【正文】 工程建設及日常生活中的應用越來越廣泛 。 溫度控制是工業(yè)生產過程中經常遇到的過程控制 ， 有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量 ， 因而設計一 種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的 [2]。在環(huán)境惡劣或溫度較高等場合下，為了保證生產過程正常安全地進行，提高產品的質量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度、節(jié)約能源，要求對加熱爐爐溫進行測量 、顯示、控制，使之達到工藝標準，以單片機為核心設計的爐溫控制系統(tǒng)，可以同時采集多個數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過通訊口送至上位機進行顯示和控制。 在計算機沒有發(fā)明之前，這些控制都是我們難以想象的。 用高新技術來解決工業(yè)生產問題， 排除生活用水問題實施對水溫的控制已成為我們電子行業(yè)的任務，以此來加強工業(yè)化建設，提高人民的生活水平。但是利用 AT89C51 單片機為核心，配合溫度傳感器，信號處理電路，顯示電路，輸出控制電路，故障報警電路等組成，軟件選用匯編語言編程。該系統(tǒng)靈活性強，易于操作，可靠性高，將會有更廣闊的開發(fā)前景 [4]。1 ℃ ，當溫度超過設定值時具有示警功能 [3]。 ②控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤1℃ 。 (3) 擴展功能 ①具有通信能力，可接收其他數(shù)據(jù)設備發(fā)來的命令，或將結果傳送到其他數(shù)據(jù)設備。 ③溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤℃ 。 傳 感 器 信 號 放 大 A / D 轉 換電 爐 絲 控 制 電 路單 片 機 顯 示8 位 圖 單片機控制系統(tǒng)原理框圖 總體方案論證 根據(jù)題目的要求。由于采用模擬控制 方式，系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制精度做得較 高，而且不能用數(shù)碼顯示 [7]。采用了溫度傳感器 DS18B20 采集溫度變化信號， 該傳感器可以直接采集數(shù)字信號 并通過單片機處理后去控制溫度，使其達到穩(wěn)定。比較上述兩種方案，方案 2 明顯的改善了方案 1 的不足及缺點，并具有控制簡單、控制溫度精度高的特點，因此本設計電路采用方案 2 [8]?，F(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下的論證： (1)溫度采樣部分 基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計 4 方案 1：采用熱敏電阻，可滿足 0℃ ~95℃ 的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復性和可靠性都比較差，對于檢測精度小于 1℃ 的溫度信號是不適用的。 DS18B20 具有體積小、質量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點?！?，其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設計要求。 經上述比較，方案 2 明顯優(yōu)于方案 1，故選用方案 2。 方案 1：采用可編程控制器 8279 與數(shù)碼管及地址譯碼器 74LS138 組成，可編程 /顯示器件 8279 提供 LED 的顯示信號，并對 LED 顯示控制。 對比兩種方案可知，方案 1 雖然也能很好的實現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設計的成本和電路整體的性能，我們采用方案 2。 方案 2：本方案的 CPU 模塊采用 2051 芯片，其內部有 2kB 單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器。 方案 3：采用 AT89C51 單片機，其內部有 8kB 單元的程序存儲器，不需外部擴展程序存儲器，而且它的 I/O 口也足夠本次設計的要求 [1]。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 5 3 硬件電路設計 本電路總體設計包括四部分：主機 控制部分 （ 89C51）、前向通道（溫度采樣和轉換電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤顯示部分。 溫度 傳感器 的選擇 溫度傳感器是該系統(tǒng)的關鍵器件， 系統(tǒng)采用美國 DALLAS 公司生產的單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20， 由于具有結構簡單 ， 不需要外接電路 ， 可用一根 I/O數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù) ， 并且具有體積小 ， 分辨率高 ， 轉換快等優(yōu)點 ， 被廣泛用于測量和控制溫度的地方 [13]。本系 統(tǒng)用的是 TO92 封裝。 1B20 1 2 3 1： GND 2： DQ 3： VDD 圖 DS18B20 TO92 封裝 DS18B20 性能特點 ： (1)獨特的單線接口方式 ： DS18B20 在 I/O 處理器連接時 ， 僅需要一個 I/O 口即可實現(xiàn)微處理器同 DS18B20 的雙向通訊。 (3)分 辨率 ： DS18B20 的分辨率由 9～ 12 位 (包括 1 位符號位 )數(shù)據(jù)在線編程決定 。在使用過程中 ， 測得 12 位時 ， 一般為 5～ [14]。其工作過程及其編程在軟件設計部分介紹。其表現(xiàn)在 ： ① DS18B20 可將被測溫度直接轉換成單片機能識別的數(shù)字信號輸出。 ② DS18B20 能提供 9 到 12 位溫度讀數(shù) ， 精度高。 ③負壓特性 ： 當電源極性接反時 ， DS18B20 雖然不能正常工作 ， 但不會因發(fā)熱而燒毀。 R 1D Q4 . 7 K5 VD S 1 8 B 2 0G N D 圖 溫度檢測電路圖 DS18B20 管腳 GND 為電源地， DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端， VDD 為外接供電電源接入端（用寄生電源方式時接地）。在實際中，若需要多點檢測時，可在單總線上掛多個 DS18B20，但超過 8 個時要考慮驅動問題，軟件設計也變得復雜多了，同時要考慮掛 DS18B20 單總線的長度問題，一般不要超過50m。 溫度控制電路 此部分電路主要由光電耦合器 MOC3041 和 IGBT 組成。MOC3041 光電耦合器的耐壓值為 400V，它的輸出級由過零觸發(fā)的雙向可控硅構成，它控制著主電路雙向可控硅的導通和關閉。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 7 單片機控制部分 此部分是電路的核心部分，系統(tǒng)的控制采用了單片機 AT89C51。因此系統(tǒng)不必擴展外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器這樣大大的減少了系統(tǒng)硬件部分。該芯片采用 FLASH 存儲技術，內部具有 2kB 字節(jié)快閃存存儲器，采用 DIP 封裝 ， 是目前在中小系統(tǒng)中應用最為普及的單片機 [17]。 (2)AT89C51 的功能描述 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，片內有 4k 字節(jié)的在線可重復編程、快速擦除快速寫入程序的存儲器，能重復寫入 /擦除 1000 次，數(shù)基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計 8 據(jù)保存時間為十年。 AT89C51 可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。可用5V 電壓編程 ， 而且擦寫時間僅需 10ms，僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一 ，與 8751/87C51 的 12V 電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 (3)AT89C51 引腳功能 圖 為 AT89C51 單片機 20 引腳芯片 [4]。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 9 電源電路 電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它直接關系到系統(tǒng)能否運行。 inVGNDinVGND2 2 0 V1234U 3312 F?5C3300 F?6C3300 F? F?0 .1 F?7C 8C20 F?4C3C1C 2C4U 0 .1 F?20 F?7U 1 3 + 5 V2+ 7 V6U outVoutV圖 電 源電路 控制執(zhí)行電路的設計 由輸出來控制電爐 ， 電爐可以近似建立為具有滯后性質的一階慣性環(huán)節(jié)數(shù)學模型。單片機輸出與電爐功率分別屬于弱電與強電部分 ， 需要進行隔離處理 ， 這里采用光耦元件在控制部分進行光電隔離 ，實現(xiàn)弱強電的電源隔離 [3]。 PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，對逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在 大量應用的逆變電路絕大部分是 PWM 型逆變電路，可以說 PWM 控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位；近年來， PWM 技術在整流電路中也開始應用，并顯示了突出的優(yōu)越性 [22]。沖量即窄脈沖的面積。 例如圖 (a)、 (b)、 (c)所基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計 10 示 的三個窄脈沖形狀不同，其中圖 (a)為矩形脈沖，圖 (b)為三角形脈沖， (c)為正弦半波脈沖，但它們的面積（即沖量）都等于 1，那么，當它們分別加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時 ， 其輸出響應基本相同。 f ( t ) f ( t )0t 0tf ( t )0 tf ( t )0 tδ ( t ) (a) (b) (c) (d) 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖 (a)的電路是一個具體的例子。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL電路上，設其電流 i(t)為電路的輸出 。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，脈沖形狀不同時 i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。如果周期性地施加上述脈沖，則響應 i(t)也是周期性的。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 PWM控制技術的重要理論基礎 [23]。正弦半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 個彼此相連的脈沖序列組成的波形，這些脈沖寬度相等，都等于 π/N，但幅值不等，且脈沖頂部都不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。這就是 PWM波形。根據(jù)面積等效原理 PWM 波形和正弦半波是等效的。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM（ Sinusidal PWM） 波形。 邵陽學院畢業(yè)設計（論文） 11 PWM 波形可分為等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波兩種。如直流斬波電路及 本章主要介紹的 PWM 逆變電路，其 PWM 波都是由直流電源產生，由于直流電源電壓幅值基本恒定，因此 PWM 波是等幅的。講述的斬控式交流調壓電路 和 矩陣式變頻電路，其輸入電源都是交流，因此所得到的 PWM 波也 是不等幅的。 上面所列舉的 PWM 波都是 PWM 電壓波。例如，電流逆變電路的直流側是電流源，如對其進行 PWM 控制，所得到的 PWM波就是 PWM 電流波。這些都是應用十分廣泛的 PWM 波。除此之外， PWM 波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效成所需要的非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也是基于等效面積原理 [24]。由于 IGBT 是高速器件，所選用的光耦必須是小延時的高速型光耦，由 PWM 控制器輸出的方波信號加在三極管 V1 的基極， V1 驅動光耦將脈沖傳遞至整形放大電路 IC1，經 IC1 放大后驅動由 u( a )( b )oouω tω t基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計 12 V V3 組成的對管。此電路的特點是只用 1 組供電就能輸出正負驅動脈沖，使電路比較簡潔。 溫度 傳感器的工作 原理 DS18B20 是由美國 DALLAS 公司提供的一種一線總線系統(tǒng)的數(shù)字溫度傳感器，它可提供二進制 9 位溫度信息，經過一線總線接口送入主機處理器。該器件采用單線通訊 ， 可以允許在通訊總線上級聯(lián)多個 DS18B20 器件 ， 所以很適合多點測溫 。 在完成溫度轉換后 ， 與貯存在寄存器中的用戶補碼觸發(fā)報警 TH 值和 TL 值進行比較而觸發(fā)報警 。該器件的供電也很靈活 ， 可使用 V~ 外部供電 ， 也可以采用寄生取電模式供電 ， 即把電源端和地端短路接地而在數(shù)據(jù)通訊線上寄生取電 [26]?！?)等特點 ， 可以應用于恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費類產品、溫度計以及其他熱敏感系統(tǒng)。 DS18B20 的核心是其數(shù)字溫度傳感器 ， 精度可以通過用戶編程配置為 11 和 12 位 ， 其分別對應于 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 和 5℃ ，可以滿足各種不同的分辨率要求 。 轉換完成之后 ， 該溫度數(shù)據(jù)存放在高速暫存存 儲器的溫度寄存器中 ， 占用 2 字節(jié) ， 并且 DS18B20 返回到空閑狀態(tài) 。 DS18B20 的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。該序號值存放在 DS18B20 內部的 ROM(只讀存貯器 )中，低 8 位是產品類型編碼 (DS18 加編碼均為 10H)，中間 48 位是每個器件唯一的序號，高 8 位是前面56 位的 CRC(循環(huán)冗 余校驗 )碼。 1 號存貯器存放溫度值的符號，如果溫度為負，則 1 號存貯器 8 位全為 1； 否則全為 0。將存貯器中的二進制數(shù)求補，再轉換成十進制數(shù)并除以 2，就得到測量的實際溫度 [27]。 (2)獨特的單線接口方式， DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20的雙向通訊。 (4)DS18B20在使用中不需要任何