【正文】 通運輸、國防建設(shè)和空問技術(shù)等各個領(lǐng)域。 本溫度控制系統(tǒng)為以 89C51 單片機為核心，使用 DS18B20 傳感器實現(xiàn)了對溫度實時監(jiān)測并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機，實現(xiàn)了控制的智能化。在計算差值方面本系統(tǒng)采用了位置式 PID 控制技術(shù)，可以使溫度更精確地保持在設(shè)定的溫度上。 輸出 部分采用 PWM 控制 固態(tài)繼電器 的通斷 以實行對溫度的控制 ；顯示部分用 LED 顯示出測量值和設(shè)定值，使管理更直觀。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 第 1章 總體方案設(shè)計 167。 系統(tǒng)總體目標(biāo) 本課題將設(shè)計一個集測量、顯示、控制于一體的溫度控制系統(tǒng)。由DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)，并可直接與單片機進行數(shù)字傳輸；配有按鍵，用于提高 /降低設(shè)定溫度值； PID 控制用于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；控制電路部分采用 PWM 控制 固態(tài)繼電器 的通斷以實行對溫度的連續(xù)控制 ；配有數(shù)碼管 LED 用來顯示測量和設(shè)定溫度。 167。 系統(tǒng)方案總圖 總體設(shè)計應(yīng)該全面考慮系統(tǒng)的總體目標(biāo)，進行硬件初步選型，然后確定一個系統(tǒng)的草 案，同時考慮軟硬件實現(xiàn)的可行性?？傮w方案經(jīng)過反復(fù)推敲，確定了以美國 Atmel 公司推出的 51系列單片機為溫度智能控制系統(tǒng)的核心，并選擇集成數(shù)字傳感器、固態(tài)繼電器控制電路、數(shù)碼顯示器等元件，總體方案如圖 11。 圖 11 總體方案 選用 89C51 單片機為中央處理器， 通過按鍵增大或者減小設(shè)定 溫度值。使用數(shù)字溫度傳感器對控制現(xiàn)場進行溫度采集，傳感器 將采集到的數(shù)據(jù)信號傳送給單片機， 單片機對數(shù)據(jù)進行顯示，同時調(diào)用位置式 PID 算法，在控制周期一定時， PID 的結(jié) 果決定加熱電路的通斷時間。 89 C 51 溫度傳感器 按鍵控制 顯示 驅(qū)動電路 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 167。 實驗方案 用按鍵調(diào)整設(shè)定 溫度值，用 LED 實時顯示實際和設(shè)定 溫度， 控制電路部分采用 PWM 控制 固態(tài)繼電器 的通斷以實行對溫度的連續(xù)控制 。 基于 proteus和 keil 的聯(lián)合調(diào)試仿真測試平臺，對所設(shè)計的軟、硬件進行調(diào)試和仿真。Proteus 的 ISIS 是一款專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng) ， 該軟件的特點： ① 全部滿足我們提出的單片機軟件仿真系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，并在同類產(chǎn)品中具有明顯的優(yōu)勢。 ② 具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動態(tài)仿真、 I2C 調(diào)試器、 SPI 調(diào) 試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。 ③ 目前支持的單片機類型有： 68000 系列、 8051 系列、 AVR 系列、 PIC12系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、 HC11 系列以及各種外圍芯片。 ④ 支持大量的存儲器和外圍芯片?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大 ，可仿真 5 AVR、 PIC。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 167。 硬件單元方案設(shè)計與選擇 167。 溫度傳感器選擇 溫度傳感器依據(jù)自身材料的特點可以將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?目前我們常見的溫度傳感器主要有熱電偶、熱敏電阻、電阻式溫度探測器 (RTD)和集成溫度傳感器。 方案 1：采用熱敏電阻，這種電阻是利用對溫度敏感的半導(dǎo)體材料制成的，其阻值隨溫度變化有明顯的改變。負溫度系數(shù)熱敏阻電通常是、鈷的氧化物燒制成半導(dǎo)體由陶錳瓷制成。其特點是，在工作范圍內(nèi)阻值隨溫度聲高而降低。可滿足 40℃ ~90℃測量范圍。但熱敏電阻精度、重復(fù)性、可靠性較差，線性度差，不能直接用于 A/D 轉(zhuǎn)換，應(yīng)該用硬件或軟件對其進行線性補償。 方案 2：采用集成溫度傳感器，如常用的 AD590 和 LM35。 AD590 型溫度傳感器 。這種器件以電流作為輸出量指示溫度，其典型的電流溫度靈敏度是1uA/K。它是二端器件，使用非常方便，作為一種高阻電流源，它不需要嚴(yán)格考慮傳輸線上的電壓信號損失和噪生干擾問題，而且不必考慮選擇開關(guān)或CMOS 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)所引起的附加電阻造成的誤差。由于采用了一種獨特的電路結(jié)構(gòu)，并利用最新的薄膜電阻激光微調(diào)技術(shù)校準(zhǔn)，使得 AD590 具有很高的精度。其不足之處在于溫度范圍有限，并且需要一個外部參考源。 方案 3：采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20,與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比 , 他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的 編程實現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在 和 750ms 內(nèi)完成 9 位和 12 位的數(shù)字量 , 并且從 DS18B20讀出的信息或?qū)懭?DS18B20的信息僅需要一根口線 ( 單線接口 ) 讀寫 , 溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線 , 總線本身也可以向所掛接的 DS18B20供電 , 而無需額外電源。因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單 ,可靠性更高，成本更低。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 方案選擇：選擇方案 3。理由： DS18B20 傳感器精度高、互換性好 。它直接將溫度數(shù)據(jù)進行編碼 , 可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù) , 通信方便 , 傳輸距離遠且抗干 擾性好 。 與用傳統(tǒng)溫度傳感器組成的多點測溫系統(tǒng)相比可節(jié)省大量電纜 , 而且系統(tǒng)得以簡化 , 系統(tǒng)擴充維護十分方便。 167。 數(shù)字顯示部分 通常的 LED 顯示有 7 段或 8 段和“米”字段之分。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極 LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極 LED 顯示器的工作原理也一樣。 方案 1：采用動態(tài)顯示方式。當(dāng)多位 LED 顯示時，通常將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個 8 位 I/O 口控制，形成段選線的多路復(fù)用 。而各位的共陰極分別有相應(yīng)的 I/O 口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。若要各位LED 能顯示相應(yīng)的字符，就必須采用掃描的方式，即在某一時刻，只讓某一位的為選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉的狀態(tài)，同時，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段碼。這種顯示方式需要占用大量的 CPU 資源，當(dāng) CPU 處理別的事情時，可能出現(xiàn)閃爍或者不顯示的情況。 方案 2：靜態(tài)顯示方式。 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極接地；每位的段選線分別與一個 8 位鎖存器的輸出口相連，顯示器中的各位相互獨立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)所 存的輸出將維持不變。正因為如此，靜態(tài)顯示器的亮度高。該顯示方式編程容易，管理也較簡單，但占用 I/O 口線資源較多。 方案 3：串行口擴展顯示方式。顯示器由 5 個共陰極 LED 數(shù)碼管組成，只需占用 2 個 I/O 口。輸入只有兩個信號，它們是串行數(shù)據(jù)線 DIN 和移位信號 CLK 。 5 個串 /并移位寄存器芯片 74LS164 首尾相連。每片的并行輸出作為 LED 數(shù)碼管的段碼。 74LS164 為 8 位串入并出移位寄存器， 2 為串行輸入端， Q0～ Q7 為并行輸出端， CLK 為移位時鐘脈沖，上升沿移入一位；MR 為清零端，低 電平時并 行輸出為零。這種顯示方式 幾乎不占用 CPU 資源，節(jié)約 CPU 使用率。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 方案選擇：選擇方案 3。理由：方案 3 的串行口擴展顯示方式十分節(jié)約I/O 口，且無需 CPU 不停地掃描，頻繁地為顯示服務(wù)，節(jié)省了 CPU 時間，軟件設(shè)計也比較簡單。 167。 單元電路設(shè)計 167。 單片機最小單元設(shè)計 單片機選用 Atmel 公司的單片機芯片 AT89C51 ,完全可以滿足本系統(tǒng)中要求的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。 單片機的選擇在整個系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要，該單片機與 MCS51 系列單片機高度兼容、低功耗、可以在接近零頻率下工作等諸多優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于 各類計算機系統(tǒng)、工業(yè)控制、消費類產(chǎn)品中。 AT89C51 是 AT89 系列單片機中的一種精簡產(chǎn)品，具有比 80C31 更豐富的硬件資源，特別是其內(nèi)部增加的閃速可電改寫的存儲器 Flash ROM 給單片機的開發(fā)及應(yīng)用帶來了很大的方便。 AT89C51 為很多規(guī)模不太大的嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種極佳的選擇方案。該型號單片機包括 : ①一個 8 位的微處理器 (CPU)。 ②片內(nèi)有 4K 字節(jié)的程序存儲器 Flash ROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。 ③片內(nèi) 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM/SFR,用以存放可以讀 /寫的數(shù)據(jù)，如運算的中 間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲現(xiàn)實的數(shù)據(jù)等。 ④兩個 16 位定時器 /計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制。 ⑤ 4 個 8 位并行 I/O 端口 P0～ P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。 ⑥五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)。 ⑦一個全雙工 UATR(通用異步接收發(fā)送器 )的串行 I/0口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 ⑧片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許震蕩頻率為 12MHz。 ⑨ 89C51 單片機與 8051 相比 ，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式及掉電方式 89C51 單片機引腳簡介： XTAL1(19 腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端。在片內(nèi)，它是震蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。 XTAL2（ 18 腳）：接外部晶體和微調(diào)電容的一端。在 89C51 片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，震蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。若須采用外部時鐘電路，則該引腳懸空。要檢查 89C51 的震蕩電路是否正常工作，可以用示波器查看 XTAL2 端是否有脈沖信號輸出。 RST（ 9 腳）： RST 是復(fù)位信號輸入端，高電平有 效。當(dāng)此輸入端保持兩個機器周期（ 24個時鐘震蕩周期）的高電平時，就可以完成復(fù)位操作。 ?? （ 31 腳）：當(dāng)該引腳接高電平 ,CPU 只訪問片內(nèi) Flash ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令；但當(dāng) PC（程序計數(shù)器）的值超過 0FFFH（對 89C51為 4KB）時，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi)的程序。 P1 端口 (～ )： P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。P1 端口的輸出緩沖器可驅(qū)動 4 個 TTL 輸入。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可 用作輸入端口。 P1 端口做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對Flash ROM 編程和程序校驗時， P1 接受低 8 位地址。 P2 端口 (～ )： P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。P1 端口的輸出緩沖器可驅(qū)動 4 個 TTL 輸入。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入端口。 P2 端口做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器和 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2送出高 8位地址 。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口引腳上的內(nèi)容，在整個訪問期間不會改變。在對 Flash ROM 編程和程序校驗時， P2 也接受高位地址和一些控制信號。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 P3 端口 (～ )： P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。P1 端口的輸出緩沖器可驅(qū)動 4 個 TTL 輸入。對端口寫 1 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入端口。 P2 端口做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 在 89C51 中， P3 端口還用于一些復(fù)用功能。如 的復(fù)用功能是： 0???（外部中斷）等。在對 Flash ROM 編程和程序校驗時， P3也接受一些控制信號。 本系統(tǒng)采用的是手動復(fù)位和上電自動復(fù)位組合，其電路圖見圖 21。在通電瞬間，電容 C 通過電阻 R 充電 ,RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。只要電源VCC 的上升時間不超過 1ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位，即按鈕閉合瞬間就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。 圖 2－ 1 單片機最小單元電路 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 167。 溫度傳感器電路 溫度傳感器選用 DSl8B20 ,其引腳分布如圖 22 所示。 圖 22 DS18B20 引腳圖 : NC(1 、 2 、 6 、 7 、 8 腳 ) :空引腳 ,懸空不使用 。 VDD(3 腳 ) :可選電源腳 ,電源電壓范圍 3～ 5. 5V。 DQ (4 腳 ) :數(shù)據(jù)輸入 / 輸出腳 ,漏極開路 ,常態(tài)下高電平。 DSl8B20 的核心功能部件是它的數(shù)字溫度傳感器 ,其分辨率可配 置為 11 和 12 位 ,出廠默認(rèn)設(shè)置為 12 位分辨率 ,對應(yīng)的溫度值分辨率分別為、 、 和 。 DS18B20 中有