基于單片機與PC機的溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目：基于單片機與pc機的溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計文檔由我國目前唯一全能交通出行搜索引擎達達搜 分享達達搜簡介達達搜作為新一代的混合交通搜索引擎，首創(chuàng)結(jié)合海、陸、空為一體的出行搜索方式，實現(xiàn)對票價、里程、歷時進行比較和排序。旨在為用戶提供最方便、最便宜、最快捷的出行方式，同時提供旅游、酒店等相關(guān)查詢、預(yù)定的服務(wù)，達到出行各方面的需求可以在一個平臺上完成，減少用戶操作，提高效率。出行海陸空，就上達達搜！如果你要找航班、火車或汽車等交通信息，現(xiàn)在可以不用上百度了，上“達達搜”試試看。昨天，由長沙達達網(wǎng)絡(luò)公司推出的交通信息搜索引擎達達搜正式上線。無論是機票、火車票和汽車票信息，都可

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3、客票的訂購。摘 要在工業(yè)生產(chǎn)中，人們需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫度進行控制具有控制方便、簡單和靈活性大、精度高價格便宜等優(yōu)點。本文介紹了一種基于at89s52單片機與pc機串口通信的溫度控制系統(tǒng)，用單片機作下位機完成溫度數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行pc機發(fā)出的控制執(zhí)行命令；用pc機作上位機接收單片機發(fā)送的數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理,向單片機發(fā)送控制命令。 pc機與單片機采用串行通信,可實現(xiàn)遠距離溫度監(jiān)控制。本設(shè)計充分利用pc機vb6.0軟件強大的數(shù)據(jù)處理功能和友好的人機界面,對溫度進行實時曲線顯示。本設(shè)計由硬件和軟件二部分組成,本文主要進行軟件部分設(shè)計。經(jīng)樣機實驗

4、證明本設(shè)計性能穩(wěn)定可靠,各項性能指標高,可用于實際工程。關(guān)鍵詞：ds18b20；單片機；溫度控制；pid算法目 錄1. 緒論11.1 前言11.2 系統(tǒng)分析12. 系統(tǒng)硬件簡介33. pid控制原理與程序流程43.1 模擬pid調(diào)節(jié)器43.2 數(shù)字pid控制器53.3 pid算法的程序流程63.4 微分項的改進73.5 采樣周期的選擇93.6 數(shù)字pid控制的參數(shù)選擇104. 系統(tǒng)軟件設(shè)計124.1 軟件開發(fā)工具簡介124.2 c51單片機軟件開發(fā)語言124.3 單片機主程序的軟件設(shè)計144.4 單片機中斷服務(wù)子程序的實現(xiàn)154.5 測溫芯片ds18b20驅(qū)動子程序184.6 pwm控制204

5、.7 pc機程序設(shè)計215. 調(diào)試305.1 開環(huán)控制實驗結(jié)果分析305.2 pid參數(shù)的整定30第六章 結(jié)論33附錄：34附錄一、系統(tǒng)硬件總電路圖34附錄二、系統(tǒng)pc機運作vb界面35附錄三、單片機程序36附錄四、pc機程序44參考文獻：49基于單片機與pc機的溫度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1. 緒論1.1 前言隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來單片機發(fā)展給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機械、食品、石油等各個行業(yè)，發(fā)展迅速。而傳統(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。溫度是工業(yè)對象中的

6、一個重要的被控參數(shù)。然而所采用的測溫元件和測量方法不相同，產(chǎn)品的工藝不同，控制溫度的精度也不相同。因此對數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。本系統(tǒng)所使用的加熱器件是電爐絲，功率為三百瓦，要求溫度在30100。靜態(tài)控制精度為0.5。本設(shè)計使用單片機作為核心進行控制。它實用性強，集成度高，功能齊全，技術(shù)先進，使人們相信這是科技進步的成果。特別是具有體積小，價廉，功能強1，可靠性高，抗干擾能力強和使用方便等獨特優(yōu)點，在數(shù)字、智能化方面有廣泛的用途。本文著重介紹了基于單片機與pc機的溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計的過程，闡述了以at89s52單片機為主體，熱敏傳感器ds18b20，電爐及其控制電路為核心的

7、系統(tǒng)充分發(fā)揮了單片機的性能。其優(yōu)點是硬件功能強大，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高，具有一定的使用和參考價值。1.2 系統(tǒng)分析一、系統(tǒng)功能要求基于單片機與pc機的溫度控制設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)能達到以下功能要求：1. 可以人為方便地設(shè)定所需控制的溫度值，溫控儀器能自動將電爐加熱至此設(shè)定值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能自動控制溫度；2. 采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由40提高到60）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。3. 實現(xiàn)無觸點式控制，消除機械噪聲；4. 改進控制方法，控制精度達到0.5 c或更高；5. 具有自動加熱保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫度值超過了系統(tǒng)要求的溫度范圍

8、，單片機就會發(fā)出斷電指令，并進行報警；6. 裝置可將溫度數(shù)據(jù)通過串口送到上位機，上位機軟件將接收到的數(shù)據(jù)存貯并顯示溫度變化曲線。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1-1所示pc機鍵盤顯示器rs232單片機驅(qū)動ssr電阻爐ds18b20圖1-1 系統(tǒng)總體方案框圖二、系統(tǒng)特點基于上述功能要求及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強、抗千擾并盡可能達到更高精度的要求。本系統(tǒng)在硬件設(shè)計方面具有如下特點：主機采用mcs-51系列的at80s52單片機價格便宜，有開發(fā)環(huán)境 。根據(jù)電阻爐測溫范圍的要求，該系統(tǒng)適合采用ds18b20作為溫度傳感器，ds18b20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55c+125c，在-1

9、0+85c范圍內(nèi),精度為0.5c?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。由于系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是電阻爐，其功率調(diào)節(jié)可以采用相控調(diào)壓法和通斷調(diào)功法兩種方式，但考慮到相控調(diào)壓法對電網(wǎng)性能的破壞較大，因此按脈沖寬度調(diào)制法控制輸出信號占空比的大小，從而實現(xiàn)系統(tǒng)對輸出量的控制。整個系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標準化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。系統(tǒng)擴展和配置在滿足功能要求的基礎(chǔ)上留有適當(dāng)裕量，以利于擴充和修改。2. 系統(tǒng)硬件簡介本系統(tǒng)硬

10、件由單片機at89s52最小系統(tǒng)電路、溫度檢測電路、溫度控制電路等部分組成。在系統(tǒng)中，利用ds18b20溫度傳感器測得水溫的實際溫度并轉(zhuǎn)換成與水溫相對應(yīng)的數(shù)字信號進入單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理后，將溫度與設(shè)定溫度比較，由設(shè)定的控制算法計算出控制量，根據(jù)控制量通過控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和關(guān)閉從而控制電阻絲的導(dǎo)通時間，以實現(xiàn)對溫度的控制。該系統(tǒng)中還利用pc機通過rs232串口通信進行實時監(jiān)控。一、單片機最小系統(tǒng)電路： 本系統(tǒng)采用晶振，復(fù)位電路組成的單片機最小系統(tǒng)電路使單片機正常運作以結(jié)合其他模塊組成本設(shè)計所要求的系統(tǒng)。二、串口及其通信：單片機串行口輸入輸出的電信號為ttl/cmos2電平，而pc機的

11、串行口輸入輸出的電信號卻為rs2323電平，rs232使用3v到15v的電壓表示高電平，使用+3v +15v 的電壓表示低電平。因此，單片機串行口并不能直接和pc機串行口相連，它們之間必須進行電平轉(zhuǎn)換后才能相連。本設(shè)計選用max232電平轉(zhuǎn)換芯片來進行電平的轉(zhuǎn)換。51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方便地進行串口通訊。我們采用了三線制連接串口，也就是說和計算機的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的gnd、第2腳的rxd、第3腳的txd。三、溫度檢測電路:本設(shè)計溫度檢測采用溫度傳感器ds18b20，信息經(jīng)過單線接口送入ds1820或從ds18b20送出，因此從單片機到d

12、s18b20僅需連接一條線。讀定和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)經(jīng)本身提供而不需要外部電源。 四、溫度控制電路：本設(shè)計由固態(tài)繼電器控制加熱電源的通斷，以實現(xiàn)對溫度的控制，固態(tài)繼電器(solid state relays)，簡寫成“ssr”，是一種全部由固態(tài)電子元件（如光電耦合器、晶體管、可控硅、電阻、電容等）組成的新型無觸點開關(guān)器件。與普通繼電器一樣，它的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間是電絕緣的。但是與普通電磁繼電器比，ssr體積小，開關(guān)速度快，無機械觸點，因而沒有機械磨損，不怕有害氣體腐蝕，沒有機械噪聲，耐振動、耐沖擊，使用壽命長。它在通、斷時沒有火花和電弧，有利于防爆，干擾小（特別對微弱信號回路）。

13、另外，ssr的驅(qū)動電壓低，電流小，易于與計算機接口。因此ssr作為自動控制的執(zhí)行部件得到越來越廣泛的應(yīng)用。3. pid控制原理與程序流程對于一個控制系統(tǒng)，合理選擇控制策略是至關(guān)重要的。pid調(diào)節(jié)器具有算法簡單、魯棒性好、可靠性高、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，并且不需要建立其精確的數(shù)學(xué)模型，因此在過程控制中仍然是應(yīng)用最廣泛的一類控制器。在本系統(tǒng)設(shè)計中，作為被控對象的電阻爐由于模型較為復(fù)雜，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，故采用pid算法比較方便，但pid算法也存在現(xiàn)場參數(shù)調(diào)整麻煩、被控對象模型參數(shù)難以確定及外界干擾會使控制漂離最佳工況等問題。針對這些問題，在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用了基于模糊推理4的自整定pid控制算法。

14、3.1 模擬pid調(diào)節(jié)器一、模擬pid控制系統(tǒng)5組成圖3-1模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖二、模擬pid調(diào)節(jié)器的微分方程和傳輸函數(shù)pid調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對控制對象進行控制。1.pid調(diào)節(jié)器的微分方程 (1)式中 2.pid調(diào)節(jié)器的傳輸函數(shù) (2)三、pid調(diào)節(jié)器各校正環(huán)節(jié)的作用1.比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。2.積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)ti，ti越大，積分作用越

15、弱，反之則越強。3.微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。3.2 數(shù)字pid控制器一、模擬pid控制規(guī)律的離散化表3-1模擬形式離散化形式二、數(shù)字pid控制器的差分方程 (4)式中 稱為比例項 稱為積分項 稱為微分項三、常用的控制方式1.p控制 (5)2.pi控制 (6)3.pd控制 (7)4.pid控制 (8)在實際運算時，由于水具有很大的熱慣性，而且pid運算中的i（積分項）具有非常明顯的延遲效應(yīng)所以不能保留，我們必須把積分項去掉，相反d（微分項）則有很強的預(yù)見性，能夠加快反

16、應(yīng)速度，抑制超調(diào)量，所以積分作用應(yīng)該適當(dāng)加強才能達到較佳的效果，系統(tǒng)最終選擇pd控制方案。四、pid算法的兩種類型1.位置型控制例如圖3-2調(diào)節(jié)閥控制 (9)2.增量型控制例如圖3-3步進電機控制 (10)圖3-2數(shù)字pid增量型控制示意圖圖3-3數(shù)字pid增量型控制示意圖 本設(shè)計應(yīng)用了上面所介紹的位置型pid控制算法，將溫度傳感器采樣輸入作為當(dāng)前輸入，然后與設(shè)定值進行相減得偏差e(n)，然后再對之進行pid運算產(chǎn)生輸出結(jié)果open，進而控制加熱器。3.3 pid算法的程序流程一、增量型pid算法的程序流程1.增量型pid算法的算式 (11)式中，2.增量型pid算法的程序流程圖3-4圖3-4

17、二、位置型pid算法的程序流程1.位置型的遞推形式 (12)2.位置型pid算法的程序流程圖3-4只需在增量型pid算法的程序流程基礎(chǔ)上增加一次加運算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。三、對控制量的限制1.控制算法總是受到一定運算字長的限制2.執(zhí)行機構(gòu)的實際位置不允許超過上(或下)極限 (13)3.4 微分項的改進一、不完全微分型pid控制算法1.不完全微分型pid算法傳遞函數(shù) (14) 圖3-5 不完全微分型pid算法傳遞函數(shù)框圖2.完全微分和不完全微分作用的區(qū)別 圖3-6 完全微分和不完全微分作用的區(qū)別3.不完全微分型pid算法的差分方程 (15) (16)二、微分先

18、行和輸入濾波1.微分先行微分先行是把對偏差的微分改為對被控量的微分，這樣，在給定值變化時，不會產(chǎn)生輸出的大幅度變化。而且由于被控量一般不會突變，即使給定值已發(fā)生改變，被控量也是緩慢變化的，從而不致引起微分項的突變。微分項的輸出增量為 (17)2.輸入濾波輸入濾波就是在計算微分項時，不是直接應(yīng)用當(dāng)前時刻的誤差e(n)，而是采用濾波值e(n)，即用過去和當(dāng)前四個采樣時刻的誤差的平均值，再通過加權(quán)求和形式近似構(gòu)成微分項 (18) (19)3.5 采樣周期的選擇一、選擇采樣周期的重要性采樣周期越小，數(shù)字模擬越精確，控制效果越接近連續(xù)控制。對大多數(shù)算法，縮短采樣周期可使控制回路性能改善，但采樣周期縮短時

19、，頻繁的采樣必然會占用較多的計算工作時間，同時也會增加計算機的計算負擔(dān)，而對有些變化緩慢的受控對象無需很高的采樣頻率即可滿意地進行跟蹤，過多的采樣反而沒有多少實際意義。二、選擇采樣周期的原則采樣定理最大采樣周期 (20)式中為信號頻率組分中最高頻率分量。三、選擇采樣周期應(yīng)綜合考慮的因素1.給定值的變化頻率加到被控對象上的給定值變化頻率越高，采樣頻率應(yīng)越高，以使給定值的改變通過采樣迅速得到反映，而不致在隨動控制中產(chǎn)生大的時延。2.被控對象的特性(1)考慮對象變化的緩急，若對象是慢速的熱工或化工對象時，t一般取得較大。在對象變化較快的場合，t應(yīng)取得較小。(2)考慮干擾的情況，從系統(tǒng)抗干擾的性能要求

20、來看，要求采樣周期短，使擾動能迅速得到校正。3.使用的算式和執(zhí)行機構(gòu)的類型(1)采樣周期太小，會使積分作用、微分作用不明顯。同時，因受微機計算精度的影響，當(dāng)采樣周期小到一定程度時，前后兩次采樣的差別反映不出來，使調(diào)節(jié)作用因此而減弱。(2)執(zhí)行機構(gòu)的動作慣性大，采樣周期的選擇要與之適應(yīng)，否則執(zhí)行機構(gòu)來不及反應(yīng)數(shù)字控制器輸出值的變化。4.控制的回路數(shù)要求控制的回路較多時，相應(yīng)的采樣周期越長，以使每個回路的調(diào)節(jié)算法都有足夠的時間來完成?？刂频幕芈窋?shù)n與采樣周期t有如下關(guān)系： (21)式中，tj是第j個回路控制程序的執(zhí)行時間。3.6 數(shù)字pid控制的參數(shù)選擇一、數(shù)字pid參數(shù)的原則要求和整定方法1.原

21、則要求：被控過程是穩(wěn)定的，能迅速和準確地跟蹤給定值的變化，超調(diào)量小，在不同干擾下系統(tǒng)輸出應(yīng)能保持在給定值，操作變量不宜過大，在系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。顯然，要同時滿足上述各項要求是困難的，必須根據(jù)具體過程的要求，滿足主要方面，并兼顧其它方面。2.pid參數(shù)整定方法：理論計算法依賴被控對象準確的數(shù)學(xué)模型（一般較難做到）工程整定法不依賴被控對象準確的數(shù)學(xué)模型，直接在控制系統(tǒng)中進行現(xiàn)場整定（簡單易行）二、常用的簡易工程整定法1.擴充臨界比例度法6適用于有自平衡特性的被控對象整定數(shù)字調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟是：(1)選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的十分之一以下。(2)去掉積分作用和微分作用，

22、逐漸增大比例度系數(shù)直至系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達到臨界振蕩狀態(tài)(穩(wěn)定邊緣)，記下此時的臨界比例系數(shù)及系統(tǒng)的臨界振蕩周期。(3)選擇控制度。 (22)通常，當(dāng)控制度為1.05時。就可以認為ddc與模擬控制效果相當(dāng)。(4)根據(jù)選定的控制度，得t、kp、ti、td的值。2.擴充響應(yīng)曲線法適用于多容量自平衡系統(tǒng)參數(shù)整定步驟如下：(1)讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來，然后突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。(2)用記錄儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖3-7所示。圖3-7 被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間，被

23、控對象時間常數(shù)t以及它們的比值t/。(4)由求得的、t及t/，即可求得數(shù)字調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)kp、ti、td及采樣周期t。3.歸一參數(shù)整定法令，。則增量型pid控制的公式簡化為 (23)改變kp，觀察控制效果，直到滿意為止?；谝陨系姆治鲈诒驹O(shè)計中,采用擴充響應(yīng)曲線法對參數(shù)進行整定。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件開發(fā)工具簡介一、單片機開發(fā)工具本系統(tǒng)開發(fā)工具采用keil51標準c編譯器keil c51,在保留匯編代碼高效、快速性的同時為8051微控制器的軟件開發(fā)提供c語言環(huán)境。c51集成到uvision2開發(fā)環(huán)境，這個環(huán)境包括：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，調(diào)試器。slisp支持串行、并行兩種通信

24、下載線，支持的at89s51/52和avr系列器件。燒錄文件格式為intel格式的hex文件、eep文件，二進制bin文件。通過串口和下載線相連接，支持usb轉(zhuǎn)換成的串口通信。在使用并行下載線編程時，編程速度是可以調(diào)節(jié)的，可以根據(jù)自己系統(tǒng)的時鐘頻率選擇模式。二、pc機開發(fā)工具vb vb是微軟公司出品的一個快速可視化程序開發(fā)工具軟件，借助微軟在操作系統(tǒng)和辦公軟件的壟斷地位，vb在短短的幾年內(nèi)風(fēng)靡全球。vb是極有和功能強大的軟件，主要表現(xiàn)在：所見即所得的界面設(shè)計，基于對象的設(shè)計方法，極短的軟件開發(fā)周期，較易維護的生成代碼6。美國微軟公司在1991年推出vb1.0至今，版本已經(jīng)演變到visual b

25、asic 2005(也被稱為vb8)7，本系統(tǒng)采用各方面均較為成熟的vb6.0運行在win2000，winxp，windowsnt等操作系統(tǒng)下，是一個32位的應(yīng)用程序開發(fā)工具。它主要有以下幾個特點：1.成功地簡化了界面的設(shè)計過程。它在windows平臺上提供了圖形用戶界面（gui）的集成開發(fā)環(huán)境（ide）。2.采用簡單易學(xué)的basic語言。它既適用于沒有任何編程經(jīng)驗的開發(fā)者學(xué)習(xí)，也適合于開發(fā)各種復(fù)雜的底層應(yīng)用程序。3.具有強大的數(shù)據(jù)和字符串處理功能。visual basic 提供了許多現(xiàn)成的字符串處理函數(shù)。4.易于擴充。除了簡單易學(xué)的特點以外，visual basic 還是一種易于擴充功能的開

26、發(fā)系統(tǒng)。5.提供了intellisense技術(shù)。當(dāng)你在visual basic 的代碼窗口敲進對象名稱的時候intellisense技術(shù)會自動向你顯示一些相關(guān)的信息，例如對象的屬性和方法等。6.提供了多種向?qū)?。利用這些向?qū)В憧梢钥焖俚赝瓿梢话阈缘娜蝿?wù)，例如生成其控件不綁定到數(shù)據(jù)控件上的純代碼窗體，建立查詢，添加工具，制作圖表，以及發(fā)布創(chuàng)建的應(yīng)用程序等。 4.2 c51單片機軟件開發(fā)語言c語言是一種通用的計算機程序設(shè)計語言。由于匯編程序的可讀性和可移植性都較差，而c語言既是一種高級語言，又兼有一些匯編語言才具有的特點，其表達能力和運算能力和運算能力都很強，并且具有很好的可移植性的硬件控制能力，

27、編寫代碼效率高，軟件調(diào)試直觀，維護升級方便。同時，c語言具有完善的模塊程序結(jié)構(gòu)和功能豐富的庫函數(shù)，在軟件開發(fā)中可以采用模塊化程序設(shè)計方法，并可以方便地調(diào)用庫函數(shù)一些常用的功能。再說現(xiàn)在的單片機程序存儲器容量越來越大，因此不用像過去那樣對程序規(guī)模大小斤斤計較，這也有利于c語言程序在單片機上的推廣應(yīng)用。此外，使用c語言進行mcs-51系列單片機系統(tǒng)開發(fā)，編程者可以專注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計，不必將大量的精力花在內(nèi)存分配等底層工作上，從而大大地加快了軟件的開發(fā)速度，c語言程序的可讀性比匯編語言好得多，對于程序的改進和擴充也方便得多，因此越來越多的設(shè)計人員選用c語言來開發(fā)單片機控制程序8。鑒于c語言在功

28、能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性和可維護性上比匯編有明顯的優(yōu)勢，編程有眾多優(yōu)點，在本設(shè)計中，采用的是c語言編寫程序。一、c語言的關(guān)鍵字共有32個，根據(jù)關(guān)鍵字的作用，可分其為數(shù)據(jù)類型關(guān)鍵字、控制語句關(guān)鍵字、存儲類型關(guān)鍵字和其它關(guān)鍵字四類。 1.數(shù)據(jù)類型關(guān)鍵字（12個）：l char ：聲明字符型變量或函數(shù) l double ：聲明雙精度變量或函數(shù) l enum ：聲明枚舉類型 l float：聲明浮點型變量或函數(shù) l int： 聲明整型變量或函數(shù) l long ：聲明長整型變量或函數(shù) l short ：聲明短整型變量或函數(shù) l signed：聲明有符號類型變量或函數(shù) l struct：聲明結(jié)構(gòu)體變量或函數(shù)

29、l union：聲明共用體（聯(lián)合）數(shù)據(jù)類型 l unsigned：聲明無符號類型變量或函數(shù) l void ：聲明函數(shù)無返回值或無參數(shù)，聲明無類型指針（基本上就這三個作用）2.控制語句關(guān)鍵字（12個）：(1)循環(huán)語句 l for：一種循環(huán)語句(可意會不可言傳）l do ：循環(huán)語句的循環(huán)體l while ：循環(huán)語句的循環(huán)條件l break：跳出當(dāng)前循環(huán)l continue：結(jié)束當(dāng)前循環(huán)，開始下一輪循環(huán)(2)條件語句 l if: 條件語句 l else ：條件語句否定分支（與 if 連用）l goto：無條件跳轉(zhuǎn)語句 (3)開關(guān)語句 l switch :用于開關(guān)語句l case：開關(guān)語句分支l de

30、fault：開關(guān)語句中的“其他”分支(4)返回語句l return ：子程序返回語句（可以帶參數(shù)，也看不帶參數(shù)）3.存儲類型關(guān)鍵字（4個） l auto ：聲明自動變量 一般不使用 l extern：聲明變量是在其他文件正聲明（也可以看做是引用變量） l register：聲明積存器變量 l static ：聲明靜態(tài)變量4.其它關(guān)鍵字（4個）：l const ：聲明只讀變量 l sizeof：計算數(shù)據(jù)類型長度 l typedef：用以給數(shù)據(jù)類型取別名（當(dāng)然還有其他作用l volatile：說明變量在程序執(zhí)行中可被隱含地改變二、c語言中的9中控制語句l goto語句:無條件轉(zhuǎn)向; l if語句:

31、判斷語句; l while循環(huán)語句; l do-while語句:先執(zhí)行循環(huán)體,然后判斷循環(huán)條件是否成立. 之后繼續(xù)循環(huán); l for語句:循環(huán),可替代while語句; 只是用法不同; l break語句跳出本層的循環(huán);(只跳出包含此語句的循環(huán)) l continue語句:繼續(xù)(一般放到循環(huán)語句里,不在執(zhí)行它下面的語句,直接跳到判斷語句例:for語句,就直接跳到第二個分號處,while語句,就直接跳到while()的括號里; l switch語句:多相選擇; l return語句:返回;4.3 單片機主程序的軟件設(shè)計由于系統(tǒng)程序比較復(fù)雜，為了便于編寫、調(diào)試、修改，統(tǒng)程序的編寫采用了模塊化的結(jié)構(gòu)，

32、整個系統(tǒng)包括主模塊、初始化模塊、溫度檢測模塊、中斷服務(wù)模塊、控制算法模塊、輸出控制模塊等幾個部分，其軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。主模塊初始化溫度檢測模塊控制算法模塊中斷服務(wù)模塊控制輸出模塊串口通信模塊圖4-1單片機軟件總體結(jié)構(gòu)初始化讀溫度處理溫度數(shù)據(jù)顯示溫度傳送溫度至pc機 初始化端口開機顯示8888開機先轉(zhuǎn)換一次溫度初始化定時器開啟定時器圖4-2單片機程序結(jié)構(gòu)框圖 圖4-3單片機程序初始化結(jié)構(gòu)4.4 單片機中斷服務(wù)子程序的實現(xiàn)中斷是指當(dāng)計算機執(zhí)行正常程序時，由于系統(tǒng)中出現(xiàn)某些需要緊急處理的情況或特殊請求時，計算機打斷當(dāng)前正在運行的程序，轉(zhuǎn)而對這些緊急情況進行處理，處理完畢后，再返回繼續(xù)執(zhí)行原

33、來被打斷的程序。中斷控制方式使單片機在平時可以有充分的時間去處理主要事件，而當(dāng)外界有特殊情況需要處理時單片機也不會錯過。充分地利用單片機的中斷功能，可以提高單片機的工作效率，尤其是在編制實時性要求較高的控制程序時。8051系列單片機的中斷共分2個優(yōu)先級，5個中斷源。每個中斷源的優(yōu)先級都是可以編程的。8051單片機的5個中斷源分別是：l 外部中斷請求0，由int0輸入。l 外部中斷請求1，由int1輸入。l 片內(nèi)定時器/計數(shù)器0溢出中斷請求。l 片內(nèi)定時器/計數(shù)器1溢出中斷請求。l 片內(nèi)串行口發(fā)送/接收中斷請求。除了以上5個中斷外，對于8052系列單片機來說，還增加了一個片內(nèi)定時器/計數(shù)器2溢出

34、中斷請求。一、定時中斷服務(wù)程序通過單片機內(nèi)部的定時器t0進行10ms定時，再通過寄存器進行計數(shù)，以實現(xiàn)2s定時中斷的要求。進入中斷服務(wù)程序后，可進行當(dāng)前溫度的檢測及顯示，根據(jù)所測值與設(shè)定值比較進行溫度控制等。圖4-4為定時器t0中斷服務(wù)程序流程圖。圖4-4定時器t0中斷服務(wù)程序流程圖二、串行口發(fā)送/接收中斷服務(wù)程序串口通信原理:串口通訊對單片機而言意義重大，不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C端，而且也能實現(xiàn)計算機對單片機的控制。由于其所需電纜線少，接線簡單，所以在較遠距離傳輸中，得到了廣泛的運用。以下對串口通信中一些需要注意的地方作一點說明：1.波特率選擇波特率（boud rate）就是在

35、串口通信中每秒能夠發(fā)送的位數(shù)（bits/second）。mcs-51串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計算方法。其中，模式0和模式2波特率計算很簡單，請同學(xué)們參看教科書；模式1和模式3的波特率選擇相同，故在此僅以工作模式1為例來說明串口通信波特率的選擇。在串行端口工作于模式1，其波特率將由計時/計數(shù)器1來產(chǎn)生，通常設(shè)置定時器工作于模式2（自動再加模式）。在此模式下波特率計算公式為：波特率=（1+smod）*晶振頻率/（384*（256-th1）其中，smod寄存器pcon的第7位，稱為波特率倍增位； th1定時器的重載值。在選擇波特率的時候需要考慮兩點：首先，系統(tǒng)需要的通信速率。這要根據(jù)系

36、統(tǒng)的運作特點，確定通信的頻率范圍。然后考慮通信時鐘誤差。使用同一晶振頻率在選擇不同的通信速率時通信時鐘誤差會有很大差別。為了通信的穩(wěn)定，我們應(yīng)該盡量選擇時鐘誤差最小的頻率進行通信。下面舉例說明波特率選擇過程：假設(shè)系統(tǒng)要求的通信頻率在20000bit/s以下，晶振頻率為12mhz，設(shè)置smod=1（即波特率倍增）。則th1=256-62500/波特率根據(jù)波特率取值表，我們知道可以選取的波特率有：1200，2400，4800，9600，19200。列計數(shù)器重載值，通信誤差如下表：表4-1 通信誤差因此，在通信中，最好選用波特率為1200，2400，4800中的一個。2.通信協(xié)議的使用通信協(xié)議是通信

37、設(shè)備在通信前的約定。單片機、計算機有了協(xié)議這種約定，通信雙方才能明白對方的意圖，以進行下一步動作。假定我們需要在pc機與單片機之間進行通信，在雙方程式設(shè)計過程中，有如下約定：0xa1：單片機讀取p0端口數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)返回pc機；0xa2：單片機從pc機接收一段控制數(shù)據(jù)；0xa3：單片機操作成功信息。在系統(tǒng)工作過程中，單片機接收到pc機數(shù)據(jù)信息后，便查找協(xié)議，完成相應(yīng)的操作。當(dāng)單片機接收到0xa1時，讀取p0端口數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)返回pc機；當(dāng)單片機接收到0xa2時，單片機等待從pc機接收一段控制數(shù)據(jù)；當(dāng)pc機接收到0xa3時，就表明單片機操作已經(jīng)成功。通過單片機內(nèi)部的定時器1工作于8位自動

38、重載模式, 用于產(chǎn)生波特率。進入中斷服務(wù)程序后，對數(shù)據(jù)進行讀取，并對其進行判斷處理。圖4-5為串口中斷服務(wù)程序流程圖。yn進入串口中斷將數(shù)據(jù)存入寄存器根據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)操作讀數(shù)據(jù)是否命令圖4-5為串口中斷服務(wù)程序流程圖4.5 測溫芯片ds18b20驅(qū)動子程序目前市場上溫度傳感器較多，有以下幾種： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好， 其成本較高。 方案二：采用熱敏電阻，選用此類元器件有價格便宜的優(yōu)點，但由于熱敏電阻的非線性特性會影響系統(tǒng)的精度。 方案三：ds18b20是dallas公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳to92小體積封裝形式；溫度測量范

39、圍為55125,可編程為9位12位a/d轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計要求。 比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點，因此選用方案三。 一、ds18b20的編程方法及工作時序ds18b20工作時必須嚴格遵守這些協(xié)義：總路線主機先對ds18b20進行初始化，總線主機檢測到dsl820 的存在后便可以發(fā)出rom 操作命令之一，然后再發(fā)出存儲器操作命令，如溫度變換、讀暫存器。要用單片機控制ds18b20對溫度的采集只要根據(jù)ds18b20的初始化時序、寫時序和讀時序，分別編寫5個子程序：init為初始化子程序，wr

40、ite為寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序，read為讀數(shù)據(jù)子程序，發(fā)送64位序列號子程序和串行發(fā)送溫度數(shù)據(jù)到pc機的子程序。然后在主程序中調(diào)用各個子程序就可實現(xiàn)溫度的采集和發(fā)送。下面是ds18b20的工作時序：1.初始化時序復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，ds18b20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復(fù)位成功。2.讀時序ds18b20的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓ds18b20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。ds18b20在完成一個讀時序過程，至少需要60us才能完成。3.寫時序ds18b20對寫0時序和

41、寫1時序的要求不同，當(dāng)要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證ds18b20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣io總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。二、程序的實現(xiàn)先讓所有的ds18b20復(fù)位，然后發(fā)跳過rom匹配命令，再發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，讓所有的ds18b20進行溫度轉(zhuǎn)換，延時等待轉(zhuǎn)換完畢后，再將已轉(zhuǎn)換的溫度值一一地從各個ds18b20取出，轉(zhuǎn)換成ascall碼后再發(fā)送到pc機上，如此循環(huán)。程序框圖如下圖4-6示。圖4-6 讀溫度程序框圖三、溫度處理方法18b20進行溫度轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18b20的兩個8比特的ram

42、中，二進制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.25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0.25即可得到實際溫度。具體程序如下：/*讀出溫度函數(shù)*/read_temp()ow_reset(); /總線復(fù)位write_byte(0xcc); / 發(fā)skip rom命令write_byte(0xbe); / 發(fā)讀命令temp_data0=read_byte(); /溫度低8位temp_data1=read_byte(); /溫度高8位ow_reset();write_byte(0xcc); / skip romwrit

43、e_byte(0x44); / 發(fā)轉(zhuǎn)換命令上面這個程序使溫度低8位放在temp_data0中，溫度高8位放在temp_data1中。4.6 pwm控制9為了設(shè)計高精度溫控儀對電熱管的加熱功率進行連續(xù)控制，可采用pwm技術(shù)，由pid控制算法得到的增量式算式 作輸出，直接改變電熱管通斷占空比，從而可實現(xiàn)對溫度的高精度閉環(huán)連續(xù)控制。在圖4-7左圖中，單片機輸出位控信號，經(jīng)1413驅(qū)動固態(tài)繼電器，由雙向可控硅作無觸點交流開關(guān)以控制電熱管加熱。只要使 輸出與電熱管通電時間成正比，即可實現(xiàn)加熱功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，控制原理如圖4-7右圖所示。為此，可在eprom中開辟 單元用來存放pwm周期（可預(yù)置），用來存放

44、加熱時間 ，而 則用來存放關(guān)斷時間 。在一個采樣周期內(nèi)，將 的差值存于v單元，將 的值存于 單元，然后利用單片機內(nèi)部中斷源構(gòu)成10ms定時器，每產(chǎn)生一個10ms定時中斷則 單元的數(shù)減1，直到 單元的數(shù)為零則使 由高電平變?yōu)榈碗娖?；?為負值則 單元賦值為00h， 單元賦值為 ，這樣就可以做到溫度偏差量與電熱管加熱時間成正比。1413圖4-7 電熱管pwm控制原理我國電力供電電壓頻率50hz，固態(tài)繼電器大多采用過零型，則最小可準確到一個波頭，1s有100個波頭，取2s為一個功率輸出周期，pwm控制方式的功率誤差就是1/200，即0.5%。實際情況還有些變動，pwm調(diào)制輸出可能沒問題，但脈寬中電平

45、由低變?yōu)楦唠娖綍r，電壓波形不會正好在過零點，可能在兩過零點之一間（圖4-7右圖），實際控制輸出的功率也就存在一定的誤差，有最大0.5%的誤差10。但對本系統(tǒng)沒什么影響。pwm在程序上的實現(xiàn)也很簡單，用一個循環(huán)來輸出周期脈沖，如下程序：for(j=0；jtime；j+)/time為脈沖周期（以10ms為單位）if(jout) /out為控制脈寬的輸出變量outp=jopen； /接通繼電器elseoutp=jclose； /判斷繼電器delay10ms(1)；4.7 pc機程序設(shè)計pc機程序中包括串口通信模塊，繪圖模塊，命令按妞模塊，溫度顯示模塊等。一、串口通信模塊在本設(shè)計中，采用mscomm控

46、件進行串口的通訊，mscomm控件串口具有完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。通過此控件，pc機可以利用串行口與其它設(shè)備實現(xiàn)輕松連接，簡單高效地實現(xiàn)設(shè)備之間的通訊。此控件的事件響應(yīng)有兩種處理方式，事件驅(qū)動方式：由mscomm控件的oncomm事件捕獲并處理通訊錯誤及事件；查詢方式：通過檢查commevent屬性的值來判斷事件和錯誤。 以下是mscomm控件的常用屬性和方法：l commport：設(shè)置或返回串行端口號，其取值范圍為199，缺省為1。l settings：設(shè)置或返回串行端口的波特率、奇偶校驗位、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位。如：mscomm.setting=9600, n, 8, 1”。l por

47、topen：打開或關(guān)閉串行端口。l inputmode：設(shè)置或返回接收數(shù)據(jù)的類型。l inputlen：設(shè)置或返回一次從接收緩沖區(qū)中讀取字節(jié)數(shù)。l inbuffersize：設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)的大小，缺省值為1024字節(jié)。l inbuffercount：設(shè)置或返回接收緩沖區(qū)中等待計算機接收的字符數(shù)。l input：從接收緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)并清空該緩沖區(qū)，該屬性設(shè)計時無效，運行時只讀。l outbuffersize：設(shè)置或返回發(fā)送緩沖區(qū)的大小，缺省值為512字節(jié)。l outbuffercount：設(shè)置或返回發(fā)送緩沖區(qū)中等待計算機發(fā)送的字符數(shù)。l output：向發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，該屬性設(shè)計時無

48、效，運行時只讀。l rthreshold：該屬性為一閥值。當(dāng)接收緩沖區(qū)中字符數(shù)達到該值時，mscomm控件設(shè)置commevent屬性為comevreceive，并產(chǎn)生oncomm事件。用戶可在oncomm事件處理程序中進行相應(yīng)處理。若rthreshold屬性設(shè)置為0，則不產(chǎn)生oncomm事件。例如用戶希望接收緩沖區(qū)中達到一個字符就接收一個字符，可將rthreshold設(shè)置為1。這樣接收緩沖區(qū)中接收到一個字符，就產(chǎn)生一次oncomm事件。l sthreshold：該屬性亦為一閥值。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)小于該值時，mscomm控件設(shè)置commevent屬性為comevsend，并產(chǎn)生oncomm事

49、件。若sthreshold屬性設(shè)置為0，則不產(chǎn)生oncomm事件。要特別注意的是僅當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)小于該值的瞬間才產(chǎn)生oncomm事件，其后就不再產(chǎn)生oncomm事件。例如sthreshold設(shè)置為3，僅當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)中字符數(shù)從3降為2時，mscomm控件設(shè)置commevent屬性為comevsend，同時產(chǎn)生oncomm事件，如發(fā)送緩沖區(qū)中字符始終為2，則不會再產(chǎn)生oncomm事件。這就避免了發(fā)送緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)未發(fā)送完就反復(fù)發(fā)生oncomm事件。l commevent：這是一個非常重要的屬性。該屬性設(shè)計時無效，運行時只讀。一旦串口發(fā)生通信事件或產(chǎn)生錯誤，依據(jù)產(chǎn)生的事件和錯誤，mscomm控件

50、為commevent屬性賦不同的代碼，同時產(chǎn)生oncomm事件。用戶程序就可在oncomm事件處理程序中針對不同的代碼，進行相應(yīng)的處理。mscomm控件的部分屬性設(shè)置實例：select case com.listindex case 0 mscomm1.commport = 1 case 1 mscomm1.commport = 2 case 2 mscomm1.commport = 3 case 3 mscomm1.commport = 4end select 指定端口號（com） mscomm1.settings = 9600,n,8,1 2400波特，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位 ms

51、comm1.inputmode = cominputmodetext 接收文本數(shù)據(jù) mscomm1.inputlen = 0 讀出接收緩沖區(qū)的所有內(nèi)容 mscomm1.inbuffersize = 1024 mscomm1.outbuffersize = 1024 mscomm1.rthreshold = 1 每接收到1個字符，發(fā)生1次事件 mscomm1.portopen = true 打開串口接收程序?qū)嵗簆rivate sub mscomm1_oncomm()select case mscomm1.commeventcase comevreceivetext1.text = text1.

52、text & mscomm1.inputcase elseend selectend sub發(fā)送程序?qū)嵗簆rivate sub command1_click()mscomm1.output = trim(text2.text)end sub二、繪圖模塊在vb中，繪圖可以利用line和circle方法繪制幾何圖形11，還可以利用mschart控件繪制各種圖表。而本設(shè)計就采用mschart控件進形繪制溫度變化曲線圖。mschart控件在繪制直方圖（條形圖）、折線圖、餅圖、標記圖、填充區(qū)域圖等各種常用的數(shù)據(jù)分析圖形方面有很大的優(yōu)勢，我們只要將需按圖形表示的數(shù)據(jù)裝入數(shù)組中，然后將數(shù)組數(shù)據(jù)賦值給msc

53、hart控件，再進行一些簡單的圖形標題、背景、圖例、注腳方面的定義，就可以得到所期望的數(shù)據(jù)分析圖形。mschart控件的系統(tǒng)默認名是：mschart1、mschart2等。由于mschart控件不是vb內(nèi)建的基本控件，因此在使用前必須用工程菜單中的“部件”，添加mschart控件。添加mschart控件的選項是“microsoft chart control 6.0(oledb)”。當(dāng)我們在vb的工具箱中添加了mschart控件，并在窗體中“畫”出mschart控件后，可見到如下圖形：圖7.31.設(shè)置mschart系列數(shù)據(jù)與圖表類型:(1)mschart的系列通過對圖7.3的分析，我們可以看到mschart圖表中將數(shù)據(jù)分組顯示。如圖中r1、r2、r3、r4、r5各代表一個組，一組相關(guān)的數(shù)據(jù)在繪圖中稱為一個“系列”，一張圖表可由一個或多個系列構(gòu)成。若mschart控件被賦值一個一維數(shù)組數(shù)據(jù)，則它所顯示的數(shù)據(jù)圖形只繪制出一個系列的圖表。若一維數(shù)組中的