【導讀】有極其重要的地位。溫度已成為大多數(shù)儀器正常工作的前提，而且對溫度的要求也越來。本文介紹的溫度控制系統(tǒng)為兩層結構，上位機由組態(tài)軟件完成對下位機的監(jiān)控。論文中介紹了DS18B20進行循環(huán)溫度檢測的方法和采用。增量式PID控制算法和PWM調功方式，通過控制固態(tài)繼電器在一定周期內的通斷占空比，最終實現(xiàn)對電烤箱的溫度控制。其中控制范圍為室溫到120℃，誤差小于℃。理想地實現(xiàn)對相關設備的實時監(jiān)控。

　　

【正文】 定返回及顯示通道選擇等 。鍵盤與單片機的連接如圖 所示。因為鍵盤較少所以用簡單的獨立式鍵盤，獨立式鍵盤的優(yōu)點是編程簡單，缺點是占用 I/O 口多，適用于鍵盤較少的電路。 鍵盤的工作原理是按鍵的一端高電平，另一端已單片機的某個 I/O 口相連，當按鍵閉合時，即相當于該 I/O 口通過按鍵已電源相連，變成高電平，程序一旦檢測到 I/O 口變?yōu)楦唠?平則說明在年間被按下，然后執(zhí)行相應的指令。這是基本原理，在具體實現(xiàn)時還要考慮鍵盤的延時去抖，去抖的原理是，當檢測到有鍵按下時，單片機先不動作，延時 10 毫秒以后，單片機再次檢測按鍵是否按下，如果還是按下，就說明此鍵確實是按下狀態(tài)，單片機執(zhí)行相應操作。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 21 控制 模塊電路設計 控制執(zhí)行電路 執(zhí)行信號輸出通道的原理圖如圖 39 所示， AT89S52 的輸出信號經(jīng)過光電耦合器，直接控制雙向可控硅的門極，從而控制電熱絲的平均加熱功率。這樣使輸出通道省去了D/A 轉換器和可控硅移相觸發(fā)電路，大大的簡化了硬件。而且可 控硅在工作在過零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設備的功率因數(shù)，減輕了對電網(wǎng)的干擾。 光電耦合器的光敏三極管所能通過的電流足以觸發(fā) 5A 的雙向可控硅，其間不必功放環(huán)節(jié)。可控硅門極回路與 220V 電源相通，光電耦合器的絕緣耐壓，能有效地把微機系統(tǒng)與 220V 強電隔離。 此外， 系統(tǒng) 還設有 過熱保護電路 ，如圖 39。 為了在關機和超溫保護的狀態(tài)下能可靠地關斷加熱電源，電路中加入了繼電器控制加熱電源。當溫度超過120176。 C 時，單片機的 口發(fā)出高電平直接將繼電器關斷，從而避免了電 烤 箱溫度過高，起到了保護作用。 D2Diode 1N4002F1Fuse 1200WR6501R4D1IC5K1+5V2KR5Q1TriacQ2PNPR7+5V+5VIn PowerOut Power 圖 39 執(zhí)行 信號輸出通 道的 原理圖 報警 電路 報警電路如圖 310 所示，其中 報警輸出三極管的集電極接蜂鳴器，蜂鳴器的另一端接正 5伏電源。有 口控制報警電路，當溫度超標時 口輸出高電平報警，不報警時將 口置低電平。 LS1SpeakerQ3PNPGND1KR8+5V 圖 310 報警 電路 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 22 串口通訊電路 目前 RS232是 PC機與通信工業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。 RS232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。 RS232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號是相對于信號地，如從 DTE設備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用 DB25連接器時是 2腳相對 7腳（信號地）的電平 。典型的 RS232信號在正負電平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在 +5～ +15V，負電平在 5～ 15V電平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結束，線上電平從 TTL電平到 RS232電平再返回 TTL電平。接收器典型的工作電平在 +3～ +12V與 3～ 12V。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V至 3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15米，最高速率為 20kb/s。 RS232是為點對點（即只用一對收、發(fā) 設備）通訊而設計的，其驅動器負載為 3～ 7k217。所以 RS232適合本地設備之間的通信。 MCS51 內部含有一個可編程全雙工串行通信接口，具有 UART 的全部功能。該接口電路不僅能同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個同步移位寄存器使用。在進行異步通信時，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別在各自的時鐘（ TCLK 和 RCLK）控制下進行的，但都必須與字符位數(shù)的波特率保持一致。 MCS51 串行口的發(fā)送和接收時鐘可由兩種方式產(chǎn)生，一種是由主機頻率 fosc 經(jīng)分頻后產(chǎn)生，另一種方式是由內部定時器 T1 或 T2 的溢出率經(jīng) 16分頻后提供。 由 于串口用的是 TTL 電平，和 RS232 電平不同，因此，單片機和 PC 通信時需要進行電平轉換，常用的 IC是 MAX232,連接圖如圖 311所示，其中 MAX232 供電腳為＋ 5V，中間連接的電解電容取 50V 1UF。 我們采用了三線制連接串口，也就是說和計算機的 9針串口只連接其中的 3根線：第 5腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3腳的 TXD。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示， MAX232 的第 10 腳和單片機的 11 腳連接，第 9 腳和單片機的 10腳連接，第 15 腳和單片機的 20腳連接。 1234567891110J2D Connector 9C13C1+1T1OUT14R1IN13T2OUT7R2IN8VS+2VS6C25C2+4T1IN11R1OUT12T2IN10R2OUT9U3MAX232C4C7C6C5GND+5VGND 圖 311 MAX232串口通信電路圖 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 4 系統(tǒng)軟件部分設計 軟件總體設計 測溫系統(tǒng)的硬件電路確定之后，測溫系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實現(xiàn)。研制一個復雜的測控系統(tǒng)，軟件研制的工作量往往大于硬件 。本系統(tǒng)的主要軟件思想是這樣的：下位機軟件主要是完成與上位機的串口通訊，接受監(jiān)控系統(tǒng)的指令，實現(xiàn)多路溫度數(shù)據(jù)采集和實時上傳數(shù)據(jù)。下位機的程序采用串口查詢的方式，從而能夠實現(xiàn)上位機指令對單片機的實時控制，節(jié)省 CPU的資源。系統(tǒng)操作的總體流程圖如圖 41所示。 溫 度 控 制 子 程 序初 始 化進 入 測 溫 程 序查 詢 接 收 指 令發(fā) 送 溫 度 數(shù) 據(jù)是 0 5 H 指 令 ？是 0 8 H 指 令 ？接 收 上 位 機 溫 度 命 令NYYN開 始 圖 41 系統(tǒng)操作的總體流程圖 本系統(tǒng)中下位機 為 單片機，其相關軟件設計主要包括 DS18B20 的測溫程序設計、 LED顯示和鍵盤掃描程序設計、控制執(zhí)行模塊程序及串口通訊程序設計等。單片機程序流程圖如圖 42： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 24 P I D 算 法 調 節(jié)系 統(tǒng) 初 始 化P W M 控 制溫 度 采 集開 始系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 顯 示 圖 42 下位機程序流程圖 DS18B20 的測溫程序 DS18B20 常用指令 DS18B20 常用 命令 如下表 ： 表 41 DS18B20常用 命令 ROM功能 命令 DS18B20的器件功能 命令 讀 ROM 33H 啟動溫度轉換 44H 匹配 ROM 55H 讀 RAM BEH 跳過 ROM CCH 寫 RAM 4EH 查找 ROM F0H 復制 RAM 48H 報警查找 ECH 回讀 EEPROM B8H 初始化 子 程序 DS18B20 復位應答時序圖 如 圖 43 所示， 實現(xiàn)每一次通信之前必須對 DS18B20 進行復位操作，復位的時間、等待時間、回應時間應嚴格按照時序圖進行編程， 具體程序見附錄 B。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 25 圖 43 DS18B20復位及應答關系示意圖 讀 子 程序 與寫操作類似，主機對 1Wire 總線的讀操作也只能逐位進行，連續(xù)讀 8 次，即可讀入主機一個字節(jié)。從 1Wire 總線讀取 1bit 同樣至少需要 60μs ，同時也要保證兩次連續(xù)的讀操作間隔 1μs 以上 ， DS18B20 讀 時序圖如圖 44所示 。 從總線讀數(shù)據(jù)時，主機首先拉低總線 1μs 以上然后釋放，在釋放總線后的 1～ 15μs 內主機對總線的采樣值即為讀取到的數(shù)據(jù) ， 具體程序見附錄 B。 圖 44 DS18B20讀時間隙 圖 寫 子 程序 由于只有一條 I/O 線，主機 1Wire 總線的寫操作只能逐位進行，連續(xù)寫 8 次即可寫入總線一個字節(jié)。如程序 所示 ，當 MCS51 單片機的時鐘頻率為 12MHz 時，程序中的語句 _nop_()?？梢援a(chǎn)生 1μs 的延時，調用此函數(shù)時需包含頭文件 “” 。向 1Wire 總線寫 1bit 至少需要 60μs ，同時還要保證兩次連續(xù)的寫操作有 1μs 以上的間隔。若待寫位 wbit 為 0 則主機拉低總線 60μs 然后釋放，寫 0 操作完成。若待寫位wbit 為 1，則主機拉低總線并在 1～ 15μs 內釋放，然后等待 60μs ，寫 1 操作完成。DS18B20 寫 時序 圖 45所示 ， 具體程序見附錄 B。 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 26 圖 45 DS18B20寫時間隙 圖 顯示和鍵盤掃描 程序 顯示掃描程序流程圖 顯示掃描子程序的流程圖如圖 46所示： 開 始賦 位 選 初 值清 除 位 選送 顯 示 段 碼選 通 并 延 時 2 m s改 變 位 選 字消 影完 成 8 位 掃 描結 束NY 圖 46 顯示掃描子程序的流程圖 鍵盤掃描程序 流程圖 本設計設置有四個按鍵， S1 為返回鍵， S2 為溫度加鍵， S3 為溫度減鍵， 即 當按 S2鍵時，設置溫度加 度； 當按 S3 鍵時，設置溫度減 度 ， S4用來切換顯示通道，以便觀察數(shù)碼管顯示的各個通道的溫度值 。 鍵盤掃描子流程圖如下： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 27 開 始延 時 1 0 m s執(zhí) 行 相 應 代 碼結 束NY是 否 有 鍵 按 下是 否 有 鍵 按 下是 否 有 鍵 按 下NNYY 圖 47 鍵盤掃描子流程圖 控制執(zhí)行程序 控制思路及 其 流程圖 本系統(tǒng)的控制思路為 AT89S52為整個系統(tǒng)的 CPU。 測量的溫度由 DSl8B20數(shù)字溫度傳感器檢測并直接轉換成數(shù)字信號，單片機將該溫度值與被控制值 (設定溫度值 )進行比較，計算出溫度偏差，根據(jù)其偏差值的大小，然后采用 PID控制算法并計算出相應的控制輸出量，最后通過 D／ A轉換電路 (這里采用 PWM調功方式，相當于 D／ A轉換器 )控制固態(tài)繼電器在控制周期內的通斷占空比 (即控制電阻爐平均功率的大小 )，將控制輸出量輸出，控制加熱器工作，進而達到對溫度進行控制的目的。 為了簡化 輸出通道的硬件結構，考慮到加熱系統(tǒng)具有較大的熱慣性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調制的控制方法（即 PWM 波控制）。微機系統(tǒng)輸出高電平時，使雙向可控硅道通，電熱絲通電，輸出低電平時，雙向可控硅截止，電熱絲斷電。脈沖寬度 T1 與周期 T 的比值為ρ（占空比），它反映了系統(tǒng)的輸出控制量，我們實質控制的就是這里。 當環(huán)境溫度下降時 , 輸出信號增大 ,輸出脈寬增大 , 電熱絲加熱時間增長，環(huán)境溫度上升。反之 , 當環(huán)境溫度上升時 ,輸出減少 ,輸出脈寬減少 , 電熱絲加熱時間減少，環(huán)境溫度下降。溫控過程中功率電路輸出的脈沖電流方波寬度始終受溫度 差信號的調節(jié)控制原理如圖 48所示： 河南理工大學畢業(yè)設計（論文）說明書 28 圖 48 PWM控制原理圖 該 控制執(zhí)行程序設計主要包括： PWM 波的設計、 PID 控制算法設計等?？刂茍?zhí)行程序流程圖如圖 49所示 (見下頁 )。 PID 控制算法 溫度 PID 控制原理是先求出實測溫度與設定溫度的偏差值。然后對偏差值進行比例積分與微分數(shù)值處理，得到的控制輸出信號用來控制加熱，使溫度控制在設定的溫度范圍內。溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字 PID 算法，具體算法采用的是增量式 PID 算法，增量 PID 算法的優(yōu)點是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快，可 用軟 件來實現(xiàn)。所謂增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 ?u(K)，增量式 PID 控制系統(tǒng)的系統(tǒng)如圖 410 所示。 通過離散化過程，可得離散的 PID 表達式為： u(k)=kc{e(k)+Ts/Ti*[e(0)+e(1)+e(2)+? +e(k)]+Td/Ts*[e(k)e(k1)]} (41) 式中： k 為采樣序號， k=O、 ??； u(k)為第 k次采樣時刻的計算機輸出值； e(k)為第 k次采樣時刻輸入的偏差值； e(k1)為第 k1 次采樣時刻輸入的偏差值；Ki=Ts/Ti； Kd=Td/Ts。 可由式 (41)導出提供增量的 PID 控制算式，根據(jù)遞推原理可得： u(k1)=kc*e(k1)+ki*[e(0)+e(1)+e(2)+? +e(k)]+kd*[e(k1)e(k2)] (42) 用式 (41)減去式 (42)， 可得 ： △ u(k)=kc[e(k)e(k1)]+ki*e(k)+kd*[e(k)2e(k1)+e(k2)] (43) 可見 ,控制系統(tǒng)的輸出僅僅與最近 3 次的偏差有關。