基于單片機的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要： 近年來隨著計算機技術(shù)在社會領(lǐng)域的滲透 , 單片機的應(yīng)用也在不斷地的快速發(fā)展，同時推動傳統(tǒng)控制檢測日新月益 的 更新。在自動控制和實時檢測的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機往往是作為一個核心部分，僅單片機方面技術(shù)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。 本論文 從主要 研究 水溫的恒溫自動控制過程 ， 主要應(yīng)用 AT89C51、 DS18B20、LED 數(shù)碼管、 MOC3041、可控硅 。通過 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集溫度，以單片機為 中央 控制器 進行數(shù)據(jù)的處理和控制的分析 ，并通過四位 LED 數(shù)碼管顯示實時溫 度 和各種狀態(tài)值， 然后單片機調(diào)制出 PWM 脈沖， 通過 PWM 驅(qū)動可控硅 的通斷，實現(xiàn)溫度的 實時 控制 。 關(guān)鍵詞 ： 單片機系統(tǒng)；傳感器；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；溫度 ABSTRACT: With the computer technology in recent years, the penetration in the social sphere, SCM applications are constantly rapid development, while promoting traditional control detects the rapidly growing updated. In automatic control and real-time detection of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core part only of SCM technology is not enough, but also according to the specific characteristics of the hardware structure and application software objects combine to make perfect. The major research paper from the automatic thermostat temperature control process, the main application AT89C51, DS18B20, LED digital tube, MOC3041, triac. By collecting temperature DS18B20 digital temperature sensor, a microcontroller as the central controller for data processing and control analysis, and through the four LED digital display real-time temperature and various status values, then a single-chip PWM pulse modulated by PWM drive can be silicon-off control, to achieve real-time temperature control. KEY WORDS: MCU system； sensor； data acquisition； analog-to-digital converter； temperature 第一章 前言 1.1 課題的背景及其意義 21 世紀是科 學技術(shù) 高速發(fā)展的信息時代，電子技術(shù)、單片機技術(shù)的應(yīng)用 已經(jīng) 是 非常 廣泛，伴隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的不 斷發(fā)展， 在生產(chǎn)生活中 需要對各種參數(shù)進行溫度測量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對應(yīng)的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用 技術(shù) ，同時它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著 非常 重要的作用。如在日趨發(fā)達的工業(yè) 領(lǐng)域 之中，利用測量與控制溫度來保證生產(chǎn)的正常運行。在農(nóng)業(yè) 生產(chǎn) 中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。 溫度 值 是表征物體冷熱程度的 一個 物理量，溫度 的 測量則是工農(nóng) 和 業(yè)生產(chǎn)過程中一個很重要 也 普遍的參數(shù)。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品 的 質(zhì)量、提高生產(chǎn)的 效率、節(jié)約能源、安全生產(chǎn)、促進經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。 因 為 溫度測量的普遍性， 使得 溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首。 并 且隨著科學技術(shù)與 生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類 仍然 在不斷增加 和 豐富 以 來滿足生產(chǎn)生活中的 各種 需要。 在單片機溫度 控制 系統(tǒng)中的關(guān)鍵是溫度 的 測量、溫度 的 控制和溫度 的 保持，溫度是工業(yè) 控制 對象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機 要對 溫度 的 測量則是對溫度進行有效 及準確 的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得廣泛的應(yīng)用，尤其在機械制造、電力工程化工生產(chǎn)、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔負著重要的測量任務(wù)。在日常 工作和 生活中，也 被 廣泛 應(yīng) 用于空調(diào)器、電加熱器等各種室溫測量及工業(yè) 設(shè)備 的 溫度測量。但溫度是一個模擬量， 需要 采用適當?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量 ，才生使用計算機或單片機進行相應(yīng)的處理。 1.2 課題研究的內(nèi)容及要求 本次 畢業(yè)設(shè)計的題目是 基于單片機的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計 。它是多種技術(shù)的結(jié)合，不僅涉及到軟件的 技術(shù) ，而且還將應(yīng)用電子技術(shù) 和 單片機的應(yīng)用技術(shù)有機結(jié)合 ，其中還涉及 自動控制理論； 其具有 較 精度高、測量誤差 較 小、穩(wěn)定性好等特點。 1課題的主要研究的內(nèi)容 。 本文所要研究的課題是 基于單片機的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計 ，主要是介紹了對溫度的控制，實現(xiàn)了溫度的實時顯示 與 控制。溫 度 控制部 分，提出了用 DS18B20、AT89C51 單片機 和 LED 的硬件電路完成對水溫的實時檢測及顯示，利用 DS18B20與單片機連接由軟件與硬件電路配合來實現(xiàn)對加熱電阻絲的實時控制。而溫度控制部分，采用一套 PID 閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，由 DS18B20 檢測溫度，用中值濾波的方法取一個值存入程序存取器內(nèi)部一個單元作為最后檢測信號，并在 LED 中顯示?？刂破魇怯?AT89C51 單片機，用 PID 進行調(diào)節(jié)后輸出控制信號給執(zhí)行機構(gòu)，去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，從而控制溫度。每片 DS18B20 都有唯一的產(chǎn)品號，可以一并存入其 ROM 中，以便 在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時在單線上掛接任意多個DS18B20 芯片。從 DS18B20 讀出或?qū)懭?DS18S20 信息僅需要一根口線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)線，該總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 提 供電源 ，不需要額外電源。同時 DS18S20 能提供九位溫度 精度 ，它無需任何外圍硬件便 可方便地構(gòu)成溫度檢測系統(tǒng)。而且本次的設(shè)計主要實現(xiàn)溫度測試，溫度顯示，溫度 控制 ，超過設(shè)定的門限值時自動啟動加熱裝置等功能。而且還要以單片機為主機，使溫度傳感器通過一根口線與單片機相連接，再加上溫度控制部分和人機交互 部分來共同實現(xiàn)溫 度的監(jiān)測與控制。 2 利 用單片機實現(xiàn)其具體控制功能如下： （ 1）能夠連續(xù)測量水的溫度值，用十進制 LED 數(shù)碼管來顯示水的實際溫度。 （ 2）能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是 30 90 。 （ 3）能夠?qū)崿F(xiàn) 水溫 自動控制，如果設(shè)定水溫 在 80 ，則能使水溫保持恒定在 80 的溫度下運行。 （ 4） 使 用單片機 AT89C51 控制，通過 輸入 按鍵來控制水溫的設(shè)定值，數(shù)值采用 LED 數(shù)碼管顯示。 1.3 課題的研究方案 溫度控制系統(tǒng)是比較典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中 很 重要的被控參數(shù)，計算機控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制 系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去采用電子線路進行 PID 調(diào)節(jié)的控制效果要好 很 多，可控性方面也有了很大的提高。 溫度是一個非線性的 控制 對象，有大慣性的特點， 尤其 在低溫段慣性較大，而 在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認為其具有以下的傳遞函數(shù)形式： sseT Ks 1)(G （ 1-1） 方案一（見圖 1-1） 數(shù) 據(jù) 采 集 信 號 放 大溫 度 預(yù) 設(shè)比較器信號放大繼電器負載 圖 1.1 方案一的 流程 圖 此方案是傳統(tǒng)的模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比 較后， 判 定加熱或不加熱。特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng) 的 靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境 的 影響大，不能實現(xiàn)復(fù)雜控制算法。 并且不能用數(shù)碼管顯示溫度值和當前的狀態(tài)，也不能使用鍵盤進行設(shè)定 。 方案二（見圖 1-2） 信號采集信號放大溫 度 預(yù) 設(shè)上 限 比 較下 限 比 較信號處理繼電器負載 圖 1.2 方案二的 流程 圖 此方案的控制方式是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想和方案一相同，但由于采用了上下限比較電路，使得在控制精度上有所提高。這種方法仍然還是模擬控制方式，因此也很難能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法 使的控制的精度做得較高，并且不能用數(shù)碼管顯示溫度值和當前的狀態(tài)，也不能使用鍵盤進行設(shè)定 。 方案三（見圖 1-3） 鍵 盤 設(shè) 定A T 8 9 C 5 1單 片 機數(shù) 據(jù) 采 集數(shù) 據(jù) 顯 示光 電 耦 合 可 控 硅 負 載 圖 1.3 方案三的 流程 圖 該 方案采用 AT89C51 單片機系統(tǒng)來實現(xiàn) 檢測和控制的， 軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程 設(shè)計 實現(xiàn)各種控制算法 以及 邏輯控制 ，進而獲得比極高的控制精度 。 該 系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示溫 讀 的實際值 和各種狀態(tài) ， 可 用鍵盤輸入設(shè)定值。本方案選用了 AT89C51 芯片，不需要外擴展存儲器， 很多硬件設(shè)備也都集成到了 AT89C51 的內(nèi)部， 使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更簡單 ，實現(xiàn)更加容易 。 結(jié)論：前兩種方案是 比較 傳統(tǒng)的模擬控制方式，模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律 ，無法 獲取比較高的控制精度 ， 并且 控制方案的修改也較為繁瑣。方案三是采用以單片機為控制核心的系統(tǒng)，對溫度 的 控制，可達到模擬控制達不到的效果 ；可以編程實現(xiàn)各種邏輯功能和復(fù)雜的控制算法，可也實時的處理各種狀況； 并且實現(xiàn) 了數(shù)據(jù) 顯示和鍵盤設(shè)定功能，提高了系統(tǒng)的智能 性和人機交互性。所以，經(jīng)過比較，本次畢業(yè)設(shè)計采用了方案三。 第 2 章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 本設(shè)計系統(tǒng)的組成單元包括：單片機控制單元 、 溫度采樣單元 、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元 、顯示單元 。 2.1 AT89C51 系列單片機介紹 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，而且在其片種還有4k 字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲器，能重復(fù)寫入 /擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間 可以達到 十年。它與 MCS-8051 系列單片機在指令和引腳上完全兼容，因此 不僅可完全代替 MCS-51 系列單片機，而且 還 能使系統(tǒng)具有許多 MCS-8051系列產(chǎn)品沒有的功能。 使用 AT89C51 單片機便 可構(gòu)成的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小 了 系統(tǒng) 的 體積 , 增加 了 系統(tǒng)可 的 靠性 易用性 ，降低了系統(tǒng) 的制作 成本 。程序長度 可達 4096 字節(jié) , 四個可編程的用戶 I/O。 在 5V 的 電壓 下就可以 編程，而且 程序的 寫入時間 也 僅 需要 10毫秒 的時間 , 僅為 8751/87C51單片機 的時間的百分之一，與 87C51 系列的單片機 的 12V 的 擦寫電壓相比 , 即保護了 器件 , 也 沒有兩種電源的 不同 要求， 在不拿下芯片的情況先即可進行程序的擦寫 ， 非常 適合嵌入式的 控制領(lǐng)域 的應(yīng)用 。 AT89C51 芯片提供 了 三級程序存儲器 來 鎖定加密， 提供了方便靈活 并且 可靠的硬加密手段 , 能保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外 ,AT89C51 還具有 MCS-51 系列單片機的所 具 有優(yōu) 點。 1288 位 的 內(nèi)部 RAM, 32 位雙向輸入輸出 總 線 , 兩個十六位 可編程 定時器 /計時器 , 5 個中斷源 , 兩級中斷優(yōu)先級 控制 , 一個全雙工 的 異步串行口 以 及時鐘發(fā)生器等。 AT89C51 具 有間歇、掉電兩種電源控制 工作模式。間歇模式 的 是設(shè)置由軟件來 執(zhí)行 的 , 當外圍器件仍處于工作模式 時 , CPU 可根據(jù) 當前的工作狀態(tài)在適當?shù)臅r候 地進入睡眠狀態(tài) , 內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)以及 所有特殊寄存器值 將 將保持 原值 不變。 睡眠 狀態(tài)可被任一 一個 中斷所終止或通過 外部 硬件復(fù)位 喚醒 。掉電模式是 指當 VCC（電源電壓） 低于電源 電壓的下限 時 , 當振蕩 器 的頻率為 0 時 , CPU 將會 停止指令 的 執(zhí)行。 此時 該芯片內(nèi) RAM的數(shù)據(jù) 和特殊功能寄存器 中的 值保持 原萊來值 不變 , 一直 維持 到掉電模式被終止。只有 當 VCC（電源）的 電壓恢復(fù)到正常工作范圍 （高于電壓的下限） 而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過 外部 硬件 的 復(fù)位 ， 掉電模式 則 可被終止 退出 。 2.2 光電耦合器 MOC3041 MOC3041 是常用雙向晶閘管輸出的光電耦合器 (固態(tài)繼電器 )，帶過零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為 15mA，輸出端的額定電壓為 400V，輸入輸出端隔離電壓為 7500V。 傳統(tǒng)的方法都是采用移相觸發(fā)的晶閘管，通過 控制晶閘管的導(dǎo)通角而達到控制功率大小的效果，不僅同步檢測的電路非常的復(fù)雜，而且會在晶閘管導(dǎo)的通瞬間會產(chǎn)生高次的諧波干擾，引起電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生波形畸變，影響到其他電子設(shè)備和電子通訊系統(tǒng)的正常運行，本設(shè)計中采用過的零觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通以及關(guān)斷時間的比值來調(diào)節(jié)功率的大小，因為過零觸發(fā)不會改變電壓的波形而是改變的只是電壓全波通過的次數(shù)，并不會對電網(wǎng)造成干擾，所以，本設(shè)計采用過零的觸發(fā)方式。 MOC3041 芯片內(nèi)部包含過零檢測的電路，在輸入引腳 1 輸入的電流為 15mA的時候，輸出引腳 6、和輸出引腳 4 之間的電壓剛剛過零時，內(nèi)部 的雙向晶閘管開始導(dǎo)通，從而觸發(fā)外部的晶閘管導(dǎo)通，在 MOC3041 輸入引腳的輸入電流為 0時，內(nèi)部的雙向晶閘管被關(guān)斷，從而外部的晶閘管也被關(guān)斷 。 654123過 零 比 較M A I N T E R MA N O D EC A T H O E D N C *N C M A I N T E R M 圖 2.1 M0C3041 邏輯引腳圖 2.3 雙向可控硅 可控硅分為單向可控硅和雙向可控硅兩種 ,他們的符號也是不同的 .單向可控硅是由三個 PN 結(jié)構(gòu)成 ,由外層的 P 極與 N 極引出兩個電極 ,分別稱為陽極與陰極 ,由中間的 P 極引出一個可控硅的控制極 G 極 。 單向的可控硅有其獨特的特性為 :當陽極被接反向電壓 ,或者陽極被接正向 電 壓但控制極不加控制電壓時 ,可控硅都是不導(dǎo)通 ,而陽極與控制極同時被接正上向電壓時 ,可控硅就會變成導(dǎo)通狀態(tài) .可控硅一旦導(dǎo)通 ,控制極的電壓便失去了對可控硅的控制作用 ,這時不論控制極有沒有控制電壓 ,也不論控制極的控制電壓的極性是如何 ,將會一直保持在導(dǎo)通的狀態(tài)。要想關(guān)斷此可控硅 ,只有把可控硅陽極電壓降到某一臨界值或者反向。 雙向的可控硅的引腳多數(shù)是按 T1、 T2、 G 的順序從左至右排列 (電極引腳向下 ,面對有字符的一面時 ).加在控制極 G 上的觸發(fā)脈沖的大小或時間改變時 ,就能改變其導(dǎo)通電流的大小 。 與單向可控硅的區(qū)別是 ,當 雙向可控硅 G 極上觸發(fā)脈沖的極性改變時 ,其導(dǎo)通方向就隨著極性的變化而改變 ,從 而能夠控制交流電負載 .而單向可控硅經(jīng)觸發(fā)后只能從陽極向陰極單方向?qū)?,所以可控硅有單雙向之分 。 本設(shè)計所使用的可控硅為 BTA08，其參數(shù)如下： Tstg 貯存溫度 40125 Tj 結(jié)溫 40125 PGM 峰值門極功耗 5W VDRM 重復(fù)峰值斷態(tài)電壓 600V IT（ RMS） RMS 通態(tài)電流（ Ta=89） 8A VGM 峰值門極電壓 10V IGM 峰值門極電流 2.0A ITSM 浪涌通態(tài)電流 (一個周期 50/60HZ,峰值 ,不重復(fù) ) 80/88A VISO 絕緣擊穿電壓（ RMS，交流 1 分鐘 1500V ） 2.4 移位寄存器 74LS164 因為數(shù)碼管需要段碼和位碼，這樣就大量的占用了單片機的 I/O 口，為了使I/O 口得到充分的使用，本設(shè)計采用 74LS164 作為段碼的選擇輸出電路，即節(jié)省了 I/O 引腳也省去了 LED 的驅(qū)動電路，簡化了電路的設(shè)計和程序的編寫，提高個系統(tǒng)的設(shè)計效率。 移位寄存器 74LS164 的引腳如圖 2-6 所示： CLR9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VCC14GND7USN74LS164N 圖 2.2 移位寄存器 74LS164 引腳圖 其引腳功能如下： A、 B 串行輸入端； Q0 Q7 并行輸出端； 預(yù) 置 比 較 計 數(shù) 器斜 率 累 加 器減 法 計 數(shù) 器 1低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器減 到 0 溫 度 寄 存 器預(yù) 置減 到 0減 法 計 數(shù) 器 2高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 清除端，低電平有效； CLK 時鐘脈沖輸入端，上升沿有效。 多片 74LS164 串聯(lián)，能實現(xiàn)多位 LED 靜態(tài)顯示。每擴展一片 164 就可增加一位顯示。 MR 接 +5V，不清除。 但是本設(shè)計為了使電路的設(shè)計更加簡單易于實現(xiàn)，采用了 4 位一體的共陽極數(shù)碼管，因此只能實現(xiàn)動態(tài)的顯示數(shù)據(jù)。 2.5 數(shù)碼顯示管 LED LED 顯示器是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，而在單片機的應(yīng)用上也是被廣泛運用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母 ，使用 LED 數(shù)碼管是一種較好的選擇。 LED 數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。 LED 數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它 包含 若干個發(fā)光二極管。當其中某個 發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫 就會 發(fā)亮 ； 控制二極管導(dǎo)通 在不同的組合 ，就能顯示出各種 不同的 字符，常用的 LED數(shù)碼管有 7段和 “ 米 ”字段 兩種 。這種 數(shù)碼管 有共陽極 與 共陰極兩種 類型 。共陰極 LED 數(shù)碼管 的發(fā)光二極管的陰極 端 連在一起， 一般 此共陰極接地。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時 ，電流導(dǎo)通 ，發(fā)光二極管 被 點亮，相應(yīng)的段被 點亮 顯示。 與之類似 ，共陽極LED 數(shù)碼管 的發(fā)光二極管的陽極 連 接在一起，通常此共陽極接正 極的 電壓，當某 個發(fā)光二極管的陰極 被 接 到 低電平時， 電流導(dǎo)通， 發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被 點亮 顯示。本次設(shè)計所用的 LED 數(shù)碼管為共陽極 的 7 段數(shù)碼管 。 LED 數(shù)碼管的使用 方式 與發(fā)光二極管 的使用方式 相同，根據(jù)材料 的 不同正向壓降一般為 15 2V，額定電流為 10mA，最大電流為 40mA。靜態(tài)顯示時取 10mA為宜，動態(tài)掃描 時 顯示可加大脈沖電流，但一般不 都 超過 40mA。 本設(shè)計采用的是 4 位一體的共陽極數(shù)碼管，數(shù)碼管的原理圖和引腳表示如下圖： M1 M2 M3 M4a b c d efg h 圖 2.3 數(shù)碼顯示管 LED 引腳圖 2.6 數(shù)字溫度計 DS18S20 在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離的溫度測量系統(tǒng)中 ， 模擬信號很容易受到干擾 ， 而產(chǎn)生測量誤差，影響測量 的 精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效的方案。 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，與傳統(tǒng)熱敏電阻所不同的是，集成在單個芯片，采用單了總線技術(shù)，這樣能夠有效的減小外界的干擾，提高溫度測量的精度。同時，它可以直接將被測溫度的模擬信號轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號輸出供單片機處理，接口簡單， 使數(shù)據(jù)的傳輸和處理簡得到單化。模塊 功能電路的集成化，使總體硬件電路的設(shè)計更加簡潔，有的效地降低了成本，使得搭建電路和焊接電路時更容易，調(diào)試也更加容易，使得開發(fā)的周期大大縮短。 2.6.1 DS18S20 的主要特性 1 DS18S20 的適應(yīng)電壓范圍更寬，其范圍為： 30-55V，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源 (寄生電源 )，無需外部工作電源。 2 DS18S20 提供了 9 位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報警功能。 3 DS18S20 通過 1-Wire總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線 (或地線 )。同時，在使用過程中，它不需 要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路 都被封裝 在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。 4 DS18S20 具有 -55C 至 +125C 的工作溫度范圍，在 -10C 至 +85C 溫度范圍內(nèi)精度為 05C 。 5每片 DS18S20 具有唯一的 64 位序列碼，這些碼允許多片 DS18S20 在同一條 1-Wire 總線上工作，因而，可方便地使用單個微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片 DS18S20 器件。 6 DS18S20 的測量結(jié)果直接輸出 的是 數(shù)字溫度信號， 通過“單總線” 串行傳送給 CPU，同時還可以 自動生成及發(fā)送 CRC 數(shù)據(jù) 校驗碼， 它具有極強的抗干擾和 糾錯的能力。 7 DS18S20 具有負載 的 特性，當電源 因故障或失誤 極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是 也 不 會 正常的工作。 2.6.2 DS18B20 測溫原理 預(yù) 置 比 較 計 數(shù) 器斜 率 累 加 器減 法 計 數(shù) 器 1低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器減 到 0 溫 度 寄 存 器預(yù) 置減 到 0減 法 計 數(shù) 器 2高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 圖 2.4 DS18B20 的內(nèi)部測溫電路框圖 低溫度系數(shù)的晶振的振蕩頻率在溫度變化時受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號，為減法計數(shù)器 1 提供頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。而高溫度系數(shù)晶振在溫度變化時隨溫度變化其震蕩頻率改變明顯，是一個對溫度很敏感的振蕩 器，所產(chǎn)生的脈沖信 號作為減法計數(shù)器 2 的脈沖輸入信號，為計數(shù)器 2 提供一個頻率隨溫度變化而變化的計數(shù)脈沖。圖中隱含了計數(shù)門，當計數(shù)被門打開時，DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計。計數(shù)門的開啟的時間是由高溫度系數(shù)振蕩器決定的，在每次測量前，首先將 -55 所對應(yīng)的基數(shù)值分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器中。減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的固定脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器 1 的值從預(yù)置值減到 0 時溫度寄存器的值加 1，減法計數(shù)器 1 的預(yù)置值將重新被裝入，減法計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的固定脈沖信號進行減法 計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2 減到 0時，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度值。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。 第 3 章 硬件電路設(shè)計 本設(shè)計采用按鍵作為輸入，通過 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集溫度值，送到主機 AT89C51，由主機進行處理并將實際溫度的值顯示在 LED 數(shù)碼管上，然后控制加熱設(shè)備實現(xiàn)溫度的恒溫控制 。 整體原理圖如下。 圖 3.1 基于單片機的恒溫 控制系統(tǒng)設(shè)計的整體原理圖 EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11P30/RXD10U1AT89C51LED_SS1LED_DADALED_CLKLED_MRLED_SS2LED_SS3LED_SS4顯示PWM調(diào)節(jié)執(zhí)行設(shè)置加 1右移確定按鍵輸入DS_IO溫度檢測 3.1 單片機控制單元 單片機控制電路包含 4 個按鍵實現(xiàn)溫度和系統(tǒng)設(shè)定與控制。包括：“設(shè)置”、“加 1”，“右移”，“確定”四個按鍵。其原理圖如下。 圖 3.2 單片機控制單元原理圖 3.2 溫度采樣電路 本設(shè)計采用 DS18B20 作為溫度傳感器，進行溫度的檢測，測量的到的數(shù)字數(shù)據(jù)可以直接送到單片機進行處理因此省去了信號放大和濾波電路。溫度采樣電路原理圖如下： VDD3I/O2GND1U2DS18B20GNDVCC1KR2DS_I/O 圖 3.3 溫度采樣電路 設(shè)置加 1右移確定GND1KR3Res21KR4Res21KR5Res21KR6Res2VCCP1.4P1.5P1.6P1.7 3.3 顯示電路 本設(shè)計使用串行的方式顯示數(shù)據(jù)，可節(jié)省大量的 I/O 占用。通過 74LS164將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成并行的數(shù)據(jù)并鎖存到輸出端，其原理圖如下圖所示： 圖 3.4 顯示電路原理圖 3.3 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元 本設(shè)計采用實時控制的方法，在主機 AT89C51 的 P2.1 口給出 PWM 溫度控制信號，有光電耦合器 MOC3041 和可控硅組成驅(qū)動電路， MOC3041 用于將單片機系統(tǒng)和可控硅電路隔開，避免高電壓和強電流對單片機的干擾 ,是單片機可以正常的運行，可控硅 SCR 的作用就是一個固態(tài)觸電，使之可以開斷加熱設(shè)別，以實現(xiàn)溫度的實時控制。其原理圖如下 12 46MOC3041VCC10KR739R9360R8360R1012JP2HEADER 2Q1BTA08103C412JP1HEADER 2接 AC 220V接加熱裝置A_1A_2U77404PWM 圖 3.5 調(diào)節(jié)執(zhí)行電路原理圖 第 4 章 軟件設(shè)計 4.1 主程序流程圖 系統(tǒng)的軟件部分由主程序、中斷子程序、按鍵 子程序 、 顯示 子程序 和 PID控制算法子程序 圖組成。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖 4.1，當有 系統(tǒng)啟動后 ，主程序啟動，根據(jù)設(shè)定的條件逐步運行，達到設(shè)計目的。 開 始初 始 化處 理 按 鍵 及 顯 示 設(shè) 定啟 動 A / D 轉(zhuǎn) 換數(shù) 值 處 理顯 示 實 際 溫 度P I D 分 段 增 量 式 控 制是 否 大 于加 熱停 止 加 熱是否輸 出 D / A 給 控 制 比 較 電 路 圖 4.1 主程序流程圖 4.2 中斷子程序流程圖 圖 4.2 為中斷子程序的流程圖。 開 始關(guān) 中 斷保 護 現(xiàn) 場讀 P 1 到 A 口A 右 移 一 位C = 1 ？右 移 一 位M O V 3 5 H , # 1C = 1 ？右 移 一 位M O V 3 5 H , # 2C = 1 ？右 移 一 位M O V 3 5 H , # 3C = 1 ？回 復(fù) 現(xiàn) 場M O V 3 5 H , # 4開 中 斷中 斷 返 回YYYYNNNN 圖 4.2 中斷子程序 4.3 按鍵流程圖 圖 4.3 為系統(tǒng)的按鍵流程圖。主要是通過按 鍵的 輸入 控制來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的手動和自動控制。 中 斷P 1 . 5 = 0 ?返 回轉(zhuǎn) I R 1P 1 . 4 = 0 ?P 1 . 6 = 0 ?P 1 . 7 = 0 ?轉(zhuǎn) I R 2轉(zhuǎn) I R 3轉(zhuǎn) I R 4 圖 4.3 按鍵流程圖 4.4 顯示流程圖 圖 4.4 為系統(tǒng)的顯示流程圖。主要是通過對 測量的溫度 進行顯示，給操作者提供提示。 開 始串 口 初 始 化向 緩 沖 區(qū) 發(fā) 送 數(shù) 據(jù)查 段 代 碼顯 示結(jié) 束 圖 4.4 顯示流程圖 4.5 PID 控制算法子程序 采用傳統(tǒng) PID 位置式和增量式算法，其特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，而且實現(xiàn)相對容易，但是其缺點是有超調(diào)以及溫度上升不夠快。 分段式 PID 在傳統(tǒng) PID 算法的基 礎(chǔ)上有效的克服積分飽和的問題 解決了系統(tǒng)運行一段時間后可能會會突然急劇升溫的問題，同時也能按每部分加熱的不同要求而靈活的調(diào)整達到較好的調(diào)溫效果。因此在本設(shè)計中采用了 PID 控制算法其流程圖如下： 開 始P I D 參 數(shù) 初 始 化 ，置 E ( k - 1 ) = E ( k - 2 ) = 0 ,V o u t = 0 ( 視 情 況 而 定 )取 給 定 值 S E T P O I N T ( 設(shè)定 值 ) 和 當 前 值 R ( k )E ( k ) = S E T P O I N T - R ( k )計 算 P I D 增 量 并 防 止 積 分 飽 和P I D = K p * ( E ( k ) ) - E ( k - 1 ) + K i * E ( k ) + K d * ( E ( k ) ) - 2 * E ( k - 1 ) + E ( k - 1 )輸 出 V o u t = V o u t + P I D返 回 圖 4.5 PID 控制算法子程序 流程圖 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析 單片機應(yīng)用系統(tǒng) 實驗板 組裝好以后，便可進入系統(tǒng)調(diào)試，其主要任務(wù)是排除存在 硬件故障，并完善其硬件 的 結(jié)構(gòu)，運行所設(shè)計的程序，排除程序 存在 錯誤，并 優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達到期望的 性能。 5.1 硬 件調(diào)試 單片機系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試 應(yīng) 是 相互 進行的，但通常是先排除明顯的硬件故障。 1.開路、短路：由于 焊接技術(shù)導(dǎo)致 的開路、短路等故障。 解決方法： 對照原理圖用萬用表檢測 ,補焊即可 。 2.元器 的 件損壞：由于對 所使用的 元器件不熟悉及制 焊接 過程中操作不當致使器件損壞。 解決方法： 仔細閱讀元器件的應(yīng)用環(huán)境 ,仔細焊接 。 3.電源故障：上電后造成元器件損壞、無法正常 的 供電，電路不能正 的 常工作。電源故障包括：電壓值不 符合 設(shè)計要求，電源引出線 與 插座不對應(yīng)，各檔電源之間短路等。 解決方法：電源必須單獨 的 調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng) 各個部件中 。 5.2 軟件調(diào)試 設(shè)計軟件部分出 問題 的現(xiàn)象： 1. 以斷點或連續(xù)方式運行時，目標沒有按規(guī)定的功能進行操作或什么結(jié)果也沒有， 是 由于程序轉(zhuǎn)移到某處死循環(huán)所造成的。 解決方法：這類錯誤的原因是程序中 跳轉(zhuǎn)的 地址計算錯誤、堆棧 的 溢出、工作寄存器 的 沖突等 ,檢查各處邏輯 ,更改之 。 2. 對 中斷 不相應(yīng)。 CPU 不響應(yīng)中斷的現(xiàn)象是連續(xù)運行時不執(zhí)行中斷任務(wù)程序的規(guī)定操作，當斷點設(shè)在中斷入口或中斷服務(wù)程序中時碰不到斷點。 解決方法： 更 改中斷控制寄存器（ IE， IP）的設(shè)置。 3. 結(jié)果不 準確 確 。 系統(tǒng)基本上 可以 正常操作，但控制 會 有誤動作或者 輸出結(jié)果不正確。這 種 錯誤大多是由于 算法 錯誤引起的。錯誤原因沒有查明，沒有解決。 5.3 結(jié)論分析 通過對 軟件系統(tǒng)和 硬件系統(tǒng)的調(diào)試，進一步理解了 自動控制理論在單片機系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別是自動控制原理在恒 溫控制 中算法分析和應(yīng)用； 同時也發(fā)現(xiàn)了些 問題，原電路缺乏對溫 度 的實時控制 ，溫度的控制不是很及時快速，不能達到高精度的溫度控制； 此后加入調(diào)節(jié)執(zhí)行 的 單元，采用實時控制方法 ，使用 PID算法； 在 AT89C51 的 P21 口輸出 PWM 溫度 的 控制信號，由光電耦合器 MOC3041和可控硅 SCR 組成。光電耦合器 MOC3041 的作用是將單 片機系統(tǒng)與可控硅 SCR的 電路隔開，避免在高壓過程中干擾信號影響 到 單片機的運行；可控硅 SCR 的作用是相當于一個觸點，使之有 可以 開啟或關(guān)斷電爐，從而控制電爐 的 通斷， 從而實現(xiàn)對溫 度 的實時控制。 第 6 章 結(jié)束語 經(jīng)過 三個月的 努力， 畢業(yè)設(shè)計 以基本 完成 ，這意味著大學生活也要結(jié)束了，但我們的學習沒有 因此而 結(jié)束 ； 在本次 的 設(shè)計 ， 所學的理論知識接受了實踐的檢驗，增強 了 運用所學知識的能力及動手 的 能力，為以后的學習和工作打下了 很好的基礎(chǔ)。本文以 AT89C51 單片機為核心， 做 為控制器件，溫度信號通過 數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 采集 后直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機可以直接串行讀?。?溫度的 設(shè)定采用按鍵移位式設(shè)定方法 ； 溫度控制采用 控制 光耦和可控硅 實現(xiàn)控制 控制加熱器 效果 。軟件算法采用 分段式 PID 的算法 ，調(diào)高可系統(tǒng)的可靠性 。在單片機應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了 AT89C51 單片機控制傳感器的自動化溫度監(jiān)控系統(tǒng)。 目前，測溫控溫系統(tǒng)快速發(fā)展，國外的測量控制系統(tǒng)已經(jīng) 相當 成熟，產(chǎn)品也較多。近兩年，國內(nèi)也出現(xiàn)了高精度的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但對于用戶來說，價格還是偏高。由于競爭 的 越來越激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢是如何提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。尋求性能可靠、價格 低廉，應(yīng)用廣泛的元器件是生產(chǎn)過程的首先