基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　摘要：近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在社會(huì)領(lǐng)域的滲透, 單片機(jī)的應(yīng)用也在不斷地的快速發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)傳統(tǒng)控制檢測(cè)日新月益的更新。在自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)檢測(cè)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個(gè)核心部分，僅單片機(jī)方面技術(shù)是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)與應(yīng)用對(duì)象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。</p><p>　　本論文從主要研究水溫的恒溫自動(dòng)控制過(guò)程，主要應(yīng)用AT89C51、DS18B20、LED數(shù)碼管、MOC30

2、41、可控硅。通過(guò) DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集溫度，以單片機(jī)為中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和控制的分析，并通過(guò)四位LED數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度和各種狀態(tài)值，然后單片機(jī)調(diào)制出PWM脈沖，通過(guò)PWM驅(qū)動(dòng)可控硅的通斷，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)；傳感器；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；溫度</p><p>　　ABSTRACT: With the computer tech

3、nology in recent years, the penetration in the social sphere, SCM applications are constantly rapid development, while promoting traditional control detects the rapidly growing updated. In automatic control and real-time

4、 detection of microcomputer application system, the microcontroller is often used as a core part only of SCM technology is not enough, but also according to the specific characteristics of the hardware structure and appl

5、ication software objects com</p><p>　　The major research paper from the automatic thermostat temperature control process, the main application AT89C51, DS18B20, LED digital tube, MOC3041, triac. By collectin

6、g temperature DS18B20 digital temperature sensor, a microcontroller as the central controller for data processing and control analysis, and through the four LED digital display real-time temperature and various status va

7、lues??, then a single-chip PWM pulse modulated by PWM drive can be silicon-off control, to achieve real-time te</p><p>　　KEY WORDS: MCU system; sensor; data acquisition; analog-to-digital converter; temperat

8、ure</p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p>　　1.1課題的背景及其意義</p><p>　　21世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的信息時(shí)代，電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是非常廣泛，伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，在生產(chǎn)生活中需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行溫度測(cè)量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對(duì)應(yīng)的，溫度控制和

9、測(cè)量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用技術(shù)，同時(shí)它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)中也發(fā)揮著非常重要的作用。如在日趨發(fā)達(dá)的工業(yè)領(lǐng)域之中，利用測(cè)量與控制溫度來(lái)保證生產(chǎn)的正常運(yùn)行。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。</p><p>　　溫度值是表征物體冷熱程度的一個(gè)物理量，溫度的測(cè)量則是工農(nóng)和業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)很重要也普遍的參數(shù)。溫度的測(cè)量及控制對(duì)保證產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)的效率、節(jié)約能源、安全生產(chǎn)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。因?yàn)?/p>

10、溫度測(cè)量的普遍性，使得溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中居首。并且隨著科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類(lèi)仍然在不斷增加和豐富以來(lái)滿足生產(chǎn)生活中的各種需要。</p><p>　　在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵是溫度的測(cè)量、溫度的控制和溫度的保持，溫度是工業(yè)控制對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)要對(duì)溫度的測(cè)量則是對(duì)溫度進(jìn)行有效及準(zhǔn)確的測(cè)量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得廣泛的應(yīng)用，尤其在機(jī)械制造、電力工程化工生產(chǎn)、冶金

11、工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測(cè)量任務(wù)。在日常工作和生活中，也被廣泛應(yīng)用于空調(diào)器、電加熱器等各種室溫測(cè)量及工業(yè)設(shè)備的溫度測(cè)量。但溫度是一個(gè)模擬量，需要采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，才生使用計(jì)算機(jī)或單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理。</p><p>　　1.2課題研究的內(nèi)容及要求</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。它是多種技術(shù)的結(jié)合，不僅涉及到

12、軟件的技術(shù)，而且還將應(yīng)用電子技術(shù)和單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)有機(jī)結(jié)合，其中還涉及自動(dòng)控制理論；其具有較精度高、測(cè)量誤差較小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。</p><p>　　1．課題的主要研究的內(nèi)容。</p><p>　　本文所要研究的課題是基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要是介紹了對(duì)溫度的控制，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示與控制。溫度控制部分，提出了用DS18B20、AT89C51單片機(jī)和LED的硬件電路完成對(duì)水溫的

13、實(shí)時(shí)檢測(cè)及顯示，利用DS18B20與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路配合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱電阻絲的實(shí)時(shí)控制。而溫度控制部分，采用一套PID閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，由DS18B20檢測(cè)溫度，用中值濾波的方法取一個(gè)值存入程序存取器內(nèi)部一個(gè)單元作為最后檢測(cè)信號(hào)，并在LED中顯示?？刂破魇怯肁T89C51單片機(jī)，用PID進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，從而控制溫度。每片DS18B20都有唯一的產(chǎn)品號(hào)，可以一并存入其ROM中，以便在構(gòu)成

14、大型溫度測(cè)控系統(tǒng)時(shí)在單線上掛接任意多個(gè)DS18B20芯片。從DS18B20讀出或?qū)懭隓S18S20信息僅需要一根口線，其讀寫(xiě)及其溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)線，該總線本身也可以向所掛接的DS18B20提供電源，不需要額外電源。同時(shí)DS18S20能提供九位溫度精度，它無(wú)需任何外圍硬件便可方便地構(gòu)成溫度檢測(cè)系統(tǒng)。而且本次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)試，溫度顯示，溫度控制，超過(guò)設(shè)定的門(mén)</p><p>　　2．利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控

15、制功能如下：</p><p>　?。?）能夠連續(xù)測(cè)量水的溫度值，用十進(jìn)制LED數(shù)碼管來(lái)顯示水的實(shí)際溫度。</p><p>　?。?）能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是30℃～90℃。</p><p>　?。?）能夠?qū)崿F(xiàn)水溫自動(dòng)控制，如果設(shè)定水溫在80℃，則能使水溫保持恒定在80℃的溫度下運(yùn)行。</p><p>　?。?）使用單片機(jī)AT89C51控

16、制，通過(guò)輸入按鍵來(lái)控制水溫的設(shè)定值，數(shù)值采用LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　1.3課題的研究方案</p><p>　　溫度控制系統(tǒng)是比較典型的過(guò)程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中很重要的被控參數(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化、智能化，比過(guò)去采用電子線路進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好很多，可控性方面也有了很大的提高。</p><p>　

17、　溫度是一個(gè)非線性的控制對(duì)象，有大慣性的特點(diǎn)，尤其在低溫段慣性較大，而在高溫段慣性較小。對(duì)于這種溫控對(duì)象，一般認(rèn)為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　方案一（見(jiàn)圖1-1）</p><p>　　圖1.1 方案一的流程圖</p><p>　　此方案是傳統(tǒng)的模擬控制方

18、案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，判定加熱或不加熱。特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)的靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法。并且不能用數(shù)碼管顯示溫度值和當(dāng)前的狀態(tài)，也不能使用鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)定。</p><p>　　方案二（見(jiàn)圖1-2）</p><p>　　圖1.2 方案二的流程圖</p><

19、p>　　此方案的控制方式是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想和方案一相同，但由于采用了上下限比較電路，使得在控制精度上有所提高。這種方法仍然還是模擬控制方式，因此也很難能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使的控制的精度做得較高，并且不能用數(shù)碼管顯示溫度值和當(dāng)前的狀態(tài)，也不能使用鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)定。</p><p>　　方案三（見(jiàn)圖1-3）</p><p>　　圖1.3 方案三的流程圖</p>

20、<p>　　該方案采用AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和控制的，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各種控制算法以及邏輯控制，進(jìn)而獲得比極高的控制精度。該系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來(lái)顯示溫讀的實(shí)際值和各種狀態(tài)，可用鍵盤(pán)輸入設(shè)定值。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴(kuò)展存儲(chǔ)器，很多硬件設(shè)備也都集成到了AT89C51的內(nèi)部，使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)更加容易。</p><p>　　結(jié)論：前兩種方案

21、是比較傳統(tǒng)的模擬控制方式，模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，無(wú)法獲取比較高的控制精度，并且控制方案的修改也較為繁瑣。方案三是采用以單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)，對(duì)溫度的控制，可達(dá)到模擬控制達(dá)不到的效果；可以編程實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能和復(fù)雜的控制算法，可也實(shí)時(shí)的處理各種狀況；并且實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示和鍵盤(pán)設(shè)定功能，提高了系統(tǒng)的智能性和人機(jī)交互性。所以，經(jīng)過(guò)比較，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了方案三。</p><p>　　第2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)&

22、lt;/p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成單元包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制單元、溫度采樣單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、顯示單元。</p><p>　　2.1 AT89C51系列單片機(jī)介紹</p><p>　　AT89C51是一種低損耗、高性能、CMOS八位微處理器，而且在其片種還有4k字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫(xiě)程序存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫(xiě)入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間可以達(dá)到十年。它與MCS-80

23、51系列單片機(jī)在指令和引腳上完全兼容，因此不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且還能使系統(tǒng)具有許多MCS-8051系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。使用AT89C51單片機(jī)便可構(gòu)成的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小了系統(tǒng)的體積, 增加了系統(tǒng)可的靠性易用性，降低了系統(tǒng)的制作成本。程序長(zhǎng)度可達(dá)4096字節(jié), 四個(gè)可編程的用戶I/O。在5V的電壓下就可以編程，而且程序的寫(xiě)入時(shí)間也僅需要10毫秒的時(shí)間, 僅為8751/87C51單片機(jī)的時(shí)間的百分之一，與87C5

24、1系列的單片機(jī)的12V的擦寫(xiě)電壓相比, 即保護(hù)了器件, 也沒(méi)有兩種電源的不同要求，在不拿下芯片的情況先即可進(jìn)行程序的擦寫(xiě)，非常適合嵌入式的控制領(lǐng)域的應(yīng)用。AT89C51芯片提供了三級(jí)程序存儲(chǔ)器來(lái)鎖定加密， 提供了方便靈活并且可靠的硬加密手段, 能保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外,AT89C51 還具有MCS-51系列單片機(jī)的所具有優(yōu)點(diǎn)。128×8 位的內(nèi)部RAM, 32 位</p><p>　　2.2光電耦

25、合器MOC3041</p><p>　　MOC3041 是常用雙向晶閘管輸出的光電耦合器(固態(tài)繼電器)，帶過(guò)零觸發(fā)電路，輸入端的控制電流為15mA，輸出端的額定電壓為400V，輸入輸出端隔離電壓為7500V。</p><p>　　傳統(tǒng)的方法都是采用移相觸發(fā)的晶閘管，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角而達(dá)到控制功率大小的效果，不僅同步檢測(cè)的電路非常的復(fù)雜，而且會(huì)在晶閘管導(dǎo)的通瞬間會(huì)產(chǎn)生高次的諧波干擾，引

26、起電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生波形畸變，影響到其他電子設(shè)備和電子通訊系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)中采用過(guò)的零觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通以及關(guān)斷時(shí)間的比值來(lái)調(diào)節(jié)功率的大小，因?yàn)檫^(guò)零觸發(fā)不會(huì)改變電壓的波形而是改變的只是電壓全波通過(guò)的次數(shù)，并不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成干擾，所以，本設(shè)計(jì)采用過(guò)零的觸發(fā)方式。</p><p>　　MOC3041芯片內(nèi)部包含過(guò)零檢測(cè)的電路，在輸入引腳1輸入的電流為15mA的時(shí)候，輸出引腳6、和輸出引腳4之間的電壓剛剛過(guò)零時(shí)，內(nèi)部的雙向

27、晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通，從而觸發(fā)外部的晶閘管導(dǎo)通，在MOC3041輸入引腳的輸入電流為0時(shí)，內(nèi)部的雙向晶閘管被關(guān)斷，從而外部的晶閘管也被關(guān)斷。</p><p>　　圖2.1 M0C3041邏輯引腳圖</p><p><b>　　2.3雙向可控硅</b></p><p>　　可控硅分為單向可控硅和雙向可控硅兩種,他們的符號(hào)也是不同的.單向可控硅是由三個(gè)P

28、N結(jié)構(gòu)成,由外層的P極與N極引出兩個(gè)電極,分別稱為陽(yáng)極與陰極,由中間的P極引出一個(gè)可控硅的控制極G極。 </p><p>　　單向的可控硅有其獨(dú)特的特性為:當(dāng)陽(yáng)極被接反向電壓,或者陽(yáng)極被接正向電壓但控制極不加控制電壓時(shí),可控硅都是不導(dǎo)通,而陽(yáng)極與控制極同時(shí)被接正上向電壓時(shí),可控硅就會(huì)變成導(dǎo)通狀態(tài).可控硅一旦導(dǎo)通,控制極的電壓便失去了對(duì)可控硅的控制作用,這時(shí)不論控制極有沒(méi)有控制電壓,也不論控制極的控制電壓的極性是如

29、何,將會(huì)一直保持在導(dǎo)通的狀態(tài)。要想關(guān)斷此可控硅,只有把可控硅陽(yáng)極電壓降到某一臨界值或者反向。 </p><p>　　雙向的可控硅的引腳多數(shù)是按T1、T2、G的順序從左至右排列(電極引腳向下,面對(duì)有字符的一面時(shí)).加在控制極G上的觸發(fā)脈沖的大小或時(shí)間改變時(shí),就能改變其導(dǎo)通電流的大小。 </p><p>　　與單向可控硅的區(qū)別是,當(dāng)雙向可控硅G極上觸發(fā)脈沖的極性改變時(shí),其導(dǎo)通方向就隨著極性的變

30、化而改變,從 而能夠控制交流電負(fù)載.而單向可控硅經(jīng)觸發(fā)后只能從陽(yáng)極向陰極單方向?qū)?所以可控硅有單雙向之分。</p><p>　　本設(shè)計(jì)所使用的可控硅為BTA08，其參數(shù)如下：</p><p>　　Tstg——貯存溫度40~125℃</p><p>　　Tj——結(jié)溫40~125℃</p><p>　　PGM——峰值門(mén)極功耗 5W</p&

31、gt;<p>　　VDRM——重復(fù)峰值斷態(tài)電壓 600V</p><p>　　IT（RMS）——RMS通態(tài)電流（Ta=89℃） 8A</p><p>　　VGM——峰值門(mén)極電壓 10V</p><p>　　IGM——峰值門(mén)極電流 2.0A</p><p>　　ITSM——浪涌通態(tài)電流(一個(gè)周期50/60HZ,峰值,不重復(fù)) 80

32、/88A</p><p>　　VISO——絕緣擊穿電壓（RMS，交流1分鐘1500V ）</p><p>　　2.4移位寄存器74LS164</p><p>　　因?yàn)閿?shù)碼管需要段碼和位碼，這樣就大量的占用了單片機(jī)的I/O口，為了使I/O口得到充分的使用，本設(shè)計(jì)采用74LS164作為段碼的選擇輸出電路，即節(jié)省了I/O引腳也省去了LED的驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)和程序

33、的編寫(xiě)，提高個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。</p><p>　　移位寄存器74LS164的引腳如圖2-6所示：</p><p>　　圖2.2移位寄存器74LS164引腳圖</p><p><b>　　其引腳功能如下：</b></p><p>　　A、B —— 串行輸入端；</p><p>　　Q0～Q7 ——

34、 并行輸出端；</p><p>　　—— 清除端，低電平有效；</p><p>　　CLK —— 時(shí)鐘脈沖輸入端，上升沿有效。</p><p>　　多片74LS164串聯(lián)，能實(shí)現(xiàn)多位LED靜態(tài)顯示。每擴(kuò)展一片164就可增加一位顯示。MR接+5V，不清除。但是本設(shè)計(jì)為了使電路的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，采用了4位一體的共陽(yáng)極數(shù)碼管，因此只能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的顯示數(shù)據(jù)。</p

35、><p>　　2.5數(shù)碼顯示管LED</p><p>　　LED顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見(jiàn)的輸出器件，而在單片機(jī)的應(yīng)用上也是被廣泛運(yùn)用的。如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用LED數(shù)碼管是一種較好的選擇。LED數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機(jī)接口簡(jiǎn)單易行。</p><p>　　LED數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它包含若干個(gè)發(fā)光二極管。當(dāng)其中某

36、個(gè)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫(huà)就會(huì)發(fā)亮；控制二極管導(dǎo)通在不同的組合，就能顯示出各種不同的字符，常用的LED數(shù)碼管有7段和“米”字段兩種。這種數(shù)碼管有共陽(yáng)極與共陰極兩種類(lèi)型。共陰極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陰極端連在一起，一般此共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，電流導(dǎo)通，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被點(diǎn)亮顯示。與之類(lèi)似，共陽(yáng)極LED數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起，通常此共陽(yáng)極接正極的電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極被

37、接到低電平時(shí)，電流導(dǎo)通，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被點(diǎn)亮顯示。本次設(shè)計(jì)所用的LED數(shù)碼管為共陽(yáng)極的7段數(shù)碼管。</p><p>　　LED數(shù)碼管的使用方式與發(fā)光二極管的使用方式相同，根據(jù)材料的不同正向壓降一般為15～2V，額定電流為10mA，最大電流為40mA。靜態(tài)顯示時(shí)取10mA為宜，動(dòng)態(tài)掃描時(shí)顯示可加大脈沖電流，但一般不都超過(guò)40mA。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是4位一體的共陽(yáng)

38、極數(shù)碼管，數(shù)碼管的原理圖和引腳表示如下圖：</p><p>　　圖2.3數(shù)碼顯示管LED引腳圖</p><p>　　2.6數(shù)字溫度計(jì)DS18S20</p><p>　　在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離的溫度測(cè)量系統(tǒng)中，模擬信號(hào)很容易受到干擾，而產(chǎn)生測(cè)量誤差，影響測(cè)量的精度。因此，在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力較強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問(wèn)題的最有效的方案。</p

39、><p>　　DS18B20數(shù)字溫度傳感器，與傳統(tǒng)熱敏電阻所不同的是，集成在單個(gè)芯片，采用單了總線技術(shù)，這樣能夠有效的減小外界的干擾，提高溫度測(cè)量的精度。同時(shí)，它可以直接將被測(cè)溫度的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)輸出供單片機(jī)處理，接口簡(jiǎn)單， 使數(shù)據(jù)的傳輸和處理簡(jiǎn)得到單化。模塊功能電路的集成化，使總體硬件電路的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，有的效地降低了成本，使得搭建電路和焊接電路時(shí)更容易，調(diào)試也更加容易，使得開(kāi)發(fā)的周期大大縮短。<

40、/p><p>　　2.6.1 DS18S20的主要特性</p><p>　　1．DS18S20的適應(yīng)電壓范圍更寬，其范圍為：30-55V，而且它能夠直接由數(shù)據(jù)線獲取電源(寄生電源)，無(wú)需外部工作電源。</p><p>　　2．DS18S20提供了9位攝氏溫度測(cè)量，具有非易失性、上下觸發(fā)門(mén)限用戶可編程的報(bào)警功能。</p><p>　　3．DS18S

41、20通過(guò)1-Wire®總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。同時(shí)，在使用過(guò)程中，它不需要任何的外圍的元件，全部的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路都被封裝在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。</p><p>　　4．DS18S20具有-55°C至+125°C的工作溫度范圍，在-10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)精度為±05°C。</p>&

42、lt;p>　　5．每片DS18S20具有唯一的64位序列碼，這些碼允許多片DS18S20在同一條1-Wire總線上工作，因而，可方便地使用單個(gè)微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片DS18S20器件。</p><p>　　6．DS18S20的測(cè)量結(jié)果直接輸出的是數(shù)字溫度信號(hào)，通過(guò)“單總線”串行傳送給CPU，同時(shí)還可以自動(dòng)生成及發(fā)送CRC數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼，它具有極強(qiáng)的抗干擾和糾錯(cuò)的能力。</p><p

43、>　　7．DS18S20具有負(fù)載的特性，當(dāng)電源因故障或失誤極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但是也不會(huì)正常的工作。</p><p>　　2.6.2 DS18B20測(cè)溫原理</p><p>　　圖2.4 DS18B20 的內(nèi)部測(cè)溫電路框圖</p><p>　　低溫度系數(shù)的晶振的振蕩頻率在溫度變化時(shí)受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)，為減法計(jì)數(shù)器1提供頻

44、率穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。而高溫度系數(shù)晶振在溫度變化時(shí)隨溫度變化其震蕩頻率改變明顯，是一個(gè)對(duì)溫度很敏感的振蕩器，所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入信號(hào)，為計(jì)數(shù)器2提供一個(gè)頻率隨溫度變化而變化的計(jì)數(shù)脈沖。圖中隱含了計(jì)數(shù)門(mén)，當(dāng)計(jì)數(shù)被門(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)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)。計(jì)數(shù)門(mén)的開(kāi)啟的時(shí)間是由高溫度系數(shù)振蕩器決定的，在每次測(cè)量前，首先將-55℃ 所對(duì)應(yīng)的基數(shù)值分別置入減法計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器中。減法計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度

45、系數(shù)晶振產(chǎn)生的固定脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器1的值從預(yù)置值減到0時(shí)溫度寄存器的值加1，減法計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值將重新被裝入，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)生的固定脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到減法計(jì)數(shù)器2減到0時(shí)，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度值。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。</p>&l

46、t;p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用按鍵作為輸入，通過(guò)DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集溫度值，送到主機(jī)AT89C51，由主機(jī)進(jìn)行處理并將實(shí)際溫度的值顯示在LED數(shù)碼管上，然后控制加熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫控制。整體原理圖如下。</p><p>　　圖3.1基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體原理圖</p><p>　　3.1 單片機(jī)控制單

47、元</p><p>　　單片機(jī)控制電路包含4個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度和系統(tǒng)設(shè)定與控制。包括：“設(shè)置”、“加1”，“右移”，“確定”四個(gè)按鍵。其原理圖如下。</p><p>　　圖3.2單片機(jī)控制單元原理圖</p><p>　　3.2 溫度采樣電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用DS18B20作為溫度傳感器，進(jìn)行溫度的檢測(cè)，測(cè)量的到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以直接送到

48、單片機(jī)進(jìn)行處理因此省去了信號(hào)放大和濾波電路。溫度采樣電路原理圖如下：</p><p>　　圖3.3溫度采樣電路</p><p><b>　　3.3 顯示電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)使用串行的方式顯示數(shù)據(jù)，可節(jié)省大量的I/O占用。通過(guò)74LS164將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成并行的數(shù)據(jù)并鎖存到輸出端，其原理圖如下圖所示：</p>&

49、lt;p>　　圖3.4顯示電路原理圖</p><p>　　3.3 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)控制的方法，在主機(jī)AT89C51的P2.1口給出PWM溫度控制信號(hào)，有光電耦合器MOC3041和可控硅組成驅(qū)動(dòng)電路，MOC3041用于將單片機(jī)系統(tǒng)和可控硅電路隔開(kāi)，避免高電壓和強(qiáng)電流對(duì)單片機(jī)的干擾,是單片機(jī)可以正常的運(yùn)行，可控硅SCR的作用就是一個(gè)固態(tài)觸電，使之可以開(kāi)斷加

50、熱設(shè)別，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制。其原理圖如下</p><p>　　圖3.5調(diào)節(jié)執(zhí)行電路原理圖</p><p><b>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1主程序流程圖</b></p><p>　　系統(tǒng)的軟件部分由主程序、中斷子程序、按鍵子程序、顯示子程序和PID控制算法子程

51、序圖組成。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.1，當(dāng)有系統(tǒng)啟動(dòng)后，主程序啟動(dòng)，根據(jù)設(shè)定的條件逐步運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。</p><p>　　圖4.1主程序流程圖</p><p>　　4.2中斷子程序流程圖</p><p>　　圖4.2為中斷子程序的流程圖。</p><p>　　圖4.2 中斷子程序</p><p><b>

52、;　　4.3按鍵流程圖</b></p><p>　　圖4.3為系統(tǒng)的按鍵流程圖。主要是通過(guò)按鍵的輸入控制來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)溫度的手動(dòng)和自動(dòng)控制。</p><p>　　圖4.3 按鍵流程圖</p><p><b>　　4.4顯示流程圖</b></p><p>　　圖4.4為系統(tǒng)的顯示流程圖。主要是

53、通過(guò)對(duì)測(cè)量的溫度進(jìn)行顯示，給操作者提供提示。</p><p>　　圖4.4 顯示流程圖</p><p>　　4.5 PID控制算法子程序</p><p>　　采用傳統(tǒng)PID位置式和增量式算法，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，而且實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，但是其缺點(diǎn)是有超調(diào)以及溫度上升不夠快。</p><p>　　分段式PID在傳統(tǒng)PID算法的基礎(chǔ)上有效的克服積分飽

54、和的問(wèn)題 解決了系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后可能會(huì)會(huì)突然急劇升溫的問(wèn)題，同時(shí)也能按每部分加熱的不同要求而靈活的調(diào)整達(dá)到較好的調(diào)溫效果。因此在本設(shè)計(jì)中采用了PID控制算法其流程圖如下：</p><p>　　圖4.5 PID控制算法子程序流程圖</p><p>　　第5章 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析</p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板組裝好以后，便可進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試，其主要任務(wù)是排除存

55、在硬件故障，并完善其硬件的結(jié)構(gòu)，運(yùn)行所設(shè)計(jì)的程序，排除程序存在錯(cuò)誤，并優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到期望的性能。</p><p><b>　　5.1硬件調(diào)試</b></p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件調(diào)試應(yīng)是相互進(jìn)行的，但通常是先排除明顯的硬件故障。</p><p>　　1.開(kāi)路、短路：由于焊接技術(shù)導(dǎo)致的開(kāi)路、短路等故障。</p>

56、<p>　　解決方法：對(duì)照原理圖用萬(wàn)用表檢測(cè),補(bǔ)焊即可。</p><p>　　2.元器的件損壞：由于對(duì)所使用的元器件不熟悉及制焊接過(guò)程中操作不當(dāng)致使器件損壞。</p><p>　　解決方法：仔細(xì)閱讀元器件的應(yīng)用環(huán)境,仔細(xì)焊接。</p><p>　　3.電源故障：上電后造成元器件損壞、無(wú)法正常的供電，電路不能正的常工作。電源故障包括：電壓值不符合設(shè)計(jì)要求

57、，電源引出線與插座不對(duì)應(yīng)，各檔電源之間短路等。</p><p>　　解決方法：電源必須單獨(dú)的調(diào)試好以后才能加到系統(tǒng)各個(gè)部件中。</p><p><b>　　5.2軟件調(diào)試</b></p><p>　　設(shè)計(jì)軟件部分出問(wèn)題的現(xiàn)象：</p><p>　　以斷點(diǎn)或連續(xù)方式運(yùn)行時(shí)，目標(biāo)沒(méi)有按規(guī)定的功能進(jìn)行操作或什么結(jié)果也沒(méi)有，是由

58、于程序轉(zhuǎn)移到某處死循環(huán)所造成的。</p><p>　　解決方法：這類(lèi)錯(cuò)誤的原因是程序中跳轉(zhuǎn)的地址計(jì)算錯(cuò)誤、堆棧的溢出、工作寄存器的沖突等,檢查各處邏輯,更改之。</p><p>　　對(duì)中斷不相應(yīng)。CPU不響應(yīng)中斷的現(xiàn)象是連續(xù)運(yùn)行時(shí)不執(zhí)行中斷任務(wù)程序的規(guī)定操作，當(dāng)斷點(diǎn)設(shè)在中斷入口或中斷服務(wù)程序中時(shí)碰不到斷點(diǎn)。</p><p>　　解決方法：更改中斷控制寄存器（IE，I

59、P）的設(shè)置。</p><p>　　結(jié)果不準(zhǔn)確確。系統(tǒng)基本上可以正常操作，但控制會(huì)有誤動(dòng)作或者輸出結(jié)果不正確。這種錯(cuò)誤大多是由于算法錯(cuò)誤引起的。錯(cuò)誤原因沒(méi)有查明，沒(méi)有解決。</p><p><b>　　5.3結(jié)論分析</b></p><p>　　通過(guò)對(duì)軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的調(diào)試，進(jìn)一步理解了自動(dòng)控制理論在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別是自動(dòng)控制原理在恒溫

60、控制中算法分析和應(yīng)用；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了些問(wèn)題，原電路缺乏對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制，溫度的控制不是很及時(shí)快速，不能達(dá)到高精度的溫度控制；此后加入調(diào)節(jié)執(zhí)行的單元，采用實(shí)時(shí)控制方法，使用PID算法；在AT89C51的P21口輸出PWM溫度的控制信號(hào)，由光電耦合器MOC3041和可控硅SCR組成。光電耦合器MOC3041的作用是將單片機(jī)系統(tǒng)與可控硅SCR的電路隔開(kāi)，避免在高壓過(guò)程中干擾信號(hào)影響到單片機(jī)的運(yùn)行；可控硅SCR的作用是相當(dāng)于一個(gè)觸點(diǎn)，使之有可以開(kāi)

61、啟或關(guān)斷電爐，從而控制電爐的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制。</p><p><b>　　第6章 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)三個(gè)月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)以基本完成，這意味著大學(xué)生活也要結(jié)束了，但我們的學(xué)習(xí)沒(méi)有因此而結(jié)束；在本次的設(shè)計(jì)，所學(xué)的理論知識(shí)接受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，增強(qiáng)了運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力及動(dòng)手的能力，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了很好的基礎(chǔ)。本文以AT89C51單

62、片機(jī)為核心，做為控制器件，溫度信號(hào)通過(guò)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集后直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)可以直接串行讀?。粶囟鹊脑O(shè)定采用按鍵移位式設(shè)定方法；溫度控制采用ＰＷＭ控制光耦和可控硅實(shí)現(xiàn)控制控制加熱器效果。軟件算法采用分段式PID的算法，調(diào)高可系統(tǒng)的可靠性。在單片機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了AT89C51單片機(jī)控制傳感器的自動(dòng)化溫度監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　目前，測(cè)溫控溫系統(tǒng)快速發(fā)展，國(guó)外的測(cè)量控制系統(tǒng)已經(jīng)相

63、當(dāng)成熟，產(chǎn)品也較多。近兩年，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了高精度的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，價(jià)格還是偏高。由于競(jìng)爭(zhēng)的越來(lái)越激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)是如何提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。尋求性能可靠、價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛的元器件是生產(chǎn)過(guò)程的首先要考慮的問(wèn)題，因此像本設(shè)計(jì)這種控制簡(jiǎn)單、精度較高、價(jià)格比較低廉的控制系統(tǒng)將會(huì)有很好的發(fā)展前景，因此學(xué)好單片機(jī)技術(shù)以及自動(dòng)自動(dòng)控制理論是相當(dāng)重要的。</p><p>　　通過(guò)本次的設(shè)計(jì)，我深深

64、的體會(huì)到畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)從學(xué)習(xí)到工作的一個(gè)臺(tái)階。畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成標(biāo)志著大學(xué)生活的結(jié)束，在今后的生活中迎接我們的是更多的挑戰(zhàn)，但是通過(guò)這事畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和磨練，我相信我可以更好的面對(duì)這些挑戰(zhàn)。在大學(xué)里我得到了很好的鍛煉，在以后的工作學(xué)習(xí)中要將學(xué)到的知識(shí)轉(zhuǎn)換成力量，為自己的夢(mèng)想而努力。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 張毅剛.單片機(jī)

65、原理與應(yīng)用[M]高等教育出版社2005年1月，第2版：137-156</p><p>　　[2] 曹巧媛主編.單片機(jī)原理與應(yīng)用 [M] 北京:電子工業(yè)出版社,2003</p><p>　　[3] 何民編.單片機(jī)教程[M]北京:北京大學(xué)出版社,2000</p><p>　　[4] 金發(fā)慶編 傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M]北京機(jī)械工業(yè)出版社,2002</p>&l

66、t;p>　　[5] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000；103—124</p><p>　　[6] 劉伯春.智能PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．自動(dòng)化，1995；(3)：20～25</p><p>　　[7] 周潤(rùn)景，張麗娜.基于PROTEUS 的電路與單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[M]．北京:航空航天大學(xué)出版社 ,2006P321～P326</p>&

67、lt;p>　　[8] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC®單片機(jī)產(chǎn)品手冊(cè)[ED/OL]，http://wwwchuandongcom/publish/data/2007/2/data_14_27926html</p><p>　　[9] 趙娜，趙剛，于珍珠等基于51 單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J] 微計(jì)算機(jī)信息，2007，1-2：146-148。[10] 周潤(rùn)景，張麗娜．基于PRO

68、TEUS 的電路及單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[M]．北京:航空航天大學(xué)出版社 ,2006.P321～P326</p><p>　　[11] 王忠飛，胥芳．MCS-51 單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007．P268-273</p><p>　　[12] 劉國(guó)鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.圖書(shū)館目錄.第1版.北京：高等教育出版社，1957</p><p

69、>　　[13] 傅承義，陳運(yùn)泰，祁貴中.地球物理學(xué)基礎(chǔ).北京：科學(xué)出版社，1985，447</p><p>　　[14] Microchip 24C01B/02B 8 位PIC®單片機(jī)產(chǎn)品手冊(cè)[ED/OL]，http://www.chuandong.com/publish/data/2007/2/data_14_27926.html.</p><p>　　[15] 趙娜，趙

70、剛，于珍珠等.基于51 單片機(jī)的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2007，1-2：146-148。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　轉(zhuǎn)眼間，四年的大學(xué)生活即將結(jié)束，緊接著人生新的旅途將要馬上啟程。在這四年的求學(xué)生涯中，我敬愛(ài)老師、同學(xué)給與了我很大支持和幫助。特別的感謝我的老師，或許我不是您們的最優(yōu)秀的學(xué)生，而您們卻一直是我最敬重的老師

71、。大學(xué)時(shí)代的老師學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，給我營(yíng)造了非常好的精神氛圍；置身在其間，則耳濡而目染，便潛移而默化，這使我不僅接受到了新的思想觀念，而且樹(shù)立了正確而宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了對(duì)與知識(shí)和走向社會(huì)的正確的思考方式。</p><p>　　在這里尤其要感謝王學(xué)軍老師，在論文準(zhǔn)備和寫(xiě)作過(guò)程中給予了大量的指導(dǎo)和幫助,感謝您對(duì)我的悉心點(diǎn)撥，使得我可以及時(shí)高質(zhì)量的完成本次的畢業(yè)的設(shè)計(jì)任務(wù)。感謝我的同學(xué)在我遇到困境時(shí)伸出