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LM331的内部资源如下：1号管脚为脉冲电流输出端。2号管脚为输出脉冲电流的幅度调节，其外接电阻越大，输出的电流就越小。5号管脚为单稳态提供外接时间常数。6号管脚为脉冲输入管脚，低于7号管脚电压触发有效。7号管脚为比较器提供基准电压。输入脉冲信号经过有电阻和电容组成的微分电路转变为窄脉冲然后再输入LM331里的单稳态触发器。这个微分电路可以消除输入脉冲信号低电平宽度太大而对单稳态电路的正常工作所带来的影响。输出部分采用低通滤波器电路，在取得较好的动态特性时保持较好的滤波效果。通过反馈电阻来调整整个电路的灵敏度，使得输出电压幅值和阻抗能与后端的控制电路相匹配。图3-6 F/V转换电路 PID控制器PID控制器问世至今已有将近70年历史。PID控制器性能可靠、稳定性好、结构简单、易被人们熟悉和掌握、控制效果好。在实际工业控制中，PID控制器是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的一种调节方式。其调节的实质是根据输入的误差值，利用比例、积分、微分的函数关系进行运算，计算出的控制量用于输出控制。PID控制器是一种线性控制器。其将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)积分(I)微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。1、PID调节器的微分方程：式中e(t)=r(t)c(t)2、PID调节器的传输函数：PID控制器各校正环节的作用：1、比例环节指成比例控制系统的误差信号e(t)当产生误差时控制器立即投入控制作用以减小误差。当Kp增大，系统响应加快，静差减小，但系统振荡增强，稳定性下降。2、积分环节主要是用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti。当Ti增大，系统超调减小，振荡减弱，但系统静差的消除也随之减慢。3、微分环节能反应误差信号的变化速率，在误差信号值变得太大之前。在系统中引入一个有效的早期修正的信号，从而提高系统快速性，减小调节时间。当Td增大，调节时间减小，快速性增强，系统振荡减弱，稳定性增强，但系统对扰动的抑制能力减弱。图3-7 模拟PID控制系统原理框图 TCA785移相触发电路TCA785晶闸管单片移相触发集成芯片是德国西门子公司研发的。TCA785芯片能比较可靠识别零点，移相范围较宽，适用温度范围较宽，输出的脉冲稳定整齐等特点。TCA785的输出脉冲宽度可以进行手动调节，因此适应范围很宽广。TCA785芯片的5管脚是外接同步信号端，用来检测交流电压过零点。通过不同的电阻可接不同的同步电压，在应用中接正反向并联的二极管限幅电路进行保护。10管脚为片内产生的同步锯齿波，锯齿波斜坡的最大、最小值由9、10两管脚的外接电阻与电容所决定。通过与11管脚的控制电压相比较，在15和14管脚输出同步脉冲信号。这两个管脚可输出宽度变化、相位互差180°的脉冲。可以通过改变11管脚的控制电压进而进行移相控制，脉冲的宽度则由12管脚的外接电容所决定。图3-8 TCA785移相触发电路 功率调节电路功率调节电路部分主要由两个LM7805为光电耦合器提供电源以及两个双向可控硅组成。通过TCA785移相触发器通过15和14管脚输出相位互差180°同步脉冲信号。然后分别作用于两个光电耦合器，通过光电耦合器将弱电系统与强电系统隔离开来。隔离强电系统所造成的干扰，保持系统稳定工作，提高系统的抗干扰能力。霍尔电压电流传感器测量负载电路中的电压电路，然后通过电能计量芯片采样可以计算出电压电流值和有功功率。可以通过单片机读取并且通过液晶显示，同时输出与功率成正比的脉冲信号。经过频率/电压转换电路转换为电压输出。输出电压与设定功率相对应的电压得出误差信号，然后经过PID控制器作用于TCA785移相触发器。移相触发器的输出作用于光电耦合器，光电耦合器输出信号直接控制两个双向可控硅的门极。然后就能控制双向可控硅的导通和关断来控制负载电路中的电压、电流值。进而使电路中的功率恒定，即使当负载发生变化时也能通过控制可控硅的导通和关断来恒定电路功率。整个调功系统构成一个闭环控制，通过提高控制精度与速率来提高合成金刚石的产量和质量。双向可控硅内包含有三个PN结，是一个三端接口元件。可以把双向可控硅看成由两个单向可控硅反向并联组合而成，并且只要一个门极就能控制可控硅。双向可控硅可以通过触发来控制其导通。但是不论双向可控硅出于正向还是反向电压，只要向门极施加一个正或负极性的脉冲触发信号，双向可控硅就能够导通。在双向可控硅导通的状态下，如果没有触发脉冲信号，双向可控硅能维持导通而不被关断。如果双向可控硅两极的电流变到比维持电流小时双向可控硅被关断或者当在没有触发脉冲信号得情况下双向可控硅两极电压的极性发生变化时双向可控硅被关断。 数模转换器（D/A）数模转换器将离散形式的二进制表示的数字信号转换成为连续的模拟信号。D/A转换器通常用来作为微机控制的输出通道，然后与被控执行对象相连接。以实现某些系统的的自动控制以及输出信号。本调功系统采用串行数模转换芯片DAC101S101为PID控制器提供参考电压。该D/A转换芯片的分辨率达到千分之一，保证了系统控制精度。通过单片机控制D/A转换器并向D/A中写入数据以输出电压信号。这个电压与设定的有功功率成正比，即一个有功功率有自己对应的电压信号，这个电压信号作为PID控制器提供参考电压。电能计量芯片CS5460A输出与有功功率成正比的脉冲信号经过频率/电压转换电路转换成相应的电压信号与D/A输出经过比例放大后的电压信号相比较，得到一个误差信号。然后对调功系统进行PID控制把误差消除，以达到恒功的目的。 显示和按键电路本系统采用LCD1602液晶来显示电压、电流和功率值。通过三个弹性按键来设定功率，操作简单方便。选取LCD1602液晶作为显示界面。因为其体积小，编程简单而且能够满足本系统的要求。1602液晶能分为两列显示32个数字、符号和字母字符，每列显示16个。LCD1602液晶内包含有5x11或5x7点阵型模块，每个字符的显示都由点阵型模块来实现。1602液晶有16个管脚，其内部含有128个字符的ASCLL字符库。通过并行向1602中写入数据，可以通过可调电阻控制背光的亮度。弹性按键是机械弹性的开关，可以通过压按来控制线路的导通与关断，进而完成对系统的控制与设定。该弹性按键一端接地并作为STC89C52单片机的I/O口的输入信号，当按键被按下为闭合。然后单片机I/O口与地相连接变为低电平。单片机可以通过检测与按键相连I/O的电平高低来判断按键是否被按下。然后就能通过程序执行某些指令，达到自动控制的目的。第四章系统软件设计 主程序模块本调功系统软件由主程序模块、电能计量芯片CS5460A子程序模块、LCD1602液晶显示子程序模块、D/A子程序模块、按键子程序模块等组成。它们是整个调功系统的核心部分，整个硬件系统都要靠程序来执行操作。主程序模主要任务是调功系统上电启动之后对各个元件进行初始化操作和构建整体调功系统的软件框架。元件初始化主要为STC89C52单片机初始化、1602液晶初始化、D/A初始化、电能计量芯片CS5460A等。然后设置中断，单片机判断弹性按键是否被按下设定有功功率参数，运行调功系统。然后可以执行相关模块的调用，持续控制调功软件系统直到系统运行停止。 电能计量芯片CS5460A子程序模块电能计量芯片CS5460A通过SPI串行接口与单片机进行通信，只需要用四根线就能控制和读取CS5460A芯片寄存器里的数据。CS5460A主要有三类寄存器：数据寄存器、校准寄存器和控制寄存器。通过这些寄存器可以采用读取电压电流和功率值。CS5460A的具体使用操作如下：1、功率测量芯片CS5460A含有多个控制命令。要使CS5460A完成对电压电流以及功率的计算就必须先要写入控制命令字。然后就可以执行相应操作，控制命令字如下：（1）启动转换命令，即0xe8对功率测量芯片CS5460A写入0xe8控制命令字，功率测量芯片启动A/D转换，然后可以输出计算后的结果。一般是在功率测量芯片进行复位后输入时写入这个控制命令，使得功率测量芯片CS5460A 能够正常的工作。（2）同步控制命令1（0xff）和同步控制命令0（0xfe）在写入读写控制命令前要执行同步控制命令对串行通信接口进行复位。（3）上电和停止控制(0xa0)在芯片系统校准电压电流前写入这个控制命令，可以停止功率测量芯片在执行某些操作时候，然后运行系统校准控制命令。（4）校准控制住命令通过写入不同的控制命令完成某些要求的系统校准。最低位O可以选择是否运行偏置校准；G位可以选择是否运行增益校准；R位可以在DC和AC校准之间选择；VI两位可以选择电压电流通道。2、控制寄存器K[3:0]通过这四位设置MCLK主频一倍、二分之一和四分之一倍分频为功率测量芯片的DCLK内部时钟。IHPF位为选择电流通道是否运行高通滤波器。VHPF位为选择电压通道是否运行高通滤波器。RS位控制复位CS5460A芯片复位控制位。DL[1：0]选择EOUT和EDIR通用输出口以及输出电平。EOD为允许EDIR，EOUT的控制位。SI[1：0]为设置中断信号方式，电平有效还是沿边有效。GI位设置电流的增益。PC[6：0]通过调节这这个寄存器实现相位补偿。3、CS5460A芯片启动和设置对CS5460A芯片进行复位操作，复位信号的脉宽至少为10ms。然后写入同步控制命令。再将设定的校准值写入校准寄存器当中，通过控制寄存器设定相关的寄存器参数。启动CS5460A芯片A/D转换,读取A/D的转换值然后计算出电流电压以及功率值。CS5460A芯片校准CS5460A可以通过校准控制寄存器执行增益校准和偏置校准。然后校准信号就可以对电流、电压输入通道进行操作。当系统执行系统校准时候A/D不能执行转换，可以通过寄存器停止你转换操作。 LCD1602子程序 LCD1602子程序模块本调功系统采用1602液晶显示电压电流值以及有功功率值。1602液晶为16引脚，有八个数据口。在对1602液晶写入数据前要先进行初始化设置，即设置显示模式、光标的开关和左右移设置。然后写入操作时序将数据指针定位，先写命令，再写入数据。 D/A子程序数模转换器将离散形式的二进制表示的数字信号转换成为连续的模拟信号。只需要调整输入的数字信号，D/A就能通过模拟输出端输出一个对应于数字信号的模拟信号。但是数字信号变化频率不能超过数模转换器的最高转换速率。在编写D/A程序时要先对其进行初始化，然后再启动转换。通过一个标志位可以判断数模转换器是否转换完成。 按键子程序该弹性按键一端接地并作为STC89C52单片机的I/O口的输入信号。当按键被按下为闭合，然后单片机I/O口与地相连接变为低电平。单片机可以通过检测与按键相连I/O的电平高低来判断按键是否被按下。然后就能通过程序执行某些指令，达到自动控制的目的。在编写按键程序的时候要考虑抖动现象，为了简化电路设计。本系统选择通过软件延时的方法来消抖，不需要增加专用的消抖电路就能实现。程序执行检测按键是否被按下，当被按下时延时几个毫秒之后再检测按键是否被按下。当确认被按下时等待按键被释放，被释放之后就可以执行相应的程序代码。系统仿真与调试 系统仿真系统仿真通过某些仿真软件完成电路的仿真分析。省略电路板制作的过程以及节省元件减低了做板成本。还可以从仿真软件中选用虚拟的电子元件和仪表等虚拟工具搭建成仿真电路。可以直观的测到元件输出波形以及如何设定参数，还可以把程序加载到仿真电路，验证程序是否正确。系统的了解电路的工作原理以及可以通过仿真电路找到电路设计的缺陷与不足，大大提高了设计电路的效率。 仿真软件介绍本调功系统选择Proteus仿真软件对系统电路进行仿真验证以及了解其工作原理。Proteus软件是由英国的Lab Center Electronics公司研发的一款EDA仿真软件。Proteus仿真软件不只含有其他EDA仿真软件的功能，这个仿真软件还可以对单片机和外围电路进行仿真。Proteus仿真软件广泛运用于单片机及外围电路的仿真，其虽在国内起步较晚。但是由于其操作方便、功能强大受到单片机相关学习以及工作人员的好评。 系统仿真结果本系统采用Proteus软件进行电路仿真。但部分元件如CS5460A在仿真软件里没有相应虚拟元件，而且用仿真软件仿真时其是带有一定理论性。因此只对调功系统的一部分电路模块进行仿真，仿真所得的结果为设计电路提供参考。做出板子后调试逐渐完善电路。通过一个高阻值的电阻将交流回路电压信号引入移相触发芯片TCA785的外接同步信号端，用来检测交流电压过零点。并且并联正反向的二极管限幅电路进行保护。经过芯片内部电路的检测以及计算，然后在片内形成一个同步锯齿波。锯齿波的幅值可以由9、10两管脚的外接电阻电容值调节。同步锯齿信号与11管脚的输入控制电压进行比较，在15和14管脚输出相位互差180°的同步脉冲信号触发可控硅。11管脚输入的电压信号就可以控制移相触发角的大小，12管脚的外接电容决定输出的同步脉冲信号的脉冲宽度。输出的触发角ϕ范围为0°~180°。 电路板制作在设计本系统电路原理图以及画PCB电路时使用Altium Designer Winter 09软件。这个软件功能强大，含有比较完整的库资源为用户提供一体化的电子设计环境。在PCB布线时PCB尺寸太大阻抗会变大，信噪比减小，但太小时散热不足，容易受到相邻线路的干扰。根据电路功能分模块整齐放置元件进行布局，尽量按照信号流方向布局各电路模块使其信号方向一致。对于高频元件应该尽量缩短连线距离，以减小电磁干扰。对于电压相差很大的线路和元件，布线的时候应该相应的远离，防止放电而造成短路的情况。画线路时在拐弯处应该尽量避免尖角，否则会给电路造成干扰。当布双面板时，底层和顶层线路尽可能不要平行走线降低产生寄生耦合。数字地和模拟地应该分开进行布线操作，最后才相连接到一个点上。在制作电路板的过程中，没有相应的设备，靠手工制作。先用专用纸将PCB打印出来，用砂纸擦磨裁剪好的铜板，将其表面的氧化层去掉。然后将PCB纸对准铜板，用熨斗按压加热PCB纸使油墨粘贴到铜板上，铜板上的线路有损时可以用油笔修补。修补好的铜板就可以进行腐蚀，先放水，然后再加浓盐酸和浓双氧水。水、浓盐酸、浓双氧水的比例为3：1：2。腐蚀液不能太浓否则容易将板子腐蚀坏，由于腐蚀液具有强腐蚀性，在腐蚀过程操作要注意安全。腐蚀完成后进行擦洗和转孔，可以在线路上涂一些松香油防止铜板被氧化和焊接方便减少虚焊。做好PCB板之后，再将元件安装并焊接到板子上，放置之前要验证元件是否有损坏或不能正常工作，正确放置元件有极性的要对照PCB放置。放置元件先时应该先放置体积较小，再放置体积大的，先低后高的顺序放置。焊接时候要小心虚焊，对于管脚较多的贴片芯片，先焊接对角的两个管脚这样就能固定住芯片，然后再进行其他引脚的焊接。 系统硬件调试焊接完成之后要进行硬件电路进行检查调试，硬件调试是设计电路很重要的环节，可以通过不断的调试电路发现设计缺陷和不足。电路调试步骤如下：（1）查看电路：检查电路是否有虚焊、漏焊、连锡、错焊、毛刺等焊接缺陷；看芯片方向和极性元件方向是否焊接正确。（2）上电观察：调整好供电电源后按正确接法接到系统电路上，初步判断电路是否有短路现象。同时做好随时断电准备，如有冒烟、发出气味、元件发烫等异常现象马上断开电源，然后寻找故障原因并解决。（3）静态调试：在没有输入信号得情况下，测量电路电源电压、纹波是否正常和集成芯片、元件引脚电流电压值测量。调试晶体是否起振、频率、占空比、幅值是否满足芯片正常工作要求，调试主要通道电气特性是否正常。初步判定各芯片及电路是否能正常工作，电路是否有错。（4）动态调试：对系统电路施加输入信号，借助仪器测量芯片电路的输出信号波形、幅值等能否满足要求。并且做好调试记录，为后续调试提供依据和参考数据。调整电路的电容和电阻多次试验直到参数符合要求。（5）性能指标调试：通过静动态调试对系统电路进行调试系统正常后，对系统所要求的指标进行调试。记录并分析测试得到的数据，多次试验后得出调试总结并对比性能指标是否满足系统设计的要求。如达不到预期效果，找出问题所在并修改部分甚至整个电路以完善设计。 系统软件调试软件调试即把编写好的的程序下载到系统硬件中运行，编译系统程序进行调试。根据调试时所发现的错误情况进行程序语法和时序修正。仔细阅读芯片技术手册，把相关的寄存器操作、读写以及控制时序弄懂。当系统运行出错时要找出出错代码，逐行检查，可以通过标志位反应出程序运行情况。软件调试有两种方法：（1）静态调试：将寄存器以及相关部分的内容输出，这样可以直接读取指标是否满足要求，通过测试找出问题所在。读取主要变量值，测试变量值在程序运行过程是否和预期值相同。（2）动态调试：通过专业调试软件分析程序执行过程的动态情况。运用Keil软件对程序进行调试，可以进行多种设置如单步、全速以及跳出或进入函数内部等等。可以查看变量在执行程序时发生的改变以及可以知道执行代码的所花的时间。 调试结果本调功系统用50W白炽灯作为电路负载，在系统运行过程中可以实现恒功率控制。在电路中接入一盏白炽灯待系统稳定后记录电流、电压以及功率值，然后再在电路中并联接入另一盏白炽灯。接入瞬间系统功率发生变化，调功系统及时作出反应，通过采样回路中的电流电压计算出功率值，然后相应的芯片输出信号。信号经过处理电路处理之后生产触发脉冲信号，并且作用于双向可控硅。通过双向可控硅的导通和关断操作改变电路中的电压，以达到恒功控制的目的。还可以通过按键设置功率的设定值，使得系统可以控制一定范围的恒功值。经过多次实验并记录测量结果，统计后进行分析误差均保持在2%左右，符合系统设计要求。 误差分析不管直接或间接测量电流电压值，都会存在误差。因为算法、传感器、仪器和外部干扰等因素都会产生误差，设计电路时找出误差所在尽量减小误差。如下为引起误差的环节：（1）传感器产生的测量误差。本系统采用霍尔电压、电流传感器测量电路中的电压和电流，但是还是会有误差存在。霍尔传感器会受到温漂的影响而产生温差电势，导致引进误差。同时霍尔传感器工作在交流电,因为霍尔极不能做到相同,所以一直存在一个微小的输出值而产生感应零位电势。材料的不均匀和生产工艺的原因也会产生一定的误差。（2）电能计量芯片CS5460A存在自身性能误差和采样误差。CS5460A在对霍尔电流、电压传感器的输出信号进行采样，将连续的模拟信号转变为离散的数字信号，但是这些误差都是很微小的，对系统的影响不大。（3）测量仪器误差。由于测量仪器设计、制造、精度等级等会存在一定的测量误差。仪器的使用也会发生老化从而引进误差，但这些不是系统设计而引进的误差。（4）由环境因素所引起的误差。比如环境的湿度、温度、海拔以及电磁干扰等因素都会引起误差。结论本次设计以STC89C52单片机为核心控制元件，完成了金刚石合成调功系统的设计与实现。通过双向可控硅控制系统，并使系统保持功率恒定。系统学习了通过仿真软件调试为硬件系统设计提供参考依据，调节参数。运用模块化编写程序，可读性强，调试方便，当程序有误时易于找到出错语句。通过不断的调试，逐步完善系统，完成了相应的功能和指标。同时也学习到了设计一个产品的流程，先了解设计的相关背景，查找相关资料，从而总体了解了设计的核心内容。然后确定系统设计方案，所用元件的选型，并且要熟悉芯片的工作原理。在画原理图和PCB的时候要仔细认真，因为没一点小错误都会导致设计的缺陷，例如封装不正确可能就要重新作板。金刚石合成调功系统的主要内容如下：（1）本系统以STC89C52单片机为核心控制元件，以霍尔电流、电压传感器为系统输入通道。功率测量芯片CS5460A采样霍尔传感器输出的电流电压信号，经过转换并处理之后通过单片机读取。并且通过1602液晶显示电流、电压以及功率值。可以通过按键设置功率值，并且经过D/A将对应的数字信号转换为模拟信号，作为单片机输出的控制信号，间接控制双向可控硅。以双向可控硅作为最终的输出通道，通过控制可控硅的导通和关断达到功率恒定的目的。（2）采用功率测量芯片CS5460A采样霍尔传感器输出的电流电压信号，经过计算处理后，单片机通过SPI接口读取电流、电压以及功率值。同时CS5460A输出一个与功率成正比的脉冲信号，经过频率/电压转换电路转换成电压信号。再与D/A输出正比于设定功率的电压信号相比较，得出一个误差信号。误差信号经过PID控制电路控制移相触发电路输出相应的触发角控制可控硅。同时对触发电路与双向可控硅之间进行光电隔离，防止干扰调功系统。（3）本系统运用PID闭环控制，通过PID控制电路反馈控制信号。不断的调整系统，使得输出功率稳定在设定值不变。即使当负载变化引起功率瞬时变化时，系统能及时作出反应并且稳定功率到设定值。（4）选择C语言编写系统程序，与汇编相比C可读性强，可以模块化编程，调试方便。使用Keil软件编写程序，同时还可以进行仿真调试。