基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p><b>　?。?012屆）</b></p><p>　　專科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料</p><p><b>　　2012屆</b></p><p>　　?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料</p><p>　　第一部分 畢業(yè)論文</p><p><b>　?。?/p>

2、2012屆）</b></p><p>　　?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p><b>　　2012年5月 </b></p><p>　題 目 名 稱：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng) </p><p>　學(xué) 院（部）：電氣與信息工程學(xué)院

3、 </p><p>　專 業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù) </p><p>　學(xué) 生 姓 名：@@@ </p><p>　班 級(jí)：學(xué)號(hào) </p><p>　指導(dǎo)教師姓名：職稱 講師

4、 </p><p>　最終評(píng)定成績(jī)：</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遇到的過(guò)程控制，有些工藝過(guò)程對(duì)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(jì)一種較為理想的溫度控制系統(tǒng)是具有不一般的價(jià)值與意義。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常

5、用的主要被控參數(shù)。例如：在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機(jī)械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。采用MCS-51單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。將這個(gè)問(wèn)題地解決，能很好地提升生產(chǎn)效率，節(jié)約資源，降低

6、生產(chǎn)成本。</p><p>　　本文從硬件和軟件兩方面介紹了MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)硬件原理圖和程序框圖作了簡(jiǎn)捷的描述該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制算法新穎，控制精度高，有較強(qiáng)的通用性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 溫度控制 數(shù)字PID控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p>&l

7、t;p>　　In the modern industrial production, the current, voltage, temperature, pressure, and flow, velocity, and switch quantity is accused of main parameters.For example,n metallurgical industry, chemical industry, el

8、ectric power engineering, paper industry, machinery and food processing and so on many domains, people need to all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, reactors and boiler temperature detection and control.U

9、sing MCS - 51 SCM to control temperature, has not only convenient con</p><p>　　From the two aspects of hardware and software are introduced MCS - 51 SCM temperature control system design, hardware diagram an

10、d the procedures for the description of the simple diagram.</p><p>　　Key words: Microcontroller Temperature control system Digital PID control</p><p><b>　　目 錄</b></p><

11、p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　第1章 緒 論1</b></p><p><b>　　1.1 概述1</b></p><p>　　1.2 溫度控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 定值開(kāi)關(guān)溫控法2</p&g

12、t;<p>　　1.2.2 PID線性溫控法2</p><p>　　1.2.3智能溫度控制法3</p><p>　　1.3 MCS51介紹3</p><p>　　1.4溫度控制的主要方法5</p><p>　　1.5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案6</p><p>　　1.5.1系統(tǒng)性能要求6</p&

13、gt;<p>　　1.5.2系統(tǒng)硬件方案分析6</p><p>　　第2章 硬件設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)8</p><p>　　2.2 硬件電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.2.1主機(jī)電路的設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.2.2 I/O通道的硬件電路的設(shè)計(jì)9&

14、lt;/p><p>　　2.2.3 鍵盤顯示及設(shè)計(jì)10</p><p>　　2.2.4溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)11</p><p>　　第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.1軟件設(shè)計(jì)思想29</p><p>　　3.2軟件組成30</p><p>　　3.3主程序模塊30<

15、;/p><p>　　3.4數(shù)據(jù)采集模塊30</p><p>　　3.5數(shù)據(jù)處理模塊32</p><p>　　3.5.1數(shù)字濾波33</p><p>　　3.5.2顯示處理34</p><p>　　3.6中斷處理子程序35</p><p>　　3.6.1TO中斷子程序35</p>

16、;<p>　　3.6.2鍵盤中斷子程序35</p><p>　　3.6.3T1中斷子程序35</p><p>　　3.7軟件抗干擾措施35</p><p>　　3.8標(biāo)度轉(zhuǎn)換子程序36</p><p>　　3.9報(bào)警電路設(shè)計(jì)36</p><p>　　3.10溫度部分軟件設(shè)計(jì) 37</p

17、><p><b>　　結(jié) 論38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p>　　附錄 源代碼 41</p><p>　　第二部分 過(guò)程管理資料1</p&

18、gt;<p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p><b>　　1.1 概述</b></p><p>　　溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密的與溫度相聯(lián)系。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)指標(biāo)相聯(lián)

19、系。因此，溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，由于系統(tǒng)內(nèi)部與外界的熱交換是難以控制的，其他熱源的干擾也是無(wú)法精確計(jì)算的，因此溫度量的變化往往受到不可預(yù)測(cè)的外界環(huán)境擾動(dòng)的影響。為了使系統(tǒng)與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來(lái)達(dá)到這樣一個(gè)絕熱的目的，例如可以讓目標(biāo)系統(tǒng)外部環(huán)境的溫度與其內(nèi)部溫度同步變化。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，兩個(gè)溫度相同的系統(tǒng)之間是達(dá)到熱平衡的，這樣利用一個(gè)

20、與目標(biāo)系統(tǒng)溫度同步的隔離層，就可以把目標(biāo)系統(tǒng)與外界進(jìn)行熱隔離。另外，在大部分實(shí)際的環(huán)境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對(duì)溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象的，即不允許實(shí)際溫度超過(guò)控制的目標(biāo)溫度。特別是隔熱效果很好的環(huán)境，溫度一旦出現(xiàn)過(guò)沖，將難以很快把溫度降下來(lái)。這是因?yàn)楹芏鄳?yīng)用中只有加熱環(huán)節(jié)，而沒(méi)有冷卻的裝置。同樣道理，對(duì)于</p><p>　　鑒于上述這些特點(diǎn)，高精度溫度控制的難度比較大，而

21、且不同的應(yīng)用環(huán)境也需要不同的控制策略。下面就簡(jiǎn)要的討論一下溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀。</p><p>　　1.2 溫度控制技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地對(duì)溫度進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫度場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。</p><p>　　溫度測(cè)控技

22、術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、低廉、測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于超高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。另外的非接觸式測(cè)溫方法是通過(guò)對(duì)輻射能量的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的方法，其優(yōu)點(diǎn)是不破壞被測(cè)溫場(chǎng)，可以測(cè)量熱容量小的物體，適于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物

23、體的溫度，還可以測(cè)量區(qū)域的溫度分布，響應(yīng)速度較快。但也存在測(cè)量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。因此，在實(shí)際的溫度測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少投入。</p><p>　　溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。動(dòng)態(tài)溫度跟蹤實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)是使被控對(duì)象的溫度值按預(yù)先設(shè)定好的曲線進(jìn)行變化。在工業(yè)

24、生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過(guò)程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一給定數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度即穩(wěn)態(tài)誤差不能超過(guò)某允許值。本文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。</p><p>　　從工業(yè)控制器的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，溫度控制技術(shù)大致可分以下幾種：</p&

25、gt;<p>　　1.2.1 定值開(kāi)關(guān)溫控法</p><p>　　所謂定值開(kāi)關(guān)控溫法，就是通過(guò)硬件電路或軟件計(jì)算判別當(dāng)前溫度值與設(shè)定目標(biāo)溫度值之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)加熱裝置或冷卻裝置進(jìn)行通斷控制。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采

26、用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當(dāng)系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)關(guān)斷電源，當(dāng)系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點(diǎn)時(shí)開(kāi)通電源，因而無(wú)法克服溫度變化過(guò)程的滯后性，致使被控對(duì)象溫度波動(dòng)較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。</p><p>　　1.2.2 PID線性溫控法</p><p>　　這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理，控制是最早發(fā)展起

27、來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。由于調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差、誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬控制器，后者稱為數(shù)字控制器。其中數(shù)字控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實(shí)

28、現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè)參數(shù)比例值、積分值、微分值。只要PID參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當(dāng)對(duì)象特性一旦發(fā)生改變，三個(gè)控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。</p><p>　　1.2.3智能溫度控制法</p><p>　　為了克服線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)

29、整參數(shù)的方法，如參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。并通過(guò)將智能控制與控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多的有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的

30、具有自適應(yīng)算法的溫度控制儀表。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對(duì)國(guó)外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的被控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定。</p><p>　　1.3 DS18B20的介紹</p>

31、<p>　　DS18B20 數(shù)字溫度傳感器是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－Wire，即單總線器件，具有 線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來(lái)組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通 信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。</p><p>　?。?）DS18B20 產(chǎn)品的特點(diǎn) </p><p>　　1、只要求一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信。</p><p>　　

32、2、在 DS18B20 中的每個(gè)件上都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。</p><p>　　3、實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 </p><p>　　4、測(cè)量溫度范圍在－55.C 到＋125.C 之間。 </p><p>　　5、數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 </p><p>　　6、內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。&

33、lt;/p><p>　　7、三個(gè)管腳，1腳是接地腳，2腳是單總線、可向電源提供電源 、3腳是電源腳</p><p>　?。?）DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) </p><p>　　DS18B20 的內(nèi)部框圖如圖 3-2 所示。64位RO 存儲(chǔ)器件獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào)。暫存器包含兩字節(jié)（0和1字節(jié)）的溫度寄存器，用于存儲(chǔ)溫度傳感器的數(shù)字輸出。暫存器還提供一字節(jié)的上線警報(bào)觸發(fā)（T

34、H）和下線警報(bào)觸發(fā)（TL）寄存器（2 和 3字節(jié)）， 和一字節(jié)的配置寄存器 字節(jié)）使用者可以通過(guò)配置寄存器來(lái)設(shè)置溫度轉(zhuǎn)換的精度。 （4 ， 暫存器的 5、6 和 7 字節(jié)器件內(nèi)部保留使用。第八字節(jié)含有循環(huán)冗余碼（CRC ） 。使用 寄生電源時(shí)，DS18B20 不需額外的供電電源；當(dāng)總線為高電平時(shí)，功率由單總線上的 上拉電阻通過(guò) DQ 引腳提供；高電平總線信號(hào)同時(shí)也向內(nèi)部電容 CPP 充電，CPP 在總 線低電平時(shí)為器件供電。</p

35、><p>　　圖 1-1 DS18B20 的內(nèi)部框圖</p><p>　　(3)DS18B20 的 4 個(gè)主要數(shù)據(jù)部件 </p><p>　　光刻 ROM 中的 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。64 位光刻 ROM 的排列是：開(kāi)始 8 位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著 的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號(hào)， 最

36、后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。 光刻 ROM 的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 </p><p>　　DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符 號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 0.0625℃/LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 1

37、8B20 的兩個(gè) 8 比特的 RAM 中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625 即可得到實(shí)際溫度。 </p><p>　　DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦EEPROM,

38、后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 </p><p>　　配置寄存器，五位一直都是"1"，TM 是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在 測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0 用來(lái)設(shè)置 分辨率</p><p>　?。?）DS18B20 的工作過(guò)程 </p><p><b

39、>　?、佟⒊跏蓟?</b></p><p>　　DS18B20 所有的數(shù)據(jù)交換都由一個(gè)初始化序列開(kāi)始。由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和跟 在其后的由DS18B20發(fā)出的應(yīng)答脈沖構(gòu)成。DS18B20發(fā)出響應(yīng)主機(jī)的應(yīng)答脈沖時(shí)， 當(dāng) 即向主機(jī)表明它已處在總線上并且準(zhǔn)備工作。</p><p><b>　?、?、 ROM 命令</b></p><p&g

40、t;　　ROM命令通過(guò)每個(gè)器件64-bit的ROM碼，使主機(jī)指定某一特定器件（如果有多個(gè)器件掛在總線上）與之進(jìn)行通信DS18B20 ，每個(gè) ROM 命 令都是 8 bit 長(zhǎng)。</p><p><b>　?、?功能命令</b></p><p>　　主機(jī)通過(guò)功能命令對(duì)DS18B20進(jìn)行讀/寫(xiě) Scratchpad存儲(chǔ)器，或者啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換。 </p><

41、;p>　?。?）DS18B20 的信號(hào)方式 </p><p>　　DS18B20 采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種 信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、寫(xiě)0、寫(xiě)1、讀0 和讀1。除了應(yīng)答脈沖所有這些信 號(hào)都由主機(jī)發(fā)出同步信號(hào)?？偩€上傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)和命令都是以字節(jié)的低位在前。</p><p>　　①、初始化序列：復(fù)位脈沖和應(yīng)答脈沖 </p><

42、;p>　　在初始化過(guò)程中，主機(jī)通過(guò)拉低單總線至少480µs，以產(chǎn)生復(fù)位脈沖(TX)。然后主機(jī) 釋放總線并進(jìn)入接收(RX)模式。當(dāng)總線被釋放后，4.7kΩ的上拉電阻將單總線拉高。 DS18B20檢測(cè)到這個(gè)上升沿后，延時(shí)15µs~60µs，通過(guò)拉低總線 60µs~240µs 產(chǎn)生應(yīng)答 脈沖。初始化波形如圖 3-3 所示。 </p><p><b>　　

43、②、讀和寫(xiě)時(shí)序 </b></p><p>　　在寫(xiě)時(shí)序期間，主機(jī)向DS18B20 寫(xiě)入指令，而在讀時(shí)序期間，主機(jī)讀入來(lái)自 DS18B20 的指令。在每一個(gè)時(shí)序，總線只能傳輸一位數(shù)據(jù)。讀/寫(xiě)時(shí)序如圖 3-4 所示。 </p><p>　　寫(xiě)時(shí)序：存在兩種寫(xiě)時(shí)序：“寫(xiě) 1”和“寫(xiě) 0” 。主機(jī)在寫(xiě) 1 時(shí)序向DS18B20寫(xiě)入邏輯1，而在寫(xiě)0時(shí)序向DS18B20寫(xiě)入邏輯0。所有寫(xiě)時(shí)

44、序至少需要60µs，且在兩次寫(xiě)時(shí)序之 間至少需要 1µs 的恢復(fù)時(shí)間。兩種寫(xiě)時(shí)序均以主機(jī)拉低總線開(kāi)始。產(chǎn)生寫(xiě) 1 時(shí)序：主機(jī)拉低總線后，必須在 15µs 內(nèi)釋放總線，然后由上拉電阻將總 線拉至高電平。 產(chǎn)生寫(xiě)"0"時(shí)序： 主機(jī)拉低總線后，必須在整個(gè)時(shí)序期間保持低電平 （至 少60µs）。在寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始后的 15µs~60µs 期間，DS18B20采樣總線的狀態(tài)

45、。</p><p>　　圖 3-4 DS18B20初始化時(shí)序圖 </p><p>　　讀時(shí)序 ：DS18B20 只能在主機(jī)發(fā)出讀時(shí)序時(shí)才能向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)。所以主機(jī)在發(fā)出讀數(shù)據(jù) 命令后，必須馬上產(chǎn)生讀時(shí)序，以便 DS18B20 能夠傳送數(shù)據(jù)。所有讀時(shí)序至少 60µs， 且在兩次獨(dú)立的讀時(shí)序之間至少需要 1µs 的恢復(fù)時(shí)間。 </p><p>　　圖

46、 3-4 DS18B20 讀/寫(xiě)時(shí)序圖 控制器采樣 </p><p>　　1.4 MCS51介紹</p><p>　　由于Intel公司的單片機(jī)問(wèn)世早、產(chǎn)品系列齊全、兼容性強(qiáng)，得到了廣泛的英語(yǔ)，目前我國(guó)的主要使用MCS-51系列的單產(chǎn)，尤以8031為多。這是因?yàn)?031無(wú)片內(nèi)ROM、應(yīng)用靈活、價(jià)格便宜。MCS-51是Intel公司的8位系列單片機(jī)，包括51和52兩個(gè)子系列。51子系列有80

47、31、8051、8071；52子系列有8032、8052.52子系列的不同在于它多具有定時(shí)/計(jì)數(shù)器2及具有256B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p><b>　?。?）主要性能</b></p><p>　　1.內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：4KB</p><p>　　2.外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：128B</p><p>　　3.外部程序存儲(chǔ)器

48、：可擴(kuò)展到64KB</p><p>　　4.輸入/輸出口線：32跟（4個(gè)端口，每個(gè)端口8跟）</p><p>　　5.定時(shí)/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器。</p><p>　　6.串行口：全雙工，2跟</p><p>　　7.寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的128B中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為四個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)8個(gè)通用寄存器。</p&

49、gt;<p>　　8.中斷源：5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí)別</p><p>　　9.堆棧：最深128B</p><p>　　10.布爾處理機(jī)：即位處理器，對(duì)某些單元的某位做單獨(dú)處理。</p><p>　　11.指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時(shí)鐘為12MHz時(shí)）：大部分指令執(zhí)行時(shí)間為1us；少部分執(zhí)行指令時(shí)間為2us；只有乘、除指令的執(zhí)行時(shí)間為4us。</p>

50、<p><b>　?。?）功能引腳說(shuō)明</b></p><p>　　引腳結(jié)構(gòu)有雙列只差封裝（DIP）方式和方形封裝方式。下面分別敘述這些引腳的功能。</p><p><b>　　1.主電源引腳</b></p><p>　　VCC：電源端 </p><p><b>　　GND

51、：接地端</b></p><p>　　2.外接晶體引腳XTAL1和XTAL2</p><p>　　XTAL1：晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。</p><p>　　XTAL2：晶體振蕩接入的另一個(gè)引腳。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。</p><p>　　（3）控制或與其他電源復(fù)用引腳R

52、ST，ALE,VPP</p><p>　　RST：撫慰輸H入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存的地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而注意的是：

53、每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。在對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。</p><p>　　如果需要的話，通過(guò)對(duì)專用寄存器(SFR)區(qū)中的8EH單元的DO位置數(shù)，可禁止ALE操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條MOVX或MOVC指令期間，ALE才會(huì)被激活。另外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，該設(shè)定禁止ALE位無(wú)效。</p><p>　　程序儲(chǔ)存允許

54、：程序儲(chǔ)存允許輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)80C51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效（即輸出2個(gè)脈沖).但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　CPP：外部訪問(wèn)允許端。要是CPU只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），則VPP端必須保持低電平（接地）。然而要注意的是，如果保密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存VP

55、P端的狀態(tài)。當(dāng)VPP端保持高電平（接Vcc端）時(shí)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。在FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳也用于施加12V的編程允許電源Vpp。</p><p>　　輸入/輸出引腳P0.0-P0.7，P1.0-P1.7和P2.2-P2.7,P3.0-P3.7。</p><p>　　P0端口：P0是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向I/O接口，作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)

56、TTL輸入，在對(duì)端口寫(xiě)1時(shí)，又可作高阻抗輸入端用。</p><p>　　在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問(wèn)期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在FLASH編程時(shí)，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。 </p><p>　　P1端口：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或

57、輸出電流方式）4個(gè)輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部上拉電阻，哪些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì)FLASH編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1接收低8位地址。 </p><p>　　P2端口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫(xiě)1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P2作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，哪些被外部信號(hào)拉低的

58、引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。</p><p>　　在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時(shí)，P2送出高8位地址。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。</p><p>　　在對(duì)FLASH編程和程序檢驗(yàn)期間，P2也接受高位地址和一些控制信號(hào)。&

59、lt;/p><p>　　P3端口：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫(xiě)1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P3作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在89C51中，P3端口還用于一些復(fù)位功能。</p><p>　　1.5溫度控制的主要方法</p&g

60、t;<p>　　溫度的測(cè)量方法多采用集成的半導(dǎo)體模擬溫度傳感器，傳感器輸出的電壓或電流與溫度在一定范圍呈線性關(guān)系。通過(guò)放大，采樣得到被測(cè)量。另一種溫度測(cè)量方法是使用熱電偶，其測(cè)量精度較高，但測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，而且采用電橋測(cè)量的系統(tǒng)抗干擾能力較差，誤差較大。隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，新型的數(shù)字化溫度傳感器其精度、穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾能力都優(yōu)于模擬的溫度傳感器。數(shù)字溫度傳感器也越來(lái)越的到廣泛的應(yīng)用。 </p&

61、gt;<p>　　溫度檢測(cè)的方法根據(jù)敏感元件和被測(cè)介質(zhì)接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式兩大類。接觸式檢測(cè)的方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質(zhì)的膨脹式溫度檢測(cè)儀表；基于熱電效應(yīng)的熱電偶溫度檢測(cè)儀表。非接觸式檢測(cè)方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)物體的溫度進(jìn)行檢測(cè)，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。接觸式測(cè)溫是使測(cè)溫敏感元件與被測(cè)介質(zhì)接觸，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)與感溫元件達(dá)到熱平衡時(shí)，感溫元件與被測(cè)介質(zhì)的溫度相等。這類

62、傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低、應(yīng)用十分廣泛，因此，本方案采用接觸式測(cè)溫法，選用相關(guān)類型的傳感器。</p><p>　　由單片機(jī)組成的溫度測(cè)控系統(tǒng),通過(guò)在單片機(jī)外部添加各種接口電路，可構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度控制對(duì)象的溫度的顯示和控制。同時(shí)也能根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)多路巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、報(bào)警及記錄,對(duì)各個(gè)參數(shù)以一定的周期進(jìn)行檢查和測(cè)量,檢測(cè)的結(jié)果經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后再進(jìn)行顯示、打印和報(bào)警,以提

63、醒操作人員注意或直接用于生產(chǎn)控制。</p><p>　　1.6系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本論文所討論的基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)是某型號(hào)氣相色譜儀的溫度控制子系統(tǒng)，其目的是對(duì)兩個(gè)溫控箱的溫度進(jìn)行恒值溫度控制。溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏度之間，溫度控制的精度要求為士1℃。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)的性能要求以及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。</p><

64、p>　　1.6.1系統(tǒng)性能要求</p><p><b>　　系統(tǒng)性能要求：</b></p><p>　　1、可以人為方便地通過(guò)控制面板或機(jī)設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制；</p><p>　　2、能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫控箱溫度的測(cè)量并且通過(guò)控制面板上的液晶顯示實(shí)

65、時(shí)的顯示出來(lái)；</p><p>　　3、具有加熱保護(hù)功能的安全性要求。如果實(shí)際測(cè)得的溫控箱溫度值超過(guò)了系統(tǒng)規(guī)定的安全溫度，保護(hù)電路就會(huì)做出反應(yīng)，從而對(duì)溫控箱實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù);</p><p>　　4、模塊化設(shè)計(jì)，安裝拆卸簡(jiǎn)單，維修方便;</p><p>　　5、系統(tǒng)可靠性高，不易出故障;</p><p>　　6、盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞

66、，易于在市場(chǎng)上買到同樣零部件進(jìn)行替換。</p><p>　　1.6.2系統(tǒng)硬件方案分析</p><p>　　目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和單片機(jī)兩種形式。模擬控制電路的各控制環(huán)節(jié)一般由運(yùn)算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，它還取決于被

67、控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。在本系統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)控制算法，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。</p><p>　　單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它是把中央處理單元、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、定時(shí)計(jì)數(shù)器以及輸入輸出接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)

68、算機(jī)，它的特點(diǎn)是功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。由此可見(jiàn)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開(kāi)發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，還可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。</p><p>　　另外，隨著微電子技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，片上系統(tǒng)得到了十足的發(fā)展。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。芯片通常含有一個(gè)微處理器核，同時(shí)，它還含有多個(gè)

69、外圍特殊功能模塊和一定規(guī)模的存儲(chǔ)器和（RAM和ROM），并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。</p><p>　　從實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)功能和簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，是實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的最佳選擇，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格還比較昂貴，并且的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實(shí)驗(yàn)電路板的搭建。從降低成本，器件

70、供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。</p><p><b>　　硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文所研究的溫度控制系統(tǒng)硬件部分按功能大致可以分為以下幾個(gè)部分：</p><p>　　單片機(jī)主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護(hù)電路、電源電路等

71、。硬件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。由結(jié)構(gòu)框圖可見(jiàn)，溫度控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器構(gòu)成主控模塊。被測(cè)對(duì)象的溫度由DS18B20溫度傳感器檢測(cè)外界溫度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。 </p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　此數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)處理，一方面將被測(cè)對(duì)象的溫度通過(guò)控制面板上的液晶顯示器顯示出來(lái)；另一方面將該溫度值與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)其偏差值的

72、大小，采用控制算法進(jìn)行運(yùn)算，最后通過(guò)控制繼電器（即控制溫控箱加熱平均功率的大小），進(jìn)而達(dá)到對(duì)被測(cè)物體溫度進(jìn)行控制的目的。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)或低于系統(tǒng)給定的極限安全溫度，保護(hù)電路會(huì)做出反應(yīng)同時(shí)報(bào)警電路報(bào)警提示，從而保護(hù)被測(cè)物體。</p><p>　　單片機(jī)快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行溫度采集、數(shù)據(jù)處理、顯示和控制主要是時(shí)鐘電路提供的時(shí)鐘頻率，使單片機(jī)正常的協(xié)調(diào)處理各項(xiàng)任務(wù)。各個(gè)器件工作的電源電壓主要有電源電路提供。則溫度

73、的設(shè)定范圍就通過(guò)矩陣鍵盤進(jìn)行設(shè)定，使被測(cè)物體在正常的溫度范圍下工作。</p><p>　　2.2 硬件電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數(shù)字部分；從功能模塊上來(lái)分有：主機(jī)電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤顯示電路、電源電路、控制執(zhí)行電路以及掉電保護(hù)電路。各個(gè)模塊電路通過(guò)主機(jī)電路控制，協(xié)調(diào)一致的進(jìn)行工作。完成對(duì)被測(cè)物體的溫度控制。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示：<

74、;/p><p>　　圖2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.2.1主機(jī)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　主機(jī)選用INTEL公司的MCS-51系列單片機(jī)89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大的特點(diǎn)，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統(tǒng)選用的89C51芯片時(shí)時(shí)鐘可達(dá)12MHZ，運(yùn)算速度快，控制功能完善。其內(nèi)部具有128字節(jié)RAM，而且內(nèi)部含有4

75、KB的EPROM不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，也有數(shù)據(jù)通信接口，通過(guò)TXD、RXD與PC機(jī)連接，可以進(jìn)行人機(jī)操作，使得操作更加簡(jiǎn)單、方便。具有五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，兩個(gè)外部中斷、兩個(gè)定時(shí)中斷還用一個(gè)通信中斷，可以對(duì)溫度檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分時(shí)操作，這樣就可以對(duì)被測(cè)物體溫度監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確、延時(shí)性更小，同時(shí)也可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單實(shí)用。</p><p>　　如圖2.3所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)和時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成了單片機(jī)

76、的最小系統(tǒng)，即溫度控制系統(tǒng)的主機(jī)電路。用來(lái)處理溫度采集的數(shù)字信息并控制各部分的正常工作。其中單片機(jī)的I/O口，即P0、P1、P2和P3用來(lái)接相應(yīng)的顯示設(shè)備，鍵盤輸入以及繼電器等。</p><p>　　圖2.3 主機(jī)電路示意圖</p><p>　　2.2.2 I/O通道的硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　就本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要實(shí)時(shí)溫度傳感器DS18B20采集水溫?cái)?shù)據(jù)，送

77、入單片機(jī)中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較，通過(guò)PID算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出去控制電爐加熱或制冷器降溫。</p><p><b>　　數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集電路主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集水溫的溫度。溫度傳感器的單總線(1-Wire)與單片機(jī)的 I／O連接，P3.7是單片機(jī)的高位地址線。P3端

78、口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／O，每個(gè)端口都有第二功能，其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或 輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)該端口寫(xiě)“1”，可通過(guò)內(nèi)部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時(shí)可作為輸入口使用，這是因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流。</p><p>　　如圖2.4所示：溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)只有一根線連接即單總線或one_wire總線。溫度傳感器DS18B20只有

79、三個(gè)端口，電路連接很簡(jiǎn)單，一根電源線接電源，一根接地，一根數(shù)據(jù)時(shí)鐘線接單片機(jī)的I/O,數(shù)據(jù)時(shí)鐘線必須接一個(gè)上拉電阻，防止數(shù)據(jù)、時(shí)鐘高阻懸掛，就會(huì)得不到準(zhǔn)確的溫度數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　圖2.4 溫度傳感器硬件電路示意圖</p><p>　　溫度控制控制執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由輸出來(lái)控制加熱器或制冷器，加熱器可以近似建立為具有滯后性的一階慣性

80、環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型。其傳遞函數(shù)形式為：G(s)=K/（Ts+1）e-ts</p><p>　　制冷器可以認(rèn)為是線形環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的控制。為了實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電和弱電的隔離，要選擇光電耦合器，使輸出信號(hào)要對(duì)繼電器進(jìn)行通斷控制，以便使電爐或風(fēng)扇電路導(dǎo)通，此外，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍內(nèi)，報(bào)警電路將實(shí)時(shí)報(bào)警并作出相相應(yīng)的處理如（報(bào)警信號(hào)傳到單片機(jī)或人，單片機(jī)或人就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作），當(dāng)實(shí)際溫度低于設(shè)定的溫度時(shí)相應(yīng)黃色發(fā)光二極管點(diǎn)亮并且

81、加熱器啟動(dòng)升溫；高于設(shè)定的溫度時(shí)對(duì)應(yīng)紅色二極管亮并且制冷器啟動(dòng)降溫。</p><p>　　如圖2.5所示：繼電器的通斷通過(guò)單片機(jī)的I/O的輸出控制，從而控制加熱器、制冷器的啟停，來(lái)控制被測(cè)物體的溫度。</p><p>　　圖2.5 溫度控制電路圖</p><p>　　如圖2.6所示：報(bào)警電路也是由單片機(jī)的I/O控制，當(dāng)實(shí)際溫度不在設(shè)定的范圍單片機(jī)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的

82、指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，提示溫度超過(guò)或低于設(shè)定的溫度，以便及時(shí)作出處理。</p><p>　　圖2.6 報(bào)警電路圖</p><p>　　2.2.3 鍵盤設(shè)計(jì)</p><p>　　鍵盤是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它具有最簡(jiǎn)單的單片機(jī)輸入設(shè)備，</p><p>　　通過(guò)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。鍵盤上閉合建的識(shí)別是由專</p

83、><p>　　用硬件實(shí)現(xiàn)的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實(shí)現(xiàn)的稱為非編碼鍵盤。</p><p>　　鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結(jié)合的方法來(lái)設(shè)計(jì)，低電平有效。鍵盤還分為矩陣鍵盤和獨(dú)立鍵盤，使用矩陣鍵盤能大量的節(jié)約單片機(jī)的I/O資源，方便快捷。獨(dú)立鍵盤雖然占用了I/O資源，但是運(yùn)用靈活，很適用鍵盤少的電路。其按鍵的功能如下表所示： </p><p>　　表2-1

84、 鍵盤功能表 </p><p>　　如圖2.7所示：矩陣鍵盤與單片機(jī)的P1口連接，采用軟件查詢的方式，用來(lái)設(shè)定溫度的允許范圍，也可以用來(lái)做狀態(tài)顯示切換功能鍵等，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話，鍵盤的輸入值被單片機(jī)讀入并通過(guò)中央處理器處理，送到顯示模塊進(jìn)行顯示。</p><p>　　圖2.7 鍵盤電路圖</p><p>　　如圖2.8所示按鍵KEY10、KEY11分別與

85、P3.2（INTO）、P3.3（INT1）相連，采用外部中斷方式，對(duì)溫度設(shè)定實(shí)時(shí)處理。</p><p>　　圖2.8 獨(dú)立鍵盤電路圖</p><p>　　2.2.4 顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示電路采用了LCD_1602和數(shù)碼管的混合顯示，設(shè)定的溫度值范圍顯示在數(shù)碼管上，一看就是知道被測(cè)物體正常時(shí)的溫度范圍是多少，同時(shí)當(dāng)前溫度顯示在液晶上，因此知道被測(cè)物體

86、的當(dāng)前值是多少。</p><p><b>　　(1)液晶的介紹 </b></p><p>　　①、 1602型液晶接口信號(hào)說(shuō)明 </p><p>　　1602 型液晶接口信號(hào)說(shuō)明如表 2-2 所示 </p><p>　?、凇?基本操作時(shí)序 </p><p>　　讀狀態(tài) 輸

87、入：RS=L, R/W=H,E=H 輸出：D0~D7=狀態(tài)字</p><p>　　讀數(shù)據(jù) 輸入：RS=H, R/W=H,E=H 輸出：無(wú)</p><p>　　寫(xiě)指令 輸入：RS=L, R/W=L,D0~D7=指令碼，E=高脈沖 輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)</p><p>　　

88、寫(xiě)數(shù)據(jù) 輸入：RS=H, R/W=L, ,D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出：無(wú)。 </p><p>　?、邸?xiě)操作時(shí)序 </p><p>　　通過(guò) RS 確定是寫(xiě)數(shù)據(jù)還是寫(xiě)命令。讀/寫(xiě)控制端設(shè)置為寫(xiě)模式，即低電平。 將數(shù)據(jù)或命令送達(dá)數(shù)據(jù)線上，給 E 一個(gè)高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫(xiě)操作。寫(xiě)操作時(shí)序如下圖所示：</p><p>　　圖 2-9

89、 1602 液晶寫(xiě)操作時(shí)序圖</p><p>　?。?）液晶的電路設(shè)計(jì) </p><p>　　如圖2-10所示：液晶的數(shù)據(jù)線接P0口，而RS、RW、E分別接單片機(jī)的P2.5、P2.6、P2.7口，通過(guò)單片機(jī)的控制顯示設(shè)定的溫度值或?qū)嶋H溫度值。</p><p>　　圖 2-10 1602 液晶電路顯示電路圖</p><p>　?。?）數(shù)碼管LE

90、D簡(jiǎn)介</p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡(jiǎn)稱LED；液晶顯示器，簡(jiǎn)稱LCD。前者價(jià)廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便；后者可進(jìn)行圖形顯示，但接口復(fù)雜，成本較高。結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在這里系統(tǒng)的顯示采用發(fā)光二極管作為顯示器件。</p><p>　　圖2.11 數(shù)碼管</p><p>　　單片機(jī)中使用7段LED構(gòu)成字形“8”，另外，還

91、與一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管用以顯示數(shù)字、符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)。這種顯示器有共陰極和共陽(yáng)極兩種，如圖2.15所示。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起稱為共陽(yáng)極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。一位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中，7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字形“8”的各個(gè)筆劃（段）a-g,另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓是，該段筆劃即點(diǎn)亮；不加電壓則該段二極管不亮。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需要外加限流電阻.</p>

92、;<p>　　如果要顯示某個(gè)字形，則應(yīng)使此字形的相應(yīng)段點(diǎn)亮，也即送一個(gè)不同的電平組合代表的數(shù)據(jù)來(lái)控制LED的顯示字形，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。數(shù)據(jù)字位數(shù)與LED段碼的關(guān)系如表所示。</p><p>　　表2-3 數(shù)碼管各段與輸出口各位的對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　如使用共陽(yáng)極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對(duì)應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對(duì)應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對(duì)應(yīng)字段暗，數(shù)

93、據(jù)為1表示對(duì)應(yīng)字段亮。如要顯示“0”，共陽(yáng)極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：00111111B（3FH）。依次類推，可求得數(shù)碼管字型編碼如表2-4所示。</p><p><b>　　表2-4</b></p><p>　?。?）數(shù)碼管的電路設(shè)計(jì)</p><p>　　數(shù)碼管用的是八位共陽(yáng)的發(fā)光二極管

94、組成，只要賦予低電平對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管就點(diǎn)亮，八段發(fā)光二極管的亮暗組合就能組成0~F十六數(shù)字，利用數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃面就能清晰穩(wěn)定的顯示溫度的設(shè)定值，考慮到I/O不夠用，采用了74ls138譯碼器和74ls373鎖存器的組合，從而大量的節(jié)約了單片機(jī)I/O資源。</p><p>　　74LS373內(nèi)有8個(gè)相同的D型(三態(tài)同相)鎖存器，由兩個(gè)控制端(11腳G或EN；1腳OUT、CONT、OE)控制。當(dāng)OE接地時(shí)，若G為高電

95、平，74LS373接收由PPU輸出的地址信號(hào)如果G為低電平，則將地址信號(hào)鎖存。74LS373的輸出端O0~O7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。</p><p>

96、;　　74ls138是個(gè)三輸入8輸出的譯碼器，A0、A1、A2為地址端，選擇相應(yīng)的輸出端為低電平，例如：當(dāng)譯碼器的地址端為0 0 0時(shí)，輸出端Y0=0；當(dāng)譯碼器的的地址端是0 0 1時(shí)，其輸出端Y1=0；以此類推。</p><p>　　如圖2-11所示：數(shù)碼管的數(shù)據(jù)線利用鎖存器和液晶的數(shù)據(jù)線共用一個(gè)I/O即P0口；而數(shù)碼管的片選線則利用了3—8譯碼器來(lái)選通，3-8譯碼器的地址線通過(guò)單機(jī)的P2.3、P2.4、P3.

97、6口來(lái)控制選擇數(shù)碼管的片選。只要控制這三個(gè)地址線就可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)數(shù)碼管的位選加鎖存器的使能。如下圖所示：</p><p>　　圖 2-12 數(shù)碼管顯示電路圖</p><p>　　2.2.5溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)硬件包括：89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、D/A 轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大電路、溫控電路以及其它外圍電路。</

98、p><p><b>　?。?）單片機(jī)的選擇</b></p><p>　　單片機(jī)的CPU為Atmel公司生產(chǎn)的89C51。出廠所配晶振頻率為11.0592MH,每個(gè)機(jī)器周期為1.085us,用戶更換晶振以提高速度。存貯器為64K,前4K/8K20K在CPU內(nèi)部,其它程序在EPR0M27512中。數(shù)據(jù)存貯器為32K(62256),地址為8000—FFFFH。I/O擴(kuò)展8155

99、,片內(nèi)RAM地址∶200O-20FFH8155命令口地址為∶2100HA口地址∶21O1H B口地址：2102H C口地址:2103H T低八位∶2104H T高八位.</p><p><b>　?。?）傳感器電路</b></p><p>　　數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它是一種能將外界溫度直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)的數(shù)字溫度傳感器。它使用范圍廣，運(yùn)用靈活，它的價(jià)格便宜，精

100、確度較高，延滯性下，因而靈敏度很高， 而且它的線性很好。雖然其測(cè)量精度一般，但完全能滿足工業(yè)測(cè)溫要求，應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。</p><p><b>　　保護(hù)電路</b></p><p>　　保護(hù)電路的作用是對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)，其電路如圖2-13所示。</p><p><b>　　圖2-13保護(hù)電路</b></p>

101、;<p>　　驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制繼電器，斷開(kāi)加熱電阻絲電源，保護(hù)溫控箱。電路中增加的達(dá)林頓管是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)型器件，能夠提高繼電器的勵(lì)磁電流。在繼電器兩端并聯(lián)了續(xù)流二極管，其作用是當(dāng)達(dá)林頓管由導(dǎo)通到關(guān)斷時(shí)，繼電器也由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，由于繼電器是個(gè)感性負(fù)載，電流不能突變，線圈兩端將產(chǎn)生很高的反向電勢(shì)，以繼續(xù)維持線圈中通過(guò)的電流。這個(gè)反向電勢(shì)一般很高，容易造成三極管的擊穿，加入續(xù)流二極管后，為反向電勢(shì)提供了放電回路，從而保護(hù)三極管不會(huì)被

102、擊穿。</p><p>　　（4）串行通信接口電路</p><p>　　目前，廣泛使用的串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)有一，一與一三種。其中一是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)正式公布的串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是目前最為常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。串行通信接口的基本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化。來(lái)自的是普通的并行數(shù)據(jù)，接口電路應(yīng)具有實(shí)現(xiàn)不同串行通信方式下的數(shù)據(jù)格式化的任務(wù)。具體任務(wù)是：&

103、lt;/p><p><b>　　進(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換；</b></p><p><b>　　控制數(shù)據(jù)傳輸速率；</b></p><p><b>　　進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)；</b></p><p>　　進(jìn)行TTL與EIA電平轉(zhuǎn)換；</p><p>　　提供一一接口標(biāo)準(zhǔn)所要求

104、的信號(hào)線。</p><p>　　由于電平和一犯電平不匹配，因此要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和機(jī)之間的通信，必須在它們之間加接電平轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用公司的一接口芯，這是一種標(biāo)準(zhǔn)的一接口芯片。只需巧電源供電，其內(nèi)部的電源變化成士電源用于通信。該芯片集成有兩路收發(fā)器，可</p><p>　　將單片機(jī)輸入的電平轉(zhuǎn)換為電平發(fā)送給機(jī)，或?qū)臋C(jī)接收的電平轉(zhuǎn)換為電平發(fā)送給單片機(jī)。為雙列直插16腳封裝。系統(tǒng)串口通信電路如

105、圖2-14所示。</p><p>　　圖2-14 串口通信電路</p><p><b>　　（5）電源電路</b></p><p>　　系統(tǒng)所用直流電源由三端集成穩(wěn)壓器組成的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源提供。設(shè)計(jì)中選用了，和三個(gè)三端集成穩(wěn)壓器，分別提供+5V、+8V和一5V、-8V直流電壓，輸出電流均為1A。LM7805、LM7808和LM7905、LM

106、7908的連接方法都一樣。變壓器將的市電降壓后再通過(guò)整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進(jìn)行濾波，以減小輸出電壓紋波。由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對(duì)于來(lái)自電源側(cè)的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波。電源電路如圖2-15和2-16所示。</p><p>　　圖2.15 輸出+8V和-8V直流電源電路圖</p><p>　　圖2.156 輸出+5V和-5V的直

107、流電源 </p><p><b>　　(6)復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位使單片機(jī)處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。AT89C51的RST引腳為復(fù)位端，該引腳連續(xù)保持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘振動(dòng)周期）以上高電平，則可使單片機(jī)復(fù)位。內(nèi)部復(fù)位電路在每一個(gè)機(jī)器周期的S5P2期間采樣斯密特觸發(fā)器的輸出端，該觸發(fā)器可抑制RST引腳的噪聲干擾，并在復(fù)位期間不產(chǎn)生A

108、LE信號(hào)，內(nèi)部RAM處于不斷電狀態(tài)。其中的數(shù)據(jù)信息不會(huì)丟失，也即復(fù)位后，只影響SFR中的內(nèi)容，內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不受影響。外部復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。由于單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其本身的干擾或外界干擾會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)，此時(shí)我們可按復(fù)位鍵重新開(kāi)始運(yùn)行。為了便于本設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)試，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式。按鍵復(fù)位電路如圖2-17所示。 </p><p>　　圖2-17復(fù)位電路

109、 </p><p><b>　?。?）時(shí)鐘電路</b></p><p>　　時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的，其典型值為12MHZ。AT89C51內(nèi)部有一個(gè)反相振蕩放大器，XTAL1 和 XTAL2分別是該反向振蕩放大器的輸入端和輸出端。該反向放大器可配置為片內(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采

110、用。本設(shè)計(jì)采用的晶振頻率為12MHZ。51系列單片機(jī)還可使用外部時(shí)鐘。在使用外部時(shí)鐘時(shí)，外部時(shí)鐘必須從XTAL1輸入，而XTAL2懸空。時(shí)鐘電路如下圖所示：</p><p><b>　　圖2-18時(shí)鐘電路</b></p><p><b>　　(8)鍵盤接口</b></p><p>　　鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、

111、傳送命令的功能，是人工干預(yù)的主要手段。鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識(shí)別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動(dòng)提供被按鍵的讀數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時(shí)按鍵保護(hù)功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比較復(fù)雜，對(duì)于主機(jī)任務(wù)繁重之情況，采用8279可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實(shí)用的方案。非編碼鍵盤：只簡(jiǎn)單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識(shí)別，決定按鍵的讀