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1、 河南科技大學(xué) HENAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 學(xué)士學(xué)位論文 論 文 題 目 室 內(nèi) 智 能 加 濕 器 摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求在不斷提高。無(wú)論是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)還是服務(wù)行業(yè)，它們都朝著智能化、人性化的方向發(fā)展。以人為本的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路體現(xiàn)了極大的實(shí)際價(jià)值。 四季更替，邁過(guò)了氣候宜人的秋季，

2、寒冷干燥的冬季向人們一步步走來(lái)。在這個(gè)季節(jié)很多人容易皮膚干燥、嗓子干痛。身邊迫切需要一臺(tái)小型加濕設(shè)備。據(jù)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了集顯示、檢測(cè)、液位保護(hù)、聲光報(bào)警、手動(dòng)調(diào)節(jié)、基于微處理器自動(dòng)控制的室內(nèi)智能加濕器。在生活中，我們隨處可見(jiàn)使用加濕器的場(chǎng)合。經(jīng)調(diào)查，在人們不斷追求健康生活方式的今天，此實(shí)用新型的室內(nèi)加濕器應(yīng)有廣泛的市場(chǎng)前景，極易為家庭所接受，在技術(shù)水準(zhǔn)上具有領(lǐng)先水平，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。 工作原理：采用電容三點(diǎn)式振蕩電路驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷超聲換能器產(chǎn)生超聲波，基于超聲波高頻振蕩原理，在需要進(jìn)行霧化加濕時(shí)，將蒸餾水放入水杯中，水將被超聲波打碎，在水表面產(chǎn)生大量直徑達(dá)微米級(jí)的顆粒——水霧。這樣便達(dá)

3、到了給空氣加濕的功能。 關(guān)鍵字 超聲波，加濕，智能，微處理器 ABSTRACT With the development of science and technology,and the progress of society,People consequently improve their requirments of living conditions.No matter what is in the industry,agriculture,information indust

4、ry or service trades,they all develop in the direction of intelligence and humanlization.The idea of design which is man-oriented reflects much actual value. The four seasons change.When the autumn of pleasant weather went away,winter of a cold and arid climate comes.Many people are easy to have th

5、e problems of dry skin and a sore throat in this season.We really need a small device which can use to increase air humidity.According to this,we design a indoor and intelligent humidity increasing device which has the ability of displaying,detecting,length of liquid protection,giving an alarm with

6、 bell and lamp,manual regulating and automatic control based on microcontroller.In our life,we can easily find out the chance of using this machine.After some investigation,it has good market prospect and can be easily accepted by families ,respecting the leading lever ,in modern society which peopl

7、e are in pursuit of healthy living style more and more.It has a prevalent market competition advantage. Working theory:If needed,the distilled water is put into cup.The water is smashed by the ultrasonic from the ultrasonic transducers below,which can atomize the water into very fine automized part

8、icles for oxygen moistening. Keywords:ultrosonic,moistening,intelligence,microprocesser 第一章 緒論 1.1課題背景及意義 四季更替，每當(dāng)進(jìn)入寒冷干燥的冬季，尤其是我國(guó)的北方城市由于風(fēng)沙天氣較多，人們很容易皮膚干燥、嗓子干痛。此時(shí)，身邊需要一臺(tái)小型室內(nèi)加濕器改善我們的生活環(huán)境。據(jù)了解人體健康濕度在40%~60%之間，在此范圍內(nèi)，人體生理、思維皆處于良好狀態(tài)，工作休息也才會(huì)有較好的效果。適宜的濕度還可以抑制病菌的滋生和傳播，提高我

9、們的免疫力。例如流感病毒喜干燥，絕對(duì)濕度對(duì)流感病毒傳播影響很大。環(huán)境濕度低于35%時(shí)，流感病毒的存活時(shí)間超過(guò)24小時(shí)；環(huán)境濕度高于50%時(shí)，流感病菌的存活時(shí)間不超過(guò)10小時(shí)。因此，只要適當(dāng)提高環(huán)境濕度，將環(huán)境濕度控制在50%以上，就可以有效抑制病毒的存活，防止病毒侵襲。 我們?cè)O(shè)計(jì)的室內(nèi)智能加濕器是超聲波式加濕器。超聲波加濕器是利用超聲波作為能源的設(shè)備。它由功率發(fā)生器產(chǎn)生高頻電流經(jīng)過(guò)安裝在水霧化缸底的壓電陶瓷換能片使其將高頻電流轉(zhuǎn)換為相同頻率的聲波，再由換能器產(chǎn)生的超聲波通過(guò)霧化缸的耦合作用，穿過(guò)霧化杯底部的可以穿過(guò)聲源的透聲薄膜，從而使超聲波直接作用于霧化杯中的蒸餾水中。超聲波的振蕩作用使水

10、破碎為霧狀微粒，實(shí)現(xiàn)增加空氣濕度的目的。 事實(shí)上在生活中，我們隨處可見(jiàn)使用加濕器的場(chǎng)合。在醫(yī)院里我們會(huì)發(fā)現(xiàn)病房?jī)?nèi)配有室內(nèi)加濕器；作為給藥設(shè)備是加濕器轉(zhuǎn)為霧化器的又一用途；在溫室大棚中智能加濕器能起到滿(mǎn)足作物良好生長(zhǎng)的濕度要求；在計(jì)算機(jī)機(jī)房里，由于十分干燥也常常配有加濕器。除了上述基本功能外，一臺(tái)小型的室內(nèi)加濕器還有許多妙用的地方。加入板藍(lán)根沖劑或魚(yú)腥草注射液或抗病毒口服液，可有效預(yù)防流行性感冒；在加濕器里加幾滴醋，能起到殺菌的作用；在加濕器里加幾滴花露水能緩解兒童鼻塞；在加濕器里加幾滴薰衣草精油能提高睡眠質(zhì)量；居室加濕可以讓木質(zhì)家具不變形；加濕器內(nèi)加入淡鹽水，可舒緩喉痛及慢性咽炎；切洋蔥時(shí)打

11、開(kāi)加濕器可以避免流眼淚；電腦旁邊放一臺(tái)加濕器可以消除靜電。 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，通信技術(shù)，控制技術(shù)的飛速發(fā)展，與人類(lèi)健康息息相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)品也不可避免的被賦予了數(shù)字化理念。事實(shí)上，過(guò)往傳統(tǒng)的室內(nèi)加濕器設(shè)計(jì)完全可以由模擬硬件電路單一實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在我們賦予室內(nèi)加濕器數(shù)字化，智能化，自動(dòng)化。利用單片機(jī)，通過(guò)編寫(xiě)模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)軟控制。代替手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。室內(nèi)智能加濕器的工作原理是隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)個(gè)體生命價(jià)值的認(rèn)知不斷提升，越來(lái)越多的家庭希望利用高科技手段保障身體健康，一種設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的室內(nèi)智能加濕器將會(huì)受到社會(huì)的歡迎。 本文是基于室內(nèi)智能加濕器項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)部分

12、實(shí)際研究和開(kāi)發(fā)，并對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前市場(chǎng)上已經(jīng)可以看到許多加濕器的應(yīng)用產(chǎn)品，性能也比以前問(wèn)世之初增強(qiáng)了許多。加濕器種類(lèi)繁多，最常見(jiàn)的有超聲波式加濕器、直接蒸發(fā)式加濕器、電熱式加濕器和離心式加濕器。由于這些產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和加濕原理不同，參數(shù)定值也有所不同。 這次設(shè)計(jì)的是超聲波式的智能加濕器。超聲波使蒸餾水轉(zhuǎn)化為張力波，從而使水形成微粒，可隨氣流行走，達(dá)到加濕的目的。 超聲波之所以在各個(gè)部門(mén)中有廣泛的應(yīng)用，主要之點(diǎn)還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率，即超聲波的能量傳遞特性。為什么有強(qiáng)大的功率呢？因?yàn)楫?dāng)聲波到達(dá)某一物質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用，使物質(zhì)中

13、的分子也跟著振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率一樣。分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。頻率越高，速度越大。物質(zhì)分子由于振動(dòng)獲得的能量除了與分子的質(zhì)量有關(guān)外，還由分子振動(dòng)的速度平方?jīng)Q定。所以如果聲波的頻率越高，也就是物質(zhì)分子越能得到更高的能量，超聲波的頻率比聲波高很多，超聲波本身可以供給物質(zhì)足夠大的功率。 超聲波的聲壓特性。當(dāng)聲波通入物體時(shí)，由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。由于超聲波所具有的能量很大，就有可能使物質(zhì)分子產(chǎn)生顯著的聲壓作用。在通過(guò)一般強(qiáng)度的超聲波時(shí)，產(chǎn)生的附加壓力可以達(dá)到好幾個(gè)大氣壓力。液體中存在著如此巨大

14、的聲壓作用，就會(huì)引起值得注意的聲壓現(xiàn)象。當(dāng)超聲波振動(dòng)使液體分子壓縮時(shí)，好像分子受到來(lái)自四面八方的壓力；當(dāng)超聲波振動(dòng)使液體分子稀疏時(shí)，好像受到向外散開(kāi)的拉力，對(duì)于液體，它比較受得住附加壓力的作用。所以在受到壓縮力的時(shí)候，不大會(huì)產(chǎn)生反常情形。但是在拉力的作用下，液體就會(huì)支持不了了，在拉力集中的地方，液體就會(huì)斷裂開(kāi)來(lái)。這種斷裂作用特別容易發(fā)生在液體中存在雜質(zhì)或氣泡的地方，因?yàn)檫@些地方液體的強(qiáng)度特別低，也就特別經(jīng)受不起幾倍于大氣壓力的拉力作用。由于發(fā)生斷裂的結(jié)果，液體中會(huì)產(chǎn)生許多氣泡狀的小空腔。這種空泡存在的時(shí)間很短，一瞬間就會(huì)閉合起來(lái)，空腔閉合的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)壓力。液體在這種強(qiáng)大瞬時(shí)壓力下，溫

15、度會(huì)驟然升高。 國(guó)內(nèi)外加濕器產(chǎn)品性能主要考慮以下幾點(diǎn)： （1） 加濕量 （2） 加濕效率 即加濕器實(shí)際加濕量和輸入功率的比值 （3） 噪聲 （4） 超聲頻率 （5） 連續(xù)工作時(shí)間 （6） 電源電壓 （7） 功率 （8） 使用環(huán)境 （9） 水槽裝水量 （10） 水霧化強(qiáng)度 （11） 水槽缺水保護(hù) （12） 溫度、濕度檢測(cè)范圍 超聲波式室內(nèi)智能加濕器主要包含以下幾個(gè)部件： （1） 單片機(jī) （2） 溫濕度傳感器，液位傳感器 （3） A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換芯片 （4） LCD液晶顯示屏 （5） LED燈，蜂鳴器，按鍵，水槽 （6） 驅(qū)動(dòng)放大集成芯片 （7） 繼

16、電器 （8） 超聲波產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電路 （9） 超聲波產(chǎn)生的電容三點(diǎn)式高頻振蕩電路 （10） 超聲換能片 1.3本文的主要研究?jī)?nèi)容和組織結(jié)構(gòu) 1.3.1本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文是在參與的室內(nèi)智能加濕器的項(xiàng)目上基礎(chǔ)上，總結(jié)完善而整理出來(lái)的。依據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，論文主要包括以下三個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容： （1） 室內(nèi)智能加濕器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) （2） 室內(nèi)智能加濕器的硬件模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) （3） 硬件電路中高頻振蕩器的分析 1.3.2本文的組織結(jié)構(gòu) 論文共分為五章，主要的內(nèi)容概要如下： 第一章 闡述了本課題的背景和意義，簡(jiǎn)要的說(shuō)明了論文的研究?jī)?nèi)容，闡述 了論文的

17、組織結(jié)構(gòu)。 第二章 系統(tǒng)總體介紹，包括室內(nèi)智能加濕器的整體功能結(jié)構(gòu)，流程圖，系 統(tǒng)主要的工作目標(biāo)和參數(shù)目標(biāo)。 第三章 對(duì)室內(nèi)智能加濕器系統(tǒng)的硬件部分作詳細(xì)的介紹，包括：系統(tǒng)主要 芯片選型；各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；對(duì)高頻振蕩器進(jìn)行分析。 第四章 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行。 第五章 對(duì)所作的工作進(jìn)行總結(jié)。 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)的總體功能結(jié)構(gòu) 整個(gè)室內(nèi)智能加濕器的設(shè)計(jì)包括功能和流程兩個(gè)部分，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖所示：整個(gè)室內(nèi)智能加濕器以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部功能的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、液位的檢測(cè)，液晶屏的顯示，液位保護(hù)，聲光報(bào)警，高頻振蕩

18、振幅的控制，手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的切換，圖2-1中各功能模塊的作用闡述如下： 圖2-1 室內(nèi)智能加濕器的整體功能結(jié)構(gòu)圖 溫度檢測(cè)：利用AHT11溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境實(shí)時(shí)溫度。 濕度檢測(cè)：利用AHT11溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境實(shí)時(shí)濕度。是對(duì)影響設(shè)備輸出量的主要因素的檢測(cè)。 液位檢測(cè)：利用BZ0504液位開(kāi)關(guān)檢測(cè)水槽實(shí)時(shí)液位。判斷有水時(shí)輸出0V，無(wú)水時(shí)5V。 單片機(jī)控制：我們標(biāo)配的是STC89C52RC。作為核心部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部功能的控制。 液晶顯示：利用1602液晶顯示模塊。顯示實(shí)時(shí)的溫濕度。 聲光報(bào)警：當(dāng)檢測(cè)的液位低于安全值時(shí)，蜂鳴器響且LED燈閃亮，提醒用戶(hù)給水槽加水。

19、 液位保護(hù)：當(dāng)液位低于安全值時(shí)，超聲換能片工作易損壞。故此時(shí)控制電路輸出控制信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)電路中的繼電器動(dòng)作，切斷驅(qū)動(dòng)電路。從而使后面的高頻振蕩電路停止工作。 M/A切換：手動(dòng)模式與自動(dòng)模式的切換。系統(tǒng)上電后工作在手動(dòng)模式下，當(dāng)需要調(diào)節(jié)加濕量大小時(shí)，可以調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器以改變加濕量。當(dāng)按下按鍵后，進(jìn)入自動(dòng)模式，由編寫(xiě)的模糊控制算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 模糊控制信號(hào)：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，通過(guò)與使振蕩驅(qū)動(dòng)電路中的繼電器動(dòng)作相配合，控制晶體管導(dǎo)通或關(guān)斷。從而控制高頻振蕩電路的工作通斷，實(shí)現(xiàn)加濕強(qiáng)度的自動(dòng)變化。 高頻振蕩電路的驅(qū)動(dòng)電路：通過(guò)該驅(qū)動(dòng)電路，經(jīng)過(guò)晶體管的兩級(jí)放大，得到電容三點(diǎn)式高

20、頻振蕩電路的偏置電流信號(hào)。 電容三點(diǎn)式高頻振蕩電路：產(chǎn)生高頻振蕩電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)超聲換能片，得到相同頻率的超聲波信號(hào)。高頻振蕩器是室內(nèi)加濕器設(shè)計(jì)的核心部分。 散熱：由于振蕩電路中的大功率晶體管BU406及超聲波換能片均會(huì)變熱而影響產(chǎn)品長(zhǎng)期的工作性能，故需散熱。 2.2系統(tǒng)的整體功能流程圖 圖2-2室內(nèi)智能加濕器的整體功能流程圖 流程中工作模式是由用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需要確定選擇自動(dòng)模式還是手動(dòng)模式。整個(gè)流程從上電復(fù)位開(kāi)始，然后對(duì)各芯片進(jìn)行初始化程序。緊接著對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。調(diào)用顯示處理子程序顯示實(shí)時(shí)的溫度和濕度值。不斷掃描液位標(biāo)志看是否缺水，從而相應(yīng)動(dòng)作。再掃描M/A按鍵是

21、否被按下，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的處理中，最后回到主程序開(kāi)始處，重新循環(huán)。 2.3控制系統(tǒng)的需求分析 2.3.1系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的工作目標(biāo) 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)便，界面直觀(guān)，實(shí)時(shí)檢測(cè)，能精確完成各項(xiàng)控制功能的控制系統(tǒng)。 超聲波式室內(nèi)智能加濕器控制系統(tǒng)的任務(wù)主要包括：1.7MHZ的高頻振蕩器的實(shí)現(xiàn)，液晶屏顯示，聲光報(bào)警，液位保護(hù)，手動(dòng)模式/自動(dòng)模式切換，自動(dòng)模式中的模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)。 整個(gè)加濕器以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)變量的檢測(cè)，及對(duì)影響濕度因素檢測(cè)后，進(jìn)行綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部功能的控制。 2.3.2系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)的參數(shù)目標(biāo) 由于該加濕器的功能和控制對(duì)象較多，因而采用以單片機(jī)為主的控制電路，使

22、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而可靠。 （1） 主要技術(shù)指標(biāo) <1>超聲頻率：1.7MHZ正負(fù)10% <2>最大加濕量：>=4ml/min <3>連續(xù)工作時(shí)間：>=4小時(shí) <4>電源電壓：45VDC*1A+9VDC*1A <5>功率：36W <6>使用環(huán)境：溫度范圍：0~60C； 相對(duì)濕度：20%~90% <7>水槽裝水量：>=150ml <8>水槽缺水保護(hù)：<=100ml （2） 產(chǎn)品功能及性能 <1>加濕強(qiáng)度：手動(dòng)模式下由滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)，自動(dòng)模式下由模糊控制算法自動(dòng)調(diào)節(jié)。 <2>缺水自動(dòng)保護(hù)，并聲光報(bào)警。 <3>手動(dòng)模式與自動(dòng)模式可切換。

23、<4>連續(xù)工作時(shí)間<=5小時(shí)。 <5>實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度濕度值。 <6>本產(chǎn)品電路工作穩(wěn)定，電路比較簡(jiǎn)潔，元器件成本較低。 <7>電路振蕩器工作頻率穩(wěn)定在1.7MHZ正負(fù)10%范圍內(nèi)。波形較完整，雜波少。 第三章 室內(nèi)智能加濕器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3.1概述 本室內(nèi)智能加濕器是一種新型的多用途的超聲波式加濕器。它集加濕、檢測(cè)、顯示于一體，采用微處理器進(jìn)行自動(dòng)控制。技術(shù)先進(jìn)，操作簡(jiǎn)單，使用方便，安全可靠。由于市電是通過(guò)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換降低到安全電壓，再加上加濕振蕩器與單片機(jī)控制電路是分離設(shè)計(jì)的，所以不會(huì)有觸電、漏電發(fā)生。 嵌入式控制系統(tǒng)的硬件電路包含模擬和數(shù)字兩個(gè)部分。數(shù)字電路部分以組成單

24、片機(jī)運(yùn)行的基本電路為主，并配以液晶顯示，控制接口電路等。而模擬電路部分主要包括1.7MHZ高頻振蕩電路的驅(qū)動(dòng)部分，及電容三點(diǎn)式高頻振蕩電路的分析與設(shè)計(jì)及信號(hào)檢測(cè)部分。 關(guān)鍵部件采用了一定的保護(hù)措施，如缺水保護(hù)。實(shí)際上進(jìn)一步設(shè)計(jì)成產(chǎn)品還應(yīng)加上風(fēng)機(jī)等散熱裝置以保證其可靠的長(zhǎng)期運(yùn)行。加濕器能把蒸餾水霧化為2微米左右的顆粒，速度快，效果好。 3.2系統(tǒng)主要芯片選型及介紹 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含多個(gè)功能模塊和接口，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初要對(duì)各個(gè)部分選擇滿(mǎn)足設(shè)計(jì)功能要求、性能穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高的芯片。下面簡(jiǎn)要的介紹控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)的主要芯片。 （1）主控制芯片STC89C52RC 選用的是MCS

25、-51系列的單片機(jī)。STC89C52RC型號(hào)。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。一臺(tái)能夠工作的計(jì)算機(jī)要有這樣幾個(gè)部分組成：CPU（進(jìn)行運(yùn)算和控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）、ROM（程序存儲(chǔ)）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口）。在個(gè)人計(jì)算機(jī)上這些部分被分成若干塊芯片，安裝在一個(gè)稱(chēng)之為主板的印刷線(xiàn)路板上。而在單片機(jī)中，這些部分，全部被做到一塊集成電路芯片中了，所以就稱(chēng)為單片機(jī)，而且有些單片機(jī)除了上述部分外，還集成了其他部分如A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換等。 圖3-1 STC89C52RC引腳圖 STC89C52芯片共40引腳。1~8

26、腳為通用I/O接口P1.0~P1.7，9腳為RST復(fù)位鍵，10腳為RXD串口輸入，11腳為T(mén)XD串口輸出，12~19引腳為I/O P3接口，（其中12、13引腳為INT0中斷0，INT1中斷1；14，15引腳為計(jì)數(shù)脈沖T0、T1；16、17引腳為WR寫(xiě)控制和RD讀控制輸出端；18、19引腳為晶振諧振器），20引腳為地線(xiàn)，21~28引腳為P2接口高8位地址總線(xiàn)，29引腳為PSEN片外ROM選通端，單片機(jī)對(duì)片外ROM操作時(shí)，29引腳輸出低電平，30引腳為ALE/PROG地址鎖存器，31引腳EA為ROM取指令控制器，高電平片內(nèi)取，低電平片外取，32~39引腳為P0.7~P0.0，40引腳為+5V電源

27、。 （2）液晶顯示芯片SMC1602A LCM 圖3-2 1602主要技術(shù)參數(shù) 圖3-3 1602接口信號(hào)說(shuō)明 圖3-4 1602與單片機(jī)模擬口線(xiàn)方式 （3）模數(shù)轉(zhuǎn)換器：8位A/D芯片，TLC549CP TLC549芯片是TI公司生產(chǎn)的一種性?xún)r(jià)比非常高的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它以 8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。其轉(zhuǎn)換速度小于17微秒。它能方便地采用三線(xiàn)串行接口方式與各種未處理器連接。 <1>主要特性： 1. 8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，總不可調(diào)整誤差≤0.5LSB。 2. 采用三線(xiàn)串行方式與微處理器接口。 3. 片內(nèi)提供4MHZ

28、內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，并與操作控制用的外部I/O CLOCK相互獨(dú)立。 4. 有片內(nèi)采樣保持電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間≤17us，包括存取與轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換速度達(dá)40000次/秒。 5. 差分高阻抗基準(zhǔn)電壓輸入，其范圍是：1V≤差分基準(zhǔn)電壓≤VCC+0.2V 6. 寬電源范圍：3V-6.5V，低功耗，當(dāng)片選信號(hào)/CS為低，芯片選中處于工作狀態(tài)。 <2>內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳： TLC549芯片包含內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘、采樣和保持電路、8位A/D轉(zhuǎn)換電路、輸出數(shù)據(jù)寄存器以及控制邏輯電路，它采用/CS，I/O CLOCK和DATAOUT三根線(xiàn)實(shí)現(xiàn)與微控制器MCU或微處理器CPU進(jìn)行串行通訊。其中/CS，I/O

29、 CLOCK作為輸入控制，芯片選擇端/CS低電平有效，當(dāng)/CS高電平時(shí)I/O CLOCK輸入被禁止，且DATAOUT輸出為高阻態(tài)。 圖3-5 TLC549內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖3-6 TLC549引腳排列圖 （4）DA轉(zhuǎn)換芯片： TLC5616CP 目前，數(shù)模轉(zhuǎn)換器從接口上可分為兩大類(lèi)：并行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器和串行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器。并行接口數(shù)模轉(zhuǎn)換器的引腳多，體積大，占用單片機(jī)的口線(xiàn)多；而串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器的體積小，占用單片機(jī)的口線(xiàn)少，為減少線(xiàn)路板的面積和占用單片機(jī)的口線(xiàn)，可采用TLC5615串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生可變基準(zhǔn)電壓。TLC5615為美國(guó)

30、德州儀器公司1999年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓的兩倍。帶有上電復(fù)位功能。 TLC5615的特點(diǎn)： 1.10位CMOS電壓輸出； 2.5V單電源供電； 3.與CPU三線(xiàn)串行接口； 4.最大輸出電壓可達(dá)基準(zhǔn)電壓的兩倍； 5.輸出電壓具有和基準(zhǔn)電壓相同的極性； 6.建立時(shí)間12.5us； 7.內(nèi)部上電復(fù)位； 8.最大僅1.75mw。 圖3-7 TLC5615引腳排列圖 TLC5

31、615引腳說(shuō)明：TLC5615有小型和塑料DIP封裝，DIP封裝的TLC5615芯片引腳排列如圖。引腳功能說(shuō)明如下：腳1DIN：串行數(shù)據(jù)輸入端；腳2SCLK：串行時(shí)鐘輸入端；腳3CS：芯片選用通端，低電平有效；腳4DOUT：用于級(jí)聯(lián)時(shí)串行數(shù)據(jù)輸出端；腳5AGND：模擬地；腳6REFIN：基準(zhǔn)電壓輸入。 （5）ULN2003基本資料 ULN是集成達(dá)林頓管IC，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管， 可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳，NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動(dòng)電壓50V,電流500MA，輸入電壓5V，適用于TTL，CMOS，由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。它的輸出端允許通過(guò)電流為200MA，飽和壓

32、降CVE為1V左右，耐壓BVCEO約為36V，用戶(hù)輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。 采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓電燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適。同時(shí)COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。 ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大為350MA。在設(shè)計(jì)中我們可以用ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器，蜂鳴器。 圖3-8 ULN2003的引腳電路 （6）AHT11電阻式溫濕度傳感器 電氣參數(shù)： 1. 供電電壓：DC 4.

33、5~6V 2. 耗電電流：2mA(MAX 3mA) 3. 使用溫度范圍：0~60℃ 4. 使用濕度范圍：95%RH以下 5. 濕度檢測(cè)范圍：20~90%RH 6. 保存溫度范圍：0~60℃ 7. 保存濕度范圍：80%RH以下 8. 濕度檢測(cè)精度：5%RH 9. 標(biāo)準(zhǔn)濕度輸出電壓： 相對(duì)濕度（%RH）20 30 40 50 60 70 80 90 輸出電壓（ V ）0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 （7）BZ0504電子液位計(jì) 電氣參數(shù)： 1.工作電壓：5V，正負(fù)10%

34、 2.功耗：<1W 3.防護(hù)等級(jí)：IP68 4.溫度：-20~60℃ 5.壽命：10萬(wàn)次 6.輸出：高壓電平信號(hào) 7.電纜導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度：常規(guī)配3米電纜線(xiàn) 8.適用壓力：0.8MPA 9.產(chǎn)品內(nèi)部材料：進(jìn)口環(huán)保樹(shù)脂 10.外殼材料：不導(dǎo)電的塑料 特點(diǎn)：紅藍(lán)兩條線(xiàn)接DC5V，另一條白線(xiàn)輸出高低電平信號(hào)，5V或0V，判斷有水時(shí)輸出0V,無(wú)水時(shí)輸出5V，可驅(qū)動(dòng)LED燈或蜂鳴器。 （8）超聲換能器 換能器是可以把一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式能量的器件

35、。我們所涉及到的換能器就是那種能將電能與超聲能轉(zhuǎn)換的器件。而本機(jī)采用的是壓電換能器。它是采用那些能夠呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)的材料制成的。壓電效應(yīng)天然的存在于某些具有極軸的單晶體中，如石英、電氣石、硫酸鹽、氧化鋅等。 應(yīng)采用Φ251.2mm/1.7MHZ高強(qiáng)度壓電陶瓷材料的成品超聲換能器，表面應(yīng)鍍金或鍍不銹鋼以防銹。 （9）大功率管BU406 采用意大利SGS或者美國(guó)仙童產(chǎn)品BU406大功率高頻三極管，BU406的參數(shù)為Vbeo=400V，Icm=7A,Pcm=60W,fT≥100MHz,工作溫度范圍-55℃~150℃。 3.3控制電路部分 圖3-9 單片機(jī)控制及

36、其外圍電路 3.3.1控制電路電源輸入 基于開(kāi)發(fā)板的硬件設(shè)計(jì)，在控制電路部分，可以通過(guò)USB供電，供電電流小于500mA；若利用外接電源口時(shí)，應(yīng)注意電源極性和電壓參數(shù)，電壓范圍在7.5V~12V供電。 若利用外接電源口，則電路為： 圖3-10 電源輸入 圖3-10中POWER端接入7.5~12V直流電源。單片機(jī)的穩(wěn)壓電源采用7805穩(wěn)壓芯片。當(dāng)按下電源開(kāi)關(guān)KP，單片機(jī)獲得5V直流電源。故開(kāi)關(guān)電源選用成品件。選用開(kāi)關(guān)電源主要由于它具有體積小、重量輕及效率高。超聲霧化換能器要求驅(qū)動(dòng)電壓為36V，電流約0.65A，單片機(jī)和其他電路的電

37、源為9V，所以技術(shù)要求為：輸入220VAC；輸出36VDC1A+9V0.5A。 3.3.2控制電路單片機(jī)最小系統(tǒng) 圖3-11為單片機(jī)最小系統(tǒng)，包含一個(gè)STC89C52RC單片機(jī)，兩個(gè)20引腳的接口排座，P0口、P1口、P3口各配有上拉排阻。配備兩個(gè)接口排座使硬件設(shè)計(jì)通用性更強(qiáng)，可以靈活的用外部接線(xiàn)。 圖3-11 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，因此，只需要在片外通過(guò)XTAL1和XTAL2引腳接入定時(shí)控制元件（晶體振蕩器和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。在芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益的反相放大器，XTAL1為其輸入端，XTA

38、L2為其輸出端。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，振蕩器即可工作。用晶振和電容構(gòu)成諧振電路。如圖3-12： 圖3-12 單片機(jī)時(shí)鐘電路 單片機(jī)復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位、按鍵電平復(fù)位和外部脈沖復(fù)位三種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只要電源VCC的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的。上述電阻電容參數(shù)適于6MHz晶振。能保證復(fù)位信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期。如圖3-13： 圖3-13

39、單片機(jī)復(fù)位電路 3.3.3控制電路液晶顯示 液晶1602為16引腳，插在16引腳的排座中。引腳1接地，引腳2接電源，引腳3為液晶顯示偏壓信號(hào)，4引腳數(shù)據(jù)命令選擇端接P2.5，5引腳讀寫(xiě)選擇端接P2.6，6引腳使能信號(hào)接P2.7，引腳7至引腳14數(shù)據(jù)端口接P0口，15引腳為背光源正極接5V,16引腳為背光源負(fù)極接地。 圖3-14 1602液晶顯示 3.3.4控制電路液位檢測(cè)電路 BZ0504紅藍(lán)兩線(xiàn)接DC5V。另一條白線(xiàn)輸出高低電平信號(hào)，5V或0V。當(dāng)液位正常時(shí)，輸出0V，當(dāng)液位低于安全值時(shí)，輸出正5V電平信號(hào)。當(dāng)輸出5V時(shí)，LED燈亮。同時(shí)右邊為兩引腳的排座接

40、口，通過(guò)外部跳線(xiàn)接J27七引腳端口的3、2端。3、2端信號(hào)通過(guò)ULN2003放大控制蜂鳴器與繼電器的通斷。如圖3-15： 圖3-15 BZ0504液位檢測(cè)電路 3.3.5控制電路溫濕度檢測(cè)電路 利用AHT11溫濕度傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度和濕度。其中電阻式濕敏元件測(cè)濕度，熱敏電阻測(cè)溫度。 AHT11有四根接線(xiàn)，1線(xiàn)接VDD，2線(xiàn)為DATA串行數(shù)據(jù)且需接上拉電阻和電源，3線(xiàn)懸空，4線(xiàn)接地。如圖3-16 圖3-16 AHT11溫濕度檢測(cè)電路 這里將AHT11的四根線(xiàn)分別接到四引腳的接口排座上，在電路板上的2線(xiàn)與一個(gè)引

41、腳接口相連，該引腳再外接跳線(xiàn)，將模擬測(cè)量信號(hào)連到A/D轉(zhuǎn)換器上。 3.3.6控制電路A/D轉(zhuǎn)換TLC549 　　　　　J9：AD電壓輸入跳線(xiàn)，取下短路冒，排陣的右面為電壓輸入端口，左邊為可調(diào)電阻電壓。將輸入采集的模擬信號(hào)接入排陣的右口，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TLC549可以使用差分基準(zhǔn)電壓。這是該芯片的重要特性，利用這個(gè)特性TLC549可以測(cè)量到的最小值為1000mV/256，也就是0~1V電壓信號(hào)不經(jīng)放大也可以得到8位分辨率。轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)串行輸出端口為OUT。/CS 和/IOCLOCK是輸入控制線(xiàn)。 圖3-17 　TLC549A/D轉(zhuǎn)換 3.3.7控制電路D/A轉(zhuǎn)換TLC5615

42、CP TLC5615的1引腳為串行數(shù)據(jù)輸入端，將單片機(jī)模糊控制算法輸出的控制信號(hào)從P1.0端接到1引腳。2引腳為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。3引腳為片選端，低電平有效。4引腳用于級(jí)聯(lián)。6引腳為基準(zhǔn)電壓，最大輸出電壓可為基準(zhǔn)電壓的兩倍。8引腳接VDD。5引腳為模擬地。輸出的信號(hào)通過(guò)兩引腳的接線(xiàn)排座，用外部接線(xiàn)去進(jìn)一步控制驅(qū)動(dòng)電路及高頻振蕩電路部分。 圖3-18 DA轉(zhuǎn)換TLC5615 3.3.8控制電路M/A模式切換按鍵電路 本硬件設(shè)計(jì)中本著簡(jiǎn)便使用的原則，除復(fù)位鍵外，只有一個(gè)獨(dú)立按鍵——M/A模式切換按鍵，按鍵電路將信號(hào)接P3.2口，產(chǎn)生一個(gè)中斷，

43、進(jìn)入子程序。P1.5被置位，P1.5通過(guò)外部接線(xiàn)連接到J27的7引腳，通過(guò)ULN2003使繼電器動(dòng)作。同時(shí)調(diào)用模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)由手動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入自動(dòng)控制，控制信號(hào)通過(guò)P1.0輸出，P1.0接到TLC5615的1端，TLC5615的7端連接到J21的1引腳。1引腳通過(guò)外部接線(xiàn)連接到剛才動(dòng)作繼電器的一個(gè)常開(kāi)觸點(diǎn)上。 圖3-19 獨(dú)立按鍵電路 3.3.9控制電路外接繼電器、蜂鳴器 J27的3、2端和接到uln2003的5、6端，P3.2接到J27的7端。J27的7引腳接口排座與ULN2003的7個(gè)單元輸入端。ULN2003是集成達(dá)林頓管，采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，可

44、用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器，蜂鳴器等。部分線(xiàn)路用杜邦線(xiàn)連接。當(dāng)液位低于安全值時(shí)，uln2003的6端接的繼電器動(dòng)作，切斷后面的驅(qū)動(dòng)電路及高頻振蕩電路，5端接的蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)按下M/A模式切換鍵，J27的7引腳驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，并按算法的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)電路，從而間接控制高頻振蕩電路的通斷，實(shí)現(xiàn)加濕量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 圖3-20 外接繼電器、蜂鳴器電路 3.4偏置電路及高頻振蕩電路部分 圖3-21 偏置電路及高頻振蕩部分的設(shè)計(jì)原理圖 3.4.1正弦波振蕩電路 正弦波振蕩電路是在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生正弦波輸出電壓的電路。它廣泛地用于量測(cè)、遙控、通信、自動(dòng)

45、控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè)備中。 在負(fù)反饋放大電路的穩(wěn)定性中，倘若在低頻段或高頻段中存在頻率f0，使電路產(chǎn)生的附加相移為Л，而且當(dāng)f= f0時(shí)，|AF|>1，則電路將產(chǎn)生自激振蕩。振蕩頻率除了決定于電路中的電阻和電容外，還決定于晶體管的極間電容、電路的分布電容等人們不能確定的因素。 圖3-22 帶通濾波器變換成正弦波振蕩電路 圖3-21所示的帶通濾波器中同向比例運(yùn)算電路的比例系數(shù)Auf、電路的品質(zhì)因素Q、中心頻率f0、f=f0時(shí)通帶放大倍數(shù)Aup、截止頻率fp1與fp2分別為Auf=Uo/Ui=1+Rf/R4,Q=1/3-Auf,f0=1/2ЛRC,Aup=Au

46、f/3-Auf。從上表達(dá)式可以看出，當(dāng)R4減小時(shí)，Auf增大，Q增大，Aup必將隨之增大；而且fp1與fp2之差減小，即頻帶變窄，選頻特性好?？梢韵胂螽?dāng)Auf趨近于3時(shí)，Aup將趨近于無(wú)窮大，表明電路即使在無(wú)輸入的情況下，也會(huì)有頻率為f0的輸出電壓，即電路產(chǎn)生了自激振蕩。因?yàn)殡娐穬H對(duì)頻率為f0的信號(hào)有無(wú)窮大的放大倍數(shù)，而對(duì)其他頻率的信號(hào)迅速衰減，所以輸出電壓為正弦波。輸出電壓是靠電阻R3反饋回來(lái)的信號(hào)取代輸入信號(hào)?？梢?jiàn)帶通濾波器在參數(shù)取值合適時(shí)可以變換成正弦波振蕩電路，而且振蕩頻率為f0。與負(fù)反饋放大電路中的自激振蕩不同，正弦波振蕩電路的振蕩頻率是認(rèn)為確定的。 可見(jiàn)，在正弦波

47、振蕩電路中，一要反饋信號(hào)能夠取代輸入信號(hào)，而若要如此，電路中必須引入正反饋；二要有外加的選頻網(wǎng)絡(luò)，用于確定振蕩頻率。 通常，可將正弦波振蕩電路分解為圖3-22所示方框圖，上一個(gè)方框?yàn)榉糯箅娐?，下一個(gè)方框?yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)，反饋極性為正。當(dāng)輸入量為零時(shí)，反饋量等于凈輸入量，若由于電擾動(dòng)，電路產(chǎn)生一個(gè)幅值很小的輸出量，它含有豐富的頻率，而如果電路只對(duì)頻率為f0的正弦波產(chǎn)生正反饋過(guò)程，則輸出信號(hào)為X0↑→Xf↑（Xi’↑）→Xo↑↑。 圖3-23 正弦波振蕩電路方框圖 在正反饋過(guò)程中，Xo越來(lái)越大。由于晶體管的非線(xiàn)性特性，當(dāng)Xo的幅值增大到

48、一定程度時(shí)，放大倍數(shù)的幅值將減小。因此Xo不會(huì)無(wú)限制地增大，當(dāng)Xo增大到一定數(shù)值時(shí)，電路達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)輸出量通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生反饋量作為放大電路的輸入量，而輸入量又通過(guò)放大電路維持著輸出量。寫(xiě)成表達(dá)式為：Xo=AFXo也就是正弦波振蕩的平衡條件為|AF|=1，ΦA(chǔ)+ΦF=2nЛ。為了使輸出量在合閘后能夠有一個(gè)從小到大直至平衡在一定幅值的過(guò)程，電路的起振條件為|AF|>1電路把除頻率f=f0以外的輸出量均逐漸衰減為零，因此輸出量為f=f0的正弦波。 從以上分析可知，正弦波振蕩電路必須由以下四個(gè)部分組成： （1） 放大電路：保證電路能夠有從起振到動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，使電路獲得一定幅

49、值的輸出量，實(shí)現(xiàn)能量的控制。 （2） 選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率，使電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩。 （3） 正反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋，使放大電路的輸入信號(hào)等于反饋信號(hào)。 （4） 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線(xiàn)性環(huán)節(jié)，作用是使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。 在不少實(shí)用電路中，常將選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)合二而一；而且，對(duì) 于分立元件放大電路，也不再加穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，而依靠晶體管特性的非線(xiàn)性來(lái)起穩(wěn)幅作用。 正弦波振蕩電路常用選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件來(lái)命名，分為RC正弦波振蕩電路 、LC正弦波振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路。我們要求超聲頻率是1.7MHz左右，而LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率多在1MHz以上。從理論上講，任何滿(mǎn)足放

50、大倍數(shù)要求的放大電路與選頻網(wǎng)絡(luò)都可以組成正弦波振蕩電路；但是，實(shí)際上所選用的放大電路應(yīng)具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻，以減小放大電路對(duì)選頻特性的影響。因此通常選用引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大電路，如同相比例運(yùn)算電路。 3.4.2正弦波振蕩器 振蕩器是不需外信號(hào)激勵(lì)、自身將直流電轉(zhuǎn)換為交流電能的裝置。凡是可以完成這一目的的裝置都可以作為振蕩器。但是由電子管、晶體管等器件與L、C、R等元件組成的振蕩器則完全取代了以往所有產(chǎn)生振蕩的方法，因?yàn)樗腥缦聝?yōu)點(diǎn)： 1） 它將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔埽旧盱o止不動(dòng)，不需做機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)。 2） 它產(chǎn)生的是“等幅振蕩”。 3）

51、 使用方便，靈活性大，它的功率可自毫瓦級(jí)至幾百千瓦，工作頻率可自極低頻率至微波波段。 正弦波振蕩器按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類(lèi)。反饋式振蕩器是在放大器電路中加入正反饋，當(dāng)正反饋?zhàn)銐虼髸r(shí)，放大器產(chǎn)生振蕩，變成振蕩器。所謂產(chǎn)生振蕩是指這時(shí)不需要外加激勵(lì)信號(hào)，而是由本身的正反饋信號(hào)來(lái)代替外加激勵(lì)信號(hào)的作用。負(fù)阻式振蕩器則是將一個(gè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性的有源器件直接與諧振電路相接，產(chǎn)生振蕩。 振蕩器通常工作于丙類(lèi)，因此它的工作狀態(tài)是非線(xiàn)性的。 (1) LCR回路中的瞬變現(xiàn)象 參考圖3-23假設(shè)開(kāi)關(guān)S先放于圖位置，使電容C最初充電到電壓V，然后

52、將S轉(zhuǎn)換到另一端，C上的電荷經(jīng)過(guò)L、R放電。由基爾霍夫定律可得：Ldi/dt+Ri+1/c∫idt=0。δ=R/2L稱(chēng)為回路的衰減系數(shù)；w0=1/√LC稱(chēng)為回路的固有角頻率。 圖3-24 LCR自由振蕩電路 1）δ2>w02時(shí)，此時(shí)不能產(chǎn)生振蕩。此種情形稱(chēng)為過(guò)阻尼。也就是R太大無(wú)法產(chǎn)生振蕩 。如圖3-24： 圖3-25 電流變化曲線(xiàn) 2）δ2=w02時(shí)，得電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3-25，仍然不是振蕩的，此時(shí)稱(chēng)為臨界阻尼。因?yàn)橹灰猂再減小一點(diǎn)，即產(chǎn)生振蕩。 圖3-26 電流變化曲線(xiàn) 3） δ2

53、，i=-V/wLe-δtsinwt,此時(shí)回路中的電流作周期性的變化，亦產(chǎn) 生了自由振蕩，它的振蕩頻率為f=w/2Л=1/2Л√w02-δ2=1/2Л√1/LC-R2/4L2。圖3-26表示了三種不同的R所產(chǎn)生的電流變化曲線(xiàn)：左邊表示在正電阻時(shí)產(chǎn)生的衰減振蕩波形；當(dāng)R減到零時(shí)，振蕩振幅即保持不變；當(dāng)R為負(fù)值時(shí)，振蕩振幅將隨時(shí)間而增長(zhǎng)，得到增幅振蕩波形。由此可知，為了獲得等幅振蕩，就必須設(shè)法使LC回路中的電阻等于0。由于實(shí)際的LC回路本身總是有正電阻的，因此必須認(rèn)為地引入一個(gè)負(fù)反饋，將回路本身的正電阻完全抵消，以獲得等幅振蕩。在電路中引入正反饋，即等效于在電路中引入一個(gè)負(fù)電阻。 R

54、>0且R<2√L/C R=0 R<0 圖3-27 δ2

55、反饋電路完成的。 假設(shè)振蕩器在線(xiàn)性區(qū)工作，且工作頻率不高，利用h參數(shù)等效電路可得到起始振蕩條件和振蕩頻率，但不能確定穩(wěn)定振幅的大小。在這種假設(shè)條件下，確定的穩(wěn)定振幅完全取決于起始條件。事實(shí)上，振蕩器穩(wěn)定振幅完全與初始條件無(wú)關(guān)，要決定穩(wěn)定振幅的大小，就必須由振蕩器的非線(xiàn)性理論出發(fā)。概略的說(shuō)，振蕩器的振蕩頻率主要取決于儲(chǔ)能回路參數(shù)；振蕩幅度則主要取決于電路中的非線(xiàn)性元件，無(wú)論初始沖擊強(qiáng)還是弱，最終都要達(dá)到某一穩(wěn)定振幅值。 (3)由正反饋的觀(guān)點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件 假設(shè)基極電路在S處斷開(kāi)，當(dāng)輸入信號(hào)為Vi時(shí)，輸出電壓Vo，再經(jīng)由反饋網(wǎng)絡(luò)輸出的反饋電壓為Vf,如果Vf的

56、振幅和相位與原來(lái)信號(hào)Vi完全相同，那么將S接通，撤去外加信號(hào)Vi，而以Vf代替它，放大器將繼續(xù)維持工作。由此時(shí)已沒(méi)有外加信號(hào)，所以它變成了振蕩器。由F=Vf/Vo=Vf/Vc，Ao=Vo/Vi=Vc/Vi ，在產(chǎn)生振蕩時(shí)，Vf=Vi,故反饋系數(shù)F=1/Ao，事實(shí)上，反饋放大器的閉環(huán)增益為Af=Ao/1-AoF，當(dāng)1-AoF=0時(shí)，Af→∞,放大器就變成了振蕩器。 圖3-28 反饋振蕩器方框圖 (4)振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件 當(dāng)振蕩器接通電源后，即開(kāi)始有瞬變電流產(chǎn)生這瞬變電流所包含的頻帶極寬，但由于諧振回路的選擇性，它只選擇出了本身諧振頻率信號(hào)。由于正反饋?zhàn)饔?，諧

57、振頻率信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)，即形成穩(wěn)定的振蕩。至于瞬變電流中所包含的其它頻率則被振蕩電路濾掉，不被放大，而逐漸消失。振蕩器起振后，振蕩振幅便由小到大地增長(zhǎng)起來(lái)，但它不可能無(wú)限制的增長(zhǎng)，而是在達(dá)到一定數(shù)值后，便自動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)。 正反饋放大器產(chǎn)生振蕩的條件是1-AoF=0，式?jīng)]有考慮電子器件的非線(xiàn)性，亦即假定晶體管放大器是工作于小信號(hào)線(xiàn)性放大狀態(tài)，它的放大倍數(shù)Ao為常數(shù)。事實(shí)上放大器的增益是振幅的函數(shù)。因?yàn)橛捎谧越o偏壓的作用，振蕩器起振后，隨著振蕩幅度的不斷增大，放大器便由線(xiàn)性工作的甲狀態(tài)迅速過(guò)渡到非線(xiàn)性的甲乙類(lèi)以及丙類(lèi)工作狀態(tài)。這時(shí)晶體管就是非線(xiàn)性器件。為了反映這種非線(xiàn)性器件的工作特點(diǎn)，

58、引入準(zhǔn)直線(xiàn)性理論的平均放大倍數(shù)A的概念。我們定義負(fù)載諧振阻抗上基波電壓Vc1與基極輸入電壓Vb之比稱(chēng)為平均電壓放大倍數(shù)，即A=Vc1/Vb=Ic1Rp/Vb,A=Aoγ1(θc)式中Ao為小信號(hào)線(xiàn)性放大倍數(shù)；γ1(θc)為余弦脈沖分解系數(shù)。對(duì)于乙類(lèi)工作狀態(tài)（θc≈90），γ1(θc)=0.5；丙類(lèi)工作狀態(tài)（θc=70～80），γ1(θc) ≈0.3～0.4。這就是說(shuō)，振蕩器在起振之后，隨著振幅的不斷增長(zhǎng)，使振蕩管的工作狀態(tài)逐漸向乙類(lèi)以至丙類(lèi)過(guò)渡，因而A值也不斷下降。至于反饋系數(shù)F完全是由無(wú)源線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)所決定的比例系數(shù)，與振蕩幅度的大小無(wú)關(guān)。由于放大器的放大倍數(shù)隨著振幅的增大而下降，如果電路只是剛

59、好滿(mǎn)足AoF=1，那么經(jīng)放大選頻后的信號(hào)仍然只能維持在很低的電平上。這樣具有頻率為f0的信號(hào)雖然存在，但卻淹沒(méi)在同樣電平的噪聲中，而得不到所需的一定強(qiáng)度的振蕩輸出。因此，要維持一定振幅的振蕩，反饋系數(shù)就應(yīng)設(shè)計(jì)的大一些。一般F=1/2～1/8。這樣就可以在AoF>1的情況下起振，而后隨著振幅的增強(qiáng)，A0就向A過(guò)渡。直到振幅增大到某一程度，出現(xiàn)AF=1時(shí)，振蕩就達(dá)到平衡狀態(tài)。因此振蕩器的起振條件為AoF>1,平衡條件為AF=1。即AF=1，φA+φF=2nЛ。由振幅平衡條件可以確定振蕩器的振幅，由相位平衡條件可以確定振蕩器的頻率。 上面所討論的振蕩平衡條件只能說(shuō)明振蕩能在某一狀

60、態(tài)平衡，但還不能說(shuō)明這平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。平衡狀態(tài)只是建立振蕩的必要條件，但還不是充分條件。已建立的振蕩能否維持，還必須看平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定。穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定與相位穩(wěn)定兩種。 1） 振幅平衡的穩(wěn)定條件 圖3-29 軟自激的振蕩特性 如圖3-28畫(huà)出了放大倍數(shù)A和反饋系數(shù)的倒數(shù)1/F隨振幅Vom的變化曲線(xiàn)。兩者相交的交點(diǎn)Q就是振蕩器的振幅平衡點(diǎn)。在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即A/Vom|Vom=Vomq<0,表示平衡點(diǎn)的振幅穩(wěn)定條件。一般只要偏置電路和反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)正確，則A=f(Vom)為一條單調(diào)下降曲線(xiàn)。 2） 相

61、位平衡的穩(wěn)定條件 相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條件實(shí)質(zhì)是一回事。如果由于某種原因，相位平衡遭到破壞，產(chǎn)生了一個(gè)很小的相位增量△φ，并且假定所產(chǎn)生的是一個(gè)正的增量△φ，這就意味著反饋電壓超前于原來(lái)的輸入電壓一個(gè)相角。相位超前意味著周期縮短，即頻率不斷的提高。即△W/△φ>0。為了保持振蕩器相位平衡點(diǎn)穩(wěn)定，振蕩器本身應(yīng)具有恢復(fù)相位平衡的能力。故振蕩器電路應(yīng)能夠產(chǎn)生一個(gè)新的相位變化，以抵消外因引起的△φ變化，故相位穩(wěn)定條件為φ/w<0。如圖3-29： 因而LC并聯(lián)諧振回路不僅決定振蕩頻率的主要角色，而且是穩(wěn)定振蕩頻率的機(jī)構(gòu)。 圖3-30 并聯(lián)諧振回路的相頻特性 3.4.3反饋

62、型LC振蕩器及石英晶體振蕩器 (1)反饋性L(fǎng)C振蕩器 按照反饋耦合元件可以分成：互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器與電容反饋式振蕩器等。關(guān)于集電極電源與基極偏置電源的供給方式為振蕩器的集電極直流電源可采用串聯(lián)饋電與并聯(lián)饋電兩種。為了兼顧起振過(guò)程和振蕩建立后的穩(wěn)定平衡，振蕩器都采用自偏壓電路。 基于后面的硬件設(shè)計(jì)這里以電容反饋式三端式振蕩器為例，如圖3-30： 圖3-31 電容三端振蕩器等效電路 電容三端振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形較好，這是因?yàn)榧姌O和基極電流可通過(guò)對(duì)諧波為低阻抗的電容支路回到發(fā)射極，所以高次諧波的反饋減弱，輸出的諧

63、波分量減小，波形更接近于正弦波。其次該電路中的不穩(wěn)定電容（分布電容和器件的結(jié)電容）都是與該電路并聯(lián)的，因此適當(dāng)加大回路電容量就可以減弱不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響，從而提高了頻率穩(wěn)定度。最后當(dāng)工作頻率較高時(shí)，甚至可以只利用器件的輸入輸出電容作為回路電容。因而本電路適用于較高的工作頻率。 這種電路的缺點(diǎn)是調(diào)C1或C2來(lái)改變振蕩頻率時(shí)反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令C1和C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證明C1/C2取1/2～1/8較為適宜。 (2)石英晶體振蕩器 利用石英晶體的壓電效應(yīng)，將石英晶體作為振蕩回

64、路元件，構(gòu)成石英晶體振蕩器，可以獲得很高的頻率穩(wěn)定度。石英晶體振蕩器的主要缺點(diǎn)是它的單頻性，即每塊晶體只能提供一個(gè)穩(wěn)定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。在串并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻率內(nèi)，它呈電感性。因而石英諧振器或工作于感性區(qū)，或工作于串聯(lián)諧振頻率上，絕不能使用容性區(qū)。因?yàn)槿绻袷幤魇窃O(shè)計(jì)在晶體呈現(xiàn)電容性時(shí)產(chǎn)生振蕩，那么由于晶體在靜止時(shí)就是呈現(xiàn)電容性，故無(wú)法判斷是否已經(jīng)工作。 基于后面的硬件設(shè)計(jì)，這里以并聯(lián)諧振型晶體振蕩器中的c-b型電路為例，如圖3-31： 相當(dāng)于電容三端振蕩電路。從晶體連接在哪兩個(gè)電極之間稱(chēng)為c-b型電路。b-c型電路中的石英

65、晶體接在阻抗很高的b-c之間，石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性受影響很小。因此在頻率穩(wěn)定度要求較高的電路中，幾乎都采用c-b型電路。 圖3-32 c-b型電路 3.4.4室內(nèi)智能加濕器偏置電路和高頻振蕩電路設(shè)計(jì)部分 (1)高頻振蕩電路部分 我們?cè)O(shè)計(jì)的振蕩器是一種由高頻壓電陶瓷片（超聲換能器）組成的工作振蕩器，如圖3-32： 圖3-33 室內(nèi)智能加濕器高頻振蕩電路部分 其振蕩頻率為1.7MHZ（決定于選定的壓電陶瓷片，這是由石英晶體振蕩器的單頻性決定的）。晶體三極管BU406和電容器C1、C2等構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩器電路。這里的壓電陶瓷片等效看作一個(gè)電感。C3的大小主要是改

66、變晶體管與振蕩回路的耦合程度，C3越大，則振蕩振幅就越大，但是C3還必須兼顧頻率覆蓋系數(shù)，因此C3不易過(guò)大。其中反饋系數(shù)為F=C2/C1=390/47000=0.01，由于BU406的放大倍數(shù)近似等于120，因此滿(mǎn)足起振條件|AF|>1。至于電路的靜態(tài)工作點(diǎn)在后面進(jìn)一步討論，這里暫不涉及。 該圖的高頻等效電路如圖3-33： 圖3-34 高頻等效電路 其中L2、C2組成的等效并聯(lián)回路諧振頻率為f=1/2Л√L2C2<1.7MHZ,它對(duì)1.7HZ的晶體振蕩頻率呈現(xiàn)一等效電容。而L1、C1組成的等效串聯(lián)諧振頻率f=f=1/2Л√L1C1<1.7MHZ, 它也對(duì)1.7HZ的晶體振蕩頻率呈現(xiàn)一等效電容。故此電路就等效為圖3-31型電路。另外我認(rèn)為這里發(fā)射極加電感L1、L2的原因是：一個(gè)是在振蕩器振幅的穩(wěn)定過(guò)程中提供發(fā)射極自給偏置電壓；另一個(gè)是電感使大功率管子的電流不能突變；還有可能是因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)試時(shí)當(dāng)添加L1、L2為該值時(shí)，加濕器效果最好。這是在忽略?xún)蓚€(gè)電感對(duì)振蕩器結(jié)構(gòu)的影響，依然按共射電路及電容反饋的假