【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 熱電偶的傳感器信號(hào)與恒定溫度的給定電壓進(jìn)行比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，生成溫差電壓 Vt，PLC 自適應(yīng)恒溫控制電路，根據(jù) Vt 的大小計(jì)算出全通、間接導(dǎo)通和全斷的自適應(yīng)恒溫控制電路，并將占空比可調(diào)的控制電平經(jīng)輸出隔離電路去控制可控硅門(mén)極的通斷，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的恒溫控制。若溫度升的過(guò)快，PLC 也將輸出關(guān)斷電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為可控硅電路相匹配的輸入信號(hào)。若要快速減低溫度，PLC 可以將輸出的關(guān)斷可控硅的來(lái)是實(shí)現(xiàn)對(duì)電風(fēng)扇的粗略調(diào)速，實(shí)現(xiàn)溫度控制的恒定。該方案一個(gè)重大的難點(diǎn)是，其紅外的遙控的實(shí)現(xiàn)比較有難度大，同時(shí)成本也相對(duì)高。但是工作較為穩(wěn)定。單片機(jī)顯 示越限報(bào)警鍵 盤(pán)控制器目標(biāo)環(huán)境加熱器 電風(fēng)扇數(shù)字式溫度傳感器智 能 型熱 電 耦溫 度 表 SZ4PLC輸 出隔 離電 路 可控硅 爐體給 定 值熱 電 耦 Vt控 制 電 平 電 熱 絲圖 方案二的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 利用模擬的 PID 調(diào)節(jié)的調(diào)溫控制系統(tǒng)基于模擬 PID 調(diào)節(jié)的恒溫控制系統(tǒng)由數(shù)字電路部分和模擬電路兩部分組成，其控制系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)框圖如圖 所示。由按鍵設(shè)定某一溫度，單片機(jī)對(duì)設(shè)定溫度值進(jìn)行查表計(jì)算后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)字值，通過(guò) 16 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到與之精確對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，此電壓值于熱敏電阻實(shí)際測(cè)量的電壓值進(jìn)行比較產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)，經(jīng)過(guò) PID電路后，獲得一個(gè)控制量給制冷元件構(gòu)成實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)際測(cè)量的電壓值并顯示在液晶屏上。改方案和方案相差不多，溫度測(cè)量精度不是很高，硬件電路相對(duì)復(fù)雜些，但是測(cè)量范圍比較大。圖 方案三的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)計(jì)方案 控制模塊的選擇，數(shù)字比較器與模擬控制器相比較，數(shù)字比較器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 模擬調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限，當(dāng)控制規(guī)律較為復(fù)雜時(shí)，就難以甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字控制器能實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜控制規(guī)律的控制。 計(jì)算機(jī)具有分時(shí)控制能力，可實(shí)現(xiàn)多回路控制。 數(shù)字控制器具有靈活性。而且控制規(guī)律可靈活多樣，可用一臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)不同的回路實(shí)現(xiàn)不同的控制方式，并且修改控制參數(shù)或控制方式一般只需改變控制程序即可，使用起來(lái)簡(jiǎn)單方便，可大大的改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。 采用計(jì)算機(jī)除實(shí)現(xiàn) PID 數(shù)字控制外，還能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示等其他功能。綜合考慮，本設(shè)計(jì)控制模塊采用數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器。對(duì)于方案一，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，雖然該方案成本低，可靠性高，抗干擾性強(qiáng)，但對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)合是不合適的，而且還不能滿足本次設(shè)計(jì)的部分要求，而對(duì)于方案二，采用 PLC 實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于 PLC 成本高，且 PLC 是外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)，由于數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)，運(yùn)算量大，只要選擇合適的參數(shù)對(duì)于溫度的控制精度往往能達(dá)到較好的效果。為了使設(shè)計(jì)的成本低、抗干擾強(qiáng)，可以遙控設(shè)定溫度以及啟動(dòng)其他的控制功能，在滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)液 晶 顯 示復(fù) 位E2PROM 單片機(jī) DAAD鍵 盤(pán) PID電 路熱 敏 電阻 及 反饋 電 路 功 放制 冷元 件性能和在一定精度的前提下，本次設(shè)計(jì)方案的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示：通過(guò)單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行 PID 運(yùn)算，輸出控制信號(hào)來(lái)控制可控硅觸發(fā)電路，從而控制可控硅通斷率，通過(guò)調(diào)節(jié)加熱功率和啟動(dòng)電風(fēng)扇快速降溫即可達(dá)到調(diào)溫的目的。圖 設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)框圖2 調(diào)溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)由于考慮到要盡量降低成本和避免復(fù)雜的電路，此系統(tǒng)所用到的元器件均為常用的電子器件。主控器采用低功耗、高性能、片內(nèi)含 4k byte 可系統(tǒng)編程的 flash 只讀程序存儲(chǔ)器、CMOS8 位單片機(jī)、兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 指令系統(tǒng)及引腳的 AT89S51；溫度傳感器采用 DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20；采用控制端 TTL 電平，即可實(shí)現(xiàn)諸如繼電器的開(kāi)關(guān)，使用時(shí)完全可以用 NPN 型三極管接成電壓跟隨器的形式驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)所需要的+5V 工作電源是通過(guò) 220V 交流電壓通過(guò)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波得到。紅外遙控的發(fā)射和接收則用帶地址的編碼解碼集成芯片 PT2262 和 PT2272；實(shí)時(shí)控制的顯示屏、鍵盤(pán)、通過(guò)單片機(jī)來(lái)完成鍵盤(pán)掃描與輸出動(dòng)態(tài)顯示。下面是我對(duì)本次硬件電路所作的相關(guān)介紹和具體設(shè)計(jì)。 AT89S51 單片機(jī)介紹 單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89S51 的結(jié)構(gòu)如圖 所示。由于它的廣泛使用使得在市面上價(jià)格較8158258279 要低，所以說(shuō)用它是很經(jīng)濟(jì)的。該芯片具有如下功能特性： ● 與 MCS51 單片機(jī)產(chǎn)品兼容 ● 4K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器 ● 1000 次擦寫(xiě)周期 ● 全靜態(tài)工作：0Hz—33MHz ● 32 個(gè)可編程 I/O 口線● 2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 圖 AT89S51 單片機(jī)及其引腳● 6 個(gè)中斷源● 全雙工 UART 串行通道 ● 低功耗空閑和掉電模式● 掉電后中斷可喚醒 ● 看門(mén)狗定時(shí)器● 雙數(shù)據(jù)指針● 靈活的 ISP 編程（字或字節(jié)模式）● 電壓工作范圍圖 是單片機(jī) AT89S51 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)總框圖。它可以劃分為 CPU、存儲(chǔ)器、并行口、串行口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷邏輯幾個(gè)部分。● CPU 由運(yùn)算器和控制邏輯構(gòu)成。其中包括若干特殊功能寄存器（SFR）● AT89S51 時(shí)鐘有兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部方式和外部方式。 （如圖 所示）● AT89S51 在物理上有四個(gè)存儲(chǔ)空間：片內(nèi)/片外程序存儲(chǔ)大路、片內(nèi)/片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。片內(nèi)有 256B 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和 4KB 的程序存儲(chǔ)器 ROM。除此之外，還可以在片外擴(kuò)展 RAM 和 ROM，并且和有 64KB 的尋址范圍?！?AT89S51 內(nèi)部有一個(gè)可編程的、全雙工的串行接口。它串行收發(fā)存儲(chǔ)在特殊功能寄存器 SFR 的串行數(shù)據(jù)緩沖器 SBUF 中的數(shù)據(jù)。圖 AT89S51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖● AT89S51 共有 4 個(gè)（P0、PPP3 口）8 位并行 I/O 端口，共 32個(gè)引腳。P0 口雙向 I/O 口，用于分時(shí)傳送低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)信號(hào)；PPP3 口均為準(zhǔn)雙向 I/O 口；其中 P2 口還用于傳送高 8 位地址信號(hào)；P3 口每一引腳還具有特殊功能（表 ） ，用于特殊信號(hào)的輸入輸出和控制信號(hào)?！?AT89S51 內(nèi)部有兩個(gè) 16 位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T0、T1。最大計(jì)數(shù)值為 2161。工作方式和定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的選擇由指令來(lái)確定。圖 AT89S51 的時(shí)鐘電路表 P3 口引腳的特殊功能引腳號(hào) 第二功能 RXD(串行輸入) TXD（串行輸出） （外部中斷 0）INT （外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0 外部輸入） T1（定時(shí)器 1 外部輸入） （外部數(shù)據(jù)寫(xiě)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）WR （外部數(shù)據(jù)寫(xiě)存儲(chǔ)器讀選通）D● 中斷系統(tǒng)允許接受 5 個(gè)獨(dú)立的中斷源，即兩個(gè)外部中斷，兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷以及一個(gè)串行口中斷。（引腳功能）AT89S51 芯片有 40 條引腳，雙列直插式封裝引腳圖如 所示：● Vcc(40)：電源+5V● Vss(20): 接地● XTAL1（19）和 XTAL2（18）：使用內(nèi)部振蕩電路時(shí)，用來(lái)接石英晶體和電容；使用外部時(shí)鐘時(shí)，用來(lái)輸入時(shí)鐘脈沖?！?P0 口（39—32）：雙向 I/O 口，既可作地址/數(shù)據(jù)總線口用，也可作普通I/O 口用?！?P1 口（1—8）：準(zhǔn)雙向通用 I/O 口?！?P2 口（21—28）：準(zhǔn)雙向口，既可作地址總線口輸出地址高 8 位，也可作普通 I/O 口用?！?P3 口（10—17）：多用途口，既可作普通 I/O 口，也可按每位定義的第二功能操作。● ALE/ （30）：地址鎖存信號(hào)輸出端。在訪問(wèn)片外豐儲(chǔ)器時(shí)，若 ALE 為PROG有效高電平，則 P0 口輸出地址低 8 位，可以用 ALE 信號(hào)作外部地址鎖存信號(hào)。公式（2—1）f ALE=1/6fOSC ,也可作系統(tǒng)中其它芯片的時(shí)鐘源。第二功能 是對(duì) EPROMPROG編程時(shí)的編程脈沖輸入端?！?RST/V PD（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端。AT89S51 接能電源后，在時(shí)鐘電路作用下，該腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，使內(nèi)部復(fù)位。第二功能是 VPD，即備用電源輸入端。當(dāng)主電源 Vcc 發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定值時(shí)，V PD將為 RAM 提供備用電源，發(fā)保證存儲(chǔ)在 RAM 中的信號(hào)不丟失。● /Vpp(31):內(nèi)部和外部程序存儲(chǔ)器選擇線。 =0 時(shí)訪問(wèn)外部 ROM 0000H—EAEAFFFFH； =1 時(shí)，地址 0000H—0FFFH 空間訪問(wèn)內(nèi)部 ROM，地址 1000H—FFFFH 空間訪問(wèn)外部 ROM。● （29）：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。PSN 單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路時(shí)鐘電路單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳 ，輸出端為引腳1XTAL。而在芯片外部 和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一2XTAL1XTAL2個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快，但反過(guò)來(lái)運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為 12MHz 的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過(guò)二分頻后才作為系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。需要注意的是：電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)靠近，以減小寄生電容的存在，更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖 所示。圖 時(shí)鐘電路復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。(1)上電復(fù)位： 在加電之后通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng) 的上升時(shí)間不超過(guò)CV1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的初始化電路原理圖。RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長(zhǎng)時(shí)間，滿足復(fù)位操作的要求。 (2)按鍵復(fù)位：程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效。按鍵復(fù)位又分按鍵脈沖復(fù)位（圖 ）和按鍵電平復(fù)位。電平復(fù)位將復(fù)位端通過(guò)電阻與 相連，按鍵CV脈沖復(fù)位是利用 RC 分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位的。 圖 按鍵復(fù)位電路(3)注意：因?yàn)榘存I脈沖復(fù)位是利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖來(lái)達(dá)到復(fù)位的。所以電平復(fù)位要將復(fù)位端通過(guò)電阻與 R、C 的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，單CV片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。故本設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位。 溫度傳感器溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換部分是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，直接影響系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量方法是：利用溫度傳感器例如 AD590，將測(cè)量的溫度轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)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(lái)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)采用了數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20。DS18B20 支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度的范圍為55176。C～+125176。C，現(xiàn)場(chǎng)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(I/O)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，引腳如圖 所示。 圖 DS18B20引腳溫度采集電路模塊如圖 所示。DS18B20 的 2 腳接系統(tǒng)中單片機(jī)的 口，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。 圖 DS18B20 溫度采樣（測(cè)量）電路DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)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Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8MS Byte 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 位的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)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(cè)到的數(shù)值需要取反碼后加 1（即是補(bǔ)碼）再乘于 即可得到實(shí)際溫度。16 進(jìn)制的溫度表示如下，其中最高位為符號(hào)位負(fù)溫度 S=1；正溫度，S=0。 如：0550H 為+85 ℃；0191H 為 ℃；FC90H 為55℃ 。 電源電路根據(jù)本次的設(shè)計(jì)需要，可以將電源電路可分為三大塊：變壓部分、整流濾波部分、穩(wěn)壓部分。完整的電源電路如圖 所示。圖 電源電路 電源變壓器變壓部分其實(shí)就是一個(gè)變