【正文】 統(tǒng)中采用手動(dòng)復(fù)位鍵復(fù)位相的方式。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生脈沖信號(hào) ， 進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1 重新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào) 進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值 。 則 高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。 DS18B20 測(cè)溫原理如圖 所示。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。 DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng) 的 功能，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn) 組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫 。 6. 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 “ 一線總線 ” 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 。 9 圖 DS18B20 的外形及管腳 圖 4. 通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn) 9～ l2 位的數(shù)字讀數(shù)方式，可在至多 750 ms 內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換成 12 位的數(shù)字，測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃ 。 3. － 10℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi)的測(cè)溫準(zhǔn)確度為 177。 主要特點(diǎn)有： 1. 用戶可自設(shè)定報(bào)警上下限溫度值。VDD 為電源接口，既可由數(shù)據(jù)線提供電源，又可由外部提供電源，范圍 ～ V。 DS18B20 的外形及管腳排列如圖 所示。首先來(lái)介紹一下 DS18B20這塊傳感器的特性及其功能 : DSl8B20 的管腳及特點(diǎn) DS18B20 可編程溫度傳感器有 3個(gè)管腳。 引腳排列如圖 。 其主要工作特性為： 內(nèi)含 8KB 的 Flash 存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)達(dá) 1000 次； 內(nèi)含 128 字節(jié)的 RAM； 具有 32 根可編程 I/O 線； 具有 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器； 具有 6 個(gè)中斷源、 5 個(gè)中斷矢量、 2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； 具有 1 個(gè)全雙工的可編程串行通信接口； 具有 1 個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR； 兩種低功耗工作模式，即空閑模式和掉電模式； 具有可編程的 3 級(jí)程序鎖定位； 工作電源電壓為 5177。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 AT89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接且方法簡(jiǎn)單、易于掌握 ,在實(shí)際中被廣泛應(yīng)用。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定 PID 控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)問(wèn)和微分時(shí)間的大小。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，控制理論的其他技術(shù)也難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定時(shí)，應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 本設(shè)計(jì)采用了 PID 控制。在這個(gè)過(guò)程中，我們通過(guò)單片機(jī)將傳感器所測(cè)量出來(lái)的溫度通過(guò) LCD1602 可以顯示出來(lái)。部分功能電路的集成，使總體電路更簡(jiǎn)潔，搭建電路和焊接電路時(shí)更快。本制作的最大特點(diǎn)之一就是直接采用溫度芯片對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，使數(shù)據(jù)傳輸和處理簡(jiǎn)單化。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用 做工業(yè)測(cè)溫元件，且此元件線形較好。 AT89C52 的廣泛使用，使單片機(jī)的價(jià)格大大下降。設(shè)計(jì)人員需完成全部硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并利 Altium Designer 仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由鍵盤電路輸入設(shè)定溫度信號(hào)給 單片機(jī)，溫度信號(hào)采集電路采集現(xiàn)場(chǎng)溫度信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)輸入與反饋信號(hào)的偏差進(jìn)行 PID 計(jì)算，輸出 反饋量 給溫度控制電路，實(shí)現(xiàn) 升溫 。 該 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 由 溫度信號(hào)采樣電路，鍵盤及顯示電路，溫度控制電路，報(bào)警電路，時(shí)鐘信號(hào)電路 等構(gòu)成， 并運(yùn)用 PID算法進(jìn)行溫度控制和調(diào)整。 能夠?qū)崿F(xiàn) 水溫 的自動(dòng)控制，如果設(shè)定水溫為 80℃ ，則能使水溫保持恒定在 80℃的溫度下運(yùn)行。 能夠設(shè)定水的溫度值，設(shè)定范圍是 30℃ ～ 90℃ ,溫度誤差≤177。 5 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 該 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 采用 AT89C52 單片機(jī)為主控芯片， 傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)和控制。為了便于擴(kuò)展和更改，軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系更加簡(jiǎn)潔明了，使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。 從硬件和軟件兩方面來(lái)講述水溫自動(dòng)控制過(guò)程 ,在控制過(guò)程中主要應(yīng)用 AT89C5ADC080 LED 顯示器、 LM324 比較器，而主要是通過(guò) DS18B20 數(shù)字溫度傳感器采集環(huán)境溫度，以單片機(jī)為核心控制部件，并通過(guò)四位數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度的一種數(shù)字溫度計(jì)。該器件將半導(dǎo)體溫敏器件、 A/D 轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器等做在一個(gè)很小的集成電路芯片上。傳感器輸出信號(hào)進(jìn) 的上拉電阻直接接到單片機(jī)的 引腳上。為了防止單片機(jī)掉電引起的數(shù)據(jù)丟失，溫度上下限的設(shè)定值存儲(chǔ)在 AT24C02B 中 [8]。在溫控開(kāi)關(guān)被激活的情況下，當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)加熱器加熱，同時(shí)點(diǎn)亮綠色發(fā)光二極管，當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限時(shí)，單片機(jī)啟動(dòng)致冷器降溫，同時(shí)點(diǎn)亮紅色發(fā)光二極管。 采用單片機(jī) AT89C52 設(shè)計(jì)溫度實(shí)時(shí)測(cè)量及控制系統(tǒng)。利用鍵盤輸入設(shè)定溫度 ,經(jīng)溫度標(biāo)度轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù) ,保存在片內(nèi)設(shè)定值單元 。 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外一般采用經(jīng)典的溫度控制系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案一相同，但由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動(dòng)作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。因此本系統(tǒng)可以采用 PID 的控制方式，以最大限度地滿足系統(tǒng)對(duì)諸如控制精度、調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量等控制品質(zhì)的要求 [7]。但從對(duì)控制方法的分析來(lái)看， PID 控制方法最適合本例采用。例如能夠進(jìn)行程序控溫的智能多段溫度控制儀，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字 PID 和各種復(fù)雜控制規(guī)律的智能式溫度調(diào)節(jié)器等 [11]。 近年來(lái)，溫度控制的發(fā)展尤為迅速?，F(xiàn)在傳感器也正在 3 受著微電子技術(shù)的影響，不斷發(fā)展變化。 溫度控制采用單片機(jī)設(shè)計(jì)的全數(shù)字儀表，是常規(guī)儀表的升級(jí)產(chǎn)品。本文設(shè)計(jì)的熱水器控制系統(tǒng)以 51 單片機(jī)為檢測(cè)控制中心單元，具有溫度設(shè)定與控制功能。 目前市場(chǎng)上熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問(wèn)題，很多控制器只具有溫度和水位顯示功能，不具有溫度控制功能．即使熱水器具有輔助加熱功能。因此，單片機(jī)溫度測(cè)量則是對(duì)溫度進(jìn)行有效的測(cè)量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中，擔(dān)負(fù)著重要的測(cè)量任務(wù)。因此研究溫度控制儀具有重要的意義 [10]。 例如鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，按照工藝條件的規(guī)定保持一定的溫度才能保證產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的安全。這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)良好溫度控制器，隨時(shí)向用戶顯示溫度，而且能夠較好控制。 2 1 緒論 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中主要被控參數(shù)之一，溫度控制自然是生產(chǎn)的重要控制過(guò)程。 隨著電子技術(shù)以及應(yīng)用需求的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的進(jìn)展。但隨之而來(lái)的是巨額的成本。將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度控制系統(tǒng)中存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí) 在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。因此，溫度的測(cè)量與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中均受到了相當(dāng)程度的重視。 1 前 言 溫度是表征物體冷熱 程度的 物理量。在很多生產(chǎn)過(guò)程中， 特別是在冶金、化工、建材、食品、機(jī)械、石油等工業(yè)中， 溫度的測(cè)量和控制都直接和安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源等重大技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)相聯(lián)系。 單片機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用給現(xiàn)代工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命，自動(dòng)化、智能化均離不開(kāi)單片機(jī)的應(yīng)用?，F(xiàn)代自動(dòng)控制越來(lái)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。在很多的小型系統(tǒng)中，處理機(jī)的成本占 了 系統(tǒng)成本的比例高達(dá) 20%，而對(duì)于這些小型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，配置一個(gè)如此高速的處理機(jī)沒(méi)有任何必要，因?yàn)檫@些小系統(tǒng)追求經(jīng)濟(jì)效益，而不是最在乎系統(tǒng)的快速性，所以用成本低廉的單片機(jī)控制小型的，而又不是很復(fù)雜，不需要大量復(fù) 雜運(yùn)算的系統(tǒng)中是非常適合的?，F(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(cè)，而且可以很容易地做到多點(diǎn)的溫度檢測(cè)，如果對(duì)此原理圖稍加改進(jìn)，還可以進(jìn)行不同地點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和控制。工業(yè)生產(chǎn)中溫度很難控制，對(duì)于要求嚴(yán)格的的場(chǎng)合，溫度過(guò)高或過(guò)低將嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降 低生產(chǎn)效益。單片機(jī)具有和普通計(jì)算機(jī)類似的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，結(jié)合PID，程序控制可大大提高控制效力，提高生產(chǎn)效益 [9]。對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行溫度的監(jiān)控，例如高壓開(kāi)關(guān)、變壓器的出線套管等，判斷可能存在的熱缺陷，進(jìn)而能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故的發(fā)生。 在單片機(jī)溫度測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵是測(cè)量溫度、控制溫度和保持溫度，溫度 測(cè)量是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。在日常生活中，也可廣泛實(shí)用于地?zé)帷⒖照{(diào)器、電加熱器等各種家庭室溫測(cè)量及工業(yè)設(shè)備溫度測(cè)量場(chǎng)合 [16]。也可能由于加熱時(shí)間不能控制而產(chǎn)生過(guò)燒，從而浪費(fèi)電能 。該控制器和以往顯示儀相比具有性價(jià)比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，提高了電能的使用效率，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 [18]。溫度控制的發(fā)展引入單片機(jī)之后，有可能降低對(duì)某些硬件電路的要求，但這絕不是說(shuō)可以忽略測(cè)試電路本身的重要性，尤其是直接獲取被測(cè)信號(hào)的傳感器部分，仍應(yīng)給予充分的重視，有時(shí)提高整臺(tái)儀器的性能的關(guān)鍵仍然 在于測(cè)試電路，尤其是傳感器的改進(jìn)。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種多樣溫度控制儀表，應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)方面。 水溫系統(tǒng)的傳遞函數(shù)事先難以精確獲得，因而很難判斷哪一種控制方法能夠滿足系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的要求。另一方面，由于 可以采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，無(wú)論采用上述哪一種控制方法都不會(huì)增加系統(tǒng)硬件成本，而只需對(duì)軟件作相應(yīng)改變即可實(shí)現(xiàn)不同的控制方案。 傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，選用模擬電路，用電位器設(shè)定值，反饋的溫度值和設(shè)定值比較后，決定加熱或不加熱。系統(tǒng)受環(huán)境影響大，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設(shè)定 [13]。這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法使控制精度做得較高，而且不能用數(shù)碼管顯示，對(duì)鍵盤進(jìn)行設(shè)定 [13]。采用模擬溫度傳感器對(duì)加熱杯的溫度進(jìn)行采樣 ,通過(guò)放大電路變換為 0～ 5V 的電壓信號(hào) ,經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換 ,保存在采樣值單元 。然后調(diào)顯示子程序 ,多次顯示設(shè)定溫度和采樣溫度 ,再把采樣值與設(shè)定值進(jìn)行 PID 運(yùn)算得出控制量 ,用其去調(diào)節(jié)可控硅觸發(fā)端的通斷 ,實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻絲加熱時(shí)間的控制 , 以此來(lái)調(diào)節(jié)水溫使其基本保持恒定 [2]。單片機(jī) AT89C52 能夠根據(jù)溫度傳感器 DS18B20 所采集的溫度數(shù)據(jù)來(lái)控制加熱器或致冷器的啟停，從而把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。所有溫度數(shù)據(jù)均通 過(guò)液晶顯示器 LCM1602 顯示出來(lái)。 4 采用一線制數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來(lái)作為溫度傳感器。 DS18B20 溫度傳感器是美國(guó)達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司推出的應(yīng)用單總線技術(shù)的數(shù)字溫度傳感器。溫度傳感器之所以選擇單線數(shù)字器件 DS18B20，是在經(jīng)過(guò)多方面比較和考慮后決定的 [12]。軟件方面采用匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使指令的執(zhí)行速度快，節(jié)省存儲(chǔ)空間。 而系統(tǒng)的過(guò)程則是：首先 ,通過(guò)設(shè)置按鍵 ,設(shè)定恒溫運(yùn)行時(shí)的溫度值，并且用數(shù) 碼管顯示這個(gè)溫度值 .然后 ,在運(yùn)行過(guò)程中將采樣的溫度模擬量送入 A/D 轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換，再將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，最后用單片機(jī)來(lái)控制加熱器 ,進(jìn)行加熱或停止加熱，直到能在規(guī)定的溫度下恒溫加 熱 [5]。 技術(shù)要求： 能夠連續(xù)測(cè)量水的溫度值，用十進(jìn)制數(shù)碼管來(lái)顯示實(shí)際溫度 ，最小單位為 1℃ 。 ℃ 。 用單片機(jī) AT89C52 控制，通過(guò)按鍵來(lái)控制水溫的設(shè)定值 ,數(shù)值采用數(shù)碼管顯示 。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，詳細(xì)分析 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)需求，并進(jìn)行軟硬件的總體設(shè)計(jì)。顯示電路實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。 方案的選擇 在這個(gè)系統(tǒng)中我們從性能及設(shè)計(jì)成本考慮 ,我們選擇 AT89C52 芯片。 在溫度傳感器的選擇上我們采用溫度芯片 DS18B20測(cè)量溫度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號(hào)，便于單片機(jī)處理及控制。采用溫度芯片DS18B20 測(cè)量溫度，