基于單片機的PID溫度控制系統(tǒng)

1、畢業(yè)設計題目：基于單片機的溫度控制系統(tǒng)2011年6月基于單片機的溫度控制系統(tǒng)設計摘要近年來隨著計算機在社會領(lǐng)域的滲透，單片機的應用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月益更新。在實時檢測和自動控制的單片機應用系統(tǒng)時，經(jīng)常作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。本文從硬件和軟件兩方面來講述水溫的自動控制過程，在控制過程中主要應用AT89C51、DS18B20、MAX232等，而主要是通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機為核心控制部件。軟件方面采用匯編語言來進行程序設計，這樣可以使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存

2、儲空間。為了便于擴展和更改，軟件設計采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設計的邏輯關(guān)系更加的簡潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運作。而系統(tǒng)的過程則是：首先，設定恒溫運行時的溫度值。然后，在運行過程中將采樣的溫度數(shù)字量送入單片機，最后用單片機來控制加熱器，進行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。關(guān)鍵詞：單片機系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集模數(shù)轉(zhuǎn)換器溫度AbstractIn recent years,with the computer penetration in the social field,the application of SCM is to keep at the same time,traditi

3、onal control testing update on Crescent benefits.Inreal-time detection and automatic control system of single-chip applications,often as a single-chip core component to use only single-chip is not enough knowledge,but also the specific hardware structure and the specific features of application soft

4、ware objects combine to make perfect.In this paper,both hardware and software for automatic control of water temperature on the process,in the control of the main application of the process of AT89C51, DS18B20,MAX232 and so on,but mainly through the digital temperature sensor DS18B20 collecting ambi

5、ent temperature to single-chip microcomputer as the core control components. Software using assembly language for programming, so that the implementation of Directive speedto save storage space.To facilitate the expansion and change, software design using modular structure, make the program design l

6、ogical relationship more succinctly, make the hardware in the software under the control of the coordination of operations.And systematic process is: First of all, set the thermostat temperature at the time of operation.Then,in the running temperature of the process of sampling digital into thesingl

7、e-chip microcomputer, the last single-chip microcomputer to control the heater used for heating or stop heating until the temperature in the provisions under the constant temperature heating.Keywords：Single-chipmicrocomputersystem; Sensor;Data Acquisition;ADC; Temperature目錄摘要IAbstractII第一章 緒論11.1 文獻

8、綜述1課題的背景及其意義11.1.2 單片機溫度控制系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀21.1.3 展望21.2 課題的主要內(nèi)容31.3 課題的研究方案4第二章 設計理論基礎6單片機的發(fā)展概況62.2 AT89C51系列單片機介紹72.2.1 AT89C51系列基本組成及特性72.2.2 AT89C51系列引腳功能82.2.3 AT89C51系列單片機的功能單元102.3 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20132.3.1 DS18B20簡介132.3.2 DS18B20的引腳圖及引腳說明152.3.3 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)162.3.4 DS18B20的工作原理162.4 RS-232總線接口芯片 MAX232

9、172.4.1 RS-232接口172.4.2 MAX232簡介192.4.3 MAX232的管腳圖及管教說明192.4.4 MAX232的內(nèi)部功能框圖21第三章 硬件電路設計23硬件系統(tǒng)功能模塊設計23硬件系統(tǒng)電路連接設計253.2.1 溫度檢測電路253.2.2 繼電器控溫電路263.2.3 串口通信接口電路263.2.4 外部電路27第四章 PID控制算法284.1 PID控制的發(fā)展284.2 PID控制理論284.3 PID控制算法29第五章 軟件設計335.1 軟件設計綜述335.2 軟件流程圖335.2.1 主程序流程圖335.2.2 DS18B20實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)值讀取流程圖

10、345.2.3 顯示流程圖35結(jié)語36參考文獻37致謝38附錄 溫度控制系統(tǒng)源程序39第一章緒論文獻綜述在工業(yè)生產(chǎn)過程中為了高效地進行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度，壓力，流量，速度等進行有效的控制。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占據(jù)了相當大的比例1。2課題的背景及其意義二十一世紀是科學技術(shù)高速發(fā)展的信息時代，電子技術(shù)、微型單片機技術(shù)的應用更是空前廣泛，伴隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對各種參數(shù)進行溫度測量。溫度一詞在生產(chǎn)生活中所出現(xiàn)的頻率日益增多，與之相對應的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。如在日趨發(fā)達的工業(yè)生產(chǎn)中，利用測

11、量與控制溫度來保證生產(chǎn)的正常運行；在農(nóng)業(yè)中，用于保證蔬菜大棚的恒溫保產(chǎn)等。溫度是表征物體冷熱程度的物理量，溫度測量則是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中一個十分重要且普遍的參數(shù)。溫度的測量及其控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中占據(jù)了首位。而且隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來用于滿足生產(chǎn)生活中的需要。單片機溫度測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度測量是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。因此，單片機溫度測量則是對溫度進行有效的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中可以得到廣

12、泛的應用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中擔負著重要的測量任務。在日常生活中，也能廣泛實用于地熱、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測量及工業(yè)設備溫度測量場合。但溫度是一個模擬量，如果采用相適當?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但卻成本較高，電路復雜。31.1.2單片機溫度控制系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀（1）國外溫度測控系統(tǒng)研究國外對于溫度控制技術(shù)研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前正在開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫度測控技術(shù)都發(fā)展

13、很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。4（2）國內(nèi)溫度測控系統(tǒng)研究我國對于溫度測控技術(shù)的研究則較晚，始于20世紀80年代。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達國家溫度測控技術(shù)的基礎上，才掌握了溫度室內(nèi)微機控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對溫度的單項環(huán)境因子的控制。我國的溫度測控設施計算機應用，在總體上正從消化吸收、簡單應用階段向?qū)嵱没?、綜合性應用階段過渡和發(fā)展。在技術(shù)上，以單片機控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合控制系統(tǒng)，與發(fā)達國家相比，存在較大差距。我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠遠沒有達到工廠化的程度，生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化

14、程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。51.1.3展望單片機為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從導彈的導航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。以前沒有單片機時，這些東西也可以做，但是必須使用復雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長期使用，元器件不斷老化，控制的精度自然也會達不到標準。在單片機產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑?，我們只需要在單片機外圍接一點簡單的接口電路，核心部分只是由人為的寫

15、入程序來完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長期使用也不會擔心精度達不到了的問題了。據(jù)統(tǒng)計，我國的單片機年容量已經(jīng)達到了3億片，且每年以大約20%的速度增長，但相對于世界市場我國的占有率還不到1%。特別是沿海地區(qū)的玩具廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用到單片機，并不斷的向內(nèi)地輻射。所以，學習單片機在我國是有著十分廣闊的前景。目前，測溫控溫系統(tǒng)得到快速的發(fā)展，國外的測量控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也較多。近兩年，國內(nèi)也出現(xiàn)了許多高精度的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但相對于用戶來說，價格還是偏高。而由于競爭越來越激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢是如何最有效的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。尋求性能可靠、價格低廉，且應用廣泛的元器件是生

16、產(chǎn)過程中需首先要考慮的問題，因此像本設計這種控制簡單、精度較高、價格低廉的控制系統(tǒng)會有很好的發(fā)展前景，所以學好單片機技術(shù)也十分重要。通過本次的設計，讓我感覺到單片機的應用會越來越廣泛，而且，在醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展中，單片機也會越來越重要。以后的醫(yī)療服務會急速的向現(xiàn)代化，智能化等方向發(fā)展，從而增加了安全性，減少了操作的繁瑣性。學習并使用單片機為核心進行設計，將會為我們電子工作者打開一扇通往電子設計新出路的大門。1.2課題的主要內(nèi)容本課題以水為測量對象，溫度測量電路接收傳感器的信號，并將模擬信號通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機系統(tǒng)，與預設的溫度對比，通過一定的控制算法，控制繼電器的通斷，從而控

17、制加熱器的工作，使得水溫維持在設定的溫度。溫度控制算法精確控制溫度加熱，以溫度最小為優(yōu)化目標。溫度是工業(yè)控制對象的主要的被控參數(shù)之一，如冶金，機械，食品，化工各類工業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐，熱處理爐，反應爐等。在過去多是采用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器對溫度進行控制，本課題采用了單片微型機對溫度實現(xiàn)自動控制。6使用單片機對其進行溫度自動控制，難度就在于測量溫度和單片機輸出的溫度誤差是不是太大，導致無法輸出，利用ATMEL單片機核心程序?qū)ζ溥M行編碼，實現(xiàn)溫度在一段范圍內(nèi)的變化，實驗成功控制語言的代碼，并進行燒片，燒片成功后，運行實驗，若能看到實驗的結(jié)果，則實驗完成。1.3課題的研究方案溫度控制系統(tǒng)是一種比較

18、常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術(shù)在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行PID調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認為它具有以下的傳遞函數(shù)形式：（1.1）方案一（如圖1-1）：信號采集信號放大固態(tài)繼電器信號放大負載溫度預置比較器圖1-1方案一框圖此方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設定值，反饋的溫度值和設定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所

19、得到的結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響較大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設定。方案二（如圖1-2）：信號采集溫度預設固態(tài)繼電器信號處理信號放大上線比較下線比較負載圖1-2方案二框圖此方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進行設定。方案三（如圖1-3）：AT89C51單片機數(shù)據(jù)采集輸入電源溫度控制算法控制圖1-3方案三框圖此方案采用89C51單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編

20、程靈活、自由度大，可用軟件編程來實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機系統(tǒng)可以使用數(shù)碼管來顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值。本方案選用了AT89C51芯片，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單。前兩種方案采用的是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。而方案三則是采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。這也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。所以，經(jīng)過對三種方案的對比，本次畢業(yè)設計采用了方案三。第二章設計理論基礎單片機的發(fā)展概況1970年微型計算機研制成

21、功之后，隨之便出現(xiàn)了單片機（即單片微型計算機） 美國Intel公司1971年生產(chǎn)的4位單片機4004和1972年生產(chǎn)的雛形8位單片機8008，這也可以算是單片機的第一次公眾亮相。1976年Intel公司首先推出了可以稱為單片機的MCS-48系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了非常廣泛的應用，同時一些與單片機有關(guān)的其他公司都爭相推出各自的單片機。1978年下半年Motorola公司推出M6800系列單片機，Zilog公司相繼推出Z8單片機系列。1980年Intel公司在MCS-48系列的基礎之上又推出高性能的MCS-51系列單片機。這類單片機均帶有串行I/O口，定時器/計

22、數(shù)器為16位，片內(nèi)存儲容量（RAM，ROM）都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應用的主流產(chǎn)品。1982年Mostek公司和Intel公司又先后推出了更高性能的16位單片機MK68200和MCS-96系列，NS公司和NEC公司也分別在原有8位單片機的基礎上推出了16位單片機HPC16040和PD783××系列。1987年Intel公司又宣布了比8096性能高兩倍的CMOS型80C196單片機，1988年推出帶EPROM的87C196單片機。由于16位單片機推出的時間比較遲、價格昂貴、開發(fā)設備有限等多種原因，至今還不能得

23、到廣泛應用。而8位單片機已經(jīng)可以滿足大部分應用的需要，因此，在推出16位單片機的同時，高性能的新型8位單片機也不斷問世?？v觀這短短的20年，已經(jīng)經(jīng)歷了4次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強I/O功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的80C51系列單片機除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了非常完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴展和配置打下了良好的基礎。由于80C51系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用是指日可待的7。下面我們就來重點

24、介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的AT89C51系列單片機。AT89C51系列單片機介紹2.2.1 AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。而在眾多的51系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機

25、對開發(fā)設備的要求非常低，開發(fā)時間也能大大縮短。AT89C51基本功能描述如下：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)的在線可重復編程快擦快寫程序存儲器，能重復寫入/擦除1000次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒有的功能。AT89C51可以構(gòu)成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4k，四個I/O口就會全部提供給用戶?？刹捎?V的電壓來編程，而且寫入時間僅10毫秒，僅為8751/

26、87C51的擦除時間的百分之一，與8751/87C51的12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。AT89C51 芯片有三級程序存儲器鎖定加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。另外，AT89C51還同時具有MCS-51系列單片機的所有優(yōu)點。128×8位內(nèi)部RAM，32位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時器/計時器，5個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級，一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。AT89C51具有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的，當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時，CPU可根據(jù)工作情況適時地進入

27、睡眠狀態(tài)，內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)會被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是指VCC電壓低于電源下限，當振蕩器停止振動時，CPU停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值會保持不變，一直到掉電模式被終止。只有在VCC電壓恢復到正常工作范圍內(nèi)并且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式才可被終止。2.2.2 AT89C51系列引腳功能AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其結(jié)構(gòu)與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖2-1。圖2-1 AT89C51邏輯引腳圖各引腳功能敘述如下：電源和晶振 VCC運行和程序校驗時加+5V G

28、ND接地 XTAL1輸入到振蕩器的反向放大器 XTAL2反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器 （當使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號）1RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，需要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。2I/O（4個口，32根） P0口8位、漏極開路的雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。P0口（作為總線時）能驅(qū)動8個LSTTL負載。 P1口8位、準雙向I/O口。在編程/校驗的時候，用于輸入低位字節(jié)地址。P1口可驅(qū)動4個

29、LSTTL負載。對于80C51，P1.0T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入；P1.1T2EX，是定時器的外部輸入端。這時候，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應由程序置1。P2口8位、準雙向I/O口。當使用片外存儲器（ROM及RAM）時，輸出高8位地址。在編程/校驗的時候，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動4個LSTTL負載。P3口8位、準雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口可以提供各種替代功能。在提供這些功能的時候，其輸出鎖存器應由程序置1。P3口可以輸入/輸出4個LSTTL負載。3串行口 P3.0RXD（串行輸入口），輸入。 P3.1TXD（串行輸出口），輸出。4中斷 

30、;P3.2INT0外部中斷0，輸入。 P3.3INT1外部中斷1，輸入。5定時器/計數(shù)器 P3.4T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。 P3.5T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入。6數(shù)據(jù)存儲器選通 P3.6WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。 P3.7RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。7控制線(共4根) 輸入： EA/VPP片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上需要施加21V的編程電壓。注意：在加密方式為1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程

31、期間，此引腳也可以用于施加12V編程電源（VPP）。 輸入、輸出：ALE/PROG地址鎖存允許信號，輸出。在ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出時，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在EPROM編程的時候，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。ALE可以驅(qū)動8個LSTTL負載。當訪問外部存儲器的時候，地址鎖存所允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程的時候，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時的時候，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。注意：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器的時候，將跳過一個ALE脈沖。如果想要禁止A

32、LE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX指令，而MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳會被略微的拉高。如果微處理器處于外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。輸出：PSEN片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址的時候，在每個機器周期中，當PSEN有效的時候，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。PSEN可以驅(qū)動8個LSTTL負載。2.2.3 AT89C51系列單片機的功能單元1并行I/O接口：單片機芯片內(nèi)具有一項主要功能就是并行I/O口。51單片機系列共有4個8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動

33、器和輸入緩沖器。實際上，它們已經(jīng)被歸為專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴展存儲器的時候，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時傳送，高八位地址由P2口傳送。2定時器/計數(shù)器：定時器/計數(shù)器（timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕CPU的負擔和簡化外圍電路都大有好處。C51單片機系列包含有兩個16位的可編程定時器/計數(shù)器分別稱為定時器/計數(shù)器T0和定時器/計數(shù)器T1；在C51部分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的8位定時器。定時器/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)引腳上施加器，其基本的功能是加1功能。在單片機的定時器T0或T1中，有一個定時

34、器在發(fā)生由0到1的跳變時，計數(shù)器增1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進行計數(shù)，從而得到定時，這就是定時功能。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設定和控制都是需要通過軟件來進行的。定時器/計數(shù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時器0、定時器1、定時器方式寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON組成。當定時器/計數(shù)器設置為定時工作方式時，計數(shù)器會對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計滿溢出。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因為C51系列單片機的一個機器周期由12個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計數(shù)周期為：（2.

35、1）這是最短的定時周期，適當選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。當定時器/計數(shù)器設置為計數(shù)工作方式時，計數(shù)器對來自輸入引腳T0（P3.4）和T1（P3.5）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。在每個機器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器的周期采樣值為1，后一個機器的周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生從1到0的負跳變后，于下一個機器周期的S3P1期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢測一個由1到0的負跳變需要兩個機器周期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的1/24。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有什么特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在

36、一個機器周期以上。3振蕩器：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可被配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可以采用。如果采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應不接。當輸入至內(nèi)部時鐘信號時需要通過一個二分頻觸發(fā)器，而對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。4芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可以通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片被擦除操作中，代碼陣列全被“1”并且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以使其在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟

37、件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。5中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分之一。實時控制、故障自動處理、單片機與外圍設備之間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大的提高了系統(tǒng)的效率。C51系統(tǒng)有關(guān)于中斷的寄存器有4個，分別為中斷源寄存器TCON和SCON、中斷允許控制寄存器IE和中斷優(yōu)先級控制寄存器IP；中斷源有5個，分別為外部中斷0請求INT0、外部中斷1請求INT1、定時器0溢出中斷請求TF0、定時器1溢出中斷請求TF1和串行中斷請求

38、R1或T1。5個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個中斷源分別對應5個固定的中斷入口地址。中斷的主要特點是分時操作，實時處理和故障處理8。簡單介紹一下本次設計所需的單片機芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。 （1）外部中斷源AT89C51具有INT0和INT1兩條外部中斷請求輸入線，用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號，并允許外部中斷源以低電平或負邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請求信號。AT89C51究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式，可由用戶對定時器控制寄存器TCON中IT0和IT1位狀態(tài)的設定來選取。AT89C51在每個機器周期的S5P2

39、時對INT0、線上中斷請求信號進行一次檢測，檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。若設定AT89C51為電平觸發(fā)方式（IT0=0或IT1=0），則CPU檢測到INT0、INT1上低電平時就可認定其上中斷請求有效；若設定為邊沿觸發(fā)方式（IT0=1或IT1=1），則CPU需要兩次檢測INT0、INT1線上電平方能確定其上中斷請求是否有效，即前一次檢測為高電平和后一次檢測為低電平時中斷請求才有效。 （2）定時器溢出中斷源定時器溢出中斷是由AT89C51內(nèi)部定時器分的中斷源產(chǎn)生，故它們屬于內(nèi)部中斷。AT89C51內(nèi)部具有兩個16位定時器/計數(shù)器，受內(nèi)部定時脈沖（主脈沖經(jīng)12分頻后）或T0/T1引

40、腳上輸入的外部定時脈沖計數(shù)。定時器T0/T1在定時脈沖的作用下從全“1”變成全“0”的時候可以自動向CPU提出溢出中斷請求，以表明定時器T0或T1的定時時間已到。 （3）串行口中斷源串行口中斷是由AT89C51內(nèi)部串行口的中斷源產(chǎn)生，也是一種內(nèi)部中斷。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種中端。在串行口進行發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的時候，每當串行口發(fā)送/接收完一組串行數(shù)據(jù)時串行口電路自動使串行口控制寄存器SCON中的RI或TI中斷標志位置位，并自動向CPU發(fā)出串行口中斷請求，CPU響應串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務程序執(zhí)行。因此，只需要在串行口中斷服務程序中安排一段對SCON中

41、RI和TI中斷標志位狀態(tài)的判斷程序，便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。 （4）中斷標志AT89C51在S5P2時檢測（或接收）外部（內(nèi)部）中斷源發(fā)來的中斷請求信號后先使相應中斷標志位置位，然后便在下個機器周期檢測這些中斷標志位狀態(tài)，以決定是否響應該中斷。92.3數(shù)字溫度傳感器DS18B202.3.1 DS18B20簡介DS18B20是DALLAS公司所生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強易配處理器等優(yōu)點，特別適合用于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號（按9位二進制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯

42、片。它具有獨特的單總線接口方式，僅需使用1個端口就能實現(xiàn)與單片機的雙向通訊。采用數(shù)字信號輸出提高了信號抗干擾能力和溫度測量精度。它的工作電壓使用范圍寬3.05.5 V，可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源方式，即當總線DQ為高電平時，竊取信號能量給DS18B20供電。它還有負壓特性，電源極性接反時，DS18B20不會因接錯線而燒毀，但不能正常工作。可以通過編程而實現(xiàn)912位的溫度轉(zhuǎn)換精度設置。設定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長，在實際應用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。DS18B20采用的是3腳TO-92封裝，形如三極管，同時也有8腳SOIC封裝，還有6腳的TSOC封裝。測溫

43、范圍為-55+125，在-1085范圍內(nèi)，精度為±0.5。每一個DS18B20芯片的ROM中都存放了一個64位ID號：前8位是產(chǎn)品類型編號，隨后48位是該器件的自身序號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼。又因其可以采用寄生電源方式供電。因此，一條總線上免可以同時掛接多個DS18B20，實現(xiàn)多點測溫系統(tǒng)。另外用戶還可根據(jù)實際情況設定非易失性溫度報警上下限值TH和TL。DS18B20所檢測到的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，自動存入存儲器中，并與設定值TH或TL進行比較，當測量溫度超出給定范圍時，就輸出報警信號，并自動識別是高溫超限還是低溫超限。圖2-2溫度芯片DS18B20主要特性：(1)D

44、S18S20的適應電壓范圍更寬，其范圍為：，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。(2)DS18S20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警功能。(3)DS18S20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，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)換電路集成在形狀如一只三極管的集成電路內(nèi)。(4)DS18S20具有-55至+125的工作溫度范圍，在-10至+85溫度范圍內(nèi)精度為±0.5。(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-

45、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。(6)DS18S20的測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時還可以傳送給CRC校驗碼，它具有極強的抗干擾糾錯的能力。(7)DS18S20具有負載特性，當電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但是不能正常的工作。2.3.2 DS18B20的引腳圖及引腳說明TO-92封裝的DS18B20的引腳排列見下圖，其引腳功能描述見下：圖2-3 DS18B20的引腳圖引腳說明：TO-92封裝符號說明1GND接地2DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。對于單線操作：漏極開路。當工作在寄生電源模式時用來提供

46、電源。3VDD可選的VDD引腳。工作在寄生電源模式時VDD必須接地。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DQVDD圖2-4 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20內(nèi)部功能模塊主要由4部分組成：64位光刻R0M、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。R0M中的64位序列號是出廠前被光所刻好的，它可以看作是該DSISB20的地址序列碼，每個DSI8B20的64位序列號均不相同。高低溫報警觸發(fā)器TH 和TL，配置寄存器均由一個字節(jié)的E2PROM組成，使用一個存儲器功能命令可對 TH，TL或配置寄存器寫入。配置寄存器中R1，R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)：R1、R000，9位精度，最大轉(zhuǎn)換時間

47、為93.75 ms；R1、R0 =01，10位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為187.5 ms；R1、R0=10，11位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為375 ms；R1、R0 =11，12位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為750 ms；未編程時默認為12位精度。本系統(tǒng)所采用的也是12位的精度。2.3.4DS18B20的工作原理DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的

48、信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在-55所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(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償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。10斜率累加器計數(shù)器1=0比較預置溫度寄存器計數(shù)器2=0預置溫度寄存器溫度寄存器停止加1LSB置位/清除圖2-5 DS18B20的工作原理圖2.4 RS-2

49、32總線接口芯片MAX232 RS-232接口RS-232接口是個人計算機上的通訊接口之一，是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通訊設備（DCE）之間串行二進制數(shù)據(jù)交換接口技術(shù)標準”。該標準規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。隨著設備的不斷改進，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口。通常 RS-232 接口是以9個引腳（DB-9）或是25個引腳（DB-25）的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機上會有兩組 RS-232 接口

50、，分別稱為COM1和COM2?，F(xiàn)在通常都把RS-232接口叫做DB9，所以，在本設計中我們采用的是DB9。圖2-6 RS-232接口接口定義：l DCD 載波檢測l RXD 接收數(shù)據(jù)l TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)l DTR 數(shù)據(jù)終端準備好l SG 信號地l DSR 數(shù)據(jù)準備好l RTS 請求發(fā)送l CTS 允許發(fā)送l RI 振鈴提示接口電平：RS-232采用負邏輯電平：l -15-3：邏輯1l +15+3：邏輯0l 電壓值通常在7V左右2.4.2 MAX232簡介MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用+5V單電源供電。該器件包含2驅(qū)動器、2接收器和一個電

51、壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。該器件符合TIA/EIA-232-F標準，每一個接收器將TIA/EIA-232-F 電平轉(zhuǎn)換成5-V TTL/CMOS電平。每一個發(fā)送器將TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成TIA/EIA-232-F電平。主要性能：l 單5V 電源工作l 先進的CMOS制造工藝制造l 兩個驅(qū)動器及兩個接收器l ±30V輸入電平l 低電源電流：典型值是8mAl 符合甚至優(yōu)于ANSI 標準EIA/TIA-232-E 及ITU 推薦標準l 雙列直插式封裝2.4.3 MAX232的管腳圖及管教說明管腳定義：管腳序號名稱功能1C1+電容倍增充電泵電容正端2C1-電容倍增充

52、電泵電容負端3C2+反向充電泵電容正端4C2-反向充電泵電容負端5V+充電產(chǎn)生的6V-充電產(chǎn)生的7R1INRS-232發(fā)送器輸入18R2INRS-232發(fā)送器輸入29T1OUTRS-232發(fā)送器輸出110T2OUTRS-232發(fā)送器輸出211T11INTTL發(fā)送器輸入112T21INTTL發(fā)送器輸入213R1OUTTTL接收器輸出114R2OUTTTL接收器輸出215VCC電源16GND接地圖2-7 MAX232管腳圖2.4.4 MAX232的內(nèi)部功能框圖圖2-8 MAX232的內(nèi)部功能框圖MAX232主要由三部分組成：電荷泵電路：由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和

53、-12V兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道：由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。11供電：15腳GND、16腳VCC（+5V）。主要特點：

54、l 符合所有的RS-232C技術(shù)標準l 只需要單一 +5V電源供電l 片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓V+、V-l 功耗低，典型供電電流5mAl 內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器l 內(nèi)部集成兩個RS-232C接收器l 高集成度，片外最低只需4個電容即可工作第三章硬件電路設計硬件系統(tǒng)功能模塊設計數(shù)字溫度傳感器DS18B20從設備不同的位置采集溫度，并將數(shù)字信號送入AT89C51單片機系統(tǒng)，單片機獲取采集的溫度值，經(jīng)過處理后得到當前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當前設定的溫度上下限值，再通過PID控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設

55、定的溫度。當采集的溫度經(jīng)處理后沒有達到設定的溫度值時，單片機控制繼電器開啟升溫設備（加熱器）12。AT89C51CPU數(shù)字溫度傳感器DS18B20啟動開關(guān)輸入電源繼電器1繼電器2加熱器加熱器RS-232總線接口芯片MXA232PC圖3-1單片機工作原理圖圖3-2 單片機電路圖硬件系統(tǒng)電路連接設計溫度檢測電路溫度檢測用DS18B20溫度傳感器，DS18B20是Dallas公司推出的單線數(shù)字式測溫芯片，它能在現(xiàn)場采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將數(shù)字信號送入AT89C51單片機系統(tǒng)。圖3-3溫度檢測電路圖繼電器控溫電路當DS18B20采集到溫度后，會將溫度值傳送到單片機。單片機獲取采

56、集的溫度值，經(jīng)過處理后得到當前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，根據(jù)當前設定的溫度上下限值，再通過PID控制算法控制繼電器的通斷，從而控制加熱器的工作，使得水溫維持在設定的溫度。13圖3-4繼電器控溫電路圖串口通信接口電路PC機的串口是RS-232電平的，而單片機是TTL電平的，當要把單片機連接到PC機上時，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我采用的是RS-232的專用接口芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換。圖3-5串口通信接口電路圖3.2.4外部電路啟動、復位電路用于系統(tǒng)的開始和重置。圖3-6外部電路圖第四章 PID控制算法PID控制的發(fā)展PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，現(xiàn)今使用的PID控制器產(chǎn)生并發(fā)

57、展于1915-1940年期間。盡管自1940年以來，許多先進的控制方法不斷推出，但由于PID控制方法具有結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高、參數(shù)易于整定，P、I、D控制規(guī)律各自成獨立環(huán)節(jié)，可根據(jù)工業(yè)過程進行組合，而且其應用時期較長，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗。因此，PID控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，有90%以上的工業(yè)控制器采用PID控制器。PID控制器的發(fā)展經(jīng)歷了液動式、氣動式、電動式幾個階段，目前正由模擬控制器向著數(shù)字化、智能化控制器的方向發(fā)展。14 PID控制理論PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值廠r(t)與實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)：（4.1）將偏差的比例（Pro