向。（1） 打开VB6.0，新建一个工程。 图15 新建工程（2）点击按钮。（3）执行菜单命令【工程】【部件】选择Microsoft Comm Control6.0单击按钮，然后点击按钮。图16 添加串口部件(4)添加控件，文本框，引用通讯控件。界面如下图，放置一个文字输入框，作为标题，并放置三个控制按钮，一个登陆键，两个控制键，里头有专属的控制指令。图17 操作界面仿真 (5)引用控制项完成后，便是设定其通讯协定的属性，如下图，设定波特率参数，VB程序与89C51单片机的汇编语言程序的波特率参数必须相同，本文是设定9600bps，其中“9600，N，8，1”，代表“所使用的通讯口是以每秒9600Bit的速度进行传输，不作同位位元的检查，每个位元是8个Bit，停止位元是一个Bit”，同样地。此参数也可以直接设计在程序里，如式：MSComm1.settings=“9600，N，8，1”。图18 串口部件设置（6）设定好以上两个基本参数后，便可开始设计程序，程序见附录二。当程序与硬件连接准备好之后，便可以进行实验，检查有无错误发生，程序是否如预期运行，本实验电路图是本设计中提到的单片机基本输出电路。本程序为基本的单片机与PC机的通信程序，为单方向的传输。3.1.4 上位机和下位机通信部分 上位机通信软件是在Windows环境下采用VB语言编写的。Visual Basic提供了一个具有串行通信功能的MSComm 组件，运用它非常方便。Visual Basic采用事件驱动模式，程序员只需要对VB提供组件的属性、事件进行编程，然后再由这些组件对相应的事件进行响应。这样就使得各个事件彼此完全独立，减少事件间的耦合性，可以大大提高程序的稳定性和可靠性，同时简化了程序编码过程。完成初始化工作后，就可以利用MSComm组件的一些属性和事件来处理通信事件了。上位机通信子程序结构流程图如图19所示。下位机采用中断方式进行通信。每当串行口接收或发送完一组串行数据时，就产生一个中断请求。串行中断请求在单片机芯片内部自动由硬件置位发生，具有实时性高的特点。在单片机主程序中首先进行定时器初始化，串行口初始化，然后判断是否存串行中断请求，如果有串行中断请求则调用通信子程序。下位机通信子程序结构框图如图20所示。中断入口 开始串行中断控制位清0 接受标志位清0打开串行口 发送数据 现场保护 接受数据数据接收完成或超时? Y 发送数据 数据处理 恢复现场 关闭串口允许串行中断 返回 返回图19 上位机通信子程序流程图 图20 下位机通信子程序流程图 3.2 温度系统设计部分3.2.1 温度比较功能实现过程温度系统部分主程序过程如下：首先传感器检测到温度信号，将其转换为电压信号，再由ADC0804芯片转换为数字信号，经单片机比较处理控制是否产生中频。程序流程图如图下： 开始 初始化 温度检测大于阀值 800？ Y TR=0，中断不允许，中频信号不产生TR=1，中断允许，产生中频信号 图21 温度系统主程序流程图3.2.2 VB与串口通信部分VB与串口通信部分的过程：首先按（用VB编的）窗口界面上开启或关闭的按钮发送命令，通过串口通信，单片机执行中断开启或关闭的命令，从而达到远程控制路灯的作用。同时单片机把所采集的温度信号通过单片机LED显示出来。主程序流程图如图3.4所示： 上位机 判断系统是否开启 Y N不向单片机发送命令 Y向单片机发送开启命令 单片机接收开启灯命令 单片机产生中频信号 中频信号驱动IGBT工作 图22 VB与串口通信流程图 4 总结到此为止，我的油管中频加热修复系统设计已经完成了。在这几个月的时间里，先后完成了资料的收集、设计方案的拟订、画图等多方面的工作。深深体会到了设计的复杂和艰辛，每当完成一部分设计、画出一个图形，都使我受益匪浅。我主要做的工作是：首先叙述了油管中频加热修复系统的现状，以及它的优缺点。接着介绍了自己的设计方案，主要是对其个部分的硬件电路进行设计，尤其是从机、从机的电路设计。还有其通讯部分的电路设计，最后是对该控制系统的软件设计。毕业设计全面培养了我各方面的能力，熟悉的运用Word、同时了解了一门新的语言（VB），更加巩固了专业知识，油管中频加热修复系统通讯电路的设计使我对电力线载波技术有了深刻的认识。通过亲自设计，解决了以前学习中不了解的知识，同时也掌握了一定的设计技巧和方法，为今后的工作和学习打下了基础。设计中也遇到了不少问题，例如温度系统模块设计中所需要的主单片机MCS-51系列单片机都不太了解，对于主控端的界面的设计需要运用VB编写，这种语言也未学过，所有这些不足使得在设计过程中难免出现错误，又缺乏实践经验，在参考资料和老师的指点下才得以完成。 由于水平有限，我的设计还存在许多不足之处，有许多地方需要完善，还望各位老师多加批评指点。参考文献1 李江全等编著 Visual basic串口通信与测控 人民邮电出版社 2郑阿奇，彭作民. Visual Basic.NET程序设计教程M .机械工业出版社，20073 Visual Basic 程序设计教程，罗朝盛，人民邮电出版社，2005 4 美