【正文】 電源正極 第 3 腳： VEE 為液晶對(duì)比度調(diào)整端，接 正極 時(shí)對(duì)比度弱，接 負(fù)極 時(shí)對(duì)比度 高。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選數(shù)據(jù)寄存器、低電平 時(shí)選 指令寄存器。 第 5 腳： RW 為讀寫(xiě)信號(hào)線(xiàn)，高電平 時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)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(guò)于微弱，所以添加上拉電阻使其能夠驅(qū)動(dòng) LCD 液晶顯示屏。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 11 溫度顯示模塊設(shè)計(jì)電路圖 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(guò)光電耦合器精確轉(zhuǎn)化成可控硅的開(kāi)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(lèi)似于真空閘流管，所以國(guó)際上通稱(chēng)為硅晶體閘流管，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)為硅可控整流元件，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng) “死硅 ”）更為可貴畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)?？煽毓枘芤院涟布?jí)電流控制大功率的機(jī)電設(shè)備，如果超過(guò)此頻率，因元件開(kāi)關(guān)損耗顯著增加，允許通過(guò)的平均電流相降低，此時(shí)，標(biāo)稱(chēng)電流應(yīng)降級(jí)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(jiàn)圖 1。它有三個(gè) PN結(jié)（ J J J3），從 J1 結(jié)構(gòu)的 P1 層引出陽(yáng)極 A，從 N2層引出陰級(jí) 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?？煽毓杞Y(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)圖 如圖 12 所示。 圖 12 可控硅結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)圖 可控硅是 P N P N2 四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè) PN 結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè) PNP 管和一個(gè) 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(dāng)陽(yáng)極 A 加上正向電壓時(shí)， BG1 和 BG2 管均處于放大狀態(tài)。此時(shí)，如果從控制極G輸入一個(gè)正向觸發(fā)信號(hào)， BG2便有基流 ib2流過(guò)，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(shí)，電流 ic2 再經(jīng) BG1放大，于是 BG1 的集電極電流 ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個(gè)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(gè)管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 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(hào)只起觸發(fā)作用，沒(méi)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(kāi)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(kāi)關(guān)特性 表 狀態(tài) 條件 說(shuō)明 從關(guān)斷 到導(dǎo)通 陽(yáng)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(yáng)極電位高于陰極點(diǎn)位， 陽(yáng)極電流大于維持電流 兩者缺一不可 從導(dǎo)通 到關(guān)斷 陽(yáng)極電位低于陰極點(diǎn)位， 陽(yáng)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(kāi)路，陽(yáng)極加上反向電壓時(shí)（見(jiàn)圖 14）， J2 結(jié)正偏，但 J J2 結(jié)反偏。此時(shí)只能流過(guò)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，接差 J3 結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖 14 的特性開(kāi)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(shí)，可控硅會(huì)發(fā)生永久性反向 。 圖 14 陽(yáng)極加 反 向電壓 （ b） 正向特性 當(dāng)控制極開(kāi)路，陽(yáng)極上加上正向電壓時(shí)（見(jiàn)圖 15）， J J3 結(jié)正偏，但 J2 結(jié)反偏，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 這與普通 PN 結(jié)的反向特性相似，也只能流過(guò)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 15 陽(yáng)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(shí)入 N1 區(qū)，空穴時(shí)入 P2 區(qū)。進(jìn)入 N1 區(qū)的電子與由 P1 區(qū)通過(guò)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(guò) 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(shí) J J J3 三個(gè)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(shí)，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(hào)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(jiàn)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(lèi)較多，常見(jiàn)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 16 所示 ： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào)使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵(lì)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?。?2pF 以?xún)?nèi)）所以共模輸入電壓通過(guò)極間耦合電容對(duì)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(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此 時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱(chēng)為暗電流，一般很小。當(dāng) IF0 時(shí)，在一定的 IF 作用下，所對(duì)應(yīng)的 IC 基本上與 VCE 無(wú)關(guān)。 IC 與 IF 之間的變化成線(xiàn)性關(guān)系，用半導(dǎo)體管特性圖示儀測(cè)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(jī)端口相連， 可以根據(jù)端口信號(hào)的變化迅速做出反應(yīng)，延時(shí)時(shí)間短。 由于單片機(jī)的端口電壓不足以驅(qū)動(dòng)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(kāi)斷頻率，以達(dá)到加熱目的。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 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)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(xiàn)圖如圖 17 所示 ： 圖 17 溫度控制模塊設(shè)計(jì)電路圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主程序 軟件設(shè)計(jì)的主要思想就是 DS18B20 溫度檢測(cè)，控制加熱控制組件對(duì)水溫進(jìn)行恒定控制，并且將溫度在 LCD 上顯示。還可通過(guò)鍵盤(pán)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(pán)以及實(shí)時(shí)顯示模塊等。由于本設(shè)計(jì)設(shè)有鍵盤(pán)和顯示子程序，實(shí)驗(yàn)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(kāi)始 系統(tǒng)初始化 初始化 DS18B20 讀取溫度數(shù)據(jù) 等待定時(shí)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(pán)按下？ 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 溫度采集子程序 溫度測(cè)量通過(guò) DS18B20 數(shù)字溫度傳感器測(cè)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(jī)中。在通過(guò)與控制溫度比較對(duì) 可控硅 進(jìn)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(pán)設(shè)定值都要通過(guò) LCD 液晶 顯示出來(lái)，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(duì)應(yīng)的 BCD 碼存入 STC89C52 單片機(jī) 儲(chǔ)存單元中，通過(guò)控制信號(hào)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(duì)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(lái)得到顯示段碼 。 DS18B20初始化 跳過(guò) 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(jì)（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(wú)閉合鍵。若無(wú)閉合鍵，則對(duì)數(shù)碼顯示器掃描顯示一遍；若有閉合鍵，則先消抖。接著進(jìn)行掃描判斷，判別閉合鍵的具體位置以及獲取對(duì)應(yīng)的鍵值。 設(shè)計(jì) 電路中有 兩 個(gè)按鍵，分別是溫度溫度上調(diào) 、 溫度下調(diào)，如按一下 S1 進(jìn)入溫度設(shè)定狀態(tài)，設(shè)定值每秒閃爍一次，這時(shí)可以按 PLUS 或 SUBS 行調(diào)節(jié)，設(shè)置一個(gè)上限溫度，這個(gè)設(shè)定值會(huì)保存在 DS18B20 中，掉電后也不會(huì)丟失，下次上電時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)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(méi)有冷卻裝置，所以根據(jù)實(shí)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(kāi)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(shí)間到達(dá)指定數(shù)值，但是考慮到本系統(tǒng)并沒(méi)有冷卻裝置，溫度一旦超調(diào)則無(wú)法冷卻使其在設(shè)定值間震蕩，而冷卻只能依靠本身與周?chē)h(huán)境的熱交換來(lái)完成， 降溫速度很慢，無(wú)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(duì)應(yīng)的 PWM 數(shù)值 。 當(dāng) 設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的差值的絕對(duì)值 小于 10℃ 時(shí) ，則立即 跳入相應(yīng) PWM 值 控制熱阻 進(jìn)行加熱。 當(dāng)設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的差值的絕對(duì)值大于 10℃ ， 熱阻持續(xù)加熱。 當(dāng)設(shè)定溫度小于實(shí)際溫度則立即停止 加熱。 熱電阻加熱的過(guò)程中，被加熱的水向上流動(dòng)，導(dǎo)致?tīng)t子上部的溫度大于下部溫度，如果將傳感器放在底部，則當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，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(guò)程中頂部的水先到達(dá)指定溫度， 等 冷熱水混合之后實(shí)際溫度會(huì)小于設(shè)定溫度。同樣是產(chǎn)生偏差，應(yīng)選取后者， 因?yàn)?將傳感器放在爐子的頂部，這樣當(dāng)冷熱水混合之后實(shí)際溫度小 于設(shè)定溫度，這樣可以再次加熱以精確達(dá)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(shí)際溫度一度如果按照線(xiàn)性升溫的話(huà)，會(huì)使溫度超過(guò)設(shè)定值而產(chǎn)生偏差， 因?yàn)榧訜嵬Ｖ沟臅r(shí)候還會(huì)產(chǎn)生一部分熱量，此熱量還會(huì)使水溫上升。 所以在相差一度的時(shí)候減小 PWM 低 電畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 平時(shí)間會(huì)使溫度值更精確，所以經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，最后相差一度時(shí)高電平時(shí)間設(shè)定為 50ms。其中 T 表示設(shè)定溫度與實(shí)際溫度之差， t 表示一個(gè)周期的低電平時(shí)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(jì)（論文） 35 4 溫度控制系統(tǒng) Proteus 仿真 仿真 說(shuō)明 由于單片機(jī)端口的驅(qū)動(dòng)能力有限，所以令其低電平觸發(fā)光電耦合器，故當(dāng) 口輸出低電平時(shí)電熱絲加熱。 當(dāng)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度之差大于 10℃時(shí)屬于粗調(diào)，即令電熱絲持續(xù)加熱，無(wú) PWM控制； 當(dāng)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度之差小于 10℃時(shí)屬于微調(diào)，即電熱絲加熱時(shí)受 PWM控制 。 仿真結(jié)果 對(duì) 各溫度 仿真結(jié)果如下： (1) 實(shí)際溫度 19℃，設(shè)定溫度 30℃ 當(dāng)差值大于 10℃時(shí)，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(shí)際溫度 21℃，設(shè)定溫度 30℃ 當(dāng) 差值小于 10℃，控制算法開(kāi)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(jì)（論文） 36 圖 21 仿真圖二 (3) 實(shí)際溫度 24℃，設(shè)定溫度 30℃ 當(dāng)差值逐漸縮小，低電平時(shí)間 減少 ，電熱絲功率降低，如圖 24 所示： 圖 22 仿真圖三 (4) 實(shí)際溫度 28℃，設(shè)定溫度 30℃ 當(dāng)差值逐漸縮小，低電平時(shí)間 減少 ，電熱絲功率降低，如圖 23 所示： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 圖 23 仿真圖