【正文】 ..................................................... 33 Proteus ISIS 編輯環(huán)境 ......................................................................................... 34 系統(tǒng)的原理圖輸入 ............................................................................................. 35 Keil μVision3 與 Proteus 聯(lián)合調(diào)試 ..................................................................... 37 總 結(jié) ........................................................................................................................................... 41 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................................... 42 致 謝 ....................................................................................................................................... 43 附 錄Ⅰ :全局電路圖 ................................................................................................................... 44 附 錄Ⅱ :程序清單 ....................................................................................................................... 45 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒 論 引言 隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)各種信息參數(shù)的準(zhǔn)確度和精確度的要求都有了幾何級(jí)的增長，而如何準(zhǔn)確而又迅速的獲得這些參數(shù)就需要受制于現(xiàn)代信息基礎(chǔ)的發(fā)展水平。最常見到的測(cè)量溫度的工具是各種各樣的溫度計(jì)，例如，水銀 玻璃溫度計(jì)，酒精溫度計(jì)，熱電偶或熱電阻溫度計(jì)等 [1]。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。單片機(jī)在家用電器業(yè)中應(yīng)用得十分廣泛：例如全自動(dòng)洗衣機(jī)、智能玩具；除了上述傳統(tǒng)領(lǐng)域外，汽車、電子工業(yè)在國外也是單片機(jī)應(yīng)用十分廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。 單片機(jī)及溫 度控制的研究方向和現(xiàn)狀 溫度控制是自動(dòng)控制經(jīng)常討論的課題之一，它代表了一類自動(dòng)控制的方法。溫度的測(cè)控技術(shù)已由模擬測(cè)控技術(shù)逐漸讓位與以單片機(jī)為主的微處理器測(cè)控技術(shù)，形成數(shù)字與模擬混合的測(cè)控系統(tǒng)和純數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用，并正向全數(shù)字測(cè)控方向快速發(fā)展。而現(xiàn)在單片機(jī)在農(nóng)業(yè)上也有了很多的應(yīng)用。我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測(cè)，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測(cè)，如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和控制。 第二章：主要通過敘述設(shè)計(jì)的整體思路，論證 不同方案之間的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述如何將單片機(jī)、溫度傳感器、液晶顯示屏 等結(jié)合在一起以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 最后， 設(shè)計(jì) 總結(jié)。℃ 。 6． 做出相應(yīng)溫度控制。在溫度檢測(cè)方面，下面將列出兩種在日常生活中和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的實(shí)現(xiàn)方案。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是它們也存在著輸出 電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)，并且這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路 相對(duì)復(fù)雜 。系統(tǒng)框圖如圖 所示： 圖 熱電偶溫差電 路測(cè)溫系統(tǒng)框圖 方案二 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測(cè)量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。 DS18B20 的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 和微控制器 STC89C52 構(gòu)成的溫度測(cè)量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。 如圖 所示，利用 STC89C52 芯片控制溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)并用LCD1602 顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。同時(shí)改進(jìn)控制算法，采用先進(jìn)的 PID 控制算法，就可以省去建立繁瑣的數(shù)學(xué)模型，而且控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定與精確。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)顯示溫度計(jì)工作的實(shí)時(shí)時(shí)間，方便用戶進(jìn)行簡(jiǎn)單的人機(jī)對(duì)話。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路，省卻了采樣 /保持電路、運(yùn)放、數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長距離傳輸時(shí)的串 /并轉(zhuǎn)換電路，簡(jiǎn)化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的 PID 控制過程是應(yīng)用最多的控制規(guī)律，現(xiàn)在仍然在各種過程控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，在 DCS 以及邏輯控制為主體的大型 PLC 系統(tǒng)中，均設(shè)有 PID 控制模塊 [3]。 PID 控制作用 PID 是比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)3 個(gè)控制作用的組合。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。 3． 微分 (D)控制： 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 項(xiàng) ” 往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤 差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。但是這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中比較麻煩。最后根據(jù) T， PK ， IT ， DT 諸參數(shù)優(yōu)選的結(jié)果選一組最佳值即可。并且在到達(dá)報(bào)警溫度后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。使用 8051 內(nèi)核的單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度全程的自動(dòng)控制，而且 8051內(nèi)核的單片機(jī)易于學(xué)習(xí)、掌握，性能價(jià)格比高。它集 Flash 程序存 儲(chǔ)器既可在線編程(ISP)，也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程，所以低價(jià)位單片機(jī)可為提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，對(duì)于簡(jiǎn)單的測(cè)溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 STC89C52RC 的引腳 另外， STC89C52RC 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。 32 位的 I/O 口線能夠使得單片機(jī)與溫度顯示器、溫度傳感器、鍵盤、報(bào)警電路、按鍵電路和溫度控制電路等等連接變得可能。因此，對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，選擇 STC89C52RC 是最有利的。 P0 口 (39~32)： P0 口為一個(gè) 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口，每個(gè)管腳可吸收 8TTL 門電流。 P1 口 (1~8)： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。作為輸入時(shí)， P2 口的管腳電位被外 部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P3 口 (10~17)： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。 RST(9)：復(fù)位輸入。 PSEN(29)：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 XTAL1(19)：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。目前國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、集成化、智能化等方向發(fā)展。以 上兩種溫度傳感器測(cè)溫范圍寬、可以在高溫場(chǎng)合工作、體積較大、成本較高。 NTC 熱敏電阻阻值隨溫度的變化符合指數(shù)規(guī)律，其最大的缺點(diǎn)也在于它的非線性，一般需要經(jīng)過線性化處理，使輸出電壓與溫度之間基 本 上成線性關(guān)系。半導(dǎo)體溫度傳感器很容易制成集成溫度傳感器。 模擬溫度傳感器：模擬溫度傳感器輸出模擬信號(hào) （ 電壓或電流 ） 。電流輸出溫度傳感器的主要特點(diǎn)是輸出阻抗高，輸出電流不受傳輸線路電壓降和電壓噪聲的影響，且對(duì)電源電壓脈沖和漂移具有很強(qiáng)的抑制能力。邏輯溫度傳感器可由傳統(tǒng)的傳感器和比較器組合或集成而成。數(shù)字溫度傳感器目前有單線輸出和多線輸出等形式。由微處理器將溫度傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成真實(shí)溫度值，再進(jìn)行進(jìn)一步的處理與控制。 多線制：對(duì)于使用模擬溫度傳感器的溫度檢測(cè)系統(tǒng)，為了解決溫度傳感器供電和信號(hào)傳輸問題，溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間采用多線方式連接，即每個(gè)溫度 傳感器至少有兩根線與數(shù)據(jù)采集器相連，這樣按線的分配方式不同，常見的有 2N 線制、 N+2 線 （ 2 根公共線 ） 制和 N+1 線 （ 1 根公共線 ） 制等幾種?？偩€制通常采用地址編碼方式，將 所有的傳感器并聯(lián) 2~4 根總線上，每個(gè)溫度傳感器擁有自己獨(dú)立的地址以區(qū)別其它溫度傳感器。 隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了總線制傳輸方式。溫度測(cè)量范圍為 55~+125 攝氏度，可編程為 9 位 ~12 位轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá) 攝氏度，分辨率設(shè)定參數(shù)以及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM 中，掉電后依然保存。 DQ 為數(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 ， GND 為地信號(hào) ， VDD為可選擇的 VDD 引腳 ， 當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。℃ ； 3． 零待機(jī)功耗 ； 4． 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 ； 64 位 ROM 和 單 線 接 口 存儲(chǔ)器與控制邏輯 高速緩存 溫度傳感器 8 位 CRC 發(fā)生器 配置寄存器 高溫觸發(fā)器 低溫觸發(fā)器 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 5． 在 9 位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在 750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 ； 6． 用戶可定義報(bào)警設(shè)置 ； 7． 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度的器件 ； 8． 結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 “ 一線總線 ” 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送 CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。例如選用集成原件 AD590 又需要使用 A/D 轉(zhuǎn)換器，并且 AD590 還需要進(jìn)行標(biāo)定[13]，雖然它可以達(dá)到很高的精度，但是它也浪費(fèi)了 很多的系統(tǒng)資源，對(duì)軟件的要求就會(huì)更高。利用用戶能自定義報(bào)警設(shè)置這一特點(diǎn)，能夠在實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能上得到很大的便利，同時(shí)極強(qiáng)的抗干擾性能使得溫度的檢測(cè)更加準(zhǔn)確，作為溫度計(jì)最 基本的要求，準(zhǔn)確必須滿足。 首先用 DS18B20 提供的讀暫存寄存器指令 (BEH)讀出以 ℃ 為分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果，然后切去測(cè)量結(jié)果中的最低有效位 (LSB)，得到所測(cè)實(shí)際溫度整數(shù)部分 T 整數(shù)，然后再用 BEH 指令讀取計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值 M 剩余和每度計(jì)數(shù)值 M 每度，考慮到 DS18B20測(cè)量溫度的整數(shù)部分以 ℃ 、 ℃ 為進(jìn)位界限的關(guān)系，實(shí)際溫度 T 實(shí)際可用下式計(jì)算得到： T 實(shí)際 =(T 整數(shù) ℃ )+(M 每度 M 剩余 )/M 每度。該協(xié)議定 義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。 DS18B20 需要嚴(yán)格的協(xié)議以確保數(shù)據(jù)的完整性。和 DS18B20 間的任何通訊都需要以初始化序列開始。 DS18B20的讀時(shí)序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 15 微秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 圖 DS18B20 的寫 時(shí)序 溫度傳感器 DS18B20 的使用注意事項(xiàng) DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用接口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： 1． DS18B20 從測(cè)溫結(jié)束到將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，這是必須保證的，不然會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的現(xiàn)象，使溫度輸出總是顯示 85； 2．在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使電源電壓保持在 5V 左右，若電源電壓過低，會(huì)使所測(cè)得的溫度精度降低 ； 3．較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS1820 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì) DS1820 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè) 溫結(jié)果。 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 1．顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每 一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)后就一直保持那種色彩和亮度，南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器 (CRT)那樣需要不斷刷新亮點(diǎn)。 4．功耗低：相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng) IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 表 控制命令表 序號(hào) 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清 除 顯示 0 0 0 0