畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-恒溫器設(shè)計(jì)

畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))用紙佳木斯大學(xué)教務(wù)處第0頁.目錄TOC\o"1-2"\h\z引言 1第一章恒溫器總體設(shè)計(jì)方案 31.1設(shè)計(jì)指標(biāo) 31.2溫度計(jì)的設(shè)計(jì) 31.3控制器的設(shè)計(jì) 51.4總體方案的設(shè)計(jì) 7第二章設(shè)計(jì)方案的理論分析 92.1溫度傳感器 92.2A/D轉(zhuǎn)換器 102.3比較器 112.4控制裝置 112.5譯碼和顯示 122.6計(jì)數(shù)裝置 122.7電源 132.8攪拌裝置 13第三章系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析 14第四章設(shè)計(jì)方案的改進(jìn) 164.1系統(tǒng)工作原理 164.2軟件設(shè)計(jì) 19結(jié)論 23致謝 24參考文獻(xiàn) 25英文摘要 27引言隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子器件的應(yīng)用范圍越來越廣，人們對(duì)電子制作的興趣也越濃厚，陸續(xù)設(shè)計(jì)出大量電子產(chǎn)品并應(yīng)用于各種領(lǐng)域。大家熟知的恒溫器就是電子產(chǎn)品的典型，恒溫器技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防的自動(dòng)化生產(chǎn)和自動(dòng)化水平產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，它被廣泛的應(yīng)用于我國的各個(gè)行業(yè)，在我們的生產(chǎn)和生活中發(fā)揮了不可估量的作用，提高了效率，有效的降低了能耗。如：在很多企業(yè)的生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)控溫系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；在生活中，空調(diào)、冰箱冰柜、熱水器、孵化器等家用器件中，恒溫器也起到了至關(guān)重要的作用；醫(yī)學(xué)中用的恒溫槽、恒溫箱也都是恒溫器的重要應(yīng)用；工業(yè)中，在材料燒結(jié)、熱處理的工藝過程中，溫度控制是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，控制精度直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，恒溫器在這里也發(fā)揮著重要的作用。綜上所述，恒溫器與人們生產(chǎn)、生活是密切相關(guān)的。由于目前市場(chǎng)上的恒溫器多通過熱敏開關(guān)來控制溫度的，熱敏開關(guān)主要由金屬感溫片和機(jī)械觸點(diǎn)組成。利用金屬感溫片受熱時(shí)的機(jī)械變形來帶動(dòng)觸點(diǎn)，使之閉合或斷開。從而達(dá)到減溫的目的，這種熱敏開關(guān)由于長時(shí)間使用其機(jī)械性能變差，動(dòng)作點(diǎn)溫度降低,就會(huì)使溫度達(dá)到所需要的溫度要求，因此，用其控制溫度不太適合。此外，大多數(shù)恒溫器不能隨時(shí)地任意設(shè)定所需的溫度值。給消費(fèi)者在使用上帶來諸多不便。因此，開發(fā)一種克服上述缺乏或不足的恒溫器勢(shì)在必行。我設(shè)計(jì)的恒溫器就是基于這一目的研制出來的一種電子產(chǎn)品。新型恒溫器是一種利用數(shù)字信號(hào)自動(dòng)控制溫度的系統(tǒng)。系統(tǒng)通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換的信號(hào)一路顯示當(dāng)前溫度。一路與脈沖信號(hào)通過比較器比較后控制可控硅的通斷以實(shí)現(xiàn)控溫的目的。文章中主要介紹了該恒溫器的設(shè)計(jì)原理、部件理論分析與調(diào)試、數(shù)據(jù)分析及方案的改進(jìn)。第一章恒溫器總體設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為凈水，容器為鐵質(zhì)器皿，水溫可以在0～99C之內(nèi)人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。恒溫器設(shè)計(jì)要求如下：1.溫度設(shè)定范圍為0～99C最小區(qū)分度為1C標(biāo)定溫度差1C2.當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí),溫度控制的靜態(tài)誤差1C3.用十進(jìn)制數(shù)碼顯示水的實(shí)際溫度。1.2溫度計(jì)的設(shè)計(jì)由于該恒溫器需要即時(shí)顯示水溫。所以就必須設(shè)計(jì)一款適合的溫度計(jì)。我以半導(dǎo)體二極管和A/D轉(zhuǎn)換器等一些電子元件設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式電子溫度計(jì)。其測(cè)溫范圍為0～100C，測(cè)溫精度達(dá)0.1C，完全符合設(shè)計(jì)的要求。圖1.1是溫度計(jì)的工作原理方框圖。圖1.2為溫度計(jì)的電路圖。溫度計(jì)由串聯(lián)的兩個(gè)IN4148組成溫度傳感器來采集溫度信號(hào)。該信號(hào)為模擬信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器處理后驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示溫度。IN4148溫度采集LED顯示ICLIN4148溫度采集LED顯示ICL7107A/D轉(zhuǎn)換圖1.1溫度計(jì)工作原理方框圖電阻R6～R8，二極管VD1～VD3，三極管V1構(gòu)成溫度傳感器電路。其中VD1、VD2串聯(lián)作為測(cè)溫探頭。R6～R8、VD3、V1構(gòu)成恒流源電路，給測(cè)溫探頭提供恒定的正向電流，二極管VD3起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔茫ＷC恒流的溫度穩(wěn)定性。溫度計(jì)的核心部件是ICL7107，它是美國INTERSIL公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器，是單片CMOS三位半雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部包含了線性放大器、模擬開關(guān)、時(shí)鐘脈沖振蕩器、基準(zhǔn)電壓源、七段譯碼器和LED顯示驅(qū)動(dòng)電路。因此ICL7107可以直接驅(qū)動(dòng)共陽極LED數(shù)碼管。ICL7107是在雙電源＋5V，－5V供電條件下工作。還具有自動(dòng)校零和極性自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，ICL7107功能強(qiáng)、功耗低、輸入阻抗高。電路中R1和C1構(gòu)成振蕩器的RC網(wǎng)絡(luò)。R1和C1按圖示取值時(shí)，時(shí)鐘脈沖頻率為45KHZ，這時(shí)每秒鐘約可出現(xiàn)三次讀數(shù)，即三次A/D轉(zhuǎn)換。電路中C5是積分電容，R2是積分電阻，C2是基準(zhǔn)電容，C3為輸入濾波電容，R3為輸入限流電阻。由于C5和R2直接影響電路的測(cè)量精度。所以應(yīng)保證二者的質(zhì)量。積分電容應(yīng)選用具有較低的介質(zhì)吸收性能的聚丙烯電容，積分電阻選用無感式滌綸電容。R9～R12為限流電阻。核心部件ICL7107與國產(chǎn)的CAD7107及Teledyne半導(dǎo)體公司的TSC7107在功能、性能和封裝形式上完全相同，可互換使用。1.3控制器的設(shè)計(jì)控制器的選擇極其重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)對(duì)控制精度要求較高。因此，在設(shè)計(jì)中思考了幾種控制裝置，對(duì)幾種控制裝置進(jìn)行比較，從中選出最佳的設(shè)計(jì)方案。1.3.1機(jī)電式恒溫控制器利用常規(guī)的機(jī)電式恒溫控制器——雙金屬片來控制水溫。所謂雙金屬片就是用黃銅和紫銅粘和而成。黃銅受熱后膨脹得比紫銅多，于是，使金屬片彎曲。把一端固定住，另一端就會(huì)隨著溫度的變化而移動(dòng)。來實(shí)現(xiàn)與加熱電路間電觸點(diǎn)的接通和閉合，從而控制加熱器的通斷電達(dá)到控溫的目的。該控溫器的優(yōu)點(diǎn)是：原理簡單，應(yīng)用方便，價(jià)格低廉。但是，存在較大缺點(diǎn)：長時(shí)間使用機(jī)械性能降低，溫度控制精度不足。1.3.2集成控制器本控制器采用74LS688集成塊輸出高、低電平來控制可控硅的通斷，在溫度較高時(shí)輸出低電平，三極管截止，可控硅關(guān)斷，加熱器斷電，停止加熱，當(dāng)溫度下降到一定程度時(shí)，輸出高電平，三極管飽和導(dǎo)通，可控硅導(dǎo)通，加熱器得電加熱，溫度又逐漸升高……如此反復(fù)加熱使加熱設(shè)備內(nèi)保持恒溫，該控制器靈敏度非常好，線性度高，還可任意設(shè)定溫度。圖1.3為控制器電路圖.該集成控制器具有控制溫度準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、工作電壓低、使用安全等優(yōu)點(diǎn)。圖1.3控制器電路圖1.4總體方案的設(shè)計(jì)由于恒溫器的設(shè)計(jì)對(duì)溫度控制精度要求較高，首先考慮的是采集溫度信號(hào)的及時(shí)、信號(hào)的利用程度和對(duì)加熱裝置的控制，所以采用數(shù)字式電子溫度計(jì)采集和顯示溫度。比較器是很重要的部分，它的好壞直接影響控溫的效果，所以要求比較信號(hào)：一是準(zhǔn)確；二是及時(shí)。本系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)比較。模擬信號(hào)雖然可以通過比較器的跳變實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫的功能，但是模擬信號(hào)不如數(shù)字信號(hào)可靠，很容易失真，因此采用數(shù)字控制。雖然也有競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)，但與模擬信號(hào)的抗干擾、防失真相比，數(shù)字信號(hào)具有可靠、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)精確的控制很有利。比較時(shí)用七段碼等值比較，因此采用八位數(shù)值比較器74LS688來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求是較好的方案。系統(tǒng)包括：溫度采集、A/D轉(zhuǎn)換、比較器、溫控裝置、計(jì)數(shù)裝置、譯碼和顯示等部分。系統(tǒng)框架圖如圖1.4所示。數(shù)碼顯示譯碼線性放大溫度傳感器數(shù)碼顯示譯碼線性放大溫度傳感器水容器水容器加熱器控制器比較器加熱器控制器比較器數(shù)碼顯示譯碼計(jì)數(shù)器恒溫設(shè)定數(shù)碼顯示譯碼計(jì)數(shù)器恒溫設(shè)定圖1.4系統(tǒng)框架圖圖1.4中水容器是一個(gè)鐵質(zhì)桶組成的，上面帶一個(gè)鐵蓋，并裝有一個(gè)加熱器和一個(gè)攪拌器，加熱器采用1000瓦圓圈形普通電熱器，攪拌器是為了容器中的水均勻受熱。恒溫設(shè)定采用小型按鈕輸入，也就完成了給計(jì)數(shù)器提供信號(hào)。計(jì)數(shù)裝置包括脈沖電路和計(jì)數(shù)器。采用555定時(shí)器組成計(jì)數(shù)裝置的脈沖部分，而計(jì)數(shù)器應(yīng)用74LS190可預(yù)制十進(jìn)制BCD同步可逆計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)功能。譯碼采用74247BCD－七段譯碼器來完成，數(shù)碼顯示均通過共陽極數(shù)碼管來完成?？刂破鞲鶕?jù)兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較，采用集成控制器來實(shí)現(xiàn)。線性放大部分由市場(chǎng)最新產(chǎn)品ICL7107A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。第二章設(shè)計(jì)方案的理論分析2.1溫度傳感器溫度傳感器種類繁多，各種溫度傳感器的性能也有所不同，測(cè)溫范圍也有所差異。常用的溫度傳感器有熱電效應(yīng)原理的熱電偶、電阻變化原理的熱敏電阻和P—N結(jié)結(jié)電壓變化的半導(dǎo)體二極管。熱敏電阻由于是由金屬氧化物陶瓷半導(dǎo)體材料經(jīng)過成型、燒結(jié)等工藝制成的測(cè)溫元件。所以靈敏度高、體積小、熱慣性小和價(jià)格低，但由于在40C～90C范圍內(nèi)非線性嚴(yán)重、穩(wěn)定性很不好，而且還需要較復(fù)雜的調(diào)整電路，因而不是理想的傳感器。熱電偶是利用物理學(xué)中塞貝克效應(yīng)制成的溫度傳感器。熱電偶雖然溫度變化緩慢，但是在40～90C范圍內(nèi)輸出電壓與溫度是非線性關(guān)系。若想得到線性變化關(guān)系需要硬件電路和軟件計(jì)算機(jī)等方法來校正。但電路太復(fù)雜，不適合恒溫器的設(shè)計(jì)要求。半導(dǎo)體二極管傳感器，結(jié)電壓隨溫度變化而變化的，當(dāng)溫度升高1C時(shí)約下降2.1mV電壓。具有良好的線性度。熱時(shí)間常數(shù)約0.2s～0.3s。靈敏度較高，精度也完全可以滿足要求。因而采用二極管、電阻、三極管組成設(shè)計(jì)中的溫度傳感器。二極管的正向壓降決定于正向電流的大小和環(huán)境溫度。當(dāng)正向電流一定時(shí)，正向壓降隨溫度的升高而下降。對(duì)于普通的硅二極管IN4148而言，具有約－2.1mV/C的溫度系數(shù)。兩個(gè)IN4148串接時(shí)，總的正向壓降與溫度的關(guān)系為－4.2Mv/C，通過計(jì)算可得恒流源提供給VD1、VD2的恒定電流約為0.6mA。理論和實(shí)踐都已證明在0C～100C的范圍內(nèi)，二極管的測(cè)溫精度可達(dá)±0.1C，與其他溫度傳感器相比，在低溫測(cè)量方面二極管溫度傳感器具有靈敏度高、線性好、簡便的特點(diǎn)，是本設(shè)計(jì)的最佳傳感器。2.2A/D轉(zhuǎn)換器溫度是慢變化信號(hào)。但要求比較高的測(cè)溫精度，因此采用抗干擾性很好的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，若采用8位A/D轉(zhuǎn)換器則達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的精度?；谝陨峡紤]，從能購買到的器件中，我選擇ICL7107。ICL7107為三位半BCD碼輸出，轉(zhuǎn)換時(shí)間為33μs，共模抑制比典型值為50μV/V，電源需±5V兩路。具有自動(dòng)調(diào)零和極性自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，可以滿足設(shè)計(jì)中的精度指標(biāo)。2.3比較器比較器采用74LS688來實(shí)現(xiàn)效果。74LS688作為八位數(shù)值比較器只有在相等的時(shí)候輸出信號(hào)為低電平，其它情況輸出高電平，開關(guān)控制只有兩種狀態(tài)，低于則加熱等于則斷電。當(dāng)斷點(diǎn)后余熱升溫一些后，水溫下降，比較器根據(jù)接受到的信號(hào)進(jìn)行工作，輸出比較值，形成0、1信號(hào)，通過三級(jí)管控制可控硅的導(dǎo)通和斷開。實(shí)際的比較信號(hào)有三種狀態(tài)控制，控制起來安全，沒有冒險(xiǎn)，但會(huì)使線路復(fù)雜?？紤]一是工藝問題；二是信號(hào)太多易造成混亂，并且加熱器的控溫也特殊，由室溫開始加熱，當(dāng)?shù)戎狄呀?jīng)斷開，只要適當(dāng)改變加熱器的功率和比較范圍，完全可以使比較大于的情況得以控制。又考慮冒險(xiǎn)和復(fù)雜電路所造成的不良影響，故決定采用簡單的方法控制復(fù)雜的比較過程，即用兩種情況控制。2.4控制裝置運(yùn)用74LS688集成塊的端只有相等時(shí)輸出低電平，其他情況均輸出高電平的性質(zhì)來控制可控硅。74LS688是八位數(shù)值比較器，可對(duì)兩個(gè)8位字碼進(jìn)行逐位比較并且指示它們是否相等。當(dāng)端輸出低電平時(shí)兩個(gè)8位字完全相等。三極管基極輸入0信號(hào)時(shí)三極管截止，可控硅斷開，加熱器斷電。考慮加熱器的電流比較大，防止可控硅因電流過大而損失，因此，采用最大電流12A的元件。2.5譯碼和顯示由于模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)和設(shè)定溫度時(shí)產(chǎn)生的均為BCD碼，所以必須通過譯碼器進(jìn)行譯碼，才能在數(shù)碼管中顯示，我們采用了74247BCD—七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器。該型譯碼器的耐壓值為15V。74247BCD—七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器低電平有效。集電極開路輸出直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼顯示器，可以使觀察者清晰的看到數(shù)值，通俗易懂。2.6計(jì)數(shù)裝置技術(shù)裝置包括脈沖電路、計(jì)數(shù)器。脈沖電路的產(chǎn)生和整形電路可以采用分立元件及門電路構(gòu)成，也可采用555定時(shí)器來構(gòu)成。但是采用分離元件及門電路組件復(fù)雜、誤差較大，而555定時(shí)器是中規(guī)模雙極型集成電路，只需外配幾個(gè)阻容元件就可以實(shí)現(xiàn)功能，因此采用555定時(shí)器組成計(jì)數(shù)裝置的脈沖部分。計(jì)數(shù)器采用74LS190可預(yù)制十進(jìn)制BCD同步可逆計(jì)數(shù)器來完成功能。74LS190可以完成置數(shù)、加減法、進(jìn)位和清零的功能，也可以通過時(shí)鐘脈沖控制下一級(jí)的工作狀態(tài)，所以采用該集成塊是最佳的選擇。但是考慮具有抗干擾的能力和使用者的方便，在設(shè)置恒溫?cái)?shù)值時(shí)采用三個(gè)按鈕的控制，即可以使線路設(shè)置簡單，又可以保證電路操作安全。2.7電源本系統(tǒng)采用四路直流電源：+5V、-5V、+5V和+12V來工作。其中+5V電源分別給數(shù)字溫度計(jì)部分和控制電路部分供電，這樣可避免數(shù)字信號(hào)影響模擬信號(hào)，有利于提高溫控精度和可靠性；-5V電源給數(shù)字溫度計(jì)部分供電；+12V則給比較器供電。2.8攪拌裝置由于加熱器是安裝在水容器內(nèi)距離底部大約1cm的位置上，這樣加熱時(shí)容器內(nèi)的水就會(huì)產(chǎn)生受熱不均的情況，由此影響控溫的效果，所以必須采取一定的辦法是水在容器內(nèi)不停地高速流動(dòng)，以減少水溫不均勻的幾率，因此本系統(tǒng)安裝了由小電機(jī)、攪拌器組成的電動(dòng)攪拌器。第三章系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的調(diào)試工作至關(guān)重要，直接關(guān)系到恒溫器制作的成敗。而整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試中溫度計(jì)在使用前的定標(biāo)是必需的，具體調(diào)試方法是：（1）把測(cè)溫探頭放入體積為1000ml的冰水混合物中，使RP1調(diào)到最上端，調(diào)節(jié)RP2使數(shù)碼管顯示“00.0”；（2）將測(cè)溫探頭置于體積為1000ml的沸水中，用溫度計(jì)測(cè)出水溫為99.0C，然后調(diào)節(jié)RP1使數(shù)字溫度計(jì)的數(shù)碼管顯示“99.0”。經(jīng)過上述調(diào)節(jié)后，該數(shù)字溫度計(jì)就可以正常工作了。在容器中放入常溫的水，接通電源，設(shè)定控溫值為75.0C。觀察測(cè)量溫度計(jì)發(fā)現(xiàn)讀數(shù)為75.1C時(shí)，加熱器電源自動(dòng)斷開。由于余熱水溫繼續(xù)上升，但上升的幅度很小，到達(dá)75.8C時(shí)水溫開始下降，降到74.8C時(shí)可控硅又控制加熱器加熱，水溫上升，當(dāng)達(dá)到75.0C時(shí)又?jǐn)嚯?，這樣不斷的通斷、電，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。但缺點(diǎn)是反復(fù)的通、斷電對(duì)儀器的耐用型和可靠性要求較高，而且數(shù)字信號(hào)的控制也有危險(xiǎn)性。但通過20次的溫度設(shè)定和自動(dòng)控制測(cè)試，可以基本達(dá)到±1C的要求，20次的溫度控制測(cè)試發(fā)現(xiàn)有一次沒能達(dá)到要求。溫度計(jì)顯示的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)的溫度計(jì)比較，測(cè)溫誤差在±1C左右。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試，最低測(cè)溫可達(dá)0.0C，最高測(cè)溫可達(dá)99.0C，滿足需要測(cè)量的范圍和準(zhǔn)確性。第四章設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)利用計(jì)數(shù)器和比較器的結(jié)合來控制加熱器的通、斷電，雖然能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，但電路焊制比較繁瑣，線路太復(fù)雜，控溫精度不高。為了提高恒溫器的性能，對(duì)恒溫器進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，擬采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后送入PC機(jī)，PC機(jī)經(jīng)過控制算法（PID）得到的控制量送到單片機(jī)中，單片機(jī)將根據(jù)控制量去控制可控硅的通斷，以實(shí)現(xiàn)交流電功率的控制，使被控對(duì)象溫度穩(wěn)定在期望值上。該系統(tǒng)由于利用微機(jī)進(jìn)行PID控制運(yùn)算，很好地解決了人機(jī)對(duì)話，方便的根據(jù)實(shí)際情況輸入預(yù)期的溫度值和適合系統(tǒng)的PID參數(shù)，從而使系統(tǒng)應(yīng)用在各種恒溫控制的場(chǎng)合。另外，為了方便使用，得到最優(yōu)參數(shù)，對(duì)用戶輸入的每組參數(shù)都計(jì)算出它們的控制質(zhì)量評(píng)估參數(shù)顯示在窗口中，是用戶能夠及時(shí)根據(jù)控制質(zhì)量的好壞修改PID參量，而且對(duì)控制質(zhì)量有個(gè)直觀定量的認(rèn)識(shí)。4.1系統(tǒng)工作原理圖4.1是整個(gè)恒溫系統(tǒng)的框圖。本系統(tǒng)由五部分電路PC機(jī)測(cè)溫構(gòu)成。分別是測(cè)溫電路、過零PC機(jī)測(cè)溫檢測(cè)電路、控制電路、A/D轉(zhuǎn)接口換電路和通信電路。接口控制部分8051系統(tǒng)控制部分8051系統(tǒng)4.1.1測(cè)溫電路該電路的測(cè)溫范圍為：0～圖4.1系統(tǒng)框圖120C；輸出電壓范圍是0～5V。電路的核心部件是溫度傳感器AD590，該傳感器是以電流輸出量作為溫度指示的集成溫度傳感器，其測(cè)溫范圍在-55～+150C，其電流溫度靈敏度是1μA/K，也就是說溫度每改變一度則流過溫度傳感器的電流將會(huì)改變一微安。A點(diǎn)是個(gè)虛地點(diǎn)，所以穩(wěn)壓管LM336使得電阻R1和R2上的降壓穩(wěn)定在2.5V，這樣通過改變電阻R1和R2的阻值就可以改變流過的電流，0C時(shí)溫度傳感器AD590流過的電流是273微安。為了使0C時(shí)的對(duì)應(yīng)輸出電壓為5V，必須使此時(shí)流過電阻R3和R4的電流為零。計(jì)算得出電阻R2選取為5K，滑動(dòng)變阻器R1選取為5K，為了與A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓范圍相匹配，且使120C時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出為5V，電阻R3和R4的阻值選取應(yīng)滿足如下公式：5V／(323μA－273μA)＝100K，電阻R3選為60K，滑動(dòng)變阻器R4選為50K。電路如圖4.2所示。4.1.2過零檢測(cè)電路為了減小截波帶來的干擾，截波必須從零點(diǎn)開始，下面的電路就是為完成該任務(wù)而設(shè)計(jì)的。交流電壓沒有過零時(shí)，74LS14的輸出總是高電平，只有過零時(shí)才輸出一個(gè)低電平，用這個(gè)低電平做外部中斷的觸發(fā)信號(hào)。電路如圖4.3所示。圖4.2測(cè)溫電路圖4.3過零檢測(cè)電路4.1.3控制電路PID控制運(yùn)算得出的控制量本身并不能完成控制，他還必須有一個(gè)執(zhí)行電路和執(zhí)行程序才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)8051系統(tǒng)往非門送入一個(gè)高電平信號(hào)，MOC302的4腳會(huì)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)將可控硅打開，于是正弦交流電的一個(gè)波通過；當(dāng)送入非門的信號(hào)是低電平，MOC302的4腳將打不開可控硅，正弦交流電無法通過，也就截去了一波。電路如圖4.4所示。4.1.4A/D溫度的變化緩慢，對(duì)A/D的轉(zhuǎn)換速度要求不高，本系統(tǒng)每10～15秒才采集溫樣一次，因此選用了一種低成本采用脈沖調(diào)寬原理設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換器,如圖4.5所示。電容首先進(jìn)行初始化，然后輸入電壓Vin與電容電壓相比較，比較器將比較結(jié)果送到8051系統(tǒng)，由軟件給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。由于8051系統(tǒng)的I/O口是準(zhǔn)雙向口，因此加了個(gè)10K的上拉電阻，使輸入電平為可靠的高電平或低電平。電路如圖4.5所示。圖4.4控制電路圖4.5A/D轉(zhuǎn)換電路4.1.5通訊接口電路由8051單片機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)，要跟PC進(jìn)行串行通信的話，必須加RS—232接口，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸入輸出電平為TTL電平，IBM—PC機(jī)配置的是RS—232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，因此要完成PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。這是用1488，1489電平轉(zhuǎn)換器完成TTL到RS—232C電平轉(zhuǎn)換。4.2軟件設(shè)計(jì)整個(gè)溫控系統(tǒng)是在程序的控制下工作的，控制系統(tǒng)工作是由A/D轉(zhuǎn)換程序、通信程序、PID控制運(yùn)算程序和控制程序四部分有機(jī)構(gòu)成的。4.2.1A該程序由兩部分構(gòu)成，一部分完成對(duì)電容的初始化，另一部分則完成采樣。它的基本原理是：通過對(duì)比較器輸出的判斷，對(duì)電容進(jìn)行充、放電，完成初始化過程，接著進(jìn)行采樣，通過對(duì)輸入P1.0高點(diǎn)平的計(jì)數(shù)用脈沖調(diào)寬原理實(shí)現(xiàn)8位A/D轉(zhuǎn)換。4.2.2通信程序要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)間的通信，通信雙方必須遵從統(tǒng)一的通信協(xié)議。約定如下：單片機(jī)和PC即可發(fā)送又可接收；PC機(jī)與單片機(jī)的通信波特率為9600bps。接收/發(fā)送11位信息，一位停止位，無奇偶較驗(yàn)位；PC機(jī)和單片機(jī)都采用串行口查尋方式進(jìn)行發(fā)送和接收。單片機(jī)的接收/發(fā)送程序：設(shè)定定時(shí)器T1為定時(shí)方式2，SMOD設(shè)置為采用串行口方式3；程序用匯編語言編寫，由初始化、接收和發(fā)送三部分組成。PC機(jī)的接收/發(fā)送程序：程序用C語言編寫，分初始化、接收和發(fā)送三部分。4.2.3P最優(yōu)化理論可以證明，PID控制能滿足相當(dāng)多的工業(yè)對(duì)象的控制要求。PID調(diào)節(jié)器是根據(jù)實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定值，按比例—積分—微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算得出輸出控制量。模擬PID調(diào)節(jié)器的理想算式為：U(t)=P［e(t)+1/T1e(t)dt+TDde(t)/dt］式中U(t)--調(diào)節(jié)器輸出e(t)--調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制偏差P--比例系數(shù)T1--積分時(shí)間T0--微分時(shí)間由于計(jì)算機(jī)控制系數(shù)為離散系統(tǒng)，因此應(yīng)將上式離散化并采用增量式PID離散表達(dá)式：ΔU(k)=P［e(k)－e(k-1)］+Pie(k)+PD［e(k)－2e(k-1)+e(k-2)］式中ΔU(k)--tk時(shí)刻的輸出增量e(k)--tk時(shí)刻的控制偏差其中e(k)=w－y(k)為設(shè)定值，如溫度設(shè)定為35C，y(k)為tk時(shí)刻系統(tǒng)溫度輸出值。Pi--積分系統(tǒng)PD--微分系統(tǒng)其中P、Pi、PD系數(shù)在實(shí)驗(yàn)中調(diào)試、整定。為了克服控制計(jì)算中發(fā)生的積分飽和現(xiàn)象，實(shí)際中采用了分離算法，其控制算式為：當(dāng)e(k)>εPD運(yùn)算當(dāng)e(k)εPD運(yùn)算，其中ε為控制誤差。PID控制運(yùn)算程序是由核心部分與輔助部分組成，核心部分實(shí)現(xiàn)PID的控制運(yùn)算，并向8051系統(tǒng)發(fā)生控制指令，通過控制硅的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)恒溫箱的溫度控制。輔助部分實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)定及控溫圖形的顯示。系統(tǒng)控制流程圖如圖4.6所示。接收PC機(jī)控制指令畫作標(biāo)接收PC機(jī)控制指令畫作標(biāo)產(chǎn)生定時(shí)觸發(fā)脈沖讀鍵盤輸入的參數(shù)P產(chǎn)生定時(shí)觸發(fā)脈沖讀鍵盤輸入的參數(shù)PPiPD和W調(diào)節(jié)熱功率測(cè)量溫度接收采樣值并畫出測(cè)量溫度接收采樣值并畫出向PC機(jī)向PC機(jī)傳送溫度值PID控制運(yùn)算送出控制量送出控制量單片機(jī)PC機(jī)圖4.6系統(tǒng)控制流程圖結(jié)論本文詳細(xì)敘述了恒溫器的設(shè)計(jì)方案及其理論分析、系統(tǒng)調(diào)試與數(shù)據(jù)分析。設(shè)計(jì)方案采用半導(dǎo)體二極管為溫度傳感器，利用比較器來控制可控硅的通斷，從而實(shí)現(xiàn)控溫的目的。該恒溫器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，原理簡單易懂，廣大用戶很容易掌握和應(yīng)用，且可任意的設(shè)定溫度。隨著科學(xué)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步，恒溫器的精度要求越來越高，因此對(duì)我自行設(shè)計(jì)的恒溫器提出了改進(jìn)方案。改進(jìn)后的方案利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制具有一定的優(yōu)點(diǎn)，可以通過編程優(yōu)化PID控制過程，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可同時(shí)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，還可以實(shí)現(xiàn)打印、顯示、報(bào)警等多種功能，從而操作簡單，大大提高了效率，也提高了控溫精度。缺點(diǎn)就是元件價(jià)格高，不能廣泛被廣大用戶所接受，控制程序的編制也是一個(gè)難度。本次設(shè)計(jì)和制作恒溫器是成功的。在實(shí)踐中對(duì)電子設(shè)計(jì)的知識(shí)又復(fù)習(xí)了一遍，加深了對(duì)知識(shí)的理解，也增強(qiáng)了焊制的技術(shù)水平，可以說是受益菲淺。以后我將不斷的學(xué)習(xí)和了解相關(guān)恒溫器的知識(shí)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)，使恒溫器的設(shè)計(jì)達(dá)到更高的性能指標(biāo)。致謝在本次畢業(yè)論文材料的準(zhǔn)備階段，對(duì)電子等相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了查閱和再學(xué)習(xí)，得到了理學(xué)院資料室杜瑞婷老師和圖書館老師的幫助，在此一并表示感謝。在恒溫器的設(shè)計(jì)和制作過程中，得到了系里領(lǐng)導(dǎo)、老師和同學(xué)們的支持與幫助，尤其是我的指導(dǎo)教師顏正先老師，他在百忙之中多次的為我的論文提出寶貴的修改意見，并且耐心講解，這一切都激勵(lì)著我不斷的進(jìn)步，在此表示由衷的感謝！參考文獻(xiàn)［1］歐偉民.自制數(shù)字溫度計(jì).電子制作（J）.2001（6）.［2］柯世璧.自制簡易恒溫器.電子制作（J）.2002（7）.［3］蔡德權(quán).家用電熱開水器控制裝置.家用電器（J）.2000（5）.［4］何希才.新型集成電路及其應(yīng)用實(shí)例（M）.北京:科學(xué)出版社.2002.［