基于单片机的饮水机温度控制系统设计

基于单片机的饮水机温度控制系统设计内容摘要：

9 电源电路 电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。 由于 单片机 的供电电源为 5V， 光电耦合器需要的电源是 7V，显示模块等其它电路需要 5V 的电源，因此电路中选用 7805 和 7807 两种稳压芯片，其最大输出电流为 ，能够满足系统的要求，其电路如上图 所示。 inVGNDinVGND2 2 0 V1234U 3312 F5C3300 F6C3300 F F0 .1 F7C 8C20 F4C3C1C 2C4U 0 .1 F20 F7U 1 3 + 5 V2+ 7 V6U outVoutV图 电 源电路 控制执行电路的设计 由输出来控制电炉 ， 电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。 可控硅可以认为是线形环节实现对水温的控制。 单片机输出与电炉功率分别属于弱电与强电部分 ， 需要进行隔离处理 ， 这里采用光耦元件在控制部分进行光电隔离 ，实现弱强电的电源隔离 [3]。 PWM（ Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲宽度进行调制的技术 ， 通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。 PWM控制技术在逆变电路中应用最广，对逆变电路的影响也最为深刻，现在 大量应用的逆变电路绝大部分是 PWM 型逆变电路，可以说 PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位；近年来， PWM 技术在整流电路中也开始应用，并显示了突出的优越性 [22]。 PWM 控制的基本原理在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。 冲量即窄脉冲的面积。 这里所说的效 果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同；如果将输出波形进行 傅氏分解，则低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 例如图 (a)、 (b)、 (c)所基于单片机的饮水机温度控制系统的设计 10 示 的三个窄脉冲形状不同，其中图 (a)为矩形脉冲，图 (b)为三角形脉冲， (c)为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）都等于 1，那么，当它们分别加在具有惯性的同一环节上时 ， 其输出响应基本相同。 当窄脉冲变为图 (d)的单位脉冲函数 δ(t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。 f ( t ) f ( t )0t 0tf ( t )0 tf ( t )0 tδ ( t ) (a) (b) (c) (d) 图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图 (a)的电路是一个具体的例子。 图中 e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图 (a)、 (b)、 (c)、 (d)所示，为电路的输出。 该输入加在可以看成惯性环节的 RL电路上，设其电流 i(t)为电路的输出。 图 (b)给出了不同窄脉冲时 i(t)的响应波形。 从波形可以看出，在 i(t)的上升段，脉冲形状不同时 i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。 脉冲越窄，各 i(t)波形的差异也越小。 如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的。 用 傅 里叶级数分解后将可看出， i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 上述原理可以称之为面积等效原理，它是 PWM控制技术的重要理论基础 [23]。 下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 如图。 正弦半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 个彼此相连的脉冲序列组成的波形，这些脉冲宽度相等，都等于 π/N，但幅值不等，且脉冲顶部都不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。 如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面 积（冲量）相等，就得到图 (b)所示的脉冲序列。 这就是 PWM波形。 可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。 根据面积等效原理 PWM 波形和正弦半波是等效的。 对于正弦波的负半周 ， 也可以用同样的方法得到 PWM 波形。 像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM（ Sinusidal PWM） 波形。 要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。 邵阳学院毕业设计（论文） 11 PWM 波形可分为等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波两种。 由直流电源产生的PWM 波通常是等幅 PWM 波。 如直流斩波电路及 本章主要介绍的 PWM 逆变电路，其 PWM 波都是由直流电源产生，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此 PWM 波是等幅的。 将要介绍的 PWM 整流电路中，其 PWM 波也是等幅的。 讲述的斩控式交流调压电路 和 矩阵式变频电路，其输入电源都是交流，因此所得到的 PWM 波也 是不等幅的。 不管是等幅 PWM 波还是不等幅 PWM 波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的 [19]。 上面所列举的 PWM 波都是 PWM 电压波。 除此之外，也还有 PWM 电流波。 例如，电流逆变电路的直流侧是电流源，如对其进行 PWM 控制，所得到的 PWM波就是 PWM 电流波。 直流斩波电路得到的 PWM 波是等效直流波形， SPWM 波得到的是等效正弦波形。 这些都是应用十分广泛的 PWM 波。 本章讲述的 PWM 控制技术实际上主要是SPWM 控制技术。 除此之外， PWM 波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效成所需要的非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也是基于等效面积原理 [24]。 图 用 PWM 波代替正弦半波 光耦隔离驱动电路如图 所示。 由于 IGBT 是高速器件，所选用的光耦必须是小延时的高速型光耦，由 PWM 控制器输出的方波信号加在三极管 V1 的基极， V1 驱动光耦将脉冲传递至整形放大电路 IC1，经 IC1 放大后驱动由 u( a )( b )oouω tω t基于单片机的饮水机温度控制系统的设计 12 V V3 组成的对管。 对管的输出经电阻 R1 驱动 IGBT， R3 为栅射结保护电阻， R2 与稳压管 VS1 构成负偏压产生电路， VS1 通常选用 1W/ 的稳压管。 此电路的特点是只用 1 组供电就能输出正负驱动脉冲，使电路比较简洁。 当单片机输出的是高电平 1 时光电耦合器导通 从而使 IGBT 导通 ，电阻炉工作；反之单片机输出电平为 0 时， 光耦元件不能导通， IGBT 不能形成有效偏置而截止，电炉丝不工作 ， 饮水机不加热 [25]。 温度 传感器的工作 原理 DS18B20 是由美国 DALLAS 公司提供的一种一线总线系统的数字温度传感器，它可提供二进制 9 位温度信息，经过一线总线接口送入主机处理器。 因此从主机到 DS18B20 仅需一条线进行通信。 该器件采用单线通讯 ， 可以允许在通讯总线上级联多个 DS18B20 器件 ， 所以很适合多点测温。 在 DS18B20 片内设有报警单元 ， 用户可以定义报警的上下限。 在完成温度转换后 ， 与贮存在寄存器中的用户补码触发报警 TH 值和 TL 值进行比较而触发报警。 为了适应不同场合的测温要求 ，DS18B20 采用 3 种封装形式 ， 即 TO29 8 脚 SO、 8 脚 可用于远距离测温 ， 后两种可安装于仪器设备的内部 ， 用于环境温度监测或室内温度监测等。 该器件的供电也很灵活 ， 可使用 V~ 外部供电 ， 也可以采用寄生取电模式供电 ， 即把电源端和地端短路接地而在数据通讯线上寄生取电 [26]。 此外 ， DS18B20还有应用简单无需任何外围元件、测温范围广 (55℃ ~+125℃ )、测温精度高(10℃ ~+85℃ 范围内精度 177。 ℃ )等特点 ， 可以应用于恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计以及其他热敏感系统。 DS18B20 的内部结构如图 所示 ， 主要包括寄生电源电路、 64 位只读存储器 (ROM)和单线接口、存储器和控制逻辑、存放中间数据的高速暂存存储器、温度传感器、报警上限寄存器 TH、报警下限寄存器 TL、配置寄存器和 8 位 CRC(循环冗余校验码 )发生器。 DS18B20 的核心是其数字温度传感器 ， 精度可以通过用户编程配置为 11 和 12 位 ， 其分别对应于 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 和 5℃ ，可以满足各种不同的分辨率要求。 开始一次温度转换时 ， 微处理器需要向 DS18B20发出 Convert T 指令。 转换完成之后 ， 该温度数据存放在高速暂存存 储器的温度寄存器中 ， 占用 2 字节 ， 并且 DS18B20 返回到空闲状态。 当 DS18B20 采用外部供电方式时 ， 主机可以在发送温度转换指令后发起一次读时隙 .若此时该 DS18B20 已经完成温度转换 ， 它将会返回 “ 1” ， 否则返回 “ 0”。 DS18B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。 每一个 DS18B20 在出厂时已经给定了唯一的 64 位长邵阳学院毕业设计（论文） 13 的序号。 该序号值存放在 DS18B20 内部的 ROM(只读存贮器 )中，低 8 位是产品类型编码 (DS18 加编码均为 10H)，中间 48 位是每个器件唯一的序号，高 8 位是前面56 位的 CRC(循环冗 余校验 )码。 DSl8B20 中还有用于贮存测得的温度值的两个 8位存贮器 RAM，编号分别为 0 号和 1 号。 1 号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负，则 1 号存贮器 8 位全为 1； 否则全为 0。 0 号存贮器用于存放温度值的补码。 将存贮器中的二进制数求补，再转换成十进制数并除以 2，就得到测量的实际温度 [27]。 其主要特性有： (1)适应电压范围更宽，电压范围： ～ ，在寄生电源方式下可由数据线供电。 (2)独特的单线接口方式， DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20的双向通讯。 (3)DS18B20支持多点组网功能，多个 DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。 (4)DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。 (5)测 温范围 55℃ ～ +125℃ ， 在 10～ +85℃ 时精度为 177。 ℃。 (6)可编程的分辨率为 9～ 12 位，对应的可分辨温度分别为 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可实现高精度测温。 (7)在 9位分辨率时最多在 内把温度转换为数字 ， 12 位分辨率时最多在 750ms内把温 度值转换为数字，速度更快。 (8)测量结果直接输出数字温度信号，传送给 弹片机 可传送 CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 [28]。 供 电 感受 器内 存 控 制 逻 辑便 笺 式存 储 器8 位 C R C生 成 器温 度 传 感 器温 度 上 限 报 警 T H（ E E P R O M )温 度 上 限 报 警 T L（ E E P R O M )结 构 配 置 寄 存 器（ E E P R O M )R O M 中的 6 4 位 序列 号单 线 接 口内 部 V D D寄 生 取 电 电 路G N DD QV D DV C C 图 DS18B20的内部结构图 基于单片机的饮水机温度控制系统的设计 14 表 DS1820 引脚说明 引脚 符号 说明 1 GND 地 2 DQ 单线运用的数据输入 /输出引脚漏极开路路 3 VDD 可选 VDD 引脚两种供电方式式 DS18B20的外形和内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成： 64位光刻 ROM、 温度传 感器、非 触 发的温度报警触发器 TH和 TL配置寄存器。 DS18B20 引脚定义： (1)DQ： 为数字信号输入 /输出端； (2)GND： 为电源地； (3)VDD： 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 DS18B20工作原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms。 DS18B20 测温原理如图 所示。 图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。 高 温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。 计数器 1 和温度寄存器被预置在 5℃ 所对应的一个基数值 [29]。 计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预置将重。