关于电磁感应加热系统的开发

1万 · 2019-2-14 16:44

基于HCPL - 316J芯片设计的IGBT驱动电路如图26所示。管脚Vin+为控制引脚，
Vin一接单片机I/O口，通过将移相控制信号输入V;}+来实现对IGBT的控制。单片机对
Vin一输入高电平时，可以封锁驱动信号。在HCPL - 316J正常工作时，V;}+与bout端口信
号同相同步，且输入与输出之间的延迟小于S}}riSo
电路中采用了两个MOSFET管互补电路来进行驱动输出。当控制信号为高电平时，
V1导通，V2截止，UGE=1 SV } IGBT导通。当控制信号为低电平时，V1截止，V2导
通，UGE _ -9V，IGBT关断。IGBT的开通和关断速度可分别通过改变Ron与Roff的大
小来调节。为了降低输入阻抗，同时为了防止IGBT栅极电压超出限制，在G与E之
间并联了双向稳压管VS和钳位电阻Rio
HCPL-316J芯片具有完备的IGBT保护功能，当芯片检测到Ucc2的电压低于13V
时，为了防止IGBT烧毁，会激活短路电流检测保护(DESAT )与欠压锁定保护(UVLO )
功能，输出低电平封锁IGBT。当电路过流时，UcE迅速上升，当UGE的值超过预设的
保护电压，则保护电路工作，芯片输出低电平使IGBT关断，同时通过FAULT端向单
片机进行故障报错。其报错电路如图27所示，当故障发生时，FAULT端输出低电平，
三极管V4开路，故障信号ERROR通过上拉电阻R6输出到单片机，通过软件编程使
单片机对故障信号做出响应。

1万 · 2019-2-14 16:45

3.6人机交互设计
人机交互模块在注塑机感应加热系统中起到非常重要的作用，它极大地提高了在操
作方面的便捷性与人性化。该模块由以下几个部分来组成的，即输入设备、输出设备和
配套的软件驱动。其中输入设备为8个按键，输出设备为2.8寸TFT-LCD液晶显示模
块，液晶显示模块采用了FSMC总线与DMA的Memory to Memory传输模式，减少了
主控芯片上的工作量[37)0
3.6.1液晶显示模块
(1)液晶屏的选用
本系统采用了2.8寸TFT - LCD液晶显示模块，可以显示16位真彩图像。TFT - LCD
< Thin film transistor一liquid crystal display)采用薄膜型晶体管材料，由于其彩色显示特
性又被称作真彩LCD o TFT型LCD在其液晶屏的所有象元上布满了TFT阵列，替代了
STN.型液晶及TN型液晶中采用的传统阵列，新型的TFT阵列极大地提高了未选通状
态下各引脚之间的相互干扰情况，其扫描方式不受静态特性影响，有效地提高了图形文
字的显示效果。
TFT液晶块具有以下几个主要特性:
1, 16位真彩显示。
2, 320 * 240图像分辨率。
3、自带触摸屏，可以用来作为控制输入。
4, 2.4寸//2.$寸//3.5寸三种大小的屏幕可选。

1万 · 2019-2-14 16:53

图28给出了2.8寸的TFT-LCD模块接口图，能够看出，TFT -LCD模块接口采用
16位并行传输方式。因为需要显示彩色图像，数据传输量较为庞大，若是采用8位数
据线传输数据，则会比采用16位数据线慢两倍。为了提高系统程序的运行速率，采用
16位并行传输。TFT一LCD模块一般都有如下信号线:
RST:硬复位TFT一LCD。
BDO}BD15:  16位输入输出数据线。
WR:向TFT一LCD写入数据。
RS:数据口/控制口选择(RS=0，操作控制字，RS=1，操作数据字)。
RD:从TFT一LCD读取数据。
CS:TFT一LCD片选信号。
  C 2) FSMC驱动液晶屏
大多数STM32F 103芯片带有FSMC接口。FSMC属于一种扩展接口，其控制器采
用静态存储方式，其接口方式兼容同步方式存储器、异步方式存储器等等【38]。例如
NAND FLASH ,  SRAM ,  PSRAM和NOR FLASH等存储器的接口均可以与FSMC匹
配。本文中利用STM32F103芯片的FSMC接口来驱动TFT-LCD。根据STM32对寻址
空间的地址映射，如图29所示映射到外部存储器的地址是0x60000000-Ox9EEEEEEE
而分配给PSRAM  } NOR FLASH这类可直接寻址的器件地址为
0x60000000-Ox6EEEEEEE，当FSMC外设被配置为正常工作，加上外部连接了NOR
FLASH，这时如果数据Oxffff，写入0x60000000地址，FSMC输出的电平信号传送至数
据传输信号线，如此完成数据写入过程。图30给出了此过程的具体时序操作。

1万 · 2019-2-14 17:07

FSMC接口因其传输速度快，在本文中用FSMC总线直接挂载液晶屏并结合DMA传
输的方式来实现TFT屏显示。其硬件架构如图31所示。DMA是一种直接存储器，无需
CPU的干预，可以实现存储器和外设之间数据的高速传输，因此极大的节省了CPU的资
源，可以使其有时间做其他操作。因为图片数据比较大，因此需外接RAM作为显存，
该模块使用ISSI的25616 SRAM 512K RAM作为显存芯片，并使用DMA传输的
Memory to Memory模式从外部显存向FSMC总线送入数据来驱动TFT屏幕。具体软件
驱动初始化将在第四章介绍。

1万 · 2019-2-14 17:08

可以在图32中得知，在没有按键按下的时候，vo口输入端为高电平。在有键按下
的时候，此时UO口输入端为低电平。在电路设计上相对简单，因为结构简单、程序识
别上相对容易。
3.7温度信号的采集与调理电路
3.7.1测温元件
本节主要工作是检测负载温度，负载温度使用K型热电偶作为测量元件。K型热
电偶又称为镍铬一镍硅热电偶。K型热电偶的优点颇多，其线性化程度高、灵敏度高、
抗氧化能力强，另外其稳定性强且工作可靠。K型热电偶价格便宜，配合专用的
MAX6675芯片使用，简单快捷。
MAX6675是由Maxim公司推出的新一代热电偶放大器与数字转换器。其集成了
A/D转换、冷端补偿、SPI串口通信。MAX6675可将模拟量转换为12bit的数字量，其
具有0.25度的温度分辨率，可以满足本系统对温度采样的精度要求[39]。其引脚排列如
图33所示。

1万 · 2019-2-14 17:09

MAX6675通过冷端补偿检测来校正周围温度变化，它可将周围温度通过内部的温
度检测二极管转换为温度补偿电压。为了生成实际的温度值，MAX6675从热电偶的输
出和检测二极管的输出测量电压。该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到
ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675
可获得最佳测量精度。因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热
器件或元件，因为这样会造成冷端误差。在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，
需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考
值之间的差值。对于K型热电偶，电压变化率为41 }V/0C，电压Vout公式如下:
V0t =}41}Y/0C}x}tR -t}} <3-8)
上式中，Vout为热电偶输出电压，单位是rilV o t}是周围温度;tR为测量点温度。
3.7.2温度信号调理电路设计
由于MAX6675具有优良的性能，基于MAX6675的K型热电偶调理电路如图35所
示。需要特别注意它的正负极分别接不同的引脚，正极接MAX6675的引脚3，负极则
接MAX6675的引脚2，为了保证采集到有效的温度信号，需要在2和3引脚之间串接
一滤波电容C19。从图35可知MAX6675通过SPI总线与单片机STM32进行通信，
MAX6675的SO引脚作为串行数据输出端，CS为其片选端引脚，CS=0时，串行数据
则与时钟信号协调工作输出数据，SCK引脚是串行时钟的输入端。

1万 · 2019-2-14 17:13

1万 · 2019-2-14 17:16

4控制系统的软件设计
软件设计是全系统的核心，它不仅决定着系统的控制性能，也可以从侧面反映出系
统设计的好坏。本系统以Cortex-M3为内核的STM32作为中央处理器，可在Keil MDK
编程环境下使用C语言进行编程。软件的编写要遵循规范化原则，且具有良好的可维
护性、可读性和可扩展性。
4.1系统主程序设计
本文的系统软件部分采用模块化编程的方法，即先设计系统软件的总体架构，再将
软件分为若干个实现一定功能程序模块，分别进行设计。模块化编程具有单个功能设计
简单、调试方便、便于协作等优点。
模块化编程的总体思路是将主程序设计为一个初始化程序和一个大的循环程序，把
具有各个功能的软件模块放到大循环里面[[40]0
4.1.1系统初始化
系统主程序主要分为两个部分。第一部分为上电初始化程序，主要完成STM32的
时钟、管脚、通信接口、外围电路参数等配置;第二部分为循环控制程序，主要完成数
据采集和对感应加热的控制。本系统涉及到诸多硬件资源底层访问，其中底层软件完成
硬件管理，构成整个系统的功能框架。初始化程序流程图如图36所示: