【正文】 ...................... 13 5 軟件設(shè)計 .......................................................... 14 主程序流程圖 ................................................ 14 ................................................... 15 ...................................... 15 LCD顯示程序 ........................................... 16 6 實測結(jié)果 .......................................................... 16 7 總結(jié) ............................................................. 19 參考文獻 ............................................................ 20 附錄一：電路圖 ...................................................... 21 附錄二：源程序 ...................................................... 22 附錄三：實物圖 ...................................................... 28 2 1 引言 溫度作為一個基本的物理量，它是一個與人們生活環(huán)境、生產(chǎn) 活動密切相關(guān)的重要物理量。 在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度作為一種常用的被控參數(shù)，在很多生產(chǎn)過程中我們需要對溫度參數(shù)進行檢測。使之達到工藝標(biāo)準(zhǔn)，以單片機為核心設(shè)計的水箱溫度控制系統(tǒng)， 采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有組態(tài)簡單、控制方便和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo) ，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 [1] 隨著電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷進步，而且微型計算機和傳感器的價格也慢慢的變低，可靠性也逐步的提高，用信息技術(shù)來實現(xiàn)溫度的控制并且提高溫度控制的精確度不但是可以達到的而且是不難實現(xiàn)的。溫度的控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，過低的溫度或過高的溫度都會使資源浪費 而失去相關(guān)的作用。 [3] 2 設(shè)計要求 設(shè)計并制作一個基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，基本要求如下：設(shè)定一個合適的溫度（如 30℃），讓水箱溫度達到設(shè)定值；實際溫 度與設(shè)定值誤差在177。 3 方案論證 根據(jù)本題設(shè)計要求，確定了本系統(tǒng)的原理框圖如圖 31所示。由于采用模擬控制方式，溫度控制系統(tǒng)受環(huán)境溫度的影響大，不能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法和相對比較精確的溫度控制精度，而且不能用顯示和鍵盤設(shè)定及上位機傳輸信息。采用了溫度傳感器采集溫度信號并通過單片機進行一定的計算產(chǎn)生控制信號去控制加熱模塊。通過軟件編程能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制算法使系統(tǒng)具有控制精度相對較為高的優(yōu)點。 核心處理模塊的方案 方案 1：采用 PIC 單片機。缺點： PIC 單片機價格貴，燒寫器較貴，燒寫程序比較麻煩。 MCS51系列單片機是 8 位增強型。 綜合上面兩個方案以及本人日常學(xué)習(xí)到的單片機，選擇方案二作為本設(shè)計的核心處理模塊。 DS18B20 具有體積小、質(zhì)量輕、精密度高、全數(shù)字化、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。 ℃，當(dāng)電源電壓在 510V 之間，穩(wěn)定度為 1﹪時，其各方面特性都滿足了本系統(tǒng)的設(shè)計要求。 [2] 控制執(zhí)行的方案 方案 1：由單片機 I/O 口輸出高低電平控制電磁繼電器的通斷。當(dāng) I/O 口輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器有較大的電流通過，開關(guān)閉合，電阻絲開始加熱。首先單片機進行 PID 算法，實時的更新PWM脈沖的輸出參數(shù)，來控制 PWM波的產(chǎn)生，從而控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通和斷開，進而控制電阻絲的加熱來實現(xiàn)溫度的控制。而且固態(tài)繼電器的性能滿足控制的高頻頻率的要求。所以我最終采用固態(tài)繼電器為控制執(zhí)行的方案。 方案二：選用液晶顯示 ,顯示的內(nèi)容更加的豐富。 5 4 系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)選用的模塊包括：單片機系統(tǒng)， LED 顯示模塊，溫度采集模塊，控制執(zhí)行模塊，加熱模塊。 復(fù)位電路的設(shè)計 復(fù)位使單片機處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開始運行。單片機的外部復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵電平復(fù) 位?？紤]到本系統(tǒng)的運行和調(diào)試，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式，如圖41所示。 STC89C52 內(nèi)部有一個反相振蕩放大器， XTAL1 和 XTAL2 分別是該反向振蕩放大器的輸入端和輸出 6 端。因為可以準(zhǔn)確得到 9600 波特 率和19200 波特率 ,用于有串口通訊的場合。在使用外部時鐘時，外部時鐘必須從 XTAL1 輸入，而 XTAL2 懸空。 然后再對獨立鍵盤進行 I/O 口分配， 本設(shè)計中的獨立按鍵只需要四個端口，設(shè)置 分別為功能鍵，加一鍵，減一鍵，確定鍵。同樣的，系統(tǒng)對溫度的控制的信號的輸出也是一個 I/O 口就能實現(xiàn)的，那么就設(shè)置 為溫度控制信號輸出端。 LCD1602 液晶顯示模塊的讀寫操作，屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。寫命令包括液晶的光標(biāo)顯示 /不顯示、 光標(biāo)閃爍 /不閃爍、需不需要移動屏幕、在液晶什么位置顯示等。 （ 2） 讀 /寫控制端設(shè)置為寫模式，即低電平。 9 （ 4） 給 E 一個高脈沖將數(shù)據(jù)送入液晶控制器，完成寫操作。 本溫度控制系統(tǒng)采用外接供電方式，電路圖如下圖 48所示 圖 47 DS18B20管腳圖 圖 48 DS18B20電路圖 10 DS18B20 的分辨率 DS18B20 溫度傳感器可完成對溫度的測量，溫度分辨率的設(shè)定能夠影響到溫度傳感器的轉(zhuǎn)換時間和轉(zhuǎn)換的精確度 [11]。 表 49： 溫度分辨率設(shè)置表 R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間 0 0 9位 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms 由于本系統(tǒng)的對被控的對象的溫度采集的實時要求 較高，所以選擇 DS18B20的分辨率位 12 位，在 12 位分辨率的時候的溫度采集精度是 度，滿足溫度系統(tǒng)的控制的精度的要求， 所以 R1和 R0 的設(shè)置分別為 R1=1,R0=1。首先由 DSl8B20 數(shù)字溫度傳感器檢測并且采集溫 度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給單片機，單片機將檢測的溫度值與設(shè)定的目標(biāo)溫度值進行比較，計算出溫度的偏差，然后采用 PID 算法并且輸出相應(yīng)的控制信號，控制固態(tài)繼電器在控制周期內(nèi)的通斷占空比 (控制電阻絲的平均發(fā)熱功率的大小 )，從而達到較為精確可靠的控制溫度的目的。由于單片機的輸出信號電平很低，無法直接驅(qū)動外圍設(shè)備進行工作，因此在本設(shè)計中單片機的控制部分需要外圍設(shè)備的驅(qū)動、信號電平的 轉(zhuǎn)換技術(shù)。 控制模塊的電路設(shè)計如下圖 413： 12 圖 413控制模塊電路圖 加熱模塊 本次設(shè)計的溫控系統(tǒng)由 100W 的電阻絲給水進行加熱，加熱的開關(guān)由固態(tài)繼電器實現(xiàn)。再對偏差值進行比例，積分與微分的計算處理，得到的控制數(shù)字信號來控制電阻絲的加熱，使實際溫度穩(wěn)定 在設(shè)定的目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。 增量式 PID 算法是指數(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 414 所示。 SDDISi TTkTTk ?? 。在確定了各個常量之后，根據(jù)最近的 3 次偏差即可求出 PID 控制的增量。面對不同的控制對象的 PID 參數(shù)都是不相同。 PID 參數(shù)的設(shè)置對系統(tǒng)的可能的影響如下： 1)溫度很迅速就能達到設(shè)定的目標(biāo)值，但是超 調(diào)量很大。 2)溫度達不到目標(biāo)值，長時間小于目標(biāo)值。 3)基本上能穩(wěn)定在目標(biāo)溫度值上，但上下偏差很大而且經(jīng)常波動。 PID參數(shù)的調(diào)整步驟為先比例，后積分，再微分的步驟。然后通過反復(fù)的實驗調(diào)試，根據(jù)實驗調(diào)試的結(jié)果最終確定比較理想的 PID 參數(shù)值。 溫度采集模塊子程序 根據(jù) DS18B20 的相關(guān)資料編寫了溫度采集程序，程序流程圖如下圖 52 No No 52 溫度采集模塊程序流程圖 讀取 1， 2節(jié)溫度數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)換溫度數(shù)據(jù) 初始化 DS18B20 發(fā)送讀暫存存儲器命令 延時等待溫度轉(zhuǎn)換完成 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令 發(fā)送跳過 ROM指令 收 到 應(yīng) 答 脈沖？ 初始化 DS18B20 收 到 應(yīng) 答 脈沖？ 16 LCD 顯示程序 根據(jù) 1602 的資料編寫了溫控系統(tǒng)顯示模塊的程序，流程圖如下圖 53