基于AVR單片機的爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計樣本

基于AVR單片機爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計總闡明：溫度是工業(yè)對象中重要被控參數(shù)之一，象冶金、機械、食品、化工各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱解決爐、反映爐等，對工件解決溫度規(guī)定嚴格控制。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)迅速發(fā)展，微機測量和控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展和廣泛應用，溫度控制手段也越來越優(yōu)越，單片機因具備解決能力強、運營速度快、功耗低等長處，特別在溫度測量與控制方面，控制簡樸以便，測量范疇廣，精度較高，得到了廣泛應用。該系統(tǒng)設(shè)計了以AVR單片機為控制核心爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。選取DS18B20作為溫度傳感器，實時監(jiān)測低溫電阻爐溫度；基于交流觸發(fā)器和晶閘管觸發(fā)電路混合控制，達到迅速精確調(diào)節(jié)溫度。設(shè)計了硬件原理圖，并詳細闡述了各個硬件構(gòu)成某些工作原理，以及各某些所使用元器件。將其應用于電加熱爐溫度控制系統(tǒng)智能控制系統(tǒng)，滿足了溫度控制穩(wěn)定性規(guī)定，減少了操作人員勞動量和帶來人為誤差，提高了產(chǎn)品熱解決質(zhì)量。本基于AVR單片機爐溫監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案涉及：一、溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計；二、系統(tǒng)軟件設(shè)計；三、PID控制器設(shè)計。一方面是溫度傳感器選取。當前慣用測溫傳感器分模仿和數(shù)字兩種方式：模仿方式如熱敏元件或熱電阻等；數(shù)字方式多采用智能芯片DS18B20。模仿方式有諸多小足。相比之下數(shù)字式比模仿式有更大優(yōu)勢。新代數(shù)字溫度傳感器DS18B20其長處是：電壓合用范疇寬；單線接口數(shù)據(jù)傳播方式；支持組網(wǎng)實現(xiàn)多點測溫；測溫范疇寬、精度高、體積小、外圍電路簡樸等。本系統(tǒng)選取溫度傳感器就是DS18B20，系統(tǒng)開始工作時，DS18B20采集溫度信號并將信號送到單片機中，再將相應溫度送顯示并保存數(shù)據(jù)信息，同步單片機會依照初始化所設(shè)立溫度進行比較，將其差值送PID控制器，解決后輸出一定數(shù)值控制量，依照控制量，控制晶閘管主回路導通時間來調(diào)節(jié)輸入功率，從而控制電阻絲發(fā)熱量，達到控制溫度目。另一方面，是外圍硬件電路設(shè)計，外圍硬件電路涉及溫度檢測、晶閘管觸發(fā)電路、鍵盤及LCD顯示電路、晶振電路，復位電路、報警電路等。本次設(shè)計選取AVR單片機型號為ATmega8，ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)基于AVRRISC構(gòu)造8位單片機。依照單片機I/O口設(shè)計硬件電路，合理分派I/O接口，電路設(shè)計簡潔、直觀，成本低廉，溫度測量精確。第三，系統(tǒng)軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件是依照系統(tǒng)功能規(guī)定來設(shè)計。軟件按功能可分為兩類，一類是執(zhí)行軟件，它能完畢各種實際性功能，如溫度測量、計算、顯示、輸出控制等；另一類是監(jiān)控軟件，它是專門、用來協(xié)調(diào)各種執(zhí)行模塊和操作者關(guān)系，充當組織調(diào)度角色。第四，PID控制器設(shè)計。一種控制系統(tǒng)涉及控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鬏敵鐾ㄟ^輸出接口、執(zhí)行機構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)被控量，通過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。在工程實際中，應用最為廣泛調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其構(gòu)造簡樸、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)以便而成為工業(yè)控制重要技術(shù)之一。PID控制是由P，I，D三個環(huán)節(jié)不同組合而成。其基本構(gòu)成原理比較簡樸，參數(shù)物理意義也比較明確。本次設(shè)計是以溫度為被控制量閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢測模塊作為閉環(huán)反饋實時檢測溫度，通過放大解決后將信號傳送給單片機，通過解決后，一方面送與系統(tǒng)溫度設(shè)定值相比較，通過PID算法控制溫度達到所需值，以達到更精確溫度控制。核心詞：AVR單片機；DS18B20；PID控制；溫度檢測與控TheFurnaceTemperatureMonitoringSystemofAVRSCMGeneralintroduction:Temperatureisoneofthemaincontrolledparametersinindustrialobjects.Allkindsofheatingfurnace，heattreatmentfurnaceandradiatorsarewidelyusedintheindustrylikesmetallurgy，machinery，foodandchemicalindustry，etc.It’sstrictlycontrolledintherequirementsofprocessingtemperature.Asthedevelopmentofelectronictechnologyandcomputertechnology，computermeasurementaswellasthecontroltechnologyobtainsarapiddevelopmentandwidespreadapplication.Morever，themeansoftemperaturecontrolgetsmoreandmoresuperior.SCMgetsawiderangeofapplicationsfortheadvantagesofstronghandlingability，fastrunningspeed，lowpowerconsumption.Apartfromthis，thesimpleandconvenientcontrolling，rangemeasuringandhighaccuracyintemperaturemeasurementandcontrolmakesitmoreandmorepopular.UsingAVRSCMasthecore，thearticledesignsafurnacetemperaturemonitoringsystem.ItchoosesDS18B20asthetemperaturesensortomonitorthelowtemperatureresistancefurnacetemperature.Basedonthemixcontrolofcommunicationtriggerandgrainbrakecanaltriggercircuit，itachievesthepurposeoffastandaccuratetemperatureadjustment.Thearticledesignsahardwareprinciplediagramtoillustratetheworkingprincipleofallpartsofthehardwareandeachbranchofthecomponents.Applyingintotheintelligentelectricheatingtemperaturecontrolsystem，itmeetstherequirementsofthetemperaturecontrolstability，reducestheamountsofoperatorsandhumanerror，improvestheproductqualityofheattreatment，eic.TheoveralldesignofAVRSCMFurnacetemperaturemonitoringsystemincludesthefollowingthreeparts：thehardwarecircuitdesignofthetemperaturemonitoringsystem，thedesignofthesystemsoftwareaswellasthedesignofPIDcontroller.First,thechoiceoftemperaturesensor.Innowadays，thecommontemperaturesensorhastwoways，oneisanalogandtheotherisdigital.Forexample，theemperaturesensingelementsandheatresistancebelongtotheanalogway，andthedigitaloneismainlyusingintelligentchipDS18B20.Comparedtotheanalogway，digitalwayhasmuchmoreadvantages，likestheWideapplicationscopeofvoltage，Oneinterfacedatatransmission，Multi-point，widerage，highprecision，smallvolumeandsimpleperipheralcircuittemperaturemeasurement，etc.ThetemperaturesensorchosenbythesystemisDS18B20.Aftertheoperatingofthesystem，DSI8B20collectesthetemperaturesignalandsendsittothechip，afterthat，itdisplaysthecorrespondingtemperatureandstoresthedata.Atthesametime，SCMwillcomparetherealtemperaturewiththeinitialsetoneandsendthedifferencetothePIDcontrollertogetaoutputofacertainamountofcontrolvolume.Andaccordingtothecontrolvolume，itcontrolsthethyristorcircuitconductiontimetoadjusttheinputpowerandcontrolsthecalorificvalueoftheresistancewire，aimstocontrolthetemperature.Second，thedesignofperipheralhardwarecircuit.PeripheralhardwarecircuitincludesTemperaturedetection，Thyristortriggercircuit，KeyboardandLCDdisplaycircuit，Crystalscircuit，Resetcircuit，Alarmcircuit，etc.ThetypeofAVRSCMwechooseisATmega8.ATmega8isan-eight-SCMbasedonAVRRISCstructure，producedbyalowpowerconsumptionCMOS.AccordingtotheI/OmouthSCM，wedesignthehardwarecircuitanddistributeI/Ointerfaceresonably.Thedesignissimple，intuitive，lowcostandaccuracytemperaturemeasurement.Third，thedesignofSystemsoftware.Thedesignsofsystemsoftwaremeetstherequirementsofsystemfunction.Thesoftwarecanbedividedintotwocategoriesbasedonthesystemfunction.OneisImplementsoftwarewhichcanperformavarietyofpracticalfunction，suchastemperaturemeasurement，calculation，display，outputcontrol，etc.TheotheroneisMonitoringsoftwarewhichisdedicatedtocoordinatethevariousexecutivemoduleandtheoperator，playingaroleasacoordinater.Four，thedesignofPIDcontroller.Acontrolsystemincludesthecontroller，sensors，transmitter，actuatorsandinput/outputinterface.Theoutputofthecontrollergoesthroughtheoutputinterfaceandactuatorsandaddedtothecontrolledsystem.Thequantityaccusedofthecontrolsystemgoesbythesensor，transmitterandsenttothecontrollerthroughtheinputinterface.Intheengineeringpractice，themostwidelyusedregulatorcontrollawsareScale，IntegralandDifferentialcontrol，PIDcontrolforshort.Withthehistoryofnearlyseventyyears，PIDcontrollerbecomesoneofthemaintechnologsinindustrialcontrolforthesimplestructure，goodstability，convenientadjustmentandreliableworking.PIDcontrolisacombinationofP，I，D.ThebasicprincipleofPIDcontrolisrathersimpleanditsparametersofthephysicalmeaningisratherclear.Thisdesignisaclosedloopcontrolsystemtodetectthefeedbackreal-timetemperatureofthemodule.Aftertheamplificationprocessing，itsendsthesignaltoSCM.ComparingwiththeinitialsettemperatureandcaculatingthenecessaryvaluesofbyPIDalgorithmtoreachtheaimofabetteraccuracytempraturecontrol.Keywords：AVRSingle-chipMicrocomputer;DS18B20;PIDControl;TemperatureDetectionandControl目錄設(shè)計總闡明 IGeneralintroduction III1.緒論 11.1國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展概況 11.1.1國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展狀況 11.1.2國內(nèi)溫度控制系統(tǒng)發(fā)展概況 21.2溫度控制研究意義 21.3本論文內(nèi)容和重要工作 32.系統(tǒng)總體設(shè)計 42.1電阻爐數(shù)學模型及爐溫控制曲線 42.2系統(tǒng)控制工藝規(guī)定 42.3系統(tǒng)構(gòu)成和基本原理 52.3.1系統(tǒng)構(gòu)成 52.3.2系統(tǒng)基本原理 53.硬件設(shè)計 73.1主機電路 73.1.1ATmega8簡樸概述 73.1.2ATmega8重要特性 83.1.3ATmega8管腳闡明 103.1.4ATmega8單片機接口分派 113.2溫度檢測電路 123.2.1傳感器DS18B20簡介 123.2.2DS18B20供電方式 143.2.3DS18B20讀寫時序 153.2.4DS18B20測溫原理 173.2.5DS18B20與單片機接線 183.3電源電路 193.4顯示電路設(shè)計 203.4.1SMC1602A總線方式驅(qū)動接口及讀/寫時序 213.4.2SMC1602A操作指令 223.4.3SMC1602A和單片機接口電路 243.5鍵盤設(shè)立電路 253.6控制執(zhí)行電路 253.6.1交流接觸器工作原理 263.6.2可控硅觸發(fā)電路調(diào)功控溫 273.7時鐘電路 293.8復位電路 303.9過限報警電路 314.軟件設(shè)計 324.1主程序設(shè)計 324.1.1按鍵程序流程圖 334.2PID控制算法 344.2.1PID控制原理 344.2.2PID控制及其算法 364.2.3PID參數(shù)整定 374.2.4PID軟件設(shè)計流程圖 405.結(jié)論 41參照文獻 42道謝 43附錄A：程序清單 44附錄B：DS18B20驅(qū)動 53附錄C：SMC1602A驅(qū)動 561.緒論在鋼鐵、機械、石油化工、電力、工業(yè)爐窯等工業(yè)生產(chǎn)中，電阻爐被廣泛應用于其中。而電阻爐是一種模型隨爐溫變化而變化對象，這導致了溫度成為這些行業(yè)極為普遍又極為重要熱工參數(shù)之一。從工業(yè)爐溫、環(huán)境氣溫到人體溫度；從空間、海洋到家用電器，各個技術(shù)領(lǐng)域都離不開測溫和控溫。因而，測溫、控溫技術(shù)是發(fā)展最快、范疇最廣技術(shù)之一。溫度控制系統(tǒng)具備非線性、時滯以及不擬定性。單純依托老式控制方式或當代控制方式都很難達到高質(zhì)量控制效果。采用單片機進行溫度控制不但具備控制以便、簡樸和靈活性大等長處，并且可以大幅度提高被控溫度技術(shù)指標。1.1國內(nèi)外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展概況1.1.1國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展狀況由于工業(yè)過程控制需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計辦法發(fā)展推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面獲得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化、性能優(yōu)秀溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。它們重要具備如下特點：（1）適應于大慣性、大滯后等復雜溫度控制系統(tǒng)控制。（2）可以適應于受控系統(tǒng)數(shù)學模型難以建立溫度控制系統(tǒng)控制。（3）可以適應于受控系統(tǒng)過程復雜、參數(shù)時變溫度控制系統(tǒng)控制。（4）這些溫度控制系統(tǒng)普遍采用自適應控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理論及計算機技術(shù)，運用先進算法，適應范疇廣泛。（5）普遍溫控器具備參數(shù)自整定功能。借助計算機軟件技術(shù)，溫控器具備對控制對象控制參數(shù)及特性進行自動整定功能。有還具備自學習功能，它可以依照歷史經(jīng)驗及控制對象變化狀況，自動調(diào)節(jié)有關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果最優(yōu)化。（6）溫度控制系統(tǒng)具備控制精度高、抗干擾力強、魯棒性好特點。當前，國外溫度控制系統(tǒng)及儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面迅速發(fā)展。1.1.2國內(nèi)溫度控制系統(tǒng)發(fā)展概況溫度控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)應用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)溫度控制器來講，總體發(fā)展水平依然不高，同國外日本、美國、德國等先進國家相比，依然有著較大差距。當前，國內(nèi)在這方面總體技術(shù)水平處在20世紀80年代中后期水平，成熟產(chǎn)品重要以“點位”控制及常規(guī)PID控制器為主，它只能適應普通溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十提成熟，形成商品化并廣泛應用控制儀表較少。當前，國內(nèi)在溫度等控制儀表業(yè)與國外差距重要體當前如下幾種方面：（1）行業(yè)內(nèi)公司規(guī)模小，且較為分散，導致技術(shù)力量不集中，導致研發(fā)能力不強，制約技術(shù)發(fā)展。（2）商品化產(chǎn)品以PID控制器為主，智能化儀表少，這方面同國外差距較大。當前，國內(nèi)公司復雜及精度規(guī)定高溫度控制系統(tǒng)大多采用進口溫度控制儀表。（3）儀表控制用核心技術(shù)、有關(guān)算法及控制軟件方面研究較國外滯后。例如：在儀表控制參數(shù)自整定方面，國外已有較多成熟產(chǎn)品，但由于國外技術(shù)保密及國內(nèi)開發(fā)工作滯后，還沒有開發(fā)出性能可靠自整定軟件?？刂茀?shù)大多靠人工經(jīng)驗及現(xiàn)場調(diào)試來擬定。1.2溫度控制研究意義在人類生活環(huán)境中，溫度扮演著極其重要角色。無論你生活在哪里，從事什么工作，無時無刻不在與溫度打著交道。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展對與否能掌握溫度有著絕對聯(lián)系。在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、造紙行業(yè)、機械制造和食品加工等諸多領(lǐng)域中，人們都需要對各類加熱爐、熱解決爐、反映爐和鍋爐中溫度進行檢測和控制，可以說幾乎80%工業(yè)部門都不得不考慮著溫度因素。溫度對于工業(yè)如此重要，由此設(shè)計一種具備高可靠性，靈活姓以便性和有高測量精度和辨別率，測量范疇大；抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；信號易于解決、傳送和自動控制；便于動態(tài)及多路測量，讀數(shù)直觀；安裝以便，維護簡樸溫控是很有必要。因此采用AVR單片機和DS1820傳感器構(gòu)成測溫系統(tǒng)來對溫度進行控制，不但具備控制以便、組態(tài)簡樸和靈活性大等以上長處，并且可以大幅度提高被控溫度技術(shù)指標，從而可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量。因而，單片機對溫度控制問題是一種工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到問題。針對當前市場現(xiàn)狀，本課題提出了一種可滿足規(guī)定、可擴展并且性價比高單片機測溫系統(tǒng)。1.3本論文內(nèi)容和重要工作設(shè)計內(nèi)容：結(jié)合電力電子技術(shù)，達到高效率控制電阻爐，減少調(diào)節(jié)溫差，縮短調(diào)節(jié)時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少燃耗,節(jié)約能源。參數(shù)設(shè)定便利、直觀，溫度測量精確，控制溫度范疇30～80℃，過限報警，并最后由大屏幕液晶顯示參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計重要工作：（1）開發(fā)一種能進行數(shù)據(jù)解決，能完畢控制功能智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括由AVR單片機及其復位電路，晶振電路，溫度傳感器與系數(shù)接口，顯示電路，存儲器及接口電路構(gòu)成控制器，以溫度為被控制量閉環(huán)控制系統(tǒng)。（2）依照系統(tǒng)功能規(guī)定對系統(tǒng)軟件進行設(shè)計。（3）使用PID控制算法對溫度進行控制。2.系統(tǒng)總體設(shè)計2.1電阻爐數(shù)學模型及爐溫控制曲線被控對象是一種電阻爐，它傳遞函數(shù)可以表達為：=其中，表達對象慣性時間，K表達對象放大系數(shù)。一種電爐爐溫控制規(guī)定按下圖2-1所示曲線規(guī)律變化。從加溫開始到a點（相應溫度為Ta）為自由升溫段，當溫度達到Ta后收入模糊PID控制，使爐溫在超調(diào)滿足給定指標條件下進入保溫段b－c，c－d段為自然降溫段，無需控制。t/mint/mindcba0T/℃圖2-1爐溫控制曲線2.2系統(tǒng)控制工藝規(guī)定在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是極為普遍又極為重要熱工參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)過程正常安全運營，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕工人勞動強度，同步節(jié)約能源,須規(guī)定加熱用各種電爐在一定條件下保持恒溫，不能隨電壓波動而變化.或者有電爐依照工藝規(guī)定按照某個指定升溫或保溫律而變化，且超調(diào)量小或者無超調(diào)量，穩(wěn)定性好，不振蕩。依照工藝規(guī)定不同，大體上可以歸納為如下幾種過程：（1）自由升溫段，這一工藝過程規(guī)定執(zhí)行元件向電阻爐輸送最大能量，使加熱爐全速升溫到某一值，升溫時間和速度沒有詳細規(guī)定，這時單片機不需要進行控制工作，只需檢測爐溫。（2）恒溫段，這一工藝過程是溫度控制重要工藝過程，它規(guī)定控制系統(tǒng)保證爐溫在各種干擾下能穩(wěn)定在容許范疇內(nèi)。（3）自由降溫段，這一工藝過程中執(zhí)行元件不再向爐子輸送能量，讓其自然冷卻到某一溫度，此時單片機只需監(jiān)測爐溫即可，有時甚至不必做任何工作。2.3系統(tǒng)構(gòu)成和基本原理2.3.1系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)由單片機、接口電路、外部設(shè)備等構(gòu)成，如圖2-2所示?？刂茖ο蟊粶y參數(shù)經(jīng)傳感器、變換器，轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一原則信號，再經(jīng)多路開關(guān)送到送入單片機。除此之外，有些被測參數(shù)為數(shù)字量、開關(guān)量或脈沖量，它們可過接口直接加至單片機。單片機對數(shù)據(jù)進行解決和計算，然后經(jīng)模仿量或開關(guān)量輸出通道輸出，對被測參數(shù)進行控制。控控制對象傳感器多路開關(guān)單片機串口通信口鍵盤顯示屏執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)量輸出開關(guān)量輸入圖2-2系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖2.3.2系統(tǒng)基本原理溫度控制系統(tǒng)硬件電路由溫度檢測，單片機PID運算，輸出控制和過限報警四個模塊構(gòu)成。如圖2-3所示，檢測模塊作為閉環(huán)反饋實時檢測溫度，通過放大解決后將信號傳送給單片機，通過解決后，一方面送往液晶顯示屏，另一方面，與系統(tǒng)溫度設(shè)定值相比較，通過PID算法控制溫度達到所需值。其中輸出控制模塊某些由兩塊構(gòu)成：由晶閘管觸發(fā)電路和交流接觸器協(xié)調(diào)控制通斷。由于初始全功率加熱電流大，晶閘管容許通過電流小，故采用交流接觸器進行控制；在后期溫度調(diào)節(jié)時期，需要來回通斷以調(diào)節(jié)溫度達到預期值，對交流接觸器觸點壽命有很大影響，故采用晶閘管觸發(fā)電路。電電阻爐傳感器Mega8顯示屏/鍵盤設(shè)溫晶閘管交流接觸器過限報警隔離功放交流電晶閘管圖2-3系統(tǒng)工作原理圖3.硬件設(shè)計硬件電路重要有：主機電路、溫度檢測電路、電源某些電路、鍵盤設(shè)立電路、顯示電路、控制執(zhí)行電路、系統(tǒng)時鐘復位電路、過限報警電路。下面將詳細簡介各某些電路。3.1主機電路依照設(shè)計規(guī)定，本系統(tǒng)選取是AVR系列ATmega8單片機。3.1.1ATmega8簡樸概述ATmega8是基于增強AVRRISC構(gòu)造低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega8數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和解決速度之間矛盾。ATmega8內(nèi)核具備豐富指令集和32個通用工作寄存器。所有寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一種時鐘周期內(nèi)同步訪問兩個獨立寄存器。這種構(gòu)造大大提高了代碼效率，并且具備比普通CISC微控制器最高至10倍數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega8有如下特點:8K字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具備同步讀寫能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，三個具備比較模式靈活定期器/計數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，面向字節(jié)兩線串行接口，10位6路(8路為TQFP與MLF封裝)ADC，具備片內(nèi)振蕩器可編程看門狗定期器，一種SPI串行端口，以及五種可以通過軟件進行選取省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定期器繼續(xù)運營，容許顧客保持一種時間基準，而別的功能模塊處在休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終結(jié)CPU和除了異步定期器與ADC以外所有I/O模塊工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運營，別的功能模塊處在休眠狀態(tài)，使得器件只消耗很少電流，同步具備迅速啟動能力。本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)。片內(nèi)ISPFlash容許程序存儲器通過ISP串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運營于AVR內(nèi)核之中引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)(ApplicationFlashMemory)。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)(BootFlashMemory)程序繼續(xù)運營，實現(xiàn)了RWW操作。通過將8位RISCCPU與系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash集成在一種芯片內(nèi)，ATmega8成為一種功能強大單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本解決方案。ATmega8具備一整套編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，涉及：C語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。詳細引腳圖如圖3-1所示。圖3-1ATmega8引腳圖3.1.2ATmega8重要特性高性能、低功耗8位AVR微解決器，先進RISC構(gòu)造130條功能強大指令--大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期32個8位通用工作寄存器全靜態(tài)工作工作于16MHz時性能高達16MIPS片內(nèi)集成硬件乘法器（執(zhí)行速度為2個時鐘周期）

片內(nèi)集成了較大容量非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器以及工作存儲器

8K字節(jié)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)：＞10000次支持可在線編程（ISP）、可在應用自編程（IAP）帶有獨立加密位可選BOOT區(qū)，可通過BOOT區(qū)內(nèi)引導程序區(qū)（顧客自己寫入）來實現(xiàn)IAP編程。512個字節(jié)E2PROM，擦寫次數(shù)：100000次1K字節(jié)片內(nèi)SRAM可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)顧客程序加密外設(shè)特點2個具備比較模式帶預分頻器（SeparatePrescale）8位定期/計數(shù)器，其中之一有比較功能一種具備預分頻器（SeParatPrescale）、比較功能和捕獲功能16位定期器/計數(shù)器1個具備獨立振蕩器異步實時時鐘（RTC）3個PWM通道，可實現(xiàn)任意＜16位、相位和頻率可調(diào)PWM脈寬調(diào)制輸出8通道A/D轉(zhuǎn)換（TQFP、MLF封裝），6路10位A/D+2路8位A/D6通道A/D轉(zhuǎn)換（PDIP封裝），4路10位A/D+2路8位A/D1個I2C串行接口，支持主/從、收/發(fā)四種工作方式，支持自動總線仲裁1個可編程串行USART接口，支持同步、異步以及多機通信自動地址辨認個支持主/從（Master/Slave）、收/發(fā)SPI同步串行接口帶片內(nèi)RC振蕩器可編程看門狗定期器片內(nèi)模仿比較器特殊解決器特點上電復位以及可編程掉電檢測片內(nèi)通過標定RC振蕩器片內(nèi)/片外中斷源五種睡眠模式空閑模式（Idle）、ADC噪聲抑制模式（ADCNoiseReduction）。省電模式（Power－save）、掉電模式（Power－down）、待命模式（Standby）I/O和封裝最多23個可編程I/O口，可任意定義I/O輸入/輸出方向；輸出時為推挽輸出，驅(qū)動能力強，可直接驅(qū)動LED等大電流負載：輸入口可定義為三態(tài)輸入，可以設(shè)定帶內(nèi)部上拉電阻，省去外接上拉電阻28腳PDIP封裝，32腳TQFP封裝和32腳MLF封裝工作電壓2.7-5.5V(ATmega8L)4.5-5.5V(ATmega8)速度級別0-8MHz(ATmega8L)0-16MHz(ATmega8)4Mhz時功耗，3V，25°C正常模式（Active）：3.6mA空閑模式（IdleMode）：1.0mA掉電模式（Power-downMode）：0.5uA3.1.3ATmega8管腳闡明 VCC：數(shù)字電路電源。GND：地。端口B(PB7--PB0)：端口B是一種8位雙向I/O口，每一種引腳都帶有獨立可編程內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具備對稱驅(qū)動特性，可以輸出和吸取大電流。當端口B作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，雖然系統(tǒng)時鐘尚未起振，端口B仍處在高阻狀態(tài)。通過時鐘選取熔絲位設(shè)立，PB6可作為反向振蕩放大器或時鐘操作電路輸入端，PB7可作為反向振蕩放大器輸出端。若通過系統(tǒng)時鐘選取熔絲位設(shè)立，則使用片內(nèi)標定RC振蕩器時鐘，通過置位ASSR寄存器AS2位，可將PB6、PB7作為異步實時時鐘/計數(shù)器2輸入口TOSC1、TOSC2使用。端口C(PC5--PC0)：端口C為7位雙向I/O口，每一種引腳都帶有獨立可編程內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具備對稱驅(qū)動特性，可以輸出和吸取大電流。當端口C作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，雖然系統(tǒng)時鐘尚未起振，端口C仍處在高阻狀態(tài)。PC6/RESET：若RSTDISBL熔絲位編程，PC6作為I/O引腳使用。注意PC6電氣特性與端口C其她引腳不同。若RSTDISBL熔絲位未編程，PC6作為復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間低電平將引起系統(tǒng)復位。端口D(PD7--PD0)：為8位雙向I/O口，每一種引腳都帶有獨立可編程內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具備對稱驅(qū)動特性，可以輸出和吸取大電流。當端口D作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，雖然系統(tǒng)時鐘尚未起振，端口D處在高阻狀態(tài)。RESET：復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間低電平將引起系統(tǒng)復位。AVCC：是A/D轉(zhuǎn)換器、端口C(3--0)及ADC(7--6)電源。不使用ADC時，該引腳應直接與VCC連接。使用ADC時應通過一種低通濾波器與VCC連接。AREF：A/D模仿基準輸入引腳。ADC7--6(TQFP與MLF封裝)：作為A/D轉(zhuǎn)換器模仿輸入。為模仿電源；作為10位ADC通道。3.1.4ATmega8單片機接口分派圖3-1單片機接口分派ATmega8單片機接口如上圖所示，其中14腳接溫度傳感器DS18B20，13,15腳分別為兩個控制端，12腳為過限報警端，1腳接復位電路，9、10腳接晶振電路，2-5腳為鍵盤輸入端。23-28腳接LCD液晶顯示屏。3.2溫度檢測電路3.2.1傳感器DS18B20簡介本次設(shè)計選用是新代數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20具備精度高，測量范疇大，不需要輔助電源等特點，且通過一種單線接口發(fā)送或接受信息，因而在中央微解決器和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線）。并且顧客可以自定義非易失性溫度報警設(shè)立，因此DS18B20在溫度控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費品等許多熱感測系統(tǒng)中有廣泛應用。工作過程及操作指令依照DS18B20通訊合同.完畢溫度轉(zhuǎn)換必要通過三個環(huán)節(jié):（1）每次讀寫之前都要對DS18B20進行復位操作;（2）復位成功后發(fā)送條ROn指令;（3）址后發(fā)送RAn指令。這樣才干對DS18B20進行預定操作。CPU對DS18B20器件操作慣用指令表如表1所示。表1DS18B20重要命令及其功能闡明命令碼功能闡明命令碼功能闡明33H讀DS18B20溫度傳感器ROM中64位地址序列碼BEH讀9字節(jié)暫存寄存器55H發(fā)出此命令之后.接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相相應DS18B20使之作出響應.為下一步對該DS18B20讀寫作準備。4EH寫入溫度上/下限，緊隨其后是2字節(jié)數(shù)據(jù)，相應上限和下限值0FOH鎖定總線上DS18B20個數(shù)和辨認其ROM中64位地址序列碼48H將9字節(jié)暫存寄存器第3和4字節(jié)復制到EEPROM中ECH只有溫度超過上限或下限D(zhuǎn)S18B20才做出響應B8H將EEPROM內(nèi)容恢復到暫存寄存器第3和4字節(jié)0CCH忽視64位ROM地址.直接向DS18B20發(fā)溫度變換命令。合用手單片工作。B4H讀供電模式，寄生供電時DS18B20發(fā)送0，外接電源時DS18B20發(fā)送144H啟動DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換，成果存入9字節(jié)暫存寄存器DS18B20有三個重要數(shù)字部件：（1）64位激光ROM；（2）溫度傳感器；（3）非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處在高電平期間把能量儲存在內(nèi)部電容里，在信號線處在低電平期間消耗電容上電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。DS18B20也可用外部5V電源供電。64位ROM和單線端口64位ROM和單線端口存儲器和控制邏輯暫存器下限觸發(fā)TL上限觸發(fā)TH溫度傳感器8位CRC產(chǎn)生器電源探測內(nèi)部VDD圖3-2DS18B20方框圖DS18B20依托一種單線端口通訊。在單線端口條件下，必要先建立ROM操作合同，才干進行存儲器和控制操作。因而，控制器必要一方面提供下面5種ROM操作命令之一：（1）讀ROM；（2）匹配ROM；（3）搜索ROM；（4）跳過ROM；（5）報警搜索。這些命令對每個器件激光ROM某些進行操作，在單線總線上掛有各種器件時，可以區(qū)別出單個器件，同步可以向總線控制器指明有多少器件或是什么型號器件。成功執(zhí)行完一條ROM操作序列后，即可進行存儲器和控制操作，控制器可以提供6條存儲器和控制操作指令中任一條。一條控制操作命令批示DS18B20完畢一次溫度測量。測量成果放在DS18B20暫存器里，用一條讀暫存器內(nèi)容存儲器操作命令可以把暫存器中數(shù)據(jù)讀出。溫度報警觸發(fā)器TH和TL各由一種EEPROM字節(jié)構(gòu)成。如果沒有對DS18B20使用報警搜索命令，這些寄存器可以作為普通用途顧客存儲器使用?？梢杂靡粭l存儲器操作命令對TH和TL進行寫入，對這些寄存器讀出需要通過暫存器。所有數(shù)據(jù)都是以最低有效位在前方式進行讀寫。3.2.2DS18B20供電方式DS18B20寄生電源會在I/O或VDD引腳處在高電平時“偷”能量。當有特定期間和電壓需求時，I/O要提供足夠能量。寄生電源有兩個好處：（1）進行遠距離測溫時，無需本地電源；（2）可以在沒有常規(guī)電源條件下讀ROM。要想使DS18B20可以進行精準溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必要在轉(zhuǎn)換期間保證供電。由于DS18B20工作電流達到1mA，因此僅靠5K上拉電阻提供電源是不行，當幾只DS18B20掛在同一根I/O線上并同步想進行溫度轉(zhuǎn)換時，這個問題變得更加尖銳。有兩種辦法可以使DS18B20在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠電流供應。第一種辦法，當進行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲器操作時，給I/O線提供一種強上拉。用MOSFET把I/O線直接拉到電源上就可以實現(xiàn)，見圖3-3。在發(fā)出任何涉及拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換合同之后，必要在最多10μs之內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強上拉。使用寄生電源方式時，VDD引腳必要接地。μμP+5V+5VGNDDS18B204.7kVDDI/O圖3-3溫度轉(zhuǎn)換期間強上拉電阻供電另一種給DS18B20供電辦法是從VDD引腳接入一種外部電源，見圖3-4。這樣做好處是I/O線上不需要加強上拉，并且總線控制器不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以容許在單線總線上進行其她數(shù)據(jù)往來。此外，在單線總線上可以掛任意多片DS18B20，并且如果它們都使用外部電源話，就可以先發(fā)一種SkipROM命令，再接一種ConvertT命令，讓它們同步進行溫度轉(zhuǎn)換。注意當加上外部電源時，GND引腳不能懸空。μμP+5VGNDDS18B204.7k外部+5V電源I/O其她單線器件圖3-4用VDD供電溫度高于100℃時，不推薦使用寄生電源，由于DS18B20在這種溫度下體現(xiàn)出漏電流比較大，通訊也許無法進行。在類似這種溫度狀況下，強烈推薦使用DS18B20VDD引腳。對于總線控制器不懂得總線上DS18B20是用寄生電源還是用外部電源狀況，DS18B20預備了一種信號批示電源使用意圖?？偩€控制器發(fā)出一種SkipROM合同，然后發(fā)出讀電源命令，這條命令發(fā)出后，控制器發(fā)出讀時間隙，如果是寄生電源，DS18B20在單線總線上發(fā)回“0”，如果是從VDD供電，則發(fā)回“1”，這樣總線控制器就可以決定總線上與否有DS18B20需要強上拉。如果控制器接受到一種“0”，它就懂得必要在溫度轉(zhuǎn)換期間給I/O3.2.3DS18B20讀寫時序由于DS18B20采用是1－Wire總線合同方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳播，而對AT89S51單片機來說，硬件上并不支持單總線合同，因而，咱們必要采用軟件辦法來模仿單總線合同時序來完畢對DS18B20芯片訪問。由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因而，對讀寫數(shù)據(jù)位有著嚴格時序規(guī)定。DS18B20有嚴格通信合同來保證各位數(shù)據(jù)傳播對的性和完整性。該合同定義了幾種信號時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)傳播都是從主機積極啟動寫時序開始，如果規(guī)定單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完畢數(shù)據(jù)接受。數(shù)據(jù)和命令傳播都是低位在先。DS18B20復位時序圖3-5DS18B20復位時序圖對于DS18B20讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18B20讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳播到單總線上。DS18B20在完畢一種讀時序過程，至少需要60us才干完畢。圖3-6DS18B20讀時序圖對于DS18B20寫時序依然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。對于DS18B20寫0時序和寫1時序規(guī)定不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20可以在15us到45us之間可以對的地采樣IO總線上“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。圖3-7DS18B20寫時序圖3.2.4DS18B20測溫原理DS18B20通過一種片上溫度測量技術(shù)來測量溫度。圖3-8示出了溫度測量電路方框圖。斜坡累加器斜坡累加器計數(shù)器低溫度系數(shù)振蕩器比較預置門周期高溫度系數(shù)振蕩器門周期溫度寄存器預置計數(shù)器LSB置位/清0停止增長圖3-8溫度測量電路方框圖表2溫度與數(shù)據(jù)關(guān)系溫度℃數(shù)據(jù)輸出（二進制）數(shù)據(jù)輸出（十六進制）+125000000001111101000FA+2500000000001100100032+1/200000000000000010001000000000000000000000-1/211111111FFFF-2511001110FFCE-5510010010FF92DS18B20是這樣測溫：用一種高溫度系數(shù)振蕩器擬定一種門周期，內(nèi)部計數(shù)器在這個門周期內(nèi)對一種低溫度系數(shù)振蕩器脈沖進行計數(shù)來得到溫度值。計數(shù)器被預置到相應于-55℃一種值。如果計數(shù)器在門周期結(jié)束前到達0，則溫度寄存器（同樣被預置到-55℃）值增長，表白所測溫度不不大于-55℃斜坡式累加器用來補償感溫振蕩器非線性，以期在測溫時獲得比較高辨別力。這是通過變化計數(shù)器對溫度每增長一度所需計數(shù)值來實現(xiàn)。因而，要想獲得所需辨別力，必要同步懂得在給定溫度下計數(shù)器值和每一度計數(shù)值。DS18B20內(nèi)部對此計算成果可提供0.5℃辨別力。溫度以16bit帶符號位擴展二進制補碼形式讀出，表1給出了溫度值和輸出數(shù)據(jù)關(guān)系。數(shù)據(jù)通過DS18B20測溫范疇-55℃~+125℃，以3.2.5DS18B20與單片機接線用DS18B20與單片機構(gòu)成測溫電路，重要完畢對溫度信號采集和轉(zhuǎn)換工作，由DS18B20及其與單片機接口某些構(gòu)成。其重要與單片機引腳接口如圖3-9所示圖3-9DS18B20與單片機接線圖DS18B20是與單片機PB0端口相接，單片機通過對單總線DQ操作來發(fā)送命令，讀取數(shù)據(jù)等實現(xiàn)單片機對DS18B20模式控制，溫度值讀取等操作。3.3電源電路由于本系統(tǒng)所用到一系列芯片電源都是直流電源，而現(xiàn)實中用都是交流電，故要把交流電整流成直流電，本設(shè)計運用是橋式整流法把交流電整流成直流電，從而滿足系統(tǒng)規(guī)定。整流原理圖如圖3-10所示：圖3-10橋式整流電路3.4顯示電路設(shè)計設(shè)計規(guī)定能顯示當前溫度值，因而可采用液晶顯示或者數(shù)碼管顯示兩種辦法。考慮到數(shù)碼管顯示過于單調(diào)，因而采用采用液晶顯示。液晶顯示模塊具備體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，當前點陣型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機應用設(shè)計中慣用信息顯示屏件了。本設(shè)計中采用了SMC1602A型點陣式液晶顯示模塊。LCD技術(shù)和半導體技術(shù)結(jié)合使該顯示模塊具備高可靠性和低功耗特點。SMC1602A型點陣式液晶顯示模塊內(nèi)部有字符產(chǎn)生存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。該顯示模塊可直接與ATmega8單片機相接，所有顯示功能由控制器用指令實現(xiàn)。由單一+5V電源供電，數(shù)據(jù)傳送方式有4位和8位兩種選取。內(nèi)有顯示92個ASCII字符和92個特殊字符字庫。其詳細技術(shù)參數(shù)如下。表3SMC1602A重要技術(shù)參數(shù)：顯示容量：16*2個字符（TN型）模塊最佳工作電壓5.0V工作電壓：4.8~5.2V字符尺寸：2.95*4.35（WXH）mm工作電流：2.0mA(5.0V)工作溫度：0~+50℃背光源顏色：黃綠存儲溫度：-20~+70℃背光源電流：<100mA3.4.1SMC1602A總線方式驅(qū)動接口及讀/寫時序SMC1602A采用原則16引腳接口，引腳功能如表4所列，其中8位數(shù)據(jù)總線D0—D7以及RS、R/W、E3個控制端口，各分解時序操作速度可達1MHz，并且?guī)в凶址麑Ρ榷日{(diào)節(jié)和背光。表4SMC1602A接口信號闡明編號符號引腳闡明編號符號引腳闡明1VSS電源地9D2DataI/O2VDD電源正極10D3DataI/O3V0LCD偏壓輸入11D4DataI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選取端（H/L）12D5DataI/O5R/W讀寫控制信號13D6DataI/O6E使能信號14D7DataI/O7D0DataI/O15BLK背光源負極8D1DataI/O16BLA背光源正極（1）基本操作時序讀狀態(tài)：輸入：RS=L，RW=H，E=H 輸出：D0~D7狀態(tài)字寫指令：輸入：RS=L，RW=L，D0~D7=指令碼，E=高脈沖輸出：無讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=H，E=H輸出：D0~D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，RW=L，D0~D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出：無（2）狀態(tài)字闡明表5狀態(tài)字闡明表STA7STA6STA5STA4STA3STA2STA1STA0D7D6D5D4D3D2D1D0STA0-6當前數(shù)據(jù)地址指針豎直STA7讀寫操作使能1：禁止0：容許3.4.2SMC1602A操作指令對SMC1602A顯示字符控制，通過訪問SMC1602A內(nèi)部RAM地址實現(xiàn)，SMC1602A內(nèi)部控制器具備80*8位（80字節(jié)）RAM緩沖區(qū)，RAM地址與字符位置之間相應關(guān)系如圖3-11所示：圖3-11RAM地址映射圖SMC1602A指令控制分為初始化設(shè)立、數(shù)據(jù)控制和初始化過程（復位過程）。（1）初始化設(shè)立表6顯示模式指令表指令碼功能00111000設(shè)立16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口00001DCBD=1開顯示；D=0關(guān)顯示C=1顯示光標；C=0不顯示光標B=1光標閃爍；B=0光標不閃爍000001NSN=1當讀或?qū)懸环N字符后地址指針加一，且光標加一N=0當讀或?qū)懸环N字符后地址指針減一，且光標減一S=1當寫一種字符，整屏顯示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光標不移動而屏幕移動效果。S=0當寫一種字符，整屏顯示不移動（2）數(shù)據(jù)控制控制器內(nèi)部設(shè)有一種數(shù)據(jù)地址指針，顧客可通過它們來訪問內(nèi)部所有80字節(jié)RAM。表7數(shù)據(jù)指針設(shè)立指令碼功能80H+地址碼（0-27H，40H-67H）設(shè)立數(shù)據(jù)地址指針01H顯示清屏：1.數(shù)據(jù)指針清零2.所有顯示清零02H顯示回車：1.數(shù)據(jù)指針清零（3）初始化過程（復位過程）延時15ms寫指令38H(不檢測忙信號)延時5ms寫指令38H(不檢測忙信號)延時5ms寫指令38H(不檢測忙信號)(后來每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作之前均需檢測忙信號)寫指令38H：顯示模式設(shè)立寫指令08H：顯示關(guān)閉寫指令01H：顯示清屏寫指令06H：顯示光標移動設(shè)立寫指令0CH：顯示開及光標設(shè)立3.4.3SMC1602A和單片機接口電路詳細電路圖如圖3-12所示圖3-12液晶顯示電路圖SMC1602AD3—D7管腳和單片機PC0—PC3相連，采用4位數(shù)據(jù)傳送方式。RS、E兩控制端口和單片PC4、PC5連接。3.5鍵盤設(shè)立電路鍵盤作用是對單片機輸入數(shù)據(jù)，設(shè)計中規(guī)定能是溫度進行“+”，“-”，及溫度值設(shè)定，按鍵接口是與單片機PD口PD0--PD3相接，每個按鍵完畢不同功能，功能實現(xiàn)由軟件來控制實現(xiàn)，分別為1號鍵為溫度設(shè)定/擬定設(shè)定鍵；2號為顯示設(shè)定溫度；3號鍵為設(shè)定溫度上升；4號鍵為設(shè)定溫度下降功能實現(xiàn)。接線如圖3-13圖3-13鍵盤電路圖4個按鍵分別連接到單片機PD0--PD3，另一端都接地，通過查詢方式擬定與否有按鍵按下，并擬定鍵值。按鍵必要加上正上拉電阻來保證按鍵可靠性，當沒有按鍵按下時保證PD0--PD3為高電平。3.6控制執(zhí)行電路控制電路分為兩個某些，原理圖3-14所示。在初始加熱階段，交流接觸器閉合，全功率加熱，在中期溫度調(diào)節(jié)過程中，交流接觸器斷開，由可控硅觸發(fā)電路控制一路加熱器低功率加熱?？煽毓栌|發(fā)可控硅觸發(fā)交流接觸器兩道開關(guān)加熱電阻圖3-14控制電路原理圖3.6.1交流接觸器工作原理交流接觸器是廣泛用作電力開斷和控制電路。它運用主接點來開閉電路，用輔助接點來執(zhí)行控制指令。主接點普通只有常開接點，而輔助接點常有兩對具備常開和常閉功能接點，小型接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器接點，由銀鎢合金制成，具備良好導電性和耐高溫燒蝕性。交流接觸器重要有四某些構(gòu)成(1)電磁系統(tǒng),涉及吸引線圈、動鐵芯和靜鐵芯；(2)觸頭系統(tǒng),涉及三副主觸頭和兩個常開、兩個常閉輔助觸頭,它和動鐵芯是連在一起互相聯(lián)動；3)滅弧裝置,普通容量較大交流接觸器都設(shè)有滅弧裝置,以便迅速切斷電弧,免于燒壞主觸頭；(4)絕緣外殼及附件,各種彈簧、傳動機構(gòu)、短路環(huán)、接線柱等。交流接觸器工作原理：當線圈通電時，靜鐵芯產(chǎn)生電磁吸力，將動鐵芯吸合，由于觸頭系統(tǒng)是與動鐵芯聯(lián)動,因而動鐵芯帶動三條動觸片同步運營,觸點閉合,從而接通電源。當線圈斷電時,吸力消失，動鐵芯聯(lián)動某些依托彈簧反作用力而分離,使主觸頭斷開,切斷電源。3.6.2可控硅觸發(fā)電路調(diào)功控溫可控硅調(diào)功控溫具備不沖擊電網(wǎng)，對用電設(shè)備不產(chǎn)生干擾等長處，是一種應用廣泛控溫方式。所謂調(diào)功控溫就是在給定周期內(nèi)控制可控硅導通時間，從而變化加熱功率，來實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。設(shè)采用(控制)周期為T,在T周期內(nèi)工頻交流電半周波數(shù)為N，如全導通時額定加熱功率為P,,則實際平均加熱功率與T周期內(nèi)實際導通半周波數(shù)n成正比，即過零觸發(fā)調(diào)功器構(gòu)成：當前，采用可控硅進行功率調(diào)節(jié)觸發(fā)方式有兩種:過零觸發(fā)、移相觸發(fā)。移相觸發(fā)方式調(diào)功事實上是控制可控硅導通角，達到調(diào)節(jié)功率目，此方式易導致電磁干擾且電路復雜。據(jù)文獻專門簡介：:采用移相觸發(fā)可控硅交流調(diào)功裝置，往往在可控硅導通瞬間使電網(wǎng)電壓浮現(xiàn)畸變，當控制角為90°時，產(chǎn)生二次諧波電流為基波電流50%，五次諧波也可達基波1/6。這些諧波分量引起電網(wǎng)電壓波形畸變，功率因數(shù)下降，給其他用電設(shè)備和通訊系統(tǒng)工作帶來不良影響。為此，人們研究了各種避免電壓瞬時大幅度下降和抑制高次諧波辦法，過零觸發(fā)方式較好地解決了此類問題，它可把可控硅導通起始點限制在電源電壓過零點，從而大大減少了諧波分量。然而，老式可控硅過零觸發(fā)調(diào)功器由同步脈沖產(chǎn)生電路、檢零電路、隔離電路構(gòu)成，構(gòu)造復雜，減少了可靠性，并且采用分立元件，器件離散性和溫漂嚴重影響調(diào)功器控制精度及使用壽命。實現(xiàn)可控硅調(diào)功控溫需解決3個技術(shù)核心:（3）獲取工頻交流電源過零觸發(fā)脈沖，作為觸發(fā)雙向可控硅同步脈沖;（2）將控制算法得到控制量變?yōu)榭煽毓柙谥芷趦?nèi)導通時間;（1）隔離工頻交流電源強電對單片機系統(tǒng)和控制電路弱電干擾。光隔離/光耦合過零雙向可控硅驅(qū)動器MOC3041新型器件MOC3041使用使調(diào)功器電路變得非常簡潔，它集光電隔離、過零檢測功能于一身，具備體積小、功耗低、抗干擾能力強、無噪聲等長處。圖3-15為其構(gòu)成可控硅基本驅(qū)動電路。圖3-15可控硅觸發(fā)電路本設(shè)計中采用固定周期控制方式，設(shè)定控制周期T為1秒（100個電網(wǎng)周波）。設(shè)P為電阻爐全導通時功率，n為導通周期數(shù)，為電阻爐平均輸出功率，則當U（K）不等于0，經(jīng)轉(zhuǎn)換N也不為0，在外部中斷0服務程序中將PB1為“1”，使MOC30411、2引腳導通，由于這時正好是電壓這零點，由此使MOC3041自帶過零檢測器有效，使MOC30414、6端導通，此時CON為“1”，發(fā)光二極管LED亮燈，從而使晶閘管導通。而每中斷一次，即每通過一種周波N減1，直減到N為0，則將PB1置0，此時CON為“0”，發(fā)光二極管LED熄滅，從而使晶閘管截止。當U（K）為100時，控制周期中100個周波全導通。單片機控制口輸出觸發(fā)信號使晶閘管導通，此時，流經(jīng)晶閘管電流是完整正弦電流，避免電網(wǎng)波形畸變。圖中關(guān)于兀件功能如下:Rs，Cs為吸取電路用。由于負載若為感性，并接在功率可控硅陽極和陰極之間，起保護作，可控硅通、斷時會產(chǎn)生較大反電動勢，也許引起可控硅損壞從而保護可控硅，在有關(guān)電路上并聯(lián)吸取電路后，就能削弱高瞬時電壓。普通Cs，Rs取值靠經(jīng)驗擬定，暫無一套完整計算辦法。經(jīng)驗公式如下：R4是晶閘管門極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力，普通取值雙向可控硅TLC3361如圖3-16所示圖3-16雙向可控硅雙向可控硅具備兩個方向輪流導通、關(guān)斷特性。雙向可控硅實質(zhì)上是兩個反并聯(lián)單向可控硅，是由NPNPN五層半導體形成四個PN構(gòu)導致、有三個電極半導體器件。由于主電極構(gòu)造是對稱（都從N層引出），因此它電極不像單向可控硅那樣分別叫陽極和陰極，而是把與控制極相近叫做第一電極A1，另一種叫做第二電極A2。雙向可控硅第一陽極A1與第二陽極A2間，無論所加電壓極性是正向還是反向，只要控制極G和第一陽極A1間加有正負極性不同觸發(fā)電壓，就可觸發(fā)導通呈低阻狀態(tài)。此時A1、A2間壓降也約1V。雙向可控硅一旦導通，雖然失去觸發(fā)電壓，也能繼續(xù)保持導通狀態(tài)。只有當?shù)谝魂枠OA1、第二陽極A2電流減小，不大于維持電流或A1、A2間當電壓極性變化且沒有觸發(fā)電壓時，雙向可控硅才截斷，此時只有重新加觸發(fā)電壓方可導通。第二某些是由交流接觸器LC1D0910和上述電路配合完畢，由可控硅觸發(fā)電路來控制交流接觸器通斷從而來控制整個電路通斷。3.7時鐘電路Atmega8片內(nèi)具有4種頻率(1/2/4/8M)RC振蕩源，可直接作為系統(tǒng)工作時鐘使用。同步片內(nèi)還設(shè)有一種由反向放大器所構(gòu)成OSC(Oscillator)振蕩電路，外圍引腳XTAL1和XTAL2分別為OSC振蕩電路輸入端和輸出端，用于外接石英品體等，構(gòu)成高精度或其他標稱頻率系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)。系統(tǒng)時鐘為控制器提供時鐘脈沖，是控制器心臟。系統(tǒng)時鐘頻率是單片機重要性能指標之一。系統(tǒng)時鐘頻率越高，單片機執(zhí)行節(jié)拍就越快，解決速度也越快。Atmega8最高工作頻率為16M(16MIPS)，在8位單片機中算是佼佼者。但并不是系統(tǒng)時鐘頻率越快就越好，由于當時鐘頻率越高時，其耗電量也越大，也容易受到十擾(或十擾別人)。因而，在詳細設(shè)計時，應依照實際產(chǎn)品需要，盡量采用較低系統(tǒng)時鐘頻率，這樣不但能減少了功耗，同步也提高了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。圖3-17時鐘電路本設(shè)計采用了外接石英品體作為振蕩諧振回路，因而可以提供比較靈活頻率和穩(wěn)定精準振蕩。如圖3-17，在XTAL1和XTAL2引腳上加上由石英晶體和電容構(gòu)成諧振回路，與內(nèi)部振蕩電路配合就能產(chǎn)生系統(tǒng)需要時鐘信號。3.8復位電路在單片機實際應用系統(tǒng)中，除單片機自身需要復位外，外部擴展I/O接口電路也要復位，因而需要一種系統(tǒng)同步復位信號，即單片機復位后，CPU開始工作時，外部電路一定也要復位好，以保證CPU有效對外部電路進行初始化編程。復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路電容充電來實現(xiàn)。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中，按鍵脈沖復位是運用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來實現(xiàn)；按鍵電平復位是通過使復位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通而實現(xiàn)。本系統(tǒng)使用按鍵電平復位，其電路如圖3-18,所示。圖3-18復位電路3.9過限報警電路在控制系統(tǒng)中，溫度超過警戒值或設(shè)定值時，由單片機PD6端口輸出通過三極管驅(qū)動蜂鳴器，發(fā)出聲音信號用于報警，引起注意，如圖3-19所示為它電路原理圖。圖3-19過限報警電路4.軟件設(shè)計4.1主程序設(shè)計本系統(tǒng)是一種控制電阻爐溫系統(tǒng)，在系統(tǒng)對電阻爐進行溫度檢測和控制之前，必要先對系統(tǒng)進行初始化，并進行某些初步操作，這某些工作就是在主程序里面完畢。下圖4-1是其流程圖上電復位上電復位初始化清數(shù)據(jù)區(qū)等待中斷開中斷置初值有鍵按下？YN送顯示圖4-1初始化流程框圖系統(tǒng)測溫，調(diào)溫，顯示，PID控制都在中斷中設(shè)計，當檢測到溫度有變化時或有按鍵按下時，打開中斷，進行溫度控制，同步送顯示。4.1.1按鍵程序流程圖鍵盤解決子程序完畢功能：當有滿足中斷條件時進入中斷服務狀態(tài)，即鍵盤解決。此中斷重要完畢鍵盤掃描，按鍵判斷及4個按鍵各個功能解決子程序：分別為1號鍵為溫度設(shè)定/擬定設(shè)定鍵；2號為顯示設(shè)定溫度；3號鍵為設(shè)定溫度上升；4號鍵為設(shè)定溫度下降功能實現(xiàn)。流程圖如下初始化初始化調(diào)鍵盤掃描消抖再調(diào)掃描有鍵按下嗎？建立無效標志判斷鍵值擬定鍵解決返回NY圖4-2按鍵流程框圖若1鍵被按下，則KEY_PIN將為0x01，若2鍵被按下，則KEY_PIN將為0x02，若3鍵被按下，則KEY_PIN將為0x04，若4鍵被按下，則KEY_PIN將為0x08。若有按鍵被按下，KEY_PIN將不為0，可運用“if(key_flag!=0)”來判斷與否有按鍵被按下。4.2PID控制算法4.2.1PID控制原理PID控制是比例、積分、微分控制簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強基本控制方式。隨著科學發(fā)展，特別是電子計算機誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多先進控制辦法，然而直到當前，PID控制仍是最廣泛應用控制方式之一。圖4-3PID控制系統(tǒng)原理框圖常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-3所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象構(gòu)成。PID控制器是一種線性控制器，它依照給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)，從而針對控制偏差進行比例、積分、微分調(diào)節(jié)一種辦法，其持續(xù)形式為或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：上式中:比例系數(shù)；積分時間常數(shù);微分時間常數(shù);可見，溫度PID調(diào)節(jié)器有三個可設(shè)定參數(shù)，即比例放大系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。對一種控制系統(tǒng)而言，合理地設(shè)立這三個參數(shù)，可獲得較好控制效果。

在使用PID控制器中，放大比例系數(shù)可變化系統(tǒng)響應速度，比例系數(shù)選取必要恰當，增大比例系數(shù)Kp，可減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)偏差，但調(diào)節(jié)過程會趨于振蕩，減小比例系數(shù)Kp，可減少系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程振蕩，但又增長了穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)偏差。積分環(huán)節(jié)能消除被調(diào)良偏差，但調(diào)節(jié)時間變長，積分速度Ki同樣要選取恰當，在同樣偏差狀況下，增大積分速度Ki值，調(diào)節(jié)器動作速度加快，減小動態(tài)偏差，相反，減小積分速度Ki值，會增長系統(tǒng)動態(tài)誤差，減少振蕩。因而，由于積分作用易導致系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程振蕩，只有在控制對象和系統(tǒng)慣性和滯后都很小時才干使用積分調(diào)節(jié)器。在實際工業(yè)控制中，積分環(huán)節(jié)普通和其她環(huán)節(jié)配合使用，才干獲得較好效果。在PID中，微分環(huán)節(jié)作用是對系統(tǒng)輸出和偏差變化有一定預見作用，微分調(diào)節(jié)器輸出與被調(diào)量偏差變化速度成正比，在調(diào)節(jié)過程開始階段，被調(diào)量離給定值小，但變化速度較大，如果采用比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)作用都很弱，而采用微分作用，其效果卻很強，它使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一種很大位移，微分作用品有超前特性，能限制控制偏差進一步增大，可有效地減小動態(tài)偏差。比例控制是一種最簡樸控制方式。其控制器輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。在積分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號積提成正比。對于一種自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差，簡稱有差系統(tǒng)(SystemwithSteady-stateError)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必要引入積分項。隨著時間增長，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間增長而加大，在一定范疇內(nèi)，它推動控制器輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。在微分控制中，控制器輸出與輸入誤差信號微分(即誤差變化率)成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差調(diào)節(jié)過程中也許會浮現(xiàn)振蕩。其因素是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)。解決辦法是使抑制誤差作用變化“超前”,即在誤差接近零時，抑制誤差作用就應當是零。這就是說，在控制器中僅引入比例項往往是不夠，比例項作用僅是放大誤差幅值，而當前需要增長是微分項，它能預測誤差變化趨勢，這樣，具備比例和微分控制器，就可以提前使抑制誤差控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量嚴重超調(diào)。因此對于有較大慣性或滯后被控對象，比例微分控制器能改進系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中動態(tài)特性。上面闡述可知：在PID調(diào)節(jié)器中,比例調(diào)節(jié)作用是可使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定，但會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差;積分作用可消除被調(diào)量穩(wěn)態(tài)誤差，但也許會使系統(tǒng)振蕩甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定；微分作用能有效減小動態(tài)偏差。在實際使用中,在滿足生產(chǎn)過程需要前提下,應盡量選取簡樸調(diào)節(jié)器,這樣,既節(jié)約投資,又便于維護。雖然PID調(diào)節(jié)器在大多數(shù)場合,只要參數(shù)選取恰當,都能獲得較好控制效果。由于比例、積分、微分構(gòu)成PID控制器算法簡樸、魯棒性強，因而被廣泛應用十化工、冶金、機械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。PID控制具備如下長處:1、原理簡樸，使用以便PID控制是由P，I，D三個環(huán)節(jié)不同組合而成。其基本構(gòu)成原理比較簡樸，參數(shù)物理意義也比較明確。2、適應性強可以廣泛用十化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各生產(chǎn)部門。按采用PID控制進行工業(yè)生產(chǎn)調(diào)節(jié)器早已產(chǎn)品化。在詳細實現(xiàn)上它們經(jīng)歷了機械式、液動式、氣動式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒有脫離PID控制范疇。雖然當前最新式過程控制計算機，其基本控制功能也依然是PID控制。3、魯棒性強由十這些長處，在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展今天，工業(yè)過程控制領(lǐng)域仍有近90%回路在應用PID控制方略。例如，大到轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中諸如氧氣流量、氧氣壓力、氧槍冷卻水流量控制;小到家用空調(diào)機、電冰箱溫度自動調(diào)節(jié)等等都離不開PID身影。4.2.2PID控制及其算法采用比例、積分、微分(PID)調(diào)節(jié)器，可有效改進系統(tǒng)動態(tài)性能，其控制規(guī)律為:（1）單片機是一種采樣控制，它只能依照采樣時刻誤差值計算控制變量，不能自接計算公式中積分項和微分項，采用數(shù)值計算法逼近后，PID調(diào)節(jié)規(guī)律可以通過數(shù)伯公式計算:(2)如果采樣獲得足夠小，這種逼近可相稱精確，被控過程與持續(xù)過程十分接近。咱們變換式(2)得:把，代入上式得:在自由升溫段，但愿升溫越快越好，因而，自由升溫段控制方程為：U(n)=1(T≤0.8T0)(在實際程序中，U(n)=1表達全導通時數(shù))。而由于在本次電路設(shè)計中在一開始自由升溫過程中采用是交流接觸器全功率加熱，晶閘管觸發(fā)電路相稱于短路，故不需要PID控制。在溫度恒定階段，交流接觸器斷開，由晶閘管觸發(fā)電路來進行PID控制電路以此穩(wěn)定溫度到達設(shè)定值。PID控制算法差分方程形式由上算得為：其中，KP是比例系數(shù)，KI是積分系數(shù)，，KD為微分系數(shù)，。4.2.3PID參數(shù)整定表8PID整定參數(shù)表性能指標參數(shù)階躍響應曲線δ%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd2004060圖4-447012510004060圖4-5811315020040300圖4-6325030020020060圖4-7060100圖4-4圖4-5圖4-6圖4-7通過仿真多組數(shù)據(jù)，最后得出值為：KP=200，KI=200，KD=60。整個差分方程都是執(zhí)行整數(shù)運算，U(n)，計算開始時U(n-1)=0,e(n-1)=0,e(n-2)=0。每次采樣計算一次e(n)、U(n)，并將e(n)、U(n)保存起來，變成e(n－1)、e(n-2)、U(n－1)，供下一次采樣時刻使用?？刂茣r，一方面取給定值，再對電爐溫度進行采樣，把采樣成果和給定值進行比較而產(chǎn)生偏差e(n)，通過上式進行計算，求出即時控制量U(n)并存入內(nèi)存中。在INT0中斷服務程序中對U(n)進行操作，以控制晶閘管導通時間，達到控制輸出功率目。4.2.4PID軟件設(shè)計流程圖詳細PID