【文章內(nèi)容簡介】 2） 目標：設計一個以單片機為核心部件，以半導體制冷器為控溫元件，以溫度傳感器為測溫元件的溫度控制系統(tǒng) ,結(jié)合數(shù)字 PID 控制技術 ,對半導體激光器進行溫度控制。 2 總體設計方案 4 2 總體設計方案 通過三種方案的論述，選擇最佳的可行的方案。該溫控系統(tǒng)的總體設計主要包括： AT89C51 單片機、 DS18B20 溫度傳感器、數(shù)碼管顯示、及按鍵設置，本章將會逐一介紹。 課題研究方案 溫度控制系統(tǒng)是比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控參數(shù)之一，當今計算機控制技術在這方面的應用，已使溫度控制系統(tǒng)達到自動化、智能化，比過去單純采用電子線路進行 PID 調(diào)節(jié)的控制效果要好得多，可控性方面也有了很大的提高。 溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。對于這種溫控對象，一般認為其具有以下的傳遞函數(shù)形式： sSeKsG T ???? 1)( （ 21） 方案一 圖 方案一的圖 圖 所示的 方案是傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設定值，反饋的溫度值和設定值比較后，決定加熱或不加熱。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 5 差大、不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實現(xiàn)復雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設定。 方案二 圖 方案二的圖 圖 所示的 方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對鍵盤進行設定。 [3] 方案三 圖 圖 所示的 方案采用 89C51 單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。 采用 DS18B20 溫度傳感器，集成度高，接線簡單方便。 單片機系統(tǒng)可以用數(shù)碼管來顯示 半導體激光器溫度 的實 時 值，能用鍵盤輸入設定值。本方案選用了 AT89C51 芯片，不需要西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 6 外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)更為簡單。 結(jié)論：前兩種方案是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。而方案三是采用 以 ds18b20 為溫度采集元件， 以單片機為控制核心 ， 的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可達到 模擬控制所達不到的效果，并且實現(xiàn)顯示和鍵盤設定功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化。也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。 因此 ， 通過對以上 三種方案的 分析比較 ，本次畢業(yè)設計采用了方案三 。 單片機的發(fā)展概況 1970 年微型計算機研制成功之后，隨之即出現(xiàn)了單片機（即單片微型計算機） — 美國 Intel 公司 1971 年生產(chǎn)的 4 位單片機 4004 和 1972 年生產(chǎn)的雛形 8位單片機 8008，這也算是單片機的第一次公眾亮相。 1976 年 Intel 公司首先推出能稱為單片機的 MCS48 系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應用，同時一些與單片機有關公司都爭相推出各自的單片機。 1978 年下半年 Motorola 公司推出 M6800 系列單片機， Zilog 公司相繼推出Z8 單片機系列。 1980 年 Intel 公司在 MCS48 系列基礎上又推出高性能的 MCS51 系列單片機。這類單片機均帶有串行 I/O 口，定時器 /計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)存儲容量（ RAM， ROM）都相應增大，并有優(yōu)先級中斷處理功能，單片機的功能、尋址范圍都比早期的擴大了，它們是當時單片機應用的主流產(chǎn)品。 1982 年 Mostek 公司和 Intel 公司先后又推出了性能更高的 16 位單片機MK68200 和 MCS96 系列， NS 公司和 NEC 公司也分別在原有 8 位單片機的基礎上推出了 16 位單片機 HPC16040 和 μPD783 系列。 1987 年 Intel 公司又宣布了性能比 8096 高兩倍的 CMOS 型 80C196， 1988年推出帶 EPROM 的 87C196 單片機。由于 16 位單片機推出的時間較遲、價格昂貴、開發(fā)設備有限等多種原因，至今還未得到廣泛應用。而 8 位單片機已能滿足大部分應用的需要，因此，在推出 16 位單片機的同時，高性能的新型 8 位單片機也不斷問世。 [4] 縱觀這短短的 20 年，經(jīng)歷了 4 次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強 I/O 功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。新一代的 80C51 系列單片機除了上述的結(jié)構(gòu)特性外，其最主要的技特點是向外部接口電路擴展，以實現(xiàn)微控制器（ microcontroller）完善的控制功能為己任。這一系列單片機為外部提供了相當完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的擴展西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 7 和配置打下了良好的基礎。由于 80C51 系列單片機所具有的一系列優(yōu)越的特點，獲得廣泛使用指日可待。 下面重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的 系統(tǒng)所用的 AT89C51 系列單片機。 AT89C51 系列單片機介紹 AT89C51 系列基本組成及特性 AT89C51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍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。而在眾多的 51 系列單片機中，要算 ATMEL 公司的AT89C51 更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。 AT89C51 基本功能描述如下： AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，而且在其片種還有 4k 字節(jié)的在線可重復編程快擦快寫程序存儲器，能重復寫入 /擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與 MCS51 系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51 系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51 系列產(chǎn)品沒有的功能。 AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積 , 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于 4k, 四個 I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V 電壓編程，而且寫入時間僅 10 毫秒 , 僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與 8751/87C51 的 12V 電壓擦寫相比 , 不易損壞器件 , 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器鎖定加密， 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。另外 ,AT89C51 還具有MCS51 系列單片機的所有優(yōu)點。 1288 位內(nèi)部 RAM, 32 位雙向輸入輸出線 , 兩個十六位定時器 /計時器 , 5 個中斷源 , 兩級中斷優(yōu)先級 , 一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。 AT89C51 有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的 , 當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時 , CPU 可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(tài) , 內(nèi)部 RAM 和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是 VCC 電壓低于電源下限 , 當振蕩器停止振動時 , CPU 停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器值保持不變 , 一直到掉電模式被終 止。只有 VCC 電壓恢復到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式可被終止。 [5] 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 8 AT89C51 系列引腳功能 AT89C51 有 40 引腳雙列直插（ DIP）形式。其與 80C51 引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其引腳圖如圖 所示 。 圖 邏輯引腳圖 各 引腳功能敘述如下： 1．電源和晶振 VCC—— 運行和程序校驗時加 +5V GND—— 接地 XTAL1—— 輸入到振蕩器的反向放大器 XTAL2—— 反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器 （當使用外部振蕩器時， XTAL1 接地， XTAL2 接收振蕩器信號） RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 9 存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。 2． I/O（ 4 個口， 32 根） P0 口 —— 8 位、漏極開路的雙向 I/O 口。當使用片外存儲器（ ROM、 RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復用。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。 P0 口（作為總線時）能驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。 P1 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口。在編程 /校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。 P1 口可驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載。對于 80C51， —— T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入； —— T2EX，是定時器的外部 輸入端。這時，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應由程序置 1。 P2 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口。當使用片外存儲器（ ROM 及 RAM）時，輸出高 8 位地址。在編程 /校驗期間，接收高位字節(jié)地址。 P2 口可以驅(qū)動 4 個 LSTTL負載。 P3 口 —— 8 位、準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路。 P3 口提供各種替代功能。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應由程序置 1。 P3 口可以輸入 /輸出 4 個LSTTL 負載。 3．串行口 —— RXD（串行輸入口），輸入。 —— TXD（串行輸出口），輸出。 4．中斷 —— INT0 外部中斷 0，輸入。 —— INT1外部中斷 1，輸入。 5．定時器 /計數(shù)器 —— T0 定時器 /計數(shù)器 0 的外部輸入，輸入。 —— T1 定時器 /計數(shù)器 1 的外部輸入，輸入。 6．數(shù)據(jù)存儲器選通 —— WR 低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。 —— RD 低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。 7．控制線 (共 4 根 ) 輸入： RST—— 復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計（論文） 10 EA/Vpp—— 片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。在編程時，其上施加 21V 的編程電壓。 注意：在加密方式 1 時， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 輸入、輸出： ALE/PROG—— 地址鎖存允許信號，輸出。 ALE 以 1/6 的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。在 EPROM 編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（ PROG）。 ALE 可以驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載。當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變 的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。 注意：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止 ，置位無效。 輸出 ： PSEN—— 片外程序存儲器選通信號，低電平有效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當 PSEN 有效時