煙葉初烤炕房溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1 前言1.1選題背景與意義目前國內(nèi)外對于烤煙生產(chǎn)上推廣的多為自然氣流上升，下降式烤房，在一定程度上限制了升溫，排濕的靈敏度。主動式煙葉烘烤自動控制系統(tǒng)在地洞進(jìn)風(fēng)口，天窗上安裝動力通風(fēng)排濕設(shè)備并應(yīng)用控制理論將單片機(jī)技術(shù)引入，將不同品種和部位煙葉烘烤工藝曲線固化于單片機(jī)芯片中，在煙葉烘烤過程中實(shí)現(xiàn)全程溫度控制。實(shí)現(xiàn)了小烤房烘烤過程的自動控制，為了提高煙葉烘烤質(zhì)量，改善勞動條件，減輕勞動強(qiáng)度，煙葉烘烤系統(tǒng)需由人工模糊控制向系統(tǒng)智能控制轉(zhuǎn)變，這要求系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，傳感器精度高等特點(diǎn)。在烘烤煙葉的過程中系統(tǒng)需要實(shí)時采集烤房內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度不符合用戶所定指標(biāo)時，系統(tǒng)需要對其進(jìn)行自動調(diào)整以達(dá)到設(shè)

2、定值。 1.2 選題的目的和意義目前，煙葉的生產(chǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)的零散型向集約型轉(zhuǎn)變，烤房也由傳統(tǒng)的土炕向大型烤房方向發(fā)展。煙區(qū)已經(jīng)廣泛推廣煙葉初考的三段式工藝，并且大多數(shù)炕房已經(jīng)加裝熱風(fēng)循環(huán)裝置。但是，溫度測量仍然是傳統(tǒng)的玻璃管溫度計(jì)，風(fēng)門的控制仍然采用人工控制，這種測量和控制方法已成為制約煙葉烘烤質(zhì)量提高的瓶頸問題。在煙葉初烤中最重要的環(huán)節(jié)就是溫度，溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要的被控參數(shù)之一，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量。與之相關(guān)的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機(jī)械、食品等領(lǐng)域。煙葉初烤炕房溫度智能測控系統(tǒng)是為了改變煙葉的初烤過程中出現(xiàn)的煙葉烘烤質(zhì)量不高，控制不精確，溫度采

3、集不穩(wěn)定等諸多方面的問題。煙葉初烤過程中，烤房開始由用戶設(shè)定溫度，溫度設(shè)定后，烤房內(nèi)溫度的準(zhǔn)確測量和有效控制是烘烤的核心和煙葉質(zhì)量的根本保證。本次設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心的智能溫度測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)烤煙過程中溫度的自動控制，解決溫度測量不準(zhǔn)、溫度計(jì)使用不便及人工啟閉回風(fēng)門（用于排濕）、火門或鼓風(fēng)機(jī)（控制火爐火勢）等問題。它實(shí)際上就是一個溫度智能控制系統(tǒng)，用來解決人為操作所帶來的麻煩和不必要的失誤，以此來增加對煙葉初烤的質(zhì)量的保證，當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中也只能在一定程度上接近所指定的指標(biāo)。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)了煙葉烘烤全過程的自動控制與普通的烤房相比較，烤后煙葉色澤飽滿，鮮艷，葉片顏色均勻，上等煙比例高。

4、并且大幅度降低煙葉烘烤強(qiáng)度，減少用工，提高了煙葉綜合效益。1.3系統(tǒng)概述隨著科技的發(fā)展，溫度控制電路在日常生活中以及工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是溫度控制在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛運(yùn)用給社會帶來極大的福利。本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，在溫度控制中，采用DS18B20作為傳感器，LCD1602A作為溫度顯示器。溫度采集經(jīng)傳感器DS18B20到單片機(jī)，傳輸?shù)絃CD1602A液晶顯示器上來顯示，于此同時單片機(jī)處理接受的數(shù)據(jù)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)溫度的自動控制。它完成了從溫度設(shè)定，鍵盤操作，液晶顯示，和溫度控制一系列的任務(wù)，測量了溫度，對其進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整，設(shè)計(jì)的有效溫度測控范圍：2080；溫度測量精度：

5、0.5；溫度控制精度：1.0；顯示分辨率：0.1。于此同時還設(shè)計(jì)了報(bào)警系統(tǒng)，在沒有達(dá)到設(shè)定的溫度范圍的時候進(jìn)行報(bào)警。2 方案的確定2.1 溫度測控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)1）技術(shù)要求：有效測控范圍：2080；溫度測量精度：0.5；溫度控制精度：1.0；顯示分辨率：0.1。2）檔位設(shè)置：在3543溫度范圍內(nèi)分9檔，以供選擇。3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：風(fēng)門由電動執(zhí)行器驅(qū)動，運(yùn)行時間為80s；電源：220V，50Hz。4）自動控制：當(dāng)濕球溫度值超過設(shè)定值0.5時，進(jìn)風(fēng)門自動開啟5s；當(dāng)濕球溫度值在設(shè)定值0.5時，進(jìn)風(fēng)門狀態(tài)保持。當(dāng)濕球溫度值低于設(shè)定值0.5時，進(jìn)風(fēng)門自動關(guān)閉5s。5）報(bào)警：當(dāng)溫度偏離設(shè)定值1，蜂鳴器報(bào)

6、警。2.2 煙葉初烘烤炕房溫度測試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，外加傳感器，溫度測量電路，自動控制等。在煙葉烘烤過程中，烤房內(nèi)的溫度的準(zhǔn)確測量和有效控制是烘烤的核心和煙葉質(zhì)量的根本保證，設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)烤煙過程中溫度的自動控制，解決溫度測量不準(zhǔn)，溫度計(jì)使用不便及人工起閉回風(fēng)門難以精確控制的問題。方案1：采用熱電阻CU50，作為傳感器，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換傳送到單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)溫度的檢測控制，通過對實(shí)際煙葉炕房的溫度測量，再與設(shè)定值相比較，判斷是否符合設(shè)定要求，來實(shí)現(xiàn)對炕房的溫度控制。但采用CU50作為傳感器，溫度測量電路過于復(fù)雜，可能會造成連接不穩(wěn)定，并且溫度精度不高，所設(shè)

7、計(jì)的系統(tǒng)難以滿足課題的要求。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中很難得到使用。方案2：根據(jù)以上具體要求，本系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)作為控制單元，炕房溫度由DS18B20傳感器檢測送給單片機(jī)AT89S51處理，傳送給LCD1602A液晶顯示器進(jìn)行溫度顯示，于此同時單片機(jī)根據(jù)給定的溫度與實(shí)際溫度對比。來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)溫度的溫度，基本實(shí)現(xiàn)烤煙過程中溫度的自動控制?？傊?，利用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對各個功能的控制，達(dá)到用戶所需的要求。綜上所述，用單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對各個功能的控制，來達(dá)到用戶所需的要求。目前單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)很成熟了，用它來實(shí)現(xiàn)對各個電路的控制非常的簡單方便，而且它的精度能夠達(dá)到要求。應(yīng)用單片機(jī)來研發(fā)產(chǎn)品，降

8、低了成本，縮短了研發(fā)時間，與傳統(tǒng)工藝相比較，它具有高精度，高可靠性，操作方便，價格便宜，智能化等特點(diǎn)。DS18B20利用單總線的原理可以方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的測量，輕松的組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的抗干擾能力好，適合在惡劣的環(huán)境下也可以進(jìn)行現(xiàn)場溫度控制。根據(jù)以上的分析我們選用第二種方案來實(shí)現(xiàn)煙葉初烤的溫度控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了以AT89S51單片機(jī)為核心的溫度自動控制系統(tǒng)，溫度控制采用了溫度積分分離PID控制算法，顯示采用液晶LCD顯示器，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有以下功能；2080；溫度測量精度：0.5；溫度控制精度：1.0；顯示分辨率：0.1；實(shí)現(xiàn)了可以升溫，可以降溫；實(shí)時顯示當(dāng)前溫度值；按鍵控制；報(bào)警功能。整個系

9、統(tǒng)的原理圖如圖2.1所示。AT89S51單片機(jī)溫度設(shè)定 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)執(zhí)行器風(fēng)門傳感器恒流源溫度顯示 報(bào)警電路復(fù)位電路圖2.1 系統(tǒng)框架圖 溫度采集電路以數(shù)字量形式將現(xiàn)場溫度傳至單片機(jī)。單片機(jī)結(jié)合現(xiàn)場溫度和用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度，按照溫度積分分離PID控制算法計(jì)算出實(shí)時控制量，以此來控制風(fēng)門的工作狀態(tài)，使烤房內(nèi)溫度逐步穩(wěn)定與用戶設(shè)定的目標(biāo)值。在溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度后，由于自然冷卻而使溫度下降時，單片機(jī)通過采樣回的溫度和設(shè)置的目標(biāo)溫度作比較，作出相應(yīng)的控制。系統(tǒng)運(yùn)行過程中的實(shí)時溫度參量均由LCD實(shí)時顯示。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.1 AT89S51單片機(jī)特點(diǎn)介紹設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是完成溫度

10、測量與顯示的同時控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以此帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制風(fēng)門的開啟與關(guān)閉，來達(dá)到溫度控制的目的，而單片機(jī)的在輸入輸出的精度上完全可以達(dá)到這個要求，同時單片機(jī)控制操作簡單，系統(tǒng)成本低，因此選用51系列的單片機(jī)來作為硬件的核心，并且51系列的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)日趨完善，性能可靠。在系統(tǒng)中，單片機(jī)處于CPU的作用，接收傳感器傳來的溫度信號，經(jīng)過處理傳送給LCD1602A液晶顯示器顯示當(dāng)前的實(shí)時溫度，同時比較用戶設(shè)定的溫度，決定電機(jī)的運(yùn)作，達(dá)到控制風(fēng)門的作用，同時控制報(bào)警電路決定蜂鳴器是否工作組成一個簡單的溫度控制反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)4k Bytes

11、ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。它的主要性能特點(diǎn)有：1、4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器； 2、128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）； 3、32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口； 4、5個中斷優(yōu)先級、2層中斷嵌套中斷； 5、6個中斷源； 6、2個16位可編程定時器/計(jì)數(shù)器； 7、2個全雙

12、工串行通信口； 8、看門狗（WDT）電路； 9、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路； 10、與MCS-51兼容； 11、全靜態(tài)工作：0Hz-33MHz； 12、三級程序存儲器保密鎖定； 13、可編程串行通道； 14、低功耗的閑置和掉電模式。AT89S51的管腳圖如圖3.1所示：圖3.1 AT89S51引腳圖VCC：電源電壓輸入端。 GND：電源地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為電阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原

13、碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)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門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為低八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)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TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址

14、的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口除了作為普通I/O口，還有第二功能： P3.0 RXD（串行輸入口）； P3.1 TXD（串行輸出口）； P3.2 /INT0（外部中斷0）； P3.3 /INT1（外部中斷1）； P3.4

15、T0（T0定時器的外部計(jì)數(shù)輸入）； P3.5 T1（T1定時器的外部計(jì)數(shù)輸入）； P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器的寫選通）； P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器的讀選通）； P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。89C51的P0、P1、P2、P3口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。除了P1口外P0、P2、P3口都還有其他的功能。 RST：復(fù)位輸入端，高電平有效。當(dāng)振蕩器復(fù)位器

16、件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 ALE/PROG：地址鎖存允許/編程脈沖信號端。當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 PSEN：外部程序存儲器

17、的選通信號，低電平有效。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：外部程序存儲器訪問允許。當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時， EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.2 AT89S51最小系統(tǒng)電路使用AT89S51構(gòu)成

18、的最小系統(tǒng)電路如圖3.2所示，它由電容C1，C2和晶振Y1構(gòu)成以內(nèi)部方式工作的時鐘振蕩電路，電容C1,C2和晶振Y1構(gòu)成12MHZ的晶振頻率。若直接從外部引入振蕩信號連接到內(nèi)部振蕩器，則時鐘電路工作于外部方式，由電阻R2和電容C3構(gòu)成上電位復(fù)位電路，即單片機(jī)一旦接通電源，便自動進(jìn)入復(fù)位電路處理，隨著電容兩端電位的提高，RST端的電位變?yōu)榈碗娖?，進(jìn)入正常工作模式。圖3.2 最小電路系統(tǒng)3.2 溫度采集路設(shè)計(jì)剛開始采用CU50作為溫度傳感器，但是CU50的溫度靈敏度不夠，并且所構(gòu)成的溫度采集電路復(fù)雜，所達(dá)到的溫度控制精度低，后續(xù)溫度程序處理繁瑣，不利于工業(yè)生產(chǎn)。經(jīng)比較選擇后，溫度采集電路選用DS1

19、8B20作為溫度傳感器。溫度傳感器的種類眾多，在應(yīng)用與高精度、高可靠性的場合時DALLAS（達(dá)拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器當(dāng)仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，使得DS18B20更受歡迎。對于我們普通的電子愛好者來說，DS18B20的優(yōu)勢更是我們學(xué)習(xí)單片機(jī)技術(shù)和開發(fā)溫度相關(guān)的小產(chǎn)品的不二選擇。DS18B20具有3引腳T0-92小體積封裝系統(tǒng)，溫度測量范圍是55C +125C,可編程9到12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)到0.0625C。被測溫度符號擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可以遠(yuǎn)端輸入，也可以采用寄生方式電源產(chǎn)生，多個DS18B

20、20可以并聯(lián)到2到3個線上，CPU只需用一根端口線就能與多個DS18B20通信，占有微處理器的端口少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，以上特點(diǎn)使DS18B20適合于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測溫度。DS18B20適應(yīng)的電壓范圍比較寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電的獨(dú)特單線接口方式，DS18B20與單片機(jī)連接時只需1條接口線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20的雙向通信。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一個三極管的電路內(nèi)。溫度測量范圍為55C +125C，在10C +85C時精度為土0.5C，可編程的分辨率為9到12位，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫在9位分辨率的時候最

21、多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字，以一線總線的方式串行傳送到單片機(jī)，具有較強(qiáng)的抗干擾糾錯能力，電源極性接反時不會因發(fā)熱而燒壞，但是不能正常工作。DS18B20的讀寫時序和DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度延時由2s減少到750ms。DS18B20外形尺寸如圖3.3所示。圖3.3 DS18B20的外形尺寸DS18B20的測溫原理圖如圖3.4所示：加一LSB移位清除停止斜率累加器計(jì)數(shù)器1溫度寄存器計(jì)數(shù)器2=0比較=0預(yù)置低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振預(yù)置圖3.4 DS18B20測溫原理框圖圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，可用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送

22、到計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度的變化其振蕩率明顯會改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加上1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將會被重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：（1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它

23、可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用 是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式來提供，以 0.0625/LSB的形式表達(dá)，其中S為符號位。表1: DS18B20溫度值格式表LS ByteBit 7Bit 6Bit 5Bit4Bit 3Bit 2Bi

24、t 1Bit 0MS ByteLS ByteBit 15Bit 14Bit 13Bit 12Bit 11Bit 10Bit 9Bit 8MS ByteSSSSS這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個8比特的RAM中，二進(jìn)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0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FE6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。（3）DS18B20溫

25、度傳感器的檢測電路在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。溫度采集電路如圖3.4所示。圖3.4 DS18B20的溫度采集電路3.3 溫度控制電路在煙葉初烤過程中溫度會發(fā)生變化，從一開始烤房加熱到恒溫到自然冷卻，溫度都是一直變化著，顯然采用人工控制既費(fèi)時間，又沒有效率，采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)無疑會給煙葉烘烤過程提供極大的便利，在得到精確

26、的溫度控制同時，節(jié)省了大量的勞動力。FT5754是步進(jìn)電動機(jī)專用集成驅(qū)動芯片，內(nèi)含4組NPN達(dá)林頓晶體管能夠保證步進(jìn)電動機(jī)有足夠的驅(qū)動電流，圖3.5是FT5754的外觀引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各輸入引腳B要保證有3mA的輸入電流，才能使C-E導(dǎo)通。每個輸出能承受最大為3A的電流，非常適合來驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)。圖3.5 FT5754的外觀引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.6為FT5754驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)電路。由于FT5754需要3mA以上的輸入電流，因而在FT5754與單片機(jī)之間需要用緩沖器來推動，可選用的器件有4050、74LS244。圖3.6 FT5754驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)電路利用步進(jìn)電機(jī)的高精確控制度，采用單片機(jī)軟件控制，

27、當(dāng)溫度不在設(shè)定的溫度范圍之內(nèi)的時候，單片機(jī)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，帶動風(fēng)門執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變風(fēng)門的開啟與關(guān)閉，當(dāng)濕球溫度值超過設(shè)定值0.5時，進(jìn)風(fēng)門自動開啟5s；當(dāng)濕球溫度值在設(shè)定值0.5時，進(jìn)風(fēng)門狀態(tài)保持。當(dāng)濕球溫度值低于設(shè)定值0.5時，進(jìn)風(fēng)門自動關(guān)閉5s。3.4 鍵盤與顯示電路3.4.1 鍵盤電路由若干個按鍵組成的鍵盤，其電路可分為獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤兩種。獨(dú)立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點(diǎn)是每個按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費(fèi)較大，

28、不宜采用。矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻接到5V上。當(dāng)無鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時，行、列線將導(dǎo)通，此時，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識別按鍵是否按下的關(guān)鍵。然而，矩陣鍵盤中的行線、列線和多個鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，因此，必須將行線、列線信號配合起來作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置。對于獨(dú)立式按鍵鍵盤，因按鍵數(shù)量少，可根據(jù)實(shí)際需要靈活編碼。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號惟一確定，因此可分別對行號和列號進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號。在實(shí)

29、際的溫度控制時候需要的按鍵比較的多，顯然選用獨(dú)立式的按鍵鍵盤占用了大量的接口資源，不利于系統(tǒng)的工作。因此選擇了44的矩陣式鍵盤來設(shè)置按鍵，這樣只需要占用8個接口資源就可以來滿足。鍵盤按鍵與按鈕如圖3.7所示：圖3.7 鍵盤電路3.4.2 顯示電路單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示器是LED(發(fā)光二極管顯示器)，LCD(液晶顯示器)。這兩種顯示器可以顯示系統(tǒng)指令，數(shù)字和字符。它們的驅(qū)動電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)且價格低廉，性價比較高，因此得到了廣泛的使用。本次設(shè)計(jì)采用了LCD1602A。LCD1602A屬于字符型顯示器，可顯示2行共16個字符，字符顯示尺寸為57個像素點(diǎn)。在顯示模塊的ROM中存放ASCII碼字符

30、字模等，輸出時只需要提供字符編碼和顯示位置即可。LCD1602器件引腳排列如圖3.8所示。其中，D0D7為數(shù)據(jù)口，E為使能信號，RW為讀寫信號，RS為寄存器選擇信號，VL為亮度調(diào)節(jié)引腳.，VCC,VCC1，GED,GND1均為電源引腳。圖3.8 LCD1602A的管腳排列圖3.9 LCD1602顯示接口電路LCD1602與AT89S51構(gòu)成的顯示接口電路如圖3.9所示。AT89S51的P0.0P0.7與LCD1602的D0D7相連，以交換數(shù)據(jù)。P1.0接RS進(jìn)行寄存器選擇，當(dāng)RS=1時，指向數(shù)據(jù)寄存器，當(dāng)RS=0時，若執(zhí)行寫操作，則指向指令寄存器，若執(zhí)行讀操作，則指向地址寄存器。P1.1接RW

31、控制讀寫，當(dāng)RW=0時，進(jìn)行寫操作，當(dāng)RW=1時，進(jìn)行讀操作。P1.2接E使能控制，讀操作時，高電平有效，寫操作時，下降沿有效。3.5 報(bào)警電路報(bào)警電路及指示燈電路如下圖3.10所示，當(dāng)溫度未達(dá)到用戶設(shè)置的目標(biāo)溫度時需要時，設(shè)計(jì)了越限報(bào)警，溫度低于用戶設(shè)置的目標(biāo)溫度1度或者高于一度時，蜂鳴暴擊器為連續(xù)的滴答滴答叫聲，當(dāng)單片機(jī)P1.7輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴報(bào)警器工作發(fā)出警報(bào)聲。P1.7輸出低電平時，三極管不導(dǎo)通，蜂鳴報(bào)警器不工作。圖3.10 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)程序概述為了適應(yīng)煙葉初烘烤工藝要求和煙葉的具體情況，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，將設(shè)定的溫度設(shè)計(jì)為九檔，以供選擇。

32、每檔溫度如表4.1所示。表4.1 溫度控制檔位檔位123456789溫度/353637383940414243根據(jù)設(shè)定的要求，程序主程序采用循環(huán)方式，主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括定時器，I/O接口和中斷程序的初始化，電動機(jī)方向由定時器中斷啟動或者停止。系統(tǒng)的循環(huán)程序?qū)⑦M(jìn)行一下操作：鍵盤設(shè)定溫度值檢測、實(shí)時的溫度檢測、LCD的溫度顯示和控制、這些操作將在各自的字程序中實(shí)現(xiàn)。其中主程序系統(tǒng)流程如圖4.1所示。定時器，中斷系統(tǒng)初始化，開中斷調(diào)用溫度檢測子程序調(diào)用溫度顯示子程序主程序圖4.1 主程序系統(tǒng)流程圖4.2 T0中斷處理控制子程序的設(shè)計(jì)溫度的高低受風(fēng)門打開的影響，因此程序是將檢測到得溫度實(shí)際值與

33、用戶設(shè)定的溫度值相比較，控制風(fēng)門打開和和溫度升降的速率，上、下限設(shè)定值分別是檔位設(shè)定溫度的0.5。每隔5min檢測風(fēng)門的運(yùn)行狀態(tài)，每次風(fēng)門動作5s。利用單片機(jī)AT89S51的可編程定時器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)來計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的工作方式為1，定時時間為20ms，則計(jì)數(shù)器溢出50次既得風(fēng)門開啟最小單位秒，利用中斷方式進(jìn)行溢出次數(shù)累加，記滿250次為秒計(jì)時(5s)，圖4.2Y定時中斷子程序滿250次保護(hù)現(xiàn)場設(shè)定溫度檔位測量值下限值？測量值大于上限值風(fēng)門保持狀態(tài)中斷返回開風(fēng)門并報(bào)警調(diào)用升溫系統(tǒng)NYN圖4.2 T0中斷程序系統(tǒng)中斷圖4.3 溫度檢測及子程序的設(shè)定溫度檢測時用DS18B20進(jìn)行溫度檢測采樣，DS

34、18B20溫度檢測程序流程圖如圖4.3所示DS18B20初始化跳過RAM指令發(fā)送匹配指令溫度轉(zhuǎn)換指令發(fā)出DS18B20序列號讀出溫度值并處理返回圖4.3 DS18B20溫度檢測流程圖4.4溫度的積分分離PID控制由于溫度測量系統(tǒng)的慣性大、滯后性強(qiáng)，一般采用PID控制方法來控制實(shí)現(xiàn)，并且控制效果理想。在普通的PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是用來消除靜態(tài)誤差，提高精度。但是在啟動的開始，結(jié)束或者大幅度的變動溫度值的時候，短時間內(nèi)，系統(tǒng)輸出將會出現(xiàn)很大的誤差，會造成PID運(yùn)算誤差的積累，導(dǎo)致控制量超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)置的溫度范圍，最終引起系統(tǒng)的較大超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的震蕩，這些在工業(yè)生產(chǎn)中都是

35、不允許的。引進(jìn)積分分離PID控制方法，將使系統(tǒng)得到明顯的改善，既保持了積分作用，又適當(dāng)?shù)臏p少了超調(diào)量，使得控制系統(tǒng)性能得到改善。在設(shè)計(jì)的溫度智能控制系統(tǒng)中，通過單片機(jī)對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)時間來控制煙葉初烘烤炕房的溫度，炕房的溫度通過DS18B20來進(jìn)行檢測傳送到單片機(jī)，由單片機(jī)來計(jì)算系統(tǒng)的誤差e，然后根據(jù)PID控制規(guī)律，發(fā)送脈沖信號來決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.4所示：溫度給定電機(jī)驅(qū)動電路PID控制溫度檢測與控制圖4.4 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖增量式PID算法的輸出量得增量如下式（4.1）： （4.1）式中，為第n次，第n-1次，第n-2次的偏差值，分別是比例系數(shù)，微分系數(shù)，積分系數(shù)

36、，T為采樣周期。單片機(jī)每隔一個固定的時間T將現(xiàn)場溫度與用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度的差值帶入公式，由公式輸出量決定電機(jī)轉(zhuǎn)動角度?，F(xiàn)場溫度與目標(biāo)溫度如果相差很大，電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度將大大增加，使得現(xiàn)場溫度與目標(biāo)溫度偏差迅速減少；反之，兩者的溫度偏差小，電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度也將減小，直到實(shí)際溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，從而達(dá)到了自動控制的目的。PID參數(shù)的選擇是溫度系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，它決定了溫度控制的精度與反應(yīng)的靈敏度。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以參照模擬PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)定的各種方法，根據(jù)工藝的要求，決定PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，各個參數(shù)對系統(tǒng)的性能影響如下;比例系數(shù)P對系統(tǒng)性能的影響：比例系數(shù)的加大，將會使系統(tǒng)的靈敏度加大，速度加

37、快，穩(wěn)態(tài)誤差減小；但是當(dāng)P偏大的時候，振蕩次數(shù)將明顯增加，調(diào)節(jié)時間增加，系統(tǒng)會出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)。P也可以取負(fù)數(shù)，這主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能、傳感器、以及控制對象的特性所決定。如果P的符號選擇不對，那么實(shí)際測量值會離控制溫度越來越遠(yuǎn)，如果出現(xiàn)這樣的情況，P的符號一定要取反。積分控制I對系統(tǒng)的影響：積分作用使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，I小，積分作用將得到加強(qiáng)，系統(tǒng)將會不穩(wěn)定，但是能夠有效的消除系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。微分控制D對系統(tǒng)的影響：微分作用可以有效的改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，D偏大的時候，超調(diào)量將會變大，調(diào)節(jié)時間變長：D偏小的時候，超調(diào)量也會變大：所以只有取合適的的D值，采用使超調(diào)量變小，從而達(dá)到減

38、少調(diào)節(jié)時間的目的。5 系統(tǒng)調(diào)試本設(shè)計(jì)中包含了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。測量功能的實(shí)現(xiàn)需要兩部分的共同作用。實(shí)際上，電子產(chǎn)品的調(diào)整和測試是同時進(jìn)行的，要經(jīng)過反復(fù)的調(diào)整和測試，產(chǎn)品的性能才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。調(diào)試的過程主要是對電路的連接，電阻，電容的，以及各個芯片之間的連接檢查，是否連接正確以及連接是否可靠。使電路達(dá)到預(yù)定的功能和性能要求。此外，測量精度作為一個相對綜合的復(fù)雜因素體，反映了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的測試能力，是設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，也是衡量測量結(jié)果是否有效的重要依據(jù)。因此，為使測量結(jié)果準(zhǔn)確和可靠，應(yīng)盡量減少誤差，提高測量精度。我們必須充分認(rèn)識測量可能出現(xiàn)的誤差，以便采取必要的措施來加以克服。系統(tǒng)所設(shè)計(jì)

39、的溫度控制系統(tǒng)是基于AT89S51單片機(jī)所設(shè)計(jì)的方案，它能夠?qū)崟r顯示當(dāng)前的溫度，并能根據(jù)用戶所要求達(dá)到的溫度做出實(shí)時調(diào)節(jié)。溫度控制系統(tǒng)為一個閉環(huán)系統(tǒng)，工作穩(wěn)定性高，控制精度高。所編寫的軟件采用了模塊化結(jié)構(gòu)，提高了可通用性。本次設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)，提供了單片機(jī)以及外圍電路，軟件還有控制算法的設(shè)計(jì)，較完整的完成了一個工業(yè)系統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)。5.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試的主要目的是排除硬件故障，因?yàn)橥鈬娐肥怯擅婺ぐ暹B接的，可能存在連接上的短路，逐步檢查各個引腳接線是否存在問題，以及電源，接地的連線是否正確。檢查開關(guān)是否連接正確，是否能夠正常工作，各個電阻，電容是否連接正確，特別是二極管，三級管是否連接正

40、確，避免不必要的損失。接線前，要對設(shè)計(jì)中所涉及到的元?dú)饧邢喈?dāng)?shù)牧私?，用萬用表檢測電子元器件是否能夠正常工作，從而避免因接線、元器件損壞問題造成短路、短路等事故；接線時要合理安排元?dú)饧奈恢?，避免連接導(dǎo)線冗余（導(dǎo)線過長影響測量精度）；接線完成后，不要急著通電，先萬用表檢測導(dǎo)線是否接通，電源的正負(fù)極有沒有接反，以防燒毀電子元器件。確定一切都正確后，接通電源，通電進(jìn)行軟件調(diào)試。5.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試是在仿真軟件上進(jìn)行在線仿真調(diào)試，發(fā)現(xiàn)和糾正程序錯誤，同時也能發(fā)現(xiàn)你硬件故障。程序的調(diào)試首先一個個的子程序進(jìn)行調(diào)試。首先單獨(dú)調(diào)試子程序，檢驗(yàn)子程序是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的目的，最后逐漸將子程序連接起來進(jìn)行總調(diào)，

41、看是否能夠正常工作，達(dá)到預(yù)期目的?？傉{(diào)的時候需要特別注意各個程序之間是否能夠正確的傳遞各個參數(shù)，特別要注意子程序的現(xiàn)場保護(hù)和恢復(fù)。5.3 脫機(jī)調(diào)試軟硬件調(diào)試成功后，可以將程序下載到AT89S51單片機(jī)中，接上電源脫機(jī)工作，既然軟硬件都已調(diào)試成功，脫機(jī)運(yùn)行似乎一定會成功，然而事實(shí)往往并不是如此，仍然出現(xiàn)很多故障：（1）連線時采用的是面包板進(jìn)行組裝，液晶芯片1602A與面包板的連接不穩(wěn)定 。（2）系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。這主要是由于干擾引起的，在溫度控制系統(tǒng)中，所設(shè)計(jì)的輸入輸出通道比較多，相對的干擾源也會比較多，因此在電源，總線處接對地濾波電容一般可以解決問題。(3) 連線正常，用萬用表測量所有的導(dǎo)線都接通，所有的元器件沒有燒毀。但是液晶芯片只有背景光，屏幕上無數(shù)據(jù)顯示。5.4 結(jié)果分析論述本次設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)可以基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在讀數(shù)正確方面與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的讀數(shù)誤差約為3%左右，對于一般的工業(yè)生產(chǎn)基本可以達(dá)到要求。理論上，本次設(shè)計(jì)完成可以達(dá)到所要求的溫度控制精度，但是在實(shí)際過程中，不可避免的會出