基于單片機的水溫控制系統(tǒng)初

1、引言基于單片機的水溫控制系統(tǒng)集美大學(xué)誠毅學(xué)院信息工程系自動化專業(yè) 2014屆 龔孟卿 學(xué)號：2010926010 摘要：本文詳細(xì)介紹了基于單片機的水溫控制系統(tǒng)，溫度控制，無論在生產(chǎn)中，還是在日常生活中，都起著非常重要的作用，隨著經(jīng)濟(jì)的越來越快的發(fā)展，越來越多的的企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對溫度控制精度的可靠性和穩(wěn)穩(wěn)定性有了更高的要求。然而傳統(tǒng)的溫度控制器控制的精度不夠高，不能夠滿足對溫度要求苛刻的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。本文通過軟件和硬件兩個方面來簡述單片機水溫控制系統(tǒng)。在控制過程中主要元器件有，AT89S52、變壓器、二極管、三極管、DS18B20數(shù)字溫度傳感器、繼電器、LCD1602、按鈕等等。本設(shè)計主要通過DS

2、18B20溫度傳感器檢測水溫，用按鈕設(shè)置溫度，以單片機為核心控制器件，利用PID算法控制水溫，通過LCD1602顯示設(shè)置溫度與當(dāng)前溫度。軟件方面采用C語言來進(jìn)行程序設(shè)計，C語言是嵌入式系統(tǒng)中一種通用的程序設(shè)計語言，其數(shù)據(jù)類型以及運算符豐富，有較好的移植性和豐富的功能函數(shù)，并具有良好的程序結(jié)構(gòu)，適用于各種應(yīng)用的程序設(shè)計，簡單易懂。關(guān)鍵詞 單片機系統(tǒng) 溫度 PID 數(shù)據(jù)采集 顯示I引言Microcontroller-based temperature control systemGong mengqing2010926010，Electrical Engineering and Automatio

3、n，2010Dept. of Information Engineering, Chengyi College of Jimei UniversityAbstract：This paper describes a microcontroller-based temperature control system,temperature control , whether in production or in everyday life , plays a very important role , along with the increasingly rapid economic devel

4、opment, more and more of enterprise production processes , the temperature control precision reliability and stability of stability have higher requirements .However, the accuracy of the temperature controller traditional high enough temperature can not meet the demanding production processes . In t

5、his paper, both software and hardware to briefly SCM temperature control system. The main components in the control process there , AT89S52, transformers, diodes, transistors , DS18B20 digital temperature sensors, relays , LCD1602, buttons , and so on . This design mainly through DS18B20 temperature

6、 sensor detects the temperature , set temperature using the buttons to control the device microcontroller as the core , the use of PID algorithm to control the water temperature , set temperature by LCD1602 displays the current temperature. Software using C language for programming , C language is a

7、 general-purpose embedded systems programming language , rich data types and operators , better portability and rich feature functions , and has a good program structure for a variety of applications, program design, simple and understandable. Key words： Microcontroller system ;Temperature ;PID；Data

8、 Collection；display目錄目錄引言- 1 -第一章 AT89S52單片機介紹- 2 -1.1 AT89S52主要性能及概述- 2 -1.2 單片機AT89S52引腳功能介紹- 3 -第二章 電源與穩(wěn)壓電路的設(shè)計- 6 -2.1 整流電路的介紹- 6 -2.2 濾波電路的介紹- 8 -2.3 穩(wěn)壓模塊W7805的介紹- 9 -2.4 水溫控制系統(tǒng)中電源的設(shè)計- 10 -第三章LCD1602介紹及其應(yīng)用- 12 -3.1 基本介紹- 12 -3.2 引腳說明- 13 -3.3 內(nèi)部RAM地址和字符映射關(guān)系- 13 -3.4 1602指令系統(tǒng)- 14 -3.5 LCD1602與AT8

9、9S52連接電路圖- 17 -第四章 數(shù)字溫度傳感器DS18B20數(shù)據(jù)采集及介紹- 18 -4.1 溫度傳感器DS18B20選取及特點- 18 -4.2 DS18B20的介紹- 19 -4.3 DS18B20的數(shù)據(jù)處理以及電路圖- 22 -第五章 基于單片機的水溫控制PID算法- 24 -5.1 模擬PID控制器- 24 -5.2 數(shù)字PID控制器- 24 -5.3 溫度控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)及采樣周期的確定- 25 -第六章 基于單片機的水溫控制系統(tǒng)的整體實現(xiàn)及功能- 28 -6.1 水溫控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)- 28 -6.2 水溫控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)- 29 -結(jié)論- 31 -致謝- 32 -

10、參考文獻(xiàn)- 33 -附錄A：基于單片機的水溫控制系統(tǒng)程序- 34 -III引言引言 自動化技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技以及人們的日常生活中都發(fā)揮著重要的作用。自20世紀(jì)90年代，作為信息科學(xué)的重要分支，自動化技術(shù)本身及其應(yīng)用領(lǐng)域得到了迅速的提高和發(fā)展。自動化技術(shù)作為國家高科技的重要組成分支，其水平高低已成為衡量國家科技實力和各行業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。無論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、還是我們?nèi)粘Ｉ钪?，溫度都起著非常重要的作用。隨著科技的迅速發(fā)展，在各個行業(yè)中對于溫度控制的精度也不斷提高，傳統(tǒng)的控制方法由于控制精度不高，響應(yīng)速度慢，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們的需求。然而隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，人們可以用計算機技術(shù)可以完

11、成常規(guī)控制技術(shù)無法完成的任務(wù)，我們可以通過計算機更有效的控制溫度，能達(dá)到控制精度高，響應(yīng)速度快等標(biāo)準(zhǔn)。本設(shè)計就是一個基于單片機的水溫控制系統(tǒng)，本設(shè)計采用單片機為核心控制器件，利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20讀取溫度、溫度轉(zhuǎn)換，利用獨立按鍵作為輸入，如設(shè)定溫度，溫度加減，還有確定。利用LCD1602分別顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度。整個水溫控制系統(tǒng)采用PID算法，可以滿足對精度的控制和快速性，通過三極管驅(qū)動繼電器，來控制加熱裝置。從而構(gòu)成了一個單片機的水溫控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對水溫的自動控制，并顯示。軟件方面，本設(shè)計采用C語言作為設(shè)計編程語言。C語言是嵌入式系統(tǒng)中一種通用的程序設(shè)計語言，其數(shù)據(jù)類型及運算

12、符豐富，代碼率高，有較好的移植性和豐富的功能函數(shù)，并有良好的程序結(jié)構(gòu)，適用于各種應(yīng)用程序設(shè)計，是目前使用較為廣的編程語言。本文以下將繼續(xù)詳細(xì)介紹單片機AT89S52、數(shù)字溫度傳感器DS18B20、LCD1602液晶顯示器以及電路的基本設(shè)計方案和水溫控制系統(tǒng)是如何實現(xiàn)自動控制的。1第一章AT89S52單片機介紹第1章 AT89S52單片機介紹1.1 AT89S52主要性能及概述AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 儲存器使用Atmel 公司高密度非易失性儲存器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序儲存器在系

13、統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如圖1所示AT89S52。 圖1 AT89S52 引腳圖AT89S52主要性能包括以下幾種：1、與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容；2、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程FLASH儲存器；3、1000次擦寫周期；4、全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz；5、三級加密程序儲存器；6、32個可編程I/O口線；7、三個16位定時器/計數(shù)器；8、8個中斷源；9、全雙工UART串行通道；10、低功耗空閑和掉電模式；11、掉電后中斷可喚醒；12、看門狗定時器；13、雙數(shù)據(jù)指針；14、掉

14、電標(biāo)識符。1.2 單片機AT89S52引腳功能介紹1.2.1 I/O端口介紹1、P0口: 即P0.0P0.7，輸入/輸出腳，可以用作8位的并行I/O接口或者分時復(fù)用為地址總線和數(shù)據(jù)總線，P0口作為輸出的時候，每個引腳可以驅(qū)動8個TTL；在定義為I/O口時，需要外接上拉電阻，為準(zhǔn)雙向I/O口。在程序中向P0端口寫入1后，該端口成為高阻抗輸入端口。2、P1口: 即P1.0P1.7，輸入/輸出腳，8為雙向并行I/O端口，在P1口內(nèi)部已經(jīng)具有上拉電阻，不用再外接上拉電阻。此外，此外，P1.0和P1.1分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0）和定時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1）。 在fla

15、sh編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2 口: 即P2.0P2.7，輸入/輸出引腳，8為雙向并行I/O接口，P2口內(nèi)部已經(jīng)具有上拉電阻，不需要外接上拉電阻，可以驅(qū)動4個TTL，當(dāng)訪問外部的存儲器是，定義為高8位地址總線。如果只需要8位地址線，它將輸出特殊功能寄存器里面的內(nèi)容。3、P3 口即P3.0P3.7，輸入/輸出引腳，8位雙向并行I/0接口并且內(nèi)部已經(jīng)具有上拉電阻，能驅(qū)動4個TTL，每個引腳都具有第二功能，引腳P3.0(RXD)和引腳P3.1(TXD)可以用作為串行數(shù)據(jù)的傳輸，分別為串行數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送的端口；P3.2和P3.3為外部的中斷請求，分別用于INT0和INT1的中斷輸入

16、；P3.4(T0)和P3.5(T1)分別為定時/計數(shù)器0和定時/計數(shù)器1的外部計數(shù)輸入端口；P3.6(WR)和P3.7(RD)用作讀/寫單片機的外部RAM，分別是外部數(shù)據(jù)寫選通信號還有讀選通信號。1.2.2控制、復(fù)位和選通引腳1、RST：單片機內(nèi)部的復(fù)位信號的輸入端口，在單片機的振蕩器啟動后，該引腳置2個機器周期以上的高電平，就可以實現(xiàn)復(fù)位。對于AT89S52其內(nèi)部包含定時監(jiān)視器電路。在定時監(jiān)視器的定時輸出后，該引腳置高電平，并且持續(xù)96個振蕩周期，也可以實現(xiàn)復(fù)位。2、ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，AL

17、E仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。3、PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此

18、期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號4、EA/VPP外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。1.2.3 電源引腳及外接晶振活外部振蕩器1、VCC：電源端。正電源接4.05.0V電壓，正常工作電壓為5V。2、GND:接地端。3、XTAL1：時鐘XTAL1腳，片內(nèi)震蕩電路的輸入端。

19、4、XTAL2：時鐘XTAL2腳，片內(nèi)震蕩電路的輸出端。AT89S52的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘震蕩方式，在18和19腳外接石英晶體（033MHZ）和震蕩電容，震蕩電容一般1030pF。另外一種是外部時鐘方式，將XTAL2懸空，外部時鐘信號（033MHZ)從XTAL1腳輸入。- 3 -第二章 電源與穩(wěn)壓電路的設(shè)計第二章 電源與穩(wěn)壓電路的設(shè)計2.1 整流電路的介紹 在電路電子設(shè)備中，一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電。而常用的電壓是220V，50Hz的交流電源，本設(shè)計中單片機AT89S52、LCD1602、所需要的電壓為5V左右的直流電。所以單相交流電要經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電

20、路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。在整流電路的設(shè)計中，我們采用二極管作為整流元器件。首先看一下單相半波整流電路，電路如圖2所示。 圖2 單相半波整流電路圖 對其工作原理進(jìn)行分析： u2的正半周，D導(dǎo)通， ADRLB，uO= u2 。 u2的負(fù)半周，D截止，承受反向電壓，為u2； uO=0。波形圖如圖3所示。 圖3單相半波整流波形圖利用二極管的單相導(dǎo)通性可以進(jìn)行整流，從單相半波整流電路中可以看到，它只能利用交流電壓的半個周期，所以輸出電壓低，交流分量大，效率低。為了克服單相半波整流電路的缺點，在實際電路中多采用單相全波整流電路，最常用的就是的單相橋式整流電路。如圖4所示。 圖4 橋式整流電路對其工作原理進(jìn)

21、行分析： u2的正半周，AD1RLD3B，uO= u2。 u2的負(fù)半周，B D2RLD4 A，uO= -u2。波形如圖5所示 對于二極管的選擇：考慮到電網(wǎng)電壓波動范圍為±10，二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足： 圖5 整流波形圖 2.2 濾波電路的介紹由以上整流電路可以看出，整流電路的輸出電壓雖然是單一方向的，但是含有較大的交流成分，不能適應(yīng)大多數(shù)電子電路及設(shè)備的需要。因此，一般在整流后，還需要用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。電容濾波電路，是最常見也是最簡單的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯(lián)一個電容構(gòu)成電容濾波電路，如圖6所示，濾波電容容量較大，一般采用電解電容。 圖6 整流濾波

22、電路濾波原理的分析： 在變壓器副邊電壓u2處于正半周期且數(shù)值大于電容兩端的電壓uc時，二極管D1，D3導(dǎo)通，電流一路流經(jīng)負(fù)載RL,另一路對電容C充電。在理想情況下，變壓器副邊無損耗，二極管導(dǎo)通電壓為零，所以電容兩端的電壓uc與u2相等，如圖7中曲線ab段。當(dāng)u2上升到峰值后開始下降，電容通過負(fù)載電阻RL放電，其電壓uc也開始下降，趨勢與u2基本相同，如圖7中bc段所示。但是由于電容按指數(shù)規(guī)律放電，所以當(dāng)u2下降到一定數(shù)值后，uc下降的速度小于u2下降的速度，使得uc大于u2從而使二極管D1,D3反向偏置而變?yōu)榻刂埂４撕?，電容C繼續(xù)通過RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律緩慢下降，如圖7中cd段所示。 當(dāng)u

23、2的負(fù)半周幅值變化到恰好大于uc時，D2，D4因加正向電壓變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，u2再次對電容C充電，uc上升到u2的峰值后又開始下降，下降到一定數(shù)值時D2，D4變?yōu)榻刂?，C對RL放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降；放電到一定數(shù)值時D1，D3變?yōu)閷?dǎo)通，重復(fù)以上過程。從圖7中我們可以看出，經(jīng)過濾波之后的輸出電壓不僅變的平滑，而且平均值也得到了提高。 圖7 整流濾波波形圖2.3 穩(wěn)壓模塊W7805的介紹 雖然整流濾波電路能將正弦的交流電變換成較為平滑的直流電壓，但是一方面由于輸出電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，輸出電壓的平均值也會產(chǎn)生波動；另一方面，由于整流濾波電路中內(nèi)阻的存在，負(fù)載

24、發(fā)生變化，內(nèi)阻上的電壓降也會發(fā)生變化，于是輸出電壓平均值也會發(fā)生變化。為了獲得穩(wěn)定性好的直流電壓，還要采取穩(wěn)壓措施。 7805三端穩(wěn)壓集成電路，電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負(fù)電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管。如 下圖8所示實物圖。 圖8 W7805實物圖主要參數(shù)介紹：在溫度為25條件下W7805主要參數(shù)如表1所示。表1 W7805主要參數(shù)參數(shù)名稱符 號測試條件單位W7805（典型值）輸入電壓U1V10輸出電壓U

25、0I0=500mAV5最小輸入電壓UminI01.5AV7電壓調(diào)整率SuI0=500mAmV7電流調(diào)整率SiI01.5AI010mAmV25輸出溫度變化率StI0=500mAmV/1輸出噪聲電壓Uno10HZf100KHZV40從表中參數(shù)可知，W7805輸入端和輸出端之間的電壓允許值為313V，輸出電流噪聲很小，溫度穩(wěn)定性良好。2.4 水溫控制系統(tǒng)中電源的設(shè)計 綜合以上的整流濾波穩(wěn)壓電路的設(shè)計，在本設(shè)計的水溫控制系統(tǒng)中電源先由220V電源通過變壓器連接整流電路，然后通過按鈕連接濾波穩(wěn)壓電路，然后再連接發(fā)光二極管，當(dāng)按鈕被按下時，就可以將220V電壓轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的直流5V左右的電壓為電路供電，并且

26、指示燈亮，只是電路處于有電狀態(tài)。具體電路圖如圖9所示。 圖9 水溫控制系統(tǒng)電源及穩(wěn)壓電壓對于水溫控制系統(tǒng)電源電路圖中元器件說明：P1為220/12V變壓器，D1，D2，D3，D4為整流二極管，電容C2為濾波電容，電容C5為瓷片電容，作用是用于抵消輸入線較長時的電感效應(yīng)，電容C6用于消除輸出電壓中的高頻噪聲，其電容量都較小，小于1F。7805為集成三端穩(wěn)壓器。綜上所述，基于單片機的水溫控制系統(tǒng)采用220V電源，通過220/12V變壓器副邊產(chǎn)生12V電壓，然后通過整流電路編程直流電源，再通過W7805穩(wěn)壓模塊輸出5V直流電為單片機和LCD1602進(jìn)行供電，而變壓器的原邊的220V電壓做為加熱裝置的

27、電源。充分利用了變壓器從而簡化了電源的設(shè)計只需要一個220V電源就可以讓整個水溫控制系統(tǒng)正常工作。- 9 -第三章 LCD1602介紹及其應(yīng)用第三章LCD1602介紹及其應(yīng)用3.1 基本介紹1602液晶模塊是一種專門用于顯示數(shù)字、英文字母和符號的點陣式液晶模塊。1602液晶模塊可以顯示兩行字符，是一種應(yīng)用廣泛的液晶顯示設(shè)備，1602液晶模塊使用5X7點陣圖形顯示一個字符，其中16代表每一行最多可以顯示16個字符，02代表總共可以顯示兩行字符，如圖10所示LCD1602尺寸圖以及表2所示1602液晶模塊的技術(shù)參數(shù)?；诒驹O(shè)計的水溫控制系統(tǒng)，需要顯示設(shè)置溫度和當(dāng)前溫度，所以選擇LCD1602作為顯

28、示元件。 圖10 LCD1602尺寸圖表2 LCD1602 基本參數(shù)參數(shù)取值工作電壓4.55.5V工作電流2.0mA顯示字符尺寸2.95（W)X4.95(H)mm 3.2 引腳說明LCD1602液晶模塊引腳采用標(biāo)準(zhǔn)的單列直插接口方式，帶背光的為16個引腳。引腳功能參考表3所示。表3 LCD1602引腳功能引腳編號電路符號引腳功能引腳編號電路符號引腳功能1VSS電源接地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL顯示偏壓10D4數(shù)據(jù)4R/S數(shù)據(jù)/命令12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫13D6數(shù)據(jù)6E使能14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光燈正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光燈負(fù)極引腳說明：1、VSS和VDD是

29、1602液晶模塊電源引腳，VL引腳液晶對比度調(diào)整引腳。2、RS引腳是寄存器選擇引腳，給定高電平選擇數(shù)據(jù)寄存器，給定低電平選擇指令寄存器。3、 R/W引腳為讀寫選擇信號線，高電平為讀操作，低電平為寫操作。4、E為使能引腳，由高電平變?yōu)榈碗娖降臅r候會最后寫入的命令。5、D0D7是數(shù)據(jù)引腳，1602數(shù)據(jù)引腳是雙向的，可以寫入數(shù)據(jù)也可以讀取數(shù)據(jù)。6、BLA和BLK為背光燈正極和負(fù)極的引腳。3.3 內(nèi)部RAM地址和字符映射關(guān)系 1602液晶的驅(qū)動芯片內(nèi)自帶了一個RAM內(nèi)存，這個內(nèi)存區(qū)域與液晶屏上顯示的字符有對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)向RAM指定地址寫入數(shù)據(jù)的時候，會在液晶上顯示出寫入的字符。在顯示字符的時候，首先要告

30、訴芯片字符要寫入的地址，然后告訴控制芯片寫入字符的代碼，就可以再指定的地方顯示指定的字符。其中液晶模塊的RAM地址映射關(guān)系如圖11所示。 圖11 內(nèi)部RAM地址與字符映射關(guān)系如圖可知，1602顯示的第一行第一個字符的地址為00H，第二行第一個字符地址為40H，但是因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是在顯示時的具體地址為80H+顯示位置的地址，如：第二行第一個字符顯示為80+40H=C0H。3.4 1602指令系統(tǒng)對于1602液晶模塊的所有操作都是通過指令系統(tǒng)來完成的，通過設(shè)置R/S,R/W可以控制1602液晶模塊進(jìn)入指令模式，然后在數(shù)據(jù)總線上寫入對應(yīng)的指令，最

31、后設(shè)置E執(zhí)行指令。1602內(nèi)置控制指令參考表如表4所示。表4 LCD1602控制指令序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址8寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容9從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容下面對上述控制詳細(xì)指令說明：指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。指

32、令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：DDRAM

33、地址設(shè)置。指令8：寫數(shù)據(jù)。指令9：讀數(shù)據(jù)。具體操作時序見表5（附操作時序圖，如圖12、13）表5 基本操作時序表讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無 圖12 讀操作時序 圖13 寫操作時序3.5 LCD1602與AT89S52連接電路圖如圖14所示LCD1602與單片機具體連接圖：圖14 LCD1602與單片機連接電路圖在水溫控制系統(tǒng)中，單片機的PO口上拉10K組排，連接到LCD1602的

34、D0D7數(shù)據(jù)端上作為數(shù)據(jù)的傳輸，并且連接好電源和地，通過軟件編程根據(jù)寫操作時序，可以向1602寫指令和寫數(shù)據(jù)，從而可以顯示當(dāng)前溫度和設(shè)置的溫度。- 15 -第四章 數(shù)字溫度傳感器DS18B20數(shù)據(jù)采集及介紹第四章 數(shù)字溫度傳感器DS18B20數(shù)據(jù)采集及介紹4.1 溫度傳感器DS18B20選取及特點本設(shè)計是基于單片機的水溫控制系統(tǒng)，所以需要一個讀取溫度的傳感器，將讀取到的溫度送入單片機進(jìn)行控制，然而傳統(tǒng)的溫度傳感器只是將溫度信號轉(zhuǎn)化成了電流或者電壓的模擬信號，而單片機能識別的是數(shù)字信號，所以如果使用一般的溫度傳感器還需要配合A/D,D/A轉(zhuǎn)換電路，先將測量的溫度值的電壓或電流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，

35、將模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號由單片機進(jìn)行控制，然后通過D/A轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為模擬信號顯示具體的溫度。通過以上對傳統(tǒng)的溫度傳感器進(jìn)行分析，在硬件方面要加入數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，在軟件方面還需要設(shè)計相關(guān)的轉(zhuǎn)換程序，增加的設(shè)計復(fù)雜程度和成本。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用美國達(dá)拉斯公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20作為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同，DS18B20可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，以供單片機處理，它還具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點。通過編程，DS18B20可以實現(xiàn)912位的溫度讀取。信息通過單總線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從單片機到D

36、S18B20僅需連接一條信號線，和地線。讀、寫和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部增加電源。總而言之，DS18B20具有以下特點： 1、采用單總線技術(shù)，與單片機通訊只要一個引腳。 2、將12位的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量所需的時間不超過750毫秒。 3、可以通過數(shù)據(jù)線提供電源，電壓范圍為35.5V。 4、測量范圍為-55+125，在-10+85范圍內(nèi)誤差為±0.5。 5、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9到12位選擇，可以配置實現(xiàn)912位的溫度讀取。 單總線技術(shù)適用于單主機系統(tǒng)，單主機能夠控制一個或者多個從機設(shè)備。主機可以是微控制器，從機可以是單線器件，他們之間的數(shù)據(jù)交換，

37、控制都是由這根線來完成。單總線通常要求外接一個月5K的上拉電阻，這樣當(dāng)總線閑置時，其狀態(tài)都為高電平。所有的單線器件都要遵循嚴(yán)格的協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。單總線協(xié)議有復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫1、寫0、讀1、讀0這幾種信號類型組成，這些信號從了應(yīng)答脈沖其他均由主機發(fā)出，并且所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的地位在前。4.2 DS18B20的介紹 DS18B20是美國達(dá)拉斯公司的單線數(shù)字溫度傳感器，采用單總線技術(shù)，可以通過一根總線完成溫度的讀取轉(zhuǎn)換以及傳輸。如圖15所示DS18B20引腳圖。 圖15 DS18B20引腳圖引腳功能說明： NC(1、2、6、7、8腳）：空引腳，懸空不使用。 VDD（3腳）：可選電

38、源腳，電源范圍為35.5V，當(dāng)工作在寄生電源時此引腳必須接地。 DQ：數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，漏極開路，常態(tài)下高電平。如下表7所示DS18B20儲存器結(jié)構(gòu)圖： 表7 DS18B20儲存器結(jié)構(gòu)寄存器內(nèi)容字節(jié)溫度值低位字節(jié)0溫度值高位字節(jié)1TH/用戶使用字節(jié)12TL/用戶使用字節(jié)23配置字節(jié)4保留字節(jié)5保留字節(jié)6保留字節(jié)7CRC字節(jié)8由上表可以看出，儲存器的頭兩個字節(jié)為測得溫度信息的低位和高位字節(jié)；暫存器的第五個字節(jié)是配置寄存器，可以通過相應(yīng)的寫命令進(jìn)行配置，其內(nèi)容如下表8：表8 溫度轉(zhuǎn)換分辨率配置0R1R011111MSB LSB 其中R1和R0是溫度值分辨率，可以按下表9進(jìn)行配置：表9 溫度轉(zhuǎn)換分

39、辨率配置R1R0分辨率最大轉(zhuǎn)換時間009位93.75ms0110位187.50ms1011位375ms1112位750ms DS18B20的核心功能部件是它的數(shù)字溫度傳感器，如上所述，它的分辨率可以配置為9、10、11、12位，出廠默認(rèn)設(shè)置是12位分辨率，他們對應(yīng)的溫度值分辨率分別為0.5， 0.25、0.125、0.0625。溫度信息的低位、高位字節(jié)內(nèi)容中還包括了符號位S（是正溫度還是負(fù)溫度）和二進(jìn)制的小數(shù)部分，其形式如表10所示表10 溫度值配置表低位232221202-12-22-32-4高位SSSSS262524這是12位分辨率的情況，如果配置為低的分辨率，則其中無意義為為0。實際溫度

40、和數(shù)字輸出對應(yīng)的關(guān)系如表11所示。表11 數(shù)字輸出與實際溫度對應(yīng)表溫度數(shù)字輸出（二進(jìn)制）數(shù)字輸出（十六進(jìn)制）+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00000191H+10.1250000 0000 1010 000000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 110

41、0 1001 0000FF6FH 4.3 DS18B20的數(shù)據(jù)處理以及電路圖4.3.1 DS18B20初始化單線總線上的所有操作都要從初始化開始，初始化過程如下：主機通過拉低（DQ=0）單線480s以上，產(chǎn)生復(fù)位脈沖，然后釋放總線（DQ=1），進(jìn)入Rx接受模式。主機釋放總線時，會產(chǎn)生一個上升沿。單線器件DS18B20檢測到該上升沿后，延時1560s，通過拉低總線60240s來產(chǎn)生應(yīng)答脈沖。主機接受到應(yīng)答脈沖后，說明DS18B20在線。4.3.2 DS18B20數(shù)據(jù)處理DS18B20要求有嚴(yán)格的時序來保證數(shù)據(jù)的完整性。在單線DQ上，存在復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫1、寫0、讀1、讀0幾種信號類型。而數(shù)

42、據(jù)位的讀和寫則是通過使用讀、寫時隙來實現(xiàn)的。首先寫時隙，當(dāng)主機將數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平時，產(chǎn)生寫時隙，其中有兩種類型的寫時隙：寫1和寫0。所有的寫時隙必須再60s以上，即由高拉低后持續(xù)60s以上，各個寫時隙之間必須保證最短1s的恢復(fù)時間。DS18B20在DQ線變低后的1560s的時間內(nèi)對DQ線進(jìn)行采樣，如果是高電平就寫1，低電平就寫0，對于主機產(chǎn)生寫1的時隙的情況，數(shù)據(jù)線必須先被拉低，然后釋放，在寫時隙開始后的15s，允許DQ線拉至高電平。對于寫0時隙的情況，DQ線必須被拉低電平至少保持低電平60s。再看讀時隙，當(dāng)主機從DS18B20讀數(shù)據(jù)時，把數(shù)據(jù)線從高電平拉至低電平，產(chǎn)生讀時隙。數(shù)據(jù)線D

43、Q必須保持低電平至少1s，來自DS18B20的輸出數(shù)據(jù)在讀時隙下降沿之后15s內(nèi)有效，因此，再次15s內(nèi)，主機必須停止將DQ引腳置低。在讀時隙結(jié)束時，DQ引腳將通過外部上拉電阻拉回至高電平。所有的讀時隙最短必須保持60s，各個讀時隙之間必須保證最短1s的恢復(fù)時間。所有的讀寫時隙至少需要60s，且每兩個獨立的時隙之間至少需要1s的恢復(fù)時間，在寫時隙中，主機將在拉低總線15s內(nèi)釋放總線，并向DS18B20寫1，若主機拉低總線后能保持至少60s的低電平，則向DS18B20寫0。DS18B20僅在主機發(fā)出讀時隙時才向主機傳輸數(shù)據(jù)，所以，當(dāng)主機向DS18B20發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時隙，一邊D

44、S18B20能傳輸數(shù)據(jù)。4.3.2 DS18B20連接電路圖DS18B20電路圖如圖16所示 圖16 DS18B20連接圖- 21 -第五章 基于單片機的水溫控制PID算法第五章 基于單片機的水溫控制PID算法5.1 模擬PID控制器 在某些工業(yè)控制系統(tǒng)中，常常采用PID可控制，其控制規(guī)律為： 式中Kp為比例增益，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，u（t）為控制量，e（t）為偏差。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，kp的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性；積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠地時間，積

45、分控制將能完全消除誤差，積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分作用可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)地穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)地動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)地動態(tài)性能。5.2 數(shù)字PID控制器 在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律地實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近地方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭?（1）數(shù)字PID位置型控制算法為了便于計算機實現(xiàn)，必須把式（認(rèn)為初始控制量為零）變換為差分方程，為此可作如下近似： 式中，T為采樣周期，K為采樣序號。根據(jù)模擬PID控制規(guī)律，可得出數(shù)字PID位置型控制規(guī)律為： （2）數(shù)字PID增

46、量型控制算法由可看出，位置型控制算式不夠方便，這是因為要累加偏差e（i），不僅要占用較多的存儲單元，而且不便于編寫程序，為此可對式進(jìn)行改進(jìn)。由位置型PID算法可寫出u（k1）的表達(dá)式，即 將和式相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為 u（k）u（k）u（k1） KPe(k)-e(k-1)KIe(k)+KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2) 其中Kp1/稱為比例增益；KiKpT/Ti稱為積分系數(shù)；KdKpTd/T稱為微分系數(shù)。 根據(jù)式可知：u（k）= u（k）+u（k1）那么u（k）=KPe(k)-e(k-1)KIe(k)+KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2)+u（k1）這就是位置型控制

47、算法的地推算法，與增量型的控制算法相似。5.3 溫度控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)參數(shù)及采樣周期的確定 簡單控制系統(tǒng)的品質(zhì)，與被控過程的特性，干擾信號的形式大小、控制方案及調(diào)節(jié)器的參數(shù)等因素密切相關(guān)，一旦控制方案確定，受工藝條件和設(shè)備特性的限制的廣義對象特性、干擾因素就完全確定，不可能隨意改變。這時控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)就取決于調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)整。 根據(jù)過程控制中調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法中，介紹了四種調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有：穩(wěn)定邊界法，衰減曲線法，相應(yīng)曲線法和經(jīng)驗法。本設(shè)計中調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定主要是用經(jīng)驗法確定相關(guān)的PID參數(shù)。由經(jīng)驗法給出如表12所示不同控制對象時，調(diào)節(jié)器的參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)。表12 不同控制對象調(diào)節(jié)

48、器參數(shù)表被控參數(shù)過程特點及常用調(diào)節(jié)規(guī)律比例度P積分時間Ti/min微分時間Td/min液位（P調(diào)節(jié)）過程時間常數(shù)較大，一般不用微分，精度要求不高可用P調(diào)節(jié)。2080流量（PI調(diào)節(jié)）過程時間常數(shù)小，被控參數(shù)有波動，一般選擇PI調(diào)節(jié)，P大一些，Ti要短，不要微分。401000.11壓力（PI調(diào)節(jié)）過程有容量滯后，不大，一般選用PI調(diào)節(jié)，不要微分。30700.43溫度（PID調(diào)節(jié)）過程容量滯后較大，被控參數(shù)受干擾后變換遲緩，需要加微分，一般選擇PID調(diào)節(jié)，P應(yīng)小，Ti要長。20603100.53數(shù)字PID控制與一般的采樣控制有些不同，它是用計算機對模擬PID控制進(jìn)行數(shù)字模擬的準(zhǔn)連續(xù)過程控制。這種控制

49、方式要求相當(dāng)短的采樣周期，與系統(tǒng)時間常數(shù)相比要充分小。采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，其控制效果就越接近于連續(xù)控制系統(tǒng)。但影響采樣周期的選擇的因素是多方面的，采樣周期T的選擇受各方面因素的影響，有時甚至是相互矛盾的，因此，必須根據(jù)具體情況和主要的要求做出折中的選擇。表13列出了常見被控量的采樣周期T的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，以供參考。在具體選擇采樣周期T時，可參照表13所示的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，再通過現(xiàn)場實驗，最后確定合適的采樣周期T。表13 不同控制對象采樣周期表被控量采樣周期Ts備注流量15優(yōu)先選用l2s壓力310優(yōu)先選用68s液位68優(yōu)先選用7 s溫度1520優(yōu)先選用7 s 成分1520優(yōu)先選用18 s 根據(jù)以上

50、分析，水溫控制系統(tǒng)采用PID算法控制，采樣周期T設(shè)置為10s，參數(shù)Kp=5，Ki=0.05，Kd=30。下圖所示PID控制加熱算法流程圖。如圖17所示。 圖17 PID加熱控制流程說明：t為當(dāng)前水溫度，set_temp為設(shè)置的水溫，ek、ek1、ek2為偏差，u-k為PID增量，uk、uk1為控制量，繼電器控制加熱。- 27 -第六章 基于單片機的水溫控制系統(tǒng)的整體實現(xiàn)及功能第六章 基于單片機的水溫控制系統(tǒng)的整體實現(xiàn)及功能6.1 水溫控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)以上前五章都分別介紹了控制芯片AT89S52、電源和穩(wěn)壓電路、數(shù)字溫度傳感器DS18B20和用來顯示的LCD1602、現(xiàn)在我們來講一下整個水溫控

51、制系統(tǒng)是如何實現(xiàn)的，如下圖18所示，水溫控制系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)及按鈕的連接電路圖。 圖18 單片機最小系統(tǒng)及按鈕連接圖 如上圖所示，K2為復(fù)位按鈕，作為整個系統(tǒng)的復(fù)位開關(guān)；P3口作為獨立鍵盤的輸入口，通過獨立鍵盤的設(shè)置輸入，四個按鈕分別為：“設(shè)置”、“加”、“減”、“確定”，通過這四個按鈕可以設(shè)置要這只的水溫，然后按確定按鈕開始加熱；由P0口上拉10K電阻接液晶顯示LCD1602、作為顯示，通過編程可以顯示當(dāng)前溫度和設(shè)置的溫度、DS18B20的DQ段接單片機的P3.4口（第四章中已經(jīng)講過）。利用P1.1作為輸出，控制驅(qū)動電路從而控制加熱設(shè)備，電路圖如圖19所示。由圖可以看出220V電壓通過繼電器連接了加熱裝置，P1.1連接電阻接三極管來控制繼電器線圈的得電。當(dāng)P1.1輸出高電平三極管不導(dǎo)通，繼電器線圈不會得電，繼電器開關(guān)不會閉合，然后不會加熱。當(dāng)P1.1輸出低電平時，三極管導(dǎo)通5V電壓加到線圈兩端，線圈得電，繼電器