【正文】 來，以單片機為核 心 的空調(diào)器溫度控制器，采用了 PID 調(diào)節(jié)，構(gòu)成一個閉環(huán)連續(xù)控制系統(tǒng)。 由于該系統(tǒng)的被控對象是房間的溫度場，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型很難確定，而 PID 調(diào)節(jié)器 參數(shù)的整定在很大程度上依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，兩者的矛盾很難統(tǒng)一。 近年來，渦旋壓縮機的誕生，變頻技術(shù)的完善 及模糊控制技術(shù)的應(yīng)用，使空調(diào)器的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)實現(xiàn)了更新?lián)Q代 。 變頻模糊控制空調(diào)器通過模糊控制技術(shù)使空調(diào)器控制系統(tǒng)具有自整定的智能特性，實現(xiàn)了空調(diào)器的工作狀態(tài)隨著用戶要求及環(huán)境狀態(tài)的變化而自動變化，迅速準(zhǔn)確達到用戶的要求，并使空調(diào)器的工作保持在最合理的狀態(tài) 【 15】 。 、 目前，國內(nèi)外針對溫控系統(tǒng)的研究已經(jīng)日臻完善，控制精度和效果、穩(wěn)定性都達到了較高的水平。溫控系統(tǒng)發(fā)展趨勢：采用復(fù)合控制方式， 當(dāng)偏差大時采用模糊控制，而偏差小且趨于平穩(wěn)時，采用 PID控制 。其必有廣闊的應(yīng)用前景 【 2】 。 系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法有很多種，在 測溫方面，如利用熱電偶測取電爐的溫度，經(jīng) AD 轉(zhuǎn)化為數(shù)字量， 熱電偶是將兩根不同的導(dǎo)體的一端焊接（或粘合）而成，這兩根導(dǎo)體稱做熱電極，其焊接端為熱電偶的熱端即測量端，非焊接端為冷端或參考端。在進行溫度測量時，熱電偶的熱端感受被測介質(zhì)溫度，而冷端常需置于恒定的溫度下，由冷熱兩端溫差所產(chǎn)生的熱電勢的大小反映出被測溫度的大小。由于熱電勢和溫度之間的特性為非線性，使采用熱電偶測溫精確讀出被測溫度值較為困難。其測量溫度的最低可測零下 270 攝氏度 ,最高可達 1800 攝氏度 【 3】 。 、 再如采用數(shù)字式溫度傳感器，是本課題電爐溫控 系統(tǒng)中將采用的測溫方法。 利用單片機實現(xiàn)對固體繼電器的控制，采用固體繼電器的控溫電路，是一種穩(wěn)定的、可靠的控制方法 【 1】 、 。 、 本課題研究的背景及意義 在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如：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、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各行業(yè)對溫度的控制精度要求越來越高，對溫控系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求越來越嚴(yán)格。 中國計量學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 采用單片機來對溫度進 行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題 。 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片微型計算機的功能也不斷增強，許多高性能的新型機種不斷涌現(xiàn)出來。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，稱為自動化和各個測控領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。在溫度控制系統(tǒng)中，單片機更是起到了不可替代的核心作用 【 1】 。在工業(yè)生產(chǎn)如：用于熱處理的加熱爐、用于融化金屬的坩鍋電阻爐等，在日常生活中如：熱水器、電熱毯等等，都用到了電阻加熱的原理。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，在工業(yè)中，上述設(shè)備對溫度的控制要求越來越高，隨著人們生活水平的提高，對日常用品的自動化也提出了更高的要求，單片機的不斷更新?lián)Q代，滿足了上述的要求，達到自動控制品質(zhì)的目的。 本課題研究的主要 思路 根據(jù)要求，加熱液體溫度誤差小于177。 3℃，由此確定采用 PWM 輸出控制， 實現(xiàn)加熱液體 升溫并使溫度恒定。 具體設(shè)計方案如： 以單片機為核心，采用 DS18b20 溫度傳感器實現(xiàn)溫度的采集 ，由按鍵設(shè)定控制目標(biāo)溫度，通過采樣值和設(shè)定值比較， 調(diào)整控制電爐的電壓脈寬 ，并由 固體繼電器驅(qū)動電爐 ， 從而 實現(xiàn)對電爐溫度的實時控制。 設(shè)計方案需滿足如下三點要求： ① 設(shè)計電路的溫度控制方案 ,通過軟硬件調(diào)試實現(xiàn)對電爐的溫度控制 。 ②使用電爐對裝有液體的容器加熱 ,液體溫度誤差小于177。 3℃ 。 ③ 溫度的實時測量顯示 ,越限報警 。 中國計量學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 硬件電路主要由數(shù)字溫度傳感器及控制電路 、 鍵盤控制 、 溫度顯示 報警 電路 、加熱驅(qū)動電路以及指示電路 、 電源電路 等組成 。 系統(tǒng)的 硬件結(jié)構(gòu) 框圖如 圖 所示。 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)設(shè)計 原理圖 附錄 A。 中央處理器電路 系統(tǒng)采用 AT89S52單片機及其外圍電路構(gòu)成中央處理器電路。 AT89S52 是一個低功耗 ,高性能 CMOS 8 位單片機 ,片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem 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) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu) 。 AT89S52 管腳圖如圖 。 圖 AT89S52管腳圖 中國計量學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 AT89S52 具有如下特點： 40個引腳 ,8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器 ,256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） ,32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口 ,5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷 ,2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口 ,看門狗（ WDT）電路 ,片內(nèi)時鐘振蕩器。 控制系統(tǒng)采用 5V電源電壓， 單片機 接 12MHz晶振。 對于 AT89S52 在控制系統(tǒng)中使用到的管腳說明如下： P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能 驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。此外， 和 分別作定時器 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體如表 所示。 表 P1口介紹 引腳號 第二功能 T2（定時器 /計數(shù)器 T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“ 1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR）時， P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強的 內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時， RST 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復(fù)位。 EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令， EA 必須接 GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， EA 應(yīng)該接 VCC。在 flash編程期間， EA 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的 輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 中國計量學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 系統(tǒng)電源電路 系統(tǒng)采用外部輸入電源為直流 9V 電源 , 經(jīng)濾波電容、 7805 三端 穩(wěn)壓 集成塊 后穩(wěn)壓 為 穩(wěn)定的＋ 5V 電源，用一個發(fā)光二極管指示燈指示電源狀態(tài)。 電源電路圖 如圖 。 圖 該電源電路 為 AT89S52 單片機、 74LS16 DS18b20 以及整個控制系統(tǒng)提供電源。例如： DS18b20 電源電壓 需 保持在 5V 左右，若電源電壓過低，會使所測得的溫度與實際溫度出現(xiàn)偏高現(xiàn)象，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，一般在 5V左右。 溫度采集電路 溫度采集電 路采用數(shù)字溫度傳感器 DS18b20， DS18B20 是 DALLAS 公司的最新單線數(shù)字溫度傳感器，支持 “ 一線總線 ” 接口的溫度傳感器， 其 測量溫度范圍為－ 55～＋ 125℃ ，在－ 10～＋ 85℃ 范圍內(nèi)，精度為 177。 ℃ ，現(xiàn)場溫度直接以 “ 一線總線 ” 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性 DS18B20 可以程序設(shè)定 9～12位的分辨率，精度為 177。 ℃ 。 由于電爐溫控系統(tǒng)要求對裝有液體 的容器 加熱， 系統(tǒng)設(shè)計時默認(rèn)加熱液體為為 1L 水，而 水溫范圍為 0～＋ 100℃ ，故采用 數(shù)字溫度傳感器 DS18b20，實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的實時采集。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由 4 部分組成： 64 位光刻 ROM，溫度傳感器，非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH和 TL，配制寄存器。 DS18B20 的管腳排列如圖 所示。 圖 DS18B20的管腳排列 其管腳功能描述如表 。 表 DS18B20的管腳 功能 序號 名稱 引腳功能描述 中國計量學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 1 GND 地信號 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。 當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S 為符號位。如表 12 位轉(zhuǎn)化后得到 12位數(shù)據(jù) 。 表 12位轉(zhuǎn)化后得到 12位數(shù)據(jù) 表 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的 2 個 8b 的 RAM 中，二進制中的前面 5位是符號位，如果測得的溫度大于 0℃ ，則這 5 位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實現(xiàn)溫度，如果溫度小于 0℃ ，則這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 。 本溫控系統(tǒng) 設(shè)計 中，由于水溫范圍為 0～＋ 100℃ ，故在軟件設(shè)計中，只需直接 乘于 即可得到實時 溫度 ，并通過 軟件 和硬件支持， 將溫度實時顯示。 使用 DS18B20 溫度傳感器，首先要熟悉其工作流程，具體說明如下： CPU 對 DS18B20 的訪問流程是：先對 DS18B20 初始化，再進行 ROM 操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù) 傳輸 。 DS18B20 每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對 DS18B20 進行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM指令，這樣才能對 DS18B20 進行預(yù)定的操作。 ① 初始化 每次操作對 DS18B20 之前都要對其初始化。初始化過程包括單片機發(fā)送復(fù)位脈沖， DS18B20 回送存在脈沖。如果存在，則可進行其它操作， 否則可進行重新復(fù)位判斷。初始化時序如下圖 。 中國計量學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 初始化的 C語言程序如下： void Init_DS18B20(void) {unsigned char x=0。 DQ = 1。 //DQ 復(fù)位 delay(8)。 //稍做延時 DQ = 0。 //單片機將 DQ 拉低 delay(80)。 //精確延時 大于 480us DQ = 1。 //拉高總線 delay(14)。 x=DQ。 //稍做延時后 如果 x=0 則初始化成功 x=1 則初始化失敗 delay(20)。} 其中的延時程序 void delay(unsigned int i) {while(i)。} 對 DS18B20初始化后， 初始化完成后即可發(fā)送 ROM命令，包括搜索 ROM 命令(FOH)、讀 ROM 命令 (33H)、符合 ROM 命令 (55H)、跳過 ROM 命令 (CCH)及報警搜索命令 (ECH)。隨后即可發(fā)送功能命令，包括溫度變換命令 (44H)、寫暫存器 (4EH)讀暫存器 (BEH)命令等。 DS18B20將在收到復(fù)位脈沖后 15～ 60us后將總線拉低 60～240us 作為存在脈沖，故主機需等待 15～ 60us讀取存在脈沖。讀寫時序分別包括“寫 1”“寫 0”時序和“讀 1”“讀 0”時序。所有讀寫時序必須經(jīng)過至少 60us且在各個讀寫時序之間要有 1us的恢復(fù)時間。 ② 執(zhí)行 ROM指令 在進行溫度轉(zhuǎn)換讀取指令之前，先要執(zhí)行 5個 ROM指令中的一個，每個指令都是 8位。由于每個 DS18B20都有唯一一個的 64位序列號，因此多個 DS18B20可以掛接在一條數(shù)據(jù)總線上進行多點測溫而數(shù)據(jù)互不干擾。如果只掛接一個 DS18B20，則可執(zhí)行跳過 ROM（ CCH）指令以節(jié)省時間。 本 溫度控制 系統(tǒng) 設(shè)計 中，只需要一個 DS18B20溫度傳感器，故在程序 編寫時 ， 中國計量學(xué)院畢業(yè)