【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 精密穩(wěn)壓源將 5V的電壓生成 的穩(wěn)定電壓，經(jīng)過 R5， R6，R8 這些電阻值較大的電阻后能形成一個(gè)較小的電流，大約在毫安級(jí)的范圍內(nèi)，通過加入C3， C4， C7 三個(gè)電容將此時(shí)的電流信號(hào)進(jìn)行濾波，得出一個(gè)穩(wěn)定的電流信號(hào)傳入到放大器中，將這個(gè)得到的電流信號(hào)進(jìn)行放大最后輸出。 圖 溫度檢測(cè)信號(hào)處理電路 其中 PT100 溫度傳感器 ，它的 電阻 阻值 能夠 隨 著溫度的變化而改變 ，大約是一個(gè)線性的關(guān)系 。 PT100 中的 100 表示 當(dāng) 它在 0 攝氏度 時(shí) 其 阻值 即 為 100 歐姆。 而本次課題的溫度區(qū)間在 0℃ ~100℃ ,其線性結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 6 圖 PT100鉑電阻 R/T曲線 其原理是：當(dāng)溫度傳感器 PT100 在 0 攝氏度的時(shí)候其阻值為 100 歐姆，它的阻值會(huì)隨著溫度的提高而勻速的提升。 R/T 曲線和相應(yīng)的分度表如 表 所示。 表 PT100R/T曲線 和相應(yīng)的分度表 本次的課程設(shè)計(jì)的溫度區(qū)間在 0 攝氏度到 100 攝氏度， PT100 的溫度跟阻值的關(guān)系在該區(qū)間的公式為： 1 0 0 * ( 1 3 . 9 0 8 0 2 * 1 0 3 * 0 . 5 8 0 2 * 1 0 6 * * )R T T T? ? ? ? ? 在本次的課題中 PT100 溫度的顯示采用的是先算出上面的電壓 ,而電壓的值可已通過AD 輸出得到 ， 通過這個(gè)電壓值 除以其中的電流能得 到 一個(gè)電阻， 再 根據(jù)這個(gè)電阻值通過上面的公式算出此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度 。即溫度對(duì)應(yīng)電阻，電阻對(duì)應(yīng)電壓，電壓對(duì)應(yīng) ADC 的值，金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 7 只要反過來推導(dǎo)就能夠最終算出當(dāng)前溫度的值。 單片機(jī)控制電路 單片機(jī)，全稱單片微型 計(jì)算機(jī) ，又稱微 控制器 ， 它 是把 中央處理器 (CPU)、存儲(chǔ)器、各種輸入輸出接口等都集成在一塊 集成電路 芯 片上的 一個(gè) 微型計(jì)算機(jī) 。 與普通的計(jì)算機(jī)相比較，單片機(jī)只缺少 I/O 設(shè)備，但是 它 更加 強(qiáng)調(diào)自供應(yīng) 能力 和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn) 就是體積小，可 以 放在儀表內(nèi)部，但 是由于其 存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡(jiǎn)單， 所以它的 功能較低。 盡管如此單片機(jī)還是被人們廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)的單片機(jī)模塊的電路圖如圖 所示。 圖 單片機(jī)模塊 STC12C5A60S2 單片機(jī)是在普通 51 單片機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開 發(fā)的一種新型單片機(jī)，具有運(yùn)行高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，它的指令代碼不但能夠完全兼容傳統(tǒng)的 51單片機(jī) ,而且其的空間容量也是非常的大，同時(shí)它的運(yùn)行速度相比傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)，比傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)快了將近 812 倍。內(nèi)部專門集成有 MAX810 專用的復(fù)位電路 , 8 路高速 10位 A/D 轉(zhuǎn)換 ,針對(duì)電機(jī)的控制，抗干擾能力極強(qiáng)。所以現(xiàn)在的 STC12C5A60S2 已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)，在社會(huì)生活中被廣泛應(yīng)用。 (1) 主要性能特點(diǎn) 增強(qiáng)型的 51 中央處理器（ CPU） ， 能夠 完全 的 兼容傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)和其存儲(chǔ)的空金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 8 間也是非 常的大 。 .片上集成有 1280 字節(jié) RAM。 工作頻率范圍在 0~ 35MHz 內(nèi) 。 通用 I/O 口 ； 有 EEPROM 功能 。 看門狗 。 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 共 4 個(gè) 16 位定時(shí)器 2 個(gè)時(shí)鐘輸出口 外部中斷 I/O 口 7 路 1有 10 個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換端口 。 1有雙串口 (2) 管腳說明 STC12C5A60S2 單片機(jī)中包含有 CPU、程序 /數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、 I/O 接口、A/D 轉(zhuǎn)換器等元器件，下面對(duì)其引腳進(jìn)行說明。 VCC：供電電壓 。 GND：接地 。 ~ 效果相同，既可以作為輸入也可以作為輸出，既可用作數(shù)據(jù)總線也可以用作地址總線。當(dāng)這 8 個(gè)端口作為輸出或是輸入時(shí)，由于其是準(zhǔn)雙向口，內(nèi)部有弱上拉電阻，所以不需要再外面再接一個(gè)電阻，可以直接使用。當(dāng)這 8 個(gè)端口作為地址或是數(shù)據(jù)總線使用時(shí)，其地址線是低 8 位的 A0~A7，數(shù)據(jù)線是 D0~D7； 口：可用作 I/O 口，也可用作時(shí)間輸出，當(dāng)使用 ADC 時(shí)，其輸入的通道為 0； 口：當(dāng)使用 ADC 時(shí)，其輸入通道為 1； 口：可當(dāng)做 I/O 口使用，同時(shí)也可以作為數(shù)據(jù)的接受端，使用 ADC 的輸入為 2； 口： 主要用作外部信號(hào)的捕捉，脈寬 /沖的輸出，同時(shí)是數(shù)據(jù)串口的發(fā)送端。 ADC的輸入通道為 3； 口： ADC 的輸入通道為 4； 口：只可作為主器件的輸入或是用作從器件的輸出，其 ADC 的輸入通道為 5； 口：與 口相反，只可用作主器件的輸出或是從器件的輸入，其 ADC 的輸入通道為 6； ~ 口：與 ~ 相比較，內(nèi)部都有上拉電阻，都可用作輸入或是輸出口使用。不同的是 ~ 在使用地址總線時(shí)時(shí)低 8 位，而 ~ 為高 8 位。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 9 圖 STC12C5A60S2管腳圖 口： I/O 口，串行口 1 數(shù)據(jù)的接收端； 口：外部中斷接入 0； 口：外部中斷接入 1； 口：定時(shí) /計(jì)數(shù)器外部輸入 0 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 A/D 轉(zhuǎn)換的過程就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的過程。在整個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換 的過程中包括采樣、保持、 量化和編碼 這幾個(gè)過程 。 在本次課題的過程中需要將通過溫度傳感器PT100 所獲得的 0~5V 電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)電壓模擬信號(hào)輸入給 IN0 通道，在轉(zhuǎn)換完成后，然后輸送給單片機(jī)的 P0 口，讓單片機(jī)處理所獲得的數(shù)字信號(hào)。如圖 所示，單片機(jī) 1 號(hào)口就是接受從 PT100 直接傳輸過來的電壓模擬信號(hào)，其經(jīng)過 ADC 轉(zhuǎn)換后能夠獲得一個(gè)數(shù)字的信號(hào)最終傳給 P0 口。 圖 AD轉(zhuǎn)換電路圖 A/D 轉(zhuǎn)換的過程就是整流的過程，就是把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)。 A/D 轉(zhuǎn)換分為積分型、逐次比較型、并 /串型比較型等。模擬信號(hào)可以 是電壓信號(hào)，也可以是電流信號(hào)，也可以是壓力信號(hào)等等。經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后輸出的數(shù)字信號(hào)有 8 位的， 10 位的， 12 位的，14 位的或是 16 位的。它的工作原理主要有逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法。在本次的課題中 A/D 轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)是 10 位的信號(hào)。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 10 功率模塊電路 本次設(shè)計(jì)的溫度控制的方法采用的是通斷控制的方式。就是通過改變一個(gè)周期內(nèi)加熱器的導(dǎo)通跟關(guān)閉從而來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制的效果。本次的系統(tǒng)中的控制電路中，控制的硬件主要是由雙向可控硅輸出型觀點(diǎn)耦合器 MOC3014 和雙向可控硅 BTA41 組成。如圖 所示。當(dāng) 單片機(jī)的 口輸出 0 時(shí)（即 con 端輸入為低電平），由于二極管正極有一個(gè)5V 的電壓輸入，高于負(fù)極，此時(shí)二極管導(dǎo)通，即 MOC3014 的 1 到 2 能形成一個(gè)回路產(chǎn)生電流，進(jìn)而輸出端的雙向可控硅導(dǎo)通，從而能夠觸發(fā)外部的雙向可控硅 BTA41 的導(dǎo)通，達(dá)到是整個(gè)電路通路，能夠?qū)﹀仩t產(chǎn)生功率；反之，當(dāng)單片機(jī)的 口輸出高電平， 關(guān)斷， BTA41 也關(guān)斷，加熱器也關(guān)斷，從而達(dá)到功率的控制效果。 圖 功率控制輸出電路 光電耦合器 又稱 光電隔離器，簡(jiǎn)稱光耦。 它是通過光為媒介傳輸信號(hào)，所以其傳輸?shù)臅r(shí)間快，距離 遠(yuǎn)，信號(hào)完整度高 。 本次課題需要的是能夠?qū)崟r(shí)的控制水溫即能夠?qū)崟r(shí)的控制功率，所以對(duì)輸入跟輸出信號(hào)的隔離效果要好，而光耦正好能滿足這個(gè)要求。 光耦合器即可以完成光的發(fā)射跟接受，最最主要的是若在光的傳輸過程中遇到的介質(zhì)不易光的傳輸，但是他自帶信號(hào)放大器能夠最大程度上減小誤差，保證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 。 其工作原理就是當(dāng)一個(gè) 電信號(hào) 輸入后，此時(shí)光耦能夠 驅(qū)動(dòng) 一個(gè) 發(fā)光二極管， 在光耦內(nèi)有一個(gè)光探測(cè)器，當(dāng)接受到發(fā)光二極管發(fā)來的光線后，該 光探測(cè)器接 能夠產(chǎn)生一個(gè) 光電流，再經(jīng)過 光耦的 進(jìn)一步放大 減小誤差，在經(jīng)過放大后的電流信號(hào)直接 輸出。這就完成了 一個(gè) 電 — 光 — 電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。 雙向 可控硅 是在普通 的 可控硅的基礎(chǔ)上發(fā)展 過來 的，它 是由 兩只反極性并聯(lián)的可控硅組成 ， 在這兩個(gè)可控硅中只要加一個(gè)觸發(fā)電路，就可以實(shí)現(xiàn)控制 ， 比較的適合用在交流控制的電路中。而在本次的課題中雙向可控硅配合光電耦合器能很好的控制功率的輸入跟輸出。 在本次課題的過程中由于單片機(jī)的電壓輸入為 5V，而為了使做出的實(shí)物顯得簡(jiǎn)潔一些，于是采用 了一個(gè)直流降壓電路連接在 220V 的電壓上，與鍋爐共用一個(gè)電壓。 將 220V 的交流電要變成 5V的直流電，先是要對(duì) 220V 的交流電進(jìn)行變壓，變壓得到的打壓仍然是交流電，將此時(shí)的交流電經(jīng)過整流電路后變成直流電。如圖 ，而外金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 11 接一個(gè)電容的效果是為了起到濾波的作用。 圖 直流降壓電路 按鍵處理 本次課題的按鍵一共 3 個(gè)按鍵，其對(duì)應(yīng)的單片機(jī)口分別對(duì)應(yīng) 口， 口， 口，電路圖如圖 。 KEY1 是自整定按鍵， KEY2 是給定溫度的升高， KEY3 是給定溫度的降低。其中在按鍵的過程 中若是但按一下 KEY2 或是 KEY3 鍵，則溫度的提升或是降低的單位為 攝氏度，若是長(zhǎng)按 KEY2 或是 KEY3 鍵，則溫度的提升或是降低的單位為 1攝氏度。 圖 按鍵模塊電路圖 顯示模塊電路 本次課題的顯示模塊采用的是 LCD12864 的微型液晶屏。 12864 代表水平位置顯示 128個(gè)點(diǎn)，豎直位置顯示 64 個(gè)點(diǎn)。通過對(duì) 芯片 寫入數(shù)據(jù)，從而控制點(diǎn)的亮滅，進(jìn)而能夠顯示字符、數(shù)字、漢字或者自定義 的圖形。本次的設(shè)計(jì)過程中的 LCD 模塊的 8到 2 口分別對(duì)應(yīng)單片機(jī)的 到 口，電路圖如圖 。用于作于本次課題中的溫度實(shí)時(shí)顯示。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 12 圖 圖 在本次的課題中當(dāng)中在啟動(dòng)電源是 LCD 顯示屏顯示水的當(dāng)前的溫度，默認(rèn)的 PID 的三個(gè)參數(shù)和默認(rèn)的給定溫度，如圖 所示。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 4 章 PID 算法控制設(shè)計(jì) 13 4 PID 算法控制設(shè)計(jì) PID 算法控制簡(jiǎn)介 PID（ Proportional Integral Differential）控制是比例、積分、微分控制的英文簡(jiǎn)寫。 PID 控制在日常生 活生產(chǎn)中都有廣泛的應(yīng)用。 PID 控制器的基本原理：依照系統(tǒng)的設(shè)定值與被調(diào)量實(shí)測(cè)值的誤差，然后根據(jù)誤差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的各種各樣的組合來算出被控對(duì)象的控制量。圖 是通常的PID 控制系統(tǒng)的原理圖。 圖 普通 PID 控制系統(tǒng)的原理圖。 如上圖所示，圖中的虛線框內(nèi)的內(nèi)容整體是 PID控制器，它的輸入是被調(diào)量實(shí)測(cè)值 )(ty與設(shè)定值 )(tr 組成的控制偏差信號(hào) )(te : )(te = )(tr )(ty (式 1) 它的輸出是比例、積分、微分的線性組合對(duì)于這偏差信號(hào)來說，也就是 PID的公式： ])()(1)([)( 0? ??? t DIP dt tdeTdtteTteKtu (式 2) 按照控制要求的不同以及被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的不一樣，公式 (2)中還能改成其他的調(diào)節(jié)，比如： PI 調(diào)節(jié)和 PD 調(diào)節(jié)。接下來要介紹的是 PID 的基本原理和參數(shù)整定等一系列的問題。 PID 的基本原理和參數(shù)整定 1． PID 控制規(guī)律的特點(diǎn) （ 1）比例控制器 比例控制器是最簡(jiǎn)單的控制器，它的控制規(guī)律公式如下 0)()( uteKtu P ?? (式 3) 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 4