【文章內(nèi)容簡介】 2 顯示屏顯示 ，單片機通過串口通信將采集到得 溫度傳到 MATLAB 進行處理后輸出控制量進行控溫，最后分別使用模糊控制算法和 PID 控制算法來對水溫進行控制，實現(xiàn)兩種算法的對比測試 。 設(shè)計的主要難點 本次設(shè)計的難點和核心主要在于： （ 1）溫度傳感器 DS18B20 的使用 ； （ 2）軟件部分 PID 算法的設(shè)計 ； （ 3）水箱溫度的 MATLAB 模糊控制算法的設(shè)計 。 技術(shù)要求數(shù)據(jù) 本次設(shè)計的主要設(shè)計要求： （ 1）溫度檢測范圍 0100 度，測量精度 177。 度 ； （ 2）水溫控制范圍 4090 度，控制精度為 177。 度 ； （ 3）設(shè)計 MATLAB 與單片機之間的數(shù)據(jù) 通信 ； （ 4） 實現(xiàn)模糊控制與 PID 控制的溫度控制對比測試 。 2 系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)方案論證 在工程設(shè)計過程中，方案的論證選擇 是 一個必要 過程， 在器件選型，程序?qū)崿F(xiàn)方式中，都會影響系統(tǒng)的性能，在確定方案 的時 需要考慮系統(tǒng)參數(shù)是否達到要求，并且結(jié)合設(shè)計成本等因素， 確 定出最優(yōu)方案。 控制電路的方案選擇 方案一：采用 STC89C52 單片機作為控制器可以同時完成 PWM 控制、溫度顯示，串行數(shù)據(jù)收發(fā)等功能，電路設(shè)計和制作都相對簡單，成本也較低，編程簡單方便，可以在線下載程序；它的運行速度也能滿足本次設(shè)計要求 ，是一種非常不錯的方案。 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 3 頁 共 48 頁 方案二：采用 STM32 單片機作為系統(tǒng)的控制部分，具有多個串口，可實現(xiàn)本設(shè)計需要的控制，顯示，串口收發(fā)數(shù)據(jù)等全部功能，也可以 作為此次設(shè)計的方案之一，但其封裝為貼片封裝，手工制作電路板焊接 較困難，制作出的電路板可靠性較低，編程也相對復雜。 方案三：采用 FPGA 實現(xiàn)控制功能。在使用 FPGA 作為控制時，電路設(shè)計相對簡單，通過對應(yīng)的編程接口設(shè)計，也容易達到實現(xiàn)控制過程和顯示溫度數(shù)據(jù)、控制加熱器功率等功能，是一種可以選擇的設(shè)計方案。但與單片機相比，價格比較昂貴，顯得大材小用，考慮到經(jīng)濟方面，不 是最優(yōu)的方案選擇。 綜合上面所述各方案的比較，本設(shè)計采用方案一作為其控制電路。 測溫電路方案選擇 方案一：利用熱敏電阻來做測溫器件。它的原理實現(xiàn)是通過溫度變化時電阻值的改變來得到電壓的改變，另外要用到電橋的配合使用，要實現(xiàn)測量到較高精度的話則還需要配上精度很高的電阻器件；而且還需要通過加上相應(yīng)的調(diào)理電路模塊。對本次設(shè)計的精度要求高的系統(tǒng)不合適采用這種方案。 方案二：采用 K 型熱電偶， K 型熱電偶利用不同感溫的金屬材料、安裝一定的裝置，和接線盒等這些主要部件，來實現(xiàn)其測溫性能，它的測溫范圍廣，對水溫的 測量也可以達到，但不易實現(xiàn)編程，在使用時還需進行補償換算等運算處理，不易實現(xiàn)。 方案三：可以使用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，它是 常用的一種體積小、質(zhì)量輕、新型的測溫器件，與單片機等微處理器接口簡單易行，作為數(shù)字化溫度傳感器，它讀取得到的溫度數(shù)據(jù)直接是數(shù)字量 ,測量溫度范圍為 55℃ 到 125℃ ,測量精度為 177?！?。環(huán)境溫度直接以單總線的方式傳輸?shù)娇刂破?,很大的提高了測溫系統(tǒng)的抗干擾能力。 DS18B20的分辨率可以根據(jù)用戶的使用要求在 9 到 12 位間選擇其測量精度。 綜合上面所述各方案的比較，本設(shè)計采用 方案三作為其測溫電路的傳感器元件。 顯示電路方案選擇 方案一：采用四位七段數(shù)碼管進行溫度顯示，數(shù)碼管顯示清晰，直觀，在本次設(shè)計中，四位數(shù)值顯示也符合題目顯示精度的要求，但在進行數(shù)碼管電路設(shè)計時需要增加額外的驅(qū)動電路，而且其電路布線復雜。 方案二：采用 LCD1602 進行溫度顯示， LCD1602 可以顯示多位字符，符合本次設(shè)計的要求，并且操作簡單，通過相應(yīng)的編程就可以很容易地實現(xiàn)其溫度的顯示，其電路設(shè)計也相對簡單，是一種很好的方案選擇。 方案三：采用 12864 液晶顯示屏， 12864 液晶屏除了可以顯示數(shù)字 ，字符以外，還可以顯示漢字，通過相應(yīng)的讀寫命令操作就可以進行顯示，但 12864 液晶屏封裝較大，桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 4 頁 共 48 頁 占據(jù)電路板過多，而且價格高，不適于本設(shè)計的最佳方案。 綜合上面所述各方案的論證比較，本設(shè)計采用方案二作為其顯示電路的最佳設(shè)計方案。 PWM 實現(xiàn)方案選擇 產(chǎn)生 PWM 脈寬信號的方法一般有兩種 :一種是通過軟件編程實現(xiàn)；另一種方法是通過硬件電路的搭建來產(chǎn)生。 方案一：利用 NE555， SG3525 等一系列的脈寬調(diào)制芯片組成脈寬發(fā)生電路：這種方式利用 NE555 芯片來作為核心控制電路，用來產(chǎn)生相應(yīng)的脈寬信號。 NE555 產(chǎn)生的脈寬信號要通過功率放大以后才能作為驅(qū)動信號被后級電路使用。 NE55 SG3525 組成的控制電路相對復雜，其智能化、自動化的可靠性能較低，不利于作為控制信號在重要場合中使用。 方案二：利用單片機等控制器件，使用軟件編程來實現(xiàn) PWM 脈寬調(diào)制：在電源電壓 Ud 不變的情況下，占空比 D 在 PWM 中是一個重要的參數(shù)，電源的電壓平均值決定于占空比 D 的大小，改變占空比 D 的值就能夠改變電源電壓的輸出平均值，從而達到控制加熱器功率的目的。改變占空比 D 的值有下面的幾種方法： （ 1） 確定脈寬不變調(diào)節(jié)頻率法：保持 t1 大小不變， 只改變 t2 大小，這樣會讓頻率(或者周期 )也會跟著變化 ，如 圖 所示。 （ 2） 改變脈寬改變調(diào)頻法：保持 t2 不改變，只改變 t1 的大小，這樣會讓頻率 (或者周期 )也會跟著變化 ，如 圖 所示。 （ 3） 確定頻率不變改變脈寬法：保持周期 T(或頻率 )不變，同時改變 t1 大小和 t2大小 ，如 圖 所示。 圖 PWM 電壓占空比示意圖 前面介紹的那兩種方法在 PWM 調(diào)壓時改變了 PWM 脈沖的周期 (或頻率 )，在改變PWM 脈沖的頻率的過程中，當控制系統(tǒng)本身的固有頻率和 PWM 控制脈寬的頻率接近時，將會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，所 以通 常采用確定頻率（或者周期）改變 PWM 占空比的這種方法來達到改變加熱器兩端電壓的平均值，以實現(xiàn)控制加熱器 功率的目的。本設(shè)計利用單片機的定時器方式來達到延時的目的，這樣可 實現(xiàn) PWM 占空比的任意調(diào)節(jié)，這種方桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 5 頁 共 48 頁 法可以不用外加額外的硬件電路，實現(xiàn)簡單，并且具有可靠性高，抗干擾性強等優(yōu)勢。所以選取方案 3，采用確定周期（或頻率）不變而改變占空比的方法。 總系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)中，使用溫度傳感器和對水箱進行采集溫度數(shù)據(jù)信息，然后傳送到單片機中進行運算，并將數(shù)據(jù)通過串口通信傳到計算機 MATLAB 軟件進行進一步處理后，返回輸出控制量給單片機來控制熱水器加熱功率，并把數(shù)據(jù)同步傳到顯示器顯示，其系統(tǒng)框圖 如圖 所示： 圖 系統(tǒng)框圖 控制核心：采用單片機 STC89C52,對各個功能模塊進行數(shù)據(jù)信息的處理和控制。 傳感器模塊：采用 DS18B20 溫度傳感器。 顯示模塊 ： 采用 LCD1602 顯示屏 。 加熱器通斷電模塊：采用 BTA24600B 三端雙向可控硅 。 3 系統(tǒng)器件 介紹 STC89C52 單片機 概述 本次使用的是處理器芯片是 STC89C52，它是 新一代高速 一種性能高，功 耗低 的 8位處理器，具有 8KB 在系統(tǒng)可編程存儲器，使用的是 MCS51 內(nèi)核， 這款處理器還在普通的 51 單片機上進行了較大的改進，從而增加了普通單片機上沒有的功能 。 在其芯片上具有 8 位處理器和可編程 FLASH， 令這款單片機能在很多控制系統(tǒng)中方便地 實現(xiàn)用戶所需的 控制功能， 如表 所示， 其引腳圖 如 圖 所示： 表 STC89C52 單片機功能參數(shù) 序號 特征參數(shù) 1 為 增強型 8051 單片機， 6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以隨 意選擇，指令代碼完全兼容 普通 8051 2 5V 單片機 工作電壓 為 ～ ， 3V 單片機工作電壓為 ～ 單片機 驅(qū)動電路 可控硅 水箱加熱器 水箱溫度傳感器 LCD1602 計算機 MATLAB 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 6 頁 共 48 頁 3 工作頻率范圍 工作頻率從 0 到 40MHz，速度為普通單片機的兩倍 4 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) 5 片內(nèi) 集成 有 512byte RAM 存儲 6 通用 的 32 個 I/O 口 ，復位后 P0/P1/P2/P3 為 準雙向口 ， P0 口 可作 為總線 擴展并無需 加上拉電阻， 在 作為 I/O 口用時要 加上拉電阻 7 為在系統(tǒng)可編程或者在應(yīng)用可編程），不 需 要專用編程器和仿真器，經(jīng)過相應(yīng)的 串口 引腳可以 直接下載用戶 的 程序 8 具有 EEPROM 功能 9 具有 T0、 T1 和 T2 一 共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器 10 外部中斷 4 路，可通過下降沿中斷或者低電平方式觸發(fā) ， 低功耗 模式 下可以通過外部中斷低電平觸發(fā) 方式喚醒 11 通用異步串 口 12 工業(yè)級 工作溫度范圍 ，為 40～ +85℃ 13 其封裝形式為 PDIP 封裝 圖 STC89C52 單片機引腳圖 STC89C52 單片機定時 /計數(shù) 器 STC 單片機內(nèi)部具有 3 個定時器，分別是定時器 0，定時器 1 和定時器 2，都為 16位定時 /計數(shù)器， 可 根據(jù) 方式 寄存器的相應(yīng)位 M0 和 M1 來選擇其工作方式 ，有 方式 0，方式 1，方式 2 和方式 3，而通過 控制寄存器來對定時器和計數(shù)器進行相應(yīng)的操作 ，完成用戶所需要實現(xiàn)的功能 。 例如，在使用方式 1 的 16 為計數(shù) 器時，可進行定時為： 定時時間 =（ 216－ 定時器 初值 ） 時鐘周期 12 （ 31） STC89C52 單片機 中斷系統(tǒng) 單片機的中斷系統(tǒng)提高了對事件的處理能力， STC89C52 中斷可分為外部中斷，定桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 7 頁 共 48 頁 時器中斷和串口中斷這三種中斷類型，分別為外部中斷 0()，外部中斷 1()，定時器 T0 中斷，定時器 T1 中斷和串口中 斷。 （ 1）外部中斷 0 由引腳 進行輸入請求，下降沿或低電平有效由控制寄存器TCOND 的位 IT0 決定，并且以位 IE0 建立標識。 （ 2）外部中斷 1 由引腳 進行輸入請求，下降沿或低電平有效由控制寄存器TCOND 的位 IT1 決定， IT1=0 為電平觸發(fā)， IT1=1 為邊沿觸發(fā)， 并且以位 IE1 建立標識。 （ 3）定時器 0 中斷是通過定時器 0 的溢出標識位 TF0 決定的，當定時器溢出時 TF0置 1 并請求中斷。 （ 4）定時器 1 中斷是通過定時器 1 的溢出標識位 TF0 決定的，當定時器溢出時 TF1置 1 并請求中斷。 （ 5）串口 中斷是發(fā)送或接受成功一幀數(shù)據(jù)時通過置 SCON 寄存器的 TI 或 RI 為 1進行中斷請求的。 STC89C52 單片機 串口 在 STC89C52 單片機中有一個全雙工的異步通訊串行接口， 為實現(xiàn)雙機、多機通訊提供了很大方便 [5]。 它的串行輸入口是引腳 ，串行輸出口是引腳 ，內(nèi)部 有三個寄存器，即數(shù)據(jù)緩沖寄存器，串口控制寄存器和電源控制寄存器，分別用 SBUF， PCON和 SCON 表示 。在操作串口時主要是操作 SCON 寄存器，它的 8 個位定義 和功能說明如 表 所示，可以通過 SM0 和 SM1 設(shè)定串口的四種工作方式， 如表 所示： 表 SCON 寄存器位定義 位 名稱 說明 D7 SM0 串口工作方式控制位 D6 SM1 串口工作方式控制位 D5 SM2 方式 2 和方式 3 多機通信控制位 D4 REN 串口允許接收位 D3 TB8 第 9 位發(fā)送數(shù)據(jù) D2 RB8 地址數(shù)據(jù)標識位 D1 TI 發(fā)送中斷標識位 D0 RI 接收中斷標識位 表 串口工作方式選擇 SM0 SM1 方式 說明 0 0 0 同步移位寄存器方式 0 1 1 10 位異步收發(fā)方式 1 0 2 11 位異步收發(fā)方式 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文）報告用紙 第 8 頁 共 48 頁 1 1 3 11 波特率可變位異步收發(fā)方式 串口波特率：波特率是表示二進制傳送的速率。它由晶振頻率，電源控制寄存器的SMOD 位和 定時器 1 決定。根據(jù)不同的工作方式有不同的波特率，當采用方式 0 時其波特率為固定的，為單片機時鐘頻率十二分之一；當選擇方式 1 時， 其波特率為可變的，例如，當采用定時器 1 工作方式 2，串口工作于方式 1 或方式 3 時，波特率的計算公式為 波特率