数字单脉冲电源控制器的的设计毕业设计论文.docx

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数字单脉冲电源控制器的的设计毕业设计论文

摘要

电镀在200多年的历史中走到今天，在电子、机械、装饰品等方面有着不可替代的作用，而镀层质量直接影响到其防护、装饰、功能性等指标的高低。

电镀电源则作为电镀的核心部件之一，很大程度上决定了镀层质量。

其中脉冲电源在电镀技术中带来了一场革命。

脉冲电镀具有镀件质量好,节约原材料及环保等优点而得到广泛应用。

为此我们将重点讨论脉冲电源的实现及控制。

首先我们介绍了脉冲电源的工作原理及其控制电路。

其中本文所要研究的是其中的弱电部分，核心是数字控制器的设计方案。

数字单脉冲电源因其简单直观、易于分析和控制，更具有代表性，因而我们选定数字单脉冲电源作为切入点。

之后深入讨论了数字单脉冲电源的性能指标和参数，并据此提出了基于8051和89C2051单片机的双CPU设计方案。

在硬件系统方面我们主要从主从CPU方面解决了输入、显示、控制、脉冲产生等方面设计应用电路。

最终我们通过斩波用脉冲驱动电路得到我们所需的脉冲电源信号。

同时进行了相应的软件设计。

关键词：

电镀；数字单脉冲电源；数字控制器；双CPU系统；斩波用脉冲驱动电路

ABSTRACT

Electroplatinghasgonethroughuntilnowinthelast200years.Inelectronics,machinery,accessories,etc,electroplatinghasanirreplaceablerole,andthequalityofcoatingdirectlyaffectstheprotective,decorativeandfunctionalindex.Asoneofthemostimportantpartsinelectroplating,electroplatingpowersupply,toalargeextent,determinesthequalityofcoating.Andasweallknowthathepulsepowerhasbroughtarevolutionintotheelectroplatingtechnology.Pulseplatingisnowbeingwidelyused,becauseofitshelptogoodquality,savingrawmaterialsandenvironmentalprotection.Becauseofthis,wewillfocusontheimplementationandcontrolofpulsepowersupply.

Firstly,weintroducetheworkingprincipleofpulsegeneratorandcontrolcircuit.Whatwewilldiscussaboutinthisarticleistheweakcurrentpart,andthecoreisdigitalcontrollerdesignscheme.Digitalsinglepulsepowersupplyismorerepresentative,becauseofitssimplificationandintuitiveeasinesstoanalysisandcontrol,sowechoosedigitalsinglepulsepowerasanentrypoint.Andthenwediscussitsperformanceindexandparametersdeeply,accordingtowhichweputforwardaschemebasedondoubleCPUdesignof8051and89C2051singlechipmicrocomputer.Intheaspectofhardwaresystem,wemainlysolvetheissueofinput,display,control,pulsegeneratingcircuitdesignapplicationandsooninthemaster-slaveCPU.Intheaspectofsoftwaresystem,timinginterruptbecomesthekeytosetin.Eventuallywegetdrivingsignalwhichcandrivethechoppercircuit,sothatwecanattainthedigitalpulsesignalsfortheapplicationofelectroplating.

Keywords:

Electroplating;Pulsedpowersupply;SCM;DoubleCPUsystem

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

Contents

Abstract

Thefirstchapter…………………………………………………………..1

1.1Topicbackgroundandpresentsituation…………………………1

1.2Objectiveandsignificanceofthe1.2Study............................2

1.3Researchcontents.................................................................3

Thesecondchapterplatingwithpulsepowerof……………………….4

2.1Electroplatingprincipleandimprovedmethod……..…………..4

2.2Pulsepowersupplyandthecharacteristicsofthe……….……..5

Thethirdchapterofdigitaldesignandperformanceanalysisofsinglepulsepowersupplyrequirements…………………………………………7

3.1Digitalsinglepulsepowersupply…..…………………………….7

3.2Digitalsinglepulsepowersupplyparameter…………………..11

3.3Pulsepowersupply（pulseelectroplatingelectroplating）principleofwork………………………………………………………….13

3.4Designrequirements………………………………………………..14

ThefourthchapterdesignofdoubleCPUsystem…………………15

Thefifthchapter,thehardwaredesign………………………………18

5.1Mainsystemdesign…………………………….……………………19

5.1.1Maincircuitofsystem……………………….……………………19

5.1.2Displaycircuit…..………………………….……………………...25

5.1.3Keycircuit……………………………….………..………………..32

5.2Fromthesystemdesign………………….………..…………………34

5.2.1FromtheCPUsystem…………………….……….……………….34

5.2.2Chopperpulsesdriveoutputcircuitdesign……………………..35

Chaptersixthdesignsoftware……………………..……………………39

6.1Mainsystemsoftwaredesign……………….………………….…..39

6.2Fromthesystemsoftwaredesign…………………………………….41

Conclusions……………………………………………………………….44

Reference………………………………………………………………….45

Thanks……………………………………………………………………..46

第1章绪论

1.1课题背景及现状

电镀电源是电镀工艺的核心部分，是改进镀层质量的关键所在。

而脉冲电源在波形控制、经济和环境效益等方面具有无可比拟的优势，成为当今的研究焦点和发展方向。

本文在介绍了电镀工艺的基本原理和改进方法后，进一步在电镀电源上做足文章，描述了电镀电源的发展历程及其发展方向。

脉冲电源利用数字控制器控制斩波电路以得到不同波形的脉冲输出信号作为电镀用的电流，得到了广泛的应用和极大的重视。

作为其中最具代表性的电镀电源理，脉冲电源所当然成为我们主要讨论的内容。

并且其参数在很大程度上决定了电镀的工艺质量，因而根据这些参数和我们的需要，我们设计了一套以数字控制器为核心的方案。

单片机由于其廉价性和数字控制等优势在电镀工艺上的应用是举足轻重的。

我们基于8051和89C2051单片机设计了主从双CPU系统，以达到简化电路、简单控制和简化程序的目的。

该系统以得到驱动斩波电路用的脉冲信号输出为准则，在硬件和软件两方面进行了分析。

硬件上，8051单片机用来控制按键输入、数码管显示、运行操作等，并且为以89C2051单片机为核心的从系统提供参数支持。

从系统的唯一目的即为产生我们所需要的驱动脉冲，为斩波电路提供信号支持，从而能够斩波得到具有多个参数的输出脉冲信号。

电镀是对基体表面进行装饰、防护并获得某些特殊性能的一种表面工程技术，有着悠久的历史。

电镀最早开始于19世纪初，并在20世纪初形成了完整的工业体系，得到了广泛应用；进入21世纪后，电镀工业发展在环境、效率、替代品等问题上更是面临挑战和突破[1]。

科技的进步，尤其是人们对生产环节的重新审视，使得新型电镀产业的形成已经是迫在眉睫。

我们不仅要解决电镀镀层质量的高要求，还要在低功耗、低污染等方面面临着很大压力。

但其在工业、生活等方面的重要地位却是无法取代的。

近来，在电子器件、航空工业、高性能仪表制造、装饰品等方面，人们对镀层性能、种类等电镀工艺的要求越来越高，包括在电源波形、频率、控制、保护等方面的要求更为严格。

电镀电源作为电镀中的核心部件，也得到了充分的发展。

从早期的蓄电池组和直流发电机，到之后的晒整流器、硅整流器和可控硅电源设备，发展到现在出现了开关电源等新型直流电源设备。

在供电方式上，以前多采用直流电，现在为提高镀层质量，常采用周期换向电流、交直流叠加和脉冲电源等[2]。

而脉冲电源在镀层质量、镀层能力、电镀效率等方面与传统的直流电镀相比有着明显的优势，为电镀技术的发展开辟了新的途径，并且带来了巨大的经济效益和环境效益。

由此我们可以看出电镀电源的整体趋势则是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能[3]。

在研究和推广上，数字脉冲电源采用数字控制，直观简单，是我们研究和应用的焦点。

1.2研究目的及意义

在电镀工业的实际生产中，人们广泛采用改进电镀电源的方法来提高电镀的性能。

在波形上，我们有周期换向电流、交直流叠加和脉冲电源等，而脉冲电源具有体积小、性能优越、纹波系数小、不易受输出电流影响的特征。

通过推广脉冲电源，将促成电镀工业的一场革命。

它主要用于电镀金、银、镍、锡、合金，可以明显改善镀层的功能性；而用于防护-装饰性电镀（如装饰金）时，可使镀层色泽均匀一致，亮度好，耐蚀性强；脉冲电源用于贵金属提纯时，贵金属的纯度更高[4]。

这说明脉冲电源远远优于传统的电镀电源，是电镀电源的发展方向。

电镀电源的整体趋势是低能耗、无电网污染、高可靠、小体积、高性能和多功能。

脉冲电源不仅在功能上有着突出的优势，在环保、效率等方面也是相当有效的一种电源方式。

因为脉冲电源波形特点，能搞有效地得到纯度较高的镀层，并且有效地节约了贵重金属，带来很大的经济效益和环境效益。

1.3研究内容

本文主要集中在脉冲电源的讨论与研究，并以数字单脉冲电源作为切入点。

通过其参数特性说明了其在电镀中的优点。

在结构上，数字脉冲电源主要由供电电源、数字控制器、开关管和负载构成[5]。

而数字控制器恰恰是核心部分，而我们所要讨论的弱电部分也是数字控制器部分。

由此我们在构建一个可以控制大功率开关管的斩波控制系统，以设置我们所需要的参数，并将得到的脉冲驱动信号来控制斩波电路，即可得到电镀所需的脉冲信号输出。

有了一个研究方向和目标后，我们开始设计了双CPU的系统，用来达到刚才所述的指标。

一个完整、可实施的系统同时需要输入电路和显示电路，并且需要必要的控制设备。

这就是主系统的设计目标。

从系统则是通过产生经过设置参数的脉冲，并经过光电隔离和放大后，就是我们所能得到的驱动信号。

而斩波系统我们在此不再进行赘述。

第2章电镀与脉冲电源

2.1电镀原理及改进方法

电镀采用电化学的方法（电解原理）使金属离子还原为金属,并在金属或非金属制品表面形成符合要求的平滑、致密的金属覆盖层（金属或合金，如锌、镉、金或铜等），以达到防护性、功能性、装饰性等目的[6]。

其工作原理图如图2.1所示：

图2-1电镀工作原理图

把要镀上去的金属（镀层金属）接在阳极，待镀的金属制品（镀件）接在阴极，并且正负极以镀上去的金属的正离子组成的电解质溶液相连，这就构成了电镀的基本装置。

在阴极，金属离子Mn+从阴极上获得n个电子，还原成金属M。

另一方面，在阳极界面上则发生金属M的溶解，释放n个电子生成金属离子Mn+。

这就是电镀镀层的实现过程[6]。

但是目前电镀技术仍存在某些缺陷，例如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大的内应力等等。

这就不能满足时代的需求，例如很多精密制造的需要。

从电镀的基本原理上看，改进镀层质量可以从2方面入手：

调整电镀溶液；改进电镀电源。

现实生产中电镀电源成为人们广泛关注和改善的焦点[6]。

电镀电源是电镀生产中的主要设备，可向镀槽的阴阳两极提供具有一定电压、电流和频率等符合工艺要求的输出波形，保证不同镀层的性能要求。

随着技术的进步与成熟，改进电镀电源既能提高有效控制电镀进程，又能改善镀层的物理化学特性，可谓一举两得。

而这就需要我们知道电镀电源在电镀中的角色及工作原理。

2.2脉冲电源及其特性

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了更高的要求。

目前，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源等，以满足不同的电镀工艺需求。

脉冲电源信号是直流调制的结果，是一种通、断或起、伏的直流电源信号。

脉冲电源是与传统的直流电源相比的。

脉冲电源电流波形有方波、正弦半波、锯齿波、等多种形式，一般镀单金属以方波脉冲（数字单脉冲）电流波为好[7]。

脉冲电镀不仅可以调节波形还可以调节参数。

传统的直流电源信号只有一个参数，不能达到生产中各种电镀指标要求。

数字脉冲电流波形有多个参数可被调节，能满足人们不同的需求，因而在实际生产中得到广泛应用。

脉冲电源在类型上包括数字脉冲电源和模拟脉冲电源。

目前数字脉冲电源是最先进的电镀电源，也是电镀电源的发展发向。

因为数字脉冲电源驱动波形规整，对提高电镀质量十分有利；并且采用数字调控，直观简单；波形调节范围宽；温度漂移系数小，能长期稳定连续运行[7]。

这在很大程度上满足了不同的镀层需求。

为此我们将又数字脉冲电源作为切入点。

数字脉冲电源又分为双脉冲电源和单脉冲电源2种。

双脉冲电源信号虽然更有利于电镀质量的提高，但是相比较而言，在要求不是很高且分析简单的情况下，单脉冲信号作为最基本的脉冲形式，在波形、控制等方面更是易于获得和实现，成为实验研究及实际生产的得力助手。

因而我们在本文以下内容中的讨论就以数字单脉冲电源为切入点。

第3章数字单脉冲电源的性能分析及设计要求

3.1数字单脉冲电源

数字单脉冲是电流方向不随时间改变的方波脉冲，我们之后将要讨论的就是如何得到该种脉冲波用于电镀。

首先，数字单脉冲电源输出波形如图3.1所示：

图3-1数字单脉冲电源输出波形

经过开关管后的直流信号在数字控制器的调制下得到了我们所需要的数字单脉冲信号。

数字控制器部分是本系统的核心部分，也是我们研究的对象。

数字脉冲电源即采用微处理器（CPU）等数字电路对斩波低纹波直流得到的脉冲电流进行控制并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。

根据定义得到数字单脉冲电源的原理示意图如图3-2所示：

图3-2数字单脉冲电源原理示意图

其中数字单脉冲的产生环节有底纹波直流源、斩波系统、斩波控制系统、脉冲电源4个环节。

电镀应用系统则包括镀缸生产、辅助控制及保护、输出调节3个环节

分解后的数字脉冲电源原理示意图如图3-3所示：

图3-3数字脉冲电源原理示意图

其中数字单脉冲的产生环节有底纹波直流源、斩波系统、斩波控制系统、脉冲电源4个环节。

电镀应用系统则包括镀缸生产、辅助控制及保护、输出调节3个环节。

下面我们将对相关环节进行介绍和分析。

（1）低纹波直流源（作为电镀电源）：

发展历程为直流电机、硅整流器、可控硅整流器、开关电源4个发展阶段。

其中可控硅整流器正被广泛应用，而开关电源则是电镀电源的一次重大突破，其作为理想的直流源，应