【正文】 含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。 本設(shè)計(jì)充分利用 PC 機(jī) 軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和友好的人機(jī)界面 ,對(duì)溫度進(jìn)行 實(shí)時(shí)曲線顯示 。采用單片機(jī)對(duì)溫度進(jìn)行控制具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大 、精度高 等優(yōu)點(diǎn) 。 本文介紹了一種基于 AT89S52 單片機(jī) 與 PC 機(jī) 串口通信的 溫度 控制系統(tǒng)， 用單片機(jī) 作下位機(jī)完成溫度數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行 PC 機(jī) 發(fā)出的 控制 執(zhí)行命令 。 本設(shè)計(jì)由硬件和軟件二部分組成 ,本文主要進(jìn)行硬件 部分 設(shè)計(jì) 。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。然而，用常規(guī)的控制方法，潛力是有限的，難以滿(mǎn)足較高的性能要求。 首先，控溫度精度要高 。 （ 2） 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況 目前，我國(guó)電阻爐控制設(shè)備的現(xiàn)狀時(shí) 是 小部分比較先進(jìn)的設(shè)備和大部分比較落后的設(shè)備并存?？刂凭炔桓撸坏┥a(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化就需要重新設(shè)置。自然界中任何物理、化學(xué)過(guò)程都緊密地與溫度相聯(lián)系。 溫度 測(cè)控技術(shù)包括溫度測(cè)量技術(shù)和溫度控制技術(shù)兩個(gè)方面。因此，在實(shí)際的測(cè)量中，要根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象選擇合適的測(cè)量方法，在滿(mǎn)足測(cè)量精度要求的前提下盡量減少人力和物力的投入。恒值溫度控制的目的是使被控對(duì)象的溫度恒定在某一數(shù)值上，且要求其波動(dòng)幅度（即穩(wěn) 態(tài)誤差）不能超過(guò)某一給定值。這種開(kāi)關(guān)控溫方法比較簡(jiǎn)單，在沒(méi)有計(jì)算機(jī)參與的情況下 ，用很簡(jiǎn)單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。由于 PID 調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化及誤差積累三個(gè)因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開(kāi)關(guān)控溫法。采用這種方法實(shí)現(xiàn)的溫度控制器，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個(gè) PID 參數(shù)（即比例值、積分值、微分值）。并通過(guò)將智能控制與 PID 控制相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)溫度的智能控制。目前已出現(xiàn) 一種高精度模糊控制器，可以更好的模擬人的操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。 針對(duì)上述不足，本文以探索新的 PID 自整定方法為目的，設(shè)計(jì) 和開(kāi)發(fā)一種新型電阻爐智能溫度控制儀，以簡(jiǎn)化控制電路，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。根據(jù)計(jì)算機(jī)控制理論可知，數(shù)字控制系統(tǒng)的采樣速率并非越快越好，還取決于被控系統(tǒng)的響應(yīng)特性。它是把中央處理器 CPU(Centeral Processing Unit)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM(Random Access Memory)、只讀存儲(chǔ)器 ROM(ReadOnly Memory)、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及 I/0(Input/Output)接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件集 成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)，它的特點(diǎn)是 :功能強(qiáng)大、運(yùn)算速度快、體積小巧、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛。 SoC 芯片通常含有一個(gè)微處理器核 (CPU)，同時(shí)，它還含有多個(gè)外圍特殊功能模塊和一定規(guī) 模的存儲(chǔ)器 (RAM,ROM)，并且這種片上系統(tǒng)一般具有用戶(hù)自定義接口模塊，使得其功能非常強(qiáng)大，適用領(lǐng)域也非常廣。 目前，市面上的單片機(jī)不僅種類(lèi)繁多，而且在性能方面也 各有所長(zhǎng)。但是，經(jīng)典控制方法一般是建立在被控對(duì)象精確或近似的數(shù)學(xué)模型上，而數(shù)學(xué)模型的建立本身就存在許多不足之處，因而其表面上看是精確控制，而實(shí)際上卻是簡(jiǎn)單的控 制器。顯然常 規(guī) PID 控制器是不能滿(mǎn)足這一要求。 0． 5 C 或更高； (五 ) 具有自動(dòng)加熱保護(hù)功能的安全性要 求。片上 Flash 允許 程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)，特選用此款單片機(jī)。每根線可以單獨(dú)用作輸入或輸出。當(dāng)對(duì)外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P0 可用作多路復(fù)用的低字節(jié)地址 /數(shù)據(jù)總線，在該模式，P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。 P1 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上 拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。 ④ P3端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口， P3 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè) TTL 輸入。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P3口還接收一些控制信號(hào)。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這 條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。在單片機(jī)處于外部執(zhí)行方式時(shí)，對(duì) ALE 屏蔽位置“ 1”并不起作用。在對(duì)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 的每次存取中， PSEN 的 2次激活會(huì)被跳過(guò)。當(dāng)執(zhí)行內(nèi)部程序時(shí)， EA應(yīng)接到 Vcc。 （ 2） AT89S52 單片機(jī) 最小系統(tǒng) [4]電路圖如圖 23所示。隨著充電的進(jìn)行，電容器上的電壓不斷上升， RST 上的 電壓就隨著下降， RST 腳上只要保持 10ms 以上高電平，系統(tǒng)就會(huì)有效復(fù)位。當(dāng)外接石英晶振時(shí)，電容C C2選 30Pf177。外接電 C C2 的大小會(huì)影響振蕩器頻率的穩(wěn)定度、 起振時(shí)間及溫度穩(wěn)定性。 （ 4） 單片機(jī)編程 溫度傳感器的選取 目前市場(chǎng)上溫度傳感器較多，有以下幾種： 方案一：選用鉑電阻溫度傳感器，此類(lèi)溫度傳感器線性度、穩(wěn)定性等方面性能都很好， 其成本較高。 比較以上三種方案，方案三具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此選用方案三。C ，在 10～ +85176。DS1822 的精度較差為 177。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。2176。并具有負(fù)壓特性，即當(dāng)電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)雖然不會(huì)正常工作，但卻不會(huì)因發(fā)熱而燒毀?！? （ 6）可編程的分辨率為 9～ 12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃和 ℃ ，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫 。 二、 DS18B20 的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。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(hào)送給計(jì)數(shù)器 1。圖 26中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 圖 24 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 25 DS18B20 引腳圖 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 14 （ 2） DS18B20 中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃/LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。 （ 4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下： 表 25：配置寄存器結(jié)構(gòu) 低五位一直都是 1， TM 是測(cè)試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測(cè)試模式。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表 1 所示。 表 27： DS18B20 暫存寄存器分布 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作，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(duì) DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。 2) 在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問(wèn)題，容易使人誤認(rèn)為可以?huà)烊我舛鄠€(gè) DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一種是通過(guò)改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)。 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 18 圖 27 功率調(diào)節(jié)方式比較 通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)：相位控制的電壓波形不“規(guī)整”，但正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，無(wú)直流成分，可直接用于電感負(fù)載。但通斷控制也存在抗電源干擾能力弱等缺點(diǎn)。與普通繼電器一樣，它的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間是電絕緣的。因此 SSR 作為自動(dòng)控制的執(zhí)行部件得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。工作基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 19 時(shí)只要在 A、 B 上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制 C、 D 兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開(kāi)關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為 A、 B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入 /輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開(kāi) SSR 中輸入端和輸出端之間的 (電 )聯(lián)系，以防止輸出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入 /輸出端間的絕緣 (耐壓 )等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使 SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即 受“ 1”與“ 0”的邏輯電平控制。吸收電路是為防止從電源中傳來(lái)的尖峰、浪涌 (電壓 )對(duì)開(kāi)關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾 (甚至誤動(dòng)作 )而設(shè)計(jì)的，一般是 用“ RC”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻 (壓敏電阻器 )。比如 IEEE488 定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過(guò) 20 米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò) 2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá) 1200 米（ RS485）。其他線用于握手，但是不是必須的。例如300 波特表示每秒鐘發(fā)送 300 個(gè) bit。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始 /停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位 。由于數(shù)據(jù)是在基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 20 傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位 1，這樣就有 3 個(gè)邏輯高位。 RS232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL電平到 RS232電平再返回 TTL電平。所以 RS232適合本地設(shè)備之間的通信。 MCS51 串行口的發(fā)送和接收時(shí)鐘可由兩種方式產(chǎn)生 ，一種是由主機(jī)頻率 fosc 經(jīng)分頻后產(chǎn)生，另一種方式是由內(nèi)部定時(shí)器 T1 或 T2的溢出率經(jīng) 16分頻后提供。 CPU響應(yīng)中斷，用一條指令（ MOV A， SBUF）把接收緩沖器 SBUF（收）的內(nèi)容讀入累加器。串行口對(duì)外有兩條獨(dú)立的收發(fā)信號(hào)線 RXD（ ）、 TXD（ ），因此可以同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全雙工。在這種工作方式下，發(fā) 送和接收串行數(shù)據(jù)都通過(guò) RXD（ ）進(jìn)行，從 TXD（ ）輸出移位脈沖，控制外部的移位寄存器移位。波特率為振蕩頻率的 1/64 或 1/32。 四、連接 由于串口用的是 TTL 電平，和 RS232 電平不同，因此，單片機(jī)和 PC通信時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，常用的 IC 是 MAX232,連接圖如圖 211 所示，其中 MAX232 供電腳為＋ 5V，中間連接的電解電容取 50V 1UF。 電源供電 電路[10]如圖 212 所示 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 圖 212 系統(tǒng)供電電源總體電路圖 系統(tǒng)特點(diǎn) 基于上述功能要求及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強(qiáng)、抗千擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。 C， 在 10~+85176。 DS18B20 的精度較差為177。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 第三章 系統(tǒng) 軟件 簡(jiǎn)介 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具介紹 本系統(tǒng)中單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具采用 。 主程序流程圖如下圖 31， 下位機(jī)通信程序流程圖 如下圖 32 圖 31 主程序流程圖 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 圖 32 下位機(jī)通信程序流程圖 軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)介及界面 VB是微軟公司出品的一個(gè)快速可視化程序開(kāi)發(fā)工具軟件，借助微軟在操作系統(tǒng)和辦公軟件的壟斷地位， VB 在短短的幾年內(nèi)風(fēng)靡全球。它在 windows 平臺(tái)上提供了圖形用戶(hù)界面（ GUI）的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ IDE）。 Visual Basic 提供了許多現(xiàn)成的字符串處理函數(shù)。當(dāng)你在 Visual Basic 的代碼窗口敲進(jìn)對(duì)象名稱(chēng)的時(shí)候 IntelliSense 技術(shù)會(huì)自動(dòng)向你顯示一些相關(guān)的信息，例如對(duì)象的屬性和方法等。 硬件調(diào)試主要是針對(duì)主控板中單片機(jī)模塊和外部輸入、輸出模塊進(jìn)行調(diào)試。對(duì)于其他器件則可利用萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。 繼電器的檢測(cè)，給繼電器的線圈兩端加一合適的電壓，可以 看到指示燈亮 。只要將一個(gè)表筆固定在電源端或接地端，另儀表筆接其他連接點(diǎn)，指針偏轉(zhuǎn)到 0 刻度就是通路的。本次調(diào)試需要通過(guò)軟硬件聯(lián)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。加熱控制口為 口 ,要使加熱電路動(dòng)作 ,可以直接給 ,即程序直接將 1,這樣就使三極管導(dǎo)通 ,繼電器線圈動(dòng)作 ,觸電吸合 ,加