毕业设计---基于51单片机智能温度控制器系统设计.doc

0101090205学号： 长春科技学院毕业设计 (论文)基于51单片机智能温度控制器系统设计姓 名： 任忠帅 学 院： 信息工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 2009级2班 指导老师： 陈东淼（讲师） 2013 年 5 月 10 日摘 要温度是工业生产和日常生活中最常见的参数之一，对温度的精确测量和控制具有重要意义。为此，本文以AT89S51单片机为处理核心进行了智能温度监控系统的下位机设计，详细阐述了系统的硬件及软件设计方法。该设计使用DS18B20数字式温度传感器进行多点测温，通过RS232串口实现单片机与PC机之间的数据交换，实现各温度点的实时测温及根据上位机的温度设定值完成对其中一点温度的控制。此系统具有测温电路简单、连接方便、转换速度快、为上位机监控部分可实时传送温度信号、控制精度高等优点，因此，具有较广泛的应用前景。关键词： AT89S51；智能温度测量控制；DS18B20；RS232AbstractTemperature is one of the most familiar parameters in the industrial production and daily life. Therefore, this paper designs the under-bit machine of multi-point temperature monitoring system with the 89S51 SCM as the processing core. It elaborates hardware and software design method in detail. The system uses the DS18B20 digital temperature sensor to measure multi-point temperature. Through the RS232 serial port it can exchange data between the SCM and PC. Each point of temperature can be measured on time and one point of it can be controlled according to the temperature settings transmittd by up-bit machine. Based on the advantages that this system has the simple temperature measurement circuit, the convenient connection, the quick change speed, the real-time transmission of temperature signals for up-bit machine, the high precision control , therefore, it will have very good application value. Keywords: AT89S51; multi-point temperature measure and control; DS18B20; RS232引 言1.现代社会中，温度控制的应用越来越多。温度是与人们的生产生活密切相关的一个物理 ,因此产生了各种各样的温度测方法，在工业领域内 ,对温度的测控十分广泛。在很多工业应用的场合下，环境非常恶劣，人工直接操作仪表很不现实 ,采用有线数据通信的方式也有限制，在数据记录上也需要人工抄写，因此需要一种无线隔离的操作方式。而在实际温控过程中既要求系统的稳定性,又要求快速性。下面仅就在社会生产和生活中用处比较广泛的几处应用加以阐释。 （1）在电子设备设计中，为防止系统损坏或性能降低，大都安装了用于监视危险温度的传感器，在多个热点的系统中需要进行多点温度测量。微处理器（CPU）和数字信号处理器（DSP）为高速芯片，可能产生过热即危险温度。另外一个热源是安装在机箱后部散热器上的功率器件。风扇是用来散热的，但它的长时间运转也会造成过热。在每一处都有放置一个温度传感器可以单独监视每一处温度，任一处温度超出了安全范围，系统就可以通过减低时钟速度或关掉系统电源等手段防止发生问题。（2）建筑节能是世界建筑技术发展的大趋势， 我国目前在该领域的技术还是相当落后。使用一种基于总线的和一线制数字的温度传感器测控系统 ,可以应用在建筑暖通空调系统中,既能最大限度地达到节能的目的,又能很好地满足人们对室内热环境智能化的要求。单总线数字式温度传感器有着独特的单总线接口,可以在一条线上接多个传感器 ,从而克服了模拟温度传感器与微机接口时的灯转换等缺点。它具有测温精度高、抗干扰能力强 、成本低、体积小等特点。其具有良好的通用性,可以解决建筑的温度测控问题 ,并利用总线的特殊优势解决了远距离多点测量问题 ,网络传输实时性好。（3）金属粉末注射成型技术 (Metal Injection Molding) 是近年来粉末冶金学科和工业中发展比较突出的领域。其基本工艺过程是：将微细的金属或陶瓷粉末与有机黏结剂均匀混合成为具有流变性的物质，采用先进的注射机注入具有零件形状的模腔形成坯件，采用新技术脱除黏结剂，并经过烧结使其高度质密成为制品，必要时还可以进行后处理。因此，温度控制精度的高低直接影响到产品的质量及使用寿命，研究和设计高性能的温度控制系统具有非常重要的意义。使用数字式DS18B20温度测控系统不仅可以应用到连续烧结炉的多点温度控制，还可以应用到其他工业对象的温度控制，比如冶炼高炉，工业窑炉等；而且成本低，可靠性高。（4）某大型飞机洞库线道长 ,环境复杂 ,由于其存储有重要的军事物资 ,对其温度、湿度、油分子浓度、火警等信号进行综合监测是一项重要的任务。使用温度监控系统采取了微机与现场总线技术 ,不但节省了布线费用 ,而且由于布线简单 ,降低了系统巡检的故障率 ,提高了其精度及可靠性。多点温度综合监测与报警系统经某飞机洞库使用证明 ,其布线简单 ,提高了系统抗干扰能力 ,使用成本比购买传统的单个温度表及需长距布线节省数万元 ,且便于更新换代 ,实现了数据的远距传输与信息化管理。(5)为满足日益增长的蔬菜市场需求，提高人民的生活水平，现代农业生产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育。其中温度监测是控制农作物生长的关键因素，由于不同温室中的农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一定的温度范围内。仅仅是依靠人工管理存在温度调节不及时、不准确，影响作物生长及人力资源浪费等问题。温室智能温度控制系统采用基于DS18B20和LPC2132，具有多点温度监测控制、对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点，能满足作为温室温度监测控制系统要求。并且采用的单总线温度传感器DS18B20可以直接输出数字量，不需要A/D转换，与微处理器容易接口，能够有效的解决硬件电路复杂，软件调试复杂的问题2.在工农业生产或科学实验中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化；或者要求有的电炉的炉温根据工艺条件，按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。因此，对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。电阻炉炉温的控制，根据工艺要求不同而有所变化，但大体上可归纳为以下几个过程：(1)自由升温段，即根据电阻炉自身的条件，不对升温速度进行控制的升温过程。(2)恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。(3)保温段，即要求在某一过程中炉温基本保持不变。(4)恒速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率进行。(5)自由降温段，即根据电阻炉自身的条件，不对降温速度进行控制的升温过 程。而每一段都有时间的要求，如下图所示： 炉温变化过程随着单片机技术的发展，其运行功能不断增强，运行速度不断提高，不但可用它来构成顺序控制系统，也可以用它来完成工业过程的闭环控制。电阻炉温度控制系统的组成如下图所示：控制器（mcu）（控制算法）晶闸管控制电阻炉D/A温度采集A/D实际温度设定温度 +温度控制系统框图 图中的控制器即是单片机，它按比例控制规律来设计控制程序。比例调节器的输出量经过D/A变成晶闸管控制量，来改变晶闸管的导通角，从而控制电阻炉的加热强度。温度测量元件采用线性度好且时间常数小的AD590，采集后经过A/D转换把温度转换成与其成正比的数字量。送入单片机与给定的温度比较如果高于给定温度上限则以上限值给D/A来控制晶闸管导通角,如果低于给定温度下限则以下限值给D/A来控制晶闸管的导通角,从而控制电炉的温度在正常范围里.下面各章将分别介绍温度控制系统的各部分组成及功能。目 录一主要器件的使用和介绍1（一）、单片机1（二）、功能图6（三）、DAC08326（四）、ADC08049（五）、LM741运算放大器11（六）、单片机键盘和键盘接口11（七）、LED显示器接口11二实际电路13（一）、电路的制作13（二）、电路的调试18三功能说明18（一）、采集部分18（二）、控制部分19四、结束语20五致谢词21六参考文献22附录一 元件明细表23附录二 系统总程序25附录三 英文资料及其译文29附录四 翻译中文38附录五 电路原理图44 信息工程学院 基于51单片机智能温度控制器系统设计一主要器件的使用和介绍（一）、单片机单片机清晰实物图 单片机最小系统电路图概述：单片机因将其主要组成部分集成在一个芯片上而得名，具体说就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM(Random Access Memory)、只度存储器（Read Only Menory）、中断系统、定时器/计数器以及I/O（Input/Output）口电路等主要微型机部件，集成在一块芯片上。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已经具有了计算机系统的属性，为此称它为单片微型计算机SCMC（Single Chip Microcomptuer）,简称单片机。通常所说的单片机系统都是为了实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在这个系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件的基础。应用领域：1工业自动化方面自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益、改善产品质量和减轻劳动强度。因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术、数据采集和测量技术，还是生产线的机器人技术，都需要有单片机的参与。2仪器仪表方面 现代仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高，对此最好使用单片机来实现，而单片机的使用又将加速仪器仪表向数字化、智能化、多功能化方向发展。此外，单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精确度和准确度，简化结构、减小体积而易于携带和使用，并具有降低成本，增加抗干扰能力，便于增加显示、报警和自诊断功能。3家用电器方面 当前，家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度，而家电智能化的进一步提高就需要有单片机参与。智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便，进一步改善我们的生活质量，把我们的生活变的更丰富。4信息和通信产品方面 信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，这当然离不开单片机的参与。例如计算机的外部设备（键盘、打印机、磁盘驱动器）和自动化办公室设备（传真机、复印机、电话机等），都有单片机在其中。5军事装备方面 科技强军，在国防现代化离不开计算机，在各种军事设施和武器中都有单片机在发挥其作用。单片机AT89C52：AT89C52具有并行8K可编程的非易失性FLASH程序存储器。要实现对器件串行在系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP) ，该系列单片机是80C51微控制器的派生器件是采用先进CMOS工艺制造的8位微控制器指令系统与80C51 完全相同。（1）特性80C51 核心处理单元片内FLASH 程序存储器 速度可达33MHz全静态操作RAM 可扩展到64K 字节4个中断优先级6个中断源4个8位I/O口全双工增强型UART帧数据错误检测自动地址识别电源控制模式时钟可停止和恢复空闲模式掉电模式可编程时钟输出 管脚图1异步端口复位双DPTR寄存器低EMI (禁止ALE)3个16位定时器掉电模式可通过外部中断唤醒(2)AT89C52管脚及功能管脚图见图1功能表见下表 AT89C52管脚图AT89C52管脚功能表名称管脚号图-1类型名称和功能Vss20I地Vcc40I电源提供掉电空闲正常工作电压P0.0-0.739-32I/OP0口：P0口是开漏双向口可以写为1使其状态为悬浮，用作高阻输入。P0也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节，在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过内部强上拉传送1。P1.0-P1.71-8I/OP1口：P1口是带内部上拉的双向I/O口向P1口写入1时，P1口被内部上拉为高电平可用作输口。当作为输入脚时被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流(见DC 电气特性)。 P2.0-2.721-28I/OP2口：P2口是带内部上拉的双向I/O口，向P2口写入1时P2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流(见DC 电气特性) 。在访问外部程序存储器和外部数据时分别作为地址高位字节和1P3.0-3.710-17I/OP3：口P3口是带内部上拉的双向I/O 口，向P3 口写入1时，P3 口被内部上拉为高电平，可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的P3 口会因为内部上拉而输出电流(见DC 电气特性) 89C51/89C52/89C54/89C58 的P3 口脚具有以下特殊功能10RxD(p3.0) 串行输入口11TxD(P3.1) 串行输出口12/INT0(P3.2) 外部中断013/INT1(P3.3) 外部中断14T0(P3.4) 定时器0 外部输入15T1(P3.5) 定时器1 外部输入16/WR(P3.6) 外部数据存储器写信号17/RD(P3.7) 外部数据存储器读信号RST913I复位：当晶振在运行中只要复位管脚出现2 个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc 即可实现上电复位。ALE30O地址锁存使能：在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE 输出信号恒定为1/6 振荡频率。并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个ALE (/EA)/Vpp31I外部寻址使能/编程电压：在访问整个外部程序存储器时，EA必须外部置低。如果EA为高时，将执行内部程序除非程序，计数器可以大于0FFFH(4k 器件) ，1FFFH(8k 器件)， 3FFFH(16k 器件)， 7FFFH(32k 器件)。 当RST 释放后EA 脚的值被锁存，任何时序的改变都将无效。该引脚在对FLASH 编程时接12V 编程电压(Vpp)。XTAL119I晶体1： 晶振和内部时钟输入。XTAL218O晶体2 晶振输出（二）、功能图（三）、DAC0832 （1）DAC0832芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS-51单片机接口，其具有以下特性参数：n 分辨率为8位；n 电流稳定时间1us;n 可单缓冲双缓冲或直接数字输入；n 只需在满量程下调整其线性度；n 单一电源供电（+5V+15V）；n 低功耗，200mW。DAC0832的应用特性n DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制力实现对D/A转换的控制；n 有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出；n DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源；n DAC0832为电流输出型D/A转换器，要获得模拟电压输出是，需要外加转 换电路。（2）、DAC0832芯片的引脚功能简介DAC0832是美国数据公司的八位D/A，片内带有数据锁存器，电流输出，输出稳定时间为1uS，功耗为20mW.微处理器采用的是P89C52有非易失FLASH 并行可编程的程序存储器所有器DAC0832是20引脚双列直插式芯片，其各个引脚的分布如下图所示， 其各个引脚的功能可以作如下解释。 D0D7:数据输入线；ILE:数据允许锁存信号，高电平有效；CS:输入寄存器选择信号，低电平有效。WR1为输入寄存器的写选通信号。输入寄存器锁存信号LE1有ILE、CS 、WR1的逻辑组合产生。当ILE为高电平、CS为低电平WR1输入负脉冲时，在LE1产生正脉冲；LE1为高电平是，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，LE1的负跳变将数据线上的信息锁入输入寄存器。XFER：数据传送信号，低电平有效。WR2 为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存信号LE2,由XFERWR2 的逻辑组合产生。当XFER为低电平，WR2输入负脉冲，则在LE2产生正脉冲；LE2为高电平，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。VREF:基准电源输入引脚。Rfb:反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。IOUT1IOUT2:电流输出引脚。电流IOUT1与IOUT2的和为常数，IOUT1、IOUT2随DAC寄存器的内容线性变化。VCC:电源输入引脚。AGND:模拟信号地。DGND:数字地。（3）、DAC0832的原理框图如下所示：由图可知数字量是通过两级寄存器送至D/A转换器的输入端。两级锁存器可做到当后一级锁存器正输出给D/A转换时，前一级又可接收新的数据，从而提高了转换速度。此外，在使用多个D/A转换器分时输入数据的情况下，两级缓冲可以保证同时输出模拟电压。WR1和WR2是用来分别控制两级锁存器的。 （4）、单缓冲方式连接：所谓单缓冲方式就是使DAC0832的两个输入寄存器中有一个（多为DAC寄存器）处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽是多路模拟量输出但并不要求输出同步的情况下，就可以采用单缓冲方式 图-4 DAC0832内部原理图（4）DAC0832与单片机的接口电路图 P0.0-P0.7 P2.7 WRDI0 RfbDI7CS Iout1Xfer Iout2WR1 VrefWR2LM327+5V=+5V （四）、ADC08041所谓A/D转换器就是模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter 简称ADC），是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端的信号可以是传感器（Sensor）或转换器（Transducer）的输出，而ADC输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛的应用。2ADC0804的规格 8位COMS逐次逼近型的A/D转换器； 三态锁定输出； 存取时间：135s; 分辨率：8位； 转换时间：100us； 总误差：1LSB； 工作温度：ADC0804LCN0-+70； ADC0804LCD-40-+85；3引脚图及说明/CS：芯片选择信号。/RD：外部读取转换结果的控制脚输出信号。/RD为HI时，DB0DB7处于高阻抗；/RD为LO时，数字数据才会输出。/WR：用来启动转换的控制输入，相当于ADC的转换开始，当/WR由HI变为LO时转换器被清除；当/WR回到HI时，转换正式开始。CLK IN，CLK R：时钟输入或接震荡元件（R，C），频率约限制在100kHz1460kHz，如果使用RC电路则其震荡频率为1/（1.1RC）。/INTR：中断请求信号输出，低电平动作。VIN（+）VIN（-）：差动模拟电压输入。输入单端正电压时，VIN（-）接地；而差动输入时，直接加VIN（+）VIN（-）。AGND，DGND：模拟信号以及数字信号的接地。VREF：辅助参考电压。DB0DB7：8位的数字输出。VCC：电源供应以及作为电路的参考电压。4ADC0804电压输入与数字输出的关系如下表：十六进制二进制码与满刻度的比率相对电压值VREF=2.560伏高4位字节低4位字节高4位字节电压低4位字节电压 F111115/1615/25648000300 E111014/1614/25644800280 D110113/1613/25641600260 C110012/1612/25638400240 B101111/1611/25635200220 A101010/1610/25632000200 910019/169/25628800180810008/168/25625600160701117/167/25622400140601106/166/25619200120501015/165/25616000100401004/164/25612800080 300113/163/2560，9600060200102/162/25606400040100011/161/256032000200000000（五）、LM741运算放大器 与普通运放功能相同，只是多了调零功能，使用更精确，性能更优。（六）、单片机键盘和键盘接口 我们可以把单片机使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。独立式实际上就是一组相互独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O连接，即每个按键独占一条口线，接口简单。矩阵式键盘也称为行列式键盘，因为键的数目较多，所以键按行列组成矩阵。 从按一个键到键的功能被执行主要应包括两项工作：一是键的识别，即在键盘中找出被按的是哪个键，另一项是功能键的实现。第一项工作是使用接口电路实现的，而第二项工作是通过执行中断服务程序来完成的。 键盘接口处理的核心内容是测试有无闭合键，对闭合键进行去抖动处理，求得闭合键的键码。这些操作内容通常都是由软硬件结合的方法实现的。为了使键盘操作更稳定可靠，还可以加一些附加功能，例如屏蔽功能；对一个键，不管按下多长时间，仅执行一次键处理子程序等。 键盘接口的控制方式：1.随机方式，每当CPU空闲时执行键盘扫描程序。2.中断方式，每当有键闭合时才向CPU发出中断请求，中断响应后执行盘扫描程序。3.定时方式，每隔一定时间执行一次键盘扫描程序，定时可由单片 机的定时器完成。 键处理子程序： 在计算机中每一个键都对应一个处理子程序，得到闭合的键的键码后，可以根据键玛，转相应的键处理子程序，进行字符、数据的输入或命令处理。这样就可以实现该键所设定的功能了。（七）、LED显示器接口 LED显示器接口与单片机接口的显示主要是LED显示器和LCD显示器两种，LED（Light Emiting Diode）是发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。LED显示器在单片机中的应用非常普遍。通常所说的LED显示器由个发光二极管组成，因此也称之为七段LED显示器，其排列形状如图3-15所示。此外，显示器中还有一个圆点型发光二极管（在图中以dp表示），用于显示小数点。通过七段发光二极管亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其它符号。LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法：A共阳极接法把发光二信用证管的阳极连在一起构成公共阳极。使用时公共阳极接V，如图3-15中所示。这样阴极端输入低电平的段发光二极管就导通点亮，而输入高电平的则不点亮。共阴极接法反发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，如图3-15中所示。使用时公共阴极接地，这样阳极端输入高电平的段发光二极管就寻通点亮，而输入低电平的则不点亮。图3-15 数码管显示器使用LED显示器时要注意区分这两种不同的接法。为了显示数字或符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是为显示字形的，因此称之字形代码。七段发光二极管，再加上一个小数点位，共计八段。因此提供给LED显示器的字形代码正好一个字节。各代码位的对应关系如下表3。表3代码式 显示段dp G f e d c b aLED显示器接口比较简单，使用如图3-16译码驱动器就可以实现BCD码到七位段码的转换，完成一位LED显示器的接口。由于使用了专用的七位段码的译码器驱动器，可以把一位十六进制数（位二进制）译码为相应的字形代码，并提供足够的功率去驱动发光二极管。使用这种接口方法，虽然软件简单，仅需使用一条输出指令就可以进行LED显示，但使用硬件却比较多，而硬件译码又缺乏灵活性，所以较少使用。在实际应用中使用较为普遍的是以软件来代替硬件译码，这样只需要一个接口芯片就可以实现多位LED显示器显示。我们用单片机芯片80C51作接口电路，本次设计我们用四位LED显示器数码管采用的共阳极数码管驱动，动态扫描输出显示。二实际电路（一）、电路的制作 （1） 电路的设计由于是对温度的控制，及想让温度始终保持在我们所设定的范围内我们就要先设定我们期望的温度范围值，这是通过向单片机输入指令来实现的，但是我们所设定的值都是数字量，而实际的温度是模拟量，这样是没有办法让它们进行比较的。这样就必须进行数字和模拟量之间的转换，从而引入了ADC0804模数转换器，在比较完成后单片机要发出控制指令通过一电压量来控制荆闸管的导通角，从而控制温度的升降。这样就还需要将数字量转换成模拟量，从而引人了DAC0832数模转换器，由于温度传感器的输出信号Ui与设定值的差值较小，所以通过运算放大器MC1741或LM741或UA741放大，将温度的变化量 转换成0 -10V的电压变化量，再加到A/D变换器ADC0804的输入端转变成数字信号传入单片机。我在实际制作电路时考虑到实用性和可行性决定用独立式键盘，用来改变单片机设定温度值的上下限，在我的电路中有三个按键，第一个按键用来控制温度的增减，第二个按键用来控制上限的温度。第三个按键用来控制下限温度。这样制作简单实用温度增减的单位是10，及首先确定是要增加温度还是降低温度，按下第一个键。然后确定是要改变上限还是下限的温度，在选择不同的键来实现，每按一下温度增加或降低10，直到达到要求为止设定完毕。 （2）自检子程序设计自检就是系统开始工作前，对系统所有的硬件进行检测，只有当所有硬件准备就绪才能进行系统工作。自检的内容有：CPU、键盘、显示、。其工作原理：首先写CPU个指令（例mov、inc、dptr、rrc、等）是否正常，如正常跳过检查，否则继续检查CPU直到正常；在检查键盘的方法是写一段键盘扫描程序，扫描一次如果没有键按下正常跳过到显示检测，否则继续检查键盘直到正常；在检查显示的方法是分别点亮2个数码管以0、1、2、3、4、5、6、7、8、9如正常则自检完毕。其流程图如图2 所示：图2开 始CPU检测键盘检测显示检测电源检测开关信号检测输出信号检测指示灯亮结 束（3）理论算法1 PID控制算法 比例+积分+微分调节（Propor tional+Integral+Deviative即PID）是工业控制中常用的调节方法，无论是速度、位置等快过程，还是温度、化工合成等慢过程，都能得到满意的控制效果。积分调节可以消除静差，微分调节可以改善系统的动态响应速度。比例、积分、微分三者结合起来可以消除静差，微分调节可以改善系统的动态响应速度。比例、积分、微分三者结合起来可以满足不同的控制要求。PID调节之所以在工业控制中得到广泛的应用，是因其具有三方面的特点： （1）系统设计简单，可根据不同的要求组成比例、积分、微分控制系统，具有较强的适应性和灵活性。 （2）参数调整方便，易于达到满意的控制效果。 （3）程序设计简单，没有繁琐的数字运算，工程上易于实现。 可编程控制器PID调节器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，然后将其数字化，写成离散形式的控制方程，根据离散方程进行控制程序设计。 连续系统PID调节器的微分方程可表示为： (41)其中：u(t)：PID调节器的输出量； Kp：比例系数； Ti：积分时间常数；Td：微分时间常数； e(t)：误差。PID调节器的方框图如图41所示。Kp(1+1 TiS+TDS)R(S)E(S)(LS)V(S)+图41 PID调节器方框图如果选择采样周期为Ts，初始时刻为零，将式41离散化为：改写成： （42）其中，e(n) =e(n)e(n1) e(n)：第n次采样时的偏差值 Kp：比例系数 Ki：积分系数 Ki=Kp*Ts/Ti Kd：微分系数 Kd=Kp*Td/Ts当用可编程控制器实现上述算法时，由于它的周期扫描机制的限制，每个扫描周期的时间不尽相同，并且在每个周期内各回路的处理时间也不尽相同，因而影响到采样时间间隔Ts(n)或多或少地不同。考虑到采样时间Ts对输出控制量的影响，故将式42的控制算法改为：（43）其中，Bs为系统偏移量。2。 PID控制参数的确定（1）采样周期Ts的确定根据采样定理亦称香农（Shanon）定理可知，采样频率应大于或等于被采样信号所含最高频率的两倍，才能还原出原信号，即： s2max其中：s采样频率； max被采样信号中最高频率。 在实际中用采样定理很难确定合适的采样周期，若已知控制系统的开环单位阶跃响应曲线，根据单位阶跃响应曲线可求得系统的时间常数T和系统的死区时间；当T/=1.210时，可用经验公式（44）求得系统的最大采样周期： Tsmax=0.1T （44） 考虑到可编程控制器周期扫描机制的影响，保证采样效率，由可编程控制器实现的PID调节器的采样周期，一般取为： Tsmax=0.05T(45)（2）参数Kp、Ki、Kd的确定 比例系数Kp可以通过系统的开环单位阶跃响应曲线求得。现我采用简便且行之有效的测算Kp、Ki、和Kd的工程方法，其要点是： 由系统的开环单位阶跃响应曲线确定系统的增益（比例系数）K,系统时间常数T和死区时间，并计算出系统的响应率：R= K T(46) Kp=1 R*（47）如果控制系统只采用比例环节，则应取：如果控制系统只采用比例环节和积分环节，则应取：Kp = 0.9 R* ， Ki = 0.27Kp R*2（48）如果控制系统中比例、积分和微分三个环节都采用时，则应取：Kp = (1.22)1 R* ；Ki = 0.5Kp ； Kd = 0.5Kp*（49）控制系统PID参数的确定也可以采用其他工程方法，如扩充临界比例度法和扩充响应曲线法等，在实际应用中也很有效。应该指出的是无论采用何种方法获得的参数植，都只是调试时的参考值，都要在实践中不断的检验并加以修正，方能找出最佳值。3。参数的精整参数的精整又称精调即指控制系统在参数的参考值下运行，根据实际控制状况对系统进行判断，修改参数，使系统达到最佳控制状况。所谓最佳控制状况即是最佳响应特性和最小误差。参数精整的方法也很多，我采用扰动曲线法。用扰动曲线法精整参数就是当系统按参考参数闭环运行时，给系统施加一定的扰动，记录被控制量的扰动响应曲线，根据曲线的状态来判断和修正相应的参数；再加扰动，记录响应曲线，修正相应参数，直至最佳。系统的扰动响应曲线如图图中A1 是被控量出现的第一个峰值，A2是第二个峰值。一般认为当扰动响应曲线的两个峰值之比为4时，参数最佳，即A1 A2 = 4（410） 这个比例确定的参数是一个综合值，如果系统有特殊要求，可在此基础上再作修正或采取其他措施，如消除设定值变化冲击的PID控制、带死区的PID控制以及具有积分分离的PID算法等。在温度控制系统中采用PID调节时，往往加入积分分离算法，以减小系统的超调和震荡。所谓积分分离法就是在系统偏差较大时，取消积分作用；当系统的偏差较小时，投入积分作用；为此，设置一个误差积分限A，以判别误差的大小。积分分离控制算法为： A 取消积分作用 A 投入积分作用 e（n） （411） （4）电路的制作 使用Protel 99按事先设计好的硬件电路画电路图并制作其PCB板，但为了节约成本，本设计中使用万能板制作其硬件电路。在电路原理图设计好之后，就可以开始制作实物了。具体步骤如下： 选择元件。 选择元件时应从其性能价格比考虑，在保证性能要求的前提下，尽量减少成本。如在选择电容时，同一功率、容量的电容常用的有瓷片式、涤纶式等等，但由于瓷片式电容误差太大，且不稳定，所以我选用涤纶式的电容。温度传感器的信号放大线路中所使用的运算放大器其型号也有很多，但由于741型的运算放大器可以通过调节其5号管脚和4号管脚间的电位器，使得输入端为零时，输出也为零，从而提高了精度，而常用的LM324型运算放大器虽然其价格较低，但其“零漂”现象较严重，不稳定，所以选用741型的运算放大器。在对LM741调零时，对电位器的灵敏度要求非常高，普通的电位器是不能满足要求的，需要采用可多圈调节的电位器。 元件的固定及焊接。在固定元件时，由于使用的是万能板，在插元件时要注意管脚之间不能短接。元件的固定要按原理图呈模块化固定，尽量避免线路的交叉。元件固定好之后就可以焊接了，焊接时要注意不能虚焊，注意美观。（二）、电路的调试 根据原理图，可将整个电路分成温度传感器及其信号放大电路和A/D、D/A变换电路两大模块。在调试时可以按模块分别调试。 首先， 对温度传感器及其信号放大电路进行调试：A 对运算放大器LM741进行调零。将图34中的A，B端短接，也即使运算放大器的输入为零，然后调节电位器R0，使输出端 UOUT = 0V 即可。 B 调节LM741的增益。方法：将热电阻置于50的水中，理论上要求放大线路的输出电压UOUT = 0V 若不满足，则可调节RL电位器。 再次，对A/D、D/A部分调试输入一定的变化数值看其输出的情况如果偏差较大则从新调整参数，直到符合要求则完毕。2元件明细表见附录2；PCB板电路见附录1。三功能说明（一）、采集部分 利用AD590以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由ADC0804转换成数字信号。 第一步先调AD590的可变电阻器VR1，如以0为参考值则应使其电压输出为2.73V; 如以25为参考值，则应使其电压输出为2.98V 第二步设VR2使0时，OPA2的输出为2.73V-2.73V=0V,而25时，OPA2的输出电压为2.73-2.98=-0.25V(零位调整) 第三步：调VR3使OPA3放大5倍，如OPA2的输出为-0.25V，则OPA3的输出为1.25V 各OPA的功能：OPA1：阻抗匹配；OPA2；减2.73V，并反相；OPA3：放大5 倍 并反相。 各温度与3个OPA及ADC0804DE 输入与输出关系如下表温度值OPA1OPA2OPA3ADC VINAD输出值02.732V0V0V0V00H102.832V-0.1V0.5V0.5V19H202.932V-0.2V1V1V32H303.032V-0.3V1.5V1.5V4BH403.132V-0.4V2V2V64H503.232V-0.5V2.5V2.5V7DH603.332V-0.6V3V3V96H703.432V-0.7V3.5V3.5VAFH803.532V-0.8V4V4VC8H903.632V-0.9V4.5V4.5VE1H1003.732V-1.0V5V5VFAH （二）、控制部分AD590采集到的温度模拟量经放大后，输入到ADC0804的VIN端则转变为数字量后由DB0DB7输出八位数字量，此数字信号送入AT89C51的P0口，单片机89C51得到传来的信号量与其设定的温度值相比较，如果此温度值高于设定值的上限,则高温报警指示灯亮，同时单片机经P0口输出上限值给DAC0832，DAC0832经过数摸转换在通过运算放大器LM741输出电平信号来控制晶闸管的导通角，使温度逐步降低下来。如果次温度值低于设定的下限值，则低温报警指示灯亮，同时单片机经P0口输出下限值给DAC0832，DAC0832经过数摸转换在通过运算放大器LM741输出一个电平信号来控制晶闸管的导通角，使温度逐步升高。当温度值在给定的温度值范围之内则输出不便，及晶闸管的导通角不发生变化。为了实际应用的方便我们还加做了键盘输入功能，及可以改变设定温度的上下限，以达到实际使用的要求。为了更直观的显示温度，我制作了两位的LED显示，正常情况下让它显示当前的电炉温度，当要改变设定温度上下限值时让它显示改变的温度值。四、结束语 该基于DS18B20的多点温度测量系统具有硬件结构简单、易于制作、价格低廉、测量值精确和易于操作等许多优点，但由于实验室条件所限，暂时只做两点的温度测量,并且控制端暂时只对一个DS18B20传感器周围环境进行控制，与另一个传感器作参考比较。但在实际应用中可根据具体情况进行更多点的扩展和对多点分别进行控制。随着现代信息技术的飞速发展和传统工业改造的逐步实现，基于DS18B20的多点温度测量系统已经广泛应用于控制、化工等诸多领域。总之，本次毕业设计顺利完成，基本达到了毕业设计的要求。本文在深入分析多点智能测温系统的工作原理基础上，完成了该系统设计和调试任务，并且系统的性能误差达到了任务书的要求，使之能达到现场运行水平。总结一个学期的论文工作，得到以下结论: 1.针对实验室现有测温系统的特点，提出了一套应用数字式温度传感器DS81B20组建温度测控网络新型方案，该方案的突出特点是系统的数字化、快速化及其经济实用性。 2.以单总线为基本结构，采用ATMEL公司的 AT89S51单片机为总线命令，实现与DSl8B20的总线接口，并提供具体电路设计。