【正文】 了一次新的革命。那么無論是哪種控制，我們都希望水溫控制系統(tǒng)能夠有很高的精確度（起碼是在滿足我們要求的范 圍內(nèi)），幫助我們實現(xiàn)我們想要的控制，解決身邊的問題 [3]。 本設(shè)計任務(wù) (1)基本要求 設(shè)計一個基于單片機的飲水機的溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時檢測飲水機水箱的水溫，并且可以通過數(shù)碼管顯示飲水機水箱水溫度數(shù)，可以通過鍵盤或開 關(guān)選擇制冷或加熱，可以人為設(shè)置水的溫度的上下限，如加熱，當(dāng)溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)時正常工作，當(dāng)?shù)陀谒疁叵孪迺r控制加熱器加熱；如制冷，當(dāng)溫度高于水溫上限時控制壓縮機制冷，溫度檢測范圍 0~95℃ ，精度 177。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 2 系統(tǒng)設(shè)計原理 水溫控制系統(tǒng)總體框圖 該水溫控制系統(tǒng)主要由 AT89C51 單片機控制系統(tǒng)、前向通道（溫度采樣轉(zhuǎn)換電路）、后向通道（溫度控制電路）、顯示電路等四部分組成，其總體設(shè)計框圖如圖 所示 [6]。 各部分電路方案論證 本電路以單片機為基礎(chǔ)核心，系統(tǒng)由前向通道模塊、后向控制模塊、系統(tǒng)主模塊及鍵盤顯示摸塊等四大模塊組成 [9]。 (2)顯示部分 控制與顯示電路是反映電路性能、外觀的最直觀部分，所以此部分電路設(shè)計的好壞直接影響到電路的好壞 。 比較這 3 種方案，綜合考慮單片機的各部分資源，因此此次設(shè)計選用方案 3。 (2)測溫范圍 ： 55℃ ～ +125℃ ， 在 10℃ ～ +85℃ 時 ， 其精度為 ℃ 。溫度值不需要以電橋電路先獲取電壓模擬量 ， 再經(jīng)信號放大和 A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 ， 解決了傳統(tǒng)溫度傳感器存在的因參數(shù)不一致性 ， 在更換傳感器時會因放大器零漂而必須對電路進行重新調(diào)試的問題 ， 使用方便 [16]。 為實現(xiàn)更遠程的控制，可以考慮把系統(tǒng)設(shè)計成無線系統(tǒng)，以突破 DS18B20單總線的長度的限制。 AT89C51 是由美國生產(chǎn)的至今為止世界上最新型的高性能八位單片機。工作電壓范圍寬（ ~6V），全靜態(tài)工作，工作頻率寬在 0Hz~24MHz 之間， 比 8751/87C51 等 51 系列的 6MHz～12MHz 更具有靈活性 ， 系統(tǒng)能快能慢?？煽毓杩梢哉J為是線形環(huán)節(jié)實現(xiàn)對水溫的控制。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D (d)的單位脈沖函數(shù) δ(t)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。用 傅 里葉級數(shù)分解后將可看出， i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。對于正弦波的負半周 ， 也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。不管是等幅 PWM 波還是不等幅 PWM 波，都是基于面積等效原理來進行控制的，因此其本質(zhì)是相同的 [19]。 圖 用 PWM 波代替正弦半波 光耦隔離驅(qū)動電路如圖 所示。 在 DS18B20 片內(nèi)設(shè)有報警單元 ， 用戶可以定義報警的上下限 。 開始一次溫度轉(zhuǎn)換時 ， 微處理器需要向 DS18B20發(fā)出 Convert T 指令 。 0 號存貯器用于存放溫度值的補碼。 (6)可編程的分辨率為 9～ 12 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、℃ 和 ℃ ，可實現(xiàn)高精度測溫。高 溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。 表 DS18B20溫度值格式表 LS Byte bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 32 2 12 02 12? 22? 32? 42? MS Byte bit 15 bit 14 bit 13 bit12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8 S S S S S 62 52 42 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲在 DS18B20的兩個 8bit的 RAM中，二進制中的前面 5位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘 ；如果溫度小于 0，這 5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘 。 表 溫度分辨率設(shè)置表 R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間 0 0 9 位 0 1 10 位 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms LED 數(shù)碼管顯示電路 LED 顯示器的工作情況有兩種 ： 一種是溫度顯示 ； 另一種是 ROM 碼顯示。 LED 數(shù)碼管按其外形尺寸有多種形式，使用較多的是 英寸和 英寸 ； 按顯示顏色也有多種，主要有紅色和綠色；按亮度強弱可分為超亮、高亮和普亮。 系 統(tǒng) 初 始 化 顯 示P I D 參 數(shù) 設(shè) 計啟 動 A D 5 7 A , 采 集數(shù) 據(jù)數(shù) 據(jù) 處 理顯 示 當(dāng) 前 溫 度有 中 斷 溫度 設(shè) 定當(dāng) 前 溫 度 與 設(shè) 定 值比 較相 等 ？P W M 輸 出 調(diào) 控 溫度NN開 始YY結(jié) 束 圖 主程序流程圖 子程序起始地址如下 ORG 0000H 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INTO ORG 000BH AJMP TT0 ORG 001BH AJMP TT1 運算控制模塊 （ 1） 在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為 ： 比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差 。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。微分控制 (D)可以減少超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減少調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必 可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。 (3)在一定的控制度下通過公式計算得 到 PID 控制器的參數(shù)。 DS18B20 初始化程序 [40] INIT_1820 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 SETB DQ NOP NOP CLR DQ ACALL YS500 SETB DQ ORL P1,02H ACALL DELAY1 JNB DQ,TSR3 AJMP TSR4 TSR3： SETB FLAG1 AJMP TSR5 TSR4： CLR FLAG1 TSR6： C L R D Q 向D S 1 8 B 2 0 發(fā) 出 r e s e t等 待 4 8 0 μ sS E T D Q 等 待1 5 ~ 1 6 μ sD Q 是 否 變 低置 F L A G 標 志 并 延 時2 0 0 μ s清 楚 F L A G 標 志D S 1 8 B 2 0 初 始 化初 始 化 結(jié) 束NY 圖 DS18B20 初始化程序流程圖 基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 26 DJNZ R0,TSR6 TSR7： SETB DQ RET D S 1 8 B 2 0 初 始 化寫 入 C C H ,S K I P R O M寫 入 B E H ,發(fā) 轉(zhuǎn) 換 命 令S E T B D Q延 時 1 以 上C L R D Q 準 備 發(fā) 送延 時 1 以 上S E T B D Q 釋 放 總 線讀 取 1 位 數(shù) 據(jù)延 時 1 5 ~ 4 58 位 讀 完 了 嗎 ？s?s?s?NY完 成開 始 D S 1 8 B 2 0 初 始 化寫 入 C C H ,S K I P R O M寫 入 4 4 H ,發(fā) 轉(zhuǎn) 換 命 令C L R D Q ,準 備 發(fā) 送延 時 1 5寫 入 1 位 數(shù) 據(jù)延 時 1 5 ~ 4 5S E T B D Q 完 成 1 位 寫 入s?s?8 位 寫 完 了 嗎 ?完 成開 始N 圖 DS18B20 寫入子程序圖 圖 DS18B20 讀取 子程序 寫 DS18B20 的程序 WRITE_1820： MOV R2,8 CLR C WRITE1： CLR DQ MOV R3,7 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 DJNZ R3,$ RRC A MOV DQ,C MOV R3,21 DJNZ R3,$ SETB DQ NOP DJNZ R2,WRITE1 SETB DQ RET 讀 DS18B20 的程序，從 DS18B20 中讀出兩個字節(jié)的溫度數(shù)據(jù) 。 DS18B20 初始化子程序 INIT_1820： DS18B20 在工作之前必須按照指定的要求完成初始化工作，否則無法正常工作 ，圖 為 DS18B20 初始化流程圖 。利用該方法進行 PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下 ： (1)首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作 。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。 （ 3） 在 PID 的三個參數(shù)中，比例控制 (P)能迅速反映誤差，從而減少誤差 ，但比 例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差， pK 的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 ① 比例 (P)控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。 主程序模塊 在主程序中首先給定 PID 算法的參數(shù)值 ， 然后通過循環(huán)顯示當(dāng)前溫度 ， 并且設(shè)定鍵盤 外部中斷為最高優(yōu)先級 ， 以便能實時響應(yīng)鍵盤處理 ； 軟件設(shè)定定時器 T0 為 5秒定時 ， 在無鍵盤響應(yīng)時每隔 5 秒響應(yīng)一次 ， 以用來采集溫度信號 ； 設(shè)定定時器 T1為嵌套在 T0 之中的定時中斷 ， 初值由 PID 算法子程序提供。共陽極型是將各段發(fā)光二極管的正極連在一起，作為公共端 COM，某筆段接低電平發(fā)光，高電平時不發(fā)光，如 圖 (c)所示。在 DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動。光刻 ROM的作用是使每一個 DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20的目的。 DS18B20 測溫原理如圖 所示。 (5)測 溫范圍 55℃ ～ +125℃ ， 在 10～ +85℃ 時精度為 177。 DSl8B20 中還有用于貯存測得的溫度值的兩個 8位存貯器 RAM，編號分別為 0 號和 1 號。 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 ， 主要包括寄生電源電路、 64 位只讀存儲器 (ROM)和單線接口、存儲器和控制邏輯、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存存儲器、溫度傳感器、報警上限寄存器 TH、報警下限寄存器 TL、配置寄存器和 8 位 CRC(循環(huán)冗余校驗碼 )發(fā)生器 。因此從主機到 DS18B20 僅需一條線進行通信。本章講述的 PWM 控制技術(shù)實際上主要是SPWM 控制技術(shù)。將要介紹的 PWM 整流電路中，其 PWM 波也是等幅的?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。脈沖越窄，各 i(t)波形的差異也越小。這里所說的效 果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同；如果將輸出波形進行 傅氏分解，則低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。由于 單片機 的供電電源為 5V， 光電耦合器需要的電源是 7V，顯示模塊等其它電路需要 5V 的電源，因此電路中選用 7805 和 7807 兩種穩(wěn)壓芯片，其最大輸出電流為 ，能夠滿足系統(tǒng)的要求，其電路如上圖 所示。只要程序長度小于 4k，四個 I/O 口全部提供給用戶。單片機AT89C51 內(nèi) 部有 8KB 單元的程序存儲器及 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存