一、功能說明

采用PT100精密測溫電阻作為溫度傳感器，將其采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸至單片機進行轉換，再由單片機進行PID控制，生成相應的PWM信號，該信號被SSR接收并轉換為對發(fā)熱片的輸出。該系統(tǒng)通過PID輸出的PWM信號來精確控制發(fā)熱片的溫度，同時通過控制加熱頻率來實現(xiàn)與發(fā)熱片環(huán)境的熱平衡，確保系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性。此外，還配備了一個環(huán)境溫度傳感器，以便在PT100溫度受環(huán)境影響而發(fā)生變化時進行相應的補償。

二、硬件設計

2.1 原理框圖

2.2 各功能框圖說明

2.2.1 MCU最小系統(tǒng)

該MCU采用了宏晶科技的STC8A8K64D4 LQFP64封裝，以下是其主要特點：

STC8A8K64D4具備內(nèi)置的高精度時鐘單元和硬件復位電路，因此在使用時無需外部時鐘電路和復位電路，有助于降低成本。

在單片機電源輸入部分增加一個100nF的旁路電容，其主要功能包括：

1、濾除電源上的高頻噪聲。

2、儲能，當負載需要瞬時電流時，電容率先為其提供電流，減小電源產(chǎn)生的波動。

3、給高頻信號提供最近的低阻抗回流路徑，減少對其他芯片電源的干擾。

2.2.2 電源電路

電源電路采用220V交流電轉5V直流電的電源模塊，或者可以通過外部適配器直接提供5V直流電。該電源模塊具有低紋波噪聲、過載保護、短路保護以及過熱保護等功能，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。電路圖描述如下：

R8 - 壓敏電阻，主要用在電路承受過壓時進行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護后級敏感元件。

P2 - 220V交流輸入。

P1 - 保險絲的作用是過載保護，當電流異常升高到一定程度時，保險絲會熔斷切斷電流，從而保護電路中的電線或防止短路引起火災。

U8 - 220V交流電轉5V直流電的電源模塊。

TV1 - 通過利用該器件的非線性特性，將過電壓鉗制到一個較低的電壓值，實現(xiàn)對后級電路的保護。

C5/C6 - 主要用于濾除由電源輸出的直流電壓中所含的雜波和噪聲，并將其平滑處理為一個穩(wěn)定的直流電壓輸出。

F1 - 可以使用0歐姆電阻進行短接，或者采用自恢復保險絲，這是一種具有自恢復特性、可反復使用的非線性過流保護器件。

2.2.3 按鍵電路

按鍵電路采用點觸按鍵，當用戶按下按鍵時，電路會檢測到按鍵的接觸，并產(chǎn)生低電平信號，從而觸發(fā)相應的操作。電路圖描述如下：

KEY1/KEY2/KEY3 - 點觸按鍵，點觸按鍵的工作原理：按鈕與觸點機械作用，按下按鈕，彈簧收縮，觸點接觸導電條，電路接通；松開按鈕，彈簧恢復原狀，觸點離開導電條，電路斷開。

C7/C8/C9 - 在點觸按鍵上連接一個下拉電容，其主要作用是消除按鍵抖動。當按鍵被按下時，電容會首先充電，從而抑制了按鍵的機械性抖動，這樣就能夠確保單片機程序正確地識別和分辨當前的電平狀態(tài)。

2.2.4 PT100采集電路

PT100鉑電阻溫度傳感器，其阻值隨著溫度的變化而呈現(xiàn)相應的變化。為了準確測量PT100的阻值，電橋采集電路是必不可少的工具。該電路由四個電阻組成，其中一個是PT100，其他三個電阻則為已知固定電阻。當PT100的溫度發(fā)生改變時，其阻值也會隨之改變，從而打破了電橋的平衡狀態(tài)，導致電橋輸出一個微小的電壓信號。這個電壓信號經(jīng)過放大電路的放大后，將被轉換成數(shù)字信號并傳遞給單片機進行處理。電路圖描述如下：

2.2.5 DS18B20電路

DS18B20電路主要采集環(huán)境溫度，在PT100溫度控制中，環(huán)境溫度的變化會對溫度測量產(chǎn)生影響，因此需要進行溫度補償。有效地消除環(huán)境溫度對溫度測量的影響，提高溫度測量的精度。DS18B20是一種數(shù)字溫度傳感器，它可以通過1-Wire協(xié)議與單片機通信，實現(xiàn)溫度的測量。在電路設計中，需要將DS18B20連接到單片機的IO口，并使用電橋采集電路來測量溫度電路圖描述如下：

R3 - DS18B20是一款單總線溫度傳感器，其數(shù)據(jù)線采用漏極開路方式，因此它只能輸出低電平而無法輸出高電平。為了保持信號的穩(wěn)定性，需要借助外部強上拉電阻來拉高電平。

C4 - 濾波電容

2.2.6 繼電器控制電路

單片機智能調(diào)控PWM信號，精細控制發(fā)熱片溫度，同時自動調(diào)節(jié)加熱頻率，與環(huán)境溫度完美匹配，實現(xiàn)智能熱平衡。

R1 - 串聯(lián)電阻的作用是限制電流，使得電路中的元器件不會因為電流過大而被損壞。

R5 - 三極管下拉電阻的作用是為了保證三極管在初始狀態(tài)下處于穩(wěn)定關斷的狀態(tài)。

Q1 - 單片機GPIO驅(qū)動能力有限，繼電器和電磁閥等大功率負載超出其IO驅(qū)動能力。繼電器控制端為電磁線圈（電感），關斷時產(chǎn)生自感電壓易燒壞單片機，因此需通過三極管控制繼電器。

D1 - 二極管的作用是吸收繼電器線圈斷電時產(chǎn)生的自感電壓，防止三極管被高電壓損壞。

C2 -電容在電路中的作用是緩解繼電器線圈電流的突變，避免產(chǎn)生過高的感應電動勢，從而保護電路中的其他元器件免受電壓沖擊。

2.2.7 蜂鳴器電路

蜂鳴器是一種可以發(fā)出聲音的電子元件，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制技術來調(diào)節(jié)聲音的大小。為了實現(xiàn)對蜂鳴器的控制，我們需要使用三極管。三極管是一種半導體器件，具有電流放大作用，可以將微弱的信號放大成較大的電流，從而實現(xiàn)對蜂鳴器的有效控制。

R2 - 串聯(lián)電阻的作用是限制電流，使得電路中的元器件不會因為電流過大而被損壞。

R7 - 三極管下拉電阻的作用是為了保證三極管在初始狀態(tài)下處于穩(wěn)定關斷的狀態(tài)。

Q2 - 蜂鳴器的工作電流通常較大，單片機的I/O口無法直接驅(qū)動，但AVR可以驅(qū)動小功率蜂鳴器。因此，需要使用三極管來控制蜂鳴器的通斷。

D1 - 二極管的作用是吸收蜂鳴器斷電時產(chǎn)生的自感電壓，防止三極管被高電壓損壞。

C2 -蜂鳴器回路上并聯(lián)電容的作用是為了保護蜂鳴器，讓其兩端的電壓不能突變，吸收浪涌電壓。

2.2.8 LED電路

R9/R12/R14 - 限流電阻的作用是限制電流，保護LED不被過電流損壞。

2.2.9 數(shù)碼管顯示電路

TM1640是一種專門用于驅(qū)動控制LED（發(fā)光二極管顯示器）的電路，其內(nèi)部集成了MCU數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器以及LED驅(qū)動等電路。該電路主要應用于電子產(chǎn)品LED顯示屏的驅(qū)動。從硬件角度來看，單片機的GPIO驅(qū)動能力相對有限，而數(shù)碼管需要的驅(qū)動電流較大，基本達到了單片機驅(qū)動電流的極限。在軟件方面，數(shù)碼管的驅(qū)動需要實時掃描，如果直接使用單片機進行驅(qū)動，需要編寫較為復雜的程序，如果程序任務較多，其他任務占用時間較長，數(shù)碼管不能實時掃描，數(shù)碼管容易閃爍。因此，使用TM1640電路可以有效地解決這些問題，使得LED顯示屏的驅(qū)動更加簡單、穩(wěn)定和可靠。

R10/R11 - 使用TM1640芯片時，需要連接CLK和DIN引腳到單片機的GPIO口，并加上上拉電阻，以確保數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

C10/C11 - 在TM1640芯片的電源處加上濾波電容，是為了讓電路中的元器件不會受到電源噪音的影響，這樣可以讓電路更加穩(wěn)定。

三、軟件設計

3.1 程序框圖

3.2 各功能模塊說明

3.2.1 主函數(shù)

主函數(shù)采用單片機時間片輪詢法的程序架構，用于在不使用操作系統(tǒng)的情況下實現(xiàn)多任務的并發(fā)執(zhí)行。它的基本原理是利用定時器中斷來劃分時間片，每個時間片對應一個任務，通過任務標志和任務函數(shù)來控制任務的運行和切換。

單片機時間片輪詢法的主要步驟有：

定義任務結構體，包含任務函數(shù)、任務運行標志、任務計時器和任務計時器初值等成員。

定義任務數(shù)組，初始化各個任務的結構體，并指定任務的運行間隔時間。

編寫定時器中斷服務函數(shù)，用于實現(xiàn)時間輪片的功能。在每個時鐘節(jié)拍中，逐個檢查任務的計時器是否為零，如果為零，則置任務運行標志為1，同時恢復計時器初值；如果不為零，則計時器減一。

編寫任務處理函數(shù)，用于在主循環(huán)中執(zhí)行各個任務。在每個循環(huán)中，逐個檢查任務的運行標志是否為1，如果為1，則調(diào)用任務函數(shù)，并清除運行標志。

編寫主函數(shù)，進行系統(tǒng)的初始化和任務的處理。

時間片輪詢法流程圖

定時中斷服務函數(shù)每間隔1ms中斷一次，在中斷中判斷各個任務的時間是否到0，如果定時值不為0，定時器減一，直到為零。為0后定時器重新賦值間隔時間，并置任務執(zhí)行標志。

在main函數(shù)里面判斷任務執(zhí)行標志，并執(zhí)行響應函數(shù)。

3.2.2 按鍵模塊

機械式按鍵在按下或釋放時，會因機械彈性作用產(chǎn)生抖動，持續(xù)時間約為5-10ms。在此期間檢測按鍵的通與斷可能導致判斷出錯，需要采取消抖措施。如下圖，消抖方法分為硬件消抖和軟件消抖，硬件消抖就是在按鍵上并聯(lián)一個電容，利用電容的充放電特性對抖動過程中產(chǎn)生的電壓毛刺進行平滑處理，從而實現(xiàn)消抖。軟件消抖可以采用延時或者循環(huán)檢測的方式去掉后沿抖動。

該程序采用狀態(tài)機方式處理點觸按鍵，根據(jù)不同按鍵狀態(tài)執(zhí)行不同操作，實現(xiàn)更靈活高效的控制方式。狀態(tài)機設計可精確處理每個按鍵動作，確保操作準確可靠。

狀態(tài)機的四要素

現(xiàn)態(tài)：狀態(tài)機當前狀態(tài)。

觸發(fā)條件：改變當前狀態(tài)的發(fā)生條件。

動作：狀態(tài)改變產(chǎn)生相應的動作。

次態(tài)：狀態(tài)機激活觸發(fā)條件后跳轉到的下一狀態(tài)。

3.2.3 PT100采集模塊

PT100采集模塊使用了一種高效且可靠的方法來獲取溫度值。該模塊通過查表的方式得到實際溫度值，將采集到的電壓信號轉換成電阻值，然后根據(jù)這個電阻值查詢預先設定的表格，從而得到準確的溫度讀數(shù)。這種方法不僅簡化了處理過程，而且提高了測溫的精度和響應速度。

3.2.4 PID算法

該程序采用了增量式PID算法進行控制。增量式PID算法是一種常用的控制算法，其顯著特點在于將積分環(huán)節(jié)的累積作用進行了替換，從而避免了積分環(huán)節(jié)對計算性能和存儲空間的過多占用。該算法根據(jù)當前誤差和上一次誤差的差值來計算控制量的增量。該算法由三個組成部分：比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)根據(jù)當前誤差計算出比例輸出，積分環(huán)節(jié)根據(jù)當前誤差和歷史誤差的累加值計算出積分輸出，微分環(huán)節(jié)根據(jù)當前誤差和歷史誤差的差值計算出微分輸出。雖然增量式PID算法具有響應速度快的優(yōu)點，但需要保存上一次的誤差值，因此容易受到累計誤差的影響。

在工業(yè)控制領域，PID參數(shù)的調(diào)試是非常重要的。PID控制器是一種常用的控制算法，它根據(jù)誤差信號和過去的狀態(tài)來調(diào)整控制輸出，以實現(xiàn)對于特定過程的精確控制。

通過串口調(diào)試PID參數(shù)，可以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的精細調(diào)整，以達到更好的控制效果。在進行串口調(diào)試時，需要使用特定的工具或軟件，以便向控制系統(tǒng)發(fā)送命令并接收反饋信息。

四、資料獲取

具體源代碼和原理圖可以前往嘉立創(chuàng)-硬創(chuàng)社搜索“智能溫控器”。