【正文】 附 錄 .....................................................30 附錄一、單片機(jī)程序 ....................................................... 30 附錄二、 PC 機(jī)程序 ........................................................ 37 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3 第一章 緒論 概述 隨著現(xiàn)代工業(yè)的逐步發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度、壓力、流量和液位是四種最常見(jiàn)的過(guò)程變量。例如：在冶金工業(yè)、化工工業(yè)、電力工業(yè)、機(jī)械加工和食品加工等許多領(lǐng)域，都需要對(duì)各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐的溫度進(jìn)行控制。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)它們進(jìn)行控制不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單和靈活性大的優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)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） 研究 的目的和意義 電阻加熱爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，這樣加熱時(shí)升溫過(guò)程的測(cè)量與控制就成為關(guān)鍵性的技術(shù)。其次，當(dāng)生產(chǎn)環(huán)境發(fā)生變化 而影響 到控溫精度時(shí)，要 有合適的手段進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到精度要求 。最后，由于生產(chǎn)中的實(shí)際情況，電阻加 熱爐要求操作方便，易于維護(hù)，成本較低等等。整體上，我國(guó)的電阻爐控制系統(tǒng)與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后?？刂凭纫蕾囉谠囼?yàn)者的調(diào)節(jié)。操作不方便，控制數(shù)據(jù)無(wú)法保存。 溫度測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 溫度是生活及生產(chǎn)中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。在很多生產(chǎn)過(guò)程中，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。 近年來(lái)，溫度的檢測(cè)在理論上發(fā)展比較成熟，但在實(shí)際測(cè)量和控制中，如何保證快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行采樣，確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，并能對(duì)所測(cè)溫場(chǎng)進(jìn)行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問(wèn)題。 在溫度的測(cè)量技術(shù)中，接觸式測(cè)溫發(fā)展較早，這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、可靠、低廉，測(cè)量精度較高，一般能夠測(cè)得真實(shí)溫度；但由于檢測(cè)元件熱慣性的影響，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)熱容量小的物體難以實(shí)現(xiàn)精確的測(cè)量，并且該方法不適宜于對(duì)腐蝕性介質(zhì)測(cè)溫，不能用于極高溫測(cè)量，難于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度。但也存在測(cè)量誤差較大，儀 表指示值一般僅代表表觀溫度，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)。 溫度控制技術(shù)按照控制目標(biāo)的不同可分為兩類(lèi)：動(dòng)態(tài)溫度跟蹤與恒值溫度控制。在工業(yè)生產(chǎn)中很多場(chǎng)合需要實(shí)現(xiàn)這一控制目標(biāo)，如在發(fā)酵過(guò)程控制，化工生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)溫度控制，冶金工廠中燃燒爐中的溫度控制等。本課題所研制的電阻爐智能溫度控制儀就是要實(shí)現(xiàn)恒值溫度控制的要求，故以下僅對(duì)恒值溫度控制進(jìn)行討論。若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加熱器，或者開(kāi)動(dòng)制冷裝置；若當(dāng)前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開(kāi)啟加熱器并同時(shí)關(guān)斷制冷器。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國(guó)許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。 （ 2） PID 線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的調(diào)節(jié)器控制原理， PID 控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用工業(yè)過(guò)程控制中，尤其適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制 系統(tǒng)。其具體電路可以采用模擬電路或計(jì)算機(jī)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)功能。其中數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。只要 PID 參數(shù)選取的正確，對(duì)于一個(gè)確定的受控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其控制精度是比較令人滿意的。 （ 3） 智能溫度控制法 為了克服 PID 線性控溫法的弱點(diǎn)，人們相繼提出了一系列自動(dòng)調(diào)整 PI 參數(shù)的方法，基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 如 PID 參數(shù)的自學(xué)習(xí)，自整定等等。智能控溫法 [1]采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，并適當(dāng)加以專家系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化。尤其是模糊控溫法在實(shí)際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng) PID 算法的溫度控制儀表。這種不足的原因是多方面造成的，如針對(duì)不同的溫控對(duì)象，由于控制算法的不足而導(dǎo)致控制精度不穩(wěn)定等。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想 （ 1） 系統(tǒng)硬件方案分析 目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路 [2](Analog Circuit)和單片機(jī)(Singlechip Computer)兩種形式。它的最大優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。在本系 統(tǒng)中，由于溫度的變化是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程，對(duì)溫控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，所以模擬電路的優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。 單片機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。由此可見(jiàn)，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，不僅可以降低開(kāi)發(fā)成本，精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且控制算法由軟件實(shí)現(xiàn)，可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。一些廠家根據(jù)系統(tǒng)功能的復(fù)雜程度，將這種 Soc 芯片應(yīng)用到先進(jìn)的控制儀表中。它不僅能滿足復(fù)雜的系統(tǒng)性能的需要，而且還使整個(gè)系統(tǒng)的電路緊湊，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。針對(duì)這些單片機(jī)的不同特點(diǎn)，尤其從降低成本和方便實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā)，以 89S52 為核心器件組成的控制系統(tǒng)是比較理想的選擇。 （ 2） 系統(tǒng)軟件方案分析 溫度控制算法方面，基于解析模型的經(jīng)典控制方法主要體現(xiàn)在 PID 控制上，這主要是由于 PID 控制器的原理簡(jiǎn)單，使用方便的緣故。此外，在設(shè)計(jì) PID 控制器時(shí)，傳統(tǒng)的做法是依靠經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)確定 PID 控制器的參數(shù) Kp， Ki， Kd，在隨后的控制過(guò)程中PID 參數(shù)一般是保持不變的，當(dāng)外部條件發(fā)生重大變化時(shí)，再由工程人員重新手動(dòng)進(jìn)行選擇。基于上述情形，如果能將近似的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況結(jié)合起來(lái)，這樣的控制方式往往要比經(jīng)典控制方法精確得多，這就意味著 PID 參數(shù)能夠在線調(diào)整，以適應(yīng)改變了的模型。因此在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的實(shí)時(shí)整定。 (三 ) 實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)式控制 ， 消除機(jī)械噪聲； (四 ) 改進(jìn)控制方法，控制精度達(dá)到177。如果實(shí)際測(cè)得的溫度值超過(guò)了系統(tǒng)要求的溫度范圍，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出斷電指令，并進(jìn)行報(bào)警； (六 ) 裝置可將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)串口送到上位機(jī)，上位機(jī)軟件將接收到的數(shù)據(jù)存貯并顯示溫度變化曲線 。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外， AT89S52 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。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。 功能強(qiáng)大的 AT89S52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案 。 (3) AT89S52 引腳功能與封裝 圖 22 是 AT89S52 封裝結(jié)構(gòu)圖。 I/O 口 AT89S52 共有四個(gè) 8位的并行 I/O 口： P0、 P P P3 端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32 根 I/O 線。 ① P0 端口，該口是一個(gè) 8位漏極開(kāi)路的雙向 I/O 口。當(dāng)把“ 1” 寫(xiě)入 P0 時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸入。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)， P0 用于接收代碼字節(jié)；在校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié)；此時(shí)需要外加上拉電阻。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低 8 位地址。 表 21 P1 口管腳復(fù)用功能 端口引腳 復(fù)用功能 T2（定時(shí)器 /計(jì)算器 2的外部輸入端） T2EX（定時(shí)器 /計(jì)算器 2的外部觸發(fā)端和雙向控制） MOSI（用于在線編程） MISO（用于在線編程） SCK（用于在線編程） ③ P2端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口， P2 口的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè) TTL 輸入。 P2 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P2 口也接收高位地址或一些控制信號(hào)。對(duì)端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電 位，此時(shí)可用作輸入口。 在 AT89S52 中，同樣 P3 口還用于一些復(fù)用功能，如表 22 所列。 表 22 P3 端口引腳與復(fù)用功能表 端口引腳 復(fù)用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） T0（定時(shí)器 0 的外部輸入） T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 10 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 復(fù)位輸入端。看門(mén)狗定時(shí)器（ Watchdog）溢出后，該引腳會(huì)保持 98 個(gè)振蕩周期的高電平。 DISRTO 位的默認(rèn)狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖存低字節(jié)地址。一般情況下， ALE是振蕩器頻率的 6分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。在需要時(shí)，可以把地址 8EH 中的 SFR 寄存器的 0 位置為“ 1”，從而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時(shí) ALE 才被激活。 程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。當(dāng) AT89S52 在執(zhí)行來(lái)自外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期 PSEN 被激活 2 次。 。但是，如果鎖定位 1 被編程，則 EA在復(fù)位時(shí)被鎖存。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。 振蕩器的反相放大器輸出。 圖 23 單片機(jī) AT89S52 最小系統(tǒng) 基于單片機(jī)與 PC 機(jī)的溫度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11 （ 1） 復(fù)位電路： 單片機(jī)上電時(shí)，當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí)，只要持續(xù)給出 RST 引腳連個(gè)機(jī)器周期的高電平，便可完成系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)采用上電自動(dòng)復(fù)位，上電瞬間電容器上的電壓不能突變， RST 上的電壓是 Vcc 上的電壓與電容器上的電壓之差，因而 RST 上的電壓與 Vcc 上的電壓相同。電容 C 可取 10~33uF，電阻 R 可取 ~10kΩ。 （ 2）振蕩電路： XTAL1 腳和 XTAL2 腳分別構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入和輸出端，外接石英晶振或陶瓷晶振以及補(bǔ)償電容 C C2 選 47uF 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。 10pF；當(dāng)外接陶瓷振蕩器時(shí)，電容 C C2 選 47uF177。 AT89S52 系統(tǒng)中晶振可在 0～ 24MHz 選擇。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，晶振和電容應(yīng)靠近單片機(jī)芯片，以便減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠工作。 （ 3） EA接高電平，選用片內(nèi)程序存儲(chǔ)器。 方案二：采用熱 敏電阻，選用此類(lèi)元器件有價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，但由于熱敏電阻的非線性特性會(huì)影響系統(tǒng)的精度。此器件具有體積小、質(zhì)量輕、線形度好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)其各方面特性都滿足此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 溫度傳感器 DS18B20的介紹 DS18B20[5]是 Dallas 半導(dǎo)體公司 推出的一線總線數(shù)字化溫度傳感器件，它能在現(xiàn)場(chǎng)采集溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。C ～ +125176。C 范圍內(nèi)，精度為 177。C 。2176?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以 一線總線 的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 DS18B20 可以程序設(shè) 定 9～ 12位的分辨率，精度為 177。C 。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在 EEPROM 中，掉電后依然保存。省略了存儲(chǔ)用戶定義報(bào)警溫度、分辨率參數(shù)的 EEPROM，精度降低為 177。C ，適用于對(duì)性能要求不高，成本控制嚴(yán)格的應(yīng)用 。在 12 位分辨率時(shí)，最多在 750ms 內(nèi)可以把溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字。 一、 DS18B20 的主要特性 （ 1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍： ～ ，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電 （ 2）獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 。 （ 4） DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) （ 5） 測(cè) 溫范圍－ 55℃ ～＋ 125℃ ，在 10～ +85℃ 時(shí)精度為 177。 （ 7）在 9位分辨率時(shí)最多在 ， 12 位分辨率時(shí)最多在 750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 。 （ 9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 圖 24為 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖 25 為 DS18B20 的引腳（ PR35 封裝）。 三、 DS18B20 工作原理 DS18B20 測(cè)溫原理如圖 26 所示。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。計(jì)數(shù)器 1 對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(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