【文章內(nèi)容簡介】 加熱時(shí)間，因此本系統(tǒng)中，主電路采用了雙向晶閘管，在交流電壓的正半周期使其沿某方向?qū)ǎ谪?fù)半周期則逆向?qū)?。主要參?shù)的選?。贺?fù)載為220V,120W的PTC加熱器負(fù)載電流有效值為負(fù)載電流峰值為因?yàn)楫?dāng)雙向晶閘管全開時(shí)，單方向的電流為交流半個(gè)周期的電流，所以而流過雙向晶閘管的電流的平均值晶閘管額定電壓的選擇：晶閘管的額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的23倍。所以取U=600V。晶閘管額定電流的選擇：。===所以晶閘管的額定電流可取8A。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)選擇雙向晶閘管的型號為BTA08600C。主要參數(shù)為：通態(tài)電流IT(RMS)=8A浪涌電流ITSM=80A正向耐壓VDRM＞600V反向耐壓VRRM＞600V觸發(fā)電流IGT25mA通態(tài)壓降VTM＜晶閘管的過流，過壓保護(hù)采用了一般的阻容保護(hù)電路，其參數(shù)為: =50（220）=圖35 光電耦合器控制可控硅原理圖 PTC加熱器加熱裝置是對溫室進(jìn)行加熱，使溫度穩(wěn)定在設(shè)定的溫度值。本系統(tǒng)采用PTC加熱器進(jìn)行加熱。PTC是Positive Temperature Coefficient 的縮寫，意思是正的溫度系數(shù)，泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC熱敏電阻。圖36是其電阻隨溫度變化的曲線，PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻,超過一定的溫度(居里溫度)時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體，而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過有目的的摻雜一種化學(xué)價(jià)較高的材料作為晶體的點(diǎn)陣元來達(dá)到的：在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價(jià)的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子。對于PTC熱敏電阻效應(yīng)，也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上，即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘，阻礙電子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中去，因此而產(chǎn)生高的電阻，這種效應(yīng)在溫度低時(shí)被抵消：在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢壘的形成并使電子可以自由地流動(dòng)。而這種效應(yīng)在高溫時(shí)，介電常數(shù)和極化強(qiáng)度大幅度地降低，導(dǎo)致勢壘及電阻大幅度地增高，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。圖36 PTC電阻溫度曲線PTC型陶瓷加熱器采用PTC陶瓷發(fā)熱組件與波紋鋁條經(jīng)高溫膠粘組成。該類型PTC加熱器有熱電阻小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種自動(dòng)恒溫、省電的電加熱器。它的顯著特點(diǎn)有加熱器本體的設(shè)計(jì)加熱溫度在200攝氏度以下的多檔次，任何情況下本體不發(fā)紅且有保護(hù)隔離層，任何應(yīng)用場合均不需要石棉等隔熱材料進(jìn)行降溫處理，可放心使用不存在對人體燙傷和引發(fā)火災(zāi)的問題。比較電熱管和電阻絲加熱產(chǎn)品，本產(chǎn)品是靠材料自身的特性，根據(jù)環(huán)境溫度的改變來調(diào)節(jié)自身的熱功率輸出，所以它能將加熱器的電能消耗優(yōu)化控制在最小，同時(shí)高發(fā)熱效率的材料也大幅提升了電能的利用效率。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我所選用的PTC加熱器的主要參數(shù)有電壓：220V，功率120w，長40mm，寬40mm，厚7mm。屬于小功率類型，用其加熱時(shí)恒溫發(fā)熱、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響小。 反相器7406在本系統(tǒng)中，兩次運(yùn)用了7406反向器，，MOC3041的管腳2被置0，且與真實(shí)的0更接近，MOC3041的光敏二級管導(dǎo)通；，MOC3041的管腳被置1，且更接近5V，使MOC3041的光敏二級管真正能夠處于截至狀態(tài)。另一處是與蜂鳴器的陰極相接，作用和上述的類似。我所采用的型號是SN7406N，14管腳，6路獨(dú)立反向驅(qū)動(dòng)。圖37 反相器7406管腳74LS21是雙輸入四與門，Y=ABCD，我所使用的型號是SN74LS21N，14管腳，推薦使用5V。在此系統(tǒng)中，按鍵未按下時(shí)，當(dāng)有鍵按下時(shí)，通過74LS21的作用，輸出低電平，觸發(fā)外部中斷0，在中斷程序里掃描鍵盤，并計(jì)算輸入的溫度的設(shè)定值。使用中斷的好處是使CPU在有鍵按下時(shí)才掃描鍵，提高了CPU的效率。圖38 四輸入與門74LS21管腳本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的警報(bào)部分是通過一個(gè)有源的3V蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)實(shí)際溫度超上限或低下限時(shí)進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警，其長腳為正極，短腳為負(fù)極，正極與5V電壓相接。19 第四章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度檢測和控制，并能夠?qū)崟r(shí)顯示，整個(gè)系統(tǒng)由如下幾個(gè)主要模塊組成，主程序模塊、溫度采集模塊、溫度設(shè)定模塊、溫度顯示模塊，報(bào)警模塊，溫度控制模塊等幾個(gè)模塊組成。本章將對如上所敘述的幾個(gè)模塊分別進(jìn)行介紹，并闡述程序的編寫思路和所實(shí)現(xiàn)的功能。 主程序模塊設(shè)計(jì)主程序的主要設(shè)計(jì)思想是圍繞題目基本要求而展開的，系統(tǒng)按鍵設(shè)定溫度產(chǎn)生外部中斷0，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中獲取設(shè)定的溫度值，之后在主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用數(shù)碼管顯示、報(bào)警控制、溫度控制等子程序模塊。所以主程序主要是對系統(tǒng)的初始化和調(diào)用各子程序模塊。圖41為主程序流程圖圖41 主程序流程圖溫度的采集是數(shù)字溫度計(jì)DS18B20通過單片機(jī)進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)序控制來完成的，在空間不是很大的范圍內(nèi)，采用一片DS18B20進(jìn)行單點(diǎn)測溫即可實(shí)現(xiàn)對溫度的較為精確的控制。 DS18B20的時(shí)序DS18B20的時(shí)序可分為三個(gè)部分：初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序。只有遵守嚴(yán)格的時(shí)序，DS18B20才能進(jìn)行溫度的采集。 初始化時(shí)序DS18B20的所有通信都是由復(fù)位脈沖組成的初始化序列開始。該初始化序列由主機(jī)發(fā)出，后跟由DS18B20發(fā)出的存在脈沖（presence pulse）。圖42闡述了這一點(diǎn)，當(dāng)發(fā)出應(yīng)答復(fù)位脈沖的存在脈沖后，DS18B20通知主機(jī)它在總線上并且準(zhǔn)備好操作了。在初始化步驟中，總線上的主機(jī)通過拉低單總線至少480μs來產(chǎn)生復(fù)位脈沖。然后總線主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收模式。當(dāng)總線釋放后，5kΩ的上拉電阻把單總線上的低電平拉回高電平。當(dāng)DS18B20檢測到上升沿后等待15到60μs，然后以拉低總線60240μS的方式發(fā)出存在脈沖，主機(jī)將總線拉低最短480μS，之后釋放總線。由于5kΩ上拉電阻的作用，總線恢復(fù)到高電平。至此，初始化和存在時(shí)序完畢。如圖43所示，所有的寫時(shí)隙必須至少有60μs的持續(xù)時(shí)間。相鄰兩個(gè)寫時(shí)隙必須要有最少1μs的恢復(fù)時(shí)間。所有的寫時(shí)隙（寫0和寫1）都由拉低總線產(chǎn)生。為產(chǎn)生寫1時(shí)隙，在拉低總線后主機(jī)必須在15μs內(nèi)釋放總線（拉低的電平要持續(xù)至少1us）。由于上拉電阻的作用，總線電平恢復(fù)為高電平，直到完成寫時(shí)隙。為產(chǎn)生寫0時(shí)隙，在拉低總線后主機(jī)持續(xù)拉低總線即可，直到寫時(shí)隙完成后釋放總線（持續(xù)時(shí)間60120μs）。寫時(shí)隙產(chǎn)生后，DS18B20會(huì)在產(chǎn)生后的15到60μs的時(shí)間內(nèi)采樣總線，以此來確定寫0還是寫1。如圖44所示，DS18B20只有在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)隙時(shí)才能發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)。因此，主機(jī)必須在BE（讀存儲(chǔ)器） 命令，B4（讀電源）命令后立即產(chǎn)生讀時(shí)隙以使DS18B20提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。另外，在44（溫度轉(zhuǎn)換）命令，B8（recall）命令后也要產(chǎn)生讀時(shí)隙。 所有的讀時(shí)隙必須至少有60μs的持續(xù)時(shí)間。相鄰兩個(gè)讀時(shí)隙必須要有最少1μs的恢復(fù)時(shí)間。所有的讀時(shí)隙都由拉低總線，持續(xù)至少1μs后再釋放總線（由于上拉電阻的作用，總線恢復(fù)為高電平）產(chǎn)生。DS18B20輸出的數(shù)據(jù)在下降沿產(chǎn)生1后5μs內(nèi)有效。因此，釋放總線和主機(jī)采樣總線等動(dòng)作要在15μs內(nèi)完成。圖42 DS18B20復(fù)位時(shí)序圖圖43 DS18B20寫時(shí)序圖圖44 DS18B20讀時(shí)序圖 讀溫度子程序流程圖 讀溫度子程序是在單片機(jī)的控制下，形成嚴(yán)格的時(shí)序，完成溫度的轉(zhuǎn)換并作數(shù)據(jù)的相應(yīng)處理。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用12位分辨率，轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間約為750ms。因?yàn)槭菃吸c(diǎn)測溫，不需要CRC校驗(yàn)。圖45為讀溫度子程序流程圖圖45 讀溫度子程序流程圖溫度設(shè)定模塊是用來設(shè)定溫度的，通過4X4鍵盤輸入想要控制的溫度值。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過中斷進(jìn)行掃描。 系統(tǒng)中中斷采用的是外部中斷0，外部中斷0的初始化子程序在主程序開始時(shí)即被調(diào)用，當(dāng)鍵盤上有鍵按下時(shí)，即產(chǎn)生一個(gè)外部中斷0，執(zhí)行中斷子程序，獲取輸入的設(shè)定值，之后中斷回。 圖46為中斷服務(wù)子程序的流程圖 圖46 中斷服務(wù)子程序流程圖 鍵盤掃描子程序鍵盤的掃描是中斷掃描，若有鍵按下，則從第一行開始掃描，直到確定按鍵的行與列，確定鍵值，并返回鍵值。圖47為鍵盤掃描子程序流程圖圖47 鍵盤掃描子程序流程圖溫度顯示模塊要顯示的溫度有設(shè)定值與實(shí)際值。設(shè)定的數(shù)值范圍為自然狀態(tài)下室溫125℃且為整數(shù)，所以四位七段的數(shù)碼管的左數(shù)第一位的位選信號始終被置零，P0口進(jìn)行段選，P2口的低四位依次進(jìn)行千、百、十、個(gè)位的數(shù)碼管的位選。圖48為設(shè)定值顯示子程序的流程圖圖48 設(shè)定值顯示子程序 實(shí)際值顯示子程序?qū)嶋H值是一個(gè)溫室自然狀態(tài)下的室溫125℃之間的數(shù)，其帶有一位小數(shù)，四位八段的數(shù)碼管從左至右依次是百位、十位、個(gè)位、十分位。數(shù)碼管的段選口還是P0口，P2口的低四位依次是百位、十位、各位、十分位數(shù)碼管的位選口線。圖49為實(shí)際值顯示子程序的流程圖。圖49 實(shí)際值顯示子程序流程圖溫度控制模塊簡單的說就是要實(shí)現(xiàn)溫度的控制，實(shí)際溫度高于設(shè)定值，降溫；實(shí)際溫度低于設(shè)定值，加熱。系統(tǒng)中加熱的裝置為PTC加熱器。溫室環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜分布式參數(shù)系統(tǒng)，由于其本身的復(fù)雜性和外界大氣候較強(qiáng)的影響，要使自控系統(tǒng)將其控制到一定的指標(biāo)上存在一定的難度，但由于溫室內(nèi)作物對于各種參數(shù)變化不是很敏感，因此，沒有必要將各種參數(shù)進(jìn)行精確控制，只要控制在一段適宜的范圍內(nèi)即可，又考慮到本智能終端的通用性，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用實(shí)現(xiàn)起來比較簡單的雙位控制算法。雙位控制又稱為繼電器接觸控制，理想的雙位控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：雙位控制規(guī)律是測量值大于(或小于)給定值時(shí)，控制器的輸出為最大(或最小)值，即系統(tǒng)只有兩個(gè)輸出值，在此系統(tǒng)中。其只有“1”和“0”這兩種狀態(tài)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)也只有“開和“關(guān)兩個(gè)極限工作位置。給定溫度的設(shè)定值，當(dāng)被控溫室的溫度低于設(shè)定值時(shí)，PTC加熱器工作，而當(dāng)溫室內(nèi)的溫度高于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉PTC加熱器，從而實(shí)現(xiàn)溫度的控制。雙位控制對象特性好、負(fù)荷變化較小、過程滯后小、允許被控制參數(shù)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，可以適用于溫室系統(tǒng)的控制。圖410為溫度控制子程序流程圖圖410 溫度控制子程序流程圖報(bào)警模塊的工作很簡單，就是判斷實(shí)際溫度超上限或低下限報(bào)警。圖411為報(bào)警控制子程序流程圖圖411報(bào)警控制子程序流程圖29 第五章 結(jié)果分析 PROTEUS仿真總體電路原理圖設(shè)計(jì)好后，在KEIL3里用C語言編出相應(yīng)的程序，程序調(diào)試在沒有問題后，接著就對程序進(jìn)行仿真，總體思路是：由局部到整體。首先進(jìn)行鍵盤設(shè)定溫度值并用數(shù)碼管顯示的仿真，再進(jìn)行DS18B20采集溫度并用數(shù)碼管顯示的仿真，這兩個(gè)關(guān)鍵部分完成后，就進(jìn)行總體程序的仿真。 鍵盤設(shè)定溫度仿真將44鍵盤的掃描程序編好后，在PROTEUS里進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)我按下某個(gè)按鍵時(shí)，數(shù)碼管的百位，十位，各位顯示的都是那個(gè)鍵的值，比如我按下3的時(shí)候，這三個(gè)位的數(shù)碼管都是3，思考了許久，我初步判斷原因可能是是按鍵按下后，因?yàn)殒I盤一直處于按下的狀態(tài)，而按鍵掃描程序掃描按鍵的速度非?？?，以至于我按下一次，鍵盤掃描了好些次，如此想后，我就設(shè)定一個(gè)標(biāo)志位，按鍵按下置1，鍵抬起置0，但效果依舊不佳；最后，我在掃描每行鍵的最后都加上一個(gè)判斷按鍵是否釋放的程序，如釋放，再讀取鍵值，如此之后，就能正確輸入按鍵的值，比如，我要輸入123，就只需要依次按下3。如圖51所示，鍵盤設(shè)定初值32℃并用數(shù)碼管顯示圖51 鍵盤設(shè)定溫度32℃仿真 溫度采集仿真根據(jù)DS18B20的時(shí)序圖編好程序并在KEIL3里檢查好語法沒有錯(cuò)誤后，鏈接到PROTEUS里進(jìn)行仿真。開始在PROTEUS里設(shè)定改變溫度的步長為1℃，在軟件里也就相應(yīng)的將采集到的溫度設(shè)置為整數(shù)，上下限與這個(gè)整數(shù)相差為一度。這樣會(huì)使誤差加大，℃，程序也做出相應(yīng)的的修改，使實(shí)際溫度保留一位小數(shù)。仿真能夠獲取實(shí)際溫度，這個(gè)實(shí)際溫度可從DS18B20的仿真模型中設(shè)置。如圖52所示，PROTEUS仿真溫度采集，℃。圖52 溫度采集仿真 整體仿真因?yàn)閷?shí)際溫度保留一位小數(shù)，在仿真的時(shí)候，就出現(xiàn)了一個(gè)錯(cuò)誤，比如，我設(shè)定的溫度為28攝氏度時(shí)，在正確的情況下，蜂鳴器會(huì)在實(shí)際溫度小于27℃和大于29℃報(bào)警，但是仿真出來的結(jié)果是小于27℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，但是當(dāng)溫度大于29℃時(shí)蜂鳴器并未報(bào)警，直至實(shí)際大于30