【正文】 簡單實用 ,但由于繼電器動作頻繁 ,可能會因觸點不良而影響正常工作。控制領(lǐng)域還大量采用傳統(tǒng)的 PID 控制方式 ,但 PID 控制對象的模型難以建立 ,并且當(dāng)擾動因素不明確時 ,參數(shù)調(diào)整不便仍是普遍存在的問題。 本設(shè)計 采用 溫度傳感器AD590，因其 精度較高 、線性度較好，從而 使得測量溫度更加精確 。由于 AD590 芯片的小型化，可以通過數(shù)據(jù)線和主電路連接，故可以把 溫度傳感器 AD590 做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性。更能串接多個 溫度傳感器 AD590 進行范圍的溫度檢測。 水溫控制系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)與要求 該系統(tǒng)為一實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)： 設(shè)計一個水溫自動控制系統(tǒng)，控制對象為 1升凈水。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。 系統(tǒng) 設(shè)計具體要求： 溫度設(shè)定范圍為 40～ 90℃； 環(huán)境溫度降低時（例如用電風(fēng)扇降溫）溫度控制的靜態(tài)誤差≤ 1℃； 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由 40℃提高到 60℃）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量； 用十進制數(shù)碼管顯示水的實際溫度。 第二 章 水溫控制系統(tǒng) 基本 設(shè)計方案 水溫控制系統(tǒng)總體方框圖 2 圖 21 水溫控制系統(tǒng)總體方框圖 水溫控制系統(tǒng)方案論證 溫度測量及加熱系統(tǒng)控制的總 體結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場溫度采集、實 時溫度顯示、加熱控制參數(shù)設(shè)置、加熱電路控制輸出 和系統(tǒng)核 AT89S52單片機作為微處理器。溫度采集電路以 電流型 模擬傳感器 AD590和 A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成 。單片機結(jié)合現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照已經(jīng)編程固化的控制算法計算出實時控制量。通過 PWM控制可控硅 開通和關(guān)斷， 控制加熱絲的平均功率從而 決定加熱電路的工作狀態(tài)，使水溫逐步穩(wěn)定于用戶設(shè)定的目標(biāo)值。在水溫到達設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷而使其溫度下降時，單片機通過采樣回的溫度與設(shè) 置的目標(biāo)溫度比較，作出相應(yīng)的調(diào)整 ，開啟加熱器 。系統(tǒng)運行過程中的各種狀態(tài)參量均可由數(shù)碼管實時顯示 控制器模塊設(shè)計方案 根據(jù)題目要求，控制器主要用于對溫度測量信號的接受和處理 ,控制電熱絲 使控制對象滿足設(shè)計要求 ,控制顯示電路對溫度值實時顯示以及控制鍵盤實現(xiàn)對溫度值的設(shè)定等。控制器模塊可以選擇以下方案： AT89S52 控制系統(tǒng) 9S52 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS7818P 可控硅控制電路 鍵盤顯示電路 溫度傳感器 AD590 加熱絲 3 采用 AT89S52芯片為 CPU。 AT89S52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含 8K 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 256bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司 的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲單元，功能強大 。 AT89S52 單片機適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 由此可見，AT89S52 單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低，適用本設(shè)計需求。 加熱裝置模塊設(shè)計方案 本設(shè)計使用電熱杯進行加熱，控制電熱杯的功率即可以控制加熱的速度。當(dāng)水溫過高時，關(guān)掉電熱杯 進行降 溫處理，讓其自然冷 卻 。因此對加熱裝置模塊可以選擇以下方案： 采用 可控硅控制。使用可控硅 可以 通過較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠?？煽毓枨岸思由瞎怦?， 即可實現(xiàn)電氣隔離 ，即可實現(xiàn)弱電控制強電 。這種電路無法精確實現(xiàn)電熱絲功率控制，電熱絲只能工作在最大功 率或零功率，對控制精度將造成影響。但可 由單片機對溫差的處理實現(xiàn)分級功率 控制，提高系統(tǒng)動態(tài)性能。 在軟件上選用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，同樣可以達到較好的效果。 溫度采集模塊設(shè)計方案 本設(shè)計溫度信號為模擬信號，要對溫度進行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該溫 度采集模塊可以選擇以下方案： 采用 模擬 溫度傳感器 AD590。 AD590 屬于 電流型模擬溫度傳感器，先將輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓同時將信號放大濾波后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器建立電流 電壓 數(shù)字信號的對應(yīng)關(guān)系 AD590 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 比較 簡單，可靠性 高。 它 在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面帶來了令人滿意的效果。 鍵盤與顯示模塊 設(shè)計方案 鍵盤采用單片機最小系統(tǒng)上矩陣鍵盤實現(xiàn)，只用其中四個。顯示模塊用數(shù)碼管實現(xiàn)。 4 第三章 水溫控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 溫度采集部分 溫度傳感器 AD590 簡介 AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性如下： a、流過器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：Ir/T=1 mA/K 式中： Ir — 流過器件（ AD590）的電流，單位為 mA； T— 熱力學(xué)溫度，單位為 K。 b、 AD590 的測溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。 c、 AD590 的電源電壓范圍為 4V～ 30V。電源電壓可在 4V~6V 范圍變化，電流 T I 變化 1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 AD590 可以承受 44V正向電壓和 20V 反向電壓，因而器件反接 也不會被損壞。 d、輸出電阻為 710MW。 AD590 的功能及特性 ： AD590 是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋， AD590 的后綴以 I， J， K， L， M 表示。 AD590L， AD590M 一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖 31所示，它采用金屬殼 3 腳封裝，其中 1腳為電源正端 V＋； 2腳為電流輸出端 I0； 3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖 31所示。 圖 31 AD590外形及電路符號 AD590 的主特性參數(shù)如下： 工作電壓： 4～ 30V； 工作溫度：－ 55～＋ 150℃ ； 保存溫度：－ 65～＋ 175℃ ； 正向電壓：＋ 44V； 反向電壓：－ 20V； 5 焊接溫度（ 10 秒）： 300℃ ； 靈敏度： 1μA ／ K。 AD590 的工作原理 在被測溫度一定時， AD590 相當(dāng)于一個恒流源，把它和 5～ 30V 的直流電源相連，并在輸出端串接一個 1kΩ 的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有 1mV／ K 的電壓信號。其基本電路如圖 32所示。 圖 32 感溫部分核 心電路 圖 32是利用 ΔUBE 特性的集成 PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中 T T2 起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流 I1 和 I2相等； T T4 是感溫用的晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但 T3 實質(zhì)上是由 n 個晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是 T4 的 n 倍。 T3和 T4的發(fā)射結(jié)電壓 UBE3 和 UBE4 經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻 R上，所以R上端電壓為 ΔUBE 。因此，電流 I1為： I1＝ ΔUBE ／ R＝（ KT／ q）（ lnn）／ R 對于 AD590， n＝ 8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度 T成正比，將此電流引至負載電阻 RL上便可得到與 T 成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。圖 32中的電阻 R 是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準(zhǔn)溫度下可得到 1μA ／ K的 I值。 6 圖 33 AD590內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 上圖 33所示是 AD590的內(nèi)部電路，圖中的 T1～ T4相當(dāng)于圖 33中的 T T2，而 T9， T11相當(dāng)于圖 32中的 T T4。 R R6是薄膜工藝制成的低溫度系數(shù)電阻，供出廠前調(diào)整之用。 T T8， T10為對稱的 Wilson電路，用來提高阻抗。 T T12和 T10為啟動電路，其中 T5為恒定偏置二極管。 T6可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。 R1， R2為發(fā)射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。 T1～ T4是為熱效應(yīng)而設(shè)計的連接方式。而 C1和 R4則可用來防止寄生振蕩。該電路的設(shè)計使得 T9， T10， T11三者的發(fā)射極電流相等，并同為整個電路總電流 I的 1／ 3。 T9和 T11的發(fā)射結(jié)面積比為 8： 1， T10和 T11的發(fā)射結(jié)面積相等。 T9和 T11的發(fā)射結(jié)電壓互相反極性串聯(lián)后加在電阻 R5和 R6上，因此可以寫出： ΔUBE ＝（ R6－ 2 R5） I／ 3 R6上只有 T9的發(fā)射極電流，而 R5上除了來自 T10的發(fā)射極電流外，還有來自 T11的發(fā)射極電流，所以 R5上的壓降是 R5的 2／ 3。 根據(jù)上式不難看出，要想改變 ΔUBE ，可以在調(diào)整 R5后再調(diào)整 R6，而增大 R5的效果和減小 R6是一樣的，其結(jié)果都會使 ΔUBE 減小，不過，改變 R5對 ΔUBE 的影響更為顯著，因為它前面的系數(shù)較大。實際上就是利用激光修正 R5以進行粗調(diào)，修正 R6以實現(xiàn)細調(diào)，最終使其在 250℃ 之下使總電流 I達到 1μA ／ K。 信號轉(zhuǎn)換部分 電流 電壓轉(zhuǎn)換及放大電路 由于 AD590輸出的是 模擬電流信號且輸出的電流極小，因此需要加上放大電路與電流電壓轉(zhuǎn)換電路，然后才能輸入模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計采用的放大器運放為 LM324，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下 圖 34。 其中一個作為電壓跟隨器，隔離后級電路對 AD590的影響，從而使 7 采集到的溫度更加精確 ，一個與電阻構(gòu)成基準(zhǔn)電壓使輸出更加穩(wěn)定，另一個構(gòu)成差分電路輸出電壓信號 ，如下圖 35所示 。 圖 34 LM324結(jié)構(gòu)圖 321411M1LM 32 4321411M2LM 32 4321411R110 0 KR210 0 KR510 0 KR410 KR V 110 KR V 250 KAD590R310 0 KO U T P U T 圖 35 溫度采集及轉(zhuǎn)換電路 前邊的 Lm324 隔斷作用，避免后邊電路對前邊電路造成影響 后邊的兩個放大作用 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路 本設(shè)計要求 測量溫度為 40～ 90℃ 范圍內(nèi)，靜差達到小于 1℃的要求，則應(yīng)要求 ADC的分辨率 高一些才能保持精度。設(shè)系統(tǒng)精度為 ℃，以 ℃作為 ADC的區(qū)分要 求則 ADC能夠區(qū)分 (9040)/=500個分度，故本設(shè)計采用 12位串行輸入 ADS7818可以滿足要求，下圖 36為其外圍電路。 8 R11kR21kC110 0 nC210 0 nC310 0 nC41nFC51nFA D 7 8 1 8C C T 00 1V R E F+ I N I NG N D+ V C CC L KD A T AC O N VI N P U TC L KDC 右邊三個接口連接單片機 圖 36 A/D轉(zhuǎn)換電路 單片機控制部分 單片機時鐘電路 時鐘是單片機的心臟， 單片機各功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準(zhǔn)，有 條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)穩(wěn)定性，常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。此設(shè)計選用外部時鐘方式如下圖 37： M C 13 0 p FM C 23 0 p FM Z 1F RE Q = 1 2 M H z 圖 37 單片機時鐘電路 判斷 單片機芯片及時鐘系統(tǒng)是否正常工作有一個簡單的方法，就是用萬用表測量單片機晶振引腳（ 1 19）的對地電壓，以正常工作的單片機用數(shù)字萬用表測量為例： 18 9 腳對地約為 ， 19腳對地約為 。 單片機復(fù)位電路 復(fù)位是單 片機的初始化操作 ，只需給 89S52的復(fù)位引腳 RST加上大于 2個機器周期（即24個時鐘振蕩周期）的高電平就可得 89S52復(fù)位，復(fù)位時， PC初始化為 0000H，使 89S52從 OUT單元開始執(zhí)行程序。 除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外由于程序運行出錯或操作錯誤而使系統(tǒng)進入死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵使得 RST腳為高電平，使 89S52重 新啟動。 在系統(tǒng)中，有時會顯示系統(tǒng)不正常，也為了調(diào)試方便，我們需要設(shè)計一個復(fù)位電路，在 系統(tǒng)中，復(fù)位