【正文】 圖 31 系統(tǒng)硬件電路框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì) 51系列 單片機(jī)來說，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、振蕩電路和復(fù)位電路，單片機(jī)中的供電電源輸出是 +5V 的直流電，因此，本設(shè)計(jì)還包括輸入電源電路設(shè)計(jì)模塊。 （ 1）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。 （ 2）復(fù)位電路： 本系統(tǒng)的復(fù)位電路是采用按鈕復(fù)位的電路，如圖 32所示，是常用復(fù)位電路之一。RET/VPD 端的高電平直接由上電瞬間產(chǎn)生則為上電復(fù)位。上電時(shí)，剛接通電源，電容 C 相當(dāng)于瞬間短路， +5V 立即加到 RET/VPD端，該高電平使 89S51 全機(jī)自動(dòng)復(fù)位，這就是上電復(fù)位；若運(yùn)行過程中需要程序從頭執(zhí)行，只需按動(dòng)按鈕即可。復(fù)位后， P0 到 P3并行 I/O 口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有 SBUF 寄存器狀態(tài)不確定。其主要原理是把單相交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。降壓后還是交流電壓，所以需要整流電路把交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。需通過低通濾波電路濾波，使輸出電壓平滑。本電路使用集成穩(wěn)壓芯片 7805解決了電源穩(wěn)壓?jiǎn)栴}， 如圖33。 每片 DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù)，因此在一條總線上可掛接多個(gè) DS18B20 芯片。新買來的 DS18B20 溫度傳感器一般沒有直接給出序列號(hào)，需要我們另外設(shè)計(jì)讀序列號(hào)的電路來讀取其序列號(hào)。 單片機(jī)V C CD S 1 8 B 2 0V C C4 .7 K 圖 34 讀序列號(hào)電路設(shè)計(jì)圖 由于 DS18B20 有兩種不同的 供電方 式，即寄生電源供電和外接電源供電 ， 因此基于DS18B20 的測(cè)量電路就有兩種連接方式。采用這種供電方式時(shí) VDD 必須接地， 具體電路 如圖 35。 本設(shè)計(jì) 就是 采用外電源向 DS18B20 供電，如圖 36所示?？偩€上主機(jī)不需向上連接便在溫度變換期間 使線保持高電平。此外， 在單線總線上可以放置多個(gè)DS18B20 ，而且如果它們都使用外部電源，可以同時(shí)完成溫度變換。 該設(shè)計(jì)方式是 DS18B20 最佳的上電工作方式，其工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，更方便開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度控制系統(tǒng)。 GND1VCC3DQ2DS18B20GND1VCC3DQ2DS18B20GND1VCC3DQ2DS18B20GND +5VR3 圖 36 溫度測(cè)量電路圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 18 DS18B20 使用中注意事項(xiàng) DS18B20 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問題： (1) 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS18B20 與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì) DS18B20 進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。 (2) 在 DS18B20 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS18B20 數(shù)量問題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS18B20，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。 (3) 連接 DS18B20 的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。因此，在用 DS18B20 進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS18B20 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。 顯示和鍵盤電路設(shè)計(jì) 顯示和鍵盤電路圖 顯示和鍵盤電路如圖 37所示： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 19 S2SWPBS1SWPBS3SWPBS4SWPBA1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10+5V12345678161514131211109200RP11 2 3 54 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 213 34 45 6 58 87 6 7p1 p2 p3 p4B018B117B216B315B414B513B612B711VCC20OE19T/R1A79A68A57A46A35A24A02A13GND10U274LS373+5V16872345GNDp4p2p1p3+5VK1K2K3K4XTAL119XTAL218RST9PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31123456873233343536373839212223242526272810111213141516171AT89S52 圖 37 顯示和鍵盤電路 顯示部分設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中本系統(tǒng)采用的是共陽極 LED 顯示器，位選應(yīng)接高電平， P2 口輸出的段選信號(hào)，通過 74LS373 芯片接 LED 段碼引腳， 74LS373 的高電平輸出電流在 15毫安左右，可以驅(qū)動(dòng) LED 顯示。系統(tǒng)中采用兩個(gè) 4位的數(shù)碼管，分別顯示設(shè)定 溫度和三點(diǎn)溫度采集的平均溫度。在單片機(jī)系統(tǒng)中通常使用的是七段 LED顯示器，這種顯示器有共陰極共陽極兩種，在這次設(shè)計(jì)中選用陽極 LED 顯示器。鍵盤與單片機(jī)的連接如圖 所示。 鍵盤的工作原理是按鍵的一端高電平，另一端已單片機(jī)的某個(gè) I/O 口相連，當(dāng)按鍵閉合時(shí)，即相當(dāng)于該 I/O 口通過按鍵已電源相連，變成高電平，程序一旦檢測(cè)到 I/O 口變?yōu)楦唠?平則說明在年間被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 21 控制 模塊電路設(shè)計(jì) 控制執(zhí)行電路 執(zhí)行信號(hào)輸出通道的原理圖如圖 39 所示， AT89S52 的輸出信號(hào)經(jīng)過光電耦合器，直接控制雙向可控硅的門極，從而控制電熱絲的平均加熱功率。而且可 控硅在工作在過零觸發(fā)狀態(tài)，提高了設(shè)備的功率因數(shù)，減輕了對(duì)電網(wǎng)的干擾?？煽毓栝T極回路與 220V 電源相通，光電耦合器的絕緣耐壓，能有效地把微機(jī)系統(tǒng)與 220V 強(qiáng)電隔離。 為了在關(guān)機(jī)和超溫保護(hù)的狀態(tài)下能可靠地關(guān)斷加熱電源，電路中加入了繼電器控制加熱電源。 C 時(shí)，單片機(jī)的 口發(fā)出高電平直接將繼電器關(guān)斷，從而避免了電 烤 箱溫度過高，起到了保護(hù)作用。有 口控制報(bào)警電路，當(dāng)溫度超標(biāo)時(shí) 口輸出高電平報(bào)警，不報(bào)警時(shí)將 口置低電平。 RS232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)地，如從 DTE設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)在使用 DB25連接器時(shí)是 2腳相對(duì) 7腳（信號(hào)地）的電平 。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL電平到 RS232電平再返回 TTL電平。由于發(fā)送電平與接收電平的差僅為 2V至 3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約 15米，最高速率為 20kb/s。所以 RS232適合本地設(shè)備之間的通信。該接口電路不僅能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個(gè)同步移位寄存器使用。 MCS51 串行口的發(fā)送和接收時(shí)鐘可由兩種方式產(chǎn)生，一種是由主機(jī)頻率 fosc 經(jīng)分頻后產(chǎn)生，另一種方式是由內(nèi)部定時(shí)器 T1 或 T2 的溢出率經(jīng) 16分頻后提供。 我們采用了三線制連接串口，也就是說和計(jì)算機(jī)的 9針串口只連接其中的 3根線：第 5腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3腳的 TXD。 1234567891110J2D Connector 9C13C1+1T1OUT14R1IN13T2OUT7R2IN8VS+2VS6C25C2+4T1IN11R1OUT12T2IN10R2OUT9U3MAX232C4C7C6C5GND+5VGND 圖 311 MAX232串口通信電路圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì) 測(cè)溫系統(tǒng)的硬件電路確定之后，測(cè)溫系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的主要軟件思想是這樣的：下位機(jī)軟件主要是完成與上位機(jī)的串口通訊，接受監(jiān)控系統(tǒng)的指令，實(shí)現(xiàn)多路溫度數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)操作的總體流程圖如圖 41所示。單片機(jī)程序流程圖如圖 42： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 24 P I D 算 法 調(diào) 節(jié)系 統(tǒng) 初 始 化P W M 控 制溫 度 采 集開 始系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 顯 示 圖 42 下位機(jī)程序流程圖 DS18B20 的測(cè)溫程序 DS18B20 常用指令 DS18B20 常用 命令 如下表 ： 表 41 DS18B20常用 命令 ROM功能 命令 DS18B20的器件功能 命令 讀 ROM 33H 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換 44H 匹配 ROM 55H 讀 RAM BEH 跳過 ROM CCH 寫 RAM 4EH 查找 ROM F0H 復(fù)制 RAM 48H 報(bào)警查找 ECH 回讀 EEPROM B8H 初始化 子 程序 DS18B20 復(fù)位應(yīng)答時(shí)序圖 如 圖 43 所示， 實(shí)現(xiàn)每一次通信之前必須對(duì) DS18B20 進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位的時(shí)間、等待時(shí)間、回應(yīng)時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格按照時(shí)序圖進(jìn)行編程， 具體程序見附錄 B。從 1Wire 總線讀取 1bit 同樣至少需要 60μs ，同時(shí)也要保證兩次連續(xù)的讀操作間隔 1μs 以上 ， DS18B20 讀 時(shí)序圖如圖 44所示 。 圖 44 DS18B20讀時(shí)間隙 圖 寫 子 程序 由于只有一條 I/O 線，主機(jī) 1Wire 總線的寫操作只能逐位進(jìn)行，連續(xù)寫 8 次即可寫入總線一個(gè)字節(jié)?？梢援a(chǎn)生 1μs 的延時(shí)，調(diào)用此函數(shù)時(shí)需包含頭文件 “” 。若待寫位 wbit 為 0 則主機(jī)拉低總線 60μs 然后釋放，寫 0 操作完成。DS18B20 寫 時(shí)序 圖 45所示 ， 具體程序見附錄 B。 鍵盤掃描子流程圖如下： 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 27 開 始延 時(shí) 1 0 m s執(zhí) 行 相 應(yīng) 代 碼結(jié) 束NY是 否 有 鍵 按 下是 否 有 鍵 按 下是 否 有 鍵 按 下NNYY 圖 47 鍵盤掃描子流程圖 控制執(zhí)行程序 控制思路及 其 流程圖 本系統(tǒng)的控制思路為 AT89S52為整個(gè)系統(tǒng)的 CPU。 為了簡(jiǎn)化 輸出通道的硬件結(jié)構(gòu)，考慮到加熱系統(tǒng)具有較大的熱慣性，本系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制的控制方法（即 PWM 波控制）。脈沖寬度 T1 與周期 T 的比值為ρ（占空比），它反映了系統(tǒng)的輸出控制量，我們實(shí)質(zhì)控制的就是這里。反之 , 當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí) ,輸出減少 ,輸出脈寬減少 , 電熱絲加熱時(shí)間減少，環(huán)境溫度下降?？刂茍?zhí)行程序流程圖如圖 49所示 (見下頁 )。然后對(duì)偏差值進(jìn)行比例積分與微分?jǐn)?shù)值處理，得到的控制輸出信號(hào)用來控制加熱，使溫度控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。所謂增量式 PID 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 410 所示。 可由式 (41)導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算式，根據(jù)遞推原理可得： u(k1)=kc*e(k1)+ki*[e(0)+e(1)+e(2)+? +e(k)]+kd*[e(k1)e(k2)] (42) 用式 (41)減去式 (42)， 可得 ： △ u(k)=kc[e(k)e(k1)]+ki*e(k)+kd*[e(k)2e(k1)+e(k2)] (43) 可見 ,控制系統(tǒng)的輸出僅僅與最近 3 次的