电镀数字脉冲电源控制电路设计.docx
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电镀数字脉冲电源控制电路设计
电镀数字脉冲电源控制电路设计
摘要
目前的电镀技术仍存在诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷等，这些问题不仅影响到电镀制品的质量，同时还大大限制了电镀技术的应用与发展，因此，我们希望能改进电镀技术。
为此本设计设计了一款能够改善电镀质量的电镀电源-数字脉冲电镀电源，该电源以AT89C51单片机为控制核心，控制看门狗电路，按键电路，显示电路，功能控制电路以及与从系统的串口通信，实现对电源的控制；看门狗电路以MAX813L为核心，实现上电复位，手动复位，和电路监控；按键电路采用4*4矩阵键盘；显示电路采用LCD1602实现电源动态的显示；从系统以AT89C2051为核心，控制产生开关管的控制信号；为了减少模拟信号对电路的干扰，在电源电路的设计中使用了光电耦合器，有效的减少了模拟信号的干扰。
该系统在理论上能够实现电镀电压可调，脉冲时间、脉冲占空比可调控。
关键词：
脉冲,电镀,电源,单片机
PulseElectroplatingPowerSupply
ABSTRACT
Thecurrentelectroplatingtechnologyisstillhassomeproblems,suchastheprocessingtimeislong,thelessuniformityofplatingthickness,coatinghasdefects,andsoon,theseproblemsnotonlyaffecttheelectroplatingproducts'quality,butalsogreatlylimitstheelectroplatingtechnologydevelopmentandapplication,therefore,wehopetoimproveelectroplatingtechnology.Thereforethisdesigndesignsanewelectroplatingpower-platingdigitalpulseelectroplatingpowerthatcanimprovethequalityofplating,thepowerusesaAT89C51asacontrolcore,thatcontrolswatch-dogcircuit,keycircuits,showcircuit,functioncontrolscircuitandtheserialcommunicationwiththesecondsystem,realizethecontrolofthepower;Watch-dogcircuitusesaMAX813Lasthecore,achievethemanualreset,electricreset,andcircuitmonitoring;Buttoncircuitusesa4*4matrixkeyboard;ShowcircuitusesaLCD1602todisplaythepower'sdynamic;ThesecondsystemusesaAT89C2051asthecore,signalstheswitchtube;Inordertoreducetheinterferenceofanalogsignalinterferencetothecircuit,thedesignofthepowercircuitusesaphotoelectriccouplers.Intheory,thissystemcanrealizethatelectroplatingvoltageisadjustable,pulsetime,pulsedutycyclecancontrol.
KEYWORDS:
pulse,electroplate,power,miniature
1绪论
1.1引言
随着科学技术与生产的发展，电子技术在生产生活中应用的越来越多，在社会生活中扮演日益重要的角色其中电镀产品就十分突出。
但目前的电镀技术仍存在诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等缺陷，这些缺陷不仅影响到电镀制品的质量，同时还大大限制了电镀技术的应用与发展，不能适应当前的社会生产，尤其是精密制造的需要。
因此，我们希望能改进电镀技术，从而提高电镀制品的质量。
当今比较成熟而稳定的电镀电源为开关电源，我们通过查阅相关资料，对电镀生产的最基本原理进行研究，考虑到各方面因素，决定从生产实际进行改革，通过采用先进的电镀电源，达到提高电镀生产的水平的目的，在提高电镀制品质量的同时，也加快了电镀生产的生产效率，并且消除电镀中的种种缺陷。
1.2国内外发展状况
我国开关式电镀电源技术已有突破性发展，在中小型功率领域已进入推广应用的阶段。
但在输出功率，通用品种，可靠性，批量生产能力，推广范围，特别是数字化智能控制等方面，同国外工业发达国家水平，尚有较大差距。
为了适应我国制造业的迅速发展和成为世界制造中心的需求，进一步加强电镀电源的高频高效化，数字化智能控制绿色可靠的工作并解决相关问题，对推动开关式电镀电源的持续发展是很有必要的。
电镀电源经历了四个发展阶段：
（1）直流发电机阶段：
这种电源耗能大、效率低、噪声大，已经被淘汰。
（2）硅整流阶段是直流发电机的换代产品，技术十分成熟，但效率低，体积大，控制不方便。
目前，仍有许多企业使用这种电镀电源。
（3）可控硅整流阶段：
是目前替代硅整流电源的主流电源，具有效率高、体积小、调控方便等特点。
随着核心器件——可控硅技术的成熟与发展，该电源技术日趋成熟，已获得广泛应用。
（4）晶体管开关电源即脉冲电源阶段：
脉冲电镀电源是当今最为先进的电镀电源，它的出现是电镀电源的一次革命。
这种电源具有体积小、效率高、性能优越、纹波系数稳定，而且不易受输出电流影响等特点。
脉冲电镀电源是发展的方向，现已开始在企业中使用
早期使用的电镀电源是直流发电机组，随后出现了硒堆整流器，均因体积大、噪声大，成本及能耗高等原因，被硅整流电源所替代。
20世纪60年代随着晶闸管（SCR）的问世和成功应用，使电镀电源得到了快速发展，出现了晶闸管电镀电源，晶闸管在该电源中既作为整流器件又作为调压器件，控制系统采用移相技术，应用闭环Pl调节，使电源具有自动稳压、稳流等功能，而且保护方式灵活，在体积、运行效率、自动控制、调节方式等方面与硅整流设备相比具有较大优势，得到了广泛应用。
但晶闸管电镀电源在小电流情况下容易使网侧及负载上的谐波严重，引起电网的波形畸变，从而形成电网“公害”，在电网中需要增加必要的防范措施。
20世纪80年代以后，变流装置中的普通晶闸管逐渐被新型器件如电力晶体管（GTR）、场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等取代。
以MOSFET和IGBT为功率器件的整流器工作频率可提高至20～50kHz，所以该类整流器又称为高频开关电源。
其工作过程是将整流后的直流电源，逆变成高频交流电，再经整流后获得直流电源。
由于采用的是高频率开关工作模式，所以变压器的体积和器件的功耗大大降低，功率因数和运行效率大大提高，是目前电镀电源的发展方向。
随着IGBT器件功率增加、耐压提高和应用技术的日益成熟，IGBT必将在大多领域中取代晶闸管（SCR），以达到高效、节能目的。
目前正在研制的大功率智能功率模块（IPM），是将电力电子器件和驱动、保护、控制电路集成到一起，从而提高了系统的可靠性与可维护性，进一步降低成本与能耗，必将不断应用至电镀电源中。
随着电镀工艺的迅速发展，新的电镀工艺从波形、频率、自动控制、综合功能等方面对电镀电源提出更高的要求。
目前，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、平滑直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源、直流叠加脉冲及智能化多波形电源等，以满足不同电镀工艺需要。
综上所述，电镀电源的整体发展趋势是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能。
常用电镀电源简介：
（1）硅整流电源硅整流电源降压变压器一次侧采用调压器调压，二次侧采用二极管整流。
根据容量不同，可分为单相全波、三相全波和六相双反星整流等。
小容量电源采用干式接触式调压器调压，容量较大时采用油浸感应式调压器调压。
根据容量不同，整流组件的冷却方式分为自冷、风冷、水冷和油浸自冷等。
由于采用交流调压器调压，所以输出波形为脉动连续直流，该类电源因效率低、体积大、成本高及自动控制难以实现等缺点，在电镀领域中应用受到限制，属于淘汰产品。
（2）晶闸管整流电源晶闸管整流器在小容量时采用交流电源经隔离变压器降压，再经晶闸管移相调压和整流后获得直流电压。
在容量较大时采取晶闸管交流侧移相调压，再经隔离变压器降压和二极管整流后获取直流电压。
晶闸管及二极管的冷却方式根据不同容量分为自冷、风冷、水冷和油浸自冷等。
目前整流变压器大多采用三相五柱芯式节能型变压器，它与六相双反星带平衡电抗器的整流方式相比，可以省去平衡电抗器，达到降低成本、提高效率的目的。
晶闸管整流器输出波形为脉动直流，电压低时不连续，为了提高输出波形的平滑性，可增加滤波器或采用多相整流电路。
晶闸管整流器一般具有稳压、稳流、软启动等功能，可灵活应用于生产线中。
近几年随着微机控制技术在晶闸管整流器中的广泛应用，可以实现输出波形的换向、直流叠加脉冲、波形分段控制等，还可以实现计时、定时、自动控温、电量计量和定量等控制功能。
（3）高频开关电镀电源高频开关电源自从20世纪90年代开始在电镀领域使用，现已进入推广应用阶段。
该类电源具有效率高、体积小等特点，在3000A以下通用型电镀电源中有较强的竞争力。
通过近几年的运行检验，其稳定性、输出波形和控制方面已能够满足生产的需要，现正在向5000～10000A，甚至更大容量扩展，有望在大多电镀领域中取代晶闸管整流器。
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。
1.3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。
2电镀数字脉冲电源的总体方案设计
2.1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2-1所示。
2.2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P3.0、P3.1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。
2.3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。
2.4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2-2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，速度还是比串口方式要快。
在并行接口紧张的应用场合，需要权衡。
图2-3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。
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。
3.1主CPU的选择、方案确定
3.1.1AT89C51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3-1所示。
图3-1AT89C51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。
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
MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以实现数据的并行输入输出。
f）串行口
MCS-51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
MCS-51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3-2。
图3-2AT89C51管脚图
信号引脚介绍
a）输出口线
P0.0～P0.7P0口8位双向口线
P1.0～P1.7P1口8位双向口线
P2.0～P2.7P2口8位双向口线
P3.0～P3.7P3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
3.1.2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P3.0、P3.1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。
3.2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。
3.2.1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。
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。
数据线
DB0-DB7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。
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。
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。
SL0---SL3：
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。
RL0---RL7：
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RL0---RL7的数据存入FIFORAM中。
OUTA0---OUTA3：
通常作为显示信号的高4位输出线。
OUTB0---OUTB3：
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2.7K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。
MC1413工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。
4）7404
集电极开路6正相高压驱动器，提供数码管字形显示的驱动电流。
AT89C51单片机的I/O口经过8279的扩展后，使用SL0~SL3四条线作为数码管的控制线，经过4514的译码后分配到数码管中，负责位选。
而字显通过8279上的OUTA0~OUTA3,OUTB0~OUTB3进行控制。
以此来达到单片机控制数码管实现的目的，单片机的显示电路如下图3-3,3-4,3-5所示。
图3-3显示电路
（1）
图3-4显示电路
（2）
图3-5显示电路（3）
3.2.2液晶显示电路设计
LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。
其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。
字符显示是根据需要显示基本字符。
系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。
与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。
LCD1602可以显示2行16个汉字。
1）LCD1602的引脚功能
LCD1602模块的引脚如图3-6所示，其引脚功能如下：
RS：
数据和指令选择控制端，RS=0命令状态；RS=1数据。
R/W：
读写控制线，R/W=0写操作；R/W=1读操作。
A：
背光控制正电源。
K：
背光控制地。
E：
数据读写操作控制位，E线向LCD模块发送一个脉冲，LCD模块与单片机间将进行一次数据交换。
DB0～DB7：
数据线，可以用8位连接，也可以只用高4位连接，节约单片机资源。
VDD：
电源端。
VO：
亮度控制端（1-5V）。
VSS：
接地端。
2）LCD有四种操作
RS
R/W
操作
0
0
写命令操作（初始化，光标定位等）
0
1
读状态操作（读忙标志位）
1
0
写数据操作（要显示内容）
1
1
读数据操作（可以把显示存储区中的数据反读出来）
3）LCD的显示流程
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存
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