【正文】 產(chǎn)等。溫度的測量及控制對保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到非常重要的作用。而且隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展，溫度傳感器的種類還是在不斷增加豐富來滿足生產(chǎn)生活中的需要。交流電動機直流具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、維修簡便、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點，但主要缺點為調(diào)速較為困難。PWM常取代數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）用于功率輸出控制，其中，直流電機的速度控制是最常見的應(yīng)用。它是多種技術(shù)知識的結(jié)合，不僅涉及到軟件的設(shè)計，而且還將應(yīng)用電子技術(shù)與單片機的應(yīng)用技術(shù)有機結(jié)合，使其具有精度高、測量誤差小、穩(wěn)定性好等特點。因為經(jīng)過我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)許多應(yīng)用場合原來就有測溫控溫儀器，只是隨著對生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)需要的要求在不斷地提高，以往的那些測溫控溫的儀器根本不能滿足現(xiàn)在的要求。因此，為了提高性價比，我所設(shè)計的系統(tǒng)提出在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些簡單的改良，以此為出發(fā)點，主要闡述的是水溫自動控制系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方法。溫度控制部分，提出了用DS18S20和LCD1602的硬件電路完成對水溫的實時檢測及顯示，利用DS18S20與單片機連接由軟件與硬件電路配合來實現(xiàn)對加熱電阻絲的實時控制及超出設(shè)定的上下限溫度的報警系統(tǒng)。按照系統(tǒng)的設(shè)計功能要求，我們設(shè)計的直流電機測速系統(tǒng)采用單片機軟件系統(tǒng)實現(xiàn)，用單片機的自動控制能力配合按鍵，來控制電機轉(zhuǎn)速的設(shè)定和檢測及顯示。 第44頁（共44頁）第2章 設(shè)計理論基礎(chǔ) AT89C51系列單片機介紹 AT89C51系列基本組成及特性AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。而這種單片機對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。它與MCS51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS51系列產(chǎn)品沒有的功能。只要程序長度小于4k, 四個I/O口全部提供給用戶。AT89C51 芯片提供三級程序存儲器鎖定加密， 提供了方便靈活而可靠的硬加密手段, 能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。1288 位內(nèi)部RAM, 32 位雙向輸入輸出線, 兩個十六位定時器/計時器, 5個中斷源, 兩級中斷優(yōu)先級, 一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。間歇模式是由軟件來設(shè)置的, 當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時, CPU可根據(jù)工作情況適時地進(jìn)入睡眠狀態(tài), 內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。掉電模式是VCC電壓低于電源下限, 當(dāng)振蕩器停止振動時, CPU 停止執(zhí)行指令。只有VCC電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復(fù)位、掉電模式可被終止。其與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖21。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。當(dāng)使用片外存儲器（ROM、RAM）時，作地址和數(shù)據(jù)分時復(fù)用。P0口（作為總線時）能驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。對于80C51，——T2，是定時器的計數(shù)端且位輸入；——T2EX，是定時器的外部輸入端。P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗期間，接收高位字節(jié)地址。P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。在提供這些功能時，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。3．串行口——RXD（串行輸入口），輸入。4．中斷——INT0外部中斷0，輸入。5．定時器/計數(shù)器——T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入。6．?dāng)?shù)據(jù)存儲器選通——WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通。7．控制線(共4根)輸入：RST——復(fù)位輸入。EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。注意：在加密方式1時，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。輸入、輸出：ALE/PROG——地址鎖存允許信號，輸出。在EPROM編程期間，作輸入，輸入編程脈沖（PROG）。當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。注意：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。在從片外程序存儲器取址期間，在每個機器周期中，當(dāng)PSEN有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。 AT89C51系列單片機的功能單元1．并行I/O接口：單片機芯片內(nèi)有一項主要功能就是并行I/O口。實際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。2．定時器/計數(shù)器定時器/計數(shù)器（timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕CPU的負(fù)擔(dān)和簡化外圍電路都大有好處。定時器/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)引腳上施加器，其基本功能是加1功能。在單片機中，定時功能和計數(shù)功能的設(shè)定和控制都是通過軟件來進(jìn)行的。當(dāng)定時器/計數(shù)器設(shè)置為定時工作方式時，計數(shù)器對內(nèi)部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計滿溢出。如果單片機系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計數(shù)周期為:這是最短的定時周期，適當(dāng)選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。在每個機器周期的S5P2期間采樣引腳輸入電平，若前一個機器周期采樣值為1，后一個機器周期采樣值為0，則計數(shù)器加1。計數(shù)器對外部輸入信號的占空比沒有特別的限制，但必須保證輸入信號的高電平與低電平的持續(xù)時間在一個機器周期以上。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。4．芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。5．中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。5個中斷源的排列順序由中斷優(yōu)先級控制寄存器IP和順序查詢邏輯電路共同決定，5個中斷源分別對應(yīng)5個固定的中斷入口地址。簡單介紹一下本次設(shè)計所需的單片機芯片AT89C51的中斷系統(tǒng)中要用到的中斷類型。AT89C51究竟工作于哪種中斷觸發(fā)方式,可由用戶對定時器控制寄存器TCON中IT0和IT1位狀態(tài)的設(shè)定來選取。若AT89C51設(shè)定為電平觸發(fā)方式(IT0=0或IT1=0),則CPU檢測到INT0、INT1上低電平時就可認(rèn)定其上中斷請求有效。（2） 定時器溢出中斷源定時器溢出中斷由AT89C51內(nèi)部定時器分的中斷源產(chǎn)生,故它們屬于內(nèi)部中斷。定時器T0/T1在定時脈沖作用下從全“1”變成全“0”時可以自動向CPU提出溢出中斷請求,以表明定時器T0或T1的定時時間已到。串行口中斷分為串行口發(fā)送中斷和串行口接收中斷兩種。因此,只要在串行口中斷服務(wù)程序中安排一段對SCON中RI和TI中斷標(biāo)志位狀態(tài)的判斷程序,便可區(qū)分串行口發(fā)生了接收中斷請求還是發(fā)送中斷請求。 對于直流電機的控制無非是控制其轉(zhuǎn)向以及速度，轉(zhuǎn)向的控制方法比較簡單只要改變電機的通電極性就可改變其旋轉(zhuǎn)方向，擬重點討論如何對其速度進(jìn)行控制及對其調(diào)速可采用的辦法。電子式定時計數(shù)測量頻率的方法一般有三種：①測頻率法:在一定時間間隔t內(nèi)，計數(shù)被測信號的重復(fù)變化次數(shù)N，則被測信號的頻率可表示為 （1）②測周期法：在被測信號的一個周期內(nèi)，計數(shù)時鐘脈沖數(shù)，則被測信號頻率，其中，為時鐘脈沖信號頻率。本次設(shè)計中我們將測周發(fā)和測頻法結(jié)合使用，在低轉(zhuǎn)數(shù)的時候我們采用測周法，其他時候采用測頻法，這樣可以大大提高轉(zhuǎn)速測量精度。周期T和轉(zhuǎn)速r的關(guān)系如下： r=60/8T 單位為轉(zhuǎn)/每分鐘。另外考慮到一般的測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常的惡劣，各種干擾信號較強，模擬信號很容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。在實際的溫度測量過程中被廣泛應(yīng)用，同時也取得了良好的測量效果。2．DS18S20提供了9位攝氏溫度測量，具有非易失性、上下觸發(fā)門限用戶可編程的報警功能。總線與中央微處理器通信，僅需要單根數(shù)據(jù)線(或地線)。 4．DS18S20具有55176。C的工作溫度范圍，在10176。C溫度范圍內(nèi)精度為177。C。6．DS18S20的測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時還可以傳送給CRC校驗碼，它具有極強的抗干擾糾錯的能力。圖4 原理圖根據(jù)以上這些特性而從中受益的應(yīng)用包括：HVAC環(huán)境控制、室內(nèi)，設(shè)備或者機器內(nèi)部的溫度監(jiān)測系統(tǒng)、過程監(jiān)控和控制系統(tǒng)。光電傳感器在一般情況下，有三部分構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。此外，光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準(zhǔn)確地從反射板中返回，具有實用意義。圖5 實物圖 圖6 邏輯功能圖L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。L298是一款單片集成的高電壓、高電流、雙路全橋式電機驅(qū)動，設(shè)計用于連接標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，驅(qū)動電感負(fù)載（諸如繼電器、線圈、DC和步進(jìn)電機）。L298低位晶體管的發(fā)射器連接到一起，而其對應(yīng)的外部端口則可用來連接一個外部感應(yīng)電阻。uA741M，uA741I，uA741C（單運放）是高增益運算放大器，用于軍事。 uA741M，uA741I，uA741C芯片引腳和工作說明：1和5為偏置(調(diào)零端)，2為正向輸入端，3為反向輸入端，4接地，6為輸出，7接電源 8空腳。但有時傳感器所輸出的電壓電流信號可能非常微小，以致信號處理時難以察覺其間的變化，故需要以放大器進(jìn)行信號放大以順利測得電流電壓信號，而放大器所能達(dá)成的工作不僅是放大信號而已，尚能應(yīng)用于緩沖隔離、準(zhǔn)位轉(zhuǎn)換、阻抗匹配、以及將電壓轉(zhuǎn)換為電流或電流轉(zhuǎn)換為電壓等用途。Amplifier,Amp)應(yīng)用較為廣泛。J4接入邏輯電源，J69接入動力電源，J1與J2分別為單片機控制兩個電機的輸入端，J3與J5分別與兩個電極的正負(fù)極相連。由于我們使用的電機是線圈式的，在從運行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)和從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀態(tài)時會形成很大的反向電流，在電路中加入二極管的作用就是在產(chǎn)生反向電流的時候進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片的安全。采集電路中應(yīng)用了比較常見的光電測速方法來實現(xiàn)，其具體做法是將電機軸上固定一圓盤，圓盤上繞中心均勻?qū)ΨQ分布著4個圓孔，在圓盤的一側(cè)固定一個發(fā)光二極管，其位置對準(zhǔn)圓孔，在另一側(cè)和發(fā)光二極管平行的位置固定一光敏三極管，如果電機轉(zhuǎn)到圓孔處時，發(fā)光二極管通過圓孔將光照射到光敏三極管上，三極管導(dǎo)通，反之三極管截止，示意圖如圖5所示。圖10 演示圖 這樣就可以在單位時間內(nèi)盡可能多地得到脈沖數(shù)，從而避免了因為兩個過孔之間的距離過大，而正好在過孔之間或者是在下個過孔之前停止了，造成較大的誤差。為了達(dá)到預(yù)定的效果設(shè)計在轉(zhuǎn)盤過孔的設(shè)計上采用4個過孔，從而留下了4個同等的間距。 圖11 采集電路示意圖整形電路中我們使用低成本精密 CMOS 運算放大器 ua741構(gòu)成單限比較器，對采集電路的信號進(jìn)行整形得到標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波信號。DS18B20有兩種供電方式：一種為數(shù)據(jù)線供電方式，此時VDD接地，它是通過內(nèi)部電容在空閑時從數(shù)據(jù)線獲取能量，來完成溫度轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的完成溫度轉(zhuǎn)換的時間較長。另一種是外部供電方式(VDD接+5V)，相應(yīng)的完成溫度測量的時間較短。顯示電路中我們采用液晶LCD1602。因此我們采用共地的獨立式按鍵如圖15所示。這樣通過單片機就可以通過單片機來掃描按鍵了。首先要分析系統(tǒng)對軟件的要求，然后進(jìn)行軟件的總體的設(shè)計，包括程序的總體設(shè)計和對程序的模塊化設(shè)計。根據(jù)設(shè)計的要求，單片機的任務(wù)是：內(nèi)部進(jìn)行計數(shù)，在計算出速度后顯示。 主流程圖如圖16所示：有沒有有鍵按下？沒有有 處理子程序鍵處理子程序 系統(tǒng)初始化 顯示初始化 調(diào)用按鍵子程序外部信號？ 開始定時中斷1 設(shè)定定時初值中斷返回 設(shè)定定時初值中斷返回定時器0接收測量值子程序中斷返回外部中斷1計算周期和轉(zhuǎn)速 圖16 主流程圖 有鍵盤接口電路可知，當(dāng)有按鍵按下時，相應(yīng)的IO口就會被拉低，通過對與按鍵相連的IO口進(jìn)行掃描可以檢測是否有按鍵按下。 數(shù)據(jù)與算法在對電機控制的整過過程中我們使用PID算法，可以大大提高控制精度。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制的作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。應(yīng)用PID 控制，必須適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例放大系數(shù)KP，積分時間TI和微分時間TD，使整個控制系統(tǒng)得到良好的性能。 本系統(tǒng)采用增量式PID算法，程序清單如下：void PID_Set() //增量式PID{e=Set_IGet_I。（上次誤差=上次實測值設(shè)定值）//e(k1)Pe=PreGet_ISet_I。 //比例Ierror=e。 //微分if((abs)(e)=10)Du=0。//增量u=Lu+Du。 //限定范圍if(u0)u=0。LastGet_I=Get_I。 //上次測量值賦給前次測量