【文章內(nèi)容簡介】 精度也大大的得到了提高，在利用 PID算法來控制 PWM 波形的產(chǎn)生， 是有效的控制數(shù)字脈沖的輸出寬度，使固態(tài)繼電器得到有效和有序的邏輯控制，不會(huì)使固態(tài)繼電器產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此利用 PWM 技術(shù)進(jìn)行脈寬調(diào)制的 優(yōu)點(diǎn)是 ： （ 1） 從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 ； （ 2） 讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小 ，并且 噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯 “ 1” 改變?yōu)檫壿?“ 0” 或?qū)⑦壿?“ 0” 改變?yōu)檫壿?“ 1” 時(shí)，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響 ； （ 3） 對噪聲抵抗能力的增強(qiáng) 也 是 PWM 相 對于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn) ， 而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM 用于通信的主要原因 ； 5 （ 4） PWM 經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。 再加上單片機(jī)的軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。它可以通過用數(shù)字溫度傳感器采集到的實(shí)際水溫溫度直接進(jìn)行數(shù)碼管顯示，還能用鍵盤輸入設(shè)定值，并且內(nèi)部含有 4KB 的 EEPROM,不需要外擴(kuò)展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單 ，其方案的 框圖如圖 所示 。 采用的 PLC 實(shí)現(xiàn)恒溫控制，由于其 PLC成本高，且 PLC 外圍系統(tǒng)配置復(fù)雜，不利于我們的設(shè)計(jì)。由于數(shù)字調(diào)節(jié)和運(yùn)算量大，相反對于 AT89C52 單片機(jī)只要選擇合適的參數(shù)對于溫度的控制精度往往能達(dá)到比較好的效果。 采用單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，利用 PID 控制原理和 PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對水箱內(nèi)水溫的控制?；谶@樣的控制原理和 PWM 技術(shù)的優(yōu)越性，在對溫度控制的系統(tǒng)中，它可達(dá)到采用其他控制系統(tǒng)所達(dá)不到的控制效果，并且可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)碼實(shí)時(shí)顯示、鍵盤設(shè)定、直接可以驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度是非常高的 綜合各方面的意見，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)溫度的控制。 根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，確定了系統(tǒng)總體方案之后，現(xiàn)對該方案的具體原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，它是采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制的，其具體控制圖如圖 所示 。 6 本系統(tǒng)是采用閉環(huán)負(fù)反饋的控制方式進(jìn)行控制的，它通過數(shù)字溫度傳感器檢測水箱內(nèi)的水溫溫度，把采集到的數(shù)據(jù)直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，由于數(shù)字式溫度傳感器能在極短時(shí)間內(nèi)把采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，這樣被它處理的數(shù)據(jù)直接送到數(shù)字 PID 模塊進(jìn)行調(diào)整和控制 PWM波形的產(chǎn)生。 然后 ，把檢測到的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，根據(jù)不同的差值去 控制固態(tài)繼電器的通斷，以采取不同的加熱方式進(jìn)行加熱升溫。另外，還設(shè)置了溫度實(shí)時(shí)顯示的裝置，可以同時(shí)顯示預(yù)先設(shè)定的溫度值和實(shí)際檢測到的溫度值。 7 第 3 章恒溫水箱控制系硬件設(shè)計(jì) 恒溫水箱控制系統(tǒng) 主要由 六 部分組成 ： 主電源模塊、 CPU 主控制模塊 、 鍵盤處理模塊、溫度采集模塊 、 繼電器控制模塊 及 LED 顯示模塊 。 本章對 各 模塊的硬件 電路 設(shè)計(jì)作了詳細(xì)說明 。 為防止電源之間的相互 干 擾，需對電路進(jìn)行獨(dú)立供電， 本系統(tǒng)采用雙 電源輸出，一個(gè)正常之用，一個(gè)應(yīng)急備用。 因此電源電路設(shè)計(jì)輸出兩路 為 +5V 的穩(wěn)壓電源，同時(shí)主電路的開關(guān)元件為固態(tài)繼電器，其直流側(cè)的供電電源可選擇為 +5V。由于固態(tài)繼電器內(nèi)部帶有光 耦 ，其直流側(cè)與交流側(cè)相互隔離，因此其直流側(cè)的供電電源可與數(shù)字電路的 +5V電源共用 ，另外 DS18B20 也用 +5V 的 穩(wěn)壓電源 供電，另外一個(gè) +5V 的穩(wěn)壓電源用來備用，當(dāng)遇到系統(tǒng)斷電時(shí)可以把那個(gè)備用的穩(wěn)壓電源來應(yīng)急，這樣可以給系統(tǒng)增加了一道應(yīng)急保險(xiǎn)。 本裝置的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件進(jìn)行設(shè)計(jì) ， 并且所 有的集成穩(wěn)壓芯片均裝有充分裕量的散熱片。系統(tǒng)的供電電源電路如圖 。 圖 8 CPU主控模塊 CPU 主控制模塊采用 AT89C51 芯片，把數(shù)字溫度傳感器采集到的溫度信號與原預(yù)先設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)其差值通過 PID 調(diào)節(jié)整定，控制繼電器的通斷進(jìn)行不同加熱方式，能用鍵盤進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的處理以及溫度信號的實(shí) 時(shí)顯示。 AT89C51 單片機(jī)簡介 AT89C51 是一種 帶 4K 字 節(jié)閃 存 可編程可擦除只讀存儲器 （ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory） 的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié)閃 存 可編程可擦除只讀存儲器 的單片機(jī)。單片機(jī)的 可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃 速 存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 ， AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的 方案 [2]。 AT89C51 單片機(jī)各引腳功能說明 （ 1） VCC：供電電壓； （ 2） Vdd：接地； （ 3） P0口： 8 位雙向 I/O 口。在訪問外部存儲器時(shí)， P0 口用于分時(shí)傳送低 8位地址（地址總線）和 8位數(shù)據(jù)信號（數(shù)據(jù)總線）。 P0口能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 門 ； （ 4） P1口 ： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4 個(gè) LSTTL門電流； (5)P2 口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收輸出 4個(gè) LSTTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電 阻拉高，且作為輸入； （ 6） P3口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O。 可做一般口用，同時(shí) P3 口每一引腳還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）； （ 7） RST：復(fù)位輸入； （ 8） ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出 電平用于鎖存地址的低 8 位字節(jié) ； （ 9） /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個(gè)機(jī) 9 器周期 /PSEN 兩次 有效 輸出； (10)/EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間 只訪問 外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器； 當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，從內(nèi)部程序存儲器開始讀??； （ 11） XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 圖 40引腳雙列直插封裝圖 AT89C51 單片機(jī)主要性能指標(biāo) (1)與 MCS— 51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容； (2)4K字節(jié)可重復(fù)擦寫 Flash 閃速存儲器； (3)1000 次擦寫周期； (4)全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz； (5)三級加密程序存儲器； (6)1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM； （ 7） 32個(gè)可編程 I/O 接口； （ 8） 2個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； （ 9） 6個(gè)中斷源； （ 10）可編程串行 UART 通道； （ 11）低功耗空閑和掉電模式。 10 晶振電路與復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)內(nèi)部帶有時(shí)鐘電路，只需要在片外通過 XTAL XTAL2 引腳接入定時(shí)控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。振蕩器的工作頻率一般在~12MHz 之間，當(dāng)然在一般情況下頻率越快越好 ， 可以保證程序運(yùn)行速度即 保證了控制的實(shí)時(shí)性。一般采用石英晶振作定時(shí)控制元件 ， 在不需要高精度參考時(shí)鐘時(shí)，也可以用電感代替晶振，有時(shí)也可以引入外部時(shí)鐘脈沖信號。 接在 晶振 上的電容 雖然沒有嚴(yán)格要求，但電容的大小 會(huì) 影響振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性 。因此， 通常選擇在 10~30pF左右 ， 在 此次 設(shè)計(jì) 時(shí)鐘 電路時(shí)，晶振 頻率選用（ 12MHz） ，電容 選用（ 20pF），并且它們應(yīng)盡可能靠近芯片，以減小分布電容，保證振蕩器振蕩的穩(wěn)定性 。 復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位，它通過復(fù)位端經(jīng)電阻與 +5V 電源實(shí)現(xiàn)，只要能保證復(fù)位信號高電平持續(xù)時(shí)間大于 2 個(gè)機(jī)器周期就可實(shí)現(xiàn)復(fù)位 ，其 時(shí)鐘電路 和復(fù)位電路如圖 。 圖 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 由于 在傳統(tǒng)的模擬信號遠(yuǎn)距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測量切換誤差問題和放 大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達(dá)到較高的測量精度。 而且 一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號較強(qiáng)，模擬溫度信號容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在 本設(shè)計(jì)中的 溫度測量系統(tǒng) 11 中，采用 美國 Dallas 半導(dǎo)體公司 的 DS18B20 溫度芯片對水箱內(nèi)的水溫進(jìn)行采集溫度數(shù)據(jù)，并且由于它 抗干擾能力強(qiáng) ， 是解決這些問題的最有效方案 。另外 數(shù)字溫度傳感器（ DS18B20） 具有體積更小、精度更高、適用電壓更寬、采用一線總線、可組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的測溫效果 和廣泛的應(yīng)用 [4]。 DS18B20 的特點(diǎn) （ 1）獨(dú)特的單線接口方式：與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊 ； （ 2）在使用中不需要任何外圍元件 ； （ 3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍： +～ + V； （ 4）測溫范圍： 55 ～ +125℃ 。固有 測溫分辨率為 ℃ ； （ 5）通過編程可實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字讀數(shù)方式 ； （ 6）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值 ； （ 7）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫 ； （ 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 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 主要由 4部分組成 :64位光刻 R0M、溫度傳感器、非易失性的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和TL、配置寄存器 ， DS18B20 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 如圖 所示 。 圖 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20 的內(nèi)存結(jié)構(gòu) DSI8B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存 RAM 和一個(gè)非易失性的可電擦除的 EEPROM，后者存放高溫和低溫觸發(fā)器 TH， TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 高速暫 存 RAM 包含了 12 9個(gè)連續(xù)字節(jié)（ 0～ 8），前兩個(gè)字節(jié)是測得的溫度信息，字節(jié) 0的內(nèi)容是溫度的低 8位，字節(jié) 1是溫度的高 8位，字節(jié) 2是 TH（溫度上限報(bào)警），字節(jié) 3是 TL（溫度下限報(bào)警），字節(jié) 4 是配置寄存器，用于確定輸出分辨率 9 到 12 位。第 7 個(gè)字節(jié)是預(yù)留寄存器，用于內(nèi)部計(jì)算。字節(jié) 8是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，校驗(yàn)前面所有 8 個(gè)字節(jié)的 CRC 碼，可 用來保證通信正確。 DS18B20 中的溫度傳感器對溫度的測量結(jié)果用 16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供 。 DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量 ， 以 12 位轉(zhuǎn)化為例 ： 用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號位 （見圖 ） 。 LSB LSB 23 22 22 20 21? 22? 23? 24? LSB LSB S S S S S 26 25 24 圖 12位數(shù)據(jù)在 RAM中的存儲 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 16位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個(gè) 8比特的 RAM 中 。 二進(jìn)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)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。 DS18B20 的測溫原理 DS18B20 的測溫原理用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計(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)生的信號作為減法計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖后進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量 。 計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定 ,每次測量前 ,首先將 55℃ 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器中 ,減法計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55℃ 所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值 。 減法計(jì)數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù) ,當(dāng)減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0時(shí)溫度寄存器的值將加 1,減法計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置