【導讀】對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確方式標。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。設置溫度上下限，能夠和PC機進行通信，打印水溫變化曲線。系統(tǒng)以AT89S52為核心，溫度傳感器采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度的采集；人機對話采用。軟件編程采用C語言，并以結(jié)構(gòu)化、模塊化原則編寫。整個程序包括控制器程序、串口通信控制程序兩部分。程序、PID控制程序四個主要模塊組成。

　　

【正文】 ation）制定的一種串行物理接口標準。 RS 是英文“推薦標準的縮寫”， 232 為標識號。其主要特性如下：電平 湖南商學院畢業(yè)設計 第 22 頁 共 49 頁 標準： 315V=“ 0”， 3— 15V=“ 1”；連接標準： DB9 或者 DB25 插座（針型），現(xiàn)今基本上采用 9 針插座，插座每個引腳都有唯一的信號定義，引腳圖如圖 所示。 圖 RS232引腳接口圖 各引腳定義見 表 。 表 RS232接口引腳型號定義 名稱 信號方 功能 25 芯腳 9 芯腳 FRD 保護地 1 TXD 輸出 發(fā)送數(shù)據(jù) 2 3 RXD 輸入 接收數(shù)據(jù) 3 2 RTS 輸出 請求對方發(fā)送數(shù)據(jù) 4 7 CTS 輸入 可 向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù) 5 8 DSR 輸入 對方已經(jīng)準備好接收數(shù)據(jù) 6 6 GND 信號地 7 5 DCD 輸入 對方已收到載波 8 1 DTR 輸出 通知對方，本方可以接受數(shù)據(jù) 20 4 RI 輸出 對方送來的振鈴指示信號 22 9 湖南商學院畢業(yè)設計 第 23 頁 共 49 頁 MAX232 是一片電平轉(zhuǎn)換的專用芯片，其引腳圖如圖 所示。 圖 MAX232引腳圖 由 MAX232 組成的串口通信電路如圖 所示。 圖 湖南商學院畢業(yè)設計 第 24 頁 共 49 頁 5. 軟件系統(tǒng)的設計 軟件 編程采用 C 語言，并以結(jié)構(gòu)化、模塊化原則 編寫。整個程序包括 控制器程序、串口通信控制程序 兩 部分。其中 控器控制程序由主程序、 溫度采集控制程序、鍵盤控制程序、 PID 控制程序四個主要模塊組成。本系統(tǒng)采用的是循環(huán)查詢的方式來顯示和控制溫度的。 主程序的設計 由于模塊化的程序設計，通過調(diào)用程序即可實現(xiàn)相應功能，系統(tǒng)的主程序流程圖如圖 所示。 圖 PID 控制初始化C o m p are _ tem p er ()Set _ tem tem 2 ?開始LCD 顯示初始化讀取溫度（ tem ）LCD 顯示設定目標溫度（ s et _ tem ）LCD 顯示連續(xù)采樣溫度 ， 進行 PID 控制繼電器控制加熱器持續(xù)加熱設定溫度發(fā)生突變 ？繼電器控制加熱器間斷加熱串口通信 ， 打印水溫曲線YNYN 湖南商學院畢業(yè)設計 第 25 頁 共 49 頁 由 上圖可以看出，調(diào)用程序前即系統(tǒng)運行首 先 要 對系統(tǒng)進行初始化。然后對按鍵進行掃描，對按鍵事件做出相應的反應。接下來看是否有溫度數(shù)據(jù)采集到，如果有就進行PID 處理數(shù)據(jù)，最后所得結(jié)果 與設定值比較從而控制繼電器通斷。 若設定溫度發(fā)生突變，則通過串口通信打印水溫變化的曲線。 溫度采集控制程序的設計 溫度 采集由 DS18B20 完成，由于 DS18B20 采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，其數(shù)據(jù) I/O口均由同一條線完成，因此對讀寫的時序操作要求非常嚴格。為保證 DS18B20 的嚴格I/O 時序，需要做較精確的延時，有了較精確的延時保證就可以對 DS18B20 進行底層基本操作了， DS18B20 的底層基本操作有三個： （ 1）初始化 通過單總線進行的所有操作都從一個初始化序列開始，初始化序列包括一個有 CPU發(fā)出的 復位脈沖及其后有 DS18B20 發(fā)出的存在脈沖，存在脈沖讓 CPU 知道 DS18B20在總線上且以做好了準備 （ 2）數(shù)據(jù)寫 所有的指令、數(shù)據(jù)發(fā)送均由該操作完成， DS18B20 的寫操作都是逐位進行的，因此采用 C51 中的位移操作來實現(xiàn)。 （ 3）數(shù)據(jù)讀 溫度值和其他信息的傳回均由該操作完成。 溫度轉(zhuǎn)換的結(jié)果和其他信息均存放于暫存器里， DS18B20 的暫存器結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 通過單總線端口訪問 DS18B20 的協(xié)議如下： 步驟一：初始化； 步驟二： ROM 操作指令； 步驟三： DS18B20 功能指令； 每一次 DS18B20 的 操作都必須滿足以上步驟，若是缺少步驟或是順序混亂，器件將不會返回值。 溫度采集控制程序的流程圖如圖 所示。 湖南商學院畢業(yè)設計 第 26 頁 共 49 頁 圖 鍵盤控制程序的設計 由于 系統(tǒng)要實現(xiàn)比較多的功能，因此合理的鍵盤設計可以使系統(tǒng)程序簡化，這里采用 4X4 矩陣鍵盤。按鍵的讀取容易引起錯誤動作，產(chǎn)生抖動，為了保證按鍵識別的準確性，必須消除抖動，消除抖動的方式主要有兩種：硬件消抖和軟件消抖。為了減少系統(tǒng)硬件的復雜度，這里采用軟件消抖。其工作原理是：利用程序循環(huán)掃描，先進行行掃DS 18 B 20 初始化開始結(jié)束R O M 指令操作讀取溫度值溫度比較處理返回結(jié)果準備接收數(shù)據(jù) ？YN 湖南商學院畢業(yè)設計 第 27 頁 共 49 頁 描，確 定某行有鍵按下；再對該行每列數(shù)據(jù)進行計算以確定是哪列，這樣當行列都確定是即 可確定是哪個鍵按下。若沒有鍵按下，則重復掃描。鍵盤控制流程圖如圖 所示。 圖 鍵盤控制程序流程圖 按鍵測試按鍵是否釋放開始結(jié)束延時消抖鍵盤掃描計算鍵值是否有鍵按下有鍵按下返回結(jié)果NYNYYN 湖南商學院畢業(yè)設計 第 28 頁 共 49 頁 PID 控制程序的設計 PID 控制算法是提高系統(tǒng)性能的關鍵，相關原理以在前面章節(jié)做了詳細介紹，具體流程圖如圖 所示。 圖 PID程序流程圖 串行通信控制 本 設計要求能打印水溫突變曲線，因此采用串口通信，將單片機采集到的溫度 數(shù)據(jù)傳給 PC，再在 PC 中利用 Matlab 來顯示溫度曲線。 設置 P ID 參數(shù)下一個采樣周期 ？開始取給定值和 R ( K )和測量值 C ( K )輸出控制量△ U ( K )計算偏差E ( K )= R ( K ) C ( K )計算控制量△ U ( K )YN返回 湖南商學院畢業(yè)設計 第 29 頁 共 49 頁 在 中，新增的設備控制工具箱（ instrument control toolbox）用來負責上、下位機之間的通信。該設備控制工具箱具有以下特色： （ 1）支持基于串口的通信； （ 2）通信數(shù)據(jù)支持二進制和文本（ ASCII）兩種方式； （ 3）支持異步通信和同步通信； （ 4）支持基于事件驅(qū)動的通信。 Matlab 對串口的編程控制主要分為四個步驟：創(chuàng)建串口設備對象并設置屬性、打開串口設備對象、讀寫串口操作、關閉并清除串口對象。流程圖如圖 示。 圖 創(chuàng)建串口設備對象連接串口物理設備開始串口初始化寫串口發(fā)送通信握手信號接收串口通信數(shù)據(jù)等待串口中斷調(diào)用回調(diào)函數(shù)數(shù)據(jù)實時處理及圖形顯示YN 湖南商學院畢業(yè)設計 第 30 頁 共 49 頁 要成功地進行通信， 還必須對單片機進行設置，具體軟件流程圖如圖 所示。 圖 單片機端串口通信軟件流程圖 顯示程序的設計 顯示部分采用 LCD1602 液晶顯示器，軟件流程圖如圖 所示。 圖 顯示部分流程圖 串口初始化接收到準備信號開始接收準備信號發(fā)送數(shù)據(jù)初始化開始功能設置 ： 16 X 2顯示 、 8 位數(shù)據(jù)延時 5 ms開顯示延時 5 ms設置輸入模式延時 5 ms讀取數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果返回 湖南商學院畢業(yè)設計 第 31 頁 共 49 頁 6. 系統(tǒng)安裝與調(diào)試 系統(tǒng)安裝 安裝步驟 主要按照以下步驟進行： ① 元器件識別，性能簡易測試，篩選； ② 將每 種元件歸類，并標好位號，便于焊接； ③ 焊接把所有元件都插上后，剪去多余的引腳，只留下離銅箔 23mm長開始焊接，注意焊接時，電烙鐵頭上要有少量焊錫，烙鐵頭要接觸到元件的引腳與銅箔，這時把焊錫絲觸到烙鐵頭上，焊錫絲就會很快融化，把元件的引腳與銅箔連為一體，烙鐵很快離開，這樣就焊好了； ④ 將各個元件按照要求焊接上并組裝好其他器件。 安裝次序 電路板 上元器件的安裝次序應該以前道工序不妨礙后道工序為原則，一般先安裝低矮的小功率元件，后裝立式元器件和大功率元器件，再裝可變元器件、易損元器件，最后安裝 帶散熱器件的元器件；插件的次序也是先插跳線，再插臥式 IC 和合其他小功率元器件，最后插立式元器件和大功率元器件。 常用元器件的安裝 （ 1） 電阻的安裝 安裝電阻時需要區(qū)分同一電路中阻值相同而功率不同、類型不同的電阻，要注意使之與底板之間隔開一定的距離；小功率電阻大多采用臥式安裝，并且要緊貼底板安裝，以減少引線形成的分布電感。 （ 2）電容的安裝 瓷片電容安裝時要注意其耐壓級別和溫度系數(shù)，電解電容的正極所接點位一定要高于負極，否則將會增大損耗，極性接反工作時將會急劇發(fā)熱；可變電容、微調(diào)電容安裝時也有極 性問題，不能顛倒。 （ 3）繼電器的安裝 湖南商學院畢業(yè)設計 第 32 頁 共 49 頁 要注意區(qū)分其規(guī)格、型號，注意核對驅(qū)動線圈的工作電壓值、歐姆數(shù)和觸點的荷載能力。驅(qū)動繞組和各被控觸點一般是分別工作在不同的回路，有時兩者之間的電壓相差很大，要注意電路的絕緣。要注意分辨常開觸頭和常閉觸頭的引出腳位置。另外，焊接插裝繼電器的插座時要把繼電器插在上面再焊接，以免插裝的插接點在焊接后位置歪斜。凡是繼電器都不宜安裝在有強磁場或強震動的地方。 系統(tǒng)調(diào)試 系統(tǒng)調(diào)試分為三個階段，即硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)機調(diào)試。其中硬件調(diào)試工作量最大，也是本設計制作的難 點。調(diào)試的成敗直接關系到整機的性能指標好壞。 繼電器調(diào) 試 （ 1）測觸點電阻 用萬能表的電阻檔，測量常閉觸點與動點電阻，其阻值應為 0；而常開觸點與動點的阻值就為無窮大。由此可以區(qū)別出 那個是常閉觸點，那個是常開觸點。經(jīng)測試本系統(tǒng)使用的繼電器為常開式 。 （ 2）測線圈電阻 可用萬能表 R 200Ω檔測量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線圈是否存在著開路現(xiàn)象。 （ 3）測量吸合電壓和吸合電流 找來可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一組電壓，且在供電回路中串入電流表進行監(jiān)測。慢慢調(diào)高電源電壓，聽到繼電器吸合聲時， 記下該吸合電壓和吸合電流。為求準確，可以試多幾次而求平均值。 （ 4）測量釋放電壓和釋放電流 像上述那樣連接測試，當繼電器發(fā)生吸合后，再逐漸降低供電電壓，當聽到繼電器再次發(fā)生釋放聲音時，記下此時的電壓和電流，亦可嘗試多幾次而取得平均的釋放電壓和釋放電流。一般情況下，繼電器的釋放電壓約在吸合電壓的 10~50％，如果釋放電壓太小（小于 1/10 的吸合電壓），則不能正常使用了，這樣會對電路的穩(wěn)定性造成威脅，工作不可靠。 湖南商學院畢業(yè)設計 第 33 頁 共 49 頁 串口調(diào)試 通過 RS232 和 PC進行連接，利用 PC調(diào)試助手進行調(diào)試。調(diào)試過程中把單片機 和PC機的波特率設置為相同值（如 9600B/s）。 通過單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給 PC，驗證 PC能否成功準確的接收。 PID 參數(shù)調(diào)試 PID 控制中 PID 的參數(shù)設置尤為重要，合理設置參數(shù)決定了系統(tǒng)的性能好壞。 PID調(diào)節(jié)的一般步驟如下： （ 1）確定比例增益 P 確定比例增益 P時，首先去掉 PID 的積分項和微分