【正文】 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量。 （ 3）在設(shè)定溫度發(fā)生突變（由 40℃ 提高到 60℃ ）時(shí)，自動(dòng)打印水溫隨時(shí)間變化的曲線。模塊框圖如圖 。 水溫控制的基本方框圖 各模塊的方案選擇和論證 （ 1） 控制器模塊 方案一： 采用 FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。 FPGA采用并行的輸入方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制 核心。 方案二 :采用 ATMEL公司的 AT89C52作為系統(tǒng)的控制器。 綜上所述，選擇方案二，采用單片機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)控制部分。系統(tǒng)需要利用測(cè)溫傳感器檢測(cè)出水的實(shí)時(shí)溫度， 是控制模塊做出正確的反應(yīng)，控制水的溫度。 方案一：采用單總線可編程溫度傳感器測(cè)溫度。℃ 。 在 9位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在 750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 。但是由于其編寫程序過(guò)程復(fù)雜，價(jià)格也較一般傳感器昂貴，所以在這里我們并不采用。集成溫度傳感器 LM35靈敏度為 10mV每攝氏度，常溫下測(cè)量精度 為 177。而且，該器件連接電路簡(jiǎn)單，不需要編程，傳感器輸出的模擬信號(hào)直接交給 AD轉(zhuǎn)換器處理，也易于實(shí)現(xiàn)。 （ 3） 顯示模塊 方案一：使用液晶顯示屏顯示水溫。但是由于只需顯示溫度這樣的數(shù)字，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大，控制器的資源占用比較多，而且其成本也比較高。傳統(tǒng)數(shù)碼管具有：低能耗，低損耗，壽命長(zhǎng)，防火，防潮，對(duì)外界環(huán)境要求低 ，易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。 綜上所述，選擇方案二，采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示溫度，節(jié)省了內(nèi)部資源。 12V直流電壓下工作。 12V的直流電壓源。 方案一：直接用干電池供電。因此，此方案不可取。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器，整流電路，濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。因此緊接著變壓器是整流電路，它的作用是將變壓期副邊的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，即將正弦波電壓轉(zhuǎn)換為單一方向的脈動(dòng)電壓。為了減小電壓 的脈動(dòng)，需通過(guò)濾波電路進(jìn)行濾波，使輸出電壓平滑。然而濾波電路為無(wú)源電路，接入負(fù)載后勢(shì)必影響其濾波效果。 綜上所述，選擇方案二，通過(guò)自制的穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電。 方案一：采用繼電器驅(qū)動(dòng)電路控制。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。 電磁繼電器 的原理圖如圖 。 可控硅是 P1N1P2N2四層三端結(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 。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=β 2ib2。此時(shí)，電流 ic2 再經(jīng) BG1 放大，于是 BG1的集電極電流ic1=β 1ib1=β 1β 2ib2。由于 BG1和 BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?，所以?旦可控硅導(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。 圖 可控硅等效圖解 表 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件 狀態(tài) 條件 說(shuō)明 從關(guān)斷到導(dǎo)通 陽(yáng)極電位 高于是陰極電位 控制極有足夠的正向電壓和電流 兩者缺一不可 維持導(dǎo)通 陽(yáng)極電位高于陰極電位 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)極電位低于陰極電位 陽(yáng)極電流小于維持電流 任一條件即可 在上述兩種方案中， 繼電器的壽命比不上可控硅 ,但是可控硅的過(guò)壓過(guò)流能力遠(yuǎn)遜 于 繼電器 ,作為工控產(chǎn)品 ,可靠性應(yīng)該不單單考慮元件的理想壽命 ,還應(yīng)該考慮元?dú)饧目垢蓴_ ,過(guò)壓過(guò)流能 9 力 以及電路的簡(jiǎn)潔 ,簡(jiǎn)單 。且繼電器 壽命也不會(huì)很短 ,繼電器的一般壽命 (JZC22F)在 一百萬(wàn) 次以上 ,也就是可以使用十年以上 。 2．單元電路設(shè)計(jì) 水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì) 溫度傳感器置于水中，將感應(yīng)到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱 的模擬信號(hào)，模擬信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大電路的放大就可以輸入到 AD轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換。運(yùn)算放大電路采用正相放大 接法，由圖可知放大倍率即運(yùn)放增益 A0 為： 10 20701RRA R??? 式中 R10=R20=2K， R7=1K ,得到 A0=5。 圖 水溫測(cè)量電路 AD 轉(zhuǎn)換電路 經(jīng) 傳感器和運(yùn)放輸出的模擬信號(hào)必須經(jīng)過(guò) AD轉(zhuǎn)換電路 ,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能被單片機(jī)處理。 如圖， ADC0809的 START端是啟動(dòng)控制輸入端，由單片機(jī)控制，一個(gè)正脈沖過(guò)后 AD開始轉(zhuǎn)換； CLOCK端 是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，當(dāng)系統(tǒng)頻率為 12MHZ時(shí)， ALE信號(hào)頻率約為 1MHZ，然后通過(guò) 74LS74 D觸發(fā)器進(jìn)行二分頻，即可符合 ADC0809的時(shí)鐘信號(hào)頻率要求。當(dāng) A／ D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 10 圖 AD 轉(zhuǎn)換電路 控制電路設(shè)計(jì) 圖 AT89C52的最小系統(tǒng)以及外圍電路 11 單片機(jī)接受 AD轉(zhuǎn)換電路輸入的數(shù)字信號(hào)，并將輸入的信號(hào)進(jìn)行處理和運(yùn)算，以控制控制電流或者控制電壓的形式輸出給被控制的單元電路，完成各項(xiàng)任務(wù)要求。具體電路如圖 。 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示電路 在本系統(tǒng) 中采用動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示方式驅(qū)動(dòng) 4 個(gè)七段數(shù)碼管， 4 個(gè)七段數(shù)碼管用來(lái)顯示當(dāng)前的溫度。 圖中， A1,A2,A3,A4為四位數(shù)碼管的為選端， A,B,C,D,E,F,段選端。如圖 ，圖中 RELAY與單片機(jī)的 ，當(dāng) ，繼電器上電導(dǎo)通，開關(guān)打下，加熱器件導(dǎo)通開始加熱。程序 是在 Window XP 環(huán)境下采用 Keilu Vision 2 軟件進(jìn)行編寫的。 這種控制方法集比例、微分調(diào)節(jié)方法于一體，是現(xiàn)今的一種比較成熟的控制方法，也是使用比較廣泛的一種控制方法。PID 具體算法有兩種：直接計(jì)算法和增量計(jì)算法。對(duì)于溫度控制就是需要增加或減小加熱比例。在本系統(tǒng)中，我們采用的是增量計(jì)算法。其中三個(gè)常數(shù)在控制中的作用為： 例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。 積分調(diào)節(jié)作用：是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。積分作用 的強(qiáng)弱取決與積分時(shí)間常數(shù) Ti， Ti越小，積分作用就越強(qiáng)。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成 PI 調(diào)