【正文】 樣的溫度傳感器，溫度傳感器是整個(gè)控制系統(tǒng)獲取被控對(duì)象特征的重要部件，它的特性直接影響系統(tǒng)的精度，也對(duì)于本設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的性能、簡繁程度以及設(shè)計(jì)成本等都有一定的影響，因此要對(duì)各種溫度傳 感器先進(jìn)行比較。 XTAL1(19)：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 EA/VPP(31)：當(dāng) EA 保持低電平時(shí)， 外部程序存儲(chǔ)器地址為 (0000H~FFFFH)不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 PSEN(29)：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。 ALE/PROG(30)：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)，在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 RST(9)：復(fù)位輸入。作為輸入時(shí)，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流 (ILL)，也是由于上拉的緣故。 P3 口 (10~17)： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。在給出地址 “ 1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。作為輸入時(shí)， P2 口的管腳電位被外 部拉低，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P1 口 (1~8)： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P0 口 (39~32)： P0 口為一個(gè) 8 位漏 極 開路雙向 I/O 口，每個(gè)管腳可吸收 8TTL 門電流。 VCC(40)：供電電壓，接 +5V 電源。因此，對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，選擇 STC89C52RC 是最有利的。最重要的是，能夠在掉電狀態(tài)下保存 RAM 內(nèi)的數(shù)據(jù)。 32 位的 I/O 口線能夠使得單片機(jī)與溫度顯示器、溫度傳感器、鍵盤、報(bào)警電路、按鍵電路和溫度控制電路等等連接變得可能。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 。 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 STC89C52RC 的引腳 另外， STC89C52RC 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。主要特性 [5]如下： 1． 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ； 2． 8K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃爍存儲(chǔ)器， 512*8 位內(nèi)部 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，內(nèi)帶 2K字節(jié) EEPROM 存儲(chǔ)空間 ； 3． 工作頻率范圍： 040MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 080MHz。它集 Flash 程序存 儲(chǔ)器既可在線編程(ISP)，也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程，所以低價(jià)位單片機(jī)可為提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，對(duì)于簡單的測溫系統(tǒng)已經(jīng)足夠。完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度點(diǎn)保持恒溫等多種控制方式。使用 8051 內(nèi)核的單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度全程的自動(dòng)控制，而且 8051內(nèi)核的單片機(jī)易于學(xué)習(xí)、掌握，性能價(jià)格比高。 CPU：單片機(jī) 對(duì)于單片機(jī)的選擇，可以考慮使用 8031 與 8051 系列，由于 8031 沒有內(nèi)部 RAM，系統(tǒng)又需要大量內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因而不適用。并且在到達(dá)報(bào)警溫度后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警。下面給出增量型和位置型的具體公式： ΔY(n)=Y(n)Y(n1) =KP[e(n)e(n1)]+KIe(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] （ 式 22） Y(n)=Y(n1)+ KP[e(n)e(n1)]+ KI e(n)+KD[e(n)2e(n1)+e(n2)] （ 式 23） 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 式 22 和 式 23 中 KI=KP TiT ，稱為積分常數(shù)； KD=KP TTd ，稱為微分常數(shù) ； e(t)為第 n次采樣的偏差值； e(n1)為第 (n1)次采樣時(shí)的偏差值； n 為采樣序列， n=0， 1， 2， ? [4]。最后根據(jù) T， PK ， IT ， DT 諸參數(shù)優(yōu)選的結(jié)果選一組最佳值即可。即根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律 ，及不同調(diào)節(jié)對(duì)象的特征，通過閉環(huán)試驗(yàn)，反復(fù)湊試，找出最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。但是這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中比較麻煩。 PID 控制器的參數(shù)整定 PID 參數(shù)整定是一個(gè)復(fù)雜的過程，一般需要根據(jù)被控對(duì)象慢慢進(jìn)行。這就是說，在控制器中僅引入 “ 比例 項(xiàng) ” 往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤 差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分項(xiàng) ” ，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例 +微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。 3． 微分 (D)控制： 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小 ，直到等于零。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入 “ 積分項(xiàng) ” 。 2． 積分 (I)控制： 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。 顯然， pK 越大，控制器的控制作用越強(qiáng)；只要 e(t)不為 0，積分項(xiàng)會(huì)因積分而使控制器的輸出變化；只要 e(t)有變化的趨勢，控制器就會(huì)在微分作用下，在偏差出現(xiàn)且偏差不大時(shí)提前給輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制作用。 PID 控制作用 PID 是比例 (P)、積分 (I)和微分 (D)3 個(gè)控制作用的組合。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù) 時(shí)，最適合用 PID 控制技術(shù)。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的 PID 控制過程是應(yīng)用最多的控制規(guī)律，現(xiàn)在仍然在各種過程控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，在 DCS 以及邏輯控制為主體的大型 PLC 系統(tǒng)中，均設(shè)有 PID 控制模塊 [3]。當(dāng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)后，數(shù)字 PID 控制器更顯示出參數(shù)調(diào)整靈活、算法變化多樣、簡單方便的優(yōu)點(diǎn)。便于單片機(jī)處理及控制，省去傳統(tǒng)的測溫方法的很多外圍電路，省卻了采樣 /保持電路、運(yùn)放、數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路以及進(jìn)行長距離傳輸時(shí)的串 /并轉(zhuǎn)換電路，簡化了電路，縮短了系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)的硬件成本。 選擇 DS18B20 作為本系統(tǒng)的溫度傳感器，選擇單片機(jī) STC89C52 為測控系統(tǒng)的核心來完成數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警等功能。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)顯示溫度計(jì)工作的實(shí)時(shí)時(shí)間，方便用戶進(jìn)行簡單的人機(jī)對(duì)話。利用外接的鍵盤設(shè)置電路，對(duì)溫度進(jìn)行上下限設(shè)置。同時(shí)改進(jìn)控制算法，采用先進(jìn)的 PID 控制算法，就可以省去建立繁瑣的數(shù)學(xué)模型，而且控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定與精確。 單 片 機(jī) 數(shù)碼管 報(bào)警電路 測溫電路 晶振電路 復(fù)位 電路 ADC0809 按鍵防抖動(dòng) 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 DS18B20 溫度測溫系統(tǒng)框圖 論證分析及本文設(shè)計(jì)思路簡述 從以上兩種方案，容易看出方案一的測溫裝置可測溫度范圍寬、體積小，但是線性誤差較大。 如圖 所示，利用 STC89C52 芯片控制溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測并用LCD1602 顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量環(huán)境溫度，并可以根據(jù)需要設(shè)定上下限報(bào)警溫度。采用 51 單片機(jī)控制，軟件編程的自由 度大，可通過編程實(shí)現(xiàn)各種各樣的算術(shù)算法和邏輯控制，而且體積小，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，安裝方便。 DS18B20 的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 和微控制器 STC89C52 構(gòu)成的溫度測量裝置，它直接輸出溫度的數(shù)字信號(hào)，可直接與計(jì)算機(jī)連接。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，此元件線性較好。系統(tǒng)框圖如圖 所示： 圖 熱電偶溫差電 路測溫系統(tǒng)框圖 方案二 采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20 測量溫度，輸出信號(hào)全數(shù)字化。此外還有復(fù)位電路，晶振電路，啟動(dòng)電路等。熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度范圍非常寬，且體積小，但是它們也存在著輸出 電壓小、容易遭受來自導(dǎo)線環(huán)路的噪聲影響以及漂移較高的缺點(diǎn)，并且這種設(shè)計(jì)需要用到 A/D 轉(zhuǎn)換電路，感溫電路 相對(duì)復(fù)雜 。通過將參考結(jié)點(diǎn)保持在已知溫度并測量該電壓，便可推斷出檢測結(jié)點(diǎn)的溫度 [2]。在溫度檢測方面，下面將列出兩種在日常生活中和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用到的實(shí)現(xiàn)方案。 方案選擇 實(shí)現(xiàn)溫度控制的方法有多種，可以用工 業(yè) 控 制 機(jī)作為控制器，用熱電阻測量溫度；也可以用單片機(jī)作為控制器，用熱電偶進(jìn)行溫度測量。 6． 做出相應(yīng)溫度控制。 4． 能夠根據(jù)需要方便設(shè)定上下限報(bào)警溫度。℃ 。 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的主要功能和指標(biāo)如下： 1． 利用溫度傳感器 (DS18B20)測量某一點(diǎn)環(huán)境溫度。 最后， 設(shè)計(jì) 總結(jié)。 第四章： 進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，分別介紹個(gè)功能模塊電路圖連接， 分析編程過程中的流程圖 。 第二章：主要通過敘述設(shè)計(jì)的整體思路，論證 不同方案之間的優(yōu)缺點(diǎn)，闡述如何將單片機(jī)、溫度傳感器、液晶顯示屏 等結(jié)合在一起以達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。使本南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 課題內(nèi)容 能應(yīng)用到火警報(bào)警、鍋爐、電熱器一類的設(shè)備上。我們現(xiàn)在完全可以運(yùn)用單片機(jī)和電子溫度傳感器對(duì)某處進(jìn)行溫度檢測，而且我們可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測，如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn)，我們還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測和控制。目前的智能溫度傳感器 （ 亦稱數(shù)字溫度傳感器 ） 是在 20 世紀(jì) 90 年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù) (ATE)的結(jié)晶，特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器 (MCU)[2]。而現(xiàn)在單片機(jī)在農(nóng)業(yè)上也有了很多的應(yīng)用。單片機(jī)的潛力越來越被人們所重視。溫度的測控技術(shù)已由模擬測控技術(shù)逐漸讓位與以單片機(jī)為主的微處理器測控技術(shù)，形成數(shù)字與模擬混合的測控系統(tǒng)和純數(shù)字測控系統(tǒng)的應(yīng)用，并正向全數(shù)字測控方向快速發(fā)展。而由溫度控制帶來的時(shí)滯效應(yīng)難題始終困擾著實(shí)際應(yīng)用。 單片機(jī)及溫 度控制的研究方向和現(xiàn)狀 溫度控制是自動(dòng)控制經(jīng)常討論的課題之一，它代表了一類自動(dòng)控制的方法。 現(xiàn)代自動(dòng)控制越來越朝著智能化發(fā)展，在很多自動(dòng)控制系統(tǒng)中都用到了工控機(jī)，小型機(jī)、甚至是巨型機(jī)處理機(jī)等，當(dāng)然這些處理機(jī)有一個(gè)很大的特點(diǎn)，那就是很高的運(yùn)行速度，很大的內(nèi)存，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ， 但隨之而來的是巨額的成本 頁 。單片機(jī)在家用電器業(yè)中應(yīng)用得十分廣泛：例如全自動(dòng)洗衣機(jī)、智能玩具；除了上述傳統(tǒng)領(lǐng)域外，汽車、電子工業(yè)在國外也是單片機(jī)應(yīng)用十分廣泛的一個(gè)領(lǐng)域。近年來，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)繼續(xù)朝快速、高性能方向發(fā)展，從 4 位、 8 位單片機(jī)發(fā)展到 l6 位、32 位單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測控領(lǐng)域帶來了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開單片機(jī)的應(yīng)用。利用單片機(jī)和溫度傳感器構(gòu)成的數(shù)字式智能溫度計(jì)就可以直接測量溫度，得到溫度的數(shù)字值，既簡單方便，又直觀準(zhǔn)確。最常見到的測量溫度的工具是各種各樣的溫度計(jì)，例如，水銀 玻璃溫度計(jì)，酒精溫度計(jì)，熱電偶或熱電阻溫度計(jì)等 [1]。 溫度是日常生活、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、化工、石油等領(lǐng)域最常遇到的一個(gè)物理量。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) ， 溫度檢測， DS18B20， PID 控制 算法 南通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II ABSTRACT With the rapid development of electronic information technology and the achievement of industrial infomationization, the automatic detection, display and control system of temperature is being widely used in many fields. The main task of the system is to monitor and regulate the environment temperature in real time and present the results to the users in friendly interface, and the ultimate goal is to ensure that products can work effectively in the appropriate temperature through the small system posed of microcontrollers and sensors. The paper discussed the design of water heater’s temperature detection and control system based on STC89C52RC microcontroller. The system uses the microcontroller (STC89C52RC) as the CPU (Central Processing Un