基于單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要：近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在社會領(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)推動傳統(tǒng)控制檢測日新月益的更新。在自動控制和實(shí)時(shí)檢測的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往是作為一個核心部分，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)用對象特點(diǎn)的軟件結(jié)合，以作完善。本論文從主要研究水溫的恒溫自動控制過程，主要應(yīng)用at89c51、ds18b20、led數(shù)碼管、moc3041、可控硅。通過 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pwm驅(qū)動可控硅的通斷，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制

2、。關(guān)鍵詞：單片機(jī)系統(tǒng)；傳感器；數(shù)據(jù)采集；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；溫度 abstract: with the computer technology 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 detection of micro

3、computer 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 application software objects combine to make perfect.the major research paper from the automatic thermo

4、stat temperature control process, the main application at89c51, ds18b20, led digital tube, moc3041, triac. by collecting 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

5、-time temperature and various status values, then a single-chip pwm pulse modulated by pwm drive can be silicon-off control, to achieve real-time temperature control.key words: mcu system; sensor; data acquisition; analog-to-digital converter; temperature第一章 前言1.1課題的背景及其意義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)

6、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)生活中需要對各種參數(shù)進(jìn)行溫度測量。因此溫度一詞在生產(chǎn)生活之中出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對應(yīng)的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用技術(shù)，同時(shí)它們在各行各業(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，利用測量與控制溫度來保證生產(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。溫度值是表征物體冷熱程度的一個物理量，溫度的測量則是工農(nóng)和業(yè)生產(chǎn)過程中一個很重要也普遍的參數(shù)。溫度的測量及控制對保證產(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)闇囟葴y量的普遍性，使得溫度傳感器的數(shù)量

7、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，溫度傳感器的種類仍然在不斷增加和豐富以來滿足生產(chǎn)生活中的各種需要。在單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵是溫度的測量、溫度的控制和溫度的保持，溫度是工業(yè)控制對象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機(jī)要對溫度的測量則是對溫度進(jìn)行有效及準(zhǔn)確的測量，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)、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測量任務(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量及工業(yè)設(shè)備的溫度測量。但溫度是一個模擬量，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。1

8、.2課題研究的內(nèi)容及要求本次畢業(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，其中還涉及自動控制理論；其具有較精度高、測量誤差較小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。1課題的主要研究的內(nèi)容。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的硬件電路完成對水溫的實(shí)時(shí)檢測及顯示，利用ds18b20與單片機(jī)連接由軟件與硬件電路配合來實(shí)現(xiàn)對加熱電阻絲的實(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d

9、s18b20檢測溫度，用中值濾波的方法取一個值存入程序存取器內(nèi)部一個單元作為最后檢測信號，并在led中顯示。控制器是用at89c51單片機(jī)，用pid進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出控制信號給執(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，可以一并存入其rom中，以便在構(gòu)成大型溫度測控系統(tǒng)時(shí)在單線上掛接任意多個ds18b20芯片。從ds18b20讀出或?qū)懭雂s18s20信息僅需要一根口線，其讀寫及其溫度變換功率來源于數(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，它無需任何外圍硬件便可方便地構(gòu)成溫度檢測系統(tǒng)。而且本

10、次的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)溫度測試，溫度顯示，溫度控制，超過設(shè)定的門限值時(shí)自動啟動加熱裝置等功能。而且還要以單片機(jī)為主機(jī)，使溫度傳感器通過一根口線與單片機(jī)相連接，再加上溫度控制部分和人機(jī)交互部分來共同實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測與控制。2利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其具體控制功能如下：（1）能夠連續(xù)測量水的溫度值，用十進(jìn)制led數(shù)碼管來顯示水的實(shí)際溫度。（2）能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是3090。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)水溫自動控制，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。（4）使用單片機(jī)at89c51控制，通過輸入按鍵來控制水溫的設(shè)定值，數(shù)值采用led數(shù)碼管顯示。1.3課題的研究方案溫度控制系統(tǒng)是比較典型的過程控制系統(tǒng)

11、。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過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)到自動化、智能化，比過去采用電子線路進(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。溫度是一個非線性的控制對象，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。對于這種溫控對象，一般認(rèn)為其具有以下的傳遞函數(shù)形式：（1-1）方案一（見圖1-1）圖1.1 方案一的流程圖此方案是傳統(tǒng)的模擬控制方案，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)是電路簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，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

12、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)，也不能使用鍵盤進(jìn)行設(shè)定。方案二（見圖1-2）圖1.2 方案二的流程圖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)，也不能使用鍵盤進(jìn)行設(shè)定。方案三（見圖1-3）圖1.3 方案三的流程圖該方案采用at89c51單片機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)檢測和控制的，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

13、來顯示溫讀的實(shí)際值和各種狀態(tài)，可用鍵盤輸入設(shè)定值。本方案選用了at89c51芯片，不需要外擴(kuò)展存儲器，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)更簡單，實(shí)現(xiàn)更加容易。結(jié)論：前兩種方案是比較傳統(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)過比較，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用了方案三。第2章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)本設(shè)計(jì)系

14、統(tǒng)的組成單元包括：單片機(jī)控制單元、溫度采樣單元、調(diào)節(jié)執(zhí)行單元、顯示單元。2.1 at89c51系列單片機(jī)介紹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)編程快擦快寫程序存儲器，能重復(fù)寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間可以達(dá)到十年。它與mcs-8051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。程序長度可達(dá)4096字節(jié), 四個可編程的用戶

15、i/o。在5v的電壓下就可以編程，而且程序的寫入時(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87c51系列的單片機(jī)的12v的擦寫電壓相比, 即保護(hù)了器件, 也沒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，非常適合嵌入式的控制領(lǐng)域的應(yīng)用。at89c51芯片提供了三級程序存儲器來鎖定加密， 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 位雙向輸入輸出總線, 兩個十六位可編程定時(shí)器/計(jì)時(shí)器, 5個中斷源, 兩級中斷優(yōu)先級

16、控制, 一個全雙工的異步串行口以及時(shí)鐘發(fā)生器等。at89c51具有間歇、掉電兩種電源控制工作模式。間歇模式的是設(shè)置由軟件來執(zhí)行的, 當(dāng)外圍器件仍處于工作模式時(shí), cpu可根據(jù)當(dāng)前的工作狀態(tài)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候地進(jìn)入睡眠狀態(tài), 內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)以及所有特殊寄存器值將將保持原值不變。睡眠狀態(tài)可被任一一個中斷所終止或通過外部硬件復(fù)位喚醒。掉電模式是指當(dāng)vcc（電源電壓）低于電源電壓的下限時(shí), 當(dāng)振蕩器的頻率為0時(shí), cpu 將會停止指令的執(zhí)行。此時(shí)該芯片內(nèi)ram的數(shù)據(jù)和特殊功能寄存器中的值保持原萊來值不變, 一直維持到掉電模式被終止。只有當(dāng)vcc（電源）的電壓恢復(fù)到正常工作范圍（高于電壓的下限）而且在振蕩器

17、穩(wěn)定振蕩后，通過外部硬件的復(fù)位，掉電模式則可被終止退出。2.2光電耦合器moc3041moc3041 是常用雙向晶閘管輸出的光電耦合器(固態(tài)繼電器)，帶過零觸發(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。傳統(tǒng)的方法都是采用移相觸發(fā)的晶閘管，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角而達(dá)到控制功率大小的效果，不僅同步檢測的電路非常的復(fù)雜，而且會在晶閘管導(dǎo)的通瞬間會產(chǎn)生高次的諧波干擾，引起電網(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)中采用過的零觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通以及關(guān)斷時(shí)間的比值來調(diào)節(jié)功率的大小，因?yàn)檫^零觸發(fā)不會改變電壓的波形而是改變的只是電

18、壓全波通過的次數(shù)，并不會對電網(wǎng)造成干擾，所以，本設(shè)計(jì)采用過零的觸發(fā)方式。moc3041芯片內(nèi)部包含過零檢測的電路，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之間的電壓剛剛過零時(shí)，內(nèi)部的雙向晶閘管開始導(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。圖2.1 m0c3041邏輯引腳圖2.3雙向可控硅可控硅分為單向可控硅和雙向可控硅兩種,他們的符號也是不同的.單向可控硅是由三個pn結(jié)構(gòu)成,由外層的p極與n極引出兩個電極,分別稱為陽極與陰極,由中間的p極引出一個可控硅的控制極g極。 單向的可控硅有其獨(dú)特的

19、特性為:當(dāng)陽極被接反向電壓,或者陽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,而陽極與控制極同時(shí)被接正上向電壓時(shí),可控硅就會變成導(dǎo)通狀態(tài).可控硅一旦導(dǎo)通,控制極的電壓便失去了對可控硅的控制作用,這時(shí)不論控制極有沒有控制電壓,也不論控制極的控制電壓的極性是如何,將會一直保持在導(dǎo)通的狀態(tài)。要想關(guān)斷此可控硅,只有把可控硅陽極電壓降到某一臨界值或者反向。 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。 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

20、向就隨著極性的變化而改變,從 而能夠控制交流電負(fù)載.而單向可控硅經(jīng)觸發(fā)后只能從陽極向陰極單方向?qū)?所以可控硅有單雙向之分。本設(shè)計(jì)所使用的可控硅為bta08，其參數(shù)如下：tstg貯存溫度40125tj結(jié)溫40125pgm峰值門極功耗 5wvdrm重復(fù)峰值斷態(tài)電壓 600vit（rms）rms通態(tài)電流（ta=89） 8avgm峰值門極電壓 10vigm峰值門極電流 2.0aitsm浪涌通態(tài)電流(一個周期50/60hz,峰值,不重復(fù)) 80/88aviso絕緣擊穿電壓（rms，交流1分鐘1500v ）2.4移位寄存器74ls164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

21、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)動電路，簡化了電路的設(shè)計(jì)和程序的編寫，提高個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。移位寄存器74ls164的引腳如圖2-6所示：圖2.2移位寄存器74ls164引腳圖其引腳功能如下：a、b 串行輸入端；q0q7 并行輸出端； 清除端，低電平有效；clk 時(shí)鐘脈沖輸入端，上升沿有效。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)更加簡單易于實(shí)現(xiàn)，采用了4位一體的共陽極數(shù)碼管，因此只能實(shí)現(xiàn)動態(tài)的顯示數(shù)據(jù)。2.5數(shù)碼顯示管ledl

22、ed顯示器是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的輸出器件，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)接口簡單易行。led數(shù)碼管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件，它包含若干個發(fā)光二極管。當(dāng)其中某個發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫就會發(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)碼管有共陽極與共陰極兩種類型。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)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，電流導(dǎo)通，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮

23、，相應(yīng)的段被點(diǎn)亮顯示。與之類似，共陽極led數(shù)碼管的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此共陽極接正極的電壓，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極被接到低電平時(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)碼管為共陽極的7段數(shù)碼管。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152v，額定電流為10ma，最大電流為40ma。靜態(tài)顯示時(shí)取10ma為宜，動態(tài)掃描時(shí)顯示可加大脈沖電流，但一般不都超過40ma。本設(shè)計(jì)采用的是4位一體的共陽極數(shù)碼管，數(shù)碼管的原理圖和引腳表示如下圖：圖2.3數(shù)碼顯示管led引腳圖2.6數(shù)字溫度計(jì)ds18s20在傳統(tǒng)的模擬信號遠(yuǎn)距離

24、的溫度測量系統(tǒng)中，模擬信號很容易受到干擾，而產(chǎn)生測量誤差，影響測量的精度。因此，在溫度測量系統(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題的最有效的方案。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，提高溫度測量的精度。同時(shí)，它可以直接將被測溫度的模擬信號轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號輸出供單片機(jī)處理，接口簡單， 使數(shù)據(jù)的傳輸和處理簡得到單化。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，使得開發(fā)的周期大大縮短。2.6.1 ds18s20的主要特性

25、1ds18s20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)，無需外部工作電源。2ds18s20提供了9位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報(bào)警功能。3ds18s20通過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)。4ds18s20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。5每片ds1

26、8s20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，可方便地使用單個微處理器控制分布在大范圍內(nèi)的多片ds18s20器件。6ds18s20的測量結(jié)果直接輸出的是數(shù)字溫度信號，通過“單總線”串行傳送給cpu，同時(shí)還可以自動生成及發(fā)送crc數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼，它具有極強(qiáng)的抗干擾和糾錯的能力。7ds18s20具有負(fù)載的特性，當(dāng)電源因故障或失誤極性接反時(shí)，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是也不會正常的工作。2.6.2 ds18b20測溫原理圖2.4 ds18b20 的內(nèi)部測溫電路框圖低溫度系數(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，為減法計(jì)

27、數(shù)器1提供頻率穩(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，是一個對溫度很敏感的振蕩器，所產(chǎn)生的脈沖信號作為減法計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入信號，為計(jì)數(shù)器2提供一個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，當(dāng)計(jì)數(shù)被門打開時(shí)，ds18b20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)。計(jì)數(shù)門的開啟的時(shí)間是由高溫度系數(shù)振蕩器決定的，在每次測量前，首先將-55 所對應(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對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的固定脈沖信號進(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重新開始對

28、低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的固定脈沖信號進(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)值即為所測溫度值。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值。第3章 硬件電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用按鍵作為輸入，通過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。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3.1 單片機(jī)控制單元單片機(jī)控制電路包含4個按鍵實(shí)現(xiàn)溫度和系統(tǒng)設(shè)定與控制。

29、包括：“設(shè)置”、“加1”，“右移”，“確定”四個按鍵。其原理圖如下。圖3.2單片機(jī)控制單元原理圖3.2 溫度采樣電路本設(shè)計(jì)采用ds18b20作為溫度傳感器，進(jìn)行溫度的檢測，測量的到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理因此省去了信號放大和濾波電路。溫度采樣電路原理圖如下：圖3.3溫度采樣電路3.3 顯示電路本設(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：圖3.4顯示電路原理圖3.3 調(diào)節(jié)執(zhí)行單元本設(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，有光電耦合器moc3041和可控硅組

30、成驅(qū)動電路，moc3041用于將單片機(jī)系統(tǒng)和可控硅電路隔開，避免高電壓和強(qiáng)電流對單片機(jī)的干擾,是單片機(jī)可以正常的運(yùn)行，可控硅scr的作用就是一個固態(tài)觸電，使之可以開斷加熱設(shè)別，以實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)控制。其原理圖如下圖3.5調(diào)節(jié)執(zhí)行電路原理圖第4章 軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖系統(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)啟動后，主程序啟動，根據(jù)設(shè)定的條件逐步運(yùn)行，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。圖4.1主程序流程圖4.2中斷子程序流程圖圖4.2為中斷子程序的流程圖。圖4.2 中斷子程序4.3按鍵流程圖圖4.3為系統(tǒng)的按鍵流程圖。主要是通過

31、按鍵的輸入控制來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對溫度的手動和自動控制。圖4.3 按鍵流程圖4.4顯示流程圖圖4.4為系統(tǒng)的顯示流程圖。主要是通過對測量的溫度進(jìn)行顯示，給操作者提供提示。圖4.4 顯示流程圖4.5 pid控制算法子程序采用傳統(tǒng)pid位置式和增量式算法，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，而且實(shí)現(xiàn)相對容易，但是其缺點(diǎn)是有超調(diào)以及溫度上升不夠快。分段式pid在傳統(tǒng)pid算法的基礎(chǔ)上有效的克服積分飽和的問題 解決了系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后可能會會突然急劇升溫的問題，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：圖4.5 pid控制算法子程序流程

32、圖第5章 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)論分析單片機(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，排除程序存在錯誤，并優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)達(dá)到期望的性能。5.1硬件調(diào)試單片機(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。1.開路、短路：由于焊接技術(shù)導(dǎo)致的開路、短路等故障。解決方法：對照原理圖用萬用表檢測,補(bǔ)焊即可。2.元器的件損壞：由于對所使用的元器件不熟悉及制焊接過程中操作不當(dāng)致使器件損壞。解決方法：仔細(xì)閱讀元器件的應(yīng)用環(huán)境,仔細(xì)焊接。3.電源故障：上電后造成元器件損壞、無法正常的供電，電路不能正的常工作。電源故障包括：電壓

33、值不符合設(shè)計(jì)要求，電源引出線與插座不對應(yīng)，各檔電源之間短路等。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)各個部件中。5.2軟件調(diào)試設(shè)計(jì)軟件部分出問題的現(xiàn)象：1. 以斷點(diǎn)或連續(xù)方式運(yùn)行時(shí)，目標(biāo)沒有按規(guī)定的功能進(jìn)行操作或什么結(jié)果也沒有，是由于程序轉(zhuǎn)移到某處死循環(huán)所造成的。解決方法：這類錯誤的原因是程序中跳轉(zhuǎn)的地址計(jì)算錯誤、堆棧的溢出、工作寄存器的沖突等,檢查各處邏輯,更改之。2. 對中斷不相應(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)。解決方法：更改中斷控制寄存器（ie，ip）的設(shè)置。3. 結(jié)果不準(zhǔn)確確。系統(tǒng)基本上可以正常操

34、作，但控制會有誤動作或者輸出結(jié)果不正確。這種錯誤大多是由于算法錯誤引起的。錯誤原因沒有查明，沒有解決。5.3結(jié)論分析通過對軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的調(diào)試，進(jìn)一步理解了自動控制理論在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別是自動控制原理在恒溫控制中算法分析和應(yīng)用；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了些問題，原電路缺乏對溫度的實(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，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，避免在高壓過程中干擾信號影響到單片

35、機(jī)的運(yùn)行；可控硅scr的作用是相當(dāng)于一個觸點(diǎn)，使之有可以開啟或關(guān)斷電爐，從而控制電爐的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)控制。第6章 結(jié)束語經(jīng)過三個月的努力，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)沒有因此而結(jié)束；在本次的設(shè)計(jì)，所學(xué)的理論知識接受了實(shí)踐的檢驗(yàn)，增強(qiáng)了運(yùn)用所學(xué)知識的能力及動手的能力，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下了很好的基礎(chǔ)。本文以at89c51單片機(jī)為核心，做為控制器件，溫度信號通過數(shù)字式溫度傳感器ds18b20采集后直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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

36、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)控制傳感器的自動化溫度監(jiān)控系統(tǒng)。目前，測溫控溫系統(tǒng)快速發(fā)展，國外的測量控制系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟，產(chǎn)品也較多。近兩年，國內(nèi)也出現(xiàn)了高精度的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但對于用戶來說，價(jià)格還是偏高。由于競爭的越來越激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢是如何提高生產(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)過程的首先要考慮的問題，因此像本設(shè)計(jì)這種控制簡單、精度較高、價(jià)格比較低廉的控制系統(tǒng)將會有很好的發(fā)展前景，因此學(xué)好單片機(jī)技術(shù)以及自動自動控制理論是相當(dāng)重要的。通過本次的設(shè)計(jì)，我深深的體會到畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個從學(xué)習(xí)到工作的一個臺階。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