远程温度控制系统毕业设计

1、 引言温度是工业生产中常见的被控参数之一。从食品生产到化工生产，从燃料生产到钢铁生产等等，无不涉及到对温度的控制，可见，温度控制在工业生产中占据着非常重要的地位，而且随着工业生产的现代化，对温度控制的速度和精度也会越来越高。近年来，温度控制领域发生了很大的变化，工业生产中对温度的控制不再局限于近距离或者直接的控制，而是需要进行远距离的控制，这就产生了远程温度控制。 远程温度控制的通信方式有多种，如通过网络，无线电等等。每一种方式都有其优点和缺点。利用无线电通信，方便、灵活，而且经济。它不需要像网络控制耗费巨大的通信资源，也不受网络速度的影响。在温度控制的方法上，传统的控制方法(包括经典控制和现

2、代控制)在处理具有非线形或不精确特性的被控对象时十分困难。而温度系统为大滞后系统，较大的纯滞后可引起系统不稳定。在温度采集方法上，通常是利用热电偶把热化为电信号，再通过A/D转换得到温度值。这种方法速度慢，而且精度不是很高。综合上面的考虑以及自己的爱好，设计了基于无线电通信的远程温度控制系统。本文详细的介绍了系统的硬件设计，软件设计，以及调试等，希望它能给初级电子制作爱好者带来一些无线电通信和温度控制的基本常识，以及应该注意的一些事项。1、温度控制的发展及意义 在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业

3、发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎%80的工业部门都不得不考虑着温度的因素。现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。在现代社会中，温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体现到了各个方面，随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到温度控制的影子，温度控制将更好的服务于社会。2 总体设计与可行性分析2.1 设计任务1、利用所学的知识设计远程温度控制系统。电烤箱温度可在一定范

4、围内由人工设定，温度信号检测方案自行确定，用单片机采用PID控制算法实现温度实时控制，静态误差1度，超调量2.5%，系统温度调节时间ts4分钟。控制输出采用脉冲移相触发可控硅来调节加热有效功率。控制温度范围室温-125，用十进制数码显示箱内的温度。2、采用PID控制算法实现温度实时控制，并显示温度实际值。3、了解计算机控制系统的基本原理和组成；4、实现无线发送、接收，编码、解码校验。实现超限报警；5、掌握计算机控制系统的软、硬件设计与调试，实现满足指标要求的控制系统。主要技术指标：（1）温度控制误差：±0.5；（2）发射频率：300MHZ（3）发射距离：500m（4）误码率：10-6

5、2.2 总体设计框图及概述述图 2.0 系统总体设计框图图 2.1 键盘控制面示意图如图2.1所示，键盘控制面采用2*4式键盘，K0，K1的功能分别是左移一位和右移一位；K4，K5的功能分别是加1和减1；K2，K3，K6分别是向从系统00，01，10发送温度设定值的功能键。K7为清楚报警鸣声且熄灭报警提示红绿灯。编码解码部分采用通用编解芯片PT2262/PT2272。PT2262/PT2272工作电压低，可进行地址编码，地址码多达531441种，数据最多可达6位。发射接收部分采用F05T，J04T模块，发射接收频率为433M，工作电压312V，频率稳定度为0.00001。温度传感器采用“一线总

6、线”数字温度传感器DS18B20，DS18B20测量范围为-55125，测量精度为±0.5。2.3 温度采集系统的设计采用典型的反馈式温度控制系统，如图2.2所示。 图2.2 温度采集系统框图2.4 数字PID控制数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在冶金、机械、化工等行业中获得广泛的应用。下面简单介绍PID控制的基本原理、数字PID控制算法及其改进和PID的参数整定及其发展。2.4.1 PID控制原理在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)。

7、将偏差的比例、积分和微分通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：u(t)=Kpe(t)+1/Tie(t)dt+Tdde(t)/dt （1）或写成传递函数形式G(S)=U(S)/E(S)=Kp(1+1/TiS+TdS) （2）式中 Kp是比例系数，Ti是积分时间常数，Td是微分时间常数。简单地说，PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。（3

8、）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。2.4.2 数字PID控制算法 在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式和增量式控制算法。由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此模拟式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t,以和式代替积分，以增量代替微分，作近似变换。采样周期足够短，才能保证有足够的精度。（1）位置式PID控制算法由于计算机输出的u(k)直接去控制执行机

9、构，u(k)的值和执行机构的位置是一一对应的，所以通常称u(k)=Kpe(k)+T/Tie(j)+Td/Te(k)-e(k-1) （3）为位置式PID控制算法。这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的u(k)对应的是执行机构的时间位置，如计算机出现故障，u(k)大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制的控制算法。（2）增量式PID控制算法 所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。u(k)

10、=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) （4）式中 A=Kp（1+T/Ti+Td/T） B=Kp（1+2Td/T） C=KpKd/T采用增量式算法时，计算机输出的控制增量对应的是本次执行机构位置的增量。对应阀门实际位置的控制量，即控制量的积累需要采用一定的方法来解决，例如用有累积作用的元件来实现；而目前较多的是利用算式通过执行软件来完成。增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。

11、算式中不需要累加。控制增量的确定，仅与最近K次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差；益出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算法。2.4.3 改进的数字PID控制算法在计算机控制系统中，PID控制规律是用计算机程序来实现的，因此它的灵活性很大。一些原来在模拟PID控制器中无法实现的问题，在引入计算机以后，就可以得到解决，于是产生了一系列的改进算法：积分分离PID控制算法、遇限削弱积分P

12、ID控制算法、不完全微分PID控制算法、微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法等。（1）积分分离PID控制算法在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差、提高精度。但在过程的启动、结束或大幅度增减的设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累，致使算得的控制量超过执行机构困难最大的动作范围对应的极限控制量，最终引起系统较大的超调，甚至引起系统的振荡，这是某些生产过程中绝对不允许的。引进积分分离PID控制算法，既保持了积分作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。其具体实现如下：根据实际情况，人为设定一阀值q>0。当|e(k)|&

13、gt;q时，也即偏差值|e(k)|比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。当|e(k)|<=q时，也即偏差值|e(k)|比较小时，采用PID控制，可保证系统控制精度。（2）遇限削弱积分PID控制算法积分分离PID控制算法在开始时不积分，而遇限削弱积分PID控制算法则正好与之相反，一开始就积分，进入限制范围后即停止积分。遇限削弱积分PID控制算法的基本思想是：当控制进入饱和区以后，便不再进行积分项的累加，而只执行削弱积分的运算。因而，在计算u(k)时，先判断u(k-1)是否已超出限制值。若u(k-1)>umax,则只累加负偏差；若u(k-1)<umax,

14、则累加正偏差。遇限削弱积分PID控制算法可以避免控制量长时间停留在饱和区。（3）不完全微分PID控制算法微分环节的引入，改善了系统的动态特性，但对于干扰特别敏感。在误差扰动突变时微分项有不足之处。即微分项仅在第一个周期有输出，且幅值为KD=KP×TD/T,以后均为零。该输出的特点为：微分项的输出仅在第一个周期起激励作用，对于时间常数较大的系统，其调节作用很小，不能达到超前控制误差的目的。幅值一般比较大，容易造成计算机中数据溢出。克服上述缺点的方法之一是，在PID算法中加一个一阶惯性环节（低通滤波器），既可构成不完全微分PID控制。可以将低通滤波器直接加在微分环节上，也可将低通滤波器加

15、在整个PID控制器之后。引入不完全微分后，微分输出在第一个采用周期内的脉冲高度下降，之后又逐渐衰减。所以不完全微分具有较理想的控制特性。尽管不完全微分PID控制算法比普通PID控制算法要复杂些，但由于其良好的控制特性，近些年来越来越得到广泛的应用。（4）微分先行PID控制算法微分先行PID控制的特点是只对输出量c(t)进行微分，而对给定值r(t)不作微分。这样在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化，通常总是比较缓和的。这种输出量先行微分控制适用于给定值r(t)频繁升降的场合，可以避免给定值升降时所引起的系统振荡，明显地改善了系统的动态特性。（5）带死区的PID控制算法 在计算机控制系统中

16、，某些系统为了避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，可采用带死区的PID控制。设死区为e0，当|e(k)|e0时，令e'(k)=0;当|e(k)|>e0时，令e'(k)=e(k)。式中，死区是一个可调的参数，其具体数值可根据实际控制对象由实验确定。若e0值太小，使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若e0太大，则系统将产生较大的滞后。此控制系统实际上是一个非线性系统。2.4.4 PID参数整定在数字控制系统中，PID参数是影响调节品质的重要参数，闭环系统正式使用前，必须对PID参数进行整定，整定点通常设定在目标值。整定PID参数的原则:（1）要使控制

17、系统的过程过渡时间尽量短（2）最大偏差和超调量要小（3）扰动作用后减幅振荡的次数尽量少（4）恒温曲线要求尽可能平直;静差要小整定PID参数的方法主要有：（1）理论整定法：所谓理论整定法是从PID调节规律的概念出发，根据对象的特性和控制准确度的要求从理论上得出各参数的整定数据。从PID的理论概念分析可知:要使过渡过程尽可能短,应选较小的P,较短的Ti和适量的Td要使超调量尽量小，使系统减幅振荡，应选较大的P,较长的Ti和尽可能短Td整定时既要满足前者，又不可忽视后者，从优选法的观点出发考虑到PID参数的折中选取，故将P和I整定到中间值,而D参数的整定应该根据炉体的具体使用情况而定。若在系统的调节

18、过程中不会有过大的阶跃扰动出现,D应尽可能小,甚至不用（2）经验法：实际上是一种试凑法。PID参数预先放在哪里以及反复试凑的程序是经验法的核心,整定参数预先放置的位置要根据对象特性及参考仪表的量程而定。对于一般热处理炉的温度调节系统，可按下列参考数据进行：为20%70%或更小;Ti为(310)min；Td为（0.53）min。试凑程序可先用P,再加I,最后再D。炉温控制的准确度，不但取决于仪表本身的准确度和性能，也取决于它所控制对象的特性，要使仪表使用合理，并达到最佳控制，必须使仪表和炉体很好地配合，正确地调整。2.5 可行性分析 可行性分析与总体设计对于实现一个设计方案来说是必不可少的，而在

19、对一个方案进行总体设计之前必须对其进行可行性分析。盲目行动很有可能导致失败，从而造成不必要的经济损失和资源的浪费。而进行可行性分析与明确所要完成的任务的目标和所选的器件是分不开的。本次远程温度控制的设计要达到如下目标：（1）主系统采用键盘输入方式设定温度值并显示；（2）利用无线电进行通信；（3）一对多点通信，对各通信点进行编址；（4）对温度进行控制；（5）温度信号采集。综合考虑上面描述的功能并结合自己的具体情况，选用如下的器件来实现： 选用常用的89S51单片机作为控制器； 选用带地址编码的编码芯片PT2262以及与之配套的解码芯片PT2272。 选用发射模块F05T和接收模块J04T进行无线

20、电通信。 选用数字温度传感器DS18B20进行温度采集。3 硬件设计 3.1 温度采集电路设计    DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。3.1.1 DS18B20的内部

21、结构     DS18B20内部结构如图3.1所示。图3.1 DS18B20的内部结构从图中可以看出，DS18B20主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3.2所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。 ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8X5X41）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可

22、以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。3.2 DS18B20的管脚排列DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。例如125的数字输出为07D0H，25.0625的数字输出为0191H，25.0625的数字输出为FF6FH，55的数字输出为FC90H。 232221202-12-22-32-4温度值低字节 MSBLSB SSSSS222524温度值高字节高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式

23、如下： 0R1R011111MSBLSB R1、R0决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。3.1.

24、2 DS18B20的工作时序DS18B20的一线工作协议流程是：初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图3.3（a）（b）（c）所示。（a）初始化时序（b）写时序（c）读时序图3.3 DS18B20的工作时序图3.1.3 DS18B20与单片机的典型接口设计    图3.4以MCS51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。图3.4（a）中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地，图3.4（b）中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V5.5V电源供电。3.4（a）寄生电源

25、工作方式3.4（b）外接电源工作方式 图3.4 (c) DS18B20与微处理器的典型连接图单片机系统所用的晶振频率为11.0592MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，编写了如下的DS18B20驱动程序：/*= 功能：实现对DS18B20的读取 原理：单总线协议 注意：单总线协议对延时要求比较严格，此程序中采用的是11.0592M的晶振，=*/#include"reg51.h"sbit DQ =P14; /定义通信端口/延时函数/*void delay(unsigned int i) while(i-);*/初始化函数Init_DS18B20(void)

26、 unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ复位 delay(8); /稍做延时 DQ = 0; /单片机将DQ拉低 delay(80); /精确延时 大于 480us DQ = 1; /拉高总线 delay(14); x=DQ; /稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败 delay(20);/读一个字节ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; / 给脉冲信号 dat>>=1; DQ = 1; / 给脉冲信号 if(DQ)

27、 dat|=0x80; delay(4); return(dat);/写一个字节WriteOneChar(unsigned char dat) unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DQ = 0; DQ = dat&0x01; delay(5); DQ = 1; dat>>=1; /delay(4);/读取温度ReadTemperature(void)unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned int t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar

28、(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.0625;/t= tt*10+0.5; /放大10倍输出并四舍五入-此行没用return(t);main() unsigned char i=0; while(1) i=ReadTemperatu

29、re();/读温度         子程序ReadTemperature读取的温度值高位字节送WDMSB单元，低位字节送WDLSB单元，再按照温度值字节的表示格式及其符号位，经过简单的变换即可得到实际温度值。    如果一线上挂接多个DS18B20、采用寄生电源连接方式、需要进行转换精度配置、高低限报警等，则子程序ReadTemperature的编写就要复杂一些。3.2 单片机控制电路设计3.2.1 AT89S51单片机AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPERO

30、M的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.2.1.1 主要特性：·与MCS-51 兼容 ·128*8位内部RAM·4K字节可编程闪烁存储器 ·32可编程I/O线·寿命：1000写/擦循环 ·两个16位定时器/计数器·数据保留时间：10年 ·5个中断源&#

31、183;全静态工作：0Hz-24Hz ·可编程串行通道·三级程序存储器锁定 ·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路3.2.1.2 主要功能介绍     VCC：供电电压+5V GND：接地 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上

32、拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八

33、位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

34、在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。   /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。   /EA/VPP：当/

35、EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。3.2.2 键盘控制面板键盘控制面板由2*4键组成，P2口的P2.2，P2.3口作为键盘的行控制位，P2.4，P2.5，P2.6，P2.7口作为键盘的列控制位。P2.0，P2.1作为主控系统中编码解码芯片的地址控制位。在2*4键盘面板中，K0，K1的功能分别是左移一位和右移一位；K4，K5的功能分别是加1和减1；K2，K3，K6分别是向从系统00

36、，01，10发送温度设定值的功能键。K7为清楚报警鸣声且熄灭报警提示红绿灯。键盘、显示控制板电路如图3.5所示：图3.5 键盘、显示系统控制板3.2.3 LED数码管显示电路显示系统是微机控制系统的重要组成都分，主要用于显示各种参数的值，以便使现场上工作人员能够及时掌握生产过程。工业控制系统中常用的显示器件有CRT、LED、LCD等。CRT不仅可以进行字符显示，而且可以进行画面显示，和计算机配合使用，可十分方便地实现生产过程的管理和监视。但由于CRT体积较大、价格昂贵，所以只适用于大型微机控制系统。在中小企业的生产过程控制中，为了使工作人员能够在现场直接看到生产情况和报警信号，经常选用LCD和

37、LED作为显示器件。LED具有体积小，功耗低，响应速度快，容易匹配，可靠性高和寿命长等优点。 LED数码管有共阴极和共阳极两类，如图3.6所示。共阴极LED数码管的发光二极管的阴极接在一起，某个发光二极管的阳极电压为高电平时，二极管发光：而共阳极LED数码管是发光二极管的阳极连接在一起，当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。图3.6 共阴极与共阳极数码管在微机控制系统中，一般利用N位LED数码管组成N位LED显示器。一般有两种显示方法：静态显示和动态显示。静态显示的优点是数据显示很少占用单片机时间，在单片机有大量实时数据需要处理时，最好采用这种方法；其缺点是需要显示码锁存电路，增加了硬

38、件的复杂性。动态显示方法是把N位数码管的相同名称的段码连在一起（即，把所有数码管的a段连在一起引出一条线作为段选，其余类同）由8条线控制，而位选线由其它的I/O口控制。比如，4位动态LED显示电路只需要12条I/O口线，其中8位用来控制段选码，另外4位用来控制位选。由于所有位的段选码用同一个I/O口控制，因此若要位选显示不同的字符，必须采用扫描显示方式。即任何时候位选只选通一个显示位，同时控制段选的I/O口输出显示字符对应的段选码，使该位显示相应字符，显示一段时间后，再选通下一显示位。如此循环，且每个显示器件显示该位应显示的字符，通过程序控制，不断循环输出相应的段选码和位选码，由于人的视觉残留

39、效应，就可以获得视觉稳定的显示状态。本次设计采用封装在一起的4位共阳极数码管作为显示器，外加PNP型三极管作为驱动，采用动态显示方法，由P0口控制段选，P2口控制位选。其电路如图3.6中右上部分所示。3.2.4 在线代码下载电路Atmel89Sxx芯片都具有在线编程功能（In-System Programming），其串行编程模式更是容易操作，其编程电路如图3.7所示。在图3.7中，P1.5是指令串行输入端，P1.6是数据串行输出端，P1.7是编程时钟信号输入端，注意，编程时钟信号的频率应该低于晶振频率的1/16，即，如果选用的晶振频率为33MHz，编程时钟信号的频率则不能超过2MHz。如果要

40、将其和电脑连接实现在线编程则还需要外加一些电路。通常的做法是用MAX232芯片实现单片机TTL电平到电脑RS232电平之间的转换，从而进行通信。这里给出一种更为简单的连接方式，可以不用MAX232芯片，其电路如图3.8将DB25插头接在电脑上，通过电阻分压，P1.5P1.7和RESET端高电平时电压在4.8V左右，这时就可以烧写.Hex文件了（当然需要软件支持）。本次设计将单片机的烧写电路直接做在控制板上，用起来十分方便，不用拆芯片，为以后的程序调试提供了很好的支持，加快了程序开发的速度。图3.7 AT89s51串行编程模式图3.8 在线代码下载电路3.2.5 驱动电路设计 电力电子器件的驱动

41、电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使得电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减少开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。简单的说，驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采

42、用光偶合器。光偶合器有发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。3.2.5.1 光电偶合器件MOC3021利用光电耦合器构成的交流电控制电路设计。方案一：交流电源降压后用一个电容交连到单片机，从而在单片机内部形成过零检测信号。其采用电容充放电方式产生方波，波形不够理想而且安全可靠性差。对单片机软件设计要求较高。方案二：交流电源的通断由单片机通过光电耦合器件控制，避免交流电平干扰，其安全性可靠性高。驱动控制电路与单片机的接口设计电路如图3.9所示：图3.9 驱动控制电路与单片机的接口设计3.2.5.2 双向可控硅BTA12（1）双向可控硅可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管组成，其电气图形符

43、号如图3.10中右边部分，它有两个主电极1和2，一个门极3。门极使器件在主电极的正反两个方向均可触发导通双向双向晶闸管与一对反并联晶闸管相比是比较经济的，而且控制电路比较简单，所以在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电动机调速等领域应用较多。（2）双向可控硅驱动电路：双向可控硅作为电力控制器件，广泛应用于控制系统中，即可作固态继电器进行开关控制，也可用于交流电的移相触发调节交流电压。在本课程设计中作为固态继电器进光电隔离器件选用双向可控硅输出型（如MOC3020、MOC3021），R2选用330的电阻。控制端输入采用低电平有效的方式。电路如图3.10所示

44、。图3.10 可控硅控制电路触发电路使用独立电源，J1的1脚接+5V电源，2脚接地。J2的2脚接PWM端口，当PWM=1时，光电耦合器的输出端导通，晶体管9013导通，A、B端有触发脉冲输出。反之，晶体管截止，触发脉冲结束。用于触发双向可控硅，不需要另外的触发电源，利用双向晶闸管的工作电源作为触发电源。MOC3021是双向可控硅输出型的光电耦合器，输出端的额定电压为400V，最大输出电流为1A，最大隔离电压为7500V，输入端控制电流小于15mA。J1的1脚输入高电平时，MOC3021的输入端有电流流入，输出端的双向可控硅导通，触发外部的双向可控硅KS导通。反之，MOC3021输出端的双向可控

45、硅关断，外部双向可控硅KS在外部电压过零后也关断。3.2.6 报警电路设计除了显示电路以外，为了系统运行的安全，设计了如图3.11所示的报警电路。图3.11 报警电路如图3.11所示，温度失控报警的启动端接P3.3，.H3.7为上限报警指示红灯，L3.6为下限报警指示绿灯。当温度失控超出上限设定值时，P3.3输出高电平，报警鸣声，同时点亮红灯。当温度失控超出下限设定值时，点亮绿灯。3.3 无线收/发电路设计3.3.1 编码/解码电路设计3.3.1.1编码电路设计PT2262/2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路。PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址

46、端管脚(悬空，接高电平，接低电平)，任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。D0，D1，D2，D3，D4共五位数据位接单片机I/O口，通过单片机将数据输送到编码芯片中进行编码，编码后数据从17脚输出，从而实现了数据的并行输入，串行输出。因为单片机中每一个字节有8位，而PT2262中的数据口最多只有6位，所以需要把每个字节分为两半，先发送高4位，后发送低4位。为了区别接收到的是高4位还是低4位，系统中使用了5个数据口D0，D1，D2，D3，D4，其中，D4用来表明接收到的数据是高4位还是低4

47、位，当D4=1时表示接收到的是高4位，D4=0时表示接收到的是低4位。PT2262收到从单片机传来的数据后，需要同时启动编码，否则17脚将不会有数据输出。PT2262特点： CMOS工艺制造，低功耗 外部元器件少 Rc振荡电阻工作电压范围宽：2.6-15v 数据最多可达6位 地址码最多达531441种应用范围：车辆防盗系统 家庭防盗系统 遥 控 玩 具 其他电器遥控PT2262的引脚图如3.12所示：图3.12 PT2262的引脚图PT2262的管脚说明如表3.1。表3.1名称管脚说明A0-A111-8 10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空)D0-D57-8

48、 10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉Vcc18电源正端（）Vss9电源正端（-）Te14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端Dout17编码输出端（常低）PT2262输出波形以及极限参数如图3.13和表3.2所示.图3.13 PT2262输出波形表3.2 PT2262极限参数参数符号参数范围单位电源电压VCC-0.316.0V输入电压Vi-0.3Vcc+0.3V输出电压Vo-0.3Vcc+0.3V最大功耗Pa300mW工作温度Topr-20+70C贮存温度Tstg-40+1

49、25CPT2262的振荡脉冲与编码脉冲如图3.14所示。OSC为PT2262的振荡频率，0、1、f分别为PT2262的三种编码形式。0表示低电平，1表示高电平，悬空时为f。从波形的形状可以清楚地看出输入的是低电平，高电平还是悬空。图3.14 振荡脉冲与编码脉冲在具体的应用中，外接电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大,发码一帧的时间越长.推荐值:2262/4.7M/2272/820K 2262/3.3M/2272/680K，2262/1.2M/2272/200K由于2262/2272目前厂牌较多，外接振荡电阻也略有不同，下面列出的是PT2262与HS2272及HS2

50、262/HS6672的振荡电阻数据。PT2262/4.7M配HS2272/2M HS2262/4.7M配HS2272/1M。振荡电阻的阻值必须精确，切不可随意用一个阻值差不多的电阻来代替，因为振荡电阻的阻值决定着编码的频率。3.3.1.2 解码电路设计PT2262/2272是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平)，任意组合可提供531441地址码,PT2272最多可有6位(D0-D5)数据端输出管脚，17脚为解码有效指示输出，PT2272分为锁存型输出或非锁存型输出，可用于无线遥控接收电路。

51、系统中的地址位只使用了A0，A1组成00，01，10，11与悬空的A2，A3，A4，A5，A6组成地址码。副系统中，A0A1=00表示副系统2的解码端PT2272，A0A1=01表示副系统2的编码端PT2262，A0A1=10表示副系统1的解码端PT2272，A0A1=11表示副系统3的解码端PT2272。这样，在主控系统端通过改变A0A1的值，就可以向不同的副系统发送温度设定值。PT2272的引脚如图3.15所示。图3.15 PT2272的引脚图PT2272特点： CMOS工艺制造，低功耗 外部元器件少 Rc振荡电阻 工作电压范围：2.6-15v 数据最多达6位 地址码最多达531441种应

52、用范围： 车辆防盗系统 家庭防盗系统 遥 控 玩 具 其他电器遥控PT2272的管脚说明如表3.3。表3.3 PT2272的管脚说明名称管脚说明A0-A111-8 10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空)必须与2262一致，否则不解码D0-D57-8 10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换Vcc18电源正端（）Vss9电源正端（-）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频

53、率OSC215振荡电阻,振荡器输出端VT17解码有效确认 输出端（常低）解码有效变成高电平编码芯片PT2272的时序如图3.16所示。图3.16 编码芯片PT2272的时序图这里a=2*时钟周期，为“f”仅对地址码有效，同步位的长度是4个AD位的长度，含一个1/8AD位的脉冲，见图3.17。图3.17 PT2272 时钟周期与位宽关系图地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”也就是地址码的“悬空”。PT2272的极限参数如表3.4所示。PT2272的电气参数如表3.5所示。表3.4 PT2272极限参数表参数符号参数范

54、围单位电源电压VCC-0.316.0V输入电压Vi-0.3Vcc+0.3V输出电压Vo-0.3Vcc+0.3V最大功耗Pa300mW工作温度Topr-20+70C贮存温度Tstg-40+125C表3.5 PT2272的电气参数表参数符号测试条件最小值 典型值最大值单位电源电压VCC215V电源电流IccVcc=10振荡器停振 A0-A11开路0.020.3uA输出驱动 电流IOHVcc=5V,VOH=3V-3mAVcc=8V,VOH=4V-6mAVcc=10V,VOH=6V-10mA输出陷电流IOLVcc=5V,VOH=3V2mAVcc=8V,VOH=4V5mAVcc=10V,VOH=6V9mA输出高电平VIH0.7VccVccV输出低电平VIL00.3VccV从图3.18可以明显看到，图上半部分是一组一组的字码，每组字码之间有同步码隔开，所以我们如果用单片机软件解码时，程序只要判断出同步码，然后对后面的字码进行脉冲宽度识别即可。图下部分是放大的一组字码