【正文】 片機(jī)原理及接口技術(shù) [M]. 清華大學(xué)出版社 ,1999. [7] 歐陽文 . ATMEL89 系列單片機(jī)的原理與開發(fā)實(shí)踐 [M]. 中國電力出版社 , . [8] 郝迎吉 ,劉紅兵 . 由 89C51 實(shí)現(xiàn)的恒溫控制系統(tǒng) [J]. 自動(dòng)化與儀器儀表 ,1999. [9] 吳琳 ,楊林 ,趙桂豐 . 基于單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)采集器 [J]. 現(xiàn)代電子技 術(shù) , 2020(19). [10] Charles Garrett. Successful Coin Hunting[M]. Ram . [11] 潘永雄 . 新編單片機(jī)原理與應(yīng)用 [M]. 西安電子科技大學(xué)出版社 , 2020. [12] 徐鳳霞 , 趙成安 . AT89C51 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng) [J]. 齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào) , 2020,3. [13] 樓然苗 . 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例 [M]. 北京航空航天大學(xué)出版社 , . [14] . The Electronic Metal Detector Handbook[M]. Western Heritage Press, 1998. [15] HU Hongbin. Measuring for temperature characteristic of temperature relay[M]. Electro Mechanical element,2020,9. 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 致 謝 本課題是在老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文的選題、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、到修改定稿都沒有離開老師的幫助。本著安全性、可靠性、穩(wěn)定性和易擴(kuò)展性等設(shè)計(jì)原則，對各方案進(jìn)行了細(xì)心的比較，并對設(shè)計(jì)中使用的芯片進(jìn)行了仔細(xì)的分析， 力求設(shè)計(jì)出一個(gè)安全、穩(wěn)定、可靠的溫度控制系統(tǒng)。反復(fù)試驗(yàn)幾次，直到消除靜差的速度滿意為止。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。 ① 4： 1 衰減曲線法 使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，用改變給定值的辦法加入階躍干擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn) 4： 1 的衰減比為止。因而，微分時(shí)間常數(shù)要選擇合適，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定。 將式（ 41）展開，調(diào)節(jié)器輸出函數(shù)可分成比例部分、積分部分和微分部分，它們分別是： （ 1）比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式是 )(teKp ， pK 是比例系數(shù)， pK 越大，可以使系統(tǒng)的過渡過程越快，迅速反應(yīng)誤差，但 不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，過大容易引起不穩(wěn)定。對控制精度要求較高的系統(tǒng)一般采用位置型算法，而在以步進(jìn)電機(jī)或多圈電位器做執(zhí)行器件的系統(tǒng)中 ， 則采用增量型算法。也可以將全部程序均安排在前臺(tái)，后臺(tái)程序?yàn)椤笆瓜到y(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)”，以利于系統(tǒng)節(jié)電和抗干擾。在對各執(zhí)行模塊進(jìn)行定義時(shí)，將要牽扯到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型問題也一并規(guī)劃好。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)的講述了以 AT89C51為核心元件的恒溫箱的硬件電路具體設(shè)計(jì)過程，分析了具體電路的工作原理。在這條命令發(fā)出之后，對于所發(fā)出的第一個(gè)讀數(shù)據(jù)時(shí)間片，器件會(huì)輸出溫度轉(zhuǎn)換忙的標(biāo)識(shí)： “0”=忙， “1”=準(zhǔn)備就緒。如果總線控制器在這條命令之后跟著發(fā)出讀時(shí)間隙，而 DS18B20 又正在忙于把暫存器拷貝到 E2 存儲(chǔ)器， DS18B20 就會(huì)輸出一個(gè) “0”，如果拷貝結(jié)束的話， DS18B20 則輸出 “1”。貯存在 EEPROM 內(nèi)的觸發(fā)器值用于告警。 Skip ROM( 跳過 ROM )[CCH] 在單點(diǎn)總線系統(tǒng)中，此命令通過允許總線主機(jī)不提供 64 位 ROM 編碼而訪問存儲(chǔ)器操作來節(jié)省時(shí)間。所有 ROM 操作命令均為 8 位長。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。 DS18B20 內(nèi)部的比較器以四舍五入的量化方式確 定溫度寄存器的最低有效位。當(dāng)被用著在寄生電 源下，也可以向器件提供電源。 DS18B20 的引腳及功能介紹 DS18B20 的外形及 TO92 封裝引腳排列見圖 38，其引腳功能描述見表 31。主機(jī)或從機(jī)通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連至數(shù)據(jù)線，以允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)能夠釋放該線，而讓其他設(shè)備使用。 （ 8）負(fù)壓特性 ，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20 的特點(diǎn)介紹 （ 1） 獨(dú)特的單線接口方式，與單片機(jī)通信只需一個(gè)引腳， DS18B20 與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí) 現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 37 溫度報(bào)警電路 溫度采集電路 DS18B20 測溫電路 DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)是 Dallas 公司生產(chǎn)的 1－ Wire 器件 ， 即單總線器件。這種接法，一根輸入線上的按鍵是否被按下，不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。由于機(jī)械接觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵從開始接上至接觸穩(wěn)定要經(jīng)過 5~10ms 的抖動(dòng)時(shí)間，在此期間，有抖動(dòng)發(fā)生。 第 6腳： E(或 EN)端為使能 (enable)端 ， 高電平 (1)時(shí)讀取信息，負(fù)跳變時(shí)執(zhí)行指令。 LCD 顯示屏 工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x02即 32個(gè)字符。此電路大約延遲 10ms 后振蕩器起振，在 XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為 3V 左右的正弦波時(shí)鐘信號(hào)，其振蕩頻率主要有石英晶體的頻率確定。按鍵將設(shè)置好的溫度值傳給單片機(jī)，通過溫度顯示模塊顯示出來。隨著軟件設(shè)計(jì)水平提高，往往只要改變或者增加軟件中的數(shù)據(jù)處理算法，就可以使系統(tǒng)功能提高很多，而系統(tǒng)的硬件不必做任何更換就使系統(tǒng)升級換代。在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，要考慮到將來修改擴(kuò)展的方便。 LCD 顯示屏上 “Now”后為存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)溫度。 （ 2）溫度采集和計(jì)算。 顯示部件選擇 方案一：采用 I/O 口直接驅(qū)動(dòng)，需要占用大量可貴的 I/O 口資源，且系統(tǒng)運(yùn)行后，更換元件不易，不符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、易擴(kuò)展性原則。其中 Rt 是溫度為 t 攝氏度時(shí)的電阻； R0 是溫度為 0 攝氏度時(shí)的電阻； t 為任意溫度值， A， B 為溫度系數(shù) 。 （ 2）在 0~125℃ 的范圍內(nèi)，人們可以自由調(diào)節(jié)預(yù)期達(dá)到的溫度。本文將采用一種數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來實(shí)現(xiàn)基于 51 單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。編寫程序。以當(dāng)今控制技術(shù)的發(fā)展智能控制溫控器將會(huì)很快取代傳統(tǒng)式電子產(chǎn)品。從 1990 到現(xiàn)在微控制器的全面發(fā)展階段。模數(shù)轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)實(shí)中 各種模擬信號(hào)通向數(shù)字化數(shù)字世界的橋梁。恒溫箱自動(dòng)控制系統(tǒng)在國內(nèi)外都到研 究與發(fā)展。 單片機(jī)已經(jīng)在測控中獲得了廣泛的應(yīng)用，它除了可以測量電信號(hào)以外，還可以用于溫度、濕度等非電信號(hào)的測量，能獨(dú)立工作的單片機(jī)溫度檢測、溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域。在溫度控制器中應(yīng)用單片機(jī)，具有設(shè)計(jì)簡單、可靠性高、控制精度高， 功能易擴(kuò)展， 有較強(qiáng)的通用性 等優(yōu)點(diǎn)。它迅猛的發(fā)展到了各個(gè)領(lǐng)域，人們也越來越感到應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的優(yōu)越性，因而單片機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用。所以采用單片機(jī)對溫度進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡單、靈活性大等特點(diǎn)，而且還可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 本設(shè)計(jì)是基于 AT89C51 單片機(jī)的恒溫箱控制系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，其中硬件包括：溫度傳感器、顯示、控制和報(bào)警的設(shè)計(jì)；軟件包 括：顯示程序設(shè)計(jì)、控制程序設(shè)計(jì)和溫度報(bào)警程序設(shè)計(jì)。同時(shí)，它也不斷地完善和發(fā)展。溫度控制器主要實(shí)現(xiàn)對恒溫箱溫度的控制，并 滿足不同用戶的個(gè)性需求。 課題內(nèi)容 本設(shè)計(jì) 采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，其內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器，使得電路結(jié)構(gòu)更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時(shí)的精度損失，使得測量溫度更加精確。恒溫箱的控制系統(tǒng)從開始的由人工調(diào)節(jié)達(dá)到需要的溫度及控制，到現(xiàn)在發(fā)展到采用單片機(jī)的自動(dòng)控制其溫度。 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器有 8 位， 12， 14，16， 24 位等。所以單片機(jī)深入了各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。 本文結(jié)構(gòu)安排 第一章 ：緒論。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 系統(tǒng)概述 單片機(jī)已經(jīng)在測控中獲得了廣泛的應(yīng)用，它除了可以測量電信號(hào)以外，還可以用于溫度、濕度等非電信號(hào)的測量，能獨(dú)立 工作的單片機(jī)溫度檢測、溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到很多領(lǐng)域。 整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。 （ 3）將設(shè)定的預(yù)期溫度和實(shí)時(shí)溫度能顯示出來。 方案三：采用模擬溫度傳感器 AD590K， AD590K 具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于 ℃ ），其良好的非線性可以保證優(yōu)于 177。 方案二：采用串行口驅(qū)動(dòng)、靜態(tài)顯示，利用單片機(jī)的串行口輸出數(shù)據(jù)，顯示多位數(shù)碼，可節(jié)省大量的 I/O 口，但每個(gè)數(shù)碼管必須有一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，且每位段碼須接一個(gè)限流電阻，所須元件多，硬件電路比較復(fù)雜。單片機(jī)通過與溫度傳感器進(jìn)行通信， 獲取實(shí)時(shí)溫度信息，并將所獲取的溫度信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為攝氏溫度的形式存儲(chǔ)起來。 總而言之，本課題利用 89C51 單片機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了恒溫箱，該恒溫箱提高了系統(tǒng)的可靠性，簡化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，是一個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)工程。因?yàn)楹苌儆幸诲N定音的電路設(shè)計(jì)，如果現(xiàn)在不留余地，將來可能要為一點(diǎn)小小的修改或擴(kuò)展而被迫進(jìn)行全面返工 。只要在硬件電 路設(shè)計(jì)初期考慮到這一點(diǎn)，就應(yīng)該為系統(tǒng)將來升級留有足夠的 RAM 空間。初始溫度設(shè)置好后，單片機(jī)開啟輸出控制模塊，使 燈泡 開始加熱，同時(shí)將從數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測量到的溫度值實(shí)時(shí)的顯示出來，當(dāng)加熱到設(shè)定溫度值時(shí)，單片機(jī)控制聲光報(bào)警模塊，發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí) 發(fā)出信號(hào) 關(guān)閉 燈泡 。電路中兩個(gè)電容 C C4 的作用有兩個(gè)：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。（ 16列 2行） 1602液晶也叫 1602字符型 液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣 型液晶模塊。 第 7～ 14腳： D0～ D7為 8位雙向數(shù)據(jù)端。按鍵抖動(dòng)波形如圖 35 所示。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易判斷哪個(gè)鍵按下了。與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同， DS18B20 可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)，以供單片機(jī)處理 ， 具有連線簡單、微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。 （ 2）在使用中不需要任何外圍元件。 （ 9）告警尋找命令可以識(shí)別和尋址那些溫度超出預(yù)設(shè)告警界限的器件。單線通常要外接一個(gè)約 5KΩ 的上拉電阻，這樣，當(dāng)該線閑置時(shí)，其狀態(tài)為高電平。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 38 DS18B20 表 31 DS18B20 引腳功能描述 DS18B20 在電路中的連接 1wire 總線支持一主多從式結(jié)構(gòu) ， 當(dāng)一 方完成數(shù)據(jù)通信需要釋放總線時(shí)，只需將總線置高點(diǎn)平即可；若需要獲得總線進(jìn)行通信時(shí)則要監(jiān)視總線是否空閑，若空閑，則置低電平獲得總線控制權(quán)。 3 VDD 可選擇的 VDD 引腳。在計(jì)數(shù)器 2 停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器 1 中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 ℃ 進(jìn)行比較，若低于 ℃ ，溫度寄存器的最低位就置 0；若高于 ℃ ，最低位就置 1；若高于 ℃ 時(shí)，溫度寄存器的最低位就進(jìn)位然后置 0。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補(bǔ)償。這些命令列表如下： Read ROM(讀 ROM)[33H] 此命令允許總線主機(jī)讀 DS18B20 的 8 位產(chǎn)品系列編碼，唯一的 48 位 序列號(hào)，以及 8 位的 CRC。如果在總線上存在多于一個(gè)的從屬器件而且在 Skip ROM命令之后發(fā)出讀命令，那么由于多個(gè)從片同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，會(huì)在總線上發(fā)生數(shù)據(jù)沖突（漏極開路下拉會(huì)產(chǎn)生線與的效果）。 （ 3） 存儲(chǔ)器操作命令 Write Scratchpad（寫暫存存儲(chǔ)器） [4EH] 這個(gè)命令向 DS18B20 的 暫存器中寫入數(shù)據(jù)，開始位置在地址 2。如果使用寄生電源，總線控制器必須在本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 這條命令發(fā)出后立即起動(dòng)強(qiáng)上拉并最少保持 10ms。 Read Power Supply（讀電源） [B4H] 對于在此命令發(fā)送至 DS18B20 之后所發(fā)出的第一讀數(shù)據(jù)的時(shí)間片，器件都會(huì)給出其電源方式的信號(hào)： “0”=寄生電源供電， “1”=外部電源供電。在設(shè)計(jì)過程中，實(shí)現(xiàn)溫度控制的是通過編寫程序的方法集成在 89C51 內(nèi)部。 各執(zhí)行模塊規(guī)劃好后，就可以設(shè)計(jì)監(jiān)控程序了。 程序流程圖 在本程序中包括了如下主要的程序。 PID 是一種工業(yè)控制過程中應(yīng)用較為廣泛的一種控制算法，它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，適用范圍廣，控制參數(shù)易于整定等優(yōu)點(diǎn)。因此，此比例系數(shù)應(yīng)選擇合適，才能達(dá)到使系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間短而穩(wěn)定的效果。 本設(shè)計(jì)將使用比例積分調(diào)節(jié)。記下此時(shí)的比例度 s? 和振蕩周期 sT 。減小積分系數(shù) iT 將減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。注意這時(shí)的超調(diào)量會(huì)比原來加大，應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档鸵稽c(diǎn)比例系數(shù) pK 。因此，本系統(tǒng)的安全性和可擴(kuò)展性都比較好。鑒于溫度控制的發(fā)展趨勢，在以后的實(shí)踐中對系統(tǒng)還要做進(jìn)一步的改進(jìn)：硬件方面，采用 DSP， ARM 或者利用系統(tǒng) SOC 對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，軟件方面，摒棄傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)軟件編程模式，改用基于實(shí)