【正文】 操作者提供提示。 第五章 軟件設(shè)計 軟件設(shè)計綜述 本系統(tǒng)的軟件部分由主程序流程圖、終端子程序流程圖、 DS18B20 實現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換和 溫度 數(shù)值 讀取流程圖 和顯示流程圖四部分組成。而增量式中只須計算增量，算式中不需 要累加，控制增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，當存在計算誤差或者精度不足時，對控制量的影響較小，且較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果； (2) 由于計算機只輸出控制增量，所以誤動作影響小，而且必要時可以用邏輯判斷的方法去掉，對系統(tǒng)安全運行有利； (3) 手動一自動切換時沖擊比較小 。 如果令 ( ) ( ) ( 1)u k u k u k? ? ? ? 則 0 1 2( ) ( ) ( 1 ) ( 2 )u k a e k a e k a e k? ? ? ? ? ? 式中的 0a 、 1a 、 2a 同 （ ） 式中的一樣。 若在 （ ） 式中，令： 1 1PKTK T? （ 稱為積分系數(shù) ） PDD KTK T? （ 稱為微分系數(shù) ） 則 ? ?1 0( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )kPDju k K e k K e j K e k e k?? ? ? ? ?? （ ） （ ） 式即為離散化的位置式 PID 控制算法的編程表達式。因此， （ ） 式中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。 PID 控制系統(tǒng)原理如圖 41 所示。因此， PID 控制器在工業(yè)控制中仍然得到廣泛應(yīng)用。 [13] 圖 34 繼電器控溫電 路圖 串口通信接口電路 PC 機的串口是 RS232 電平的，而單片機是 TTL 電平的，當要把單片機連接 到 PC 機上時，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我采用的是 RS232 的專用接口芯片 MAX232 進行轉(zhuǎn)換。 當采集的溫度經(jīng)處理后 沒有達到 設(shè)定的溫度 值 時，單片機控制繼電器開啟升溫設(shè)備（加熱器） [12]。 8 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10 腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。30V 輸入電平 ? 低電源電流：典型值是 8mA ? 符合甚至優(yōu)于 ANSI 標準 EIA/TIA232E 及 ITU 推薦標準 ? 雙列直插式封裝 MAX232 的管腳圖及管教說明 管腳定義： 管腳序號 名稱 功能 1 C1+ 電容倍增 充電泵電容正端 2 C1 電容倍增充電泵電容負端 3 C2+ 反向充電泵電容正端 4 C2 反向充電泵電容負端 5 V+ 充電產(chǎn)生的 + 6 V 充電產(chǎn)生的 7 R1IN RS232 發(fā)送器輸入 1 8 R2IN RS232 發(fā)送器輸入 2 9 T1OUT RS232 發(fā)送器輸出 1 10 T2OUT RS232 發(fā)送器輸出 2 11 T11IN TTL 發(fā)送器輸入 1 12 T21IN TTL 發(fā)送器輸入 2 13 R1OUT TTL 接收器輸出 1 14 R2OUT TTL 接 收器輸出 2 15 VCC 電源 16 GND 接地 圖 27 MAX232 管腳圖 MAX232 的內(nèi)部功能框圖 圖 28 MAX232 的內(nèi)部功能框圖 MAX232 主要由三部分組成： 電荷泵電路： 由 6 腳和 4 只電容構(gòu)成。該器件包含 2 驅(qū)動器、 2 接收器和一個電壓發(fā)生器電路提供 TIA/EIA232F 電平。隨著設(shè)備的不斷改進，出現(xiàn)了代替 DB25 的 DB9 接口。圖 3 中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器 1 的預(yù)置值。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 DQ VDD 頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1。配置寄存器中 R1， R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)： R R0＝ ‘ 00’， 9 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 ms； R R0 =‘ 01’， 10 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 ms；R R0 =‘ 10’， 11 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 375 ms； R R0 =‘ 11’， 12 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 750 ms；未編程時默認為 12 位精度。工作在寄生電源模式時 VDD必須接地。 DS18B20 的引腳 圖 及引腳說明 TO92 封裝的 DS18B20 的引腳排列見下圖，其引腳功能描述見下： 圖 23 DS18B20 的引腳圖 引腳說明： TO92 封裝 符號 說明 1 GND 接地 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳?！?。 (3) DS18S20 通過 1Wire174。另外用戶還可根據(jù)實際情況設(shè)定非易失性溫度報警上下限值 TH 和 TL?！妗？梢酝ㄟ^編程 而 實現(xiàn) 9～ 12 位的溫度轉(zhuǎn)換精度設(shè)置。 它具有獨特的單總線接口方式，僅需使用 1 個端口就能實現(xiàn)與單片機的雙向通訊。在串行口進行發(fā)送 /接收數(shù)據(jù) 的時候， 每當串行口發(fā)送 /接收完一組串行數(shù)據(jù)時串行口電路自動使串行口控制寄存器 SCON 中的 RI 或 TI 中斷標志位置位，并自動向 CPU 發(fā)出串行口中斷請求 ， CPU 響應(yīng)串行口中斷后便立即轉(zhuǎn)入串行口中斷服務(wù)程序執(zhí)行。 AT89C51 內(nèi)部 具 有兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ， 受內(nèi)部定時脈沖 （ 主脈沖經(jīng)12 分頻后 ） 或 T0/T1 引腳上輸入的外部定時脈沖計數(shù)。 AT89C51 究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式 ， 可由用戶對定時器控制寄存器 TCON 中 IT0 和 IT1 位狀態(tài)的設(shè)定來選取。 5 個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP 和順序查詢邏輯電路共同決定， 5 個中斷源分別對應(yīng) 5 個固定的中斷入口地址。 5．中斷系統(tǒng) ： 中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分 之一 。 AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以 使其 在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。如 果 采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2 應(yīng)不接。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有 什么 特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。如果單片機系統(tǒng)采用 12MHz 晶振，則計數(shù)周期為 ： （ ） 這是最短的定時周期，適當選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定 和控制都是 需要 通過軟件來進行的。 2．定時器 /計數(shù)器 ： 定時器 /計數(shù)器（ timer/counter）是單片機中的重要 部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕 CPU 的負擔和簡化外圍電路都大有好處。 AT89C51 系列單片機的功能單元 1．并行 I/O 接口： 單片機芯片內(nèi) 具 有一項主要功能就是并行 I/O 口。如果微處理器處于 外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 注意：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器 的時候 ，將跳過一個 ALE 脈沖。當訪問外部存儲器 的時候 ，地址鎖存 所 允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。 輸入、輸出： ALE/PROG—— 地址鎖存允許信號，輸出。 7．控制線 (共 4 根 ) 輸入： EA/VPP—— 片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。 5．定時器 /計數(shù)器 —— T0 定時器 /計數(shù)器 0 的外部輸入，輸入。 3．串行口 —— RXD（串行輸入口），輸入。 P3 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路。 P2 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口。在編程 /校驗 的時候 ，用于輸入低位字節(jié)地址。當使用片外存儲器（ ROM、 RAM） 時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。其 結(jié)構(gòu) 與 80C51 引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖 21。掉電模式是 指 VCC 電壓低于電源下限 ， 當振蕩器停止振動時 ， CPU 停止執(zhí)行指令。 1288 位內(nèi)部 RAM， 32 位雙向輸入輸出線 ， 兩個十六位定時器 /計時器 ， 5 個中斷源 ， 兩級中斷優(yōu)先級 ， 一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。只要程序長度小于4k， 四個 I/O 口 就會 全部提供給用戶。而這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求 非常 低，開發(fā)時間也能 大大縮短。由于 80C51 系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用是 指日可待 的 [7]。而 8 位單片機已經(jīng)可以 滿足大部分應(yīng)用的需要，因此，在推出 16 位單片機的同時，高性能的新型 8 位單片機也不斷問世。這類單片機均帶有串行 I/O 口，定時器 /計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)存儲容量（ RAM， ROM）都相應(yīng)增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應(yīng)用的主流產(chǎn)品。 1976 年 Intel 公司首先推出 了 可以 稱為單片機的 MCS48 系列單片微型計算機。而方案三 則 是采用以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設(shè)定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程 來 實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。系統(tǒng)受環(huán)境影響 較 大，不能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設(shè)定。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術(shù)在這方面的應(yīng)用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行 PID 調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面 也有了很大的提高。 溫度是工業(yè)控制對象的主要 的 被控參數(shù)之一，如冶金，機械，食品，化工各類工業(yè)中廣泛使用的各種加熱爐，熱處理爐，反應(yīng)爐等。以后的醫(yī)療服務(wù)會急速的向現(xiàn)代化，智能化 等 方向發(fā)展，從而增加了安全性，減少了操作的繁瑣性。近兩年，國內(nèi)也出現(xiàn)了許多高精度的溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)品，但相對于用戶來說，價格還是偏高。據(jù)統(tǒng)計，我國的單片機年容量 已經(jīng) 達 到了 3 億片，且每年以大約 20%的速度增長，但相對于世界市場我國的占有率還不到 1%。 [5] 展望 單片 機 為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能 IC 卡、電子寵 物等，這些都離不開單片機。我國工程技 術(shù)人員在吸收發(fā)達國家溫度測控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了溫度室內(nèi)微機控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于對溫度的單項環(huán)境因子的控制。 80 年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。在日常生活中，也 能 廣泛實用于地?zé)?、空調(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測量及工業(yè)設(shè)備溫度測量場合。由于溫度測量的普遍性，溫度傳感器的數(shù)量在各種傳感器中 占據(jù)了 首位。溫度一詞在生產(chǎn)生活中 所 出現(xiàn)的 頻率日益增多，與之相對應(yīng)的，溫度控制和測量也成為了生活生產(chǎn)中頻繁使用的詞語，同時它們在各行各業(yè)中也發(fā)揮著重要的作用。 采用單片機控制，這些控制技術(shù)會大大提高控制精度，不但 可以 使控制簡捷，降低 產(chǎn)品的成本， 更 提高了生產(chǎn)效率 。 ADC。 然后 ， 在運行過程中將采樣的溫度 數(shù)字量 送入 單片機 ，最后用單片機來控制加熱器 ， 進行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加熱。 本文從硬件和軟件兩方面來講述水溫 的 自動控制過程 ， 在控制過程中主要應(yīng)用 AT89C5 DS18B MAX232 等 ，而主要是通過 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機為核心控制部件。在實時檢測和自動控制的單片機應(yīng)用系統(tǒng) 時 ， 經(jīng)常 作為 一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)，以及具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，以作完善。 而系統(tǒng)的過程則是：首先 ， 設(shè)定恒溫運行時的溫度值 。 Data Acquisition。其中溫度控制在生產(chǎn)過程中占據(jù)了 相當大的比例 [1]。 課題的背景及其意義 二十一世紀是科 學(xué)技術(shù) 高速發(fā)展的信息時代，電子技術(shù)、微型單片機技術(shù)的應(yīng)用更是空前廣泛，伴隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，需要對各種參數(shù)進行溫度測量。溫度的測量及 其 控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進國民經(jīng)濟的發(fā)展起到非常重要的作用。因此，單片機溫度測量則是對溫度進行有效的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中 可以 得到 廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中擔負著重要的測量任務(wù)。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制。 [4] （ 2）國內(nèi)溫度測控系統(tǒng)研究 我國對于溫度測控技術(shù)的研究 則 較晚，始于 20 世紀 80 年代。我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠遠沒有達到工廠化的程度，生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低 了，長期使用也不會擔心精度達不到了 的問題了 。 目前，測溫控溫系統(tǒng)得到快速的發(fā)展，國外的測量控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也較多。 通過本次的設(shè)計， 讓 我感覺到單片機的應(yīng)用會越來越廣泛，而且，在醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展中，單片機也會越來越重要。溫度控制算法精確控制溫度加熱，以溫度最小為優(yōu)化目標。 課題的研究方案 溫度控制