【正文】 ............................................. 25 5． 1 主程序 .................................................. 25 5． 2 DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換子程序 ................................... 26 5． 3 顯示子程序 .............................................. 27 5． 4 PID 子程序 ............................................... 28本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè) 結(jié) 論 .......................................................... 30 致 謝 ............................................................. 31 參考文獻(xiàn) ........................................................... 32 附錄 A 原理圖 ...................................................... 33 附錄 B 源代碼 ...................................................... 34 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 1 頁(yè) 共 38 頁(yè) 1 引言 1． 1 本課題的研究意義 溫度控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用雖然已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器來(lái)講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有著較大的差距。 隨著新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，近年來(lái)單片機(jī)發(fā)展十分迅速，一個(gè) 以微機(jī)應(yīng)用為主的新技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各個(gè)行業(yè)。因此對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和采用的控制方法也不相同。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 共 38 頁(yè) 1． 2 設(shè)計(jì)思想 本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為核心進(jìn)行控制。由于 DS18B20 芯片的小型化，更加可以通過(guò)單跳數(shù)據(jù)線就可以和主電路連接，故可以把數(shù)字溫度傳感器DS18B20 做成探頭，探入到狹小的地方，增加了實(shí)用性。 第一部分 ： 鍵盤(pán)采用 矩陣鍵盤(pán)，溫度傳感器采用 DS18B20，電源采用 AS1117。下面列出了一些主要特性： 1. 高 速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP51內(nèi)核（可達(dá) 25MIPS） 2. 全速、非侵入式的在線系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 3. 真正 12位（ C8051F020） 100ksps 的 8 通道 ADC，帶 PGA 和模擬多路開(kāi)關(guān) 4. 真正 8位 500ksps 的 ADC，帶 PGA 和 8 通道模擬多路開(kāi)關(guān) 5. 兩個(gè) 12位 DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式 6. 64K 字節(jié)可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器 7. 4352(4096+256)字節(jié)的片內(nèi) RAM 8. 硬件實(shí)現(xiàn)的 SPI、 SMBus/IIC 和兩個(gè) UART 串行接口 9. 5 個(gè)通用的 16 位 定時(shí)器 10. 具有 5個(gè)捕捉 /比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列 11. 片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 每個(gè) MCU都可在工業(yè)溫度范圍 (45C到 +85C)內(nèi)用 .端口 I/O、 /RST和 JTAG引腳都容許 5V的輸入信號(hào)電壓。 速度提高： CIP51采用流水線結(jié)構(gòu)， 70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為 1個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有 4 條指令的執(zhí)行時(shí)間大于 4 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。在一次上電復(fù)位之后的 MCU 初始化期間， WDT 可以被 永久性使能。它允許 MCU 從一個(gè)低電平（節(jié)電）外部晶體運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)在周期性地切換到高速（可達(dá) 16MHz）的內(nèi)部振蕩器。數(shù)據(jù) RAM的低 128字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問(wèn)。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址可以只映射到片內(nèi)存儲(chǔ)器、只映射到片外存儲(chǔ)器、或兩者的組合（ 4K以下的地址指向片內(nèi)， 4K以上的地址指向 EMIF）。從 0xFE00 到 0xFFFF 的 512 字節(jié) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 共 38 頁(yè) 被保留，由工廠使用，還有一個(gè)位于地址 0x100000x1007F 的 128 字節(jié)的扇區(qū)，該扇區(qū)可作為一個(gè)小的軟件常數(shù)表使用。每個(gè)端口 I/O 引腳都可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。與具有標(biāo)準(zhǔn)復(fù)用數(shù)字 I/O 的微控制器不同，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合。 PCA 包括一個(gè)專用的 16 位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器時(shí)間基準(zhǔn)和 5 個(gè)可編程的捕捉 /比較模塊。 串行端口： C8051F020 系列 MCU 內(nèi)部都有兩個(gè)增強(qiáng)型全雙工 UART、 SPI 總線和SMBus/IIC。該 ADC工作在 100ksps 的最大采樣速率時(shí)可提供真正的12位精度， INL 為 +/1LSB。有一個(gè)輸入通道被連到內(nèi)部溫度傳感器，其他 8個(gè)通道接外部輸入。當(dāng)不同 ADC 輸入通道之間輸入的電壓信號(hào)范圍差距較大或需要一個(gè)具有較大直流偏移的信號(hào)時(shí)（在差分方式下， DAC 可用于提供直流偏移）。轉(zhuǎn)換結(jié)束由一個(gè)狀態(tài)位指示，或者產(chǎn)生產(chǎn)生中斷（如果中斷被使能）。 ADC 可以用后臺(tái)方式監(jiān)視一個(gè)關(guān)鍵電壓，當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的窗口之內(nèi)才向控制器申請(qǐng)中斷。 ADC1 完全由 CIP51通過(guò)特殊功能寄存器控制。用戶軟件可以將 ADC1 置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。靈活的轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)允許用軟件命令、定時(shí)器溢出或外部信號(hào)啟動(dòng) ADC1 轉(zhuǎn)換。 比較器和 DAC: C8051F020/1/2/3 系列 MCU 內(nèi)部有兩個(gè) 12 位 DAC 和兩個(gè)比較器。每個(gè)比較器都能在上升沿、下降沿或在兩個(gè)邊沿都產(chǎn)生中斷。 DAC 為電壓輸出方式，有靈活的輸出更新機(jī)制。 3． 2 溫度傳感器 DS18B20 溫度傳感器是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測(cè)溫元件相比，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。 DS18B20 采用 3腳 PR－ 35封裝或 8 腳 SOIC 封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。高速暫存 RAM的結(jié)構(gòu)為 8字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如圖 I/O C 64 位 ROM 和 單 線 接 口 高速緩存 存儲(chǔ)器與控制邏輯 溫度傳感器 高 溫 觸 發(fā) 器TH 低溫觸發(fā)器 TL 配置寄存器 8 位 CRC 發(fā)生器 Vdd 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 10 頁(yè) 共 38 頁(yè) 示。該字節(jié)各位的定義如圖 所示。 高速暫存 RAM 的第 8 字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯 1。單片機(jī)可以通過(guò)單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以℃／ LSB 形式表示。若 TTH或 TTL，則將該器件內(nèi)的報(bào)警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的報(bào)警搜索命令作出響應(yīng)。 DS18B20 的測(cè)溫原理是這這樣的 ,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率 受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給減法計(jì)數(shù)器 1；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器 2的脈沖輸入。其輸出用于修正減法計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)器門(mén)仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過(guò)程，直到溫度寄存器值大致被測(cè)溫度值。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 3． 3 固態(tài)繼電器 固態(tài)繼電器（亦稱固體繼電器）英文名稱為 Solid State Relay，簡(jiǎn)稱 SSR。 固態(tài)繼電器的類型 按其所控制的負(fù)載 電源 進(jìn)行區(qū)分有 交流固態(tài)繼電器(ACSSR)和百流田態(tài)繼電器 (DCSSR)。 產(chǎn)品特點(diǎn)： 雙向可控硅輸出，零電壓開(kāi)啟，零電流關(guān)斷； 輸入回路與輸出回路之間光隔離； 輸入端 輸出端之間隔離耐壓 2500V； 100%負(fù)載電流老化試驗(yàn)，通過(guò)歐共體 CE認(rèn)證，國(guó)際 ISO9000認(rèn)證，國(guó)內(nèi)3C認(rèn)證。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出 我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) ： 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接 口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)顯示筆劃 “ a,b,c,d,e,f,g,dp” 的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。 共陽(yáng)極接法：把發(fā)光二極管陽(yáng)極連在一起作為公共陽(yáng)極，使用時(shí)陽(yáng)極接5V，每 個(gè)管子陰極通過(guò)電阻與輸入端相連。 AT24C02支持 IC，總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議 IIC，總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器。 圖 AT24C02 管腳圖 SCL串行時(shí)鐘 ： AT24C02 串行時(shí)鐘輸入管腳用于產(chǎn)生 器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘，這是一個(gè)輸入管腳。如果只有一個(gè) AT24C02被總線尋址，這三個(gè)地址輸入腳（ A0、 A A2 ）可懸空或連接到 Vss，如果只有一個(gè) AT24C02 被總 線尋址這三個(gè)地址輸入腳（ A0、 A A2 ）必須連接到 Vss。典型的鎖存器邏輯電路是 D 觸發(fā)器電路。 8051訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí) P0口和 P2 口共做地址總線， P0 口常接鎖存器再接存儲(chǔ)器。 看看 8051 單片機(jī)總線操作的時(shí)序圖對(duì)我們很有幫助。尤其是在四段八位數(shù)碼管等這些要選通的顯示設(shè)備上。當(dāng)處理器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)芥i存器并將其鎖存后，鎖存器的輸出引腳便會(huì)一直保持?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)直到下一次鎖存新的數(shù)據(jù)為止。這就是鎖存器在 LED 和數(shù)碼管顯示方面的作用 :節(jié)省了寶貴的 MCU 時(shí)間。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 共 38 頁(yè) 4． 2 數(shù)碼管顯示電路 本設(shè)計(jì)中由單片機(jī) P0口輸出 段碼和位碼 ， P3口 選擇開(kāi)通位選和段選 。蜂鳴器選用 有源峰鳴器。 當(dāng) DS18B20 處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度 A/D 轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為 10us。 DS18B20 有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。當(dāng) IO 口 輸出低電平時(shí)，固態(tài)繼電器 SSR10DA 內(nèi)部的發(fā)光二極管通電變亮，觸發(fā)導(dǎo)通右側(cè)的光控晶閘管，形成閉合回路， 制冷或加熱設(shè)備 啟動(dòng)，當(dāng) IO 口 輸出為高電平時(shí)，發(fā)光二極管不 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 22 頁(yè) 共 38 頁(yè) 發(fā)光，固態(tài)繼電器 SSR10DA 不能觸發(fā)導(dǎo)通，無(wú)法形成閉合 回路 。對(duì)鍵的識(shí)別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。如果有按鍵按下，總會(huì)有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為 1。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 25 頁(yè) 共 38 頁(yè) 開(kāi)始 從 EEROM 讀取參數(shù) 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換讀取溫度 啟動(dòng)報(bào)警 參數(shù)有效嗎？ 需要報(bào)警嗎？ 系統(tǒng)初始化 使用默認(rèn)值 按鍵掃描 關(guān)閉報(bào)警 N N Y Y 顯示 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序主要包括主程序，溫度轉(zhuǎn)換命令子程序，顯示數(shù)據(jù)刷新子程序 ， PID等 。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。 PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng) 曲線法和衰減法。利用該方法進(jìn)行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩， 記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到 PID控制器的 參數(shù)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 第 31 頁(yè) 共 38 頁(yè) 致 謝 首先，也是最主要感謝的是我的指導(dǎo)老師 ， 在整個(gè)過(guò)程中他給了我很大的幫助，在完成初稿后，老師認(rèn)真查看了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，指出了我存在的很多問(wèn)