基于单片机温度控制系统设计的功率放大环节设计部分课程设计任务书学士学位论文Word文件下载.docx
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温度控制系统广泛应用于工业控制领域，如钢铁厂、化工厂、火电厂等锅炉的温度控制系统，电焊机的温度控制系统等。
温度控制系统在国内各行各业的应用虽然己经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。
成熟的温控产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它们只能适应一般温度系统控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少.随着我国经济的发展及加入WTO，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家，企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。
音频放大电路主要以单相桥式整流及三端集成稳压器为主。
完成将输入220v，50Hz的市电，输出为稳定的±
5V的直流电。
在电子电路设计中,很多系统需要对输出信号进行放大,以提高其带负载能力,驱动后级电路,因此就要对信号进行功率放大。
功率放大器的主要性能指标有输出功率及效率。
目前，温度控制器产品从模拟、集成温度控制器发展到智能数码温度控制器。
智能温控器（数字温控器）是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结合，特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现控制功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平，现阶段正朝着高精度高质量的方向发展,相信以我国的实力，温控技术在不久的将来一定会为于世界前列。
关键词：
温度控制系统,Proteus,PID,功率放大电路
目录
摘要1
第一章功率放大环节设计3
1.1、固态继电器3
1.2、三极管6
1.3、RC回路7
1.4、功率放大环节电路8
第二章温度控制的总体设计和思路9
2.1、温度控制方框图9
2.2、AT89S52单片机的结构10
2.3、温度传感器的选择11
2.4、温度采集电路12
2.5、数码管温度显示电路13
2.6、数码管动态显示13
2.7、电源5V总体设计14
1.6、电路总体设计图14
2.8、DS18B20初始化15
2.9、系统流程图17
第三章调试18
第四章结束语19
参考文献20
第一章功率放大环节设计
功率放大电路通常作为多级放大电路的输出级。
在很多电子设备中，要求放大电路的输出级能够带动某种负载，例如驱动仪表，使指针偏转；
驱动扬声器，使之发声；
或驱动自动控制系统中的执行机构等。
总之，要求放大电路有足够大的输出功率。
这样的放大电路统称为功率放大电路。
1.1、固态继电器
固态继电器（SolidStateRelays,缩写SSR）是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路（输入电路）与负载回路（输出电路）的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。
尽管市场上的固态继电器型号规格繁多，但它们的工作原理基本上是相似的。
主要由输入（控制）电路，驱动电路和输出（负载）电路三部分组成。
固态继电器的输入电路是为输入控制信号提供一个回路，使之成为固态继电器的触发信号源。
固态继电器的输入电路多为直流输入，个别的为交流输入。
直流输入电路又分为阻性输入和恒流输入。
阻性输入电路的输入控制电流随输入电压呈线性的正向变化。
恒流输入电路，在输入电压达到一定值时，电流不再随电压的升高而明显增大，这种继电器可适用于相当宽的输入电压范围。
固态继电器的驱动电路可以包括隔离耦合电路、功能电路和触发电路三部分。
隔离耦合电路，目前多采用光电耦合器和高频变压器两种电路形式。
常用的光电耦合器有光－三极管、光－双向可控硅、光－二极管阵列（光－伏）等。
高频变压器耦合，是在一定的输入电压下，形成约10MHz的自激振荡，通过变压器磁芯将高频信号传递到变压器次级。
功能电路可包括检波整流、过零、加速、保护、显示等各种功能电路。
触发电路的作用是给输出器件提供触发信号固态继电器的输出电路是在触发信号的控制下，实现固态继电器的通断切换。
输出电路主要由输出器件（芯片）和起瞬态抑制作用的吸收回路组成，有时还包括反馈电路。
目前，各种固态继电器使用的输出器件主要有晶体三极管（Transistor）、单向可控硅（Thyristor或SCR）、双向可控硅（Triac）、MOS场效应管（MOSFET）、绝缘栅型双极晶体管（IGBT）等。
固态继电器原理固态继电器（SolidstateRelay,SSR）是一种由固态电子组件组成的新型无触点开关，利用电子组件（如开关三极管、双向可控硅等半导体组件）的开关特性，达到无触点、无火花、而能接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。
相对于以往的“线圈—簧片触点式”继电器（ElectromechanicalRelay,EMR），SSR没有任何可动的机械零件，工作中也没有任何机械动作，具有超越EMR的优势，如反应快、可靠度高、寿命长（SSR的开关次数可达108"
109次，比一般EMR的106高出百倍）、无动作噪声、耐震、耐机械冲击、具有良好的防潮防霉防腐特性。
这些特点使SSR在军事、化工、和各种工业民用电控设备中均有广泛应用。
固态继电器的控制信号所需的功率极低，因此可以用弱信号控制强电流。
同时交流型的SSR采用过零触发技术，使SSR可以安全地用在计算机输出接口，不会像EMR那样产生一系列对计算机的干扰，甚至会导致严重当机。
比较常用的是DIP封装的型式。
控制电压和负载电压按使用场合可以分成交流和直流两大类，因此会有DC-AC、DC-DC、AC-AC、AC-DC四种型式，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用.按负载电源的类型不同可将SSR分为交流固态继电器（AC—SSR）和直流固态继电器（DC—SSR）。
AC—SSR是以双向晶闸管作为开关器件，用来接通或断开交流负载电源的固态继电器。
AC—SSR的控制触发方式不同，又可分为过零触发型和随机导通型两种。
过零触发型AC—SSR是当控制信号输入后，在交流电源经过零电压附近时导通，故干扰很小。
随机导通型AC—SSR则是在交流电源的任一相位上导通或关断，因此在导通瞬间可能产生较大的干扰。
1．2工作原理过零触发型AC—SSR为四端器件，其内部电路如图1所示。
1、2为输入端，3、4为输出端。
R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。
图1固态继电器内部电路图
要指出的是所谓“过零”并非真的必须是电源电压波形的零处，而一般是指在10～25V或-（10～25）V区域内进行触发，如图2所示。
图中交流电压分三个区域，Ⅰ区为-10V～+10V范围，称为死区，在此区域中加入输入信号时不能使SSR导通。
Ⅱ区为10～25V和-（10～25）V范围，称为响应区，在此区域内只要加入输入信号，SSR立即导通。
Ⅲ区为幅值大于25V的范围，称为抑制区在此区域内加入输入信号，SSR的导通被抑制
图2波形图
当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。
当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。
此时若V3两端电压在-（10～25）V或10～25V范围内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V4的控制极上得到从R6→UR→V3→UR→R7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。
而若交流电压波形在图2中的Ⅲ区内时，则因V2饱和而抑制V3和V4的导通，而使SSR被抑制，从而实现了过零触发控制。
由于10～25V幅值与电源电压幅值相比可近似看作“零”。
因此，一般就将过零电压粗略地定义为0～±
25V，即认为在此区域内，只要加入输入信号，过零触发型AC—SSR都能导通
当输入端电压信号撤除后，光耦合器中的光敏晶体管截止，V1饱和，V3截止，但此时V4仍保持导通，直到负载电流随电源电压减小到小于双向晶闸管的维持电流时，SSR才转为截止。
SSR的输出端器件可分为双向晶闸管和两只单向晶闸管反并联形式。
若负载为电动机一类的感性负载，则其静态电压上升率dv/dt是一个重要参数。
由于单向晶闸管静态电压上升率（200V/μs）大大高于双向晶闸管的换向指标（10V/μs），因此若采用两只大功率单向晶闸管反并联代替双向晶闸管，一方面可提高输出功率；
另一方面也可提高耐浪涌电流的冲击能力，这种SSR称为增强型SSR。
1.2、三极管
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。
两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。
由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：
Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即：
β1=Ic/Ib式中：
β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为：
β=△Ic/△Ib。
式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。
三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。
1.3、RC回路
RC吸收回路的作用，一是为了对感性器件在电流瞬变时的自感电动势进行钳位，二是抑制电路中因dV/dt对器件所引起的冲击，在感性负载中，开关器件关断的瞬间，如果此时感性负载的磁通不为零，根据愣次定律便会产生一个自感电动势，对外界辞放磁场储能，为简单起见，一般都采用RC吸收回路，将这部份能量以热能的方式消耗掉。
设计RC吸收回路参数，需要先确定磁场储能的大小，这分几种情况：
1、电机、继电器等，它的励磁电感与主回路串联，磁场储能需要全部由RC回路处理，开关器件关断的瞬间，RC回路的初始电流等于关断前的工作电流；
2、工频变压器、正激变压器，它的励磁电感与主回路并联，励磁电流远小于工作电流。
虽然磁场储能也需要全部由RC回路处理，但是开关器件关断的瞬间，RC回路的初始电流远小于关断前的工作电流。
3、反激变压器，磁场储能由两部份辞放，其中大部份是通过互感向二次侧提供能量，只有漏感部份要通过RC回路处理，
以上三种情况，需要测量励磁电感，互感及漏感值，再求得RC回路的初始电流值。
R的取值，以开关所能承受的瞬时反压，比初始电流值；
此值过小则动态功耗过大，引值过大则达不到保护开关的作用；
C的取值，则需要满足在钳位电平下能够储存磁能的一半，且满足一定的dV/dt
1.4、功率放大环节电路
我们给单片机设置一个固定的温度范围，当温度传感器测量的温度高于我们设置的最高数值时，这时单片机指令控制P3.2口产生一个高电平信号送给固态继电器，是继电器的产开开关闭合，使开关打开通电。
控制一个降温装置的开启（本设计中考虑到成本和技术问题，采用电风扇进行降温控制）。
相反，当温度传感器测量的温度低于设置的最低数值的时候，这时单片机又控制P3.3口产生一个高电平送给继电器，使开关打开从而控制升问装置进行加热（本系统采用电热丝进行加热）。
通过一个升温和一个降温装置，就能实现温度的调节。
只要通过程序，将我们所要达到的温度控制在一个恒温状态下。
控制电路的原理图如5.7所示,继电器的正极接电源电压,负极接三极管的集电极,之所以采用三极管,就是继电器一般是需要驱动电压的。
而单片机的管脚不能提供最后高的电压，这样就会导致即使单片机送出了高电平也无法将继电器开关打开。
当接上三极管后就能将输入信号的发送到继电器当中，驱动开关使温度调节器改变温度。
图3温度控制电路
如图所示为稳定的阻性负载，为了防止输入电压超过额定值，需设置一限流电阻Rx；
当负载为非稳定性负载或感性负载时，在输出回路中还应附加一个瞬态抑制电路，如图4.5b所示，目的是保护固态继电器。
通常措施是在继电器输出端加装RC吸收回路（例如：
R=150Ω，C=0.5μF或R=39Ω，C=0.1μF），它可以有效的抑制加至继电器的瞬态电压和电压指数上升率dv/dt。
在设计电路时，建议用户根据负载的有关参数和环境条件，认真计算和试验RC回路的选值。
另一个常用的措施是在继电器输出端接入具有特定钳位电压的电压控制器件，如双向稳压二极管或压敏电阻（MOV）。
压敏电阻电流值应按下式计算：
Imov=（Vmax-Vmov）/ZS其中ZS为负载阻抗、电源阻抗以及线路阻抗之和，Vmax、Vmov分别为最高瞬态电压、压敏电阻的标称电压，对于常规的220V和380V的交流电源，推荐的压敏电阻的标称电压值分别为440-470V和760-810V。
在交流感性负载上并联RC电路或电容，也可抑制加至SSR输出端的瞬态电压和电压指数上升率。
（a）（b）
图4继电器结构连接图
第二章温度控制的总体设计和思路
2.1、温度控制方框图
单片机温度控制系统采用的装置有单片机、温度传感器和温度调节设备组成起结构硬件结构图所示。
图5温度控制系统硬件结构图
2.2、AT89S52单片机的结构
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断
继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52的结构如图3.1所示。
由于它的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是很经济的.该芯片具有如下功能：
①有1个专用的键盘/显示接口；
②有1个全双工异步串行通信接口；
③有2个16位定时/计数器。
这样，1个89S52，承担了3个专用接口芯片的工作；
不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。
89S52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。
所以可以降低成本。
2.3、温度传感器的选择
DS18B20原理与特性本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。
首先先来介绍一下DS18B20这块传感器的特性及其功能:
DSl8B20的管脚及特点DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。
内部结构主要由四部分组成：
64位光刻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。
图6DS18B20的外形及管脚图
GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。
VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3．O～5．5V。
本文使用外部电源供电。
主要特点有：
1.用户可自设定报警上下限温度值。
2.不需要外部组件，能测量－55～+125℃范围内的温度。
3.－10℃～+85℃范围内的测温准确度为±
0．5℃。
4.通过编程可实现9～l2位的数字读数方式，可在至多750ms内将温度转换成12位的数字，测温分辨率可达0．0625℃。
5.独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。
6.测量结果直接输出数字温度信号，以"
一线总线"
串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
7.负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
8.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。
2.4、温度采集电路
数据采集电路如图5.1所示,
由温度传感器DS18B20采集被控对象的实时温度,提供给AT89S52的P3.1口作为数据输入。
在本次设计中我们所控的对象为所处室温。
当然作为改进我们可以把传感器与电路板分离，由数据线相连进行通讯，便于测量多种对象。
图7单片机2051与温度传感器DS18B20的连接图
2.5、数码管温度显示电路
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。
数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；
按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；
按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。
共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。
共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。
。
共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。
共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。
当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。
2.6、数码管动态显示
单片机AT89S52输出8个高低电平信号每个数码管的8个段分别连接P0.0-P0.7口上当某个数码管的公共端为“0”时，那么这个数码管被选中，这时此数码管的哪段为”1“则哪段就被点亮初学者可以利用本实验板自带的仿真器功能来单步执行，来观察数码管的工作原理，由于I/O资源有限，一个51单片机只有32个I/O所以只能将8个数码管以动态扫描的方式来显示，何为动态扫描呢？
动态扫描的连接方式是将8个数码管的8个段用相同的I/O来控制，即第一个数码管的”a“段由P0.0控制第二个数码管的”a“段也是由P0.0来控制的而8个数码管的公共端则是由不同的I/O来控制，即第一个数码管的公共端由P2.4控制而第二个数码管的公共端有P2.5控制
动态扫描的控制原理是：
将第一个数码管要显示的内容显示出来，然后立刻将第二个数码管的内容显示出来，一次把第8个数码管的内容显示出来由于单片机的工作速度非常快，所以当显示第8个数码管的时候第一个数码管的内容还没有完全消失，这时立刻重复上面的过程，就实现了数码管的。
数码关分共阳极数码管，还有就是共阴极数码管，我们就采用共阴来使用。
单片机各个口的电压输出的都为高电平。
共阴就通过控制阳极，即可控制LED显示。
2.7、电源5V总体设计
电源模块为系统板上其它模块提供＋5V电源，电源输入有两种方式，一种为交直流电源从电源插座输入，输入的电压要求，直流输入应大于7.5V，交流输入应大于5V，通过7805三端稳压器得到5V的直流电源供给系统其它模块工作，另一种为从USB接口获取＋5V电源，只要用相应配套的USB线从电脑主机获取＋5V直流电源，在电源模块中加有保护电路，即电路中有短路，不会对7805三端稳压器及电脑主机电源有损害。
其电路原理图如图5所示
图8电源设计图
1.6、电路总体设计图
图9电源总体设计图
2.8、DS18B20初始化
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。
故主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
DS18B20的单线协议和命令
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据的传输的正确性和完整性
主机操作单线器件DS18B20必须遵循下面的顺序.
1.初始化
单线总线上的所有操作均从初始化开始。
初始化过程如下：
主机通过拉低单线480us以上，产生复位脉冲，然后释放该线，进入Rx接收模式主机释放总线时，会产生一个上升沿。
单线期间DS18B20检测到改上升沿后，延时15-60us，通过拉低总线60-240us来产生应答脉冲。
主机棘手到从机的应答脉冲后，说明有单线器件在线。
2.ROM操作命令
一旦总线主机检测到应答脉冲，便可以发起ROM操作命令。
工有5位ROM操作命令。
3.内存操作命令
在成功执行了ROM操作命令之后，才可以使用内存操作命令。
主机可以提供6种内存操作命令。
4.数据处理
DS18B20要有严格的时序来保证数据的完整性。
在单线DQ上，存在复位脉冲、应答脉冲、写“0”、写“1”、读“0”和读“1”几种信号类型。
其中，出来映带脉冲之外，均由主机产生。
数
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