單片機控制自動恒溫箱畢業(yè)設(shè)計論文

摘要近年來單片機發(fā)展十分迅速，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個行業(yè)。而溫度的測量及控制變得越來越重要，溫度的控制在各個領(lǐng)域都有積極的意義。傳統(tǒng)的溫度采集方法不僅費時費力，而且精度差，單片機的出現(xiàn)使得溫度的采集和數(shù)據(jù)處理問題能夠得到很好的解決。所以采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單、靈活性大等特點，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。本設(shè)計是基于AT89C51單片機的恒溫箱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，其中硬件包括：溫度傳感器、顯示、控制和報警的設(shè)計；軟件包括：顯示程序設(shè)計、控制程序設(shè)計和溫度報警程序設(shè)計。編寫程序結(jié)合硬件進行調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行顯示屏顯示，當加熱到設(shè)定值后立刻報警。本設(shè)計從實際應(yīng)用出發(fā)選取了體積小、精度相對高的數(shù)字式溫度傳感元件DS18B20作為溫度采集器，單片機AT89C51作為主控芯片，LCD1602作為顯示輸出，并且其中包含了PID算法，實現(xiàn)了對溫度的實時測量與恒定控制。關(guān)鍵詞：單片機；恒溫；控制；報警；PIDAbstractInrecentyears,microcontrollerisdevelopedveryrapid,microcontrollerapplicationshavepenetratedintovariousindustries.Andthemeasurementandcontroloftemperaturebecomesmoreandmoreimportant,thetemperaturecontrolhasapositivesignificanceinvariousfields.Thetraditionalmethodoftemperatureacquisitionisnotonlytime-consumingandlaborious,butpooraccuracy,theemergenceofmicrocontrollermakestheproblemofdataacquisitionandprocessingtemperaturecangetverygoodsettlement.Sousingmicrocontrollertocontroltemperatureisnotonlyeasytocontrol,simple,flexibilityandothercharacteristics,butalsocangreatlyimprovethetemperaturewhichwaschargedwithtechnicalindicators,whichcangreatlyimprovethequalityoftheproduct.Thermostaticcontrolplayadecisiveroleintheprocessofindustrialproduction,temperaturecontroldirectlyaffectstheyieldandqualityofindustrialproduction.ThisdesignistheconstanttemperatureboxcontrolsystembasedonAT89C51microcontroller,thesystemisdividedintotwopartsofhardwareandsoftware,thehardwareincludes:temperaturesensor,display,controlandalarmdesign;softwareincludes:adisplayprogramdesign,programdesignandtemperaturealarmprogramdesign.Writeaprogramcombininghardwaredebugging,canrealizethesettingandadjustingtheinitialtemperature,fordisplay,alarmimmediatelywhenheatedtothesetvalue.Thedesignfrompracticalapplicationselectedsmall,relativelyhighaccuracydigitaltemperaturesensorDS18B20asthetemperaturelogger,AT89C51microcontrollerasthemasterchip,LCD1602asdisplayoutput,andalsocontainsthePIDalgorithm,realizethereal-timemeasurementoftemperatureandconstantcontrol.Keywords：microcontroller；thermostat；control；alarm；PID目錄TOC\o"1-2"\u第1章緒論 11.1課題背景 11.2課題意義 11.3課題內(nèi)容 21.4恒溫箱的發(fā)展與趨勢 21.5本文結(jié)構(gòu)安排 3第2章系統(tǒng)概述 42.1設(shè)計思路分析 42.2系統(tǒng)需求分析 42.3方案選擇 52.4恒溫箱的工作過程 62.5本章小結(jié) 6第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計 73.1硬件電路設(shè)計概述 73.2系統(tǒng)功能介紹 83.3時鐘頻率電路設(shè)計 83.4顯示電路的設(shè)計 93.5開關(guān)鍵盤設(shè)計 113.6溫度報警電路設(shè)計 123.7溫度采集電路 133.8本章小結(jié) 19第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計 204.1軟件任務(wù)分析 204.2程序流程圖 204.3系統(tǒng)控制算法 244.4參數(shù)整定 264.5本章小結(jié) 27結(jié)論 28參考文獻 29致謝 30附錄 31第1章緒論1.1課題背景二十一世紀是科技高速發(fā)展的信息時代，電子技術(shù)、微型單片機技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛，是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的。由于它具有體積小、功能強、性價比高等特點，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化。智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計。它迅猛的發(fā)展到了各個領(lǐng)域，人們也越來越感到應(yīng)用單片機技術(shù)的優(yōu)越性，因而單片機也得到了廣泛的應(yīng)用。同時，它也不斷地完善和發(fā)展。智能恒溫箱的溫度是醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)和食品加工等領(lǐng)域的關(guān)鍵，因此對溫度的測量及控制始終占據(jù)著重要的地位。市場上常見的溫度傳感器以電壓輸出為主要形式，不同的的傳感器其非線性曲線也各不相同，缺乏一個產(chǎn)品應(yīng)具備的通用性和互換性。溫度傳感器應(yīng)用范圍很廣、使用數(shù)量很大，但是在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中由于溫度受其它因素影響較大，而且難以校準，因此，溫度也是最難準確測量的一個參數(shù)。常規(guī)方法測量溫度誤差大、準確度低、測量滯后的時間長。傳統(tǒng)的溫度檢測大多以熱敏電阻為溫度傳感器，但熱敏電阻的可靠性差、測量溫度準確率低，而且必須經(jīng)過專門的接口電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能由單片機進行處理。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強，價格低廉，在各方面得到廣泛應(yīng)用。在溫度控制器中應(yīng)用單片機，具有設(shè)計簡單、可靠性高、控制精度高，功能易擴展，有較強的通用性等優(yōu)點。溫度控制器主要實現(xiàn)對恒溫箱溫度的控制，并滿足不同用戶的個性需求。因此一個較完善的控制器應(yīng)具有以下功能：溫度的測量與顯示；用戶設(shè)定功能(如溫度設(shè)定，定時設(shè)定等)；對電加熱管的控制功能；一些功能鍵(如定時自動加熱，恒溫控制，手動加熱等)；安全措施(漏電檢測，安全失效保護，限溫保護等)。1.2課題意義溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制，特別是在冶金、化工、建材、食品、機械、石油等工業(yè)中，具有舉足重輕的作用，其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。對于不同場所、不同工藝、所需溫度高低范圍不同、精度不同，則采用的測溫元件、測溫方法以及對溫度的控制方法也將不同；產(chǎn)品工藝不同、控制溫度的精度不同、時效不同，則對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制算法也不同。因而，對溫度的測控方法多種多樣。隨著電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。利用微機對溫度進行測控的技術(shù)，也便隨之而生，并得到日益發(fā)展和完善，越來越顯示出其優(yōu)越性。單片機已經(jīng)在測控中獲得了廣泛的應(yīng)用，它除了可以測量電信號以外，還可以用于溫度、濕度等非電信號的測量，能獨立工作的單片機溫度檢測、溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域。1.3課題內(nèi)容本設(shè)計采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得測量溫度更加精確。數(shù)字溫度傳感器DS18B20只用一個引腳即可與單片機進行通信，大大減少了接線的麻煩，使得單片機更加具有擴展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通過單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實用性，更能串接多個數(shù)字溫度傳感器DS18B20進行多范圍的溫度檢測。由于單片機功能強大，可大大加快系統(tǒng)的開發(fā)與調(diào)試速度，并具有控制方便、簡單、靈活等特點，因此本設(shè)計采用單片機為主控制器，通過數(shù)字傳感器測得箱內(nèi)溫度，再將溫度信號送入主控制器，來完成恒溫箱的溫度控制。箱內(nèi)溫度可保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，當設(shè)置的溫度低于實時溫度時，單片機送出加熱信號；當設(shè)置的溫度高于實時溫度時，單片機送出停止信號。1.4恒溫箱的發(fā)展與趨勢溫度控制技術(shù)在現(xiàn)代信息技術(shù)中是三大基礎(chǔ)之一。恒溫箱不管是在生活上，還是在工業(yè)上都有著巨大的經(jīng)濟效益。恒溫箱自動控制系統(tǒng)在國內(nèi)外都到研究與發(fā)展。恒溫箱的控制系統(tǒng)從開始的由人工調(diào)節(jié)達到需要的溫度及控制，到現(xiàn)在發(fā)展到采用單片機的自動控制其溫度。恒溫箱最基礎(chǔ)的器件是由溫度檢測系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，單片機為核心，溫度顯示的組成。溫度檢測系統(tǒng)一般使用溫度傳感器。溫度傳感器從1821年由德國物理學(xué)家賽貝發(fā)明后到熱電偶傳感器。在德國西門子發(fā)明了鉑電阻，后在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。20世紀90年代時又發(fā)明了智能溫度傳感器。這樣可控制的溫度范圍有所加大，溫度控制的精度也逐步提高。模數(shù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)實中各種模擬信號通向數(shù)字化數(shù)字世界的橋梁。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器有8位，12，14，16，24位等。ADC的位數(shù)越高分辨率也越高，位數(shù)越高，精度也越高?，F(xiàn)在工業(yè)需要高精度的電器也越來越多。對不同的產(chǎn)品要求的精度不一樣，對ADC的選擇也不一樣。單片機是一種集成電路的芯片。從1976年起是單片機的開始階段到1978年的單片機的完善階段。到了1982年后到1990年，8位的單片機得到鞏固發(fā)展，以及16位單片機推出。從1990到現(xiàn)在微控制器的全面發(fā)展階段。所以單片機深入了各個領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。因此產(chǎn)品越來越智能化多樣化。顯示一般有數(shù)碼管和液晶顯示。

國內(nèi)恒溫箱的現(xiàn)狀多為傳統(tǒng)式電子產(chǎn)品，而國外溫度控制技術(shù)發(fā)展較為成熟。溫度傳感器采用熱敏電阻或熱電阻，部分產(chǎn)品溫度設(shè)定和電熱絲開關(guān)通過觸摸鍵和液晶顯示屏實現(xiàn)人機交互界面，電熱絲開關(guān)切換自動完成，運算放大電路和開關(guān)電路實現(xiàn)雙位調(diào)節(jié)。這類智能恒溫箱產(chǎn)品改善了人機交互界面，解決了“溫度設(shè)定分度值過粗”等問題，但仍存在“控制精度不高”、“時間常數(shù)大”、“操作較復(fù)雜”等問題。近年來，溫度控制器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬溫度控制器和網(wǎng)絡(luò)溫度控制器、研制單片測溫控溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。以當今控制技術(shù)的發(fā)展智能控制溫控器將會很快取代傳統(tǒng)式電子產(chǎn)品。1.5本文結(jié)構(gòu)安排：緒論。簡要介紹了智能恒溫箱的發(fā)展現(xiàn)狀，說明了課題研究的內(nèi)容。：恒溫箱的概述。說明了恒溫箱的工作過程和主要功能，介紹了設(shè)計中需要用的單片機的基礎(chǔ)知識。：恒溫箱的硬件電路設(shè)計。詳細描述了本課題各個組成電路單元的設(shè)計。：恒溫箱的軟件設(shè)計。編寫程序。第2章系統(tǒng)概述單片機已經(jīng)在測控中獲得了廣泛的應(yīng)用，它除了可以測量電信號以外，還可以用于溫度、濕度等非電信號的測量，能獨立工作的單片機溫度檢測、溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域。單片機的接口信號是數(shù)字電信號，要想用單片機獲取溫度這類非電信號的信息，毫無疑問，必須使用溫度傳感器。溫度傳感器的作用是將溫度信息轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出，如果轉(zhuǎn)換后的電流或電壓輸出是模擬信號，那么還必須進行A/D轉(zhuǎn)換，以滿足單片機接口的需要。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強，價格低廉，在各方面得到廣泛應(yīng)用。在溫度控制器中應(yīng)用單片機，具有設(shè)計簡單、可靠性高、控制精度高，功能易擴展，有較強的通用性等優(yōu)點。溫度控制器主要實現(xiàn)對恒溫箱溫度的控制，并滿足不同用戶的個性需求。因此一個較完善的控制器應(yīng)具有以下功能：溫度的測量與顯示；溫度設(shè)定功能；對燈泡的控制功能；安全措施等。本文將采用一種數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)基于51單片機的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計。整個控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計和軟件程序設(shè)計兩部分。2.1設(shè)計思路分析設(shè)計51單片機的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計時，需要考慮下面4個方面的內(nèi)容：（1）選擇合適的溫度傳感器芯片。顯然，本文中的核心器件是單片機和溫度傳感器，單片機采用常用的51單片機即可，而溫度傳感器的選擇則需慎重。（2）單片機和溫度傳感器的接口電路設(shè)計。（3）控制溫度傳感器實現(xiàn)溫度信息采集以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計。（4）程序設(shè)計中運用PID算法保證精確控制。2.2系統(tǒng)需求分析（1）在使用中可以將采集來的溫度數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)換為我們熟悉的攝氏溫度。（2）在0~125℃的范圍內(nèi)，人們可以自由調(diào)節(jié)預(yù)期達到的溫度。（3）將設(shè)定的預(yù)期溫度和實時溫度能顯示出來。（4）可以將實時溫度與設(shè)定溫度進行比對，以調(diào)節(jié)溫度。2.3方案選擇方案一：采用熱敏電阻，可滿足40～90℃的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性都比較差，其測量溫度范圍相對較小，穩(wěn)定性較差，不能滿足本系統(tǒng)溫度控制的范圍要求。方案二：采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000。鉑熱電阻的物理化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測溫元件，且此元件線性較好。在0—100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻與溫度關(guān)系是，Rt=R0(1+At+Bt*t);其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；R0是溫度為0攝氏度時的電阻；t為任意溫度值，A，B為溫度系數(shù)。方案三：采用模擬溫度傳感器AD590K，AD590K具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于0.1℃），其良好的非線性可以保證優(yōu)于±0.1℃的測量精度。但其測量的值需要經(jīng)過運算放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換再傳給單片機，硬件電路較復(fù)雜，調(diào)試也會相對困難，所以本系統(tǒng)不宜采用此法。方案四：采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20提供九位溫度讀數(shù)，測量范圍-55℃~125℃，采用獨特1-WIRE總線協(xié)議，只需一根口線即實現(xiàn)與MCU的雙向通訊，具有連接簡單，高精度，高可靠性等特點。并且DS18B20支持一主多從。若想實現(xiàn)多點測溫，可方便擴展。綜合以上四種方案，本設(shè)計采用第四種方案，利用數(shù)字溫度計DS18B20作為溫度傳感器。2.3.2顯示部件選擇方案一：采用I/O口直接驅(qū)動，需要占用大量可貴的I/O口資源，且系統(tǒng)運行后，更換元件不易，不符合系統(tǒng)設(shè)計的可靠性、易擴展性原則。方案二：采用串行口驅(qū)動、靜態(tài)顯示，利用單片機的串行口輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，可節(jié)省大量的I/O口，但每個數(shù)碼管必須有一個驅(qū)動芯片，且每位段碼須接一個限流電阻，所須元件多，硬件電路比較復(fù)雜。方案三：采用串行口驅(qū)動、動態(tài)掃描顯示，利用單片機的串行口輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，多個數(shù)碼管可共用驅(qū)動芯片和限流電阻。這樣既可以簡化硬件電路，又可以節(jié)省大量的I/O口線，為功能擴展留下空間。綜合以上三種方案，本設(shè)計采用方案三：串行口驅(qū)動、動態(tài)顯示。根據(jù)系統(tǒng)具體指標要求，可以對每一個具體部分進行分析設(shè)計。2.4恒溫箱的工作過程（1）設(shè)定預(yù)期溫度。調(diào)節(jié)預(yù)期的溫度，如果想加一攝氏度就按下“加”鍵，如果想減一攝氏度就按一下“減”鍵，溫度LCD顯示屏上會顯示改變后的溫度，調(diào)整范圍為0~125℃。（2）溫度采集和計算。單片機通過與溫度傳感器進行通信，獲取實時溫度信息，并將所獲取的溫度信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攝氏溫度的形式存儲起來。（3）溫度比較和溫度調(diào)節(jié)。將存儲的實時攝氏溫度與設(shè)定的預(yù)期溫度經(jīng)行比較。如果實時溫度高于設(shè)定溫度，則熄滅燈泡；如果實時溫度低于設(shè)定溫度，則開啟燈泡。（4）設(shè)定溫度顯示。LCD顯示屏上“Set”后為存儲的設(shè)定溫度。（5）實時溫度顯示。LCD顯示屏上“Now”后為存儲的實時溫度。總而言之，本課題利用89C51單片機及外圍接口實現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計了恒溫箱，該恒溫箱提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，是一個實用的設(shè)計工程。2.5本章小結(jié)本章主要講述了恒溫箱主要部件的選擇及其工作原理。在說明工作原理的過程中，突出了電路的組成單元以及這些單元如何實現(xiàn)溫度采集和溫度控制等功能。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1硬件電路設(shè)計概述本設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，這兩者相互結(jié)合，不可分離：從時間上看，硬件設(shè)計的絕大部分工作量是在最初階段，到后期往往還要做一些修改。只要技術(shù)準備充分，硬件設(shè)計的大量返工是比較少的，軟件設(shè)計的任務(wù)是貫徹始終的，到中后期基本上都是軟件設(shè)計任務(wù)，隨著集成電路計數(shù)器的飛速發(fā)展，各種功能很強的芯片不斷出現(xiàn)，使硬件電路的集成度越來越高，硬件設(shè)計的工作量在整個項目中所占的比重逐漸下降，為使硬件電路設(shè)計盡可能合理，應(yīng)注意以下幾個方面：（1）盡可能采用功能強的芯片，以簡化電路。功能強的芯片可以代替若干個普通芯片，隨著生產(chǎn)工藝的提高，新型芯片的價格在不斷下降，并不一定比若干個普通芯片價格總和高。（2）留有設(shè)計余地。在設(shè)計硬件電路時，要考慮到將來修改擴展的方便。因為很少有一錘定音的電路設(shè)計，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點小小的修改或擴展而被迫進行全面返工。（3）程序空間。選用片內(nèi)程序空間足夠大的單片機，本設(shè)計采用80C51單片機。（4）RAM空間，80C51單片機內(nèi)部RAM不多，當要增強軟件數(shù)據(jù)處理功能時，往往覺得不足。如果系統(tǒng)配置了外部RAM，則建議多留一些空間。如果選用8155作I/O接口，就可以增強256字節(jié)RAM。如果有大批數(shù)據(jù)需要處理，則應(yīng)配置足夠的RAM，如6264、62256等。隨著軟件設(shè)計水平提高，往往只要改變或者增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。只要在硬件電路設(shè)計初期考慮到這一點，就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級留有足夠的RAM空間。I/O端口，在樣機研制出來后進行現(xiàn)場試用時，往往會發(fā)現(xiàn)一些被忽視的問題，而這些問題不是靠單純的軟件措施來解決的。如果有些新的信號需要采集，就必須增加輸入檢測端：有些物理量需要控制，就必須增加輸出端。如果在硬件電路設(shè)計就預(yù)留出一些I/O端口，雖然當時空著沒用，那么要用的時候就能派上用場了。3.2系統(tǒng)功能介紹根據(jù)恒溫箱控制器的功能要求，并結(jié)合對51系列單片機的資源分析，即單片機軟件編程自由度大，可用編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。所以采用AT89C51作為電路系統(tǒng)的控制核心。恒溫箱控制器的總體布局如圖3-1所示。按鍵將設(shè)置好的溫度值傳給單片機，通過溫度顯示模塊顯示出來。初始溫度設(shè)置好后，單片機開啟輸出控制模塊，使燈泡開始加熱，同時將從數(shù)字溫度傳感器DS18B20測量到的溫度值實時的顯示出來，當加熱到設(shè)定溫度值時，單片機控制聲光報警模塊，發(fā)出聲光報警，同時發(fā)出信號關(guān)閉燈泡。當自然冷卻到設(shè)定溫度以下時，單片機再次啟動加熱器，如此循環(huán)反復(fù)，以達到恒溫控制的目的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。溫度采集溫度采集輸出控制聲光報警按鍵控制溫度顯示微控制器圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)是采用模塊化設(shè)計的智能恒溫箱，在生活中有廣泛的應(yīng)用，系統(tǒng)上電后默認設(shè)定的恒溫溫度為30℃，使用時可以自行調(diào)節(jié)預(yù)期的恒溫溫度，調(diào)節(jié)范圍為0~125℃。調(diào)節(jié)好后系統(tǒng)會將采集來的實時溫度與設(shè)定的預(yù)期溫度進行比較，如果實時溫度比設(shè)定溫度高就關(guān)閉加熱設(shè)備，如果實時溫度比預(yù)期溫度低就開啟加熱設(shè)備。3.3時鐘頻率電路設(shè)計單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作，在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定周期的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片的工作頻率，時鐘電路如圖3-2所示。圖3-2時鐘電路一般選用石英晶體振蕩器。此電路大約延遲10ms后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要有石英晶體的頻率確定。電路中兩個電容C3、C4的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C3、C4的典型值為22pF。單片機工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期，其大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，時鐘信號頻率常用fosc表示。3.4顯示電路的設(shè)計3.4.1顯示電路概述顯示功能與硬件關(guān)系極大，在這里我們使用的是LCD顯示屏顯示，通常在顯示上我們采用的方法一般包括兩種：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)掃描。其中靜態(tài)顯示的特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多；動態(tài)掃描的特點是顯示穩(wěn)定程度沒有靜態(tài)顯示好，程序編寫復(fù)雜，但是相對靜態(tài)顯示而言最大的優(yōu)點是占用端口資源少。由于本設(shè)計需要較多的端口用于其它的功能因此采用占用端口少的動態(tài)掃描顯示的辦法。以下將對顯示電路的各個部件及整體設(shè)計做詳細的介紹。3.4.2LCD顯示屏工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16x2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。本次設(shè)計所用的LCD顯示屏的引腳如圖3-3所示。圖3-3LCD顯示屏引腳圖1602采用標準的16腳接口，其中：第1腳：GND為電源地；第2腳：VCC接5V電源正極；第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，電平(0)時進行寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端，高電平(1)時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。1602LCD有以下特性：3.3V或5V工作電壓，對比度可調(diào)；內(nèi)含復(fù)位電路；提供各種控制命令，如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能；有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM；內(nèi)建有192個5x7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM；8個可由用戶自定義的5x7的字符發(fā)生器CGRAM。特征應(yīng)用：微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。3.4.3顯示電路整體設(shè)計顯示電路如圖3-4所示：圖3-4顯示電路圖中VEE接一外接電阻R4，VDD接電源，VSS接地，RS、RW、E分別接單片機的P1.0、P1.1、P1.2，而單片機的P0.0~P0.7則接D0~D7。3.5開關(guān)鍵盤設(shè)計按鍵開關(guān)為機械彈性開關(guān)，當按下鍵帽時，按鍵內(nèi)的復(fù)位彈簧片被壓縮，動片觸電與靜片觸電相連，鍵盤的兩個引腳被接通；松手后，復(fù)位彈簧將動片彈開，使動片與靜片脫離接觸，鍵盤的兩個引腳被斷開。由于機械接觸點的彈性作用，一個按鍵從開始接上至接觸穩(wěn)定要經(jīng)過5~10ms的抖動時間，在此期間，有抖動發(fā)生。按鍵抖動波形如圖3-5所示。圖3-5按鍵抖動電壓波形按鍵開關(guān)輸入需要解決的兩個主要問題是判斷是否有按鍵按下和消除按鍵抖動的影響。按鍵的確認反映在電壓上，就是和按鍵相連的引腳呈現(xiàn)出高電平還是低電平。消除按鍵的抖動通常有硬件、軟件兩種消除方法。一般在按鍵較多時，采用軟件的方法消除抖動，即在第一次檢測到有按鍵按下時，執(zhí)行一段延時12~15ms的子程序后，再確認該鍵電平是否任保持為閉合狀態(tài)電平，如果保持為閉合狀態(tài)電平就可以確認真有按鍵按下，從而消除抖動的影響。一般電子裝置中都設(shè)計有按鍵輸入，用以控制程序執(zhí)行時數(shù)據(jù)的輸入或是特殊功能的設(shè)置及操作。在控制電路中，如果按鍵數(shù)不多時可以使用一個按鍵對應(yīng)一條輸入位線控制，即獨立式按鍵。這種接法，一根輸入線上的按鍵是否被按下，不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷哪個鍵按下了。獨立式按鍵可以用單穩(wěn)態(tài)鎖存器消除抖動。如果監(jiān)控程序中的讀鍵操作安排在主程序（后臺程序）或鍵盤中斷（外部中斷）子程序中，則該延時子程序便可直接插入讀鍵過程中。如果讀鍵過程安排在定時中斷子程序中，就可省去專門的延時子程序，利用兩次定時中斷的時間間隔來完成抖動處理。按鍵電路如圖3-6所示。圖3-6按鍵電路3.6溫度報警電路設(shè)計報警電路如圖3-7所示，該電路采用一個小功率三極管Q2驅(qū)動蜂鳴器SPEAKER，當單片機接收到超額溫度信號或危險信號時，輸出腳SPEAKER輸出高點平，Q2導(dǎo)通，致使蜂鳴器SPEAKER得電工作，發(fā)出報警聲。同時，電路中的發(fā)光二極管指示出電路的工作狀態(tài)。圖3-7溫度報警電路3.7溫度采集電路3.7.1DS18B20測溫電路DS18B20數(shù)字溫度計是Dallas公司生產(chǎn)的1－Wire器件，即單總線器件。與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同，DS18B20可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號，以供單片機處理，具有連線簡單、微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、精度高等特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有電路簡單，在一根通信線上可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。目前已被眾多行業(yè)進行廣泛的運用（鍋爐、溫控表糧庫、冷庫、工業(yè)現(xiàn)場溫度監(jiān)控、儀器儀表溫度監(jiān)控、農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)控等）。通過編程，DS18B20可以實現(xiàn)9～12位的溫度讀數(shù)。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從微處理器到DS18B20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，而不需要外部電源。每片DS18B20在出廠時都設(shè)有唯一的產(chǎn)品序列號，因此多個DS18B20可以掛接于同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度傳感器，特別適合于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。3.7.2DS18B20的特點介紹獨特的單線接口方式，與單片機通信只需一個引腳，DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

（2）在使用中不需要任何外圍元件。

（3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0～+5.5V。

（4）測溫范圍為-55～+125℃。在-10～+85℃范圍內(nèi)誤差為0.5℃。

（5）通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

（6）用戶可自設(shè)定非易失性的報警上下限值。

（7）支持多點組網(wǎng)功能，通過識別芯片各自唯一的產(chǎn)品序列號從而實現(xiàn)單線多掛接，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的線上，簡化了分布式溫度檢測的應(yīng)用，實現(xiàn)多點測溫。

（8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。（9）告警尋找命令可以識別和尋址那些溫度超出預(yù)設(shè)告警界限的器件。3.7.3單線（1-wire）技術(shù)目前常用的微機和外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€有I2C總線、SPI總線等，其中，I2C總線采用同步串行兩線（一根時鐘線、一根數(shù)據(jù)線）方式，而SPI總線采用同步串行三線（一根時鐘線、一根輸入線和一根數(shù)據(jù)出線）方式。這兩種總線需要至少兩根或兩根以上的信號線。美國達拉斯半導(dǎo)體公司推出了一項特有的單線（1-wire）技術(shù)。該技術(shù)與上述總線不同，它采用單根信號線，即可傳輸時鐘，又能傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單線技術(shù)具有線路簡單、硬件開銷少、成本低廉、便于擴展的優(yōu)點。單線技術(shù)適用于單主機系統(tǒng)，單主機能夠控制一個或多個從機設(shè)備。主機可以是微控制器，從機可以是單線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換、控制都由這根線完成。主機或從機通過一個漏極開路或三態(tài)端口連至數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時能夠釋放該線，而讓其他設(shè)備使用。單線通常要外接一個約5KΩ的上拉電阻，這樣，當該線閑置時，其狀態(tài)為高電平。主機和從機之間的通信主要分3個步驟：初始化單線器件、識別單線器件和單線數(shù)據(jù)傳輸。由于只有一根線通信，所以它們必須是嚴格的主從結(jié)構(gòu)，只有主機呼叫從機時，從機才能應(yīng)答，主機訪問每個單線器件必須嚴格遵循單線命令序列，即遵守上述3個步驟的順序。如果命令序列混亂，單線器件將不會響應(yīng)主機。所有的單線器件都要遵循嚴格的協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。1-wire協(xié)議由復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫0、寫1、讀0和讀1這幾種信號類型組成。這些信號中，除了應(yīng)答脈沖，其他均由主機發(fā)起，并且所有命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的地位在前。3.7.4DS18B20的引腳及功能介紹DS18B20的外形及TO-92封裝引腳排列見圖3-8，其引腳功能描述見表3-1。圖3-8DS18B20表3-1DS18B20引腳功能描述序號名稱引腳功能描述1GND地信號2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3VDD可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。3.7.5DS18B20在電路中的連接1-wire總線支持一主多從式結(jié)構(gòu)，當一方完成數(shù)據(jù)通信需要釋放總線時，只需將總線置高點平即可；若需要獲得總線進行通信時則要監(jiān)視總線是否空閑，若空閑，則置低電平獲得總線控制權(quán)。溫度采集電路如圖3-9所示：圖3-9溫度采集電路圖中U2為溫度采集電路的核心部件，溫度傳感器DS18B20。下面將詳細介紹它的參數(shù)和用法。DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器，為計數(shù)器1提供一頻率穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。

高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數(shù)器2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。

初始時，溫度寄存器被預(yù)置成-55℃，每當計數(shù)器1從預(yù)置數(shù)開始減計數(shù)到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加1℃，這個過程重復(fù)進行，直到計數(shù)器2計數(shù)到0時便停止。

初始時，計數(shù)器1預(yù)置的是與-55℃相對應(yīng)的一個預(yù)置值。以后計數(shù)器1每一個循環(huán)的預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計數(shù)器1的預(yù)置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值增加1℃計數(shù)器所需要的計數(shù)個數(shù)。

DS18B20內(nèi)部的比較器以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計數(shù)器2停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器1中的計數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與0.25℃進行比較，若低于0.25℃，溫度寄存器的最低位就置0；若高于0.25℃，最低位就置1；若高于0.75℃時，溫度寄存器的最低位就進位然后置0。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最后位代表0.5℃，四舍五入最大量化誤差為±1/2LSB，即0.25℃。

溫度寄存器中的溫度值以9位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位，其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結(jié)束時，這9位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第一字節(jié)，8位溫度數(shù)據(jù)占據(jù)第二字節(jié)。

DS18B20測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)。DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當計數(shù)門打開時，DS18B20進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結(jié)果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應(yīng)該為9位，但因符號位擴展成高8位，所以最后以16位補碼形式讀出。

DS18B20工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化——ROM操作命令——存儲器操作命令——處理數(shù)據(jù)

（1）初始化

單總線上的所有處理均從初始化序列開始。初始化序列包括總線主機發(fā)出一復(fù)位脈沖，接著由從屬器件送出存在脈沖。存在脈沖讓總線控制器知道DS1820在總線上且已準備好操作。

（2）ROM操作命令

一旦總線主機檢測到從屬器件的存在，它便可以發(fā)出器件ROM操作命令之一。所有ROM操作命令均為8位長。這些命令列表如下：

ReadROM(讀ROM)[33H]

此命令允許總線主機讀DS18B20的8位產(chǎn)品系列編碼，唯一的48位序列號，以及8位的CRC。此命令只能在總線上僅有一個DS18B20的情況下可以使用。如果總線上存在多于一個的從屬器件，那么當所有從片企圖同時發(fā)送時將發(fā)生數(shù)據(jù)沖突的現(xiàn)象（漏極開路會產(chǎn)生線與的結(jié)果）。

MatchROM(符合ROM)[55H]

此命令后繼以64位的ROM數(shù)據(jù)序列，允許總線主機對多點總線上特定的DS18B20尋址。只有與64位ROM序列嚴格相符的DS18B20才能對后繼的存貯器操作命令作出響應(yīng)。所有與64位ROM序列不符的從片將等待復(fù)位脈沖。此命令在總線上有單個或多個器件的情況下均可使用。

SkipROM(跳過ROM)[CCH]

在單點總線系統(tǒng)中，此命令通過允許總線主機不提供64位ROM編碼而訪問存儲器操作來節(jié)省時間。如果在總線上存在多于一個的從屬器件而且在SkipROM命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個從片同時發(fā)送數(shù)據(jù)，會在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉會產(chǎn)生線與的效果）。

SearchROM(搜索ROM)[F0H]

當系統(tǒng)開始工作時，總線主機可能不知道單線總線上的器件個數(shù)或者不知道其64位ROM編碼。搜索ROM命令允許總線控制器用排除法識別總線上的所有從機的64位編碼。

AlarmSearch(告警搜索)[ECH]

此命令的流程與搜索ROM命令相同。但是，僅在最近一次溫度測量出現(xiàn)告警的情況下，DS18B20才對此命令作出響應(yīng)。告警的條件定義為溫度高于TH或低于TL。只要DS18B20一上電，告警條件就保持在設(shè)置狀態(tài)，直到另一次溫度測量顯示出非告警值或者改變TH或TL的設(shè)置，使得測量值再一次位于允許的范圍之內(nèi)。貯存在EEPROM內(nèi)的觸發(fā)器值用于告警。

（3）存儲器操作命令

WriteScratchpad（寫暫存存儲器）[4EH]

這個命令向DS18B20的暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址2。接下來寫入的兩個字節(jié)將被存到暫存器中的地址位置2和3?？梢栽谌魏螘r刻發(fā)出復(fù)位命令來中止寫入。

ReadScratchpad（讀暫存存儲器）[BEH]

這個命令讀取暫存器的內(nèi)容。讀取將從字節(jié)0開始，一直進行下去，直到第9（字節(jié)8，CRC）字節(jié)讀完。如果不想讀完所有字節(jié)，控制器可以在任何時間發(fā)出復(fù)位命令來中止讀取。

CopyScratchpad（復(fù)制暫存存儲器）[48H]

這條命令把暫存器的內(nèi)容拷貝到DS18B20的E2存儲器里，即把溫度報警觸發(fā)字節(jié)存入非易失性存儲器里。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而DS18B20又正在忙于把暫存器拷貝到E2存儲器，DS18B20就會輸出一個“0”，如果拷貝結(jié)束的話，DS18B20則輸出“1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在這條命令發(fā)出后立即起動強上拉并最少保持10ms。

ConvertT（溫度變換）[44H]

這條命令啟動一次溫度轉(zhuǎn)換而無需其他數(shù)據(jù)。溫度轉(zhuǎn)換命令被執(zhí)行，而后DS18B20保持等待狀態(tài)。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時間隙，而DS18B20又忙于做時間轉(zhuǎn)換的話，DS18B20將在總線上輸出“0”，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則輸出“1”。如果使用寄生電源，總線控制器必須在發(fā)出這條命令后立即起動強上拉，并保持500ms。

RecallE2（重新調(diào)整E2）[B8H]

這條命令把貯存在E2中溫度觸發(fā)器的值重新調(diào)至暫存存儲器。這種重新調(diào)出的操作在對DS18B20上電時也自動發(fā)生，因此只要器件一上電，暫存存儲器內(nèi)就有了有效的數(shù)據(jù)。在這條命令發(fā)出之后，對于所發(fā)出的第一個讀數(shù)據(jù)時間片，器件會輸出溫度轉(zhuǎn)換忙的標識：“0”=忙，“1”=準備就緒。

ReadPowerSupply（讀電源）[B4H]

對于在此命令發(fā)送至DS18B20之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時間片，器件都會給出其電源方式的信號：“0”=寄生電源供電，“1”=外部電源供電。

（4）處理數(shù)據(jù)

DS18B20的高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如表3-2所示。當溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后。表3-2DS18B20暫存器字節(jié)分配溫度/℃二進制表示十六進制表示符號位（5位）數(shù)據(jù)位（11位）+125000001111101000007D0H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.6251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90H上表是DS18B20溫度采集轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在DS18B20的兩個8比特的RAM中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于或等于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際溫度。

溫度轉(zhuǎn)換計算方法舉例：

例如當DS18B20采集到+125℃的實際溫度后，輸出為07D0H，則：

實際溫度=07D0H╳0.0625=2000╳0.0625=125.0℃。

例如當DS18B20采集到-55℃的實際溫度后，輸出為FC90H，則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號位不變，也不作為計算），則：

實際溫度=370H╳0.0625=880╳0.0625=55.0℃。3.8本章小結(jié)本章詳細的講述了以AT89C51為核心元件的恒溫箱的硬件電路具體設(shè)計過程，分析了具體電路的工作原理。在設(shè)計過程中，實現(xiàn)溫度控制的是通過編寫程序的方法集成在89C51內(nèi)部。接著將程序下載到硬件電路中，配合周邊的溫度采集電路，時鐘電路，溫度報警電路，顯示電路等，制作出符合設(shè)計要求的恒溫箱。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件任務(wù)分析軟件任務(wù)分析和硬件電路設(shè)計結(jié)合進行，哪些功能由硬件完成，哪些任務(wù)由軟件完成，在硬件電路設(shè)計基本定型后，也就基本上決定下來了。軟件任務(wù)分析環(huán)節(jié)是為軟件設(shè)計做一個總體規(guī)劃。從軟件的功能來看可分為兩大類：一類是執(zhí)行軟件，它能完成各種實質(zhì)性的功能，如測量，計算，顯示，打印，輸出控制和通信等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門用來協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，使在系統(tǒng)軟件中充當組織調(diào)度角色的軟件。這兩類軟件的設(shè)計方法各有特色，執(zhí)行軟件的設(shè)計偏重算法效率，與硬件關(guān)系密切，千變?nèi)f化。軟件任務(wù)分析時，應(yīng)將各執(zhí)行模塊一一列出，并為每一個執(zhí)行模塊進行功能定義和接口定義（輸入輸出定義）。在對各執(zhí)行模塊進行定義時，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以設(shè)計監(jiān)控程序了。首先根據(jù)系統(tǒng)功能和鍵盤設(shè)置選擇一種最適合的監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)。相對來講，執(zhí)行模塊任務(wù)明確單純，比較容易編程，而監(jiān)控程序較易出問題。這如同當一名操作工人比較容易，而當一個廠長就比較難一樣。軟件任務(wù)分析的另一個內(nèi)容是如何安排監(jiān)控軟件和執(zhí)行模塊。整個系統(tǒng)軟件可分為后臺程序（背景程序）和前臺程序。后臺程序指主程序及其調(diào)用的子程序，這類程序?qū)崟r性要求不是太高，延時幾十毫秒甚至幾百毫秒也沒關(guān)系，故通常將監(jiān)控程序（鍵盤解釋程序），顯示程序和打印程序等與操作者打交道的程序放在后臺程序中執(zhí)行；而前臺程序安排一些實時性要求較高的內(nèi)容，如定時系統(tǒng)和外部中斷。也可以將全部程序均安排在前臺，后臺程序為“使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。4.2程序流程圖在本程序中包括了如下主要的程序。主程序的主要功能是負責溫度的實時顯示，讀出并處理DS18B20的測量的當前溫度值，溫度測量每1s進行一次。這樣可以在一秒之內(nèi)測量一次被測溫度，其程序流程如圖4-1所示：初始化初始化設(shè)定溫度溫度采集計算溫度比較處理顯示溫度開始結(jié)束圖4-1主程序流程圖溫度采集計算子程序如圖4-2所示：圖4-2溫度采集計算子程序流程圖由以上程序可以看出，調(diào)用程序前即系統(tǒng)運行首要先對DS18B20進行初始化，然后寫DS18B20，發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換開始指令，等待A/D轉(zhuǎn)換并再次初始化，發(fā)讀取溫度指令，最終將讀取的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攝氏溫度并存儲。溫度比較處理子程序流程圖如圖4-3所示：讀取實時溫度值讀取實時溫度值實時溫度與設(shè)定溫度是否相等實時溫度比設(shè)定溫度大關(guān)燈開燈N返回NYY圖4-3溫度比較處理子程序流程圖在該程序中，將讀取的實時溫度與設(shè)定好的溫度比較，當實時溫度小于設(shè)定溫度時，發(fā)出開燈信號；當實時溫度大于設(shè)定溫度時，發(fā)出關(guān)燈信號。報警子程序流程如圖4-4所示：當前溫度>設(shè)定溫度當前溫度>設(shè)定溫度是否報警報警子程序返回開報警器，關(guān)閉電燈NNYY返回返回圖4-4報警子程序流程圖根據(jù)設(shè)計要求，當檢測到當前溫度值高于設(shè)定溫度值時報警，報警的同時關(guān)閉電燈。為了防止誤報，設(shè)置了報警允許標志，只有在允許報警的情況下，溫度值高于設(shè)定溫度值時才報警。4.3系統(tǒng)控制算法PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系，進行運算，將其運算結(jié)果用以輸出控制，將基本PID算式離散化可得到位置型PID控制算法，對位置型PID進行變換可得到增量型PID控制算法。對控制精度要求較高的系統(tǒng)一般采用位置型算法，而在以步進電機或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中，則采用增量型算法。PID是一種工業(yè)控制過程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點。PID控制不需了解被控對象的數(shù)學(xué)模型，只要根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整控制器參數(shù)，便可獲得滿意的結(jié)果。其不足之處是對被控參數(shù)的變化比較敏感。但是通過軟件編程方法實現(xiàn)PID控制，可以靈活地調(diào)整參數(shù)。盡管近年來出現(xiàn)了很多先進的控制算法，但PID控制仍然以其獨有的特點在工業(yè)控制過程中具有相當大的比重，且控制效果相當令人滿意。連續(xù)PID控制器也稱比例－積分－微分控制器，即過程控制是按誤差的比例（P-Proportion）、積分（I-Integration）和微分（D-Differentiation）對系統(tǒng)進行控制，其系統(tǒng)原理框圖如圖4-5所示：比例比例積分微分被控對象+U(t)C(t)E(t)R(t)+U(t)C(t)E(t)R(t)__圖4-5PID的原理框圖它的控制規(guī)律的數(shù)學(xué)模型如下：（4-1）或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：（4-2）式中，：調(diào)節(jié)器輸入函數(shù)，即給定量與輸出量的偏差；：調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)。：比例系數(shù)；：積分時間常數(shù)；：微分時間常數(shù)。將式（4-1）展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是：（1）比例部分比例部分的數(shù)學(xué)表達式是，是比例系數(shù)，越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速反應(yīng)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達到使系統(tǒng)的過渡過程時間短而穩(wěn)定的效果。（2）積分部分積分部分的數(shù)學(xué)表達式是，從它的數(shù)學(xué)表達式可以看出，要是系統(tǒng)誤差存在，控制作用就會不斷增加或減少，只有時，它的積分才是一個不變的常數(shù)，控制作用也就不會改變，積分部分的作用是消除系統(tǒng)誤差。積分時間常數(shù)的選擇對積分部分的作用影響很大。較大，積分作用較弱，這時，系統(tǒng)消除誤差所需的時間會加長，調(diào)節(jié)過程慢；較小，積分作用增強，這時可能使系統(tǒng)過渡過程產(chǎn)生振蕩，但可以較快地消除誤差。（3）微分部分微分部分的數(shù)學(xué)表達式是。微分部分的作用主要是抵消誤差的變化，作用強弱由微分時間常數(shù)確定。越大，則抑制誤差變化的作用越強，但易于使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩；越小，抵消誤差的作用越弱。因而，微分時間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。本設(shè)計將使用比例積分調(diào)節(jié)。4.4參數(shù)整定由于PID控制器的輸出為系統(tǒng)偏差的比例、微分和積分作用后的線性組合，所以調(diào)整各個部分的線性系數(shù)就是PID控制器控制性能好壞的關(guān)鍵。以下是參數(shù)整定的幾種方法。（1）臨界比例度法

先在純比例作用下，在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會得到一個臨界振蕩過程。這時的比例度叫臨界比例度，周期為臨界振蕩周期。記下和，然后按經(jīng)驗公式來確定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。

（2）衰減曲線法

臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。

①4：1衰減曲線法

使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達到穩(wěn)定時，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn)4：1的衰減比為止。記下此時的比例度和振蕩周期。再按經(jīng)驗公式來確定PID數(shù)值。

②10：1衰減曲線法

有的過程，4：1衰減仍嫌振蕩過強，可采用10：1衰減曲線法。方法同上，得到10：1衰減曲線，記下此時的比例度和上升時間，再按經(jīng)驗公式來確定PID的數(shù)值。

（3）經(jīng)驗試湊法

試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響程度，邊觀察系統(tǒng)的運行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。本文采用經(jīng)驗試湊法進行參數(shù)整定。

一般情況下，增大比例系數(shù)會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。減小積分系數(shù)將減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。在試湊時，一般可根據(jù)以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行先比例、后積分的步驟進行整定。比例部分整定

首先將積分系數(shù)和微分系數(shù)取零，即取消微分和積分作用，采用純比例控制。將比例系數(shù)由小到大變化，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)，直至速度快，且有一定范圍的超調(diào)為止。最后確定值為4。積分部分整定如果比例控制系統(tǒng)的靜差達不到設(shè)計要求，這時可以加入積分作用。在整定時將積分系數(shù)由小逐漸增加，積分作用就逐漸增強，觀察輸出會發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。反復(fù)試驗幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。注意這時的超調(diào)量會比原來加大，應(yīng)適當?shù)慕档鸵稽c比例系數(shù)。最后值為0.265。4.5本章小結(jié)本章是恒溫箱的軟件設(shè)計，包括主程序、溫度采集計算子程序、溫度比較處理子程序、報警子程序等，實現(xiàn)恒溫箱的主要功能是通過編寫程序的方法集成在89C51內(nèi)部。程序設(shè)計中包含了一些PID算法，將程序下載到硬件電路中，實現(xiàn)溫控功能。結(jié)論本設(shè)計是以AT89C51單片機為核心進行的，數(shù)據(jù)采樣模塊采用可直接輸出數(shù)字量的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，采用繼電器驅(qū)動模塊，通過對電燈的控制可實現(xiàn)溫度的自動控制，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)置和調(diào)節(jié)初始溫度值，進行顯示屏顯示，當加熱到設(shè)定值后立刻報警的功能。在研究恒溫控制的基礎(chǔ)上，針對溫度的控制，制定了溫度檢測、控制系統(tǒng)總體方案，說明了恒溫系統(tǒng)的工作原理，為恒溫系統(tǒng)搭建了硬件平臺：包括溫度采集系統(tǒng)、溫度顯示系統(tǒng)、溫度比較系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。設(shè)計中用到了KEIL、PROTEL99SE、PROTEUS6.7等設(shè)計與仿真軟件。本著安全性、可靠性、穩(wěn)定性和易擴展性等設(shè)計原則，對各方案進行了細心的比較，并對設(shè)計中使用的芯片進行了仔細的分析，力求設(shè)計出一個安全、穩(wěn)定、可靠的溫度控制系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)的安全性和可擴展性都比較好。溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，如何提高溫度控制對象的運行性能一直以來都是控制人員和現(xiàn)場技術(shù)人員努力解決的問題，開發(fā)出性能較好的溫度控制系統(tǒng)對于測控技術(shù)的發(fā)展具有很大的意義。鑒于溫度控制的發(fā)展趨勢，在以后的實踐中對系統(tǒng)還要做進一步的改進：硬件方面，采用DSP，ARM或者利用系統(tǒng)SOC對系統(tǒng)的硬件進行重新設(shè)計，軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件開發(fā)；控制算法方面，嘗試采用現(xiàn)在得到快速發(fā)展的智能控制方法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等。參考文獻[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分(第四版)[M].高等教育出版社,2003.[2]戴佳等.51單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].中國電力出版社,2005.[3]高衛(wèi)東等.51單片機原理與實踐[M].北京航空航天大學(xué),2008.[4]JhnPotterShields.HowtoBuildProximityDetectorsandMetalLocators[M]. MerrillCo,1972.[5]何立民.單片機高級教程應(yīng)用與設(shè)計[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2007.1.[6]胡漢才.單片機原理及接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,1999.[7] 歐陽文.ATMEL89系列單片機的原理與開發(fā)實踐[M].中國電力出版社, 2007.6.[8]郝迎吉,劉紅兵.由89C51實現(xiàn)的恒溫控制系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表,1999.[9]吳琳,楊林,趙桂豐.基于單片機的溫度數(shù)據(jù)采集器[J].現(xiàn)代電子技 術(shù),

2008(19).[10]CharlesGarrett.SuccessfulCoinHunting[M].RamPublishing.1996.[11]潘永雄.新編單片機原理與應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2003.[12]徐鳳霞,趙成安.AT89C51單片機溫度控制系統(tǒng)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報, 2004,3.[13]樓然苗.51系列單片機設(shè)計實例[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2003.03.[14]TheElectronicMetalDetectorHandbook[M].WesternHeritagePress, 1998.[15]HUHong-bin.Measuringfortemperaturecharacteristicoftemperaturerelay[M]. ElectroMechanicalelement,2003,9.致謝本課題是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、系統(tǒng)設(shè)計、到修改定稿都沒有離開老師的幫助。通過本次設(shè)計，本人在老師的指引下學(xué)到了許多知識，這些是在平時的學(xué)習中得不到的知識，她嚴謹?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識和悉心的指導(dǎo)使我受益非淺。在此，向老師表以崇高的敬意和由衷的感謝！還要感謝各位評閱老師，經(jīng)過你們的認真評閱和指正，將會使我的設(shè)計的系統(tǒng)更加完善。在此，我向你們致以最誠摯的謝意！本次課程設(shè)計的完成還離不開我身邊同學(xué)和一些老師的幫忙，在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面同學(xué)給了我很大的幫助，在此，向他們表示感謝！鑒于本人所學(xué)知識有限，經(jīng)驗不足，又是初次研究這種復(fù)雜的設(shè)計，在此過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。附錄#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<intrins.h>#include"LCD1602.h"#include"ATEEPROM.h"#include"DS18B20.h"sbitKEY1=P1^3;sbitKEY2=P1^4;sbitLED=P2^0;sbitSpeak=P2^1;sbitOUT=P2^2;#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintvoidDelay_ms(uinti)//1ms延時{ uintx,j; for(j=0;j<i;j++) for(x=0;x<118;x++); }unsignedintCount,Set_Count,Set_Count1;/*********************************************************************名稱:Time0_Init()*功能:定時器的初始化，12MZ晶振，10ms***********************************************************************/voidTime0_Init(){ TMOD=0x01; IE =0x82; TH0=(65536-920)/256;//計數(shù)初值重裝載TL0=(65536-920)%256; TR0=1; }/*********************************************************************名稱:Time0_Int()*功能:定時器中斷，中斷中實現(xiàn)Count加一***********************************************************************/voidTime0_Int()interrupt1{ TH0=(65536-920)/256;//計數(shù)初值重裝載TL0=(65536-920)%256; Count++; if(Count==Set_Count1) { //OUT=0; } if(Count==100) { //OUT=1; Count=0; }}unsignedcharPID_Change(unsignedcharPID_IN){ unsignedcharPID_OUT; PID_OUT=10+PID_IN*2; returnPID_OUT;}voidmain(){ unsignedcharTable[5],Table1[3]; intTemp,Temp_H,Temp_L; Delay_ms(1000); Time0_Init();LCD1602_init();//LCD1602初始化 LCD1602_Disp_ZF(0x80,"Now:'C",16); LCD1602_Disp_ZF(0x80+0x40,"Set:'C",16); EA=0; Temp_H=ISP_READ(0x2c00);// Temp_L=ISP_READ(0x2c01); EA=1; while(1) { Set_Count1=PID_Change(Set_Count); EA=0; Temp=DS18B20_Display()*10; EA=1; if(Temp>Temp_H*10) { LED=0; if(Set_Count==0)Set_Count=1; Set_Count--; OUT=1; Speak=0; Delay_ms(1000); Speak=1; } else { LED=1; OUT=0; Set_Count++; if(Set_Count==45)Set_Count=44; Speak=1; Delay_ms(1000); } if(!KEY1) { Delay_ms(30); if(!KEY1) { Temp_H++; EA=0; ISP_ERASE(0x2c00); //注意：字節(jié)編程時必須要先要擦除整個扇區(qū) ISP_PROGRAM(0x2c00,Temp_H); ISP_PROGRAM(0x2c01,Temp_L); EA=1; } } if(!KEY2) { Delay_ms(30); if(!KEY2) { Temp_H--; EA=0; ISP_ERASE(0x2c00); //注意：字節(jié)編程時必須要先要擦除整個扇區(qū) ISP_PROGRAM(0x2c00,Temp_H); ISP_PROGRAM(0x2c01,Temp_L); EA=1; } }#include"DS18B20.h"#definejump_ROM0xCC//ROM地址#definestart0x44//起始地址#defineread_EEROM0xBE//EEROM地址voidDS18B20_delay_1(void){ inti,j; for(i=0;i<=10;i++) for(j=0;j<=2;j++);}voidDS18B20_delay(unsignedintN){ inti; for(i=0;i<N;i++);}voidDS18B20_Delay_1ms(unsignedinti)//1ms延時{ unsignedintx,j; for(j=0;j<i;j++) for(x=0;x<=148;x++); }/*********************************************************************名稱:Reset()*功能:復(fù)位DS18B20********************************************************************/unsignedcharDS18B20_Reset(void){ unsignedchardeceive_ready; DS18B20_DQ=0; DS18B20_delay(29); DS18B20_DQ=1; DS18B20_delay(3); deceive_ready=DS18B20_DQ; DS18B20_delay(25); return(deceive_ready);}/*********************************************************************名稱:read_bit()*功能:從DS18B20讀一個位值********************************************************************/unsignedcharDS18B20_read_bit(void){ unsignedchari; DS18B20_DQ=0; DS18B20_DQ=1; for(i=0;i<3;i++); return(DS18B20_DQ);}/*********************************************************************名稱:write_bit()*功能:向DS18B20寫一位********************************************************************/voidDS18B20_write_bit(unsignedcharbitval){ DS18B20_DQ=0; if(bitval==1) DS18B20_DQ=1; DS18B20_delay(5); DS18B20_DQ=1;}/*********************************************************************名稱:read_byte()*功能:從DS18B20讀一個字節(jié)********************************************************************/unsignedcharDS18B20_read_byte(void){ unsignedchari,m,receive_data; m=1; receive_data=0; for(i=0;i<8;i++) { if(DS18B20_read_bit()) { receive_data=receive_data+(m<<i); } DS18B20_delay(6); } return(receive_data);}/*********************************************************************