【文章內(nèi)容簡介】 7。 1℃ ； （ 3）恒溫水箱由 1KW電爐加熱 ； （ 4） 啟動后有運行指示，溫度 低于 預(yù)置溫度 5℃ 時 進行 220V全加熱； （ 5） 有較強的抗干擾性能 ，對升降溫過程的線性沒有要求； （ 6） 具有相應(yīng)的保護功能。 系統(tǒng)的功能 (1)可以對溫度進行自由設(shè)定 ， 但 必須在 0～ 100℃ 內(nèi) ， 設(shè) 定時可以 實 時顯示 出 設(shè)定的溫度值 ； (2) 加熱 由 1臺 1KW電爐來實現(xiàn)，如果溫度不在 60℃時 ， 根據(jù)設(shè)定的溫 度值與實際檢測的溫度值之差來采取不同的加熱方式； (3) 能夠保持 實時 顯示水溫，顯示位數(shù) 4 位，分別為百位 、 十位 、 個位和小數(shù)位。（ 但由于規(guī)定 小于 100度 ，所以百位也就沒有實現(xiàn)，默認的百位是不顯示的） 。 4 第 2 章 恒溫控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本章提出了對恒溫控制的兩 種方案，根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的控制要求及技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合 兩 種方案的性能特點，最后選定以 單片機為主控制器，增量式的 PID算法進行調(diào)整控制 PWM波形產(chǎn)生的方案 作為本控制系統(tǒng)的總體方案。 對于溫度控制的方法也有很多：如單片機控制、 PLC 控制、模擬 PID 調(diào)節(jié)器和數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等等 。 利用 PLC 實現(xiàn)恒溫控制 這種 恒溫控制，采用 PLC 控制實現(xiàn)電熱絲加熱全通、間斷導(dǎo)通和全斷加熱的自控式方式，來達到溫度的恒定。智能型電偶溫度表將置于被測對象中，熱電偶的傳感器信號與恒定溫度的給定電壓進行比較，生成溫差，自適應(yīng)恒溫控制電路根據(jù)差值大小控制電路的斷開。 利用單片機實現(xiàn)恒溫控制 此方案采用單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，尤其對 溫度控制，它可達到核心的控制作用，并且可方便實現(xiàn)數(shù)碼顯示、鍵盤設(shè)定及利用 PID算法來控制 PWM 波形的產(chǎn)生，進而控制電爐的加熱來實現(xiàn)恒溫控制 ，其所測結(jié)果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，不會使固態(tài)繼電器產(chǎn)生誤動作。因此利用 PWM 技術(shù)進行脈寬調(diào)制的 優(yōu)點是 ： （ 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，才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響 ； （ 3） 對噪聲抵抗能力的增強 也 是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點 ， 而且這也是在某些時候?qū)?PWM 用于通信的主要原因 ； 5 （ 4） PWM經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。 再加上單片機的軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。它可以通過用數(shù)字溫度傳感器采集到的實際水溫溫度直接進行數(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。由于數(shù)字調(diào)節(jié)和運算量大，相反對于 AT89C52單片機只要選擇合適的參數(shù)對于溫度的控制精度往往能達到比較好的效果。 采用單片機為控制核心的控制系統(tǒng)，利用 PID控制原理和 PWM技術(shù)實現(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，它可達到采用其他控制系統(tǒng)所達不到的控制效果，并且可方便實現(xiàn)數(shù)碼實時顯示、鍵盤設(shè)定、直接可以驅(qū) 動固態(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)計采用單片機來實現(xiàn)溫度的控制。 根據(jù)恒溫水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(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行詳細介紹，它是采用閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)進行控制的，其具體控制圖如圖 所示 。 6 本系統(tǒng)是采用閉環(huán)負反饋的控制方式進行控制的，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)直接送到單片機進行處理，由于數(shù)字式溫度傳感器能在極短時間內(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行加熱升溫。另外，還設(shè)置了溫度實時顯示的裝置，可以同時顯示預(yù)先設(shè)定的溫度值和實際檢測到的溫度值。 7 第 3 章恒溫水箱控制系硬件設(shè)計 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)計作了詳細說明 。 為防止電源 之間的相互 干 擾，需對電路進行獨立供電， 本系統(tǒng)采用雙電源輸出，一個正常之用，一個應(yīng)急備用。 因此電源電路設(shè)計輸出兩路 為 +5V 的穩(wěn)壓電源，同時主電路的開關(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 +5V的穩(wěn)壓電源用來備用，當(dāng)遇到系統(tǒng)斷電時可以把那個備用的穩(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。 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)壓器件進行設(shè)計 ， 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行不同加熱方式，能用鍵盤進行輸入數(shù)據(jù)的處理以及溫度信號的實 時顯示。 AT89C51 單片機簡介 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。 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。單片機的 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 存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器 ， AT89C51 單 片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案 [2]。 AT89C51 單片機各引腳功能說明 （ 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， P0 口用于分時傳送低 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 8個 LSTTL 門 ； （ 4） P1口 ： P1 口是一個內(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 LSTTL門電流； (5)P2口： P2口為一個內(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 LSTTL門電流，當(dāng) P2口被寫“ 1” 時，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 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，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，每個機 9 器周期 /PSEN兩次 有效 輸出； (10)/EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，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，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個可編程 I/O接口； （ 8） 2個 16位定時 /計數(shù)器； （ 9） 6個中斷源； （ 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 單片機內(nèi)部帶有時鐘電路，只需要在片外通過 XTAL XTAL2 引腳接入定時控制單元（晶體振蕩和電容），即可構(gòu)成一個穩(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 ， 可以保證程序運行速度即保證了控制的實時性。一般采用石英晶振作定時控制元件 ， 在不需要高精度參考時鐘時，也可以用電感代替晶振，有時也可以引入外部時鐘脈沖信號。 接在 晶振 上的電容 雖然沒有嚴(yán)格要求，但電容的大小 會 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 時鐘 電路時，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 電源實現(xiàn)，只要能保證 復(fù)位信號高電平持續(xù)時間大于 2 個機器周期就可實現(xiàn)復(fù)位，其 時鐘電路 和復(fù)位電路如圖 。 圖 時鐘電路和復(fù)位電路 由于 在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補償問題、多點測量切換誤差問題和放 大電路零點漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達到較高的測量精度。 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，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 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)的水溫進行采集溫度數(shù)據(jù)，并且由于它 抗干擾能力強 ， 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，在實際應(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 （ 1）獨特的單線接口方式：與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(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)定非易失性的報警上下限值 ； （ 7）支持多點組網(wǎng)功能，多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫 ； （ 8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(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 。 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)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個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個連續(xù)字節(jié)（ 0～ 8），前兩個字節(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（溫度上限報警），字節(jié) 3是 TL（溫度下限報警），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 個字節(jié)是預(yù)留寄存器，用于內(nèi)部計算。字節(jié) 8是冗余檢驗字節(jié)，校驗前面所有 8個字節(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位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供