1、i（2012 屆）屆）畢業設計（論文）資料畢業設計（論文）資料題題 目目 名名 稱：稱： 基于基于 mcs-51mcs-51 單片機的溫度控制單片機的溫度控制系統設計系統設計 學學 院（部）院（部）： 電氣與信息工程學院電氣與信息工程學院 專專 業：業： 應用電子技術應用電子技術 學學 生生 姓姓 名：名： 班班 級：級： 學號學號 0930193010909301930109 指導教師姓名：指導教師姓名： 職稱職稱 講師講師 最終評定成績：最終評定成績： ii湖南工業大學教務處湖南工業大學教務處 摘摘 要要溫度控制是工業生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產

2、品的質量，因而設計一種較為理想的溫度控制系統是具有不一般的價值與意義。在現代化的工業生產中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數。例如：在冶金工業、化工生產、電力工程、造紙行業、機械制造和食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用mcs-51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態簡單和靈活性大等優點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業生產中經常會遇到的問題。將這個問題地解決，能很好地提升生產效率，節約資源，降低生產成本。本文從硬件

3、和軟件兩方面介紹了mcs-51單片機溫度控制系統的設計思路，對硬件原理圖和程序框圖作了簡捷的描述該設計結構簡單，控制算法新穎，控制精度高，有較強的通用性。關鍵詞關鍵詞：單片機 溫度控制 數字 pid 控制iiiabstractin the modern industrial production, the current, voltage, temperature, pressure, and flow, velocity, and switch quantity is accused of main parameters.for example,n metallurgical industr

4、y, chemical industry, electric power engineering, paper industry, machinery and food processing and so on many domains, people need to all kinds of heating furnace, heat treatment furnace, reactors and boiler temperature detection and control.using mcs - 51 scm to control temperature, has not only c

5、onvenient control, simple and flexible configuration advantages, and can greatly improve the technical indexes are controlled temperature, which can greatly improve the products quality and quantity.therefore, the problem of temperature control chip is a industrial production we often encounter prob

6、lems. based on it, for example, hope to receive other cases and the effect.from the two aspects of hardware and software are introduced mcs - 51 scm temperature control system design, hardware diagram and the procedures for the description of the simple diagram.key words: microcontroller temperature

7、 control system digital pid controliv目 錄 摘 要.i第 1 章 緒 論.11.1 概述 .11.2 溫度控制技術的發展與現狀 .11.2.1 定值開關溫控法 .21.2.2 pid 線性溫控法.21.2.3 智能溫度控制法.31.3 mcs51 介紹.31.4 溫度控制的主要方法 .51.5 系統總體設計方案 .61.5.1 系統性能要求.61.5.2 系統硬件方案分析.6第 2 章 硬件設計.82.1 系統硬件總體結構 .82.2 硬件電路設計設計 .82.2.1 主機電路的設計.92.2.2 i/o 通道的硬件電路的設計.92.2.3 鍵盤顯示及設計

8、 .102.2.4 溫度控制系統硬件設計.11第 3 章 系統軟件設計.293.1 軟件設計思想 .293.2 軟件組成 .303.3 主程序模塊 .303.4 數據采集模塊 .303.5 數據處理模塊 .323.5.1 數字濾波.333.5.2 顯示處理.343.6 中斷處理子程序 .353.6.1to 中斷子程序.353.6.2 鍵盤中斷子程序.353.6.3t1 中斷子程序.353.7 軟件抗干擾措施 .353.8 標度轉換子程序 .363.9 報警電路設計 .363.10 溫度部分軟件設計 .37v結 論.38參考文獻.39致 謝.40附錄 源代碼 .41第二部分 過程管理資料.1vi

9、vii第 1 章 緒 論1.1 概述溫度是生活及生產中最基本的物理量，它表征的是物體的冷熱程度。自然界中任何物理、化學過程都緊密的與溫度相聯系。在很多生產過程中，溫度的測量和控制都直接和安全生產、提高生產效率、保證產品質量、節約能源等重大技術指標相聯系。因此，溫度的測量與控制在國民經濟各個領域中均受到了相當程度的重視。在實際的生產實驗環境下，由于系統內部與外界的熱交換是難以控制的，其他熱源的干擾也是無法精確計算的，因此溫度量的變化往往受到不可預測的外界環境擾動的影響。為了使系統與外界的能量交換盡可能的符合人們的要求，就需要采取其他手段來達到這樣一個絕熱的目的，例如可以讓目標系統外部環境的溫度與

10、其內部溫度同步變化。根據熱力學第二定律，兩個溫度相同的系統之間是達到熱平衡的，這樣利用一個與目標系統溫度同步的隔離層，就可以把目標系統與外界進行熱隔離。另外，在大部分實際的環境中，增溫要比降溫方便得多。因此，對溫度的控制精度要求比較高的情況下，是不允許出現過沖現象的，即不允許實際溫度超過控制的目標溫度。特別是隔熱效果很好的環境，溫度一旦出現過沖，將難以很快把溫度降下來。這是因為很多應用中只有加熱環節，而沒有冷卻的裝置。同樣道理，對于只有冷卻沒有加熱環節的應用中，實際溫度低于控制的目標溫度，對控制效果的影響也是很大的。鑒于上述這些特點，高精度溫度控制的難度比較大，而且不同的應用環境也需要不同的控

11、制策略。下面就簡要的討論一下溫度測控技術的發展與現狀。1.2 溫度控制技術的發展與現狀近年來，溫度的檢測在理論上發展比較成熟，但在實際測量和控制中，如何保證快速實時地對溫度進行采樣，確保數據的正確傳輸，并能對所測溫度場進行較精確的控制，仍然是目前需要解決的問題。溫度測控技術包括溫度測量技術和溫度控制技術兩個方面。在溫度的測量技術中，接觸式測溫發展較早，這種測量方法的優點是簡單、可靠、低廉、測量精度較高，一般能夠測得真實溫度但由于檢測元件熱慣性的影響，響應時間較長，對熱容量小的物體難以實現精確的測量，并且該方法不適宜于對腐蝕性介質測溫，不能用于超高溫測量，難于測量運動物體的溫度。另外的非接觸式測

12、溫方法是通過對輻射能量的檢測來實現溫度測量的方法，其優點是不破壞被測溫場，可以測量熱容量小的物體，適于測viii量運動物體的溫度，還可以測量區域的溫度分布，響應速度較快。但也存在測量誤差較大，儀表指示值一般僅代表物體表觀溫度，測溫裝置結構復雜，價格昂貴等缺點。因此，在實際的溫度測量中，要根據具體的測量對象選擇合適的測量方法，在滿足測量精度要求的前提下盡量減少投入。溫度控制技術按照控制目標的不同可分為兩類動態溫度跟蹤與恒值溫度控制。動態溫度跟蹤實現的控制目標是使被控對象的溫度值按預先設定好的曲線進行變化。在工業生產中很多場合需要實現這一控制目標，如在發酵過程控制，化工生產中的化學反應溫度控制，冶

13、金工廠中燃燒爐中的溫度控制等恒值溫度控制的目的是使被控對象的溫度恒定在某一給定數值上，且要求其波動幅度即穩態誤差不能超過某允許值。本文所討論的基于單片機的溫度控制系統就是要實現對溫控箱的恒值溫度控制要求，故以下僅對恒值溫度控制進行討論。從工業控制器的發展過程來看，溫度控制技術大致可分以下幾種：1.2.1 定值開關溫控法所謂定值開關控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當前溫度值與設定目標溫度值之間的關系，進而對系統加熱裝置或冷卻裝置進行通斷控制。若當前溫度值比設定溫度值高，則關斷加熱器，或者開動制冷裝置若當前溫度值比設定溫度值低，則開啟加熱器并同時關斷制冷器。這種開關控溫方法比較簡單，在沒有計

14、算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠實現。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業電爐中仍被使用。由于這種控制方式是當系統溫度上升至設定點時關斷電源，當系統溫度下降至設定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使被控對象溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。1.2.2 pid 線性溫控法這種控溫方法是基于經典控制理論中的調節器控制原理，控制是最早發展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優點被廣泛應用工業過程控制中，尤其適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。由于調節器模型中考慮了系統的誤差、誤差變化及誤差積累三個因素，因

15、此，其控制性能大大地優越于定值開關控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現調節功能。前者稱為模擬控制器，后者稱為數字控制器。其中數字控制器的參數可以在現場實現在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現的溫度控制器，其控制品質的好壞主要取決于三個參數比例值、積分值、微分值。只要 pidix參數選取的正確，對于一個確定的受控系統來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當對象特性一旦發生改變，三個控制參數也必須相應地跟著改變，否則其控制品質就難以得到保證。1.2.3 智能溫度控制法 為了克服線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自

16、動調整參數的方法，如參數的自學習，自整定等等。并通過將智能控制與控制相結合，從而實現溫度的智能控制。智能控溫法以神經網絡和模糊數學為理論基礎，并適當加以專家系統來實現智能化。其中應用較多的有模糊控制、神經網絡控制以及專家系統等。尤其是模糊控溫法在實際工程技術中得到了極為廣泛的應用。目前已出現一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩態誤差。所謂第三代智能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術而研制的具有自適應算法的溫度控制儀表。目前國內溫控儀表的發展，相對國外而言在性能方面還存在一定的差距，它們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現為國內溫控儀

17、在全量程范圍內溫度控制精度比較低，自適應性較差。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導致控制精度不穩定。1.3 ds18b20 的介紹ds18b20 數字溫度傳感器是 dallas 公司生產的 1wire，即單總線器件，具有 線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統，具有線路簡單，在一根通 信線，可以掛很多這樣的數字溫度計，十分方便。（1）ds18b20 產品的特點 1、只要求一個端口即可實現通信。2、在 ds18b20 中的每個件上都有獨一無二的序列號。3、實際應用中不需要外部任何元器件即可實現測溫。 4、測量溫度范圍在55.c 到125.c 之

18、間。 5、數字溫度計的分辨率用戶可以從 9 位到 12 位選擇。 6、內部有溫度上、下限告警設置。7、三個管腳，1 腳是接地腳，2 腳是單總線、可向電源提供電源 、3 腳是電源腳（2）ds18b20 的內部結構 ds18b20 的內部框圖如圖 3-2 所示。64 位 ro 存儲器件獨一無二的序列號。暫x存器包含兩字節（0 和 1 字節）的溫度寄存器，用于存儲溫度傳感器的數字輸出。暫存器還提供一字節的上線警報觸發（th）和下線警報觸發（tl）寄存器（2 和 3 字節） ， 和一字節的配置寄存器 字節）使用者可以通過配置寄存器來設置溫度轉換的精度。 （4 ， 暫存器的 5、6 和 7 字節器件內部

19、保留使用。第八字節含有循環冗余碼（crc ） 。使用 寄生電源時，ds18b20 不需額外的供電電源；當總線為高電平時，功率由單總線上的 上拉電阻通過 dq 引腳提供；高電平總線信號同時也向內部電容 cpp 充電，cpp 在總 線低電平時為器件供電。圖 1-1 ds18b20 的內部框圖(3)ds18b20 的 4 個主要數據部件 光刻 rom 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 ds18b20 的地址序列碼。64 位光刻 rom 的排列是：開始 8 位（28h）是產品類型標號，接著 的 48 位是該 ds18b20 自身的序列號， 最后 8 位是前面 56 位的循環冗余校

20、驗碼。 光刻 rom 的作用是使每一個 ds18b20 都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個 ds18b20 的目的。 ds18b20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉化為例：用 16 位符 號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以 0.0625/lsb 形式表達，其中 s 為符號位這是 12 位轉化后得到的 12 位數據，存儲在 18b20 的兩個 8 比特的 ram 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，這 5 位為 0，只要將測到的數值乘于 0.0625 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數值需要取反加 1 再乘于 0.0

21、625 即可得到實際溫度。 ds18b20 溫度傳感器的存儲器 ds18b20 溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存 ram 和一個非易失性的可電擦 eeprom,后者存放高溫度和低溫度觸發器 th、tl 和xi結構寄存器。 配置寄存器，五位一直都是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，用戶不要去改動。r1 和r0 用來設置 分辨率（4）ds18b20 的工作過程 、初始化 ds18b20 所有的數據交換都由一個初始化序列開始。由主機發出的復位脈沖和跟 在其后的由 ds18b20 發出的應答脈沖構成。ds18

22、b20 發出響應主機的應答脈沖時， 當 即向主機表明它已處在總線上并且準備工作。、 rom 命令 rom 命令通過每個器件 64-bit 的 rom 碼，使主機指定某一特定器件（如果有多個器件掛在總線上）與之進行通信 ds18b20 ，每個 rom 命 令都是 8 bit 長。 功能命令主機通過功能命令對 ds18b20 進行讀/寫 scratchpad 存儲器，或者啟動溫度轉換。 （5）ds18b20 的信號方式 ds18b20 采用嚴格的單總線通信協議，以保證數據的完整性。該協議定義了幾種 信號類型：復位脈沖、應答脈沖、寫 0、寫 1、讀 0 和讀 1。除了應答脈沖所有這些信 號都由主機發

23、出同步信號。總線上傳輸的所有數據和命令都是以字節的低位在前。、初始化序列：復位脈沖和應答脈沖 在初始化過程中，主機通過拉低單總線至少 480s，以產生復位脈沖(tx)。然后主機 釋放總線并進入接收(rx)模式。當總線被釋放后，4.7k 的上拉電阻將單總線拉高。 ds18b20 檢測到這個上升沿后，延時 15s60s，通過拉低總線 60s240s 產生應答 脈沖。初始化波形如圖 3-3 所示。 、讀和寫時序 在寫時序期間，主機向 ds18b20 寫入指令，而在讀時序期間，主機讀入來自 ds18b20 的指令。在每一個時序，總線只能傳輸一位數據。讀/寫時序如圖 3-4 所示。xii 寫時序：存在兩

24、種寫時序：“寫 1”和“寫 0” 。主機在寫 1 時序向 ds18b20寫入邏輯 1，而在寫 0 時序向 ds18b20 寫入邏輯 0。所有寫時序至少需要 60s，且在兩次寫時序之 間至少需要 1s 的恢復時間。兩種寫時序均以主機拉低總線開始。產生寫 1 時序：主機拉低總線后，必須在 15s 內釋放總線，然后由上拉電阻將總 線拉至高電平。 產生寫0時序： 主機拉低總線后，必須在整個時序期間保持低電平 （至 少 60s） 。在寫時序開始后的 15s60s 期間，ds18b20 采樣總線的狀態。圖 3-4 ds18b20 初始化時序圖 讀時序 ：ds18b20 只能在主機發出讀時序時才能向主機傳送

25、數據。所以主機在發出讀數據 命令后，必須馬上產生讀時序，以便 ds18b20 能夠傳送數據。所有讀時序至少 60s， 且在兩次獨立的讀時序之間至少需要 1s 的恢復時間。 xiii圖 3-4 ds18b20 讀/寫時序圖 控制器采樣 1.4 mcs51 介紹由于 intel 公司的單片機問世早、產品系列齊全、兼容性強，得到了廣泛的英語，目前我國的主要使用 mcs-51 系列的單產，尤以 8031 為多。這是因為 8031 無片內rom、應用靈活、價格便宜。mcs-51 是 intel 公司的 8 位系列單片機，包括 51 和 52兩個子系列。51 子系列有 8031、8051、8071；52

26、子系列有 8032、8052.52 子系列的不同在于它多具有定時/計數器 2 及具有 256b 的內部數據存儲器。（1）主要性能1.內部程序存儲器：4kb2.外部數據存儲器：128b3.外部程序存儲器：可擴展到 64kb4.輸入/輸出口線：32 跟（4 個端口，每個端口 8 跟）5.定時/計數器：2 個 16 位可編程的定時計數器。6.串行口：全雙工，2 跟7.寄存器區：在內部數據存儲器的 128b 中劃出一部分作為寄存器區，分為四個區，每個區 8 個通用寄存器。8.中斷源：5 個中斷源，2 個優先級別xiv9.堆棧：最深 128b10.布爾處理機：即位處理器，對某些單元的某位做單獨處理。11

27、.指令系統（系統時鐘為 12mhz 時）：大部分指令執行時間為 1us；少部分執行指令時間為 2us；只有乘、除指令的執行時間為 4us。（2）功能引腳說明引腳結構有雙列只差封裝（dip）方式和方形封裝方式。下面分別敘述這些引腳的功能。1.主電源引腳 vcc：電源端 gnd：接地端2.外接晶體引腳 xtal1 和 xtal2 xtal1：晶體振蕩器接入的一個引腳。當采用外部振蕩器時，此引腳接地。 xtal2：晶體振蕩接入的另一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端。（3）控制或與其他電源復用引腳 rst，ale,vpprst：撫慰輸 h 入端。當振蕩器運行時，在該引腳上出現兩

28、個機器周期的高電平將使單片機復位。ale：當訪問外部存儲器時，ale（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存的地址的低位字節。即使不訪問外部存儲器，ale 端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而注意的是：每當訪問外部數據存儲器時，將跳過一個 ale 脈沖。在對 flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖。如果需要的話，通過對專用寄存器(sfr)區中的 8eh 單元的 do 位置數，可禁止ale 操作。該位置數后，只有在執行一條 movx 或 movc 指令期間，ale 才會被激活。另外，該引腳會被微弱拉高，單片機

29、執行外部程序時，該設定禁止 ale 位無效。程序儲存允許：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。當 80c51 由外部程序存儲器取指令（或常數）時，每個機器周期兩次 psen 有效（即輸出 2 個脈沖).但在此期間內，每當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。cpp：外部訪問允許端。要是 cpu 只訪問外部程序存儲器（地址為 0000h-ffffh） ，則 vpp 端必須保持低電平（接地） 。然而要注意的是，如果保密位 lb1 被編程，復位時在內部會鎖存 vpp 端的狀態。當 vpp 端保持高電平（接 vcc 端）時，cpu 則執行內部程序存儲器中的程序。在 flash 存儲

30、器編程期間，該引腳也用于施加 12v 的編程允xv許電源 vpp。（4）輸入/輸出引腳 p0.0-p0.7，p1.0-p1.7和 p2.2-p2.7,p3.0-p3.7。p0端口：p0是一個8位漏極開路型雙向 i/o 接口，作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅動8個 ttl 輸入，在對端口寫1時，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部程序和數據存儲器時，它是分時多路轉換的地址（低8位）/數據總線，在訪問期間激活了內部的上拉電阻。在 flash 編程時，p0端口接收指令字節；而在校驗程序時，則輸出指令字節。驗證時，要求外接上拉電阻。 p1端口：p1是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向 i/o 端口。p

31、2的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個輸入口使用時，因為有內部上拉電阻，哪些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對 flash 編程和程序校驗時，p1接收低8位地址。 p2端口：p2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向 i/o 端口。p2的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個 ttl 輸入。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。p2作輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，哪些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數據存儲器（如執行 movxdptr 指令）時，p2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數據存儲器（如執行

32、movxri 指令）時，p2口引腳上的內容（就是專用寄存器（sfr）區中 p2寄存器的內容） ，在整個訪問期間不會改變。在對 flash 編程和程序檢驗期間，p2也接受高位地址和一些控制信號。p3端口：p3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向 i/o 端口。p3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個 ttl 輸入。對端口寫1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。p3作輸入口使用時，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89c51中，p3端口還用于一些復位功能。1.5 溫度控制的主要方法溫度的測量方法多采用集成的半導體模擬溫度傳感器，傳感器輸出的電壓

33、或電流與溫度在一定范圍呈線性關系。通過放大，采樣得到被測量。另一種溫度測量方法是使用熱電偶，其測量精度較高，但測試過程復雜，測量時間長，而且采用電橋測量的系統抗干擾能力較差，誤差較大。隨著集成電路技術的迅速發展，新型的數字化溫度傳感器其精度、穩定性、可靠性及抗干擾能力都優于模擬的溫度傳感器。數字溫度傳感器也越來越的到廣泛的應用。 溫度檢測的方法根據敏感元件和被測介質接觸與否，可以分為接觸式與非接觸式xvi兩大類。接觸式檢測的方法主要包括基于物體受熱體積膨脹性質的膨脹式溫度檢測儀表；基于熱電效應的熱電偶溫度檢測儀表。非接觸式檢測方法是利用物體的熱輻射特性與溫度之間的對應關系，對物體的溫度進行檢測

34、，主要有亮度法、全輻射法和比色法等。接觸式測溫是使測溫敏感元件與被測介質接觸，當被測介質與感溫元件達到熱平衡時，感溫元件與被測介質的溫度相等。這類傳感器結構簡單、性能可靠、精度高、穩定性好、價格低、應用十分廣泛，因此，本方案采用接觸式測溫法，選用相關類型的傳感器。由單片機組成的溫度測控系統,通過在單片機外部添加各種接口電路，可構成單片機最小系統，用以實現對溫度控制對象的溫度的顯示和控制。同時也能根據實際情況實現多路巡回檢測、數據處理、報警及記錄,對各個參數以一定的周期進行檢查和測量,檢測的結果經計算機處理后再進行顯示、打印和報警,以提醒操作人員注意或直接用于生產控制。1.6 系統總體設計方案本

35、論文所討論的基于單片機的溫度控制系統是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系統，其目的是對兩個溫控箱的溫度進行恒值溫度控制。溫控箱的溫度控制范圍在室溫到攝氏度之間，溫度控制的精度要求為士 1。下面討論系統的總體設計方案，包括系統的性能要求以及系統的軟、硬件方案分析。1.6.1 系統性能要求系統性能要求：1、可以人為方便地通過控制面板或機設定控制期望的溫度值，系統應能自動將溫控箱加熱至此設定溫度值并能保持，直至重新設定為另一溫度值，即能實現溫度的自動控制；2、能夠實現對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶顯示實時的顯示出來；3、具有加熱保護功能的安全性要求。如果實際測得的溫控箱溫度值超過了系統規定的

36、安全溫度，保護電路就會做出反應，從而對溫控箱實現超溫保護;4、模塊化設計，安裝拆卸簡單，維修方便;5、系統可靠性高，不易出故障;6、盡量采用典型、通用的器件，一旦損壞，易于在市場上買到同樣零部件進行替換。xvii1.6.2 系統硬件方案分析目前，溫度控制儀的硬件電路一般采用模擬電路和單片機兩種形式。模擬控制電路的各控制環節一般由運算放大器、電壓比較器、模擬集成電路以及電容、電阻等外圍元器件組成。它的最大優點是系統響應速度快，能實現對系統的實時控制。根據計算機控制理論可知，數字控制系統的采樣速率并非越快越好，它還取決于被控系統的響應特性。在本系統中，由于溫度的變化是一個相對緩慢的過程，對溫控系統

37、的實時性要求不是很高，所以模擬電路的優勢得不到體現。另外，模擬電路依靠元器件之間的電氣關系來實現控制算法，很難實現復雜的控制算法。單片機是大規模集成電路技術發展的產物，屬于第四代電子計算機。它是把中央處理單元、隨機存取存儲器、只讀存儲器、定時計數器以及輸入輸出接口電路等主要計算機部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機，它的特點是功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩定可靠、應用廣泛。由此可見，采用單片機設計控制系統，不僅可以降低開發成本，精簡系統結構，而且控制算法由軟件實現，還可以提高系統的兼容性和可移植性。另外，隨著微電子技術和半導體工業的不斷創新和發展，片上系統得到了十足的發展。

38、一些廠家根據系統功能的復雜程度，將這種芯片應用到先進的控制儀表中。芯片通常含有一個微處理器核，同時，它還含有多個外圍特殊功能模塊和一定規模的存儲器和（ram 和 rom） ，并且這種片上系統一般具有用戶自定義接口模塊，使得其功能非常強大，適用領域也非常廣。它不僅能滿足復雜的系統性能的需要，而且還使整個系統的電路緊湊，硬件結構簡化。從實現復雜系統功能和簡化硬件結構的角度出發，是實現溫度控制系統的最佳選擇，但目前市場上的價格還比較昂貴，并且的封裝形式幾乎都采用貼片式封裝，不利于實驗電路板的搭建。從降低成本，器件供貨渠道充足的角度看，應用單片機實現溫度控制系統是比較經濟實用的。xviii第 2 章硬

39、件設計2.1 系統硬件總體結構本文所研究的溫度控制系統硬件部分按功能大致可以分為以下幾個部分：單片機主控模塊、輸入通道、輸出通道、保護電路、電源電路等。硬件總體結構框圖如圖 2.1 所示。由結構框圖可見，溫度控制系統以單片機為核心，并擴展外部存儲器構成主控模塊。被測對象的溫度由 ds18b20 溫度傳感器檢測外界溫度并轉化為數字信號。 xix 圖 2.1 系統結構框圖此數字信號送給單片機處理，一方面將被測對象的溫度通過控制面板上的液晶顯示器顯示出來；另一方面將該溫度值與設定的溫度值進行比較，根據其偏差值的大小，采用控制算法進行運算，最后通過控制繼電器（即控制溫控箱加熱平均功率的大小） ，進而達

40、到對被測物體溫度進行控制的目的。如果實際測得的溫度值超過或低于系統給定的極限安全溫度，保護電路會做出反應同時報警電路報警提示，從而保護被測物體。單片機快速、準確的進行溫度采集、數據處理、顯示和控制主要是時鐘電路提供的時鐘頻率，使單片機正常的協調處理各項任務。各個器件工作的電源電壓主要有電源電路提供。則溫度的設定范圍就通過矩陣鍵盤進行設定，使被測物體在正常的溫度范圍下工作。2.2 硬件電路設計設計硬件電路主要有兩大部分組成：模擬部分和數字部分；從功能模塊上來分有：主機電路、數據采集電路、鍵盤顯示電路、電源電路、控制執行電路以及掉電保護電路。各個模塊電路通過主機電路控制，協調一致的進行工作。完成對

41、被測物體的溫度控制。硬件結構框圖如圖 2.2 所示：xx 圖 2.2 系統硬件結構框圖2.2.1 主機電路的設計主機選用 intel 公司的 mcs-51 系列單片機 89c51 來實現，利用單片機軟件編程靈活、自由度大的特點，力求用軟件完善各種控制算法和邏輯控制。本系統選用的89c51 芯片時時鐘可達 12mhz，運算速度快，控制功能完善。其內部具有 128 字節ram，而且內部含有 4kb 的 eprom 不需要外擴展存儲器，也有數據通信接口，通過txd、rxd 與 pc 機連接，可以進行人機操作，使得操作更加簡單、方便。具有五個中斷源，兩個中斷優先級，兩個外部中斷、兩個定時中斷還用一個通

42、信中斷，可以對溫度檢測進行實時處理和分時操作，這樣就可以對被測物體溫度監測更加準確、延時性更小，同時也可使系統整體結構更為簡單實用。如圖 2.3 所示：單片機和時鐘電路、復位電路以及電源電路構成了單片機的最小系統，即溫度控制系統的主機電路。用來處理溫度采集的數字信息并控制各部分的正常工作。其中單片機的 i/o 口，即 p0、p1、p2 和 p3 用來接相應的顯示設備，鍵盤輸入以及繼電器等。xxi圖 2.3 主機電路示意圖2.2.2 i/o 通道的硬件電路的設計就本系統來說，需要實時溫度傳感器ds18b20采集水溫數據，送入單片機中的特定單元，然后一部分送去顯示；另一部分與設定值進行比較，通過p

43、id算法得到控制量并經由單片機輸出去控制電爐加熱或制冷器降溫。（1）數據采集電路的設計數據采集電路主要由數字溫度傳感器 ds18b20 采集水溫的溫度。溫度傳感器的單總線(1-wire)與單片機的 io 連接，p3.7 是單片機的高位地址線。p3 端口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 io，每個端口都有第二功能，其輸出緩沖級可驅動(吸收或 輸出電流)4 個 ttl 邏輯門電路。對該端口寫“1” ，可通過內部上拉電阻將其端口拉至高電平，此時可作為輸入口使用，這是因為內部存在上拉電阻，某一引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。如圖 2.4 所示：溫度傳感器 ds18b20 與單片機只有一根線連接即

44、單總線或one_wire 總線。溫度傳感器 ds18b20 只有三個端口，電路連接很簡單，一根電源線接電源，一根接地，一根數據時鐘線接單片機的 i/o,數據時鐘線必須接一個上拉電xxii阻，防止數據、時鐘高阻懸掛，就會得不到準確的溫度數字信號。 圖2.4 溫度傳感器硬件電路示意圖（2）溫度控制控制執行電路的設計 由輸出來控制加熱器或制冷器，加熱器可以近似建立為具有滯后性的一階慣性環節數學模型。其傳遞函數形式為：g(s)=k/（ts+1）e-ts 制冷器可以認為是線形環節實現對水溫的控制。為了實現強電和弱電的隔離，要選擇光電耦合器，使輸出信號要對繼電器進行通斷控制，以便使電爐或風扇電路導通，此外

45、，當實際溫度不在設定的范圍內，報警電路將實時報警并作出相相應的處理如（報警信號傳到單片機或人，單片機或人就會執行相應的操作） ，當實際溫度低于設定的溫度時相應黃色發光二極管點亮并且加熱器啟動升溫；高于設定的溫度時對應紅色二極管亮并且制冷器啟動降溫。如圖2.5所示：繼電器的通斷通過單片機的i/o的輸出控制，從而控制加熱器、制冷器的啟停，來控制被測物體的溫度。圖2.5 溫度控制電路圖xxiii如圖2.6所示：報警電路也是由單片機的i/o控制，當實際溫度不在設定的范圍單片機就會執行相應的指令，進行實時報警，提示溫度超過或低于設定的溫度，以便及時作出處理。圖2.6 報警電路圖2.2.3 鍵盤設計鍵盤是

46、由若干個按鍵組成的開關矩陣，它具有最簡單的單片機輸入設備，通過鍵盤輸入數據或命令，實現簡單的人機對話。鍵盤上閉合建的識別是由專用硬件實現的，稱為編碼鍵盤，靠軟件實現的稱為非編碼鍵盤。鍵盤采用軟件查詢和外部中斷相結合的方法來設計，低電平有效。鍵盤還分為矩陣鍵盤和獨立鍵盤，使用矩陣鍵盤能大量的節約單片機的i/o資源，方便快捷。獨立鍵盤雖然占用了i/o資源，但是運用靈活，很適用鍵盤少的電路。其按鍵的功能如下表所示： 表2-1 鍵盤功能表 按鍵鍵名功能key1復位鍵使系統復位key2 key3功能切換鍵切換當前溫度和設定溫度的顯示界面矩陣鍵盤設定溫度鍵盤設定溫度的允許范圍如圖2.7所示：矩陣鍵盤與單片

47、機的p1口連接，采用軟件查詢的方式，用來設定溫度的允許范圍，也可以用來做狀態顯示切換功能鍵等，實現簡單的人機對話，鍵盤的輸入值被單片機讀入并通過中央處理器處理，送到顯示模塊進行顯示。xxiv圖2.7 鍵盤電路圖如圖 2.8 所示按鍵 key10、key11 分別與 p3.2（into） 、p3.3（int1）相連，采用外部中斷方式，對溫度設定實時處理。圖 2.8 獨立鍵盤電路圖2.2.4 顯示電路設計顯示電路采用了 lcd_1602 和數碼管的混合顯示，設定的溫度值范圍顯示在數碼管上，一看就是知道被測物體正常時的溫度范圍是多少，同時當前溫度顯示在液晶上，因此知道被測物體的當前值是多少。(1)液

48、晶的介紹 、 1602 型液晶接口信號說明 xxv 1602 型液晶接口信號說明如表 2-2 所示 編號符號引腳說明編號符號引腳說明1vss電源地9d2數據口2vdd電源正極10d2數據口2v0液晶顯示器對比度調解端11d4數據口4rs數據命令選擇端12d5數據口5r/w讀寫選擇端（h/l）12d6數據口6e使能信號14d7數據口7d0數據口15bla背光電源正極8d1數據口16bkl背光電源負極、 基本操作時序 讀狀態 輸入：rs=l, r/w=h,e=h 輸出：d0d7=狀態字讀數據 輸入：rs=h, r/w=h,e=h 輸出：無寫指令 輸入：rs=l, r/w=l,d0d7=指令碼，e=

49、高脈沖 輸出：d0d7=數據寫數據 輸入：rs=h, r/w=l, ,d0d7=數據，e=高脈沖 輸出：無。 、寫操作時序 通過 rs 確定是寫數據還是寫命令。讀/寫控制端設置為寫模式，即低電平。 將數據或命令送達數據線上，給 e 一個高脈沖將數據送入液晶控制器，完成寫操作。寫操作時序如下圖所示：xxvi圖 2-9 1602 液晶寫操作時序圖（2）液晶的電路設計 如圖 2-10 所示：液晶的數據線接 p0 口，而 rs、rw、e 分別接單片機的p2.5、p2.6、p2.7 口，通過單片機的控制顯示設定的溫度值或實際溫度值。圖 2-10 1602 液晶電路顯示電路圖（2）數碼管 led 簡介單片

50、機應用系統中使用的顯示器主要有發光二極管顯示器，簡稱 led；液晶顯示器，簡稱 lcd。前者價廉，配置靈活，與單片機接口方便；后者可進行圖形顯示，但接口復雜，成本較高。結合本設計的特點，在這里系統的顯示采用發光二極管作為顯示器件。 圖 2.11 數碼管xxvii單片機中使用 7 段 led 構成字形“8” ，另外，還與一個小數點發光二極管用以顯示數字、符號及小數點。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，如圖 2.15 所示。發光二極管的陽極連在一起稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。一位顯示器由八個發光二極管組成，其中，7 個發光二極管構成字形“8”的各個筆劃（段）a-g,另一個小數點

51、為 dp 發光二極管。當在某段發光二極管施加一定的正向電壓是，該段筆劃即點亮；不加電壓則該段二極管不亮。為了保護各段 led 不被損壞，需要外加限流電阻.如果要顯示某個字形，則應使此字形的相應段點亮，也即送一個不同的電平組合代表的數據來控制 led 的顯示字形，此數據稱為字符的段碼。數據字位數與 led 段碼的關系如表所示。表 2-3 數碼管各段與輸出口各位的對應關系輸出口各位d7d6d5d4d3d2d1d0數碼管各段dpgfedcba如使用共陽極數碼管，數據為 0 表示對應字段亮，數據為 1 表示對應字段暗；如使用共陰極數碼管，數據為 0 表示對應字段暗，數據為 1 表示對應字段亮。如要顯示

52、“0” ，共陽極數碼管的字型編碼應為：11000000b（即 c0h） ；共陰極數碼管的字型編碼應為：00111111b（3fh） 。依次類推，可求得數碼管字型編碼如表 2-4 所示。表 2-4共陽極共陰極字型dpgfedcba字型碼dpgfedcba字型碼011000000c0h001111113fh111111001f9h0000011006h210100100a4h010110115bh310110000b0h010011114fh續表 2-341001100199h0110011066h51001001092h011011016dh61000001082h011111017dh7111

53、11000f8h0000011107hxxviii81000000080h011111117fh91001000090h011011116fha1000100088h0111011177hb1000001183h011111007chc11000110c6h0011100139hd10100001a1h010111105ehe1000011086h0111100179hf100011108eh0111000171h滅11111111ffh0000000000h（4）數碼管的電路設計數碼管用的是八位共陽的發光二極管組成，只要賦予低電平對應的發光二極管就點亮，八段發光二極管的亮暗組合就能組成0f十

54、六數字，利用數碼管的動態掃面就能清晰穩定的顯示溫度的設定值，考慮到i/o不夠用，采用了74ls138譯碼器和74ls373鎖存器的組合，從而大量的節約了單片機i/o資源。74ls373內有8個相同的d型(三態同相)鎖存器，由兩個控制端(11腳g或en；1腳out、cont、oe)控制。當oe接地時，若g為高電平，74ls373接收由ppu輸出的地址信號如果g為低電平，則將地址信號鎖存。74ls373的輸出端o0o7可直接與總線相連。當三態允許控制端oe為低電平時，o0o7為正常邏輯狀態，可用來驅動負載或總線。當oe為高電平時，o0o7呈高阻態，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯

55、操作不受影響。當鎖存允許端le為高電平時，o隨數據d而變。當le為低電平時，o被鎖存在已建立的數據電平。74ls138 是個三輸入 8 輸出的譯碼器，a0、a1、a2 為地址端，選擇相應的輸出端為低電平，例如：當譯碼器的地址端為 0 0 0 時，輸出端 y0=0；當譯碼器的的地址端是 0 0 1 時，其輸出端 y1=0；以此類推。如圖2-11所示：數碼管的數據線利用鎖存器和液晶的數據線共用一個i/o即p0口；而數碼管的片選線則利用了38譯碼器來選通，3-8譯碼器的地址線通過單機的p2.3、p2.4、p3.6口來控制選擇數碼管的片選。只要控制這三個地址線就可以實現六個數碼管的位選加鎖存器的使能。

56、如下圖所示：xxix圖 2-12 數碼管顯示電路圖2.2.5 溫度控制系統硬件設計溫度控制系統硬件包括：89c51單片機最小系統模塊、a/d 轉換模塊、d/a 轉換模塊、信號放大電路、溫控電路以及其它外圍電路。（1）單片機的選擇單片機的 cpu 為 atmel 公司生產的89c51。出廠所配晶振頻率為11.0592mh,每個機器周期為1.085us,用戶更換晶振以提高速度。存貯器為64k,前4k/8k20k 在 cpu 內部,其它程序在 epr0m27512中。數據存貯器為32k(62256),地址為8000ffffh。i/o擴展8155,片內 ram 地址200o-20ffh8155命令口地

57、址為2100ha 口地址21o1h b口地址：2102h c 口地址:2103h t 低八位2104h t 高八位.（2）傳感器電路數字溫度傳感器ds18b20，它是一種能將外界溫度直接轉化成數字信號的數字溫度傳感器。它使用范圍廣，運用靈活，它的價格便宜，精確度較高，延滯性下，因而靈敏度很高， 而且它的線性很好。雖然其測量精度一般，但完全能滿足工業測溫要xxx求，應用在各個領域。(3)保護電路保護電路的作用是對被測物體進行過溫保護，其電路如圖2-13所示。圖 2-13 保護電路驅動信號控制繼電器，斷開加熱電阻絲電源，保護溫控箱。電路中增加的達林頓管是一個電流驅動型器件，能夠提高繼電器的勵磁電流

58、。在繼電器兩端并聯了續流二極管，其作用是當達林頓管由導通到關斷時，繼電器也由導通變為關斷，由于繼電器是個感性負載，電流不能突變，線圈兩端將產生很高的反向電勢，以繼續維持線圈中通過的電流。這個反向電勢一般很高，容易造成三極管的擊穿，加入續流二極管后，為反向電勢提供了放電回路，從而保護三極管不會被擊穿。（4）串行通信接口電路目前，廣泛使用的串行數據接口標準有一，一與一三種。其中一是美國電子工業協會正式公布的串口總線標準，也是目前最為常用的串行接口標準，用來實現計算機與計算機之間，計算機與外設之間的數據通訊。串行通信接口的基本任務是實現數據格式化。來自的是普通的并行數據，接口電路應具有實現不同串行通

59、信方式下的數據格式化的任務。具體任務是：1.進行串-并轉換；2.控制數據傳輸速率；3.進行錯誤檢測；4.進行 ttl 與 eia 電平轉換；5.提供一一接口標準所要求的信號線。 由于電平和一犯電平不匹配，因此要實現單片機和機之間的通信，必須在它們之間加接電平轉換器。系統設計采用公司的一接口芯，這是一種標準的一接口芯片。只需巧電源供電，其內部的電源變化成士電源用于通信。該芯片集成有兩路收發器，可將單片機輸入的電平轉換為電平發送給機，或將從機接收的電平轉換為電平發送給單xxxi片機。為雙列直插 16 腳封裝。系統串口通信電路如圖 2-14 所示。 圖 2-14 串口通信電路（5）電源電路系統所用直

60、流電源由三端集成穩壓器組成的串聯型直流穩壓電源提供。設計中選用了，和三個三端集成穩壓器，分別提供+5v、+8v 和一 5v、-8v 直流電壓，輸出電流均為 1a。lm7805、lm7808 和 lm7905、lm7908 的連接方法都一樣。變壓器將的市電降壓后再通過整流橋整流之后采用了大容量的電解電容進行濾波，以減小輸出電壓紋波。由于電解電容器在高頻下工作存在電感特性，對于來自電源側的高頻干擾不能抑制，因此在整流電路后加入高頻電容改善紋波。電源電路如圖 2-15 和 2-16 所示。圖 2.15 輸出+8v 和-8v 直流電源電路圖 xxxii 圖 2.156 輸出+5v 和-5v 的直流電源