【文章內(nèi)容簡介】 310， D（分）可取 PWM 控制原理 脈沖寬度調(diào)制（ PWM)是指利用處理器的數(shù)字輸出信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)手段，廣泛的應(yīng)用于從測量、通信到功率控制等眾多領(lǐng)域之中。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)由于其控制簡單，靈活并且動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，成為目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域最為廣泛的控制方式。其控制原理是根據(jù)相應(yīng)載荷的變化進而調(diào)制晶體管基極（或 MOS 管柵極）偏置，以實現(xiàn)晶體管（或 MOS 管）導(dǎo)通時間的變化，實現(xiàn)了開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。因此，這種技術(shù)是利用處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種極其有效的技術(shù)手段。 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 7 隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，出現(xiàn)了眾多的 PWM 控制技術(shù)，其包括：相電壓控制 PWM法、脈寬 PWM 法、隨機 PWM 法、 SPWM 法、線電壓控制 PWM 法脈寬調(diào)制（ PWM）。 PWM 技術(shù)的基本原理：對逆變電路的開關(guān)器件通斷進行操控，使得輸出端得到一組幅值相等的信號脈沖，用這些脈沖來取代正弦波或著需求波形。 PWM 技術(shù)的優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是以數(shù)字信號傳輸?shù)?，避免了?shù) 模信號轉(zhuǎn)換，將噪聲影響降到最低。原因是噪聲只有強到足夠?qū)⑦壿?1 改變?yōu)檫壿?0 或著將邏輯 0 改變?yōu)檫壿?1 時，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生改變。其另外一個優(yōu)點是對噪聲抵抗能力的顯著增強，這也是將 PWM技術(shù)應(yīng)用于通信的重要原因。把模擬信號轉(zhuǎn)為 PWM 數(shù)字信號能夠極大地延長 通信距離。 綜上所述， PWM 技術(shù)具有經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強等眾多優(yōu)點，是一種值得廣泛推廣的有效技術(shù)。 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 8 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)供電電源設(shè)計 由于 本系統(tǒng)主要應(yīng)用 于戶外 ， 我 選擇 了 220V 交流轉(zhuǎn)直流的方式 對本系統(tǒng) 供電。將220V 交流電壓 經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)?16V 交流電再利用由 四個二極管組成 的全波整流 橋，將交流電轉(zhuǎn)換為 具 有一定 諧波 的直流電，通過 電容 濾波后 使 紋波減小， 再 送入線性直流穩(wěn)壓芯片 LM7812 中，在輸出端 再次 經(jīng)電容濾波輸出穩(wěn)定的 12V 電壓，送入系統(tǒng)中。 因為 本系統(tǒng)中繼電器需要 12V 直流 電，其他的器件 需要 5V 的直流電 。 然后再將 12V 通過 開關(guān)穩(wěn)壓 模塊 （ LM7805)轉(zhuǎn)換為 5V。 圖 31 為 220V 轉(zhuǎn) 12V 電路圖 ,圖 32 為直流 12V 轉(zhuǎn)直流 5V 電路圖。 圖 31 交流 220V 轉(zhuǎn)直流 12V 電路 圖 32 直流 12V 轉(zhuǎn)直流 5V 電路 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 9 處理器 STC89C52 在控制領(lǐng)域 中各種 控制器按照種類分有單片機 、 DSP、 PLC、 FPGA 等。按照總線形式分，有哈弗總線 、 有馮諾伊曼總線的 。 按照總線的位數(shù)分，有 8 位 、 16 位 、 32 位 乃至64 位 的。按照生產(chǎn)廠家，有 ST、 飛思卡爾 、 臺灣宏晶的等。 單片機 是 通過 超大規(guī)模集成電路技術(shù) 制造而成 的集成電路芯片 。 它 把 中央處理器（ CPU） 、 隨機存儲器 （ RAM） 、 多 路 IO 接口、 定時器 與 計數(shù)器電路 、 中斷系統(tǒng)等集成在一塊半導(dǎo)體 芯片 上， 組成 一個小 巧卻 完善的微型計算機 電路芯片 。 目前單片機正 朝著高精度 、 精簡指令 、 高速高效率 、 低功耗的方向 飛速 發(fā)展， 其 廣泛 地 應(yīng)用 于工業(yè) 過程控制，智能儀表等技術(shù)領(lǐng)域。 在 本設(shè)計中 選用 STC89C52 作為控制器 ， 它 是 由 臺灣宏晶公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 的 8 位微控制器。 STC89C52 使用 了 經(jīng)典 MCS51 內(nèi)核， 具備 以下功能： 8k 字節(jié) Flash存儲器、 512 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲空間 、 32 位 I/O 接口、 看門狗 、 內(nèi)置 的 4KB EEPROM、復(fù)位電路 、 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器 、 4 個外部中斷。 此外 STC89C52 還 可 進入 節(jié)電模式降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作。 在 空閑模式 情景 下， CPU 將 停止工作， 卻 允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 單片機的復(fù)位 方式有 兩種，一是在上電瞬間， C1 相當于通路， RST 接到高電平上，單片機復(fù)位， 這種方式 叫冷復(fù)位。另一種方式是，當單片機在工作 狀況 下需要復(fù)位，按下按鍵 KEY 單片機就會 手動 復(fù)位 ， 這種方式稱為熱復(fù)位。 圖 33 是 STC89C52 的最小系統(tǒng)電路 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 10 圖 33 STC89C52 最小系統(tǒng)原理圖 液晶顯示電路 液晶，即液態(tài)晶體 ,因其 具有特殊的理化與光電特性， 它 體積小 、 功耗低 、 操作簡單被廣泛應(yīng)用 于 輕薄型的顯示器件上。 在 本 戶外電子設(shè)備溫度控制 系統(tǒng)中采用 LCD12864 作為顯示 模塊 ，在上面可以直接讀取采集到的 實時 溫度 、時間和歷史數(shù)據(jù) 。 LCD12864 與單片機 STC89C52 的連接 關(guān)系 如圖 34 所示： 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 11 圖 34 LCD12864 與 STC89C52 連接電路圖 LCD12864 的管腳號 管腳號 管腳名 稱 電平 管腳功能描述 1 號 VSS 0V 電源地 ，接負極 2 號 VCC ~+5V 電源正 ，接電源正極 3 號 V0 調(diào)節(jié)顯示對比度，接在滑動變阻器的可變引腳，滑動變阻器的兩端分別接在電源和地上 4 號 RS(CS） H/L 數(shù)據(jù)命令選擇端，通過置位或者復(fù)位，來選擇發(fā)送的是命令還是數(shù)據(jù) 5 號 R/W(SID) H/L 選擇讀寫端，通過置位和復(fù)位，來確定是讀數(shù)據(jù)還是向液晶寫數(shù)據(jù) 6 號 E(SCLK) H/L 使能信號 端口 7 號 DB0 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 8 號 DB1 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 12 9 號 DB2 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 10 號 DB3 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 11 號 DB4 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 12 號 DB5 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 13 號 DB6 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 14 號 DB7 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù) 端口 15 號 PSB H/L 并行串行選擇口，當為高電平的時候是并行，低電平的時候是串行的 16 號 NC 空腳 17 號 /RESET H/L 復(fù)位端，低電平有效 18 號 VOUT LCD 驅(qū)動電壓輸出端 19 號 A VDD 背光源正端（ +5V） 20 號 K VSS 背光源負端 LCD12864 既可以 用串行接法，也可以用并行接法，串行接法 能夠 節(jié)省線路寬度 而且調(diào)試容易 但 數(shù)據(jù)傳送速度 較 慢，容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤。并行接法的優(yōu)點是速度 比較 快，缺點 是 總線寬 并且 占用 較多 的 IO 端 口。 經(jīng)比較， 本系統(tǒng)采用并行接 線方 法。 USBTTL 通信模塊 單片機 與 PC 間 需要相互 通信， 體現(xiàn)在數(shù)據(jù)下載，調(diào)試，傳送等方面 。 在 PC 上我們一般使用 USB 接口 ， 正 12V 與負 12V 分別代表 了 邏輯 信號 上的 0 與 1，USB接口為 4線 制 ， 其中有 兩根電源 線和 兩根信號 線 ,常用的 480Mbps。能夠 滿足 基本 工業(yè) 生產(chǎn)與 民用需要 。 線路 分配 為 ：黑： GND 。 紅： VCC 。 綠： Data+ 。 白： Data . 但 在單片機 的 系統(tǒng)中， 我們 一般 采用 TTL 電平 /CMOS 電平。 例如在 本系統(tǒng)中 采用 的單片機 STC89C52 使用的 就是 TTL 電平， 因為 兩者工作機制不一樣 ， 所以需要 某種 轉(zhuǎn)換芯片 把 TTL 電平 和 USB 電平之間 聯(lián)系起來 。 TTL 一種 常用的邏輯門電路 ， 正 5V 等同于 邏輯“ 1”， 0V 等 同于 邏輯“ 0”， 所以 這 就 被稱做晶體管 晶體管邏輯 信號系統(tǒng) 。 本 戶外電子設(shè)備溫度控制 系統(tǒng)使用 了 PL2302 作為轉(zhuǎn)換芯片，其電路圖如 35 所示： 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 13 圖 35 PL2303 的 轉(zhuǎn)換電路圖 溫度參數(shù)傳感器 DS18B20 溫度傳感器指能 夠 感受 到 溫度 的變化 并轉(zhuǎn)換 為可識別的 輸出信號的傳感器。溫度測量儀表的 關(guān)鍵部件就是 溫度傳感器， 其 品種繁多。 通常， 按 照 測量方式可 以 分為接觸式與 非接觸式 等 兩大類， 而 按照傳感器材料 和 電子元件 的 特性 又可以 分為熱電阻 與 熱電偶等 兩 大 類。 如今我們更常采用數(shù)字式溫度傳感器，它能把溫度物理量通過對溫度敏感的元器件以及相對應(yīng)的電路轉(zhuǎn)換為能 夠方便微型計算機、智能儀表等可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的裝置直接讀取的數(shù)字式傳感器。這些數(shù)字傳感器具有代表性的有： DS18B20， DS1722 以及 MAX6635等等。 本次設(shè)計采用了 DS18B20 傳感器，它是由美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線元器件，是DS1820 的增強型傳感器，在測量精度，分辨率，轉(zhuǎn)換時間等方面有極大改進。具有體積小巧，線路簡單，成本低，抗干擾性好，精度高等顯著特點。所以采用它來組建一個溫度采集系統(tǒng)可在一條通信線路上面掛上多路 DS18B20 溫度傳感器，十分靈活方便。 DS18B20 傳感器只有 DS1820 體積的一半，在接線時需要面對著元件扁平面，左負右正接線。 DS18B20 的特性有： 一：直接采用數(shù)據(jù)線供電 ,電壓范圍 到 區(qū)間 二： 測溫范圍為負 55 到正 125 攝氏度區(qū)間 ,其中在負 10 到正 85 攝氏度區(qū)間時精確度為正負 攝氏度。 三：傳感器編程分辨率在 9 到 12 位之間 ,分別對應(yīng)精確度為 攝氏度、 攝氏度、 攝氏度和 攝氏度 。 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 14 四：在 12 位分辨率時，最多可在 750ms 時間內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，顯然速度較快。 五：當電源極性接反時 ,傳感器不會燒毀 ,僅 僅是不可正常工作。 其引腳和封裝方式見 下圖所示： 圖 36 ds18b20 管腳封裝 DS18B20 溫度傳感器內(nèi)含四個主要部件，詳見圖 37： 其一， 64 位激光光刻 ROM。從高位到低位依次由 8 位的 CRC 和 48 位的序列號以及 8 位的家族代碼 (28H)組成。 其二， 溫度靈敏元件即溫度傳感器。 其三， 非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 與 TL，它們可通過軟件寫入用戶所需報警的上下限值。 其四， 配置寄存器。 DS18B20 在工作時將按照此寄存器中數(shù)據(jù)信息把溫度轉(zhuǎn)換成相互對應(yīng)的精度數(shù)值 ,其各位定義如下表所示。 TM：測試標志位 ,出廠即被寫入 0,不可更改 。 R0、 R1：分辨率得設(shè)置位 ,出廠時 R0、 R1 置為設(shè)置缺省值： R0=1 且 R1=1（ 12 位分辨率） ,用戶能夠根據(jù)需要而改寫配置寄存器即可獲得理想的分辨率。 TM R1 R0 1 1 1 1 1 MSB LSB 配置 分辨率關(guān)系表 格： R0 位 R1 位 溫度分辨率（單位： bit） 最大轉(zhuǎn)換時間（單位： ms） 0 0 9bit 0 1 10bit 1 0 11bit 375ms 1 1 12bit 750ms 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 15 圖 37 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 測溫原理：用一個高溫度系數(shù)的振蕩器確定一個門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一個低溫度系數(shù)的振蕩器的脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預(yù)置到對應(yīng)于 55 攝氏度的一個值。如果計數(shù)器在門周期結(jié)束前到達 0,則溫度寄存器（同樣初始化到 55 攝氏度）的值增加，表明所測溫度大于55 攝氏度。 （ 1。溫度系數(shù)振蕩器是指一種振蕩器，它的振蕩頻率與溫度之間有一個特定的關(guān)系，即不同的溫度對應(yīng)不同的振蕩頻率。反之，測 量出振蕩器的輸出頻率，就可測量出溫度值。 ：它的振蕩頻率受溫度的影響很大，溫度稍有變化，頻率就會變化很多，即對溫度敏感，多用于溫度傳感器。 ：它的振蕩頻率受溫度的影響很小，即使溫度變化很大，它的頻率也基本不變。 ） 戶外電子設(shè)備溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 16 圖 38 DS18B20 的 測溫原理 掉電存儲電路 AT24C02 本系統(tǒng)使用 AT24C02 作為掉電存儲設(shè)備。電能測量裝置不同于其他的控制系統(tǒng)，需要在掉電的情況下，將最后測量的數(shù)據(jù)進行存儲，否則，數(shù)據(jù)就沒有任何的參考價值。 AT24C02 是具有 IIC 接口的 EEPROM 產(chǎn)品。采用這種芯片可以在掉電的情況下，存儲數(shù)據(jù)。其中的數(shù)據(jù)可以存儲 100 年，可