【正文】 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 時進行讀操作，低電平時進行寫操作。 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，因為 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。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 11 溫度顯示模塊設(shè)計電路圖 溫度控制模塊 此模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，將單片機端口輸出的 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娦裕疫€具有比硅整流元件（俗稱 “死硅 ”）更為可貴畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 的可控性。它只有導通和關(guān)斷兩種狀態(tài)?？煽毓枘芤院涟布夒娏骺刂拼蠊β实臋C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，標稱電流應(yīng)降級使用。 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體器件?？煽毓杞Y(jié)構(gòu)示意圖和符號圖 如圖 12 所示。 圖 12 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 13 所示 。 圖 13 可控硅內(nèi)部等效圖 當陽極 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。因為 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，可控硅使飽和導通。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 由于 BG1 和 BG2 所構(gòu)成的正反饋作用，所以一旦可控硅導通后，即使控制極 G 的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導通狀態(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 到導通 陽極電位高于陰極點位， 控制極有足夠的正向電流和電壓 兩者缺一不可 維持導通 陽極電位高于陰極點位， 陽極電流大于維持電流 兩者缺一不可 從導通 到關(guān)斷 陽極電位低于陰極點位， 陽極電流小于維持電流 任一條件都可 （ a） 反向特性 當控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖 14）， 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，當電壓進一步提高到 J1 結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差 J3 結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖 14 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 14 陽極加 反 向電壓 （ b） 正向特性 當控制極開路，陽極上加上正向電壓時（見圖 15）， J J3 結(jié)正偏，但 J2 結(jié)反偏，畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 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 15 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，進入 N1 區(qū)的電子與進入 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)所謂負阻特性。 這時 J J J3 三個結(jié)均處于正偏，可控硅便進入正向?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 。 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、光電達林頓型、集成電路型等。 MOC3021結(jié)構(gòu)示意圖如 圖 16 所示 ： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 圖 16 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 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 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。 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，以弱點控制強電，控制電阻爐的開斷頻率，以達到加熱目的。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 由主控單片機運算輸出脈沖寬度可調(diào)的 PWM波用于雙向可控硅在 1s內(nèi)的導通和關(guān)斷數(shù)從而調(diào)節(jié)輸出給電爐的功率，這樣使得水溫穩(wěn)定在設(shè)定值上。 接線圖如圖 17 所示 ： 圖 17 溫度控制模塊設(shè)計電路圖 畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)主程序 軟件設(shè)計的主要思想就是 DS18B20 溫度檢測，控制加熱控制組件對水溫進行恒定控制，并且將溫度在 LCD 上顯示。還可通過鍵盤控制設(shè)定溫度的增加和減少。主程序主要包括系統(tǒng)初始化、采樣溫度值、掃描鍵盤以及實時顯示模塊等。由于本設(shè)計設(shè)有鍵盤和顯示子程序，實驗結(jié)果一目了然。 主程序的流程圖如圖 18 所示： 圖 18 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 初始化 DS18B20 讀取溫度數(shù)據(jù) 等待定時中斷 控制算法 輸出控制脈沖 溫度設(shè)定 Y N 顯示溫度 鍵盤按下？ 畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 溫度采集子程序 溫度測量通過 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器測量 水槽 溫度，將 水槽 溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量接入 STC89C52 單片機中。在通過與控制溫度比較對 可控硅 進行控制。 溫度采集 的流程圖如圖 19 所示： 圖 19 溫度采集流程圖 顯示子程序 水溫溫度值和鍵盤設(shè)定值都要通過 LCD 液晶 顯示出來，顯示子程序必不可少，將要顯示的水溫溫度和控制溫度所對應(yīng)的 BCD 碼存入 STC89C52 單片機 儲存單元中，通過控制信號顯示在相應(yīng)的顯示器上。 顯示數(shù)據(jù)有 2 行，每行的前部為固定英文字符，每行的后部為變化數(shù)值 ，每 行字符都有對應(yīng)的顯示位置和顯示內(nèi)容，這些參數(shù)已在程序中設(shè)定完成 。程序直接利用查表方法來得到顯示段碼 。 DS18B20初始化 跳過 ROM 溫度轉(zhuǎn)化指令 匹配 ROM 讀出溫度指令 讀出溫度值 畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 溫度設(shè)定子程序 首先調(diào)用掃描子程序，檢查有無閉合鍵。若無閉合鍵，則對數(shù)碼顯示器掃描顯示一遍；若有閉合鍵，則先消抖。接著進行掃描判斷，判別閉合鍵的具體位置以及獲取對應(yīng)的鍵值。 設(shè)計 電路中有 兩 個按鍵，分別是溫度溫度上調(diào) 、 溫度下調(diào)，如按一下 S1 進入溫度設(shè)定狀態(tài)，設(shè)定值每秒閃爍一次，這時可以按 PLUS 或 SUBS 行調(diào)節(jié)，設(shè)置一個上限溫度，這個設(shè)定值會保存在 DS18B20 中，掉電后也不會丟失，下次上電時，單片機會自動讀入上次的溫度設(shè)定值。 控制算法 由于此溫度控制系統(tǒng)并沒有冷卻裝置，所以根據(jù)實際情況判斷，水溫不能存在超調(diào)現(xiàn)象，溫度值 必須要求從低到高逐漸逼近設(shè)定值。 開始考慮使用 PID 算法，由于此算法結(jié)合比例、積分、微分算法，可使控制量以最短的時間到達指定數(shù)值，但是考慮到本系統(tǒng)并沒有冷卻裝置，溫度一旦超調(diào)則無法冷卻使其在設(shè)定值間震蕩，而冷卻只能依靠本身與周圍環(huán)境的熱交換來完成， 降溫速度很慢，無法完成迅速冷卻，故本系統(tǒng)考慮采用預(yù)先設(shè)定與溫度相對應(yīng)的 PWM 數(shù)值 。 當 設(shè)定溫度和實際溫度的差值的絕對值 小于 10℃ 時 ，則立即 跳入相應(yīng) PWM 值 控制熱阻 進行加熱。 當設(shè)定溫度和實際溫度的差值的絕對值大于 10℃ ， 熱阻持續(xù)加熱。 當設(shè)定溫度小于實際溫度則立即停止 加熱。 熱電阻加熱的過程中，被加熱的水向上流動，導致爐子上部的溫度大于下部溫度，如果將傳感器放在底部，則當溫度到達設(shè)定溫度時，冷熱水充分混合之后往往大于設(shè)定溫度，如果將傳感器放在頂部，加熱過程中頂部的水先到達指定溫度， 等 冷熱水混合之后實際溫度會小于設(shè)定溫度。同樣是產(chǎn)生偏差，應(yīng)選取后者， 因為 將傳感器放在爐子的頂部，這樣當冷熱水混合之后實際溫度小 于設(shè)定溫度，這樣可以再次加熱以精確達到指定溫度；而前者一旦溫度超調(diào)則降溫很慢，造成較大偏差。 最終將溫度傳感器放在爐子的上部，但是根據(jù)水溫上升的規(guī)律，設(shè)定溫度和實際溫度一度如果按照線性升溫的話，會使溫度超過設(shè)定值而產(chǎn)生偏差， 因為加熱停止的時候還會產(chǎn)生一部分熱量，此熱量還會使水溫上升。 所以在相差一度的時候減小 PWM 低 電畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 平時間會使溫度值更精確，所以經(jīng)過反復(fù)測試，最后相差一度時高電平時間設(shè)定為 50ms。其中 T 表示設(shè)定溫度與實際溫度之差， t 表示一個周期的低電平時間。 控制算法如表 20 所示： 表 20 控制算法表 T（ ℃ ） t（ ms） 9 900 8 800 7 700 6 600 5 500 4 400 3 300 2 200 1 50 畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 4 溫度控制系統(tǒng) Proteus 仿真 仿真 說明 由于單片機端口的驅(qū)動能力有限，所以令其低電平觸發(fā)光電耦合器，故當 口輸出低電平時電熱絲加熱。 當設(shè)定溫度與實際溫度之差大于 10℃時屬于粗調(diào)，即令電熱絲持續(xù)加熱，無 PWM控制； 當設(shè)定溫度與實際溫度之差小于 10℃時屬于微調(diào)，即電熱絲加熱時受 PWM控制 。 仿真結(jié)果 對 各溫度 仿真結(jié)果如下： (1) 實際溫度 19℃，設(shè)定溫度 30℃ 當差值大于 10℃時，輸出為 低 電平， 電熱絲持續(xù)加熱 ， 如圖 20 所示： 圖 20 仿真圖一 (2) 實際溫度 21℃，設(shè)定溫度 30℃ 當 差值小于 10℃，控制算法開始起作用，由低電平 部分 控制加熱，如圖 21 所示： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 圖 21 仿真圖二 (3) 實際溫度 24℃，設(shè)定溫度 30℃ 當差值逐漸縮小，低電平時間 減少 ，電熱絲功率降低，如圖 24 所示： 圖 22 仿真圖三 (4) 實際溫度 28℃，設(shè)定溫度 30℃ 當差值逐漸縮小，低電平時間 減少 ，電熱絲功率降低，如圖 23 所示： 畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 圖 23 仿真圖