恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、在此次設(shè)計中，主要是設(shè)計一套能夠精確控制溫度的恒溫箱溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng) 能夠?qū)崟r、自動、準(zhǔn)確的測量恒溫箱內(nèi)的溫度，然后通過加熱和降溫將溫度控制在設(shè)定 的誤差范圍內(nèi)。恒溫箱在各個領(lǐng)域里都有很重要的意義，但其控制系統(tǒng)又較為復(fù)雜，基 本上不可能用數(shù)學(xué)的方法建立準(zhǔn)確的模型。當(dāng)前是用經(jīng)典控制和智能控制兩種控制算法 相結(jié)合的方式對溫度進(jìn)行高效的控制。我們采用stc12c5a60s2單片機(jī)作為核心控制器，溫度測量采用數(shù)字溫度傳感器, 使用pid控制，輸出控制用量的調(diào)節(jié)用的是可控硅觸發(fā)端的通斷，從而實現(xiàn)對溫度的控 制。溫度在一定范圍內(nèi)可以由人工調(diào)節(jié)，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調(diào)整。這樣將 pid和單片機(jī)結(jié)

2、合使用，可以將整個控制系統(tǒng)的精度提高，將誤差減小。pid算法是經(jīng)典的控制算法,在實際的控制中有著很高的地位。pid算法相對簡單， 控制精度高。但是pid調(diào)節(jié)的參數(shù)無法適應(yīng)系統(tǒng)很長時間，需要對參數(shù)不斷的整定，以 達(dá)到更好的控制效果。該算法最重要的是怎樣合理有效的整定其參數(shù)，針對這種情況我 們就要對其進(jìn)行仿真建模，通過matlab找到更好的解決方法，以免浪費不必要的時 間，有效的提高了設(shè)計效率，也使控制性能可以達(dá)到預(yù)期的效果。關(guān)鍵詞：恒溫箱；溫度控制；matlab； pidabstractthis paper is mainly to design a set of temperature con

3、trol system that can control the temperature of incubators precisely. this system is capable in automatically and accurately measuring the temperature inside the oven in real-time and control the temperature within the setting error range by heating and cooling. incubators have a very important sign

4、ificance in various fields. due to its complication in the control system, basically it is impossible to mathematically establish a mode accurately. the current used algorithm control method is the classical control method and intelligent control method. by combining these two algorithms, an efftcti

5、ve control on the temperature is achieved.stc12c5a60s2 microcontroller is used as the core controller. the temperature measurement is done by using pid control on the digital temperature sens or. the amount of output is control by using the trigger of scr, where the temperature control is achieved t

6、he temperature can be adjusted manually within certain range and it can adjust automatically when the ambient temperature decreases. the combination of usage of pid and microcontroller can increase the accuracy of the control system and therefore reduce the errors.pid is a classical algorithm and co

7、ntrol algorithms. it has a very high status in the actual control system. the pid algorithm is relatively simple and has high precision of control. but in order to achieve a better control effect, the pid parameters need a constant tuning and they are unable to adapt in the system for a longer time.

8、 therefore is it important for finding a reasonable and effective tuning for the parameters in which we have to modeling and stimulation. in order to find a better solution without wasting much time, matlab is used and this has effectively improve the design efficiency and the control performance ac

9、hieved the desired results.key words: incubators; temperature control; matlab; pid control目錄摘要iabstractii引言11 緒論21課題背景，目的和意義21.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3發(fā)展方向31.4本章小結(jié)32恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計42恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的研究內(nèi)容與基本要求42.1.1恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的研究內(nèi)容42.1.2恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求42.2恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的基本工作原理42.3控制方案的選擇52.3.1比例控制（p） 52.3.2比例積分控制（pi） 62.3

10、.3比例微分控制（pd） 62.3.4比例積分微分控制（pid）72.4 pid的特點與參數(shù)的整定82.4.1pid調(diào)節(jié)器的特點82.4.2pid調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定82.5 本章小結(jié)93恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計103元器件的選擇103溫度傳感器的選擇103.1.2電線的選擇103.3顯示器的選擇113.1.4穩(wěn)壓器的選擇113.5按鍵的選擇123.1.6加熱負(fù)載控制器件的選擇123.7核心控制器的選擇133.2單片機(jī)電路的設(shè)計133.3 顯示電路的設(shè)計143.4按鍵電路的設(shè)計153.5報警電路的設(shè)計163.6穩(wěn)壓電路的設(shè)計163.7過零檢測電路173.8加熱器件驅(qū)動電路183.8.1光

11、電耦合器介紹183.8.2可控硅介紹183.8.3可控硅驅(qū)動電路設(shè)計193.9熱電偶信號處理電路203.9.1熱電偶的基本工作原理203.9.2max6675 的介紹20393熱電偶信號處理電路的設(shè)計213.10模擬樣機(jī)硬件的制作223.11本章小結(jié)224溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計234.1檢測模塊設(shè)計234.1.1按鍵模塊程序設(shè)計234.1.2溫度檢測程序設(shè)計244.2控制模塊程序設(shè)計244.3顯示模塊程序設(shè)計254.4 pid程序設(shè)計264.5系統(tǒng)整體設(shè)計264.6模擬樣機(jī)的軟件設(shè)計274.7本章小結(jié)275恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的建模與仿真285.1恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模285.2控制系統(tǒng)的

12、仿真28521 matlab 的簡介285.2.2 simulink 白勺簡介295.2.3pid控制及仿真295.3本章小結(jié)316 總結(jié)326.1結(jié)論326.2心得體會32謝辭33參老文獻(xiàn)34附錄一扌莫扌以諒加諒葆匚二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二35 附錄二 元器件清單38附錄三模擬樣機(jī)的溫度控制系統(tǒng)的pcb圖39引言恒溫箱的應(yīng)用非常廣泛。其工作就是保持溫度的恒定，從瑣碎的fi常生活到精準(zhǔn)的 科學(xué)研究；從能源、化工到醫(yī)用、軍事；從工業(yè)生產(chǎn)到農(nóng)牧業(yè)的需要。可見，恒溫箱無 處不在。在當(dāng)今社會，由于科技快速進(jìn)步，國家經(jīng)濟(jì)水平的高速發(fā)展，以及大眾對恒溫箱的 需求的增長，所以就對恒溫箱提出了

13、更高的要求。不僅要控制的精度越來越高，述要經(jīng) 濟(jì)實惠，更希望恒溫箱有一個溫度控制的范圍，可以讓用戶自己設(shè)置自己所需溫度，以 滿足不同用戶的不同需求。一般的溫度控制方法都是設(shè)定一個數(shù)值為溫度的臨界點，超過誤差允許的范疇則要 進(jìn)行溫度調(diào)控。本方法容易操作，價格適中，但結(jié)果不理想，控溫精度不高，需要較長 的時間才可以到達(dá)穩(wěn)定點。因此，它只適用于對精度要求不高地方。本次畢業(yè)設(shè)計中，該系統(tǒng)的作用就是實現(xiàn)對溫度的控制與監(jiān)測。我們的核心控制器 是單片機(jī)。用單片機(jī)進(jìn)行pid計算，可以最大程度的展示軟件的靈活性、且容易操作, 可以讓系統(tǒng)變得更穩(wěn)定一些。單片機(jī)是每個控制系統(tǒng)中不能缺少的重要組成部分，已廣泛地應(yīng)用于

14、各個領(lǐng)域。能 及時的處理數(shù)據(jù)，可以使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下工作，并使控制精度整體提高。又因為單片 機(jī)有功能強(qiáng)大，反應(yīng)靈敏，尺寸小，能耗低，性價比高等優(yōu)點，因此其市場占有率在h 益增加。pid控制器原理相對容易一些，且適應(yīng)性好，魯棒性強(qiáng)。因為其p、i、d各自獨立， 研究工作者可以根據(jù)自己的需求來進(jìn)行組合，整定pid的參數(shù)又相對簡單。因此在眾多 領(lǐng)域里都有廣泛的應(yīng)用。1緒論1.1課題背景，目的和意義隨著社會不斷發(fā)展，科技快速進(jìn)步，以及恒溫箱在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，智能控制與經(jīng) 典控制相結(jié)合的控制方式已然成為溫度控制系統(tǒng)的主流方向。溫度在諸多領(lǐng)域里都是極 為重要的參數(shù)，但對其實現(xiàn)高精度的控制是有一定難度的，但溫

15、度又是一個和生活密不 可分的實際問題。鑒于這是實際狀況，所以設(shè)計恒溫箱溫度控制系統(tǒng)是有廣闊的前景和 實際意義。在日常生活中，可以用來保存食物；在工業(yè)屮，可以保存工業(yè)原料以及對一些產(chǎn)品 的測試，其控制效果的好壞會對產(chǎn)品有直接的影響；在農(nóng)牧業(yè)中，可以育苗，可以飼養(yǎng) 生物；在科研機(jī)構(gòu)可以培養(yǎng)細(xì)胞；在生物研究中，可以為無菌試驗創(chuàng)造有利的條件；某 些高端電子設(shè)備的正常運行需要一定的溫度環(huán)境。這些都是恒溫箱在各個領(lǐng)域里發(fā)揮的 作用。由此可見，恒溫箱有著舉足輕重的地位。在當(dāng)今大環(huán)境下，市場與技術(shù)息息相關(guān)，同吋技術(shù)在開發(fā)產(chǎn)品方面又起著決定性的 作用。如今有關(guān)恒溫箱溫度控制的產(chǎn)品，成為大家研究開發(fā)的熱點。隨著科

16、技的益發(fā) 展，單片機(jī)技術(shù)越來越成熟，覆蓋范圍也越來越廣。并且以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)可 以克服控制系統(tǒng)的容量滯后問題，這就讓控制系統(tǒng)的精度得到了的改善。其良好的控制 效果也對安全高效的生產(chǎn)、環(huán)保事業(yè)、經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展起到了十分顯著的作用。因為溫 度控制系統(tǒng)的普遍性，溫度傳感器的種類也在隨著它的發(fā)展而不停的增加，以此來滿足 越來越多元化的需求。本設(shè)計的內(nèi)容是恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，溫度是控制目標(biāo)。無論在生活屮還是工業(yè)屮, 溫度控制系統(tǒng)都被廣闊采用，例如在發(fā)酵箱、工業(yè)產(chǎn)品檢測、無菌實驗環(huán)境都需要溫度 控制。所以本次畢業(yè)設(shè)計的目的是設(shè)計一種恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，在價格較低的前提下, 爭取實現(xiàn)控制精度高，實時

17、性好等功能。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，恒溫箱溫度控制被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，獲得了社會各 界的認(rèn)可。在不同的情況下，由于被控對象的差異、期望效果、經(jīng)濟(jì)等因素，需要根據(jù) 實際狀況設(shè)計系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)控制。其中，恒溫箱溫度控制系統(tǒng)在 工、商業(yè)中是一個重要的研究對象。從上世紀(jì)70年代開始，國外就己經(jīng)開始研究溫度控制系統(tǒng)了。到了 80年代后期, 因為工業(yè)發(fā)展的需求，尤其是微電子、計算機(jī)技術(shù)的快速成熟，還有設(shè)計方法的發(fā)展等 一系列因素的推動下，國外的溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅猛。智能化等在科技中也有較大的成就。當(dāng)下，一些技術(shù)成熟的大國已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，可以生產(chǎn)出性能良好的商品?，F(xiàn)

18、如今，國外的溫度控制系統(tǒng)正在向著全自動，無人化方面前進(jìn)。我國開始研究溫 度控制系統(tǒng)是在上世紀(jì)80年代。對于控制有難度的溫度控制系統(tǒng)的技術(shù)，國內(nèi)的技術(shù)水 平還不是很成熟。盡管在國內(nèi)的諸多行業(yè)中都普遍的應(yīng)用溫度控制系統(tǒng)，但是從技術(shù)層 面來講，整體發(fā)展水平有限，與技術(shù)先進(jìn)的國家比較，我們依舊存在著很大的差距。國 內(nèi)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展水平距實現(xiàn)工廠化還有很長的一段路要走。在我們實際生產(chǎn)的過 程中，還存在著很多問題，這需要我們更加努力的去研究。溫度是一個大家被所熟知且十分重要的過程變量，很多的物理，化學(xué)過程都會受到 它的直接影響。恒溫箱溫度控制系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用到各個行業(yè)中，因為參數(shù)多變，滯后 等問題，所

19、以對調(diào)節(jié)器的要求比較高。如果溫度控制的效果不好也許就會引起生產(chǎn)安全, 產(chǎn)品產(chǎn)量等很多的問題。由此可見，溫度控制十分重要，但在這過程屮會碰到一些意料 之外的困難。這就要求我們?nèi)硇牡耐度肫渲?，解決所有的問題。1.3發(fā)展方向現(xiàn)如今，溫度控制系統(tǒng)正在以一匹黑馬的姿態(tài)在全球范圍內(nèi)快速的發(fā)展，在這方面 的研究中，國外的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了。但是，我國也是近兒年才出現(xiàn)了一些精度比較 高的溫度控制系統(tǒng)的產(chǎn)品，但是價格偏高。所以如何牛產(chǎn)出可靠性高，控制精度高，生 產(chǎn)成本低的恒溫箱是我們要重點研究的。1.4本章小結(jié)該章節(jié)是論文的開篇概述，詳細(xì)的描述了此題口的背景、冃的及意義；介紹了恒溫 箱溫度控制系統(tǒng)國內(nèi)外的現(xiàn)狀

20、以及發(fā)展方向。闡述了恒溫箱溫度控制系統(tǒng)市場的需求, 利用pid控制和單片機(jī)可以將恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的性能有所提高。對下文做研究提供 了一定的方法。2恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的研究內(nèi)容與基本要求2恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的研究內(nèi)容恒溫箱在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)療、科研和食品生產(chǎn)加工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。這些領(lǐng)域?qū)?度的穩(wěn)定性要求很高。恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的核心問題就是精準(zhǔn)的控制溫度。當(dāng)下，測 量裝置普遍采用溫度傳感器采集溫度，但是在一般的環(huán)境中，溫度會被其他的外界因素 影響，而且難以校準(zhǔn)。由此可見，溫度是一個很難準(zhǔn)確測量的一個參數(shù)。用一般方法檢 測的話測量誤差人、測量時滯長。目前

21、，恒溫箱溫度的智能控制主要用單片機(jī)來實現(xiàn)。2.2恒溫箱溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的基本要求設(shè)計恒溫箱溫度控制系統(tǒng)，規(guī)定一個誤差所允許的范圍，并能在環(huán)境溫度下降吋能 夠?qū)崿F(xiàn)可以自動調(diào)整，以保持溫度不變。具體要求如下：（1）恒溫箱電熱溫度控制系統(tǒng)的輸入電源為單相220v,電加熱額定功率5kwo（2）測溫范圍在室溫至200°c,精度在±1°c以內(nèi)。（3）恒溫箱對加熱電源電流的傳遞函數(shù)為1.2e-,84采用pid調(diào)節(jié)器設(shè)計恒溫箱電熱 溫度控制系統(tǒng)；選擇單片機(jī)作為控制器。2.2恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的基本工作原理現(xiàn)對該系統(tǒng)的原理進(jìn)行介紹，控制原理圖如圖21所示。2 20vac輸入溫度測里

22、按鍵輸入控制系絨光電耦合器隔離加熱驅(qū)動圖2-1系統(tǒng)原理框圖溫度控制系統(tǒng)是一個過程控制系統(tǒng)。對于該系統(tǒng)來說，單片機(jī)是其核心。開始時, 我們會通過按鍵設(shè)置我們想要的溫度值，并將其傳送到單片機(jī)中，然后會在lcd 1602 上顯示出來。當(dāng)溫度的規(guī)定值設(shè)置完成后，單片機(jī)就會啟動輸出控制模塊，使加熱模塊 開始工作，與此同時，lcd 1602會同步顯示溫度傳感器采集到的溫度，一旦溫度傳感器 采集到的溫度達(dá)到了我們設(shè)定的溫度上限，這時，聲光報警開始工作：即發(fā)出聲音。同 吋，加熱模塊停止工作。不加熱的吋候，溫度值一定會變小，當(dāng)溫度值下降到超過誤差 所允許的范圍時，單片機(jī)將會再一次啟動加熱模塊，讓它繼續(xù)加熱到我們

23、最初的設(shè)定值。 這樣的循環(huán)往復(fù)，便達(dá)到了恒溫箱溫度控制的目的2.3控制方案的選擇雖然不同形式的控制器，它的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，但按照經(jīng)典控制理論，基本的 控制規(guī)則有且只有3種：p調(diào)節(jié)、i調(diào)節(jié)、d調(diào)節(jié)。這些控制規(guī)則可單獨使用，但是更 多的地方采用的是組合的形式。例如：比例調(diào)節(jié)、比例積分調(diào)節(jié)和比例積分微分調(diào)節(jié)。不同的控制規(guī)則適應(yīng)不用的牛產(chǎn)要求。要選用合適的控制規(guī)則，就應(yīng)該先了解控制 規(guī)則的特點和適用條件。根據(jù)工藝指標(biāo)的要求，結(jié)合具體對象特性，才可以做岀最正確 的選擇。2.3.1比例控制(p)比例控制獨自作用于系統(tǒng)時也可稱該控制為“有差控制”。這時，只要輸入的被調(diào) 量偏離其給定值，調(diào)節(jié)器便會立即做岀

24、和應(yīng)的控制作用，偏差的大小決定著輸岀信號的 大小。在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)具體的情況來確定比例度的大小。如果比例度取得過大, 則系統(tǒng)的抗干擾性能就會變?nèi)?，所以會?dǎo)致控制作用不明顯，甚至系微乎其微。系統(tǒng)的 余差過大，控制效果不好，也就談不上控制作用了。相反，比例度過小，控制作用會變 強(qiáng)，這樣就會使得系統(tǒng)的超調(diào)量變大，從而使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，易引發(fā)振蕩。若遇到的被控對象反應(yīng)迅速，放大倍數(shù)比較大的，選用的比例度就要小一些，這樣 可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高控制精度。反之，就要選擇比例度較大的，這樣的話，不 僅可以增加系統(tǒng)的靈敏度，而且還可以使得系統(tǒng)的余差減小。由于比例控制單獨作用時，存在著一些弊端，比如

25、：抗干擾能力差、波動范圍過大 等缺陷，所以它只適合運用在一些特定的對象上，比如在擾動小、滯后較小、負(fù)荷變化 不明顯、允許被控對象在某個范圍中變化的場合使用。這種控制規(guī)律被廣泛的應(yīng)用在工 業(yè)中。2.3.2比例積分控制（pi）如果某一系統(tǒng)單獨使用比例調(diào)節(jié)吋，只要系統(tǒng)有偏差出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器便會立即做出反 應(yīng)，通過調(diào)節(jié)后使偏差減小。假如系統(tǒng)中不存在偏差，那么其的輸出就為零。所以，如 果只是用比例調(diào)節(jié)，就不可能實現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)。要消除靜差，最好的方法就是采用積分控制器，因為它對偏差有積分作用2】。積分 調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢在于只要系統(tǒng)有偏差存在，其調(diào)節(jié)作用就不會間斷，直到消除偏差為止。 當(dāng)偏差被消除后，由積分控制器的

26、特點可知輸出將會停留在新的位置，所以才能保持偏 差為零。雖然積分作用可以消除余差，但是其缺點是動作過于遲緩，因為它有著一定的積分 時間，不能馬上對被控量的細(xì)小變化做出反應(yīng)。如果我們調(diào)節(jié)靜態(tài)準(zhǔn)確度，由于積分不 能馬上做岀反應(yīng)，就會讓調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞。所以i般情況下不會單獨使用積分調(diào)節(jié), 總是把它和比例結(jié)合在一起使用。這樣就構(gòu)成了比例一積分控制。這樣二者兼容，取長 補(bǔ)短，就可以把比例作用的及時性和積分作用消除靜差的優(yōu)點結(jié)合起來了。所以pi控 制可以達(dá)到比較理想的控制效果。比例一積分調(diào)節(jié)是當(dāng)下應(yīng)用范疇比較大的調(diào)節(jié)器。一般在液位、流量等系統(tǒng)中使用。 因為積分作用可以消除靜差，可以將比例控制的缺陷掩蓋

27、，達(dá)到良好的控制效果。但是 在一些特定的情況下，積分作用可能會讓系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，就比如，如果某系統(tǒng)存在 慣性滯后的現(xiàn)象，就盡可能的不要選擇pi控制。2.3.3比例微分控制（pd）對于有吋間滯后控制系統(tǒng)來說，比例一積分控制也許無法達(dá)到預(yù)期的效果。對“時 間滯后”作進(jìn)一步的解釋，也就是：當(dāng)被控變量受到外界的干擾，被控變量沒有馬上做 岀反應(yīng)，而是有一定的延吋。例如容量滯后，此吋的pi控制就表現(xiàn)的遲緩，不靈敏。 由此，可以設(shè)想的是：能不能有一個按照偏差的變化走向，使其做出相對的控制動作呢? 就好像經(jīng)驗豐富的工作人員，既可以按照偏差的大小來調(diào)整比例作用，又可以按照偏差 變化的速度來估計可能會岀現(xiàn)的狀況

28、，提前做控制工作。這就是微分控制的特點：即具 有超前調(diào)節(jié)作用。輸入誤差的變化率決定了微分調(diào)節(jié)器輸出的大小。微分輸岀和偏差的變化速度是正比例關(guān)系，而ii微分輸出與偏差的其他因素均無關(guān) 系。假如有一個固定不變的偏差，不管其數(shù)值的大小，只要沒有變化，微分輸出肯定為 零。假如某系統(tǒng)中微分時間為零，則微分作用就沒有存在的必要了。因此，我們要根據(jù) 實際需要去選擇微分吋間。除此之外，微分控制系統(tǒng)作為一種比較有效的控制，它有著自己一些優(yōu)點：首先, 微分控制執(zhí)行的速度很快，比起其他的控制方法來，所花的吋間都要少很多；其次，它 還具有超前的調(diào)節(jié)功能，所以，采用微分控制可以有效的改善被控制對象有比較大的時 間延遲的

29、作用。同時，微分控制也是有著自己的局限性，比如，它不能有效的消除余差， 而口更糟糕的是，它對于那種偏差是恒定的輸入量來說，壓根就沒有控制作用。所以正 是因為微分控制的這個致命的局限性，我們在選擇控制方法的時候，不能單一的選擇微 分控制來使用。正是因為微分控制有局限性，不能單一的運用，與之相比之下，比例控制和微分控 制的結(jié)合，作用和效果就比較可觀了。首先它們的運行速度是高速的，比z單獨的比例 或者微分作用都要快上很多，一般都能達(dá)到幾倍以上，這樣就可以使得系統(tǒng)執(zhí)行的效率 高上很多，特別是對于那些容量滯后的被控對象來說，就有著很人的改善作用，它可以 很有效的控制偏差，使z幅度減少，使得系統(tǒng)的實用性都

30、得到很大的提高。同時，比例 微分的結(jié)合，大大縮短了控制的時間，所以它更能精準(zhǔn)快速的采集被控量的變化，以達(dá) 到實吋監(jiān)控、精準(zhǔn)控制的目的，使得控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量得到顯著的提高。2.3.4比例積分微分控制(pid)比例積分微分控制是一種實用性很強(qiáng)、控制性能最為理想的控制規(guī)律。pid控制集 合了比例、積分、微分控制這三者的優(yōu)點，簡單來說，就是pid控制既具備了比例控制 的迅速和及吋，還具有積分控制的消除余差的能力，又有微分控制的超前調(diào)節(jié)功能，是 三者結(jié)合的產(chǎn)物，彌補(bǔ)了比例積分控制、比例微分控制的短板，所以pid控制在現(xiàn)實生 活應(yīng)用中應(yīng)用很廣泛，在工程實際中也是備受青睞。當(dāng)輸入的偏差量出現(xiàn)階躍變化吋，微

31、分環(huán)節(jié)就會馬上做出反應(yīng)，目的是抑制這種偏 差躍變。與此同時，比例環(huán)節(jié)也會對這種偏差進(jìn)行抑制作用，以達(dá)到抑制偏差的目的, 因為比例環(huán)節(jié)的快速反應(yīng)，還能起到令系統(tǒng)更加穩(wěn)定的作用；當(dāng)微分環(huán)節(jié)和比例環(huán)節(jié)作 用之后，會產(chǎn)生比較大的余差，這時候積分環(huán)節(jié)就會開始作用，將余差給克服掉。所以 這三種控制規(guī)律的充分結(jié)合，會使控制效果達(dá)到最佳。在控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程中,pid控制是一種經(jīng)久不衰、生產(chǎn)使用性最高的控制規(guī)律。 與我們工程實際密切相關(guān)，是工程設(shè)計中經(jīng)常要用到的調(diào)節(jié)控制規(guī)律。當(dāng)選擇合適的作 用參數(shù)，也就是要比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)設(shè)計得當(dāng)，就可以使三者的優(yōu)點充分 結(jié)合，使得系統(tǒng)的控制效果更加理想。綜上所述

32、，可以看出pid調(diào)節(jié)器集三者之長于一身，所以本次設(shè)計要采用pid調(diào)節(jié) 器。它的本質(zhì)就是將輸入的數(shù)據(jù)按照函數(shù)關(guān)系來計算。其結(jié)構(gòu)如圖22所示：其數(shù)學(xué)模型如式22所示：u（t） = kp e（t）+ 寺j：e（t）d（t） + td耳乎（2-1）其中 心一比例系數(shù)、積分系數(shù)、td微分系數(shù)。其傳遞函數(shù)的表達(dá)式如式2-2所示：gc（s）=kp（l +點）+tds（2-2）2.4 pid的特點與參數(shù)的整定2.4.1pid調(diào)節(jié)器的特點在工程實際中，最為大家認(rèn)可的就是pid調(diào)節(jié)，即比例一積分一微分控制。pid控 制器以結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠性強(qiáng)、易調(diào)節(jié)等特點在工業(yè)控制中有著十分重要的地位。尤 其是被控對彖的結(jié)構(gòu)和

33、參數(shù)不可以被完全掌控，或者不能建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，其他的 技術(shù)控制理論也難以使用，控制器只能用經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來解決時，pid算法是最簡便 的。2.4.2pid調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定pid調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定是整個控制系統(tǒng)的最為關(guān)鍵的內(nèi)容。它是依照被控過程的性 能特點來確認(rèn)pid調(diào)節(jié)器的各項參數(shù)的大小。pid調(diào)節(jié)器的參數(shù)的整定總的來說可以分 為兩種：一種是理論計算整定，它包括了：（1）穩(wěn)定邊界法又被稱為臨界比例度法。當(dāng)一個比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)量為等幅振蕩時，根據(jù)經(jīng)驗可 以求出該調(diào)節(jié)器的參數(shù)。這種方法在下面兩種情況下不宜采用：一種是臨界比例度過小, 對生產(chǎn)工藝不利或不容許；另一種是工藝上要求的條件較為嚴(yán)苛?xí)r，

34、等幅振蕩將影響生 產(chǎn)的安全。（2）反應(yīng)曲線法用該方法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)應(yīng)先測定對象的動態(tài)特性，即飛升特性。根據(jù)該特性曲 線找出某幾個可以有代表性的參數(shù)，z后就可以用這幾個數(shù)據(jù)整定出調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)。（3）衰減曲線法被調(diào)量偏離工作點不大，不需要把調(diào)節(jié)系統(tǒng)推進(jìn)到穩(wěn)定的邊界，也可以求出比例度, 因而比較安全，易操作。但是這幾種方法都要依靠數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過計算才可以準(zhǔn)確的得出控制器的參數(shù)。即 使計算出準(zhǔn)確的參數(shù)，也還是有可能不可以直接用的，一定要經(jīng)過工程實際來調(diào)整修改。另一種是工程整定方法：它靠的是工程經(jīng)驗，可以在控制系統(tǒng)試驗屮直接進(jìn)行。而 口方法簡便、易操作，廣泛應(yīng)用于各種實際工程中。2.5本章小結(jié)本章主

35、要介紹了本次設(shè)計的內(nèi)容，設(shè)計的主要要求。并且對控制整定方法進(jìn)行了較 為詳細(xì)的分析和比較，選出最佳的控制方案，同時闡述了該方案的特點以及如何整定其 參數(shù)的方法。3恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計3.1元器件的選擇3.1.1溫度傳感器的選擇（1）ds18b20溫度傳感器該傳感器尺寸小、性價比高、精度高。它是單線接口：即僅需一條口線與mcu相 連。電源可以用來總線提供。其測溫范圍是55°c+125°c,精度為土0.5°co（2）熱電阻溫度傳感器它可以分為兩類，一類是金屬熱電阻：它要用一種電阻溫度系數(shù)和電阻率大而穩(wěn)定 的、易于加工的金屬制作（鉗、銅）。測溫范圍是200&

36、#176;c+850°c。盡管其測溫范圍較大， 但是其尺寸大，價格高。另一類是半導(dǎo)體熱敏電阻：它又可以分為正溫度系數(shù)（ptc）、 負(fù)溫度系數(shù)（ntc）和突變型負(fù)溫度系數(shù)（ctr）傳感器。它們的優(yōu)點是靈敏度好、體 積小。但線性度較差，只要屯流過犬就會自熱。假如把它放到高熱中，那就是永久性的 毀壞了。（3）熱電偶溫度傳感器制作該種傳感器的金屬材料應(yīng)滿足物理、化學(xué)性能穩(wěn)定；熱電動勢高，導(dǎo)電率高電 阻溫度系數(shù)小。其測溫范圍是200°c+1300°c。其工作方式與熱電阻相似。但是熱電偶 的復(fù)現(xiàn)性好，易于批量生產(chǎn)。綜上所述，在本次畢業(yè)設(shè)計中，我們采用的是熱電偶溫度傳感器。它的

37、優(yōu)點是：結(jié) 構(gòu)相對簡單，測溫范圍符合要求、精度高。其輸出信號是電信號這就為遠(yuǎn)傳或信號轉(zhuǎn)換 奠定了好的基礎(chǔ)。3.1.2電線的選擇本次設(shè)計中，要求恒溫箱屯熱溫度控制系統(tǒng)的輸入電源為單相220v,電加熱額定 功率5kwo所以電流約為22.72ao 一般情況下，銅線每平方毫米按46a的載流量來計 算。那么，我們選用4mn?的銅線即可。但是如果選擇4nrn?銅線，在正常情況下的電 流就基本上達(dá)到了其載流量的上限，一旦有突發(fā)狀況發(fā)生，就可能會產(chǎn)生危險。所以, 為保證安全，我們選擇電線的吋候應(yīng)該把余量留的稍大一些，即使遇到突發(fā)狀況也能保 證安全。因國際標(biāo)準(zhǔn)沒有5mm2的電線，所以我們選擇6】“0?的電線為最

38、佳選擇。3.1.3顯示器的選擇(1) 數(shù)碼管顯示數(shù)碼管按照幾個8的顯示可以分為1位數(shù)碼管、2位數(shù)碼管等，平吋我們使用的一 般是八段數(shù)碼管。如何控制數(shù)碼管顯示出我們所需要的東西，就是要控制其每段的亮或 滅，如在并行口上輸入11111001,數(shù)碼管就顯示出“1”的字樣，控制數(shù)碼管顯示的方 法相對簡單，但缺陷也是顯而易見的，數(shù)碼管的顯示的內(nèi)容很單一。而且數(shù)碼管的消耗 還是很大的。(2) lcd 1602它是字符型的液晶顯示器。顯示數(shù)字、英文字符、符號等比較方便。它可以顯示32 個字符。這也就解釋了 1602的意思：即16 (列)*02 (行)。lcd 1602比數(shù)碼管好上不 少，需要的電壓低、耗電量

39、小，控制簡單等都是lcd的優(yōu)點。lcd比數(shù)碼管好的多的 地方在于lcd 1602內(nèi)部是有一個字符發(fā)生儲存器的，所以顯示功能格外的強(qiáng)大。像數(shù) 碼管要在并行口有輸入值才可完成數(shù)碼管的顯示，但是lcd 1602就不用這么麻煩，因 為lcd 1602可以讀懂a(chǎn)scii碼，所以賦值就可完成lcd 1602的顯示?？偟膩碚f， lcd 1602雖然價錢上比數(shù)碼管貴上一些，但是lcd 1602顯示功能強(qiáng)大。(3) lcd 12864它是點陣圖形液晶顯示器。與lcd 1602相比較，它的優(yōu)勢在于可以顯示簡體中文， 還可以顯示圖形。相通的地方就是編程方面差不多，原理也相差不犬，但是它的價格就 比lcd 1602貴

40、很多，這樣就會導(dǎo)致成產(chǎn)成本的增加。在實際生產(chǎn)中，生產(chǎn)成本是一個關(guān)鍵的因素，又因為恒溫箱的顯示用不到圖形或者 文字，所以綜合考慮，除顯示外，其他功能相差不大的情況下，還是選擇lcd 1602更 合適，性價比更高。這樣既滿足了實際生產(chǎn)的要求，又可以使該設(shè)計有一個相對來說比 較不錯的設(shè)計效果。3.1.4穩(wěn)壓器的選擇(1) lm7805是常用的三端穩(wěn)壓器。應(yīng)用廣泛。該芯片的內(nèi)部有保護(hù)電路。輸出較為穩(wěn)定的直流 電壓，適用范圍廣，可靠性強(qiáng)，價格便宜。在使用7805吋，只需要在輸出端放置一個 電容即可：該電容的作用是濾波。(2) lm2596是開關(guān)型穩(wěn)壓集成芯片。其內(nèi)部含有集成頻率補(bǔ)償器、固定頻率發(fā)生器，開

41、關(guān)的頻 率為150khzo輸岀線性好，效率高。滿足大電流要求，最大輸岀電流為3a。結(jié)合上面所描述的，在本次設(shè)計中，我們采用lm7805就可以實現(xiàn)了。因為用到穩(wěn)壓器的地方是給單片機(jī)供電的穩(wěn)壓電路，沒有過大功率。因此lm7805可以滿足電路要 求。3.1.5按鍵的選擇(1) 獨立按鍵凡是單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)及自動化儀器中，多數(shù)都在用的就是獨立按鍵。該按鍵 具有控制簡單編程容易等優(yōu)勢；但是一旦按鍵數(shù)量過多，就需要占用很多的i/o 口，這 是其不可避免的缺點。(2) 矩陣式鍵盤該鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的地方，其內(nèi)部縱橫交錯，形成n個小四邊方形。四邊 形的頂點則是按鍵的位置所在。4*4的矩陣式鍵盤就能形

42、成一個16按鍵的鍵盤。顯而易 見的，如果某系統(tǒng)需要的按鍵數(shù)目較多，則就需要用矩陣式鍵盤了。它與獨立按鍵比較， 可以節(jié)省i/o接口。由以上介紹可知我們這次設(shè)計要選擇獨立按鍵。因為恒溫箱溫度控制系統(tǒng)用到的按 鍵數(shù)量比較少，且獨立按鍵相對于矩陣式鍵盤來說，編程相對簡單、價格低廉，可以節(jié) 約生產(chǎn)成本。3.1.6加熱負(fù)載控制器件的選擇(1) 可控硅整流元件又可以稱其為晶閘管，它是一類功率較大口比較常用的半導(dǎo)體器件。它尺寸小、結(jié) 構(gòu)相對簡單、功能強(qiáng)人等。在電子設(shè)備、產(chǎn)品的電路中都有它的身影存在，大多數(shù)的情 況下用作可控整流。在某些電路中會有交流電的無觸點控制，這項功能就是靠可控硅來 實現(xiàn)的。用繼電器控制時

43、可能會有火花產(chǎn)生，但可控硅就不會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。并且可 控硅的靈敏性好、可靠性高。它的缺點就是發(fā)熱嚴(yán)重、成本高、容量小、相對于繼電器 來說較難控制。(2) 繼電器是一種電控制器件。一般會用在自動化控制冋路中，它實際上就是用弱電去控制強(qiáng) 電的一種“自動開關(guān)所以繼電器在電路中有著調(diào)節(jié)功能、保護(hù)電路、轉(zhuǎn)換電路等作用。 繼電器技術(shù)成熟，可靠性高；觸點的容量比較大，價格便宜，基本沒有功耗，與可控硅 相比，發(fā)熱小很多。繼電器的缺點就是打開或關(guān)斷時會有涌流現(xiàn)象。由于靈敏度不高, 反應(yīng)遲緩，不可能在精準(zhǔn)的開斷控制電路當(dāng)中應(yīng)用，比如移相調(diào)壓等。所以，在恒溫箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計中我們要用到移相調(diào)壓，所以我們選用的

44、是可 控硅整流器件。雖然其價格略高，但是它可以體積小，符合設(shè)計所需；靈敏度高，可以讓測量出的溫度更加準(zhǔn)確。3.1.7核心控制器的選擇(1) at89c51 單片機(jī)：at89c51是帶4k字節(jié)的flash存儲器；它是atel生產(chǎn)的功能強(qiáng)大，電壓低的 單片機(jī)。內(nèi)部是一個有4k bytes大的flash可編程存儲器，還有256ram,但其不具備 isp功能。該單片機(jī)共有40個引腳，包括主電源引腳vcc,gnd；吋鐘電路引腳xtal1, xtal2；和控制引腳 rst/vpd, ale/prog, psen, ea/vpp； 32 個 i/o 口。內(nèi)部具 有2個16位定時/計數(shù)器和一個串口屮斷，定時器

45、/計數(shù)器有3屮工作模式，分別由內(nèi)部 特殊功能寄存器控制。(2) stc12c5a60s2 單片機(jī)stc系列的單片機(jī)是高速、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)的8051單片機(jī)，是由宏晶科技 生產(chǎn)的。它可以完全兼容以前的8051單片機(jī)，但反應(yīng)速度是以前的8051的812倍。stc 系列單片機(jī)片上含有1280 bytes ramo它共有4個16位定吋器/計數(shù)器、a/d轉(zhuǎn)換共有 8路，這8路還都是10位精度的；它擁有雙串行通道，用戶可以根據(jù)自己的需求選擇使 用內(nèi)部的r/c振蕩器還是外部的晶體/時鐘。通過上面分析，stc12c5a60s2系列單片機(jī)功能完全兼容8051系列單片機(jī)，其成 本較低，所以我們選用stc12c

46、5a60s2系列單片機(jī)作為核心控制器。3.2單片機(jī)電路的設(shè)計(1)復(fù)位電路的設(shè)計對于單片機(jī)系統(tǒng)來說，復(fù)位電路的作用就是讓其內(nèi)部的程序從最初開始執(zhí)行。當(dāng)單 片機(jī)的復(fù)位引腳處有2us以上高電平時，單片機(jī)即可復(fù)位。復(fù)位電路用一獨立按鍵然后 并聯(lián)一個的電容，接著再串聯(lián)一個的電阻，就可實現(xiàn)上電復(fù)位和手動復(fù)位。其原理是: 當(dāng)上電后，相當(dāng)于電阻給電容充電，那么現(xiàn)在的電容就與導(dǎo)線無異，則剛開始上電時可 以保持rst引腳為高電平，選擇相應(yīng)的電容就能使rst引腳的高電平持續(xù)時間大于2us, 從而實現(xiàn)復(fù)位。同時，設(shè)計的獨立按鍵的作用就是通過按下按鍵，可以rst引腳的高 電平拉倒vdd,系統(tǒng)將會復(fù)位。放手后，電壓又會

47、被拉到低電平，系統(tǒng)就繼續(xù)正常工 作了。其電路圖如31所示：gnd圖3-1復(fù)位電路圖(2)振蕩電路設(shè)計在單片機(jī)運行過程中，它需要一個時鐘信號讓其正常工作。在時鐘信號控制下的單 片機(jī)會十分有秩序的按指令操作。精準(zhǔn)、穩(wěn)定的時鐘信號是可以讓單片機(jī)止常工作的基 礎(chǔ)。單片機(jī)上，xtal1引腳為反向振蕩放大器的輸入端，xtal2是內(nèi)部時鐘工作電路 的輸入端。在這要在兩個引腳上面接品振，在分別接入一個合適的電容接地。在此次畢 設(shè)中，我們選擇的是30pf的電容，并且在設(shè)計電路時，要讓電容盡可能的讓兩個電容 靠近晶振，兩個電容的作用就是去耦合，同時使振蕩器振蕩的穩(wěn)定性增加。由此可以看 岀電容的大小會對振蕩器的穩(wěn)定

48、性、快速性振動有影響。電路圖如32所示：c13* mcuxtal30pfgnd 忙 c14 亍12mhz* j mcu xtal230pf圖32振蕩電路3.3顯示電路的設(shè)計在顯示部分，我們選用的是lcd 1602字符型的液晶顯示器。主要功能特性如表31所示：表3-1 lcd 1602基本特性列表3.3v或5v工作電壓，對比度可調(diào)有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器ddram內(nèi)含復(fù)位電路內(nèi)建有192個5x7點陣的字型的字符發(fā)生器cgrom提供各類控制的命令，比如字符閃爍、清屏、顯示8個可由用戶自定義的5x7的字符發(fā)生器移位、光標(biāo)閃爍等多種功能cgramlcd 1602用于顯示溫度控制系統(tǒng)的實時溫度和目標(biāo)溫度

49、。其電路圖如3-3所示:5voni)=(120. luf圖3-3lcd1602電路圖如圖，通過并行操作方式來控制。通過stc12c5a60s2單片機(jī)的p0.5、p0.6、p0.7 來控制rs引腳、rw引腳和en引腳。用p2控制并行數(shù)據(jù)口，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令 的寫入。我們還要通過一個10k的滑阻來調(diào)節(jié)液晶顯示的對比度。3.4按鍵電路的設(shè)計經(jīng)過上文的比較分析，本次設(shè)計采用獨立按鍵來實現(xiàn)人機(jī)交互。其工作原理為：單 片機(jī)上電工作后，將與按鍵相連的單片機(jī)i/o 口調(diào)整到高電平。按下按鍵，與該按鍵相 應(yīng)的i/o 口的電平被拉低，此時單片機(jī)能檢測到低電平，以此判斷是哪個按鍵被按下。 通過程序控制，可以實現(xiàn)

50、按鍵對目標(biāo)溫度的調(diào)節(jié)，來達(dá)到設(shè)置適宜溫度的目的。這次我們使用的按鍵都是機(jī)械彈性按鍵，隨著按鍵的斷開與閉合，因為是機(jī)械觸點 的原因，一個按鍵在閉合時不可能會馬上接合，斷開是如此，斷開時也不可能馬上斷開。 所以按鍵在閉合好斷開的那一瞬間會伴有抖動，抖動對系統(tǒng)影響十分嚴(yán)重。若不及時消 除抖動，每按下按鍵一次，系統(tǒng)檢測到的按下次數(shù)就不會是一次，由于這樣的原因，在 設(shè)計程序時，一定要用延時來作為按鍵消抖的關(guān)鍵。其電路圖如34所示：圖3-4按鍵電路3.5報警電路的設(shè)計報警模塊采用有源蜂鳴器來實現(xiàn)，利用蜂鳴器的聲響來實現(xiàn)報警功能。當(dāng)模塊被觸 動時，發(fā)出聲咅來報警。其電路圖如35所示：圖35報警電路如圖，當(dāng)單

51、片機(jī)上電后，單片機(jī)通過p3.4管腳對蜂鳴器進(jìn)行控制，其屮1k的電阻 在基極為限流的作用。若沒有此電阻，單片機(jī)為低電平時，pn節(jié)正向偏置，電流直接 流入其中，也許會使單片機(jī)燒毀。接在5v電源上的電阻為上拉電阻，其作用是提高該 電路的穩(wěn)定性。因為當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時，單片機(jī)可能會出現(xiàn)誤觸發(fā)或者瞬間的低電 平的狀態(tài)，此時的上拉電阻就可以把基集的電壓穩(wěn)定在5v,保證了該電路的穩(wěn)定性。 再來說蜂鳴器，當(dāng)mcu的p3.4為低電平時，三極管會被導(dǎo)通，電流從發(fā)射極流過集電 極后進(jìn)入電蜂鳴器，這樣就會發(fā)出聲音。相反，mcu的p3.4為高電平時，蜂鳴器不會 發(fā)出聲音。3.6穩(wěn)壓電路的設(shè)計該電路由變壓、整流、濾波、

52、lm7805穩(wěn)壓后輸出5v直流電壓。mcu控制系統(tǒng)、 報警電路、按鍵電路等的電源都是該電路提供的。其原理圖如36所示：圖36穩(wěn)壓電路其原理是：市電經(jīng)過變壓器后變成9v的交流低壓，然后再通過整流屯路和濾波屯 容(在該屯路屮，濾波電容由電解電容和獨石電容組成，電解電容將電路屮的低頻信號 除掉；獨石電容將電路中的高頻信號除掉。)的整流和濾波。在三端穩(wěn)壓器lm7805的 vin和gnd兩端形成穩(wěn)定性不是特別高的直流電壓習(xí)。前面形成的不怎么穩(wěn)定的直流電 壓通過lm7805的穩(wěn)壓和c4的濾波就可以在穩(wěn)壓電源的輸出端輸出精度高、穩(wěn)定性高 的直流電壓。圖屮的d3為發(fā)光二極管，即電源指示燈。其工作電流是5ma2

53、0ma,它的光亮的 程度與電流是正比的關(guān)系，d3的壓降大概是l1v。220v的市電經(jīng)一系列的變化后的輸 岀的電壓為5v,若取電流為8ma,那么電阻的阻值為式31所示：r = 5v1，lv = 0.55k(3-1)7ma取r=510q,電流值為式32：i = 7.6ma(3-2)510q通過計算可知：1=7.6 ma <20ma,符合設(shè)計要求。3.7過零檢測電路過零檢測指的是在交流系統(tǒng)中,當(dāng)波形從正向往負(fù)向轉(zhuǎn)換過零點時，系統(tǒng)有相應(yīng)的反 應(yīng)。由此可知，應(yīng)在何時給可控硅的門級發(fā)出觸發(fā)脈沖信號。零點電壓觸發(fā)品閘管的通 和斷可以降低晶閘管的通斷損耗。它可以讓品閘管的損耗降到最低，從而可以延長品閘

54、管壽命。其原理圖如37所示：t)d 5vvdd 5v圖37過零檢測電路其原理是：所謂的過零檢測就是每過一次零點就檢測一次。是通過全橋整流電路將 輸入電壓的負(fù)電壓翻轉(zhuǎn)，頻率是z前的兩倍。當(dāng)電壓在零點時，光耦的發(fā)射端將不導(dǎo)通， 所以光耦的接收端處于截止?fàn)顟B(tài)。此時，輸出信號是高電平，然后再由三極管整形。根 據(jù)原理圖38可知當(dāng)三極管的基級為高電平吋,它才可以導(dǎo)通，因此集電極輸出低電平； 相反就會輸出高電平。220v的市屯經(jīng)過30k,2w的電阻后，電流變?yōu)閕n4007可以承受的電流值，經(jīng)整流 后，輸出脈沖信號。選用30k,2w的電阻是因為光電耦合器發(fā)射端二極管導(dǎo)通壓降約為 1.8v, 3ma,而直接把發(fā)

55、光二極管點亮的交流電有效值是220v,所以，犬約串聯(lián)60k 的電阻，才不會使發(fā)光二極管燒壞。z所以用了兩個30k,是起到差分作用，這樣也比 較安全。因為兩個30k電阻在220v的屯壓下，功率約為1.6w, 一般功率電阻的原則是 至少取工作功率的2倍，由于是兩個電阻，所以選了 2w（總功率4w,大于1.6的2倍）。3.8加熱器件驅(qū)動電路3.&1光電耦合器介紹加熱器件為220vac單相交流電負(fù)載，而單片機(jī)驅(qū)動為5vdc直流電；為了實現(xiàn)兩 者z間的聯(lián)系，保證系統(tǒng)的安全性，且實現(xiàn)強(qiáng)電對操作者不構(gòu)成危害，控制系統(tǒng)跟驅(qū)動 電路需要隔離，常用為光電耦合器及變壓器隔離。這里選擇光電耦合器作為電路的隔離

56、 器件，完全適合用在可控硅隔離電路上。用作可控硅驅(qū)動的光電耦合器又稱光電隔離觸發(fā)器，分為過零觸發(fā)和非過零觸發(fā), 過零觸發(fā)型為當(dāng)開啟光耦時需要經(jīng)過零點才能觸發(fā)導(dǎo)通，該型號光耦只適合用作普通的 控制開關(guān)電路中，如果用在pwm驅(qū)動屯路屮因為只能在零點觸發(fā)，周期及占空比都不 可調(diào)，因此不適合。常用型號為moc3041和moc3061；非過零觸發(fā)為只要開啟光耦 即可觸發(fā)導(dǎo)通，因為是即時觸發(fā)，因此不僅能作為普通開關(guān)的控制器件還可作為pwm調(diào) 節(jié)控制器件，常用型號為moc302k光電隔離觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3必所示：* a 花刖nc- "a term圖3-8光電隔離觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)382可控硅介紹可

57、控硅又稱晶閘管，是一種廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品及設(shè)備中的無觸點開關(guān)器件, 是日常生活中消費產(chǎn)品中不可或缺的器件。它由三個pn結(jié)的四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的大功率半 導(dǎo)體器件。分為單向晶閘管和雙向晶閘管兩種類型，單向可控硅觸發(fā)后只能從陽極向陰極單方向?qū)ǎp向可控硅不存在導(dǎo)通方向z分。在控制極關(guān)閉的情況下，可控硅陽 極跟陰極z間外加的是交流電或者脈沖直流電時，在屯壓過零點時晶閘管會自行關(guān)閉。 利用晶閘管這特有的特點，在pwm調(diào)節(jié)電路中能夠安全可靠的實現(xiàn)調(diào)節(jié)。3.8.3可控硅驅(qū)動電路設(shè)計根據(jù)光電耦合器的特性知，單片機(jī)需要控制光耦的發(fā)射端，然后通過光耦的接收端 控制可控硅的導(dǎo)通與截止。光耦的發(fā)射端可作為發(fā)光二極管處理，陽極接電源5vdc中間再加一個限流電阻, 防止直接導(dǎo)通電流過大燒毀光耦及單片機(jī)。根據(jù)資料可知發(fā)射端的最大電流為60ma, 導(dǎo)通壓降為1.2v,去電流為10ma,限流電阻為式33：5-1 2v(3-3)r = = 380q10ma陰極直