基于單片機(jī)的水箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)張強(qiáng)

1、南 昌 工 程 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)機(jī)械與電氣工程學(xué)院系 電氣自動(dòng)化技術(shù) 專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 基于單片機(jī)的水箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 強(qiáng) 班 級(jí) 08電氣自動(dòng)化技術(shù) 學(xué) 號(hào) 2008010024 指 導(dǎo) 教 師 賈興建 完 成 日 期 2011 年6月 14 日29 / 38基于單片機(jī)的水箱溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Design for Constant Temperature System Of Intelligent Based on MCU System總計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 頁(yè) 表 格 0 個(gè)插 圖 25 幅摘 要隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)普與

2、到我們生活、工作、科研、各個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為一種比較成熟的技術(shù)。 本文主要介紹了一個(gè)基于AT89C51單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)，詳細(xì)描述了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程和實(shí)現(xiàn)方法，畫(huà)出了各個(gè)子程序的工作流程圖。該系統(tǒng)通過(guò)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)顯示與越限報(bào)警等功能。DS18B20作為溫度傳感器與AT89C51結(jié)合實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：AT89C51 DS18B20 恒溫水箱 PIDAbstractWith the era of progress and development, mic

3、rocontroller technology has spread to our lives, work, research in various fields, has become a relatively mature technology. In this paper, based on AT89C51 microcontroller, a temperature control system, a detailed description of the process of building mathematical model and method, draw a flow ch

4、art of the various routines of work. The system hardware and software systems to achieve a real-time monitoring of water temperature, real-time control, real-time display and alarm function more limited. AT89C51 DS18B20 as a temperature sensor combined with the realization of the temperature detecti

5、on system, the system is simple, anti-interference ability, suitable for harsh environments spot temperature measurement, a wide range of applications.Key words:AT89C51; PID; constant temperature water tank; DS18B20目錄摘 要IIAbstractIII第一章 緒 論11.1 課題背景11.2 國(guó)外恒溫控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)11.2.1 國(guó)外恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)11.2.2 國(guó)恒溫

6、控制的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)2第二章 恒溫水箱控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)32.1系統(tǒng)方案選擇與論證32.1.1 一位式的模擬控制方案32.1.2 二位式的模擬控制方案32.1.3 PID算法控制方案42.2 恒溫水箱控制系統(tǒng)工作原理5第三章 恒溫水箱控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)63.1 單片機(jī)主控模塊63.1.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介63.1.2 AT89C51各引腳功能說(shuō)明63.1.3 AT89C51單片機(jī)主要性能參數(shù)73.1.4 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)73.2 主電源模塊93.3 溫度采集模塊93.3.1溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫原理93.3.2 DS18B20與單片機(jī)的接口電路103.4

7、按鍵輸入模塊113.5 繼電器控制模塊113.5.1 固態(tài)繼電器SSR工作原理113.5.2 繼電器控制電路圖123.6 顯示模塊133.7越限報(bào)警報(bào)模塊143.8 串行通信接口模塊15第四章 恒溫水箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)164.1 工作流程164.2 建立數(shù)學(xué)模型164.2.1 模擬控制系統(tǒng)的PID算法174.2.2 增量式PID算法184.3 程序模塊204.3.1 主程序204.3.2 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)子程序204.3.3 鍵盤(pán)掃描處理程序214.3.4 溫度檢測(cè)與控制子程序224.3.5溫度顯示子程序23總 結(jié)25參考文獻(xiàn)26致 27第一章 緒 論1.1 課題背景溫度是工業(yè)上常見(jiàn)的被控參數(shù)之

8、一，特別是在冶金、化工、建材、食品加工、機(jī)械制造等領(lǐng)域，恒溫控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。在一些溫控系統(tǒng)電路中，廣泛采用的是通過(guò)熱電偶、熱電阻或PN結(jié)測(cè)溫電路經(jīng)過(guò)相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換成AD轉(zhuǎn)換器能接收的模擬量，再經(jīng)過(guò)采樣保持電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最終送入單片機(jī)與其相應(yīng)的外圍電路，完成監(jiān)控。但是由于傳統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、易受干擾、不易控制且精度不高。本文介紹單片機(jī)通過(guò)數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)外部溫度對(duì)水箱進(jìn)行恒溫控制的設(shè)計(jì)，采用PID算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制。因此，本系統(tǒng)采用一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需復(fù)雜的信號(hào)處理電路

9、和AD轉(zhuǎn)換電路就能直接與單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集和處理，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要用于各種場(chǎng)合。在日常生活中，也經(jīng)常用到電烤箱、微波爐、電熱水器、烘干箱等需要進(jìn)行溫度檢測(cè)與控制的家用電器。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度地提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，現(xiàn)以恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。1.2 國(guó)外恒溫控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，恒溫控制己在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。在不同的領(lǐng)域，由于控制環(huán)境、目標(biāo)、成本等因素，需要針對(duì)具體情況來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，以取得最佳的控制效果。其中，恒溫環(huán)

10、境的自動(dòng)化控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)運(yùn)營(yíng)中是一個(gè)重要研究課題。1.2.1 國(guó)外恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)自70年代以來(lái)，由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以與自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外恒溫控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化，自適應(yīng)參數(shù)的自整定等方面取得了很大的科技成果。在這方面以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，并且都生產(chǎn)出了一批商品化的性能優(yōu)異的溫度控制器與儀器儀表。目前，國(guó)外溫度控制系統(tǒng)與儀表正朝著高精度智能化、小型化等方面快速發(fā)展。雖然溫度控制系統(tǒng)在國(guó)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)生產(chǎn)的溫度控制器與技術(shù)來(lái)講，其總體發(fā)展水平仍然不高，同國(guó)外的日本、

11、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。1.2.2 國(guó)恒溫控制的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)我國(guó)目前在恒溫控制技術(shù)這方面總體技術(shù)水平處于20世紀(jì)80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制與常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變的溫度系統(tǒng)控制。在適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表領(lǐng)域，國(guó)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。因此，我國(guó)在恒溫控制等控制儀表行業(yè)與國(guó)外還有著一定的差距。從過(guò)程量的檢測(cè)角度出發(fā)，溫度是最常見(jiàn)的過(guò)程變量之一，它是一個(gè)非常重要的過(guò)程變量，因?yàn)樗苯佑绊懭紵?、化學(xué)反應(yīng)、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結(jié)晶以與空

12、氣流動(dòng)等物理和化學(xué)過(guò)程。而恒溫控制技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。其溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問(wèn)題。盡管恒溫控制很重要，但是要控制好溫度常常會(huì)遇到意想不到的困難。隨著嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電子產(chǎn)品的小型化和智能化要求越來(lái)越高，作為高新技術(shù)之一的單片機(jī)以其體積小、價(jià)格低、可靠性高、適用圍大以與本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢(shì)，在各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。第二章 恒溫水箱控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)本章提出了對(duì)恒溫控制的幾種方案，根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的控制要求與

13、技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合這幾種方案的性能特點(diǎn)，最后選定以單片機(jī)為主控制器，增量式的PID算法進(jìn)行調(diào)整控制PWM波形產(chǎn)生的方案三作為本控制系統(tǒng)的總體方案。2.1系統(tǒng)方案選擇與論證2.1.1 一位式的模擬控制方案此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜差大，不穩(wěn)定，受環(huán)境影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，難以用數(shù)碼管顯示，難以用鍵盤(pán)設(shè)定，其方案一框圖如圖2.1所示。比較器溫度預(yù)置信號(hào)放大固態(tài)繼電器加熱裝置數(shù)據(jù)采集信號(hào)放大圖2.1 一位式模擬控制方案框圖2.1.

14、2 二位式的模擬控制方案此方案采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器（ADC590）對(duì)水箱水溫進(jìn)行檢測(cè)，得到模擬的溫度信號(hào)，在經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后，則可用數(shù)碼管來(lái)顯示水溫的實(shí)際值，還能用鍵盤(pán)輸入設(shè)定值，也可實(shí)現(xiàn)打印功能。本方案還可選用51單片機(jī)（部含有4KB的EEPROM），不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。但是它是一種傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，控制方案的修改也比較麻煩，其方案二框圖如圖2.2所示。加熱裝置上限比較溫度預(yù)置信號(hào)放大信號(hào)采集固態(tài)繼電器信號(hào)處理下限比較圖2.

15、2 二位式模擬控制方案框圖2.1.3 PID算法控制方案此方案采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對(duì)溫度控制，它可達(dá)到核心的控制作用，并且可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示、鍵盤(pán)設(shè)定與利用PID算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生，進(jìn)而控制電爐的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)恒溫控制，其所測(cè)結(jié)果精度也大大的得到了提高，在利用PID算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生，是有效的控制數(shù)字脈沖的輸出寬度，使固態(tài)繼電器得到有效和有序的邏輯控制，不會(huì)使固態(tài)繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此利用PWM技術(shù)進(jìn)行脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是：（1）從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。（2）讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小，并且噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯“1”改變

16、為邏輯“0”或?qū)⑦壿嫛?”改變?yōu)檫壿嫛?”時(shí)，才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。（3）對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)也是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。（4）PWM經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。再加上單片機(jī)的軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。它可以通過(guò)用數(shù)字溫度傳感器采集到的實(shí)際水溫溫度直接進(jìn)行數(shù)碼管顯示，還能用鍵盤(pán)輸入設(shè)定值，并且部含有4KB的EEPROM,不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，其方案三框圖如圖2.3所示。鍵盤(pán)設(shè)定溫度采集單片機(jī)電源電路LED數(shù)碼顯示固態(tài)繼電

17、器加熱裝置圖2.3方案三 基于單片機(jī)控制的方框圖數(shù)字PID調(diào)整復(fù)位電路由于方案一和方案二是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律，控制方案的修改也比較麻煩，而方案三是采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，利用PID控制原理和PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱水溫的控制?；谶@樣的控制原理和PWM技術(shù)的優(yōu)越性，在對(duì)溫度控制的系統(tǒng)中，它可達(dá)到采用其他控制系統(tǒng)所達(dá)不到的控制效果，并且可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)碼實(shí)時(shí)顯示、鍵盤(pán)設(shè)定、直接可以驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，其測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度是非常高的，故經(jīng)過(guò)對(duì)三種方案的比較論證，本設(shè)計(jì)采用方案三，利用單片機(jī)按增量式的PID控制算法對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制量，利用增量式的

18、PID控制算法來(lái)控制PWM波形的產(chǎn)生進(jìn)而控制固態(tài)繼電器，從而達(dá)到控制電爐的功率進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱水溫的恒溫控制。2.2 恒溫水箱控制系統(tǒng)工作原理根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，確定了系統(tǒng)總體方案之后，現(xiàn)對(duì)該方案的具體原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，它是采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的，其具體控制圖如圖2.4所示。AT89C51數(shù)字PID繼電器控制電路電爐智能溫度傳感器DS18B20驅(qū)動(dòng)電路LED顯示圖2.4 恒溫控制原理圖按鍵輸入水箱本系統(tǒng)是采用閉環(huán)負(fù)反饋的控制方式進(jìn)行控制的，它通過(guò)數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)水箱的水溫溫度，把采集到的數(shù)據(jù)直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由于數(shù)字式溫度傳感器能在極短時(shí)間把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換

19、成數(shù)字量，這樣被它處理的數(shù)據(jù)直接送到數(shù)字PID模塊進(jìn)行調(diào)整和控制PWM波形的產(chǎn)生。然后，把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)不同的差值去控制控制固態(tài)繼電器的通斷，以采取不同的加熱方式進(jìn)行加熱升溫。另外，還設(shè)置了溫度實(shí)時(shí)顯示的裝置，可以同時(shí)顯示預(yù)先設(shè)定的溫度值和實(shí)際檢測(cè)到的溫度值。第三章 恒溫水箱控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)恒溫水箱控制系統(tǒng)主要由八部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控制模塊、主電源電路、溫度采集模塊、按鍵輸入電路、繼電器控制模塊、顯示模塊、越限報(bào)警模塊、串行通信接口模塊。本章對(duì)各模塊的硬件電路設(shè)計(jì)作了詳細(xì)說(shuō)明。3.1 單片機(jī)主控模塊單片機(jī)主控制模塊采用AT89C51芯片，把數(shù)字溫度傳感器采集到的溫

20、度信號(hào)與原預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)其差值通過(guò)PID調(diào)節(jié)整定，控制繼電器的通斷進(jìn)行不同加熱方式，能用鍵盤(pán)進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的處理以與溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示。3.1.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51

21、指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。3.1.2 AT89C51各引腳功能說(shuō)明VCC：供電電壓。Vdd：接地。P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。P1口：P1口是一個(gè)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P2口：P2口為一個(gè)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。P3口：P3口管腳是

22、8個(gè)帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。RST：復(fù)位輸入。ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲(chǔ)器。當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，從部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始讀取。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 圖3.1 40引腳雙列直插封裝圖3.1.3 AT89C51單片機(jī)主要性能參數(shù)

23、(1)與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； (7)32個(gè)可編程I/O口線；(2)4K字節(jié)可重復(fù)擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器； (8)2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；(3)1000次擦寫(xiě)周期； (9)6個(gè)中斷源；(4)全靜態(tài)操作：0Hz24MHz； (10)可編程串行UART通道；(5)三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；(11)低功耗空閑和掉電模式。(6)128×8字節(jié)部RAM；3.1.4 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng),或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng).對(duì)51系列單片機(jī)來(lái)說(shuō),最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括:單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路.下面給出一個(gè)51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖3.2

24、.3.2 AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖說(shuō)明復(fù)位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成,由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì),可以知道,當(dāng)系統(tǒng)一上電,RST腳將會(huì)出現(xiàn)高電平,并且,這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的RC值來(lái)決定.典型的51單片機(jī)當(dāng)RST腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位,所以,適當(dāng)組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位.一般教科書(shū)推薦C 取10u,R取8.2K.當(dāng)然也有其他取法的,原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個(gè)機(jī)周期的高電平.至于如何具體定量計(jì)算,可以參考電路分析相關(guān)書(shū)籍.晶振電路: 單片機(jī)部帶有時(shí)鐘電路，只需要在片外通過(guò)XTAL1、XTAL2引腳接入

25、定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在1.212MHz之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好，可以保證程序運(yùn)行速度即保證了控制的實(shí)時(shí)性。一般采用石英晶振作定時(shí)控制元件，在不需要高精度參考時(shí)鐘時(shí)，也可以用電感代替晶振，有時(shí)也可以引入外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。接在晶振上的電容雖然沒(méi)有嚴(yán)格要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。因此，通常選擇在1030pF左右，在此次設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路時(shí)，晶振頻率選用（12MHz），電容選用（30pF），并且它們應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性3.2 主電源模塊控制系統(tǒng)主控制部分電源需要用5V直流電源

26、供電，其電路如圖3.3所示，把頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電壓轉(zhuǎn)換為幅值穩(wěn)定的5V直流電壓。其主要原理是把單相交流電經(jīng) 過(guò)電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。 由于輸入電壓為電網(wǎng)電壓，一般情況下所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而電源變壓器的作用顯現(xiàn)出來(lái)起到降壓作用。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。由于經(jīng)整流電路整流后的電壓含有較大的交流分量，會(huì)影響到負(fù)載電路的正常工作。需通過(guò)低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。穩(wěn)壓電路的功能是使輸出直流電壓基本不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響，從而獲得穩(wěn)定性足夠高的直流電壓

27、。本電路使用集成穩(wěn)壓芯片7805解決了電源穩(wěn)壓?jiǎn)栴}。圖3.3主電源電路3.3 溫度采集模塊由于在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問(wèn)題、多點(diǎn)測(cè)量切換誤差問(wèn)題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問(wèn)題等技術(shù)問(wèn)題，才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度。而且一般監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號(hào)較強(qiáng)，模擬溫度信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量精度。因此，在本設(shè)計(jì)中的溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的DS18B20溫度芯片對(duì)水箱的水溫進(jìn)行采集溫度數(shù)據(jù)，并且由于它抗干擾能力強(qiáng)，是解決這些問(wèn)題的最有效方案。3.3.1溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫原理DS18B20的測(cè)溫原理用于

28、產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，當(dāng)計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測(cè)量。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來(lái)決定,每次測(cè)量前,首先將-55所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中,減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù),當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值將加1,減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入,減法計(jì)數(shù)器1重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),如此循環(huán)

29、直到減法計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí),停止溫度寄存器值的累加,此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度,由于它部的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值,只要計(jì)數(shù)門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程,直至溫度寄存器值達(dá)到被測(cè)溫度值，其部測(cè)溫電路圖3.4所示。斜率累加器預(yù)置減法計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)比較器預(yù)置減到零溫度寄存器減到零減法計(jì)數(shù)器2高溫度系數(shù)振蕩器低溫度系數(shù)振蕩器設(shè)置/清除最低有效位增加停止圖3.4 內(nèi)部測(cè)溫電路圖3.3.2 DS18B20與單片機(jī)的接口電路DS18B20的引腳圖與與AT89C51的接口電路如圖3.5所示，其中DS18B20工作在外部電源供電方式，AT89C51單片機(jī)采

30、用P1.2和DS18B20通信。圖3.5 DS18B20與AT89C51單片機(jī)的接口電路3.4 按鍵輸入模塊本系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)按鍵，采用查詢方式，一個(gè)用于選擇切換設(shè)置報(bào)警溫度和當(dāng)前溫度，另外兩個(gè)分別用于設(shè)置報(bào)警溫度的加和減。均采用軟件消抖。圖3.6按鍵輸入模塊3.5 繼電器控制模塊3.5.1 固態(tài)繼電器SSR工作原理本系統(tǒng)采用固態(tài)繼電器進(jìn)行控制,它的控制原理是：固態(tài)繼電器只有兩個(gè)輸入端(“+”和“-”)與兩個(gè)輸出端，是一種四端器件。工作時(shí)只要在“+”、“-”上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制輸出兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為“+”、“-”端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)

31、輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開(kāi)SSR中輸入端和輸出端之間的(電)聯(lián)系，以防止輸出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入/輸出端間的絕緣(耐壓)等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使固態(tài)繼電器的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即受“1”與“0”的邏輯電平控制。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電路工作，但由于開(kāi)關(guān)電路在不加特殊控制電路時(shí)，將產(chǎn)生射頻干擾并以高次諧波或尖峰等污染電網(wǎng)，為此特設(shè)“過(guò)零控制電路”。所謂“過(guò)零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過(guò)零時(shí)，固態(tài)繼電器即為通態(tài)；而當(dāng)斷開(kāi)控制信

32、號(hào)后，固態(tài)繼電器要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn)(零電位)時(shí)，固態(tài)繼電器才為斷態(tài)。這種設(shè)計(jì)能防止高次諧波的干擾和對(duì)電網(wǎng)的污染。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌(電壓)對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾(甚至誤動(dòng)作)而設(shè)計(jì)的，一般是用“R-C”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻(壓敏電阻器)。下圖為一種典型的交流型SSR的電路原理圖，其部結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示。圖3.7 繼電器部結(jié)構(gòu)圖3.5.2 繼電器控制電路圖下圖是一個(gè)控制電阻絲加熱的電路圖，單片機(jī)通過(guò)P3.1口的輸出控制繼電器的開(kāi)合并進(jìn)行通訊,當(dāng)繼電器的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電路導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通，220V的交流電壓直接加在加熱裝置上

33、進(jìn)行全加熱，其電路圖如圖3.8所示。圖3.8繼電器控制模塊與加熱裝置3.6 顯示模塊在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，常用LED 顯示器來(lái)顯示各種數(shù)字或符號(hào)。這種顯示器顯示清晰，亮度高，接口方便，廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中八段LED數(shù)碼管連接電路。圖3.9實(shí)驗(yàn)板上所用共陽(yáng)型LED 數(shù)碼管的電路原理圖，從圖中可以看出：一個(gè)字塊中的8 個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極都連在一起的，共陰和共陽(yáng)結(jié)構(gòu)的LED 顯示器各筆劃段名的位置與名稱是一樣的。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，由發(fā)亮的筆劃段組合而顯示出各種字符。如圖3.10，8 個(gè)筆劃段h g f e d c b a 對(duì)應(yīng)于一個(gè)字節(jié)（8 位）的D7 D6 D5 D4 D3 D2

34、 D1 D0，于是用8 位二進(jìn)制碼就可以表示欲顯示字符的字形代碼。數(shù)碼管二極管的正極連在一起，構(gòu)成公共端，即片選端，對(duì)于這種數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)，要求在片選端提供電流。圖3.9圖 3.10數(shù)碼管除了與AT89C51原件的管腳直接相連外，還需要添加2個(gè)PNP三極管和2個(gè)二極管。在片選端提供電流如圖圖3.113.7越限報(bào)警報(bào)模塊報(bào)警電路如圖3-11所示，該電路采用一個(gè)小功率三極管Q1驅(qū)動(dòng)蜂鳴器BELL,當(dāng)單片機(jī)接收到超額溫度信號(hào)或危險(xiǎn)信號(hào)時(shí),輸出腳BELL輸出高點(diǎn)平,Q1導(dǎo)通，致使蜂鳴器BELL得電工作，發(fā)出報(bào)警聲。同時(shí)，電路中的發(fā)光二極管指示出電路的工作狀態(tài)。圖3.11 報(bào)警電路3.8 串行通信接口模塊

35、AT89C51單片機(jī)通過(guò)管腳RXD（串行數(shù)據(jù)接收端）和管腳TXD（串行數(shù)據(jù)發(fā)送端）與外界通信。SBUF是串行口緩沖寄存器，包括發(fā)送寄存器和接收寄存器。它們有一樣的名字和地址空間，但不會(huì)出現(xiàn)沖突，因?yàn)樗鼈円粋€(gè)只能被CPU讀出數(shù)據(jù)，一個(gè)只能被CPU寫(xiě)入數(shù)據(jù)。AT89C51芯片雖然已有串行輸入/輸出管腳可以做串行通信，但為了使PC與AT89C51的電壓保持一致，時(shí)通信距離更遠(yuǎn)、通信效果更好，所以還要加上MAX232芯片。本設(shè)計(jì)中的串行接口是一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口。它可用做異步通信方式，與串行傳送信息的外部設(shè)備相連接，或用于通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)異步通信協(xié)議進(jìn)行全雙工通信。AT89C51多機(jī)系統(tǒng)也可以通過(guò)同

36、步方式，使用TTL或COMS移位寄存器來(lái)擴(kuò)充I/O口。電路如圖3.12圖3.1第四章 恒溫水箱控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)控制的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，本章在建立系統(tǒng)各部分軟件流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了各部分的軟件控制流程。由于系統(tǒng)的操作過(guò)程和工作過(guò)程在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中起著很重要的指導(dǎo)作用，因此在軟件設(shè)計(jì)之前應(yīng)分析加熱爐的工作流程。4.1 工作流程當(dāng)上電復(fù)位后電阻絲先處于停止加熱狀態(tài)，但也可以直接啟動(dòng)運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)不斷檢測(cè)當(dāng)前溫度，并送往顯示器顯示，達(dá)到預(yù)定值后停止加熱；當(dāng)溫度下降到下限（比預(yù)定值低5）時(shí)再啟動(dòng)加熱。這樣不斷地重復(fù)上述過(guò)程，使溫度保持在預(yù)定溫度圍之。運(yùn)行過(guò)程中

37、也可以隨時(shí)改變?cè)O(shè)定溫度，溫度設(shè)定好后隨即生效，系統(tǒng)按新的設(shè)定溫度運(yùn)行。4.2 建立數(shù)學(xué)模型控制算法即控制器的操作方式，是控制器對(duì)過(guò)程變量的實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的誤差信號(hào)的響應(yīng)。溫度控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn),它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。溫度控制不好就可能引起生產(chǎn)安全，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量等一系列問(wèn)題。因此長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)外科技工作者對(duì)溫度控制器進(jìn)行了廣泛深入的研究，產(chǎn)生了大批溫度控制器，如性能成熟應(yīng)用廣泛的PID調(diào)節(jié)器、智能控制PID調(diào)節(jié)器、自適應(yīng)控制等。此處主要對(duì)一些控制器特性進(jìn)行分析以便選擇適合的控制方法應(yīng)用于改造。再加上PID控制具有原理簡(jiǎn)單，易于

38、實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象“一階滯后純滯后”與“二階滯后純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。其調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI、PD、）。它的控制框圖如圖4.2所示。圖4.1 PID控制框圖4.2.1 模擬控制系統(tǒng)的PID算法模擬控制系統(tǒng)的PID控制規(guī)律表達(dá)式為： （4.1）式（4.1）中，u(t)為控制器的輸出；e(t)為偏差，設(shè)定值與反饋值之差；kc為控制器的放大系數(shù)，即比例增益；T為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；TD為控制器的微分時(shí)間常數(shù)。對(duì)于DDC控制

39、系統(tǒng)，它是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行斷續(xù)控制，因此要對(duì)上式進(jìn)行離散化。令： （4.2）可得第K次計(jì)算機(jī)輸出的位置型PID控制算式為或 （4.3）式（4.3）表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k)（如閥門(mén)開(kāi)度），所以稱為位置式PID控制算法。為程序設(shè)計(jì)方便，將式(4.11)作進(jìn)一步的改進(jìn)，設(shè)比例項(xiàng)輸出：（4.4）積分項(xiàng)輸出：（4.5）微分項(xiàng)輸出：（4.6）所以，（4.3）可寫(xiě)為 （4.7）式(4.7)為離散化的位置型PID編程公式，若采用浮點(diǎn)運(yùn)算，當(dāng)KP、KI、KD分別求出（并轉(zhuǎn)成三字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)），且存放在指定的部RAM中，則完成式（4.7）位置型浮點(diǎn)運(yùn)算15，位置型PID運(yùn)算程序流程見(jiàn)圖4.2。4.2.

40、2 增量式PID算法當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對(duì)數(shù)值，而是其增量（例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)）時(shí)，由式（4.1）可導(dǎo)出提供增量PID算法，這只要將式（4.8）與（4.9）相減就可以得到下面的公式（4.10）式（4.10）稱為增量式PID控制算法，也可以進(jìn)一步改寫(xiě)為：（4.11）其中可見(jiàn)增量式算法只需要保持現(xiàn)時(shí)以前的3個(gè)時(shí)刻的偏差值即可。由式（4.10）可知，增量型PID算式為：（4.12）設(shè)：所以（4.13）式(4.13)為離散化的增量型PID編程表達(dá)式。當(dāng)系數(shù)KP、KI、KD求出后，分別存在指定的RAM單元中。在初始化程序中，將e(k-1)、e(k-2)、uP(k)單元清零，而后編程同位置型PID

41、程序編制出增量型浮點(diǎn)運(yùn)算PID程序，增量型浮點(diǎn)PID運(yùn)算程序流程見(jiàn)圖4.3。圖4.3 增量式PID運(yùn)算程序流程圖輸入M(k)，R(k)計(jì)算e(k)=r(k)-m(k)計(jì)算uP(k)=KPe(k)-e(k-1)計(jì)算uI(k)=KIe(k)計(jì)算uD(k)=KDe(k)-2e(k-1)+e(k+2)計(jì)算u(k)=uP(k)+uI(k)+uD(k)返 回開(kāi) 始計(jì)算e(k)=r(k)-m(k)計(jì)算uP(k)=KPe(k)計(jì)算uI(k)=KIe(k)+uI(k-1)計(jì)算uD(k)=KDe(k)+e(k-1)計(jì)算u(k)=uP(k)+uI(k)+uD(k)將u(k)轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)整數(shù)放入內(nèi)存單元中e(k-1)

42、e(k)輸入M(k)，R(k)返 回圖4.2 位置式PID運(yùn)算程序流程圖開(kāi) 始采用PID控制其優(yōu)點(diǎn)是理論和技術(shù)都很成熟，在單片機(jī)上用軟件較易實(shí)現(xiàn)，可以達(dá)到較小的靜態(tài)誤差，但必須仔細(xì)調(diào)整控制參數(shù)，才能獲得較好的效果。并且它能夠在控制過(guò)程中根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律不停地自動(dòng)調(diào)節(jié)控制量以使被控系統(tǒng)朝者設(shè)定的平衡狀態(tài)過(guò)度，最后達(dá)到控制圍精度的穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。最后，我們通過(guò)比較位置式和增量式的PID算法可以得出增量式控制的優(yōu)點(diǎn)：誤動(dòng)作時(shí)影響小，手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，仍然能保持原值；算式中不需要累加，控制增量的計(jì)

43、算僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。因此，基于增量式數(shù)字PID的特性和結(jié)合本控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和要求，我們采用增量式的數(shù)字PID進(jìn)行調(diào)整運(yùn)算控制PWM波形的產(chǎn)生，達(dá)到控制繼電器的通斷進(jìn)行加熱。4.3 程序模塊系統(tǒng)軟件由主程序、鍵盤(pán)輸入子程序、設(shè)定溫度子程序、溫度檢測(cè)子程序、溫度控制子程序和顯示子程序組成。4.3.1主程序主程序完成系統(tǒng)的初始化，調(diào)用溫度模塊程序,對(duì)其預(yù)置值與其合法性進(jìn)行檢查，預(yù)置溫度的顯示,調(diào)用鍵盤(pán)掃描模塊等。若正常執(zhí)行完三個(gè)子程序，則返回初始化進(jìn)入到其它的狀態(tài)，主程序的流程圖見(jiàn)圖4.4所示。 開(kāi) 中 斷調(diào)用溫度傳感器數(shù)據(jù)采集子程序調(diào)用鍵盤(pán)

44、掃描處理子程序調(diào)用顯示子程序關(guān) 中 斷開(kāi) 始初 始 化圖4.4 主程序流程圖4.3.2 溫度傳感器驅(qū)動(dòng)子程序根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后再發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求單片機(jī)將數(shù)據(jù)線下拉500us，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待1660us左右，再發(fā)出60240us的存在低脈沖，CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。本系統(tǒng)對(duì)DS18B20的操作分為3個(gè)步驟：初始化、ROM命令和DS18B20功能命令。單片機(jī)要與DS18B20通信，

45、首先必須完成初始化：?jiǎn)纹瑱C(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，DS18B20返回響應(yīng)脈沖。ROM命令完成單片機(jī)與總線上的某一DS18B20建立聯(lián)系，有搜尋ROM、讀ROM、匹配ROM、忽略ROM、報(bào)警查找等命令。這里，單片機(jī)只連接1個(gè)DS18B20，因此只使用讀ROM命令來(lái)讀取DS18B20的48位ID號(hào)。DS18B20功能命令在該步驟中完成溫度轉(zhuǎn)換、寫(xiě)暫存寄存器、讀暫存寄存器、拷貝暫存寄存器、裝載暫存器寄存器、讀供電模式命令16。本系統(tǒng)不用溫度報(bào)警功能，因此在本步驟中只需完成溫度轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)讀暫存寄存器命令完成溫度轉(zhuǎn)化的結(jié)果。所以，本系統(tǒng)對(duì)DS18B20進(jìn)行的操作主要包括兩個(gè)子過(guò)程：（1）讀取DS18B20的序

46、列號(hào)。主機(jī)首先發(fā)一復(fù)位脈沖，等收到返回的存在脈沖后，發(fā)出搜索器件的序列號(hào)命令，讀取DS18B20的序列號(hào)；（2）啟動(dòng)DS18B20作溫度轉(zhuǎn)換并讀取溫度值。主機(jī)在收到返回的存在脈沖后，發(fā)出跳過(guò)器件的序列號(hào)命令，跟著發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，再次復(fù)位并收到返回的存在脈沖后，發(fā)送DS18B20的序列號(hào)，讀出數(shù)據(jù)（如圖4.5所示）。開(kāi)始讀取48位ID發(fā)送讀暫存器命令初始啟動(dòng)溫度返回回圖4.5溫度傳感器驅(qū)動(dòng)4.3.3 鍵盤(pán)掃描處理程序鍵盤(pán)模塊的處理是通過(guò)對(duì) K2，K3，K4進(jìn)行操作的。K2是溫度上調(diào)按鈕, K3是溫度下調(diào)按鈕, K4是輸入數(shù)據(jù)確認(rèn)按鈕。首先對(duì)K4數(shù)據(jù)輸入確認(rèn)鍵進(jìn)行掃描判斷是否被按下,并且對(duì)K4鍵

47、設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志位,當(dāng)其標(biāo)志位為1時(shí)，表示K4被按下,否則K4沒(méi)有被按下，具體流程圖4.6所示。開(kāi)始K4數(shù)據(jù)輸入確認(rèn)鍵是否按下確認(rèn)鍵標(biāo)志位1是否K3按下是否是K4按下是否K2鍵按下 數(shù)碼顯示返回主程序否是是否否否K4鍵子程序上調(diào)子程序下調(diào)子程序是是是圖4.6鍵盤(pán)掃描處理流程圖4.3.4 溫度檢測(cè)與控制子程序讀取DS18B20的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定值的比較，開(kāi)始進(jìn)行加熱，在加熱的過(guò)程中需要進(jìn)行每2秒一次的跟蹤檢測(cè)，并把檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行不同方式的加熱，其具體流程如圖4.7所示。調(diào)用按鍵設(shè)定溫度值并進(jìn)行開(kāi)始加熱檢測(cè)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度相等否？全加熱YPID調(diào)整加熱N每隔2秒檢測(cè)1

48、次相差5否？NY圖4.7溫度檢測(cè)與控制流程圖圖4.7溫度檢測(cè)與控制流程圖讀DS18B20,調(diào)顯示子程序初始化開(kāi)始4.3.5溫度顯示子程序該模塊首先判斷系統(tǒng)是否處于設(shè)定狀態(tài)，如果處于設(shè)定狀態(tài)則顯示設(shè)定溫度，否則顯示當(dāng)前實(shí)際溫度。顯示子程序的功能是將顯示緩沖區(qū)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的BCD碼，分別存入十位和個(gè)位顯示區(qū)，然后通過(guò)串行通信口送出顯示。顯示模塊程序的流程見(jiàn)圖4.8。設(shè)定狀態(tài)有效效開(kāi)始顯示實(shí)際溫度調(diào)用二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成BCD碼程序設(shè)定狀態(tài)有效設(shè)置串口方式設(shè)置顯示位數(shù)串口發(fā)送顯示返回圖4.8溫度顯示模塊流程圖總 結(jié)本次設(shè)計(jì)的新型PID調(diào)節(jié)恒溫水箱，是基于單片機(jī)為控制中心的恒溫系統(tǒng)，利用溫度傳感變送器，將采樣到的溫度信號(hào)輸入到單片機(jī)中，再由單片機(jī)作為核心控制器，根據(jù)測(cè)量溫度與設(shè)定溫度的差值和增量式的PID算法生成控制信號(hào)，控制固態(tài)繼電器的通電與斷電。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、所用芯片少、控制精度高、響應(yīng)速度快，體積小，成本低。系統(tǒng)在硬件上采用以單片機(jī)為中心的結(jié)構(gòu)，充分利用單片機(jī)片上與擴(kuò)展的硬件資源，在滿足技術(shù)要求的前提下最大限度地減小硬件系統(tǒng)的體積，并具備一定的擴(kuò)展升級(jí)能力。在鍵盤(pán)、顯示電路上都采用了串行方式，從而減小了單片機(jī)口線的使用，也使使用口線小的單片機(jī)成為可能，減小了成本開(kāi)支。雖然在主電源電路未采用