【正文】 的作用。 因?yàn)?溫度測量的普遍性， 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 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(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 測量則是對(duì)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(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。 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(dòng)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 。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ３ 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 DS18BAT89C51 單片機(jī) 和 LED的硬件電路完成對(duì)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(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)單元作為最后檢測信號(hào)，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(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)成大型溫度測控系統(tǒng)時(shí)在單線上掛接任意多個(gè)DS18B20芯片。從 DS18B20讀出或?qū)懭?DS18S20 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(dòng)啟動(dòng)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 30℃ ～ 90℃ 。 （ 3）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。 （ 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。 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)。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(dòng)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(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： 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ４ ss eTKs ???? 1)(G （ 11） 方案一（見圖 11） 數(shù) 據(jù) 采 集 信 號(hào) 放 大溫 度 預(yù) 設(shè)比較器信號(hào)放大繼電器負(fù)載 圖 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(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)，也不能使用鍵盤進(jìn)行設(shè)定 。 方 案二（見圖 12） 信號(hào)采集信號(hào)放大溫 度 預(yù) 設(shè)上 限 比 較下 限 比 較信號(hào)處理繼電器負(fù)載 圖 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 。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ５ 方案三（見圖 13） 鍵 盤 設(shè) 定A T 8 9 C 5 1單 片 機(jī)數(shù) 據(jù) 采 集數(shù) 據(jù) 顯 示光 電 耦 合 可 控 硅 負(fù) 載 圖 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(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(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。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ６ 第 2 章 設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 本設(shè)計(jì)系統(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 。 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(chǔ)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 MCS8051 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 MCS51 系列單片機(jī)，而且 還 能使系統(tǒng)具有許多 MCS8051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(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(jí)程序存儲(chǔ)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 MCS51 系列單片機(jī)的所 具 有優(yōu)點(diǎn)。 1288 位 的 內(nèi)部 RAM, 32 位雙向輸入輸出 總 線 , 兩個(gè)十六位 可編程 定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器 , 5 個(gè)中斷源 , 兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí) 控制 , 一個(gè)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(gè) 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(huì) 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 。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ７ MOC3041 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(huì)在晶閘管導(dǎo)的通瞬間會(huì)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(huì)改變電壓的波形而是改變的只是電壓全波通過的次數(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 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 。 654123過 零 比 較M A I N T E R MA N O D EC A T H O E D N C *N C M A I N T E R M 圖 M0C3041 邏輯引腳圖 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) PN結(jié)構(gòu)成 ,由外層的 P 極與 N 極引出兩個(gè)電極 ,分別稱為陽極與陰極 ,由中間的 P 極引出一個(gè)可控硅的控制極 G 極 。 單向的可控硅有其獨(dú)特的特性為 :當(dāng)陽極被接反向電壓 ,或者陽極被接正向?yàn)H坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ８ 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(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)不論控制極有沒有控制電壓 ,也不論控制極的控制電壓的極性是 如何 ,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 T T 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 。 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 40~125℃ Tj—— 結(jié)溫 40~125℃ PGM—— 峰值門極功耗 5W VDRM—— 重復(fù)峰值斷態(tài)電壓 600V IT（ RMS） —— RMS通態(tài)電流（ Ta=89℃） 8A VGM—— 峰值門極電壓 10V IGM—— 峰值門極電流 ITSM—— 浪涌通態(tài)電流 (一個(gè)周期 50/60HZ,峰值 ,不重復(fù) ) 80/88A VISO—— 絕緣擊穿電壓（ RMS，交流 1 分鐘 1500V ） 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，簡化了電路的設(shè)計(jì)和程序的編寫，提高