【正文】 其 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 用于 滿足生產(chǎn)生活中的需要。因此，單片機溫度測量則是對溫度進(jìn)行有效的測量，并且能夠在工業(yè)生產(chǎn)中 可以 得到 廣泛的應(yīng)用，尤其在電力工程、化工生產(chǎn)、機械制造、冶金工業(yè)等重要工業(yè)領(lǐng)域中擔(dān)負(fù)著重要的測量任務(wù)。但溫度是一個模擬量，如果采用 相 適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和元件，將模擬的溫度量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量雖不困難，但 卻 成本較高 ， 電路復(fù)雜 。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。目前正 在 開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。 [4] （ 2）國內(nèi)溫度測控系統(tǒng)研究 我國對于溫度測控技術(shù)的研究 則 較晚，始于 20 世紀(jì) 80 年代。我國 的 溫度測控設(shè)施計算機應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱没⒕C合性應(yīng)用階段過渡和發(fā)展。我國溫度測量控制現(xiàn)狀還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到工廠化的程度，生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾著我們，存在著裝備配套能力差，產(chǎn)業(yè)化程度低，環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。以前沒有單片機時，這些東西也 可以 做，但是 必須使用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長期使用，元器件不斷老化，控制的精度自然也會達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低 了，長期使用也不會擔(dān)心精度達(dá)不到了 的問題了 。特別是沿海地區(qū)的玩 具廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用到單片機，并不斷 的 向內(nèi)地 輻射 。 目前，測溫控溫系統(tǒng)得到快速的發(fā)展，國外的測量控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品也較多。而由于競爭越來越 激烈，現(xiàn)在企業(yè)發(fā)展的趨勢是如何最有效的提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。 通過本次的設(shè)計， 讓 我感覺到單片機的應(yīng)用會越來越廣泛，而且，在醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展中，單片機也會越來越重要。學(xué)習(xí)并使用單片機為核心進(jìn)行設(shè)計，將 會 為我們電子工作者打開一扇通往電子設(shè)計新出路 的大門。溫度控制算法精確控制溫度加熱，以溫度最小為優(yōu)化目標(biāo)。在過去多是采用常規(guī)的模擬調(diào)節(jié)器對 溫度進(jìn)行控制，本課題采用了單片微型機對溫度實現(xiàn)自動控制。 課題的研究方案 溫度控制系統(tǒng)是 一種 比較常見和典型的過程控制系統(tǒng)。 溫度是一個非線性的對象，具有大慣性的特點，在低溫段慣性較大，在高溫段慣性較小。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所得 到的 結(jié)果的精度不高并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)靜態(tài)差大、不穩(wěn)定。 方案二 （如圖 12） ： 信號采集 信號放大 固態(tài)繼電器 信號放大 負(fù)載 溫度預(yù)置 比較器 圖 11 方案 一 框圖 此方案是傳統(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。 方案三 （如圖 13） ： 此方案采用 89C51 單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機系統(tǒng)可以 使 用數(shù)碼管來顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設(shè)定值。 前兩種方案 采用的 是傳統(tǒng)的模擬控制方式 ，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較為繁瑣。 這 也使得系統(tǒng)所測得結(jié)果的精度大大提高。信號采集 溫度預(yù)設(shè) 固態(tài)繼電器 信號處理 信號放大 上線比較 下線比較 負(fù)載 圖 12 方案二框圖 AT89C51 單片機 數(shù)據(jù)采集 輸入電源 溫度控制 算法控制 圖 13 方案三框圖 第二章 設(shè)計理論基礎(chǔ) 單片機的發(fā)展概況 1970 年微型計算機研制成功之后，隨之 便 出現(xiàn)了單片機（即單片微型計算機）— 美國 Intel 公司 1971 年生產(chǎn)的 4 位單片機 4004 和 1972 年生產(chǎn)的雛形 8 位單片機 8008，這也 可以 算是單片機的第一次公眾亮相。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了 非常 廣泛的應(yīng)用，同時一些與單片機有關(guān) 的其他 公司都爭相推出各自的單片機。 1980 年 Intel 公司在 MCS48 系列 的 基礎(chǔ) 之 上又推出高性能的MCS51 系列單片機。 1982 年 Mostek 公司和 Intel 公司 又 先后 推出了 更高 性能 的 16 位單片機MK68200 和 MCS96 系列， NS 公司和 NEC 公司也分別在原有 8 位單片機的基礎(chǔ)上推出了 16 位單片機 HPC16040 和 μPD783系列。由于 16 位單片機推出的時間 比 較遲、價格昂貴、開發(fā) 設(shè)備有限等多種原因，至今還 不能 得到廣泛應(yīng)用。 縱觀這短短的 20 年， 已經(jīng) 經(jīng)歷了 4 次更新?lián)Q代，單片機正朝著集成化、多功能、多選擇、高速度、低功耗、擴大存儲容量和加強 I/O 功能及結(jié)構(gòu)兼容的方向發(fā)展。這一系列單片機為外部提供了 非常 完善的總線結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的 擴展和配置打下了良好的基礎(chǔ)。 下面我們就來重點介紹一下本畢業(yè)論文討論的系統(tǒng)所用的 AT89C51 系列單片機。而在眾多的 51 系列 單片機中，要算 ATMEL 公司的 AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和 8051 指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫。 AT89C51 基本功能描述如下： AT89C51 是一種低損耗、高性能、 CMOS 八位微處理器，而且在其片種還有 4k 字節(jié)的在線可重復(fù)編程快擦快寫程序存儲器，能重復(fù)寫入 /擦除 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。 AT89C51 可 以 構(gòu)成真正的單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積 ， 增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。可 采 用 5V 的 電壓 來 編程，而且寫入時間僅 10 毫秒 ， 僅為 8751/87C51 的擦除時間的百分之一，與 8751/87C51 的 12V 電壓擦寫相比 ， 不易損壞器件 ， 沒有兩種電源的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)域。另外 ， AT89C51 還 同時具有 MCS51 系列單片機的所有優(yōu)點。 AT89C51 具 有間歇、掉電兩種工作模式。這種狀態(tài) 會 被任何 一個中斷所終止或通過硬件復(fù)位。該芯片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器值 會 保持不變 ， 一直到掉電模式被終止。 AT89C51 系列引腳功能 AT89C51 有 40 引腳雙列直插（ DIP）形式。 圖 21 AT89C51 邏輯引腳圖 各引腳功能敘述如下： 電源和晶振 VCC—— 運行和程序校驗時加 +5V GND—— 接地 XTAL1—— 輸入到振蕩器的反向放大器 XTAL2—— 反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器 （當(dāng)使用外部振蕩器時， XTAL1 接地， XTAL2 接收振蕩器信號） 1． RST：復(fù)位輸入。 2． I/O（ 4 個口， 32 根） P0 口 —— 8 位、漏極開路的雙向 I/O 口。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（需加外部上拉電路）。 P1 口 —— 8 位、準(zhǔn)雙向 I/O 口。P1 口可驅(qū)動 4 個 LSTTL 負(fù)載。這 時候 ，讀兩個特殊輸入引腳的輸出鎖存器應(yīng)由程 序置 1。當(dāng)使用片外存儲器（ ROM 及 RAM）時，輸出高 8 位地址。 P2 口可以驅(qū)動 4 個 LSTTL負(fù)載。 P3 口 可以 提供各種替代功能。 P3 口可以輸入 /輸出4 個 LSTTL 負(fù)載。 —— TXD（串行輸出口），輸出。 —— INT1 外部中斷 1，輸入。 —— T1 定時器 /計數(shù)器 1 的外部輸入，輸入。 —— RD 低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通。在編程時，其上 需要 施加 21V 的編程電壓。在 FLASH 編程期間，此引腳也 可以 用于施加 12V 編程電源 （ VPP）。 在 ALE 以 1/6 的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出 時 ，可用作對外輸出的時鐘或用于定時。 ALE 可以驅(qū)動 8 個 LSTTL 負(fù)載。在 FLASH 編程 的時候 ，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 果 想 要 禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳 會 被略微 的 拉高。 輸出： PSEN—— 片外程序存儲器選通信號，低電平有效。 PSEN 可以驅(qū)動 8 個 LSTTL 負(fù)載。 51 單片機 系列共有 4 個 8位的并行 I/O 口，分別記作 P0、 P P P3 每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動器和輸入緩沖器。在訪問片外擴展存儲器 的時候 ，低八位地址和數(shù)據(jù)由 P0口分時傳送，高八位地址由 P2 口傳送。 C51 單片機 系列包含有兩個 16 位的可編程定時器 /計數(shù)器分別稱為定時器 /計數(shù)器 T0 和定時器 /計數(shù)器 T1；在 C51 部分產(chǎn)品中，還包含有一個用做看門狗的 8位定時器。在單片機的定時器 T0 或 T1 中，有一個定時器 在 發(fā)生由 0 到 1 的跳變時，計數(shù)器增 1，即為計數(shù)功能；在單片機內(nèi)部對機器周期或其分頻進(jìn)行計數(shù)，從而得到定時，這就是定時功能。 定時器 /計數(shù)器 的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時器 0、定時器 定時器方式寄存器 TMOD 和定時器控制寄存器 TCON 組成。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因為 C51 系列單片機的一個機器周期由 12 個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率 fc=fosc/12。 當(dāng)定時器 /計數(shù)器設(shè)置為計數(shù)工作方式時，計數(shù)器對來自輸入引腳 T0（ ）和 T1（ ）的外部信號計數(shù)，外部脈沖的下降沿將觸發(fā)計數(shù)。新的計數(shù)值是在檢測到輸入引腳電平發(fā)生 從 1到 0 的負(fù)跳變后，于下一個機器周期的 S3P1 期間裝入計數(shù)器中的，可見，檢測一個由 1 到 0 的負(fù)跳變需要兩個機器周期，所以最高檢測頻率為振蕩頻率的 1/24。 3．振蕩器 ： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。石晶振蕩和陶 瓷振蕩均可 以 采用。 當(dāng)輸入至內(nèi)部時鐘信號時需要通過一個二分頻觸發(fā)器，而對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。在芯片 被 擦除操作中，代碼陣列全被 “ 1”并 且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。在閑置模式下， CPU 停止工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止 用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。實時控制、故障自動處理、單片機與外圍設(shè)備 之 間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。 C51 系統(tǒng)有關(guān) 于 中斷的寄存器有 4 個，分別為中斷源寄存器 TCON 和 SCON、中斷允許控制寄存器 IE 和中斷優(yōu)先級控制寄存器 IP；中斷源有 5 個，分別為外部中斷 0 請求 INT0、外部中斷 1 請求 INT定時 器 0 溢出中斷請求 TF0、定時器 1 溢出中斷請求 TF1 和串行中斷請求 R1 或 T1。中斷的 主要 特點是分時操作，實時處理和故障處理 [8]。 （ 1） 外部中斷源 AT89C51 具 有 INT0 和 INT1 兩條外部中斷請求輸入線 ， 用于輸入兩個外部中斷源的中斷請求信號 ， 并允許外部中斷源以低電平或負(fù)邊沿兩種中斷觸發(fā)方式來輸入中斷請 求信號。 AT89C51 在每個機器周期的 S5P2 時對 INT0、線上中斷請求信號進(jìn)行一次檢測 ， 檢測方式和中斷觸發(fā)方式的選取有關(guān)。 （ 2） 定時器溢出中斷源 定時器溢出中斷 是 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 在定時脈沖的 作用下從全 “ 1” 變成全 “ 0” 的時候 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 中端 。因此 ，只 需 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。 [9] 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 簡介 DS18B20 是 DALLAS 公司 所 生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強易配處理器等優(yōu)點，特別適合用于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)，可直接 將 溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號（按 9 位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片 。 采用數(shù)字信號輸出提高了信號 抗干擾能力和溫度測量精度。它還有負(fù)壓特性，電源極性接反時， DS18B20 不會因接錯線而燒毀，但不能正常工作。設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫 度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。測溫范圍為 55~+125℃ ，在 10~85℃ 范圍內(nèi)，精度為177。每一個 DS18B20 芯片的 ROM 中 都 存放了一個 64 位 ID 號：前 8 位是產(chǎn)品類型編號，隨后 48 位是該器件的自身序號，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼。因此，一條總線上 免 可以同時掛接多個 DS18B20，實現(xiàn)多點測溫系統(tǒng)。 DS18B20 所 檢測到 的溫度值 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，自動存入存儲器中