【文章內(nèi)容簡介】 9 電源電路 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能否運行。由于 單片機 的供電電源為 5V， 光電耦合器需要的電源是 7V，顯示模塊等其它電路需要 5V 的電源，因此電路中選用 7805 和 7807 兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如上圖 所示。 inVGNDinVGND2 2 0 V1234U 3312 F?5C3300 F?6C3300 F? F?0 .1 F?7C 8C20 F?4C3C1C 2C4U 0 .1 F?20 F?7U 1 3 + 5 V2+ 7 V6U outVoutV圖 電 源電路 控制執(zhí)行電路的設計 由輸出來控制電爐 ， 電爐可以近似建立為具有滯后性質(zhì)的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學模型?？煽毓杩梢哉J為是線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對水溫的控制。單片機輸出與電爐功率分別屬于弱電與強電部分 ， 需要進行隔離處理 ， 這里采用光耦元件在控制部分進行光電隔離 ，實現(xiàn)弱強電的電源隔離 [3]。 PWM（ Pulse Width Modulation）控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù) ， 通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值） 。 PWM控制技術(shù)在逆變電路中應用最廣，對逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在 大量應用的逆變電路絕大部分是 PWM 型逆變電路，可以說 PWM 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位；近年來， PWM 技術(shù)在整流電路中也開始應用，并顯示了突出的優(yōu)越性 [22]。 PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即窄脈沖的面積。這里所說的效 果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同；如果將輸出波形進行 傅氏分解，則低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 例如圖 (a)、 (b)、 (c)所基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計 10 示 的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 (a)為矩形脈沖，圖 (b)為三角形脈沖， (c)為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時 ， 其輸出響應基本相同。當窄脈沖變?yōu)閳D (d)的單位脈沖函數(shù) δ(t)時，環(huán)節(jié)的響應即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。 f ( t ) f ( t )0t 0tf ( t )0 tf ( t )0 tδ ( t ) (a) (b) (c) (d) 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖 (a)的電路是一個具體的例子。圖中 e(t)為電壓窄脈沖，其形狀和面積分別如圖 (a)、 (b)、 (c)、 (d)所示，為電路的輸出。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL電路上，設其電流 i(t)為電路的輸出 。 圖 (b)給出了不同窄脈沖時 i(t)的響應波形。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，脈沖形狀不同時 i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i(t)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應 i(t)也是周期性的。用 傅 里葉級數(shù)分解后將可看出， i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎 [23]。 下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波 如圖 。正弦半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 個彼此相連的脈沖序列組成的波形，這些脈沖寬度相等，都等于 π/N，但幅值不等，且脈沖頂部都不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面 積（沖量）相等，就得到圖 (b)所示的脈沖序列。這就是 PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理 PWM 波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周 ， 也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM（ Sinusidal PWM） 波形。 要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 11 PWM 波形可分為等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波兩種。由直流電源產(chǎn)生的PWM 波通常是等幅 PWM 波。如直流斬波電路及 本章主要介紹的 PWM 逆變電路，其 PWM 波都是由直流電源產(chǎn)生，由于直流電源電壓幅值基本恒定，因此 PWM 波是等幅的。將要介紹的 PWM 整流電路中，其 PWM 波也是等幅的。講述的斬控式交流調(diào)壓電路 和 矩陣式變頻電路，其輸入電源都是交流，因此所得到的 PWM 波也 是不等幅的。不管是等幅 PWM 波還是不等幅 PWM 波，都是基于面積等效原理來進行控制的，因此其本質(zhì)是相同的 [19]。 上面所列舉的 PWM 波都是 PWM 電壓波。除此之外，也還有 PWM 電流波。例如，電流逆變電路的直流側(cè)是電流源，如對其進行 PWM 控制，所得到的 PWM波就是 PWM 電流波。 直流斬波電路得到的 PWM 波是等效直流波形， SPWM 波得到的是等效正弦波形。這些都是應用十分廣泛的 PWM 波。本章講述的 PWM 控制技術(shù)實際上主要是SPWM 控制技術(shù)。除此之外， PWM 波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效成所需要的非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也是基于等效面積原理 [24]。 圖 用 PWM 波代替正弦半波 光耦隔離驅(qū)動電路如圖 所示。由于 IGBT 是高速器件，所選用的光耦必須是小延時的高速型光耦，由 PWM 控制器輸出的方波信號加在三極管 V1 的基極， V1 驅(qū)動光耦將脈沖傳遞至整形放大電路 IC1，經(jīng) IC1 放大后驅(qū)動由 u( a )( b )oouω tω t基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計 12 V V3 組成的對管。對管的輸出經(jīng)電阻 R1 驅(qū)動 IGBT， R3 為柵射結(jié)保護電阻， R2 與穩(wěn)壓管 VS1 構(gòu)成負偏壓產(chǎn)生電路， VS1 通常選用 1W/ 的穩(wěn)壓管。此電路的特點是只用 1 組供電就能輸出正負驅(qū)動脈沖，使電路比較簡潔。 當單片機輸出的是高電平 1 時光電耦合器導通 從而使 IGBT 導通 ，電阻爐工作；反之單片機輸出電平為 0 時， 光耦元件不能導通， IGBT 不能形成有效偏置而截止，電爐絲不工作 ， 飲水機不加熱 [25]。 溫度 傳感器的工作 原理 DS18B20 是由美國 DALLAS 公司提供的一種一線總線系統(tǒng)的數(shù)字溫度傳感器，它可提供二進制 9 位溫度信息，經(jīng)過一線總線接口送入主機處理器。因此從主機到 DS18B20 僅需一條線進行通信。該器件采用單線通訊 ， 可以允許在通訊總線上級聯(lián)多個 DS18B20 器件 ， 所以很適合多點測溫 。 在 DS18B20 片內(nèi)設有報警單元 ， 用戶可以定義報警的上下限 。 在完成溫度轉(zhuǎn)換后 ， 與貯存在寄存器中的用戶補碼觸發(fā)報警 TH 值和 TL 值進行比較而觸發(fā)報警 。 為了適應不同場合的測溫要求 ，DS18B20 采用 3 種封裝形式 ， 即 TO29 8 腳 SO、 8 腳 可用于遠距離測溫 ， 后兩種可安裝于儀器設備的內(nèi)部 ， 用于環(huán)境溫度監(jiān)測或室內(nèi)溫度監(jiān)測等 。該器件的供電也很靈活 ， 可使用 V~ 外部供電 ， 也可以采用寄生取電模式供電 ， 即把電源端和地端短路接地而在數(shù)據(jù)通訊線上寄生取電 [26]。 此外 ， DS18B20還有應用簡單無需任何外圍元件、測溫范圍廣 (55℃ ~+125℃ )、測溫精度高(10℃ ~+85℃ 范圍內(nèi)精度 177。℃ )等特點 ， 可以應用于恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費類產(chǎn)品、溫度計以及其他熱敏感系統(tǒng)。 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 ， 主要包括寄生電源電路、 64 位只讀存儲器 (ROM)和單線接口、存儲器和控制邏輯、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存存儲器、溫度傳感器、報警上限寄存器 TH、報警下限寄存器 TL、配置寄存器和 8 位 CRC(循環(huán)冗余校驗碼 )發(fā)生器 。 DS18B20 的核心是其數(shù)字溫度傳感器 ， 精度可以通過用戶編程配置為 11 和 12 位 ， 其分別對應于 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 和 5℃ ，可以滿足各種不同的分辨率要求 。 開始一次溫度轉(zhuǎn)換時 ， 微處理器需要向 DS18B20發(fā)出 Convert T 指令 。 轉(zhuǎn)換完成之后 ， 該溫度數(shù)據(jù)存放在高速暫存存 儲器的溫度寄存器中 ， 占用 2 字節(jié) ， 并且 DS18B20 返回到空閑狀態(tài) 。 當 DS18B20 采用外部供電方式時 ， 主機可以在發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令后發(fā)起一次讀時隙 .若此時該 DS18B20 已經(jīng)完成溫度轉(zhuǎn)換 ， 它將會返回 “ 1” ， 否則返回 “ 0” 。 DS18B20 的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。每一個 DS18B20 在出廠時已經(jīng)給定了唯一的 64 位長邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 13 的序號。該序號值存放在 DS18B20 內(nèi)部的 ROM(只讀存貯器 )中，低 8 位是產(chǎn)品類型編碼 (DS18 加編碼均為 10H)，中間 48 位是每個器件唯一的序號，高 8 位是前面56 位的 CRC(循環(huán)冗 余校驗 )碼。 DSl8B20 中還有用于貯存測得的溫度值的兩個 8位存貯器 RAM，編號分別為 0 號和 1 號。 1 號存貯器存放溫度值的符號，如果溫度為負，則 1 號存貯器 8 位全為 1； 否則全為 0。 0 號存貯器用于存放溫度值的補碼。將存貯器中的二進制數(shù)求補，再轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)并除以 2，就得到測量的實際溫度 [27]。 其主要特性有： (1)適應電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 (2)獨特的單線接口方式， DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20的雙向通訊。 (3)DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 (4)DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 (5)測 溫范圍 55℃ ～ +125℃ ， 在 10～ +85℃ 時精度為 177?！?。 (6)可編程的分辨率為 9～ 12 位，對應的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫。 (7)在 9位分辨率時最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字 ， 12 位分辨率時最多在 750ms內(nèi)把溫 度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 (8)測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，傳送給 彈片機 可傳送 CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力 [28]。 供 電 感受 器內(nèi) 存 控 制 邏 輯便 箋 式存 儲 器8 位 C R C生 成 器溫 度 傳 感 器溫 度 上 限 報 警 T H（ E E P R O M )溫 度 上 限 報 警 T L（ E E P R O M )結(jié) 構(gòu) 配 置 寄 存 器（ E E P R O M )R O M 中的 6 4 位 序列 號單 線 接 口內(nèi) 部 V D D寄 生 取 電 電 路G N DD QV D DV C C 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計 14 表 DS1820 引腳說明 引腳 符號 說明 1 GND 地 2 DQ 單線運用的數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳漏極開路路 3 VDD 可選 VDD 引腳兩種供電方式式 DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) 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 觸 發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL配置寄存器。 DS18B20 引腳定義： (1)DQ： 為數(shù)字信號輸入 /輸出端； (2)GND： 為電源地； (3)VDD： 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。 DS18B20工作原理 DS18B20 的讀寫時序和測溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由 2s 減為 750ms。 DS18B20 測溫原理如圖 所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1。高 溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預置在 5℃ 所對應的一個基數(shù)值 [29]。計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1 的預置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預置將重