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基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計_大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書論文理工類-資料下載頁

2024-08-31 17:37本頁面

【導(dǎo)讀】量,因此單片機(jī)被廣泛應(yīng)用在中小型控制系統(tǒng)中。本論文以電阻爐為研究對象,開發(fā)了基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。溫度傳感器采用了數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,對溫度進(jìn)行實(shí)時采樣并將。模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號返回給單片機(jī)。系統(tǒng)可通過鍵盤對電阻爐水溫進(jìn)行預(yù)設(shè),單。值并保持恒定不變。以使其穩(wěn)定運(yùn)行,最終使得此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度的恒溫控制。

  

【正文】 圖 12 LCD1602 芯片管腳圖 接口引腳及其功能介紹: 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 23 表 12 接口引腳及其功能 引腳號 符號 狀態(tài) 功 能 1 Vss 電源地 2 Vdd 電源 +5V 3 V0 液晶驅(qū)動電源 4 RS 輸入 寄存器選擇 5 R/W 輸入 讀、寫操作 6 E 輸入 使能信號 7 DB0 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線( LSB) 8 DB1 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 9 DB2 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 10 DB3 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 11 DB4 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 12 DB5 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 13 DB6 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線 14 DB7 三態(tài) 數(shù)據(jù)總線( MSB) 15 LEDA 輸入 背光 +5V 16 LEDK 輸入 背光地 V0:液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時對比度最弱,接地電源時對比度最高,對比度過高時會產(chǎn)生 “鬼影 ”,使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 24 RS: 寄存器選擇,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器;低電平時選擇指令寄存器。 R/W:讀寫信號線,高電平時進(jìn)行讀操作,低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng) RS 和 R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址;當(dāng) RS 為高電平 R/W 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 E:使能端,當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時,液晶模塊執(zhí)行命令。 LCD1602 控制指令如表 13 所示: 表 13 LCD1602 有 11 個控制指令 指令 功能 清屏 清 DDRAM 和 AC 值 歸位 AC=0,光標(biāo)、畫面回 HOME 位 輸入方式設(shè)置 設(shè)置光標(biāo)、畫面移動方式 顯示開關(guān)控制 設(shè)置顯 示、光標(biāo)及閃爍開、關(guān) 光標(biāo)、畫面位移 光標(biāo)、畫面移動,不影響 DDRAM 功能設(shè)置 工作方式設(shè)置(初始化指令) CGRAM 地址設(shè)置 設(shè)置 CGRAM 地址。 A5~A0=0~3FH DDRAM 地址設(shè)置 DDRAM 地址設(shè)置 讀 BF 及 AC 值 讀忙標(biāo)志 BF 值和地址計數(shù)器 AC 值 寫數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)寫入 DDRAM 或 CGRAM 內(nèi) 讀數(shù)據(jù) 從 DDRRAM 或 CGRAM 數(shù)據(jù)讀出 清屏指令如表 14 所示: 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 25 表 14 清屏指令 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 開關(guān)控制指令如表 15 所示: 表 15 開關(guān)控制指令 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 0 1 D C B 開關(guān)控制指令功能:設(shè)置顯示、光標(biāo)及閃爍開、關(guān)。 其中: D 表示顯示開關(guān): D=1 為開, D=0 為關(guān); C 表示光標(biāo)開關(guān): C=1 為開, C=0 為關(guān); B 表示閃爍開關(guān): B=1 為開, B=0 為關(guān)。 光標(biāo)、畫面位移指令如表 16 所示: 表 16 光標(biāo)、畫面位移指令 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 光標(biāo)、畫面位移指令功能:光標(biāo)、畫面移動,不影響 DDRAM。 其中: S/C=1:畫面平移一個字符位; S/C=0:光標(biāo)平移一個字符位; R/L=1:右移; R/L=0:左移。 功能設(shè)置指令如表 17 所示: 基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 26 表 17 功能設(shè)置指令 RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 0 0 1 DL N F * * 功能設(shè)置指令功能:工作方式設(shè)置(初始化指令)。 其中: DL=1, 8 位數(shù)據(jù)接口; DL=0,四位數(shù)據(jù)接口; N=1,兩行顯示; N=0,一行顯示; F=1, 5?10 點(diǎn)陣字符; F=0, 5?7 點(diǎn)陣字符。 讀寫控制時序如表 18 所示: 表 18 讀寫控制時序 RS R/W E 功能 0 0 下降沿 寫 指令代碼 0 1 高電平 讀忙標(biāo)志和 AC 碼 1 0 下降沿 寫數(shù)據(jù) 1 1 高電平 讀數(shù)據(jù) 溫度設(shè)定部分 設(shè)定部分主要是鍵盤輸入,此部分主要由兩個按鍵組成, PLAS 為加, SUBS 為減,當(dāng)系統(tǒng)啟動時,默認(rèn)設(shè)定溫度為 30℃,當(dāng)按下 PLAS 時設(shè)置水溫增加,按下 SUBS時設(shè)置水溫減小。 此部分按鍵為常開按鈕,當(dāng)不觸發(fā)時為斷開狀態(tài),按鍵按下之后與地連接,故為低電平,單片機(jī)讀取按鍵數(shù)據(jù)為低電平時有效。 溫度顯示 /設(shè)定 模塊電路圖 溫度顯示模塊的電路圖如圖 13 所示。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 27 第 1 腳: VSS 為電源地 第 2 腳: VDD 接 5V電源正極 第 3 腳: VEE 為液晶對比度調(diào)整端,接 正極 時對比度弱,接 負(fù)極 時對比度 高。 第 4 腳: RS 為寄存器選擇,高電平時選數(shù)據(jù)寄存器、低電平 時選 指令寄存器。 第 5 腳: RW 為讀寫信號線,高電平 時進(jìn)行讀操作,低電平時進(jìn)行寫操作。 第 6 腳: E(或 EN)端為使能( enable)端。 第 7~ 14 腳: D0~ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)端。此處為 P0 口輸出,因?yàn)?P0 口的電壓過于微弱,所以添加上拉電阻使其能夠驅(qū)動 LCD 液晶顯示屏。 圖 13 溫度顯示模塊設(shè)計電路圖 基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 28 溫度控制模塊 此模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),將單片機(jī)端口輸出的 PWM 方波 通過光電耦合器精確轉(zhuǎn)化成可控硅的開斷,從而控制電熱絲功率的變化。 可控硅 BTA16 一種以硅單晶為基本材料的 P N P N2 四層三端器件,創(chuàng)制于 1957 年,由于它特性類似于真空閘流管,所以國際上通稱為硅晶體閘流管,簡稱可控硅 T。又由于可控硅最初應(yīng)用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件,簡稱為可控硅SCR。在性能上,可控硅不僅具有單向?qū)щ娦?,而且還具有比硅整流元件(俗稱 “死硅 ”)更為可貴的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。可控硅能以毫安級電流控制大功率的機(jī)電設(shè)備,如果超過此頻率,因元件開關(guān)損耗顯著增加 ,允許通過的平均電流相降低,此時,標(biāo)稱電流應(yīng)降級使用。 可控硅的優(yōu)點(diǎn)很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍;反應(yīng)極快,在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷;無觸點(diǎn)運(yùn)行,無火花、無噪音;效率高,成本低等等。可控硅的弱點(diǎn):靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差;容易受干擾而誤導(dǎo)通??煽毓鑿耐庑紊戏诸愔饕校郝菟ㄐ巍⑵桨逍魏推降仔?。 不管可控硅的外形如何,它們的管芯都是由 P 型硅和 N 型硅組成的四層P1N1P2N2 結(jié)構(gòu)。見圖 1。它有三個 PN結(jié)( J J J3),從 J1 結(jié)構(gòu)的 P1 層引出陽極 A,從 N2 層引出陰級 K,從 P2 層引出控制 極 G,所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件。可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號圖 如圖 14 所示。 圖 14 可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號圖 可控硅是 P N P N2 四層三端結(jié)構(gòu)元件,共有三個 PN 結(jié),分析原理時,可以把它看作由一個 PNP 管和一個 NPN 管所組成,其等效圖解如圖 15 所示 。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 29 圖 15 可控硅內(nèi)部等效圖 當(dāng)陽極 A 加上正向電壓時, BG1 和 BG2 管均處于放大狀態(tài)。此時,如果從控制極 G 輸入一個正向觸發(fā)信號, BG2 便有基流 ib2 流過,經(jīng) BG2 放大,其集電極電流ic2=β2ib2。因?yàn)?BG2 的集電極直接與 BG1 的基極相連,所以 ib1=ic2。此時,電流ic2 再經(jīng) BG1 放大,于是 BG1 的集電極電流 ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個電流又流回到BG2 的基極,表成正反饋,使 ib2 不斷增大,如此正向饋循環(huán)的結(jié)果,兩個管子的電流劇增,可控硅使飽和導(dǎo)通。 由于 BG1 和 BG2 所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?,所以一旦可控硅?dǎo)通后,即使控制極 G的電流消失了,可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài),由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用,沒有關(guān)斷功能,所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。 由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀 態(tài),所以它具有開關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件 如 表 19 所示: 表 19 可控硅開關(guān)特性 表 狀 態(tài) 條 件 說 明 從關(guān)斷 到導(dǎo)通 陽極電位高于陰極點(diǎn)位, 控制極有足夠的正向電流和電壓 兩者缺一不可 維持導(dǎo)通 陽極電位高于陰極點(diǎn)位, 陽極電流大于維持電流 兩者缺一不可 從導(dǎo)通 到關(guān)斷 陽極電位低于陰極點(diǎn)位, 陽極電流小于維持電流 任一條件都可 ( a) 反向特性 當(dāng)控制極開路,陽極加上反向電壓時(見圖 16), J2 結(jié)正偏,但 J J2 結(jié)反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流,當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到 J1 結(jié)的雪崩擊穿電壓后,基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 30 接差 J3 結(jié)也擊穿,電流迅速增加,圖 16 的特性開始彎曲,如特性 OR 段所示,彎曲處的電 壓 URO 叫 “ 反向轉(zhuǎn)折電壓 ” 。此時,可控硅會發(fā)生永久性反向 。 圖 16 陽極加 反 向電壓 ( b) 正向特性 當(dāng)控制極開路,陽極上加上正向電壓時(見圖 17), J J3 結(jié)正偏,但 J2 結(jié)反偏,這與普通 PN 結(jié)的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態(tài),當(dāng)電壓增加,圖 424 的特性發(fā)生了彎曲,如特性 OA 段所示,彎曲處的是 UBO 叫:正向轉(zhuǎn)折電壓 。 圖 17 陽極加正向電壓 由于電壓升高到 J2 結(jié)的雪崩擊穿電壓后, J2 結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng),在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴,電子時入 N1 區(qū),空穴時入 P2 區(qū)。進(jìn)入 N1 區(qū)的電 子與由 P1 區(qū)通過 J1 結(jié)注入 N1 區(qū)的空穴復(fù)合,同樣,進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴與由 N2 區(qū)通過 J3 結(jié)注入P2 區(qū)的電子復(fù)合,雪崩擊穿,進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與進(jìn)入 P2 區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉 。 這樣,在 N1 區(qū)就有電子積累,在 P2 區(qū)就有空穴積累,結(jié)果使 P2 區(qū)的電位升高, N1 區(qū)的電位下降, J2 結(jié)變成正偏,只要電流稍增加,電壓便迅速下降,出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性。 這時 J J J3 三個結(jié)均處于正偏,可控硅便進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài) — 通態(tài),此時,它的特性與普通的 PN 結(jié)正向特性相似 。 沈陽航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文) 31 光電偶合器 MOC3021 光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電 一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi),彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端,受光器的引腳為輸出端,常見的發(fā)光源為發(fā)光二極管,受光器為光敏二極管、光敏三極管等等。光電耦合器的種類較多,常見有光電二極管型、光電三極管型、光敏電阻型、光控晶閘管型、光電達(dá)林頓型、集成電路型等。MOC3021 結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 18 所示 : 圖 18 MOC3021 結(jié)構(gòu)示意圖 在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光源發(fā)光,光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小,此光照射到封裝在一起的受光器上后, 因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流,由受光器輸出端引出,這樣就實(shí)現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。 基本工作特性 : ( 1) 共模抑制比很高 在光電耦合器內(nèi)部,由于發(fā)光管和受光器之間的耦合電容很小( 2pF 以內(nèi))所以共模輸入電壓通過極間耦合電容對輸出電流的影響很小,因而共模抑制比很高。 ( 2) 輸出特性 光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流 IF 下,光敏管所加偏置電壓 VCE與輸出電流 IC 之間的關(guān)系,當(dāng) IF=0 時,發(fā)光二極管不發(fā)光,此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流,一般很小。當(dāng) IF0 時,在一定的 IF 作用下,所對應(yīng)的 IC基本上與 VCE 無關(guān)。 IC 與 IF 之間的變化成線性關(guān)系,用半導(dǎo)體管特性圖示儀測出的光電耦合器的輸出特性與普通晶體三極管輸出特性相似。 基于單片機(jī)的電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 32 溫度控制模塊 電路圖 此部分電路主要由光電耦合器和可控硅組成 , 光電耦合器與單片機(jī)端口相連, 可以根據(jù)端口信號的變化迅速做出反應(yīng),延時時間短。 由于單片機(jī)的端口電壓不足以驅(qū)動光電耦合器,故令其低電平觸發(fā),外加上拉電阻。 與外部電阻爐相連的部分是可控硅,與光電耦合器配合輸出,以弱點(diǎn)控制強(qiáng)電,控制電阻爐的開斷頻率,以達(dá)到加熱目的。 由主控單片機(jī)運(yùn)算輸出脈沖寬度可調(diào)的 PWM 波用于雙向可控硅在 1s 內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)斷數(shù)從而調(diào)節(jié)
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