【正文】 工作時只要在 A、 B 上加上一定的控制信號，就可以控制 C、 D兩端之間的“通”和“斷”，實現(xiàn)“開關”的功能，其中耦合電路的功能是為 A、 B 端輸入的控制信號提供一個輸入 /輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開 SSR 中輸入端和輸出端之間的 (電 )聯(lián)系，以防止輸出端對輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動作靈敏、 響應速度高、輸入 /輸出端間的絕緣 (耐壓 )等級高；由于輸入端的負載是發(fā)光二極管，這使 SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號電平相匹配，在使用時可直接與計算機輸出接口相接，即受“ 1”與“ 0”的邏輯電平控制。交流型 SSR 的工作原理框圖如圖 2 .9 所示，圖中的部件① ④構成交流 SSR 的主體。因此 SSR 作為自動控制的執(zhí)行部件得到越來越廣泛的應用。它在通、斷時沒有火花和電弧，有利于防爆，干擾小（特別對微弱信號回路）。與普通繼電器一樣，它的輸入側與輸出側之間是電絕緣的。 本系統(tǒng)采用分配式零位控制的模式，控制溫控箱的加熱電阻的平均加熱功率，進而控制溫控箱的溫度 [5]。根據(jù)輸出電壓分布的不同，零位控制又分為分配式零位控制 (在 T 周期內根據(jù)輸出百分比平均分布周波 )和時間比例零位控制 (在 T周期內根據(jù)輸出百分比連續(xù)接通幾個周波，然后在 T周期剩余的時間內連續(xù)關斷幾個周波 )。采用相位控制模式的可控硅控制器可以叫做調壓器，它可以方便的調節(jié)電壓有效值，可用于電爐溫度控制、燈光調節(jié)、異步電機降壓軟啟動和調壓調速等。 區(qū)別 如圖 和圖。 圖 A/D轉換電路 輸出通道設計 溫控箱的功率調節(jié)方式 目前多數(shù)溫控系統(tǒng)均采用可控硅來實現(xiàn)功率調節(jié)。 ⑨ DIN 串行數(shù)據(jù)輸入端，向片內的輸入移位寄存器寫入的串行數(shù)據(jù)由此輸入。 ⑧ DOUT 串行數(shù)據(jù)輸出端，從片內的輸出移位寄存器讀出的串行數(shù)據(jù)由此端輸河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 14 出。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，該引腳立即回到高電平。 ⑥ REFIN (+)差分基準輸入的正輸入端，基準輸入是差分的，并規(guī)定 REFIN (+)必須大于 REFIN()， REFIN(+)可以取 VDD 和 GND 之間的任何值 。 ④ RESET 復位輸入，低電平有效 。晶體 /諧振器可以接在 MCLKIN 和 MCLKOUT 兩引腳之間，時鐘頻率的范圍為500kHz5MHz。該串行時鐘可以是連續(xù)時鐘以連續(xù)的脈沖串傳送所有數(shù)據(jù)，反之，它也可以是非連續(xù)時鐘，將信息發(fā)送給 AD7705 。 AD7705 引腳如圖 。 AD7705 采用三線串行接口，具有兩個全差分輸入通道，能達到 %非線性的 16 位無誤碼輸出，其增益和輸出更新率均可編程設定，還可以選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準和系統(tǒng)校準方式。它包括由緩沖器和增益可編程放大器 (PGA)組成的前端模擬調節(jié)電路、 Σ 一△調制器、可編程數(shù)字濾波器等部件組成。綜合考慮，本系統(tǒng)選用 AD (ANALOG DEVICES) 公司生產(chǎn)的 16 位 AD 轉換芯片 AD7705 作為本溫控系統(tǒng)的 A/D 轉換器。溫度控制中 A/D 轉換是非常重要的一個環(huán)節(jié)。 ④ 線性度 ： 線性度指實際轉換器的轉移函數(shù)與理想直線的最大偏移。不同類型的轉換器轉換速度相差甚遠 。 A/D 轉換器的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示 。完成 A/D轉換的器件即為 A/D 轉換器。 C） A/D轉換 在單片機控制系統(tǒng)中，控制或測量對象的有關變量，往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、位移、速度等物理量。 C） 計算溫度（ 。 由 下 表可以看到經(jīng)過最小二乘法優(yōu)化之后， ()式誤差絕對值的最大值僅為℃ ，測量精度已經(jīng)滿足系統(tǒng)的要求 [3]。 在 0800℃之間均勻的抽取 100 個溫度點，對應的鉑電阻阻值利用 式 ()計算出來，然后將此電阻值代入采樣電路求得電壓值，這樣就有 100 組數(shù)據(jù)點。由 ()式可知，鉑電阻 溫度傳感器在其測量范圍內具有非線性，即阻值變化具有飽和特性。 鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻值隨溫度的變化而變化這一特性進行溫度測量的，根據(jù) IEC (International Electrician Committee)標準 7511983: Rr=Ro[1+At+Bt2+C(t100)t3] (200℃ t0℃ ) 式 () Rr=Ro(1+At+Bt2) (0℃ t850℃ ) 式 () 其 中 Rr為 t℃時的電阻值， Ro為 0℃時的電阻值。 測溫原理 ：電路采用 TL431和電位器 VR1調節(jié)產(chǎn)生 ；采用 RR VR Pt100構成測量電橋（其中 R1＝ R2， VR2為 100Ω精密電阻），當 Pt100的電阻值和 VR2的電阻值不相等時，電橋輸出一個 mV級的壓差信號，這個壓差信號經(jīng)過運放 LM324放大后輸出期望大小的電壓信號，該信號可直接連 AD轉換芯片。鉑電阻溫度傳感器采樣電路如圖 所示。按照接線方式的不同又可以分為二線制、三線制和四線制幾種?？紤]到成本，故在本系統(tǒng)中采用工業(yè)級 Pt100 鉑電阻作為溫度傳感器。在測量精度方面，工業(yè)鉑電阻的測量穩(wěn)定性和復現(xiàn)性一般不如標準鉑電阻，這主要有兩個方面的原因，其一是高溫下金屬鉑與周圍材料之間的擴散使其純度 受到污染，從而降低了鉑電阻測溫的復現(xiàn)性能，其二是因為高溫條件下的應力退火影響了其復現(xiàn)性能。由于在本系統(tǒng)中，測溫范圍較大 (在室溫到 6000C之間 )，且要求檢測精度高、穩(wěn)定性好，因此選用 Pt100 鉑電阻作為本溫度控制系統(tǒng)的溫度傳感器。與熱電偶、熱敏電阻相比較，鉑的 物理、化學性能都非常穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力很強，離散性很小，精度最高，靈敏度也較好。因此在不同的應用場合，應選擇不同的溫度傳感器。輸入通道由傳感器、 A/D 轉換等電路組成 [1]。 輸入通道設計 系統(tǒng)輸入通道的作用是將溫控箱的溫度 (非電量 )通過傳感器電路轉化為電量(電壓或電流 )輸出，本系統(tǒng)就是將溫度轉化為電壓的 輸出。采用這種頻率的晶體振蕩器的原因是可以方便的獲得標準的波特率。外接晶體諧振器以及電容構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。引腳 XTAL1（ 19 腳 )和 XTAL2 (18 腳 )分別是此放大器的輸入端和輸出端。 圖 復位電路和時鐘電路 系統(tǒng)時鐘電路設計采用內部方式。在單片機的復位引腳 RST (9 腳 ) 上保持兩個機器周期的高電平就能使 AT89C52 完全復位。 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 9 ⑦ AT89CS2 的狀態(tài)周期由晶體振蕩器 2 分頻后獲得，作為芯片工作的基本時間單位，在采用 12MHz 晶 振時， AT89CS2 的狀態(tài)周期為 (2/12)x106=167ns. 圖 AT89C52單片機 DIP封裝的引腳 主控模塊設計 主控模塊電路由 AT89C52單片機、外部時鐘電路、復位電路 組成。 ⑤ 6 個中斷源，分為兩個中斷優(yōu)先級，每個中斷源優(yōu)先級都是可編程的 。 ③ 可利用兩根 I/O 口線作為全雙工的串行口，有四種工作方式，可通過編程設定 。 AT89C52 的主要特點有 : ① 內部程序存儲器為電擦除可編程只讀存儲器 EEPROM，容量 8KB，內部數(shù)據(jù)存儲器容量 256 字節(jié)，最大尋址空間 64KB。具有超強的三級加密功能，其片內閃電存儲器 (Flash Memory)的編程與擦除完全用電實現(xiàn)，數(shù)據(jù)不易揮發(fā)，編程 /擦除速度快。 ⑨ 供貨渠道是否暢通 ,價格是否低廉 ,是否具有良好的技術服務支持 . 根據(jù)上面所述的原則，結合本系統(tǒng)實際情況綜合考慮，本文討論的溫度控制系統(tǒng)選用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C52 單片機作為主控模塊的核心芯片。 ⑦ 單片機的抗干擾性能好 。 ⑤ 芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果 設計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片 。 ④ 芯片的封裝形式，如 DIP 封裝， PLCC 封裝及表面貼附封裝等。 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 8 ② 單片機的增強功能，例如看門狗，雙串口， RTC(實時時鐘 )， EEPROM,CAN 接口等 。目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。對于明確的應用對象，選擇功能過少的單片機，無法完成控制任務 。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應，從而保護溫控箱。此數(shù)字量經(jīng)過數(shù)字濾波之后，一方面將溫控箱的溫度通過控制面板上的 數(shù)碼管 顯示出來 。由結構框圖可見，溫度控制系統(tǒng)以 AT89C52 單片機為核心，并擴展外部存儲器構成主控模塊。 河南城建學院本科畢業(yè)設 計（論文） 系統(tǒng)硬件設計 7 第二章 系統(tǒng) 硬件設計 系統(tǒng)硬件總體結構 本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個部 分 :單片機主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護電路等。第四章控制方案著重介紹溫度控制系統(tǒng)溫控箱的數(shù)學模型的確立及 PID 算法原理和控制仿真 。第二章硬件設計主要介紹系統(tǒng)各部分的硬件組成和特點，包括信號輸入輸出電路、單片機系統(tǒng) 和保護電路 等等 。 ④ 研究了該系統(tǒng)的控制策略， 在建立溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎之上 ,通過對 PID 控制的分析設計了系統(tǒng)控制器 。 ② 完成系統(tǒng)的硬件設計，包括采樣電路、 A/D 轉換電路、主控制電路、 顯示 電路 等等的設計 。此外，在設計 PID 控制器時，依靠經(jīng)驗和試驗的方法在系統(tǒng)調試時確定 PID控制器的參數(shù) KP, KD, KI，然后用代碼實現(xiàn)了算 法。 由于整個系統(tǒng)軟件比較復雜，為了便于編 寫、調試、修改和增刪，系統(tǒng)程序的編制適合采用模塊化的程序結構，故要求整個控制系統(tǒng)軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過軟件接口連接，遵循模塊內數(shù)據(jù)關系緊湊，模塊間數(shù)據(jù)關系松散的原則，將各功能模塊組織成模塊化的軟件結構。目前，主流的 CPU 和常見的 MCU 都有 C編譯器。這種結構化方式可使程序層次清晰，便于使用、維護及調試 。 系統(tǒng)軟件方案分析 目前， MCS 51單片機的開發(fā)主要用到兩種語言 :匯編語言和 C 語言。本系統(tǒng)選擇 AT89C52 為核心器件組成的控制系統(tǒng)。 目前，市面上的單片機不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長。 從實現(xiàn)復雜系統(tǒng)功能和簡化硬件結構的角度出發(fā)， SOC 是實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場上 SOC 的價格還比較昂貴，并且 SOC 的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。 SOC 芯片通常含有一個微處理器核 (CPU)，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲器 (RAM 和 ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強大，適用領域也非常廣。 另外，隨著微電子技術和半導體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng) SOC (System On Chip)得到了十足的發(fā)展。它是把中央處理單元 CPU(Central Processing Unit)、隨機存取存儲器 RAM(Random Access Memory) 、 只讀存儲器 ROM(Read only Memory)、定時 /計數(shù)器 以及I/O(Input/Output)輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是 :功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應用廣泛。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關系來實現(xiàn)控制算法，很難實現(xiàn)復雜的控制算法。根據(jù)計算機控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率 并非越快越好，它還取決于被控系統(tǒng)的響應特性。 模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。系統(tǒng)擴展和配置在滿足功能要求的基礎上留有適當裕量，以利于擴充和修改。為了簡化系統(tǒng)硬件，控制量采用雙向可控硅輸出，這樣就省去了 D/A轉換環(huán)節(jié)。根據(jù)溫控箱測溫范圍的要求，本系統(tǒng)適合采用 Pt100 鉑電阻作為溫度傳感器，而 Pt100 鉑電阻在大溫度范圍內測溫時表現(xiàn)出的不可忽視的非線性不容忽視，因此在溫度測量的過程中必須對鉑電阻溫度傳感器的非線性進行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)溫度測量的精確度。本系統(tǒng)在硬件設計方面具有如下特點 : 控制主板采用 AT89C52 作為核心芯片。 6)盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進行替換。 4)模塊化設計，安裝拆卸簡單，維修方便 。 3)具有加熱保護功能的安全性 要求。 系統(tǒng)性能要求及特點 ① 系統(tǒng)性能要求 : 1)可以人為方便地通過控制面板或 PC 機設定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應能自動將溫控箱加熱至此設定溫度值并能保持，直至重新設定為另一溫度值，即能實