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1、中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目：基于单片机的红外测温系统设计 学习中心：重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业： 0409级 电气工程及自动化 学生姓名： 田汉松 学 号： 指导教师： 韩亚军 职 称： 讲 师 导师单位： 重庆信息工程专修学院 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 年 月 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员 田汉松 1设计(论文)题目：基于单片机的红外测温系统设计 2学生完成设计(论文)期限： 年 月 日至 年 月 日 3设计(论文)课题要求： 通过对凌阳单片机和传感器技术的学习，掌握单片机的编程技术，
2、实现传感器在生活中的实际应用。设计要围绕题目述写，逻辑性思维强，内容理论联系实际，涉及他人观点，对本设计有全面的论证。设计原理、电路和本产品设计独特的优势。格式严格按照学校规定排序。如有不熟悉的知识点，向指导老师请教。4实验（上机、调研）部分要求内容：在学校规定的时间内，利用所学的单片机及传感器等知识实现红外测温系统设计。完成整个系统程序的编制和调试编译工作。5文献查阅要求：利用一切可以利用的课余时间到图书馆查阅相关课程设计资料或上网查找与论题相关的电子图书、电子期刊等资料,特别是专业文献和科技期刊；确保题材与设计的内容相符，并能紧跟当今科技的发展趋势；论文中引用到他人的观点或者成果要注明出处
3、，以免造成侵权。6发 出 日 期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名： 摘 要本文主要介绍了利用单片机实现温度控制系统的设计过程，在系统构建时选取了凌阳科技公司提供的一新款产品SPCE061A芯片作为该控制系统的核心。由PT1000和电压放大电路提供温度信号,通过PID算法实现对电炉功率和水温控制，使用SSR固态继电器作执行部件，使系统静态误差降低到最小。本次设计还充分利用了SPCE061A单片成熟的语音处理技术(具有较高的处理速度,能够快速地处理较复杂的数字信号)和PC机的图形处理功能，来实现了语音播报温度和打印温度变化曲线的要求。全文的内容主要包括：水
4、温控制系统的方案设计与论证，系统整体电路、部分电路的设计，以及SPCE061A单片机的特点、性能、结构、开发、应用、语音处理技术，继电器的介绍及串行通信简介等。 关键词: SPCE061A单片机 Pt1000 SSR目 录摘 要i目录ii第1章 方案设计与论证11.1 总体方案设计11.2 关键部分设计31.2.1 驱动控制部分31.2.2 测量部分41.2.3 控制算法确定5第2章 系统硬件设计82.1 水温控制系统硬件设计总体设计框图及说明92.2 单片机系统102.2.1 SPCE061A单片机概述102.2.2 SPCE061A单片机的结构132.2.3 SPCE061A单片机的特点极
5、其主要性能132.2.4 SPCE061A芯片的引脚排列和说明152.2.5 SPCE061A 的开发与应用162.3 部分外围电路设计及分析192.3.1 键盘设置电路192.3.2 测温部分电路192.3.3 继电器控制电路212.3.4 电源电路262.3.5 数码显示电路272.3.6 音频输出电路302.3.7 串行通讯部分电路35第3章 系统软件设计413.1 PID算法的实现413.2 软件设计框图41第4章 系统调试与参数整定434.1 继电器重要指标参数确定434.2 继电器测试434.3 PID参数整定44第5章 结果分析465.1 测试环境465.2 测试方法结果分析46
6、5.2.1 测试方法465.2.2 测试结果及分析46第6章 结论48致 谢49参考文献50第1章 前言 本文要求设计制作一个水温控制系统，控制对象为1升净水，容器为搪瓷器皿，水温可以在范围内由人工设定，并能在环境温度降低时，实现自动调整，以保持设定温度基本不变。静态控制精度为0.2摄氏度。并具有较好的快速性与较小的超调，以及十进制数码管显示、温度曲线打印、语音播报温度等功能。题目对控制温度要求较高，对调节时间和超调量也有要求，因而必须要用释放的控制算法，另外，还需要显示水温和打印水温变化曲线等。1.1 总体方案设计经过题目的分析，根据题目要求，现提出以下三种设计方案。方案一 （框图如图1-1
7、）图1-1 一位式模拟控制方案框图此方案是传统的一位式模拟控制方案，选用模拟电路，用电位器设定给定值，反馈的温度值和设定值比较后，决定加热或不加热。其特点是电路简单，易于实现，但是系统所地结果的精度不高并且调节动作频繁，系统静差大，不稳定。系统受环境影响大，不能实现复杂的控制算法，难以用数码管显示，难以用键盘设定。方案2 （框图如图1-2）此方案是传统的二位式模拟控制方案，其基本思想与方案一相同，图1-2 二位式模拟控制方案框图者之间的连接图但由于采用上下限比较电路，所以控制精度有所提高。这种方法还是模拟控制方式，因此也不能实现复杂的控制算法使精度做得较高，而且仍难以用数码管显示与键盘设定。方
8、案3 （框图如图1-3）图1-3 单片机控制方案框图此方案采用单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可用数码管显示水温的实际值，能用键盘输入设定值，并可实现打印功能。本方案可选用SPCE061A单片机（内部含有KB的EEPROM），不需要外扩展存储器可使系统整体结构更为简单。方案一和方案二是传统的模拟控制方式，而模拟控制系统难以实现复杂控制规律，控制方案的修改也比较麻烦，而方案三是采用单片机为控制核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到核心的控制系统，尤其对温度控制，它可达到模拟控制所达不到的控制效果，并且可方便实现数码显示、打印、键
9、盘设定、报警系统所测结果精度大大提高，故经过对三种方案的比较论证，本设计采用方案三，利用单片机安一定的控制算法对采集的温度数据进行处理，得到控制量，以次控制电炉的功率，从而实现对水温的控制。1.2 关键部分设计该系统设计的关键部分是核心部件单片机控制算法和测温部分及功率驱动器件，需要首先确定，这些确定好了，整个控制系统才能达到所预先估计的效果。1.2.1 驱动控制部分本系统是以单片机为控制核心的控制系统，因此单片机的选择尤其重要，根据系统需求，我们设计了两种方案。方案一此方案采用89C51单片机实现， MCS-51系列单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，该单片机的应用比较广泛，因为
10、其软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是89C51本电路中因为有温度数据采样，所以就需外接模数转换器来满足数据采样，这就要求针对系统的需求，选择合适的A/D器件，还要根据所选的A/D器件设计外围电路与单片机的接口电路和编写控制A/D器件进行数据采集的单片机程序，这些大大加大了工作量。若要增加语音播报功能，还需要外接语音芯片及接口，加繁了外围电路设备，实现比较复杂。此外51单片机内部无在线仿真、编程接口，因此就需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。方案二此方案采用SPCE061A单片机实现。SPCE061A单片机除具有体积小，集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中
11、断处理能力强等特点外，内置8路ADC，2路DAC。在实现控制系统中，采用SPCE061A为前端采集单元，具有较好的同步性和实时性。而且SPCE061A单片机内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，集成开发环境中，配有很多语音播报系数，实现语音播报极为方便，另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。方案比较及选择:对两个方案进行比较，SPCE061A本身的内部结构决定了其内在特性比89C51的特性更加优越，实现起本文所有的要求更加方便，硬件设计也更加简单。故本设计选用SPCE061单片机。1.2.2 测量部分任何温控制系统首先要采用温度传
12、感器将温度转化为电信号，因此测温传感器的选择是系统设计必不可少的考虑问题。本系统的温度传感器我们设计了两种方案。方案一 用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻可靠性差，测量温度准备率低，重复性也较多,其阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性十分严重，实际应用中要进行线性化处理比较复杂,对于检测小于1摄氏度的信号不使用。方案二 采用温度传感器铂电阻Pt1000，由于铂电阻的物理和化学性能在高温和氧化介质中很稳定,价格又便宜，常用作工业测量元件。以铂电阻温度计作基准器，此元件线性较好，在0100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻与温度关系式为：Rat=R0（1
13、+At+Bt*t）其中：Rat：温度为t摄氏度时的电阻；R0：温度为0摄氏度时的电阻；T：任意温度；A、B：温度系数 A=3.94*102/，B=-5.84*10-7/经过比较最终我们选择铂电阻Pt1000做为本系统的温度传感器。1.2.3 控制算法确定控制算法即控制器的操作方式，是控制器对过程变量的实测值与设定值之间的误差信号的响应。温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点,它对控制调节器要求较高。温度控制不好就可能引起生产安全，产品质量和产量等一系列问题。因此长期以来国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器，如性
14、能成熟应用广泛的PID调节器、智能控制PID调节器、自适应控制等。此处主要对一些控制器特性进行分析以便选择适合的控制方法应用于改造。（1）模糊控制模糊逻辑控制（FLC）是人工智能领域中形成最早、应用最广的一个重要分支，适用于结构复杂且难以用传统理论建立模型的问题。目前FLC已经成功地应用与各种温度控制上。模糊控制与一般的自动控制的根本区别是，不需要建立精确的数学模型，而是运用模糊理论将人的经验知识、思维推理，其控制过程的方法与策略是由所谓模糊控制器来实现。对于多变量、非线性和时变的大系统，系统的复杂性和控制技术的精确性形成了尖锐的矛盾。模糊控制对那些难以获得数学模型或模型非常粗糙的工业系统，如
15、那些大滞后、非线性等复杂工业对象实施控制有独特优势，但静态误差不易控制.模糊控制偏偏含有大量专家经验,实际实现比较困难,它绝不可以代替经典的自动控制，而是扩展了一般的自动控制。在一些实际过程中，人们也常把模糊控制与一般的自动控制结合在一起应用，并且已研制出神经模糊网络的家电产品，将模糊控制技术与人工神经网络、专家系统等人工智能中一些新技术相结合，向着更高层次的研究和应用发展。采用模糊控制其优点是不需要粗确知道被控对象的数学模型，而且适用于有较大滞后特性的控制对象。缺点是静态误差不易控制，因含有大量专家经验，实际实现比较困难。（2）PID控制PID在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具
16、有结构简单、易于理解和实现，且一些高级控制都是以PID为基础改进的。PID具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。其调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、）。图1-4 PID控制框图PID调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节作用：PID调节器其动态方程为：u(t)= Kept(t) + Kie(t)dt + Kdde(t)/dt 其中Kp-为调节器的比例放
17、大系数 Ki-为积分时间常数 Kd-为微分时间常数PID调节器的离散化表达式为：U(k)=Kpe(k)+KiT e(k)+ K d/Te(k)-e(k-1)其增量表达形式为：u(k)=u(k)-u(k-1)=Kpe(k)-e(k-1)+kiTe(k)+ K d/Te(k)-2k(k-1)+e(k-2)其中T为采样周期。可见温度PID调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时间常数、微分时间常数。对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数可取得较好的控制效果。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反
18、应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。采用PID控制其优点是理论和技术都很成熟，在单片机上用软件较易实现，可以达到较小的静态误差，但必须仔细调整控制参数，才能获得较好的效果。因题目对静态误差要求较高，故采用PID控制。参数整定采用试凑法，在系统调试阶段完成。考虑到电炉对水进行加热有较大的滞后性，若采用单一的PID控制，难以兼顾调节时间和超调量，设定温度突变时，有可能产生振荡或调节时间过长。因此将控温过程分成两段，误差较大时用模糊控制，接近设定温度时改用PID控制。第2章 系统硬件设计该系统设计目的为一实验系统
19、，其控制对象为1L净水，容器为搪陶瓷皿，加热器为1千瓦电热炉。系统设计要求：（1）温度在一定范围内可由人工设定，并能在环境温度降低（例如用电风扇降温）时，实现自动调整，以保持设定温度基本不变。（2）温度设定范围为4090，最小区分度为1。静态控制精度为0.2摄氏度。（3）能用十进制数码管显示水的实际温度，并用语音播放水温设置温度。（4）采用适当的控制方法，当设定温度突变（如由40提高到60）时，减小系统的调节时间和超调量。（5）在设定温度发生突变（如由40提高到60）时，能自动打印水温随时间变化的曲线。为实现系统设计要求，经过方案设计与论证,该系统采用了如下设计方案：（1）采用凌阳十六位SPC
20、E061A型单片机实现温度控制，能使系统电路简单，可靠性高。（2）由Pt1000和电压放大电路提供温度信号。（3）通过PID算法实现对电炉功率和水温控制。（4）利用凌阳十六位SPCE061A型单片机的特性来实现温度数字语音播报。（5）借助PC机图形处理功能进行温度变化曲线的打印。2.1 水温控制系统硬件设计总体设计框图及说明系统的硬件结构较简单，具体结构图如图2-1所示：图2-1 系统总体设计图者之间的连接图本系统使用1升净水作为控制对象，核心元件采用凌阳SPCE061A单片机，属于凌阳unSP系列产品的一个16位结构的微控制器。在存储器资源方面考虑到了用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功
21、能，较高的处理速度使unSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。以Pt100热电阻为温度传感器，执行部分选择了SSR固态继电器来控制热电炉的通过功率。并有键盘设定、语音播放、数据显示、打印电路。具体说明如下：键盘设定：用于温度设定，共三个按键：KEY1、KEY2、KEY3。数据采集：将由传感器及相关电路采集到的温度转为电压信号，送入SPCE061A相应接口中，经AD转换后，换算成温度值，用于播报和显示。电源电路：提供给单片机各电源引脚电源。数据显示：采用三位八段数码管显示，设置温度与测量温度，显示小数点后1位数字。串行口传输：将采样温度值，上传至PC机，以利用PC的图形处理功能来描绘曲线
22、并打印。继电器/热电炉：通过三极管控制继电器的开关来完成对热电炉的功率控制。语音播报：语音播放水温设置温度，并播报整数温度变化。2.2 单片机系统单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是处理数据、系统管理及实现控制算法的处理器。由于我们采用了SPCE061A单片机，其内部已经包含了32K字FLASH ROM和2K字2RAM，因此单片机的最小系统图仅由SPCEO61A组成。本系统采用SPCE061A芯片作为核心部件，SPCE061A内部带有8路ADC和2路的DAC,32个IO口，内置32K字闪存和2K字的静态存储器。用来实现水温控制资源足够使用。图2-2即为单片机的最小系
23、统组成图，其接线比较简单，在OSC0、OSC1端接上晶振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其他不用的电源端和地端接上0.1F的去藕电容提高抗干扰能力。2.2.1 SPCE061A单片机概述随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP）。围绕n
24、SP所形成的16位nSP系列单片机（以下简称nSP家族）采用的是模块式集成结构,它以nSP内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。 SPACE061A单片机内部结构如图2-3所示。其主要功能模块有并行I/O端口、数/模转换ADC、数/模转换DAC、存储器RAM&FLASH、定时器/计数器T/C（脉宽调制输出PWM）、WatchDog、异步串行通信口UART、指令寄存器IR、设备串行口SIO、低电压检测LVD（低电压复位）等。图2-3 SPACE061A模块结构图图2-2 单片机的最小系统图nSP内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构
25、可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。2.2.2 SPCE061A单片机的结构SPCE061A单片微控制器的内部结构图入图2-4所示：图2-4 SPCE061A单片微控制器的内部结构图2.2.3 SPCE061A单片机的特点极其主要性能(1) nSP家族有以下特点： 体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展 nSP家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以
26、适应不同用户的需求。 具有较强的中断处理能力 nSP家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。 高性能价格比nSP家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。另外，nSP的指令系统提供具有较高运算速度的16位16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得nSP家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。 功能强、效率高的指令系统 nSP指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。 低功耗、低电压 nSP家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱
27、振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，nSP家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义.(2) SPCE061A单片机的主要性能SPCE061A是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，能够很方便地完成普通单片机的功能，尤其适应于语音播报和识别等应用领域。SPCE061A单片机的主要性能如下： 16位mnSP微处理器； 工作电压：VDD为2.43.6V(
28、cpu), VDDH为2.45.5V(I/O)； CPU时钟：32768Hz49.152MHz ；内置2K字SRAM、内置32K FLASH；可编程音频处理；32位通用可编程输入/输出端口；32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道语音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(AGC)功能；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)耗电小于2mA3.6V；14个中断源：定时器A / B，2个外部时钟源输入，时基，键
29、唤醒等；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；具备异步、同步串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路接口ICE（In- Circuit Emulator）；具有保密能力以及WatchDog功能（由具体型号决定）。2.2.4 SPCE061A芯片的引脚排列和说明 目前SPCE061A有两种封装形式：一种为为80个引脚，LQFP80封装；另一种84个引脚，PLCC84封装形式。在本系统中我们用 PLCC84封装形式，它的排列如图2-5所示。图2-5 SPACE06APLCC84封装引脚排
30、列图在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。 此处以PLCC84封装管脚功能介绍。2.2.5 SPCE061A 的开发与应用其可通过在线调试器PROBE 来实现。实际上,PROBE 既是一个编程器(即程序烧写器) ，又是一个实时在线调试器，它可在单片机应用项目的开发过程中替代常用的两种工具:硬件在线实时仿真器和程序烧写器，它利用了SPCE061 内置的在线仿真电路ICE( In - Circuit Emulator) 和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE 可工作于凌阳IDE 集成开发环境软件包下，其5
31、 芯的仿真头可直接连接到目标电路板上SPCE061 A 的相应管脚, 并可直接通过目标电路板上的CPU (SPCE061A)来调试并运行用户编制的程序，PROBE 的另一头是标准的25 针打印机接口, 可直接连接到计算机的打印口。它与上位机的通讯可在计算机IDE 集成开发环境软件包下完成。图2-6所示即为是计算机、PROBE、用户目标板三者之间在线调试时的外围连线接口电图2-6 用户目标版、PROBE、计算机三者之间的连接图随着单片机功能集成的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制扩展为控制处理、数据处理以及DSP等领域。SPCE061A可广泛用于如下领域：家用电器控制器：冰箱、空调、洗衣机等白
32、色家电仪器仪表：数字仪表（有语音提示功能）电表、水表、煤气表、暖气表工业控制智能家居控制器通讯产品：多功能录音电话、自动总机、语音信箱、数字录音系统产品医疗设备、保健器械（电子血压计、红外体温监测仪等）体育健身产品（跑步机等）电子书籍（儿童电子故事书类）、电教设备等语音识别类产品（语音识别遥控器、智能语音交互式玩具等）2.3 部分外围电路设计及分析2.3.1 键盘设置电路KEY1、KEY2、KEY3为SPCE061A单片机的扩展键，分别接IOA0、IOA1、IOA2口。图2-7 键盘电路图KEY1:设置温度的十位数；0-9 KEY2:设置温度的个位数；09KEY3: 工作模式选择键，共有三种工
33、作模式：正常工作状态、温度重新设置、语音播报设置。系统电源开启后，数码管全部显示为零，根据按KEY1次数,十位的数码管依顺序逐次增加。同样KEY2,也如此。按KEY3后，系统开始测温，并与采集的温度进行比较，通过软件来控制电炉的开关。同时语音播报变化的整数值温度。2.3.2 测温部分电路测量温度传感器的选择是设计时首要考虑的问题，根据题目要求，需要进行常温区的温度测量。为了减少干扰，温度传感器选用Pt电阻，运放采用HT9274集成芯片。整个数据采集部分电路图如图2-7所示。该电路的工作原理为：随着电热炉的炉丝温度变化，水受其热温度发生变化，于是温度传感器Pt1000的阻值随水温的变化而变化，此
34、信号变化通过测量放大器HT9274以及右测量放大器组成的负反馈非线性补偿电路，把阻值的较小变化转化为1V5V的标准电压信号，既是将温度变化转变为电压变化。Pt型铂热电阻的测温精度高、稳定性好，是-200+650温度范围内应用很广的一种电阻型温度传感器。Pt电阻在0摄氏度时，阻值为1千欧姆，在100摄氏度时，阻值为1380欧姆，则表示阻值变换从01380欧姆，电压从0V3.3V。图2-8 测温电路者之间的连接图因为Pt电阻中电流基本为12mA,则Pt电阻电压就在0380mV波动。因此采用10倍电压放大。基本满足SPCE061A数模转换。HT9274集成四个运算放大器。由单电源供电，工作电压为1.
35、6V5.5V。HT9274 利用标准 CMOS 制程，提供与 LM324 、TL274 及 WT274 等相似产品完全兼容的接脚。 HT9274 为14pin DIP/SOP的包装，其低操作电压及稳定的质量特性，提供了完美的输出驱动能力。HT9274适用于低功率操作的应用，如电话局线界面、传感器放大器及一些电池操作的携带式电子产品。采用差动运放，可以进行手动调节，定零点比较方便，较准确。此处通过可调分压电阻可以满足零点调节。零点调节方法：外接固定阻值1K欧姆，调节电位器输出电压为稳压二极管电压值。此处为1.2V。2.3.3 继电器控制电路此电路用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，此处被控对
36、象为电炉丝，采用对加在电炉丝两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用SSR固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制台端加上一TTL电平，即可实现对继电器的开关。图2-9 继电器控制电路者之间的连接图图2-9为通过三极管NPN8050来控制继电器的开关的。继电器采用的是带光电隔离的过零型双向可控硅AC-SSR固态继电器，为使其实现过零控制，就是要实现工频电压的过零检测，并给出脉冲信号，由单片机控制双向可控硅过零脉冲数目。当在其输入端加入（撤离）控制信号时，输出端接通（断开）。即本电路的工作原理是：高电平导通，线圈有电，电池结构触
37、点吸合；低电平断开，线圈无电，电池结构触点分离，线路断开。从而控制电炉与电源的通断，来达到加热或冷却炉丝的目的，最终实现使碗中水温度稳定在设定值上。本系统使用的固态继电器是整个控制系统的执行部件，在整个自动控制系统中起着举足轻重的作用，了解它的有关信息是相当必要的，下面将对固态继电器（SSR）的知识做个具体的认识。固态继电器（SSR）简介1）继电器概述随着科学技术的发展和工业化程度的提高,对广泛使用的继电器提出更高的要求,归纳如下: 高敏感度,高速响应输入可以是传感器信号,输出为高压信号从音频到高频的宽频带高可靠性,长寿命体积小,可进行表面安装(SMD)多功能、静音化机械式电磁继电器因为其结构
38、的限制,不可能达到以上要求.固体继电器SSR是无触点的半导体型继电器,这种继电器能较好地满足以上要求.2）固态继电器简介固态继电器(SSR)是一种由固态电子器件组成的新型无触点开关器件.它利用分立元件、集成器件及微电子技术实现控制回路（输出）之间的电隔离和信号耦合。达到无触点、无火花接通和断开电路的目的，具有工作可靠、驱动功率小、开关速度快、使用寿命长、无噪音和抗干扰的特点。且能与CMOS、TTL、HTL等是胡子电路相兼容。因此，其应用领域十分广泛，诸如微机的I/O接口、防爆场合和自动控制领域等。3）固态继电器的类型和工作原理 固态继电器按负载电源类型分为交流型(AC-SSR)和直流型（DC-
39、SSR）两种。当控制信号加入时。前者只能在交流电压的任意相位上导通和关闭。按开关触点型式可分为常开式和常闭式。常开式固态继电器在其输入端加入控制信号时，输出端接通，而常闭式则相反。AC-SSR为四端器件，两个输入端和两个输出端。 DC-SSR为五端器件，两个输入端，两个输出端和一个负端。输入和输出间采用光电隔离，没有电气联系。输入端仅要求很小的控制电源就能通过输出回路接通和分短负载电源。 随机导通型AC-SSR其内部结构如下图所示：图2-10 随机导通型AC-SSR结构图图2-11 随机导通型AC-SSR基本原理框图和工作波形图的连接图GD为光电耦合器，实现输入与输出之间的电气隔离。V1为放器
40、，R0和R1为分流电阻，分别用来保护V2和V3。R6和C组成。V1截止，V2导通，使V3获得触发脉冲而导通，负载接通。当输入信号消除后，光耦截止，V1饱和导通并使V2截止，但此时V3仍保持导通。直到负载电流随外部电压减小到小于双向晶体管的维持电流为止。其基本原理框图和工作波形图如下图所示： 过零触发型AC-SSR其内部结构如图所示：图2-12 过零触发型AC-SSR结构图应该说明，所谓过零并非在真的0V处，通常是在1020V的区域内，因为开关电路需要供电。R4、R5和V2组成过零检测电路，适当选择分压电阻R4和R5，使在V3两端电压超过过零电压值时，V2饱和导通，反之则V2截止。V1和V2组成
41、与门电路，即输入信号只有在交流电压为零附近才能使V3导通，接通负载，实在过零触发。其基本原理框图和工作波形图如下图所示：图2-13 过零触发型AC-SSR基本原理框图和工作波形图 DC-SSR其内部结构如图所示：图2-14 DC-SSR结构图V2为功率晶体管，VD1和VD2为保护二极管，当输入端的控制信号加入时，光耦导通，V1截止，V2饱和导通，负载接通，反之则V2截止，切断负载。基本原理框图和工作波形图如图所示：图2-15 DC-SSR基本原理框图和工作波形图4）固态继电器的主要性能特点和参数 驱动功率小 光电隔离的输入驱动电流仅需10mA左右，便于与TTL、HTL和CMOS等数字集成电路连
42、接，无需另加接口电路。 无触点、无动作噪音、无火花干扰、耐振动、寿命长、开关速度快、可靠性高。 应用范围广 交流：大功率140A，电网电压110380V。支流：电流15A，负载电压350V。 对电源电压适应能力强，一般低于电源电压20%仍能正常工作。承受浪涌电流大，一般能达到额定值610倍。 绝缘耐压高，输入与输出间的绝缘耐压可达2.5kV以上。 与普通继电器相比，固态继电器没有辅助触点。SSR以其体积小、无噪声、长寿命和快速响应正越来越多地取代传统的机械电磁式继电器。SSR的缺点是受热后负载电流减小，绝缘性能比机械式继电器低，因此需在线路中加保护电路。但总的来说SSR是一种新型继电器，有广阔
43、的应用前景。2.3.4 电源电路图2-16 电源电路者之间的连接图如图2-16所示是电源部分的电路，5V直流电压经过SPY0029A（相当于一般3.3V稳压器）后给整个系统供电。SPY0029A是凌阳公司设计的电压调整IC，是3.3V的三端稳压器，采用CMOS工艺。且具有静态电流低、驱动能力强、线性调整好等特点。（需要注意SPY0029A最大输出电流为50mA）。图中的VDDH为SPCE061A的I/O参考电平，接SPCE061A的51脚步，这种接法使得I/O输出高电平为3.3V；VDDP为PLL锁相坏电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA为数字电源，分别接SPCE061A的15脚和
44、36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚；AVSS2接音频输出电路的AVSS2。2.3.5 数码显示电路（1）数码管简介用单片机驱动LED数码管有很多方法，按显示方式分，有静态显示和动态（扫描）显示，按译码方式可分硬件译码和软件译码之分。静态显示数据稳定，使用的硬件较多。动态显示需要CPU时刻对显示器件进行数据刷新，显示数据有闪烁感，占用的CPU时间多。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。L
45、ED数码管显示还有数码管是共阴极还是共阳极管。采用共阴极数码管还是共阳极数码管并没有太明显的优、缺点，照顾事故同样同一数码对应的笔划信息码往往相互是置反的关系。例如0、1、2、3、的笔划信息码可能不是3FH、06H、5BH、4FH、而是改变为C0H、F9H、A4H、B0H、99H、。（2）电路设计简介图2-17 数码显示电路数码显示电路如图2-17所示。此处使用的电阻起限流和稳流作用。晶体管用来做电流开关，总体来说电阻和晶体管都是用来调整LED数码管亮度的本电路采用共阴极数码管LG5641A进行动态显示，LG5641A具有四位数码管，这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g分别接在一起，每一个都拥有一个共阴的位选端，通过动态显示可轮流显示设置温度与测量温度，这有利于节省I/O口。用IOB0IOB2口作为位选控制， IOA0IOA9口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I