【正文】 統(tǒng) 軟、硬件規(guī)模完全根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求配置 ， 獨立性、可擴展性好 ， 因此系統(tǒng)具有較高的性價比。 DSP 和單片機都是構(gòu)成專用計算機系統(tǒng)的核心芯片 ， DSP 主要用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理 ， DSP 芯片中具有各種特殊功能的計算模塊 ， 采用流水線結(jié)構(gòu) ，提高了 DSP 的運行速度。 單片機是把微型機的主要部分集中在一個芯片上的單芯片微型計算機。通常由微型計算機和外圍設(shè)備組成 ， 包括微處理器（ CPU）、存儲器（存放程序指令或數(shù)據(jù)指令的 ROM、 RAM 等）、輸入 /輸出接口（ I/O）及其它功能部件如定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。與通用計算機系統(tǒng)相比 ， 具有系統(tǒng)簡單、功能易擴展、測控能力強、可靠性高。 采用單片機具有系統(tǒng)簡單、開發(fā)容易 ， 功能易擴展、測控能力強、可靠性高的特點。 對于不要求高速的一般的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) ， 采用 DSP 是不經(jīng)濟的方沈 陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 8 案。 器件的選用 數(shù)字式溫度傳感器的選擇 隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進步 ， 數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展 ， 世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。在如此眾多的產(chǎn)品中選擇出合適的器件 ， 應(yīng)該把握以下幾點：外圍電路應(yīng)該盡量簡單；測溫的精度、分辨率要合適 ，以便減少不必要的電路和軟件開發(fā)成本；溫度傳感器采用的總線負載能力如何 ，能否滿足多點測溫的需要；占用 MCU 的 I/O 引腳數(shù)情況如何 ， 因為 MCU 的系統(tǒng)資源非常寶貴 ， 輸入通道有限 ， 多點溫度測量時 ， 如果測量的點數(shù)超過了輸入通道時 ， 就要添加多路復(fù)用器 ， 這將增加成本和開發(fā)時間 ， 應(yīng)盡量節(jié)約；與 MCU 的通信協(xié)議應(yīng)盡量簡單 ， 溫度測量的軟件開發(fā)難度、成本要盡量小。常用的數(shù)字溫度傳感器主要有： （ 1） AD7418 是是美國模擬器件公司（ ADI）推出的單片溫度測量與控制用集成電路。測溫范圍為55℃ ~+125℃ ， 具有 10 位數(shù)字輸出溫度值 ， 分辨率為 ℃ ， 精度為177。具有體積小、編程簡單、使用容易、測量精度高 ， 并且不易受環(huán)境千擾等優(yōu)點。 （ 2） LM74 是美國國家半導(dǎo)體公司推出的集成了帶隙式溫度 傳感器、△ ∑型 A/D 數(shù)轉(zhuǎn)換器 ， 并具有 SPI/Microwire 兼容總線接口的數(shù)字溫度傳感器。在傳感器通電工作后自動按一定速率對溫度進行檢測 ， 并在片內(nèi)寄存器中存儲轉(zhuǎn)換的溫度值 ， 主機可以在任意時刻讀出傳感器溫度值。 LM74 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 12 位外加符號位 ， 因此在其有效工作范圍內(nèi)可達 ℃的分辨率 ，沈 陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 9 轉(zhuǎn)換時間為 425ms。測溫范圍為 40~+125℃ ， 其誤差范圍：在 25℃時優(yōu)于177。℃ ， 在 125℃時優(yōu)于177。但是 MAX6575L/H 在其測溫范圍內(nèi)非線性誤差較大 ， 因此 ， 當它用于高精度溫度測量時 ， 必須對其進行非線性補償。為了避免多個傳感器同時測溫時有重疊的現(xiàn)象 ， MAX6575 提供了“ L”和“ H”兩種型號的傳感器 ， 它們的使用方法相同 ， 而且每一種型號的傳感器又可以通過時間選擇引腳。 （ 4） DS18B20 是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司的新一代數(shù)字式溫度傳感器 ， 它具有獨特的單總線接口方式 ， 即允許在一條信號線上掛接數(shù)十甚至上百個數(shù)字式傳感器 ， 從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單 ， 克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的 A/D 轉(zhuǎn)換器及其它復(fù)雜外圍 電路的缺點 ， 而且 ， 可以通過總線供電 ， 由它組成的溫度測控系統(tǒng)非常方便 ， 而且成本低、體積小、可靠性高。 Dallas 公司的單總線技術(shù)具有較高的性能價格比 ， 有以下特點： 1） 適用于低速測控場合 ， 測控對象越多越顯出其優(yōu)越性； 2） 性價比高 ， 硬件施工、維修方便 ， 抗干擾性能好； 3） 具有 CRC 校驗功能 ， 可靠性高； 4） 軟件設(shè)計規(guī)范 ， 系統(tǒng)簡明直觀 ， 易于掌握。 無線收發(fā)芯片的選擇 無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多 ， 在設(shè)計中選擇合適芯片可以提高產(chǎn)品沈 陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 10 開發(fā)周期、節(jié)約成本。 (2) 收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量 芯片外圍元器件的數(shù)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本 ， 因此應(yīng)該選擇外圍元件少的收發(fā)芯片。 (5) 收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù) 較少的管腳以及較小的封裝 ， 有利于減少 PCB 面積降低成本 ， 適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計 ， 也有利于開發(fā)和生產(chǎn)。 TH720xx 是 Melexis 公司的單片射頻發(fā)射芯片 ， 頻 率 范 圍380MHz~450MHz， 采用 VCO+PLL 頻率合成技術(shù) ， 頻率穩(wěn)定性好； FSK 調(diào)制方式 ， 抗干擾能力強； FSK 頻偏和中心頻率可獨立調(diào)節(jié)；寬電壓范圍 ~，靜態(tài)電流小 ， 工作電流可在 ~ mA 調(diào)節(jié)；發(fā)射功率可在 12 dBm~+10dBm 調(diào)節(jié) ， 數(shù)據(jù)速率可達 40Kbit/s。 nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片 RF 收發(fā)機 ， 專為在 433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療 ) 頻段工作而設(shè)計。 nRF401 的外圍元件很少 ， 僅 10 個左右。 基于 nRF401 成本低、可靠性高、外圍設(shè)計簡單 的優(yōu)點 ， 本系統(tǒng)將 nRF401 做為無線收發(fā)芯片的首選 [23]。 液晶顯示器在使用中有許多注意事項：不能對它長期施加直流電 ， 否則易造成顯示器的老化；必須注意防潮；防止施加過大的壓力；對于使用的環(huán)境溫度要特別注意 ， 溫度不能太高也不能太低；防止紫外線的直接照射 ；要特別注意防靜電 ， 焊接顯示器時烙鐵要接地。 數(shù)碼管顯示器不同與液晶顯示器 ， 它對電源沒有特殊要求 ， 受環(huán)境溫度的影響不大 ， 不怕陽光的照射 ， 也沒有嚴格的防靜電要求 ， 而且它的顯示亮度要比液晶顯示器亮許多 ， 適于安裝在室內(nèi)、室外、黑暗和光線強的各種環(huán)境中 ，但它的耗電量明顯高于液晶顯示器。本系統(tǒng)采用 3 位數(shù)碼管 動態(tài)顯示當前溫度。因按鍵很少 ， 所以采用獨立式鍵盤。 目前 制冷系統(tǒng)主要包括空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)、使用氨水沈 陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 12 的吸收式制冷系統(tǒng) 和近幾年發(fā)展起來的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)。 其中半導(dǎo)體制冷制熱是利用特種半導(dǎo)體材料通過直流電 時產(chǎn)生低溫高溫的一種制冷制熱方式 ， 由于它彌補了其它制冷 制熱方式 不足 ， 在當今世界的人下制冷制熱技術(shù)中占有獨特的地位。 本章小結(jié) 針對設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)的目的 ， 對各部分所需的 硬件進行選擇 ， 分析其經(jīng)濟效益 ， 選擇最合適的器件用來進行硬件電路圖的繪制。其測量范圍在 － 55℃ ～ +125℃之間 ， 測量精度在 － 10℃ ～ +85℃內(nèi)精度是 ℃ ， 并且其能夠并聯(lián) 8 個 ， 能夠?qū)崿F(xiàn)多點測量。 在溫度 控制上 ， 采用半導(dǎo)體制冷器作為調(diào)節(jié)溫度的器件。 引腳連接 晶振電路 為使單片機能夠高效的工作 ， 加上的晶振振蕩器電路 ， 其中晶振是 12MHZ，并聯(lián)電容是 47uf。 圖 晶振電路 無線控制接收發(fā)射器 nRF401 作為 單芯片 RF 收 發(fā)機 ， 設(shè)計的工作頻段在 433MHz ISM。因此它能使用價格相對便宜的 pcb 天線 ， 在市場上性價比非常高 nRF401 僅 10 個左右 外圍元件。 基于 nRF401 性價比 ， 其優(yōu)異的性能 ， 我認為適合本系統(tǒng)設(shè)計及研發(fā)。 單 片機最小系統(tǒng)的設(shè)計 在選擇 CPU 時 ， 針對本系統(tǒng)只是對溫度的控制 ， 集成性不高 ， 可以采用單片機作為系統(tǒng)的 CPU。再考慮成本時 ， 由于本系統(tǒng)是適用于花房、糧倉等不需要運算速度特別快。所以單片機完全能夠完成其功能。其應(yīng)用特點是 : （ 1）全部 I/O 口線均可供用戶使用 ； （ 2）內(nèi)部存儲器容量有限（只有 4KB 地址空間） ； （ 3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性 。其特點是 一個低電壓 ， 高性能 CMOS 8 位 單片機 ， 具有 8KB 可反復(fù)擦寫的 ROM， 及沈 陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 15 256BRAM。其中 32 個雙向 I/O口 ， 含有 2 個中斷源 ， 3 個十六位可編寫計數(shù)器 ， 其中 P3 口可作為第二功能引腳實現(xiàn)其他功能。 AT80C52 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器 ， 引腳XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。本系統(tǒng)采用頻率為 12MHZ 的晶振與電容并聯(lián) 構(gòu)成震蕩電路。 顯示電路 在選擇顯示電路時考慮選用利用 74l47 驅(qū)動 3 個共陽極數(shù)碼管 ， 掃描方式為動態(tài)掃描 ， 這樣節(jié)省了單片機 I/O 口資源的占用。 為了 使 半導(dǎo)體制冷器 （ TEC） 能夠正常 運行 ， 必須保證 單電源 驅(qū)動電路 不僅 能夠提供足夠大的功率 ， 而且還能改變方向 。如圖 35 當輸入電壓 0 時管 Q Q4 導(dǎo)通似的負載 TEC 上獲得正半周電壓 ， 當輸入端為負電壓時 ， 管 Q Q3 導(dǎo)通 ， 使得負載 TEC 上獲得負半周電壓。 與 OCL 和 OTL 功放相比 ， BTL 在同等電壓負載條件下能夠把輸出功率提高 3 到 4 倍 ， 達到 75%。為此我是用 BTL 電路作為 TEC 的驅(qū)動電路 [26]。它是典型的珀爾帖效應(yīng) 器件 ， 其利用 N 型半 導(dǎo)體 與 P 型半導(dǎo)體的熱量傳遞造成溫度差 ， 用來升高溫度或者降低溫度 [11]。 整個電路采用的是對稱的結(jié)構(gòu) ， U3A 和 U3B 分別接成同相放大器和反向放大器 ， 放大倍數(shù)均為 β； Q1~Q4 選用相同參數(shù)的場效應(yīng)管 ， 跨導(dǎo)為 gm；電阻 R1~R6 的阻值均為 R； ZD ZD2 為穩(wěn)壓管 ， 其穩(wěn)壓值為 Uz， 正向?qū)〞r壓降為 UD。實現(xiàn)了對通過 TEC 電流方向的控制。 由式 (31)可以看出 ， I 與 Utw 呈線性關(guān)系 ， 實現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)輸入信號來 改變 TEC 電流大小的功能。用來實現(xiàn)對溫度的連續(xù)控制。其控制規(guī)律為 (32) 寫成傳遞函數(shù)形式 (33) 式中 K—— 比例系數(shù)； TI—— 積分時間常數(shù)； TD—— 微分時間常數(shù) [14]； PID 控制系統(tǒng)中各分量的作用特點如下： （ 1）比例控制作用的特點 是當系統(tǒng)存在輸入量時 ， 就會產(chǎn)生作用 ， 開始根據(jù)比例系數(shù) Kp 放大或者減小輸入量。使系統(tǒng)能夠快速的跟隨給定值 ， 當然其存在著缺點 ， 其缺點是穩(wěn)定性比較差 ， 抗擾能力弱 ， 當系統(tǒng)存在微小的變化量時都會引起其反應(yīng)。 ????????????? ? dt tdeTdtteTteKtu Dp )()(1)()( 101)11()( )()( 1 sTsTKsE sUsG Dp ????+Vdd14O U T 11l s b D B 011D B 110O U T 22D B 29D B 38D B 47D B 56R f b16D B 65m s b D B 74CS12V r e f15WR13U1A D 7 5 2 4+ 1 2R2R E S 4 1 012348U 2 AA D 8 0 7 2R1R E S 4D0D1D2D3D4D5D6D7CSWR12J1沈 陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 19 （ 2）積分控制作用的特點 是累計對系統(tǒng)輸入的變化量進行調(diào)節(jié)。但是其缺點是反應(yīng)速度慢。使系統(tǒng)能夠快速的響應(yīng)。容易受到干擾。及早地加入修正信號 ， 使得系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)。只需要比例積分環(huán)節(jié)就能實現(xiàn)對溫度的調(diào)節(jié)控制 [30]。 由于系統(tǒng)不會因為某種原因使得溫度急劇變化使系統(tǒng)快速反應(yīng) ， 因此本系統(tǒng)只需要比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)就可以完成溫度變化的控制 。比例控制的實現(xiàn)由兩種方法 ， 一種是串聯(lián)負反饋法 ， 一種是并聯(lián)負反饋法。電路由比例、積分電路組合而成 ， 見圖 38。 圖 38 比例積分電路圖 12J1R1R E S 2R4R E S 2R2R E S 2R3R E S 212348U 1 AA D 8 0 7 256784U 1 BA D 8 0 7 2C1C A P∑ 12J2沈 陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)論文 20 比例運算電路由電阻 R1， R2 和運算放大器組成 ， 理想情況下 ， 輸入輸出關(guān)系可由下式表示： （ 34） 其傳遞函數(shù)關(guān)系為 （ 35） 在實際的電路中 ， R1 是 由 連續(xù)可調(diào)電阻加上固定電阻構(gòu)成 ， 因此可以實現(xiàn)Kp 能夠在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) 。 比例積分控制電路總的傳遞函數(shù)等 于各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之和 ， 即 (38) 在本系統(tǒng)的溫度控制環(huán)節(jié)我使用的是 用粗調(diào)的比例環(huán)節(jié)加上細調(diào)的積分環(huán)節(jié)進行組合控制 ， 由于溫度控制相對是變化緩慢的 ， 因此沒有加入微分調(diào)節(jié)。而積分