【正文】 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 29 參考文獻(xiàn) [1] 童詩白 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) [M](第三版 ).北京：高等教育出版社， 20xx [2] 毛義敏 .一種 PID 參數(shù)模糊自整定控制器的設(shè)計(jì)與仿真 [J].自動(dòng)化與儀表，20xx,16(3):3638 [3] AT89系列單片機(jī)技術(shù)手冊(cè) [S].北京 :北京威立電子技術(shù)有限公司 .1423 [4] 樓然苗 ,李光飛 .單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo) [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 20xx [5] 金偉正 ．單線數(shù)字溫度傳感器的原理及應(yīng)用 [J]．電子技術(shù)應(yīng)用， 20xx(6)： 6668 [6] 沙占友 .智能化集成溫度傳感器原理與應(yīng)用 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出。最后由于時(shí)間緊迫，本設(shè)計(jì)還有諸多地方需要改進(jìn)，比如改用 RS485串行接口 或是網(wǎng)線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操 作。 其次，由于我過大部分 電力資源是火力發(fā)電，因而從一定程度上節(jié)省了自然資源，以及保護(hù)了環(huán)境。 3)系統(tǒng)成本低廉，操作非常簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要稍加改變，即可增加其他使用功能。避免了電力力資源的浪費(fèi)，節(jié)省了能源。用 Protel軟件繪制電路原理圖和 PCB電路印刷板圖，并在電路板廠制作控制主板 。 我所寫的系統(tǒng)主要根據(jù)目前節(jié)省能源的發(fā)展趨勢(shì)和國內(nèi)實(shí)際的應(yīng)用特點(diǎn)和要求，采用了自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的自動(dòng)檢測(cè)和控制。 在有溫度改變時(shí) （例如用手去接觸），顯示溫度能改變就基本完成本設(shè)計(jì)。加熱控制口為 口 ,要使加熱電路動(dòng)作 ,可以直接給 ,即程序直接將 1,這樣就使三極管導(dǎo)通 ,繼電器線圈動(dòng)作 ,觸電吸合 ,加熱器進(jìn)行加熱。本程序采用單片機(jī) C語言編寫，用 Keil C51 編譯器編程調(diào)試。本次調(diào)試需要通過軟硬件聯(lián)調(diào)來實(shí)現(xiàn)。 （ 2）上電后的調(diào)試 在確保硬件電路正常，無異常情況 (斷路或短路 )方可上電調(diào)試，上電調(diào)試的目的是檢驗(yàn)電路是否接錯(cuò)，同時(shí)還要檢驗(yàn)原理是否正確。只要將一個(gè)表筆固定在電源端或接地端，另儀表筆接其他連接點(diǎn)，指針偏轉(zhuǎn)到 0 刻度就是通路的。 （ 1）上電前的調(diào)試 在上電前，必須確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個(gè)調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個(gè)步驟。 繼電器的檢測(cè)，給繼電器的線圈兩端加一合適的電壓，可以 看到指示燈亮 。二極管、三極管也是根據(jù)其特性用萬用表的歐姆檔測(cè)量即可。對(duì)于其他器件則可利用萬用表進(jìn)行測(cè)量。 在電路安裝焊接前，首先是對(duì)元器件的檢測(cè)。 硬件調(diào)試主要是針對(duì)主控板中單片機(jī)模塊和外部輸入、輸出模塊進(jìn)行調(diào)試。利用這些向?qū)В憧梢钥焖俚赝瓿梢话阈缘娜蝿?wù)，例如生成其控件不綁定到數(shù)據(jù)控件上的純代碼窗體，建立查詢，添加工具，制作圖表，以及發(fā)布創(chuàng)建的應(yīng)用程序等。當(dāng)你在 Visual Basic 的代碼窗口敲進(jìn)對(duì)象名稱的時(shí)候 IntelliSense 技術(shù)會(huì)自動(dòng)向你顯示一些相關(guān)的信息，例如對(duì)象的屬性和方法等。除了簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)以外， Visual Basic 還是一種易于擴(kuò)充功能的基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 開發(fā)系統(tǒng)。 Visual Basic 提供了許多現(xiàn)成的字符串處理函數(shù)。它既適用于沒有任何編程經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)者學(xué)習(xí)，也適合于開發(fā)各種復(fù)雜的底層應(yīng)用程序。它在 windows 平臺(tái)上提供了圖形用戶界面（ GUI）的集成開發(fā)環(huán)境（ IDE）。 美國微軟公司在 1991 年推出 至今已經(jīng)經(jīng)歷了 6 個(gè)版本， 運(yùn)行在 win9x 或winme， win20xx， winxp， windowsNT 等操作系統(tǒng)下，是一個(gè) 32 位的應(yīng)用程序開發(fā)工具。 主程序流程圖如下圖 31， 下位機(jī)通信程序流程圖 如下圖 32 圖 31 主程序流程圖 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 圖 32 下位機(jī)通信程序流程圖 軟件系統(tǒng)簡(jiǎn)介及界面 VB是微軟公司出品的一個(gè)快速可視化程序開發(fā)工具軟件，借助微軟在操作系統(tǒng)和辦公軟件的壟斷地位， VB 在短短的幾年內(nèi)風(fēng)靡全球。 C51 集成到 uVision2開發(fā)環(huán)境，這個(gè)環(huán)境包括：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，調(diào)試器。 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 第三章 系統(tǒng) 軟件 簡(jiǎn)介 系統(tǒng)開發(fā)工具介紹 本系統(tǒng)中單片機(jī)的開發(fā)工具采用 。 整個(gè)系統(tǒng)遵循了冗余原則及以軟代硬的原則，并盡可能選用典型、常用、易于替換的芯片和電路，為系統(tǒng)的開放性、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化打下良好基礎(chǔ)。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 C 。 DS18B20 的精度較差為177。176。 C， 在 10~+85176。 根據(jù)電阻爐測(cè)溫范圍的要求，該系統(tǒng)適合采用 DS18B20 作為溫度傳感器， DS18B20 支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為 55176。 電源供電 電路[10]如圖 212 所示 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 圖 212 系統(tǒng)供電電源總體電路圖 系統(tǒng)特點(diǎn) 基于上述功能要求及智能儀表應(yīng)具有的體積小、成本低、功能強(qiáng)、抗千擾并盡可能達(dá)到更高精度的要求。這是最簡(jiǎn)單的連接方法，但是對(duì)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(jī)的 11 腳連接，第 9 腳和單片機(jī)的 10 腳連接，第 15 腳和單片機(jī)的 20 腳連接。 四、連接 由于串口用的是 TTL 電平，和 RS232 電平不同，因此，單片機(jī)和 PC通信時(shí)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，常用的 IC 是 MAX232,連接圖如圖 211 所示，其中 MAX232 供電腳為＋ 5V，中間連接的電解電容取 50V 1UF。波特率可變，根據(jù)定時(shí)器 1的溢出率計(jì)算。波特率為振蕩頻率的 1/64 或 1/32。 方式 1： 8位 UART， 1幀信息為 10位，其中一位起始位“ 0”、八位數(shù)據(jù)位（先低位后高位）和一個(gè)停止位“ 1”，波特率可變，根據(jù)定時(shí)器 1的溢出率計(jì)算。在這種工作方式下，發(fā) 送和接收串行數(shù)據(jù)都通過 RXD（ ）進(jìn)行，從 TXD（ ）輸出移位脈沖，控制外部的移位寄存器移位。 PCON 中的 SMOD 用來控制波特率加倍。串行口對(duì)外有兩條獨(dú)立的收發(fā)信號(hào)線 RXD（ ）、 TXD（ ），因此可以同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全雙工。 二、相關(guān)的寄存器 SBUF 是兩個(gè)在物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時(shí)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。 CPU響應(yīng)中斷，用一條指令（ MOV A， SBUF）把接收緩沖器 SBUF（收）的內(nèi)容讀入累加器。 串行口的接收與否受制于允許接收位 REN 的狀態(tài)，當(dāng) REN 被軟件置“ 1”后，允許接收器接收。 MCS51 串行口的發(fā)送和接收時(shí)鐘可由兩種方式產(chǎn)生 ，一種是由主機(jī)頻率 fosc 經(jīng)分頻后產(chǎn)生，另一種方式是由內(nèi)部定時(shí)器 T1 或 T2的溢出率經(jīng) 16分頻后提供。該接口電路不僅能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個(gè)同步移位寄存器使用。所以 RS232適合本地設(shè)備之間的通信。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。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL電平到 RS232電平再返回 TTL電平。 圖 29 RS232引腳圖 收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地，如從 DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用 DB25連接器時(shí)是 2腳相對(duì) 7腳（信號(hào)地）的電平， DB25各引腳定義參見圖 29。 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(biāo)準(zhǔn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步 。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位 1，這樣就有 3 個(gè)邏輯高位。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情 況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。由于數(shù)據(jù)是在基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 20 傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。 c，停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開始 /停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位 。擴(kuò)展的 ASCII 碼是 0～ 255（ 8 位）。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。 b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800Hz。例如300 波特表示每秒鐘發(fā)送 300 個(gè) bit。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配： a，波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。其他線用于握手，但是不是必須的。通信使用 3 根線完成：（ 1）地線，（ 2）發(fā)送，（ 3）接收。比如 IEEE488 定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過 20 米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過 2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá) 1200 米（ RS485）。盡管比按字節(jié)（ byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌 (電壓 )對(duì)開關(guān)器件雙向可控硅管的沖擊和干擾 (甚至誤動(dòng)作 )而設(shè)計(jì)的，一般是 用“ RC”串聯(lián)吸收電路或非線性電阻 (壓敏電阻器 )。所謂“過零”是指，當(dāng)加入控制信號(hào)，交流電壓過零時(shí)， SSR即為通態(tài)；而當(dāng)斷開控制信號(hào)后， SSR 要等待交流電的正半周與負(fù)半周的交界點(diǎn) (零電位 )時(shí)， SSR 才為斷態(tài)。工作基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 19 時(shí)只要在 A、 B 上加上一定的控制信號(hào)，就可以控制 C、 D 兩端之間的“通”和“斷”，實(shí)現(xiàn)“開關(guān)”的功能，其中耦合電路的功能是為 A、 B端輸入的控制信號(hào)提供一個(gè)輸入 /輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開 SSR 中輸入端和輸出端之間的 (電 )聯(lián)系，以防止輸出端對(duì)輸入端的影響，耦合電路用的元件是“光耦合器”，它動(dòng)作靈敏、響應(yīng)速度高、輸入 /輸出端間的絕緣 (耐壓 )等級(jí)高；由于輸入端的負(fù)載是發(fā)光二極管，這使 SSR 的輸入端很容易做到與輸入信號(hào)電平相匹配，在使用時(shí)可直接與計(jì)算機(jī)輸出接口相接，即 受“ 1”與“ 0”的邏輯電平控制。 圖 28 交流 SSR 工作原理框圖 交流型 SSR 的工作原理框圖如圖 28 所示，圖中的部件① ~④構(gòu)成交流 SSR 的主體。因此 SSR 作為自動(dòng)控制的執(zhí)行部件得到越來越廣泛的應(yīng)用。它在通、斷時(shí)沒有火花和電弧，有利于防爆，干擾?。ㄌ貏e對(duì)微弱信號(hào)回路）。與普通繼電器一樣，它的輸入側(cè)與輸出側(cè)之間是電絕緣的。因此，在本系統(tǒng)中采用通斷控制的方式來進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。但通斷控制也存在抗電源干擾能力弱等缺點(diǎn)。輸出的線性范圍窄而線性度又不好，只能靠反饋來改善。 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 18 圖 27 功率調(diào)節(jié)方式比較 通過比較發(fā)現(xiàn)：相位控制的電壓波形不“規(guī)整”，但正負(fù)半周對(duì)稱，無直流成分，可直接用于電感負(fù)載。就觸發(fā)方式而言，前者為移相觸發(fā)，后者為過零觸發(fā)。由晶閘管實(shí)現(xiàn)交流功率調(diào)節(jié)的途徑有兩條：一種是通過改變交流電壓每周期內(nèi)電壓波形的導(dǎo)通角，使得負(fù)載端電壓有效值得以調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)。 輸出通道設(shè)計(jì) （ 1） 電阻爐的功率調(diào)節(jié)方式 電阻爐的溫度控制是通過調(diào)節(jié)電阻爐的輸入電功率來實(shí)現(xiàn)的。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。因此，在用DS18B20 進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。 3) 連接 DS18B20 的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。 2) 在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 16 表 28： ROM 指令 表 表 29： RAM 指令表 六、 DS18B20 使用中注意事項(xiàng) DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： 1) 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì) DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必 須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。 表 27： DS18B20 暫存寄存器分布 根據(jù) DS18B20 的通訊協(xié)議，主機(jī)（單片機(jī)）控制 DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條 ROM 指令，最后發(fā)送 RAM 指令，這樣才能對(duì) DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。表 27是 對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。單片機(jī)可