【文章內(nèi)容簡介】 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 10 過零檢測(cè)電路電路設(shè)計(jì)如圖 54所示 ,為了提高效率 ,使觸發(fā)脈沖與交流電壓同步 ,要求每隔半個(gè)交流電的周期輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖 ,且觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)大于 4V,脈沖發(fā)信號(hào)加載到可控硅的控制極。為減小驅(qū)動(dòng)功率和可控硅觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生的干擾 ,交流電路雙向可控硅的觸發(fā)常采用過零觸發(fā)電路。過零觸發(fā)是指在電壓為零或零附近的瞬間接通。由于采用過零觸發(fā) ,因此上述電路還需要正弦交流電過零檢測(cè)電路。寬度應(yīng)大于 20us。圖 中 T1 為變壓器 ,TPL521 2為光電耦合器 ,起隔離作用。當(dāng)正弦交流電壓接近零時(shí) ,光電耦合器的兩個(gè)發(fā)光二極管截止 ,三極管 Q1基極的偏置電阻電位使之導(dǎo)通 ,產(chǎn)生負(fù)脈沖信號(hào) ,Q1 輸出端接到單片機(jī) 80C51 的外部中斷 0 的輸入引腳 INT0,以引起中斷。在中斷服務(wù)子程序中使用定時(shí)器累計(jì)移相時(shí)間 ,然后發(fā)出雙向可控硅的同步觸發(fā)信號(hào)。 1243 65781TPL5212T1Trans Eq~220V ~10V1KR310KR110KR2Q1VCCGND過零檢測(cè)電路BAP32 圖 54過零檢測(cè)電路 過零觸發(fā)電路電路如圖 55 所示 ,圖中 U2 為光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器 ,也屬于光電耦合器的一種 ,用來驅(qū)動(dòng)雙向可控硅 BCR并且起到隔離的作用 ,R6為觸發(fā)限流電阻 ,R10為 BCR門極電阻 ,防止誤觸發(fā) ,提高抗干擾能力。當(dāng)單片機(jī) 80C51 的 引腳輸出負(fù)脈沖信號(hào)時(shí) Q2 導(dǎo)通 ,U2 導(dǎo)通 ,觸發(fā) BCR 導(dǎo)通 ,接通交流負(fù)載。另外 ,若雙向可控硅接感性交流負(fù)載時(shí) ,由于電源電壓超前負(fù)載電流一個(gè)相位角 ,因此 ,當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí) ,電源電壓為反向電壓 ,加上感性負(fù)載自感電動(dòng)勢(shì)el 作用 ,使得雙向可控硅承受的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源電壓。雖然雙向可控硅反向?qū)?,但容易擊穿 ,故必須使雙向可控硅能承受這種反向電壓。一般在雙向可控硅兩極間并聯(lián)一個(gè) RC 阻容吸收電路 ,實(shí)現(xiàn)雙向可控硅過電壓保護(hù) ,圖 45 中的 C R9為 RC阻容吸收電路。 過零觸發(fā)電路如圖 45 所示 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 11 U2Opto TRIACQ2PNP500R5VCC500R8GND51R6Q3BCR51R1051R9C2512PortPortP01過零觸發(fā)電路電熱爐接口 圖 55 過零觸發(fā)電路。 （ 4） DS1302 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) DS1302 是美國 DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 ～ 。采用三線接口與 CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或 RAM數(shù)據(jù)。 DS1302 內(nèi)部有一個(gè) 318 的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 RAM 寄存器。 DS1302 是 DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與 DS1202 兼容，但增加了 主電源 /后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。本設(shè)計(jì)中采用 DS1302 時(shí)鐘芯片產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，通過單片機(jī)進(jìn)行處理控制，并顯示出實(shí)時(shí)的時(shí)間，可以用于對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。 時(shí)鐘電路如圖 56 所示。 Vcc21X12X23GND4RES5I/O6SCLK7Vcc18U5DS1302Y232768P16P35P17時(shí)鐘芯片（DS1302）12J2CON212J3CON2VCC 圖 56 時(shí)鐘電路 （ 5）按鍵 電路 設(shè)置 本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì) 3 個(gè)按鍵，用來設(shè)置和修改時(shí)間。其電路圖如下圖 57所示 。 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 12 確定鍵 1增加鍵 1P21P22返回鍵 1P20減小鍵 1P23獨(dú)立按鍵VCC10KR2210KR2310KR2410KR25 圖 57按鍵電路 （ 6）液晶顯示 12864 液晶顯示為 128X64 點(diǎn)陣，面板采用 STN （ Super Twisted Nematic ）超扭曲向列技術(shù)制成并且由 128 Segment 和 64 Common 組成， SPLC501 液晶顯示上很直觀的提供了液晶顯示器的接口，及其所需的復(fù)位電路等，并把對(duì)液晶的操作接口引出，方便使用；此外還提供有背光、電源指示燈、 LCM， 非常容易通過接口被訪問。 圖 58 是 12864 液晶串行顯示的接口。 1234567891011121314151617181920J1+5V+5V12864液晶串行顯示W(wǎng)110KP24P25P26P27 圖 58 12864液晶顯示接口 （ 7）電源電路的設(shè)計(jì) 為了使單片機(jī)有一個(gè)穩(wěn)定的工作環(huán)境，且各組件都正常的工作，我們特別制作了 5V 的直流穩(wěn)壓電源。本電路的特點(diǎn)是：電源輸出穩(wěn)定，具有較好的抗干擾能力。輸出標(biāo)準(zhǔn)的 5V 直流電壓。電源電路 如圖 59 所示。 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 13 132V VGNDINOUTU4 78L05AB470uFC6D1C710uFC8C9122VCCGND5V 電源 圖 59電源電路 6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)說明 進(jìn)行微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)測(cè)量對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件設(shè)計(jì)更為重要。 在單片機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然 后再輸出，以便達(dá)到測(cè)量控制目的。 軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫度進(jìn)行采集、顯示 ,通過按鍵操作，進(jìn)行時(shí)間的設(shè)置與修改。因此，整個(gè)軟件可分為溫度采集子程序、時(shí)鐘讀取程序、按鍵子程序、顯示子程序、及系統(tǒng)主程序。 軟件的有關(guān)算法 （ 1） 最小二乘理論獲取溫度 ― 電阻公式 根據(jù)誤差理論，我們要獲得較高精度的溫度測(cè)量值，辦法一般有 2 個(gè)，要么采用查表法，要么建立高精度的數(shù)學(xué)模型。如果用查表法，主要有 2個(gè)問題，如果要提高測(cè)量精度，則需要建立大量的表格，而且得提前做大量得試驗(yàn)來進(jìn)行多點(diǎn)校正，還有一個(gè)問題是程序的通用性差，這臺(tái) 儀器上校正好得數(shù)據(jù)可能在另一臺(tái)上不合適。而采用已知的分度表，建立數(shù)學(xué)模型，然后德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 14 通過工程量（標(biāo)度）變換，通過測(cè)量 A/D 轉(zhuǎn)換的結(jié)果后計(jì)算得到。這里我們考慮第 2種方法的優(yōu)點(diǎn)，首先采用分段的方法，將測(cè)量范圍分段，然后查出該段的數(shù)學(xué)模型的各個(gè)系數(shù)，然后計(jì)算出溫度值，這里，由于時(shí)間的關(guān)系，我們對(duì)整個(gè)測(cè)量范圍分了 3 段，分別為 0－ 49℃ 、 50－70℃ 、 71－ 100℃ ，利用分度表進(jìn)行離線的數(shù)學(xué)擬合，得到各段的數(shù)學(xué)模型系數(shù)。同時(shí)，可通過再將標(biāo)度值代入可粗略估計(jì)在各個(gè)測(cè)量段內(nèi)的最大誤差值。 我們通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到如 下的數(shù)學(xué)模型為： T1= 049℃ T2= 50－ 70℃ T3= 71－ 100℃ 上述 3 個(gè)數(shù)學(xué)模型中，最大的理論誤差值都小于 ℃ ，能夠滿足精度要求，實(shí)際上如果有足夠的時(shí)間，我們完全可以分得再細(xì)一些，這樣理論的誤差將會(huì)變得更小。 （ 2） 標(biāo)度變換公式的獲取 根據(jù)上述的線性擬合結(jié)果： T=A178。R B，這里的 A、 B 是上述不同溫度段的系數(shù)，而 R 值由于在輸出為 0V 時(shí)，實(shí)際上有個(gè)對(duì)應(yīng)于 100 歐姆的偏置電路，因此根據(jù) RR0=U/I，而I=，而 AD/U/G=4096/，這里的 AD 值為 A/D 轉(zhuǎn)換得結(jié)果 G 為放大器的增益，本設(shè)計(jì)中的二級(jí)放大器放大的倍數(shù)為 80 倍。將上述條件代入得： T=A178。(178。AD/4096/G/I+100) B 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 15 各模塊 軟件的流程圖 及軟件系統(tǒng)總流程圖 開 始時(shí) 鐘 初 始 化 函 數(shù)D S 1 3 0 2 數(shù) 據(jù) 寫 入D S 1 3 0 2 數(shù) 據(jù) 讀 取返 回開 始A / D 初 始 化 函 數(shù)A / D 轉(zhuǎn) 換將 采 樣 電 壓 轉(zhuǎn)換 為 溫 度 值返 回開 始 系 統(tǒng) 初 始 化調(diào) 用 時(shí) 間 、 溫 度 子 程 序 調(diào) 用 顯 示 子 程 序調(diào) 用 按 鍵 掃 描 子 程 序 圖 61DS1302 時(shí)鐘流程圖 圖 62 溫度轉(zhuǎn)換流程圖 圖 63 顯示流程圖 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 16 開 始系 統(tǒng) 初 始 化P T 1 0 0 溫 度 信 號(hào) 采 樣A D 轉(zhuǎn) 化P W M 控 制 信 號(hào)控 制 數(shù) 值 設(shè) 定增 加 鍵液 晶 數(shù) 據(jù) 顯 示減 小 鍵數(shù) 值 增 加數(shù) 值 減 小參 數(shù) （ 溫 度 、 時(shí) 間 ） 調(diào) 整 選 擇結(jié) 束時(shí) 鐘 （ D S 1 3 0 2 ） 程 序YYN NYN 圖 64 系統(tǒng)總流程圖 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 17 結(jié)論 本溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是采用 PT100 溫度傳感器經(jīng)過放大和 A/D 轉(zhuǎn)換器送到單片機(jī) 通過PID 算法 進(jìn)行控制溫度顯示和時(shí)間顯示。另外本系統(tǒng)還可以通過外接電路擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警功能，從而更好的實(shí)現(xiàn)溫度現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)控制。 經(jīng)過多次的修改和調(diào)試測(cè)量，本設(shè)計(jì)基本符合設(shè)計(jì)要求，由于受人為因素和軟硬件的限制，系統(tǒng)難免不了帶來一些誤差，但通過調(diào) 節(jié)和精確計(jì)算可以減小誤差。 通過本次溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對(duì)溫度測(cè)量控制有了進(jìn)一步的熟悉和更深入的學(xué)習(xí)。在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：怎樣將 PT100 熱電阻的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)單片機(jī)能識(shí)別的電量信號(hào)，其中的信號(hào)如何放大及放大倍數(shù)的確定等等。 通過本 課程 設(shè)計(jì)，我了解并掌握了傳感器的基本理論知識(shí)，更深入的掌握單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用和編程控制。為以后從事單片機(jī)軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、打下了良好的基礎(chǔ)，樹立獨(dú)立從事產(chǎn)品研發(fā)的信心，并在這種能力上得到了比較充分的鍛煉。 參考文獻(xiàn) [1] 張琳娜，劉武發(fā)． 傳感檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用 [M].中國計(jì)量出版社 ， 1999. [2] 沈德金，陳粵初． MCS51 系列單片機(jī)接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗?[M].北京航空航天大學(xué)出版 ， 1990. [3] 鄭建國 .一種高精度的鉑電阻溫度測(cè)量方案自動(dòng)化儀表 [M].1997. [4]馬家辰 . MCS51 單片機(jī)原理及其接口技術(shù) [M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1997. [5] 周航慈 .單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì) [M].北京航空航天大學(xué)出版社， 1991 年 8版 . [6] 李志全等 .智能 儀表設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用 [M].國防工業(yè)出版社 ， 1998 年 6版 . [7] 李建民 .單片機(jī)在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [M].江漢大學(xué)學(xué)報(bào) ， 1996 年 6版 . [8] 楊振江等 .智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用 [M].西安電子科技大學(xué)出版社，2021 年 12 版 . [9] 鐘亞飛． 基于單片機(jī)的溫室二氧化碳測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [D]． 山東科技大學(xué)， 2021： 13. 德州學(xué)院 物理系 2021 電子信息工程專業(yè) 計(jì)算機(jī)控制 技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 18 Electric furnace control system design based on PID PangDeMiao (Department of Physics ， Dezhou University ， Dezhou， 253023) Abstract STC12C5A60S2 microcontroller, platinum resistance of the PT100, the LM324 amplifier, DS