【文章內(nèi)容簡介】 電流基本恒定。 電路由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，其方框圖為： 圖 恒流放電原理框圖 水浴溫度檢測模塊原理簡述 蓄電池容量與環(huán)境溫度的關(guān)系 蓄電池的容量是在環(huán)境溫度為 25攝氏度時(shí)測定的，當(dāng)使用環(huán)境溫度不同時(shí)，蓄電池的放電容量（蓄電池內(nèi)部活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)效率）會(huì)有所不同。一般而言，在 40攝氏度以下溫度范圍內(nèi)，溫度越低，蓄電池的容量也越小歐；在大于 40 攝氏度的溫度范圍內(nèi)，蓄電池的放電容量會(huì)有一個(gè)峰 值，溫度高于該峰值時(shí)蓄電池的放電容量同樣趨于降低。因此，為準(zhǔn)備描述一只蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)容量，通常在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：也就是說， 我 國 電動(dòng)自行車蓄電池國家規(guī)定：若蓄電池在 25攝氏度時(shí)的相對(duì)放電容量為 100%，則 10攝氏度時(shí)的放電容量不得低于 70%。也就是說，以 25 攝氏度為基礎(chǔ)，溫度每下降 1攝氏度，蓄電池的放電的容量平均下降量不得低于 %，但溫度與容量下降并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，同時(shí)也與各個(gè)廠蓄電池的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，所以在實(shí)際工作中可按下面兩種方法估算： 1攝氏度，相對(duì)容量下降 %。 2 小時(shí)率放電的標(biāo)準(zhǔn)放電時(shí)間為 74min， 35 攝氏度時(shí)放電140min。 水浴溫度控制 PID 算法介紹 電加熱溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后性和時(shí)變性的特點(diǎn)。例如：其升 溫 單向 性是由于電加熱的升溫 、保溫主要是通過電阻加熱；降溫則通常是依靠自然冷卻，當(dāng)溫度一旦超調(diào)，就無法用控制手段使其降溫，因而很難負(fù)載電阻 RL 比較放大 調(diào)整環(huán)節(jié) 取樣電阻 RS 基準(zhǔn)環(huán)節(jié) E Ei + 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 用數(shù)字方法建立精確的模型，并確定參數(shù)。應(yīng)用傳統(tǒng)的模擬電路控制方法，由于電路復(fù)雜，器件太多，往往很難達(dá)到理想的控制效果。由于無法用精確的數(shù)學(xué)方法來建立模型并確定參數(shù)，本設(shè)計(jì) 采用 PID 控制。 如圖 為原理框圖。 PID 控制技術(shù)在現(xiàn)在最為成熟，控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不必求出被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型就可以調(diào)節(jié)，所以在恒溫控制系統(tǒng)中通常采用 PID算法。 PID是比例（ proportional）、積分（ intergal）和微分 (derivative)三者的縮寫。PID 調(diào)節(jié)器的三個(gè)基本參數(shù) kp(比例系數(shù) )、 ki（積分系數(shù)）、 kd(微分系數(shù) )是選擇非常重要，它將直接影響一個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。而三個(gè)環(huán)節(jié)在實(shí)際控制中的作用： 比例調(diào)節(jié)作用：比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即 產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，用于減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大的比例使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定； 積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，提高無差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無差，積分調(diào)節(jié)就停止。積分調(diào)節(jié)輸出為一常值，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti. Ti 越小，積分時(shí)間就越強(qiáng)；反之 Ti越大，積分時(shí)間就越弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)節(jié)或 PID 調(diào)節(jié)； 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能 預(yù)見偏差變化的趨勢。因此能產(chǎn)生超前的控制作用。在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此微分調(diào)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在為時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪音干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的加微分環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。此外微分反映的是變化率，而當(dāng)輸入沒有變化時(shí)，微分作用的輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成 PI調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。 大多數(shù)溫度控制系統(tǒng)均建立在模型上，難以滿足加工工藝要求， 運(yùn)用AT89C51 單片機(jī)對(duì)電阻爐溫度實(shí)現(xiàn)智能控制，可以解決 上述種種不足，從而實(shí)現(xiàn)高精度的控制。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其 結(jié)構(gòu) 簡單、穩(wěn)定 圖 PID 溫度控制原理框圖 鍵盤設(shè)定溫度值PID 控制器（ AT 89 C 51 ）雙向可控硅加熱器（ 水溫 ）水溫檢測（ DS 18 B 20 ）+安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象 的結(jié)構(gòu) 和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的 結(jié)構(gòu) 和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定， 因此本次設(shè)計(jì) 應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為 有效 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 3 硬件設(shè)計(jì) 全自動(dòng)蓄電池容量檢測儀的設(shè)計(jì)需要用到許多的硬件設(shè)施，首先控制器選取單片機(jī) AT89C51。硬件電路包括溫 度采集模塊、時(shí)鐘電路、雙向可控硅控制電路、過零檢測電路、 +5V穩(wěn)壓電源電路、 +12V 穩(wěn)壓電源電路、恒流控制電路、AD轉(zhuǎn)換電路、 DA轉(zhuǎn)換電路、顯示電路、鍵盤電路、報(bào)警電路、復(fù)位電路、通信模塊以及 IO口的擴(kuò)展電路等 . AT89C51 簡介 AT89C51是一種帶 4K字節(jié)閃爍可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器 (FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱 單片機(jī) 。 AT89C51是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100次。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51是一種高 效微控制器， AT89C2051是它的一種精簡版本。 AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 主要特性 （ 1）與 MCS51兼容 （ 2） 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 （ 3）壽命： 1000寫 /擦循環(huán) （ 4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 （ 5）全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz （ 6）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 （ 7） 128 8位內(nèi)部 RAM （ 8） 32位可編程 I/O線 （ 9）兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 10） 5個(gè)中斷源 （ 11）可編程串行通道 （ 12）低功耗的閑置和掉電模式 （ 13）片內(nèi)振 蕩器和時(shí)鐘電路 如圖 ： 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 P 1 .0P 1 .1P 1 .2P 1 .3P 1 .4P 1 .5P 1 .6P 1 .7R S T / V p dP 3 .0 (R X D )P 3 .1 (T X D )P 3 .2 (I N T 0 )P 3 .3 (I N T 1 )P 3 .4 (T 0 )P 3 .5 (T 1 )P 3 .6 (W R )P 3 .7 (R D )X T A L 2X T A L 1V s sV c cP 0 .0P 0 .1P 0 .2P 0 .3P 0 .4P 0 .5P 0 .6P 0 .7E A / V p pA L E / P R O GP S E NP 2 .7P 2 .6P 2 .5P 2 .4P 2 .3P 2 .2P 2 .1P 2 .0A T 8 9 C 5 1 圖 單片機(jī)管腳圖 時(shí)鐘振蕩電路 和復(fù)位電路 AT89C51 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷振蕩器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖 32。 外接石英晶體 (或陶瓷振蕩器 )及電容 C C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容 C C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、 起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30pF177。 10pF，而如使用陶瓷振蕩器建議選擇 40pF177。 10pF。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 Y6 M HC23 3 P FC33 3 P FG N DCRYX T A L 2X T A L 1 圖 時(shí)鐘振蕩電路 為確保微機(jī)系統(tǒng)中 電 路 穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 RST 引腳輸入 到芯片 內(nèi)的施密 特觸發(fā)器 中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí) ，且振蕩器 穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器 周期 (24 個(gè)振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位。 如圖 所示。 Rz1KR S TCa22uFV C CG N DR E S T 圖 復(fù)位電路 溫度檢測硬件設(shè)計(jì) 溫度測量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的 數(shù)據(jù) 來源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測量方法是：溫度傳感器例如 AD590，將測量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)再對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。這種模擬數(shù)字混合電路實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，濾波消噪難度大系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，鑒于這些考慮， 本設(shè)計(jì)采用 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 DS18B20 支持“一線總線”接口，測量溫度的范圍為 55176。 C～ +125176。 C，現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字式傳輸，大大的提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20 為 3 引腳， DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； GND為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端。 溫度采集電路模塊如圖 所示。 DSB8B20 的 3腳接系統(tǒng)中單片機(jī)的 口線，用于將采集到的溫度送入單片機(jī)中處理， 2腳和 3腳之間接一個(gè) 上拉電阻，即可完成溫度采集部分硬件電路。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位 光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 123D S 18 20 G N DV C CDSR14. 7KV C CP 1. 4 圖 溫度采樣電路 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測量，以 12位轉(zhuǎn)化為例 :用 16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位 。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換如下表 。 表 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表 LS Byte Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 23 22 21 20 21 22 23 24 MS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8 S S S S S 26 25 24 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 即可得到實(shí)際溫度。 溫度控制部分硬件設(shè)計(jì) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 隨著鉛酸蓄 電池的 廣泛應(yīng)用，人們對(duì)蓄電池容量檢測的精度越來越高 。由此可見，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于試驗(yàn)溫度的要求 25177。2 ℃ 范圍較為精確，且規(guī)定電池、水浴之間的距離，使之在反應(yīng)過程中不會(huì)相互影響。因?yàn)樾铍姵胤烹娙萘颗c溫度的關(guān)系密切，標(biāo)準(zhǔn)才規(guī)定177。 2℃的要求。只有在相同的環(huán)境條件下的試驗(yàn)結(jié)果才具有可比性，可重復(fù)性；另外， 在放電過程中，蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，是放出能量，蓄電池要從環(huán)境中吸熱，蓄電池溫度下降，為避免影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，需要有恒溫水浴向蓄電池補(bǔ)充熱能使其溫度恒定。 所以對(duì)水浴溫度必須經(jīng)行精確的控制，本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通 角來控制加熱器的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水浴為溫度的精確控制。 該模塊用到了單片機(jī)和雙向可控硅，可控硅可以直接接在 220V 交流電路上，但是單片機(jī)采用低電壓供電，因此需要采用以一定的隔離措施，將 220V 和5V 弱點(diǎn)隔離，系統(tǒng)使用 MOC3051 作為弱電和強(qiáng)電的隔離。 MOC3051 系列光電可控硅驅(qū)動(dòng)器是美國摩托羅拉公司推出的器件，該器件的顯著特點(diǎn)是大大加強(qiáng)了靜態(tài) dv/dt 能力。輸入與輸出采用光電隔離，絕緣電壓可達(dá) 7500V，觸發(fā)電流為 15mA。該系列可以用來驅(qū)動(dòng)工作電壓為 220V 的交流雙向可控硅。該調(diào)壓電路通過單片機(jī)控制雙 向可控硅的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)的，為了達(dá)到精確控制，整個(gè)電路包括可控硅控制電路和過零檢測電路。 ECI N I N +Q3M O C 3 0 5 1C1加熱器R2