【正文】 PUSH ACC PUSH PSW CLR TR0 JNB OUTBIT,OUT0 SETB POUT CLR C MOV A,0FFH SUBB A,0FFH MOV TL0,A MOV A,0FFH SUBB A,0FH MOV TH0,A CLR OUTBIT SJMP CTC_OUT OUT0： CLR POUT CLR C 基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 MOV A,0FFH SUBB A,0FFH MOV TL0,A MOV A,0FFH SUBB A,1FH MOV TH0,A MOV A,TL0 ADD A,0FFH MOV TL0,A MOV A,TH0 ADDC A,0FH MOV TH0,A SETB OUTBIT CTC_OUT： SETB TR0 POP PSW POP ACC RET 溫度傳感器 DS18B20 模塊 主機(jī)控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò) 3 個(gè) 步驟：初始化、 ROM 操作指令、存儲(chǔ)器操作指令 [30]。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。不過(guò)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) PID 控制，不是簡(jiǎn)單的把模擬PID 控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能相結(jié)合，使 PID 控制更加靈活，更能滿足生產(chǎn)過(guò)程提出的要求 。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分 (PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。 積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。 PID 控制，實(shí)際中也有PI 和 PD 控制。因此設(shè)計(jì)中要接入 8 個(gè) 200Ω的分壓電阻。 f c o m abd c o mc D pabcdefgD pabcdefgD p( b ) 共 陰 極 結(jié) 構(gòu)( c ) 共 陽(yáng) 極 結(jié) 構(gòu)+ 5 V( a ) 外 形 圖ge 圖 七段 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)原理 LED 數(shù)碼管按電路中的連接方式可以分為共陰極型和共陽(yáng)極型兩大類：共陰 極型是將 各段發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，作為公共端 COM 接地， a~g、 Dp 各筆段接控制端，某筆段接高電平時(shí)發(fā)光，低電平時(shí)不發(fā)光，控制某幾段筆段發(fā)光，就能顯示出某個(gè)數(shù)碼或字符 [32]。該字該字節(jié)各位的意義如 表 。 DS18B20有 4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： (1)光刻 ROM 中的 64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是 DS18B20 的地址序列碼。 DS18B20 引腳定義： (1)DQ： 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出端； (2)GND： 為電源地； (3)VDD： 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。 (3)DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。每一個(gè) DS18B20 在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的 64 位長(zhǎng)邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 的序號(hào)。 此外 ， DS18B20還有應(yīng)用簡(jiǎn)單無(wú)需任何外圍元件、測(cè)溫范圍廣 (55℃ ~+125℃ )、測(cè)溫精度高(10℃ ~+85℃ 范圍內(nèi)精度 177。 當(dāng)單片機(jī)輸出的是高電平 1 時(shí)光電耦合器導(dǎo)通 從而使 IGBT 導(dǎo)通 ，電阻爐工作；反之單片機(jī)輸出電平為 0 時(shí)， 光耦元件不能導(dǎo)通， IGBT 不能形成有效偏置而截止，電爐絲不工作 ， 飲水機(jī)不加熱 [25]。 直流斬波電路得到的 PWM 波是等效直流波形， SPWM 波得到的是等效正弦波形。由直流電源產(chǎn)生的PWM 波通常是等幅 PWM 波。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面 積（沖量）相等，就得到圖 (b)所示的脈沖序列。 圖 (b)給出了不同窄脈沖時(shí) i(t)的響應(yīng)波形。 PWM 控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 圖 AT89C51 引腳圖 I/O 通道的硬件電路的設(shè)計(jì) 就本系統(tǒng)來(lái)說(shuō) ， 需要實(shí)時(shí)采集水溫?cái)?shù)據(jù) ， 然后 將傳感器采集到的 數(shù)字信號(hào) ， 直接送入單片 機(jī)中的特定單元 ， 然后一部分送去顯示 ； 另一部分與設(shè)定值進(jìn)行比較 ， 通過(guò)PID 算法得到控制量并經(jīng)由單片機(jī)輸出 的 PWM 波 去控制 IGBT 的通斷從而控制 電熱 爐 加熱 [20]。它與 MCS51 系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能 [18]。 電路原理 圖如圖 所示 。 如 圖 為 DS18B20 其溫度檢測(cè)電路圖。 DS18B20 的供電方式有兩種 ： 一種是寄生電源 ； 另一種為外電源供電。 DS18B20 采用了 TO92 封裝或 8 腳 SOIC 封裝。 (3)控制電路部分 方案 1：采用 8031 芯片， 其內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這給電路增加了復(fù)雜度。其測(cè)量范圍在 55℃ ~+125℃ ， 在 10℃ ~+85℃ 時(shí) ， 其精度為 ℃ ， 當(dāng)電源電壓在 5~10V 之間，穩(wěn)定度為 1%時(shí)，誤差只有 177。 方案 2：采用單片機(jī) AT89C51 為核心。 ③用十進(jìn)制數(shù)碼顯示實(shí)際水溫。 在能源日益緊張的今天，電熱水器，飲水機(jī)，電飯煲之類的家用電器在保溫時(shí)，由于其 簡(jiǎn)單 的溫控系統(tǒng)，利用溫敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)溫控，因而會(huì)造成很大的能源浪費(fèi) 。 在日常人們的生活中，溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用和作用也體現(xiàn)到了各個(gè)方面，隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會(huì)見(jiàn)到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會(huì) 。同時(shí)，在軟、硬設(shè)計(jì)時(shí)均采取了有效的抗干擾措施。 主要包含的程序有 ： 主程序 、 顯示 子程序 、 PID 控制 子程序等。 溫度控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)、工程建設(shè)及日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛 。 用高新技術(shù)來(lái)解決工業(yè)生產(chǎn)問(wèn)題， 排除生活用水問(wèn)題實(shí)施對(duì)水溫的控制已成為我們電子行業(yè)的任務(wù)，以此來(lái)加強(qiáng)工業(yè)化建設(shè)，提高人民的生活水平。 ②控制精度：溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤1℃ 。由于采用模擬控制 方式，系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較 高，而且不能用數(shù)碼顯示 [7]。 DS18B20 具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)比兩種方案可知，方案 1 雖然也能很好的實(shí)現(xiàn)電路的要求，但考慮到電路設(shè)計(jì)的成本和電路整體的性能，我們采用方案 2。 溫度 傳感器 的選擇 溫度傳感器是該系統(tǒng)的關(guān)鍵器件， 系統(tǒng)采用美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20， 由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 不需要外接電路 ， 可用一根 I/O數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù) ， 并且具有體積小 ， 分辨率高 ， 轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn) ， 被廣泛用于測(cè)量和控制溫度的地方 [13]。在使用過(guò)程中 ， 測(cè)得 12 位時(shí) ， 一般為 5～ [14]。 ③負(fù)壓特性 ： 當(dāng)電源極性接反時(shí) ， DS18B20 雖然不能正常工作 ， 但不會(huì)因發(fā)熱而燒毀。MOC3041 光電耦合器的耐壓值為 400V，它的輸出級(jí)由過(guò)零觸發(fā)的雙向可控硅構(gòu)成，它控制著主電路雙向可控硅的導(dǎo)通和關(guān)閉。 (2)AT89C51 的功能描述 AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，片內(nèi)有 4k 字節(jié)的在線可重復(fù)編程、快速擦除快速寫入程序的存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入 /擦除 1000 次，數(shù)基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 據(jù)保存時(shí)間為十年。 (3)AT89C51 引腳功能 圖 為 AT89C51 單片機(jī) 20 引腳芯片 [4]。 PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻，現(xiàn)在 大量應(yīng)用的逆變電路絕大部分是 PWM 型逆變電路，可以說(shuō) PWM 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位；近年來(lái)， PWM 技術(shù)在整流電路中也開(kāi)始應(yīng)用，并顯示了突出的優(yōu)越性 [22]。該輸入加在可以看成慣性環(huán)節(jié)的 RL電路上，設(shè)其電流 i(t)為電路的輸出 。正弦半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成是由 N 個(gè)彼此相連的脈沖序列組成的波形，這些脈沖寬度相等，都等于 π/N，但幅值不等，且脈沖頂部都不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 PWM 波形可分為等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波兩種。例如，電流逆變電路的直流側(cè)是電流源，如對(duì)其進(jìn)行 PWM 控制，所得到的 PWM波就是 PWM 電流波。此電路的特點(diǎn)是只用 1 組供電就能輸出正負(fù)驅(qū)動(dòng)脈沖，使電路比較簡(jiǎn)潔。該器件的供電也很靈活 ， 可使用 V~ 外部供電 ， 也可以采用寄生取電模式供電 ， 即把電源端和地端短路接地而在數(shù)據(jù)通訊線上寄生取電 [26]。 DS18B20 的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。 (2)獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20在與微處理器連接時(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。 供 電 感受 器內(nèi) 存 控 制 邏 輯便 箋 式存 儲(chǔ) 器8 位 C R C生 成 器溫 度 傳 感 器溫 度 上 限 報(bào) 警 T H（ E E P R O M )溫 度 上 限 報(bào) 警 T L（ E E P R O M )結(jié) 構(gòu) 配 置 寄 存 器（ E E P R O M )R O M 中的 6 4 位 序列 號(hào)單 線 接 口內(nèi) 部 V D D寄 生 取 電 電 路G N DD QV D DV C C 圖 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 表 DS1820 引腳說(shuō)明 引腳 符號(hào) 說(shuō)明 1 GND 地 2 DQ 單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳漏極開(kāi)路路 3 VDD 可選 VDD 引腳兩種供電方式式 DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64位光刻 ROM、 溫度傳 感器、非 觸 發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL配置寄存器。圖 中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值。 (4)配置寄存器。圖 (a)為邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 LED 數(shù)碼管的外形和引腳圖，其中 7 只發(fā)光二極管分別對(duì)應(yīng) a~g 筆段，構(gòu)成 “ 8”字形，另一只發(fā)光二極管 Dp 作為小數(shù)點(diǎn)，因此這種 LED 顯示器稱為八段數(shù)碼管 [22]。 靜態(tài)顯示時(shí)取 10mA 為宜，動(dòng)態(tài)掃描顯示，可加大脈沖電流，但一般不超過(guò) 40mA。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “積分項(xiàng)”。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 比例 項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例 微分 控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控 量的嚴(yán)重超調(diào)。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿意的效果。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 進(jìn)行整定。 開(kāi) 始運(yùn) 行 系 統(tǒng) 初 始化 程 序通 訊 標(biāo) 志 = 1 ？調(diào) 用 查 詢 方 式 發(fā)送 子 程 序調(diào) 用 查 詢 方 式調(diào) 用 顯 示 子 程序YN返 回 圖 雙機(jī)串口通訊流程圖 PWM 輸出 編一小程序 ， 實(shí)現(xiàn) PWM 電壓自動(dòng)可調(diào)寬度脈沖波輸出電路 [39]。 ② 具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動(dòng)態(tài)仿真、 IC 調(diào)試器、 SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析