【正文】 儲器。在本系統(tǒng)中用外接電源， DQ 接到AT89C51 的 P13 端， R1 為信號和 5V 電源之間的上拉電阻 [15]。在使用過程中發(fā)現(xiàn) DS18B20 在解決各種誤基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 差、可靠性和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化等方面與傳統(tǒng)各種 溫度傳感器相比 ， 有無可比擬的優(yōu)越性。其引腳排列及含義如 圖 所示。但由于系統(tǒng)用到較多的 I/O 口，因此此芯片資源不夠用 [9]。此外 DS18B20 是溫度電流傳感器，對于提高系統(tǒng)抗干擾能力有很大的幫助 [10]。使用單片機(jī)具有編程靈活，控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能簡單的實(shí)現(xiàn)溫度的控制及顯示，并且通過軟件編程能實(shí)現(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)還具有控制精度 高的特點(diǎn)。 ②采用 適當(dāng)?shù)目刂品椒▽?shí)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定溫度或環(huán) 境溫度突變時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí) 和超調(diào)量 。單片機(jī)可將溫度傳感器檢基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 測到的水溫模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，顯示于 LED 顯示器上。 水溫控制系統(tǒng)概述 在現(xiàn)代冶金、石油、化工及電力生產(chǎn)過程中，溫度是極為重要而又普遍的熱工參數(shù)之一。 II Abstract This paper introduced a singlechip microputer which used in electric heating water dispenser as a design method, the electric heating water dispenser with a high degree of automation, security, and multifunctional, easy to use, small power, heating quickly, and high reliability. The paper described in detail by the singlechip processor power for heating water dispenser hardware, software design, system design, programming and antijamming controller ATMEL Corporation AT89C51 singlechip microputer as the core, by the DS18B20, signal processing circuit, eyboard control circuit, ED display circuit, utput control circuit, etc. The process mainly includes the main program, isplay control subroutine, PID control subroutine and so on. At the same time, software and hardware are designed to take aneffective antijamming measures. Key words: AT89C51。并詳細(xì)地論述了 以 單片機(jī)為處理器的電加熱飲 水機(jī)的硬件、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)編程和抗干擾設(shè)計(jì)等方面的問題。目前，單片機(jī)在工業(yè)控制 系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。 在計(jì)算機(jī)沒有發(fā)明之前，這些控制都是我們難以想象的。1 ℃ ，當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)具有示警功能 [3]。 傳 感 器 信 號 放 大 A / D 轉(zhuǎn) 換電 爐 絲 控 制 電 路單 片 機(jī) 顯 示8 位 圖 單片機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖 總體方案論證 根據(jù)題目的要求?，F(xiàn)將各部分主要元件及電路做以下的論證： (1)溫度采樣部分 基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 方案 1：采用熱敏電阻，可滿足 0℃ ~95℃ 的測量范圍，但熱敏電阻精度、重復(fù)性和可靠性都比較差，對于檢測精度小于 1℃ 的溫度信號是不適用的。 方案 1：采用可編程控制器 8279 與數(shù)碼管及地址譯碼器 74LS138 組成，可編程 /顯示器件 8279 提供 LED 的顯示信號，并對 LED 顯示控制。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 3 硬件電路設(shè)計(jì) 本電路總體設(shè)計(jì)包括四部分：主機(jī) 控制部分 （ 89C51）、前向通道（溫度采樣和轉(zhuǎn)換電路）、后向通道（溫度控制電路）、鍵盤顯示部分。 (3)分 辨率 ： DS18B20 的分辨率由 9～ 12 位 (包括 1 位符號位 )數(shù)據(jù)在線編程決定 。 ② DS18B20 能提供 9 到 12 位溫度讀數(shù) ， 精度高。 溫度控制電路 此部分電路主要由光電耦合器 MOC3041 和 IGBT 組成。該芯片采用 FLASH 存儲技術(shù)，內(nèi)部具有 2kB 字節(jié)快閃存存儲器，采用 DIP 封裝 ， 是目前在中小系統(tǒng)中應(yīng)用最為普及的單片機(jī) [17]。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。單片機(jī)輸出與電爐功率分別屬于弱電與強(qiáng)電部分 ， 需要進(jìn)行隔離處理 ， 這里采用光耦元件在控制部分進(jìn)行光電隔離 ，實(shí)現(xiàn)弱強(qiáng)電的電源隔離 [3]。 f ( t ) f ( t )0t 0tf ( t )0 tf ( t )0 tδ ( t ) (a) (b) (c) (d) 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖 (a)的電路是一個(gè)具體的例子。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是 PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ) [23]。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM（ Sinusidal PWM） 波形。 上面所列舉的 PWM 波都是 PWM 電壓波。由于 IGBT 是高速器件，所選用的光耦必須是小延時(shí)的高速型光耦，由 PWM 控制器輸出的方波信號加在三極管 V1 的基極， V1 驅(qū)動(dòng)光耦將脈沖傳遞至整形放大電路 IC1，經(jīng) IC1 放大后驅(qū)動(dòng)由 u( a )( b )oouω tω t基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 V V3 組成的對管。 在完成溫度轉(zhuǎn)換后 ， 與貯存在寄存器中的用戶補(bǔ)碼觸發(fā)報(bào)警 TH 值和 TL 值進(jìn)行比較而觸發(fā)報(bào)警 。 轉(zhuǎn)換完成之后 ， 該溫度數(shù)據(jù)存放在高速暫存存 儲器的溫度寄存器中 ， 占用 2 字節(jié) ， 并且 DS18B20 返回到空閑狀態(tài) 。將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)，再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以 2，就得到測量的實(shí)際溫度 [27]。 (7)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。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 5℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值 [29]。例如 +125℃ 的數(shù)字輸出 07D0H， +℃ 的數(shù)字輸出 0191H， ℃ 的數(shù)字輸出為 FF6FH， 55℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H。DS18B20 的測溫范圍上限 是 150℃ ， 因此溫度的十進(jìn)制顯示需要用 4 位，還有一位用于顯示單位，在這里設(shè)置了 4 位的 LED[30]。為了能更 清晰的顯示反應(yīng) 水 的溫度，本設(shè)計(jì)選用五位 英寸的高亮紅色 LED 數(shù)碼管顯示溫度。 PID 控制器問世至今已有近 100 多 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 ② 積分 (I)控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。其原因是由于存在有較大慣性組件 (環(huán)節(jié) )或有滯后組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 誤差的變化。 PID 控制屬于常規(guī)的控制技術(shù)，在當(dāng)今社會，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛發(fā)展，許多復(fù)雜的控制技術(shù)正在 研究當(dāng)中。二是工程整定方法； 它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，并且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中 被廣泛采用。 數(shù)字顯示 編一小程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示 —— 分別實(shí)現(xiàn) 數(shù)碼管 數(shù)碼管 數(shù)碼管 數(shù)碼管 4 的顯示 。 READ_1820： MOV R4,2 MOV R1,35H READ0： MOV R2,8 MOV A,00H READ1： CLR C SETB DQ NOP NOP CLR DQ NOP NOP SETB DQ MOV R3,3 DJNZ R3,$ MOV C,DQ RRC A MOV R3,26 基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 DJNZ R3,$ DJNZ R2,READ1 MOV R1,A INC R1 DJNZ R4,READ0 SETB DQ NOP NOP CLR DQ ACALL DELAY1 SETB DQ RET 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 5 試驗(yàn)仿真結(jié)果分析 仿真平臺 Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的電路分析實(shí)物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和 IC，并支持單片機(jī)，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)。假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)所用的晶振頻率為 12MHZ，根據(jù) DS18B20的初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，分別編寫了 3 個(gè)子程序： INIT 為初始化子程序，WRITE 未寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序， READ 為讀數(shù)據(jù)子程序 [31]，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。如圖 為 PID 控制算法流程圖 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 取 采 樣 轉(zhuǎn) 換 值 NX設(shè) 定 初 值將 NX和 初 值 轉(zhuǎn) 化 成 雙 字 節(jié) 整 數(shù)計(jì) 算 e ( k ) = ui( k ) u計(jì) 算 △ PP( k ) = KP* ( e ( k ) e ( k 1 )計(jì) 算 △ Pi( k ) = Ki* e ( k )計(jì) 算 △ Pd( k ) = Kd* [ e ( k ) 2 * e ( k 1 ) + e ( k 2 )計(jì) 算 △ P ( k ) = △ Pp( k ) + △ Pi( k ) + △ Pd( k )P ( k ) = △ P ( k ) + P ( k 1 )e ( k 2 ) e ( k 1 ) e ( k 1 ) e ( k ) 返 回 圖 PID 控制算法流程圖 （ 4） PID 控制器的參數(shù)整定 PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。 01 ( ( ) )( ) [ ( ) ( ) ]tpDid e tu t K e t e r dr TT dt? ? ?? () （ 2） 實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)受控對象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，構(gòu)成比例 (P)控制器 ( ) ( )pu t K e t? () 比例 積分 (PI)控制器 01( ) [ ( ) ( ) ]tpiu t K e t e r drT?? ? () 比例積分 微分 (PID)控制器 01 ( ( ) )( ) [ ( ) ( ) ]tpDid e tu t K e