【正文】 定 溫度， 控制電路部分采用 PWM 控制 固態(tài)繼電器 的通斷以實行對溫度的連續(xù)控制 。Proteus 的 ISIS 是一款專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng) ， 該軟件的特點： ① 全部滿足我們提出的單片機軟件仿真系統(tǒng)的標準，并在同類產品中具有明顯的優(yōu)勢。 ③ 目前支持的單片機類型有： 68000 系列、 8051 系列、 AVR 系列、 PIC12系列、 PIC16 系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、 HC11 系列以及各種外圍芯片。總之該軟件是一款集單片機和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大 ，可仿真 5 AVR、 PIC。 硬件單元方案設計與選擇 167。 方案 1：采用熱敏電阻，這種電阻是利用對溫度敏感的半導體材料制成的，其阻值隨溫度變化有明顯的改變。其特點是，在工作范圍內阻值隨溫度聲高而降低。但熱敏電阻精度、重復性、可靠性較差，線性度差，不能直接用于 A/D 轉換，應該用硬件或軟件對其進行線性補償。 AD590 型溫度傳感器 。它是二端器件，使用非常方便，作為一種高阻電流源，它不需要嚴格考慮傳輸線上的電壓信號損失和噪生干擾問題，而且不必考慮選擇開關或CMOS 多路轉換開關所引起的附加電阻造成的誤差。其不足之處在于溫度范圍有限，并且需要一個外部參考源?？梢苑謩e在 和 750ms 內完成 9 位和 12 位的數(shù)字量 , 并且從 DS18B20讀出的信息或寫入 DS18B20的信息僅需要一根口線 ( 單線接口 ) 讀寫 , 溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線 , 總線本身也可以向所掛接的 DS18B20供電 , 而無需額外電源。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 方案選擇：選擇方案 3。它直接將溫度數(shù)據(jù)進行編碼 , 可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù) , 通信方便 , 傳輸距離遠且抗干 擾性好 。 167。這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，相應的段被顯示。 方案 1：采用動態(tài)顯示方式。而各位的共陰極分別有相應的 I/O 口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。這種顯示方式需要占用大量的 CPU 資源，當 CPU 處理別的事情時，可能出現(xiàn)閃爍或者不顯示的情況。 LED 顯示器工作于靜態(tài)顯示方式時，各位的共陰極接地；每位的段選線分別與一個 8 位鎖存器的輸出口相連，顯示器中的各位相互獨立，而且各位的顯示字符一經(jīng)確定，相應所 存的輸出將維持不變。該顯示方式編程容易，管理也較簡單，但占用 I/O 口線資源較多。顯示器由 5 個共陰極 LED 數(shù)碼管組成，只需占用 2 個 I/O 口。 5 個串 /并移位寄存器芯片 74LS164 首尾相連。 74LS164 為 8 位串入并出移位寄存器， 2 為串行輸入端， Q0～ Q7 為并行輸出端， CLK 為移位時鐘脈沖，上升沿移入一位；MR 為清零端，低 電平時并 行輸出為零。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 方案選擇：選擇方案 3。 167。 單片機最小單元設計 單片機選用 Atmel 公司的單片機芯片 AT89C51 ,完全可以滿足本系統(tǒng)中要求的采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要。 AT89C51 是 AT89 系列單片機中的一種精簡產品，具有比 80C31 更豐富的硬件資源，特別是其內部增加的閃速可電改寫的存儲器 Flash ROM 給單片機的開發(fā)及應用帶來了很大的方便。該型號單片機包括 : ①一個 8 位的微處理器 (CPU)。 ③片內 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM/SFR,用以存放可以讀 /寫的數(shù)據(jù)，如運算的中 間結果、最終結果以及欲現(xiàn)實的數(shù)據(jù)等。 ⑤ 4 個 8 位并行 I/O 端口 P0～ P3,每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。 ⑦一個全雙工 UATR(通用異步接收發(fā)送器 )的串行 I/0口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信。 ⑨ 89C51 單片機與 8051 相比 ，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式及掉電方式 89C51 單片機引腳簡介： XTAL1(19 腳 )：接外部晶體和微調電容的另一端。在采用外部時鐘時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。在 89C51 片內它是振蕩電路反相放大器的輸出端，震蕩電路的頻率就是晶體的固有頻率。要檢查 89C51 的震蕩電路是否正常工作，可以用示波器查看 XTAL2 端是否有脈沖信號輸出。當此輸入端保持兩個機器周期（ 24個時鐘震蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。 P1 端口 (～ )： P1是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。對端口寫 1 時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可 用作輸入端口。在對Flash ROM 編程和程序校驗時， P1 接受低 8 位地址。P1 端口的輸出緩沖器可驅動 4 個 TTL 輸入。 P2 端口做輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口引腳上的內容，在整個訪問期間不會改變。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 P3 端口 (～ )： P2是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O端口。對端口寫 1 時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入端口。 在 89C51 中， P3 端口還用于一些復用功能。在對 Flash ROM 編程和程序校驗時， P3也接受一些控制信號。在通電瞬間，電容 C 通過電阻 R 充電 ,RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復位。 圖 2－ 1 單片機最小單元電路 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 167。 圖 22 DS18B20 引腳圖 : NC(1 、 2 、 6 、 7 、 8 腳 ) :空引腳 ,懸空不使用 。 DQ (4 腳 ) :數(shù)據(jù)輸入 / 輸出腳 ,漏極開路 ,常態(tài)下高電平。 DS18B20 中有用于存儲測得溫度值的 2 個 8 位寄存器 ,它們存儲的溫度數(shù)據(jù)由 2 個字節(jié)組成 ,分別為 LS Byte(低字節(jié) ) 和 MS Byte(高字節(jié) ) ,MS Byte 的高 5 位存放溫度值的符號 ,如果溫度為負 ( ℃ ),則 MS Byte 的高 5 位全為 1,否則全為 0。 具體形式如表 21 為 : 表 21 溫度數(shù)據(jù)格式 低位字節(jié) 23 22 21 20 21 22 23 24 高位字節(jié) S S S S S 26 25 24 DS18B20 內部高速暫存 RAM 的分布如表 22 所示， 0、 1 兩字節(jié)包含測得的溫度信息。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 第 4 字節(jié)為配置寄存器，其內容用于確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率， DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換為相應精度的數(shù)值。其中，低 5位一直為 1； TM是測試模式位，用于設置 DS18B20在工作模式還是在測試模式，在 DS18B20 出廠時，該位被設置為 0，不需要改動； R1 和 R0 決 定溫度轉換的精度位數(shù)，即用來設置分辨率，其定義方法見表 24。因此，在實際應用中要將分辨率和轉換時間權衡考慮。第 8 字節(jié)時前面所以字節(jié)的 CRC 碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從 而保證數(shù)據(jù)通訊的準確性。轉換完成后的溫度值就以 16 位帶符合擴展的二 進制補 碼形式存儲在寄存器中。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數(shù)器 2的脈沖輸入。計數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器 1的預置值減到 0時 ，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1的預置將重新被裝入，計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 DS18B20在正常使用時的測溫分辨率為 ℃，如果要更高的精度，則在對 DS18B20測溫原理進行詳細分析的基礎上，采取直接讀取 DS18B20內部暫存寄存器的方法，將 DS18B20的測溫分辨率提高到 ～ ℃。另一種是寄生電源供電方式，單片機端口接單線總線，為保證在有效的 DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流， 需用一個 MOSFET管來完成對總線的上拉。外接電源方 式下，可以充分發(fā)揮 DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點， 不存 在電源電流不足的問題，即使電源電壓 VCC降到 3V時，依然能夠保證溫度量精度。 U3即為溫度傳感芯DSl8B20,本設計雖然只使用了一片 DSl8B20,但由于不存在遠程溫度測量的考慮 ,所以為了簡單起見 ,采用外部 電源 供電 的方式 ,如圖 24所示。 圖 24 DS18B20 與單片機接口電路 167。 靜態(tài)顯示電路如圖 26 所示。 在不需要使用串行通信的場合，利用串行口加外圍芯片 74LS164 就可以構成一個或多個并行輸入 /輸出口，用于顯示器 LED 驅動。輸入只用兩個信號，它們是串行口 RXD和移位信號口 TXD。每片的并行輸出作為 LED 數(shù)碼管的段碼。 按鍵控制電路 采用獨立式按鍵設計，即各按鍵相互獨立地接通一條輸入數(shù)據(jù)線，如圖27所示。 由于只有兩個按鍵，因此按鍵接口電路的設計比較簡單，單片機 、平時通過電阻上拉到 Vcc， 當任一 按鍵按下時， 與之相應的輸入數(shù)據(jù)線即被清 0（ 低電平 ），而平時該線為 1（高電平） 。通過讀 I/O口，判斷各 I/O口的電平狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。 : S2減，按此鍵則溫度設定減 1度 。 驅動控制電路 圖 28 驅動控制電路 固態(tài)繼電器 由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長，可靠性高 。固態(tài)繼電器沒有輸入 線圈 ，沒有觸點燃弧 和回跳，因而減少了電磁干擾 。河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 第 3章 控制理論 167。這種系統(tǒng)在完成預定的任務時，可以不需要人的直接參與，由測量裝置代替人的感知機能來觀測被控制量或狀態(tài)的實時變化，由控制器對給定量與被測量進行比較、綜合和信息 (模擬的或數(shù)字的 )處理，并給出控制量，最后有執(zhí)行機構來對被控對象施加某種設置或調整。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論幾十年的發(fā)展和應用，在空間技術、軍事科學和工業(yè)控制等各個領域都獲得了較為顯著的成效。 PID 控制原理及特點 在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為 :比例、積分、微分控制，簡稱 PID 控制，又稱 PID 調節(jié)。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制 器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。 PDI 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 (P)控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。對一河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 個 自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。因此，比例 +積分控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚 至失穩(wěn)。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前方，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應該是零。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例 +微分 (DP)控制器能改善系統(tǒng)在調 節(jié)過程中的動態(tài)特性。 PID 控制算法 167。 它通過比例、積分、微分三部分的合理組合 ， 可以用比較簡單的方法獲得令人滿意的控制效果。 所以自 PID 控制 器出現(xiàn)以來，無論在控制理論方面，還是在控制儀表、設備方面都有很大的發(fā)展和應用。Ti一積分時間常數(shù) 。 比例控制器能夠產生與輸入信號成比例的輸出信號，所以誤差一旦產生，控制器立即就有控制作用，使被控制量朝 著減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數(shù) KP。加大 KP可以減小靜差，但是 KP過大會導致動態(tài)性能變壞，甚至會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分控制作用的加入，雖然可以消除靜差，但是以降低響應速度作為代價的。具有這一功效的是微分作用，因為微分具有超前特性。采用 PID控制器，無論從靜態(tài)，還是從動態(tài)的角度來說，控制品質都得到了改善，因而 PID 控制器成為了一種應用最廣泛的控制器。 167。若設溫度采樣周期為 T,第 n 次采樣得到的輸入偏差為 ne ,輸出為 nU 。 如果采樣周期足夠小，則（ 32）的近似計算可以獲得足夠精確的結果，離散控制過程與連續(xù)過程十分接近。 由于位置式輸出的是 PWM 的占空比，根據(jù)已確定的加熱周期 T，可以計算出在每一個加熱周期中，高低電平輸出的時間，通過 定時器可以實現(xiàn)對固態(tài)繼電器通斷時間的控制，即控制了系統(tǒng)在每一個采樣周期內的加熱時間。有了各個功能塊的軟件實現(xiàn)方法，軟件的總體設計就變得簡單了，軟件設計中一個重要的思想就是采用模塊化設計，把一個大的任務分解成若干個小任務，分別編制實現(xiàn)這些小任務的子程序，然后將子程序按照總體要求組裝起來，就可以實現(xiàn)這個大任務了。 167。 按鍵 控制 流程圖 通過讀 I/O口，判斷各 I/O口的電平狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。 按鍵控制流程圖如圖 42所示。 溫度傳感器 DS18B20 模塊軟件設計 DS18B20 上電后處于空閑狀態(tài) ,需要控制器發(fā)能完成溫度轉換。 DS18B20 的操作必須嚴格按照協(xié)議進行。