基于红外遥控的简易调温系统研制毕业论文.doc

摘 要 在工业领域内 对温度的测量控制是十分广泛的 然而在很多工业上的应用场合 下 环境是非常恶劣的 人工直接操作设置仪表很不现实 采用有线数据通信的方式 也有限制 而且在数据记录上也需要靠人工抄写 迫切需要一种无线隔离的操作方式 本篇论文主要以 AT89C51 单片机为核心 接收处理键盘所设定的温度值及其他功 能 单片机把接收到的键值输送给 PT2262 红外发射集成芯片 并经过该芯片编码后发 射红外遥控信号 PT2272 红外接收集成芯片接收该红外遥控信号并解码 经过解码后 的信号传递给 AT89S51 单片机 单片机根据从 DS18B20 数字温度传感器所测温度分析 处理后 通过 LMB162A 液晶显示器显示当前温度 设定温度以及温度控制的状态 同 时控制输出加热或者制冷信号 最终达到调温的目的 本次设计的红外线遥控 采用了 PT2262 PT2272 编解码电路 它的使用大大减少 了硬件电路的设计以及对单片机计算能力要求 使本次的电路设计变得模块化和集成 化 进而使得信息的传输变得又准确又快 论文还论及了有关 PID 控制原理及其整定的方法 并且还通过软件 仿真出了较 为合理的比例 积分 微分参数 并运用到了本次的设计之中 除此之外 本文应用 了目前较为流行和成熟的红外线遥控技术 实现了远距离操作温度的设定和其他相关 功能 为这一技术在工业上能够得到更广泛的应用 提供了又一个探索 关键词 温度控制 51 单片机 红外遥控 DS18B20 数字温度传感器 液晶显示 Abstract In the industrial field the temperature for control is very widespread However in many occasions of industrial applications the environment is quite poor which making the operating and setting for some instrument in manual directly is very unrealistic and although not a few occasions using wired data communications it still is limited what is more it often relies on manual transcription as a result of that a kind of wireless isolation operation is in deep need In this thesis AT89C51 microcontroller is one of the cores receiving and processing the signal of keyboard which is used to set the temperature and other functions while PT2262 Infrared integrated chip encodes infrared remote control signal which receives from the result of key scan of AT89C51 and beams it out Then PT2272 remote control infrared receiver receives and decodes the signal after decoding the signal it is passed to the AT89S51 microcontroller the microcontroller then takes the result of temperature collected by DS18B20 digital temperature sensor and processes it with LMB162A LCD displaying the current temperature setting temperature and the temperature control state which is all controlled by the AT89S51 while the microcontroller outputs the signal of heating or cooling and finally achieving the purpose of temperature regulation The design of the infrared remote control using PT2262 PT2272 code encode circuit and with the use of the chips greatly reduces the hardware circuit design and the requirements of microcontroller computing Furthermore it can make the circuit design become in modules making the transmission of information to be more accurate and fast The paper also addresses the theory and tuning of PID control method and it is tested by using software emulation the result is quite amazing that is it achieves a considerable reasonable parameters of proportion integral differential and applies them to the design which turns out good In addition the article also applies creative and most popular and sophisticated infrared remote control technology to achieve long range operating temperature setting and other related functions which it can provide a exploratory precedent for using in industrial filed Key words Temperature Control Microcontroller Infrared Remote Control DS18B20 Digital Temperature Sensor LCD Display 目 录 引言 1 1 设计思路 2 1 1 方案论证 2 1 1 1 利用单片机实现调温控制 2 1 1 2 利用 PLC 实现恒温控制系统 3 1 1 3 利用模拟的 PID 调节的调温控制系统 3 1 2 设计方案 4 2 调温控制系统的硬件设计 5 2 1 AT89S51 单片机介绍 5 2 1 1AT89S51 单片机简介 5 2 1 2AT89S51 单片机时钟和复位电路 8 2 2 温度传感器 9 2 3 电源电路 10 2 3 1 电源变压器 11 2 3 2 整流滤波电路 11 2 3 3 稳压电路 11 2 3 4 光电隔离电路 11 2 4 红外线遥控 11 2 4 1 红外线遥控的工作原理 12 2 4 2PT2262 PT2272 红外遥控发射 接收集成芯片 12 2 4 3 红外线信号发射电路 15 2 4 4 红外线信号接收电路 15 2 5 键盘和显示电路 16 2 5 1 键盘电路 16 2 5 2LMB162A 液晶显示电路 17 2 6 温度控制电路 18 3 温度控制系统和显示的软件设计 19 3 1 PID 控制理论 19 3 1 1PID 调节控制原理 19 3 1 2 位置式 PID 算法 20 3 1 3 数字 PID 参数的整定 21 3 1 4 采样周期的选择原则 22 3 1 5PID 参数对系统性能的影响 23 3 2 PID 计算程序 24 3 3 键盘和 LMB162A 液晶显示软件设计 33 3 4 DS18B20 工作过程及时序 38 4 系统仿真和硬件电路检测 42 4 1 稳定边界法整定 PID 参数的仿真 42 4 2 硬件系统调试 45 4 2 1 键盘扫描和红外信号发射部分 45 4 2 2 红外信号接收 温度测量 液晶显示以及温度控制部分 45 5 结束语 46 谢辞 47 参考文献 48 附录 49 引言 温度控制 一直是工业控制上的热点 随着时代的变迁以及相关科学技术的快速 发展 对温度的控制已经有了相当多而且较为成熟的控制方法和设备 特别是近几年 在我国以信息化带动工业化正在蓬勃发展 温度成为了工业控制对象中一种及其重要 的参数 特别是在冶金 化工 机械等各类工业中 广泛使用各种加热炉 热处理炉 反应炉等 由于炉子的种类及原理不同 因此所采用的加热方法及燃料也不同 如煤 气 天然气 油电等 对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制 所采用的加热方 式 选用的燃料 控制方案也有所不同 例如冶金 机械 食品 化工等各类工业生 产中广泛使用的各种加热炉 热处理炉 反应炉等 燃料有煤气 天然气 油 电等 控制方案有直接数字控制 DDC 推断控制 预测控制 模糊控制 Fuzzy 专家控 制 Expert Control 鲁棒控制 Robust Control 推理控制等 随着工业技术的不断迅猛发展 传统的控制方式已经不能满足高精度 高速度的 控制要求 如温度控制表温度接触器 其主要缺点是温度波动范围大 由于他主要通 过控制接触器的通断时间比例来达到改变加热功率的目的 受仪表本身误差和交流接 触器的寿命限制 通断频率很低 近几年来快速发展了多种先进的温度控制方式 如 PID 控制 模糊控制 神经网络及遗传算法控制等 这些控制技术大大的提高了控制精 度 不但使控制变得简便 而且大幅度提升了产品的质量 降低了产品的成本 提高 了生产效率 当今单片微型计算机功能的不断增强 为先进的控制算法提供了良好的载体 许 多高性能的新型机种应运而生 单片机以其功能强 体积小 可靠性高 造价低和开 发周期短等优点 成为自动化领域和其他测控领域中广泛应用的器件 在工业生产中 成为必不可少的器件 在温度控制系统中 单片机更是起到了不可替代的核心作用 但是在很多工业上的应用场合下 环境非常恶劣 人工直接操作设置仪表很不现实 采用有线数据通信的方式也时有限制 而且在数据记录上也需要要靠人工抄写 迫切 需要一种无线隔离的操作方式 本文运用了成熟的红外线遥控技术 解决了无线设定 和控制温度等的问题 本文详细探讨基于单片机的温度控制系统 提出了一种以红外遥控作为数据传递 的温度控制方法 并通过仿真研究验证了它的可行性 最后设计了以 AT89S51 单片机 为核心的简易调温系统 本文共分六部分 具体内容安排如下 第一 引言 简要的介绍了有关温度控制的历史和发展情况 涉及了当前我国在 温度控制方面的发展水平及其相关的方法与手段 并提出了在恶劣环境下隔离设定温 度的解决方法 第二 设计思路 首先介绍了利用单片机实现温度控制的基本原理及其相关技术 然后又介绍了应用 PLC 实现温度控制系统的基本原理 最后介绍利用模拟 PID 调节的 调温控制系统 通过从所介绍的设计方案 最终综合对比分析 决定本次的方案设计 第三 调温控制系统的硬件设计 本章首先介绍了单片机 AT89S51 芯片的功能及 其信号引脚等信息 然后介绍了温度传感器 并重点介绍本次设计所用的 DS18B20 数 字温度传感器 接下来还介绍了所用到的各种电源电路 红外线遥控发射和接收电路 也将在本章重点论述 最后简单介绍了键盘 液晶显示 加热和制冷的电路设计 通 过本章 本次所涉及到的主要电路都将会论及到 且重点电路都会介绍的较为详尽 第四 温度控制系统和显示的软件设计 首先介绍了 PID 调节的控制理论 继而 介绍了 PID 算法的汇编语言实现 最后给出了本次设计 4 4 键盘和 LMB162A 液晶显示 的软件实现 第五 系统仿真和硬件电路调试 给出了以单片机 AT89C51 和 AT89S51 的基于红 外遥控简易调温系统的完整介绍以及仿真效果 本次设计的调温系统由硬件与软件两 部分组成 硬件设计包括 AT89C51 AT89S51 单片机 4 4 键盘电路 DS18B20 数字温 度传感器 电源变压电路 整流滤波电路 稳压电路 光耦隔离电路 红外遥控发射 和接收电路 液晶显示电路 控制输出电路等部分 软件设计包括 DS18B20 数字温度 传感器 LMB16A 等的初始化 自检 键盘处理 红外遥控 温度测量 PID 算法 控 制输出显示等模块 第六 结束语 对全文及所完成的工作进行了总结 并就所研究的问题进行了展 望 1 设计思路 1 1 方案论证 无论是工农业生产中 还是日常生活中 对温度的检测和控制都是必不可少的 对于温度的检测通常是采用热敏电阻在通过 A D 模 数 转换得到数字信号 但由于 信号的采集对整个系统的影响很大 如果采样精度不高 会使这个系统准确性下降 因此本次设计我采用了高精度的温度传感器 数字温度传感器 DS18B20 这种数字温度 传感器是 DALLAS 公司生产的单总线 而对于温度控制的方法也有很多 如单片机控 制 PLC 控制 模拟 PID 调节器和数字 PID 调节器等等 综合了这三种主要设计的特点 好优劣 在本次设计中 我采用单片机了来实现温度的控制 1 1 1 利用单片机实现调温控制 利用单片机系统实现温度恒定的控制 其总体结构图如图 2 1 所示 系统主要包 括现场温度采集 实时温度显示 加热控制参数设置 加热或者制冷电路控制输出与 报警装置 温度采集电路以数字量形式将现场温度传至单片机 单片机结合现场温度与用户 设定的目标温度 按照已经编程固化的 PID 控制算法计算出实时控制量 以此控制量 控制 可控硅三极管的开通和关断 决定加热电路或者制冷电路的工作状态 使温度逐步稳 定于用户设定的目标值 在温度到达设定的目标温度后 单片机通过采样回的温度与 设置的目标温度比较 作出相应的控制 开启加热或者电风扇 当用户需要比实时温 度低的温度时 此电路可以利用风扇吹由冰块提供的冷气进行快速降温 系统运行过 程中的各种状态参量均可由 LCD 液晶实时显示 特点是 简单易实现 但是没有很好 的解决远距离设定温度的问题 图 2 1 方案一的系统总体结构框图 1 1 2 利用 PLC 实现恒温控制系统 如若利用 PLC 实现对温度恒定的控制 则其控制系统的结构框图如图 2 2 所示 采用 PLC 控制实现电热丝加热全通 间断导通和全断加热的自动控制方式 来达到温 度的恒定 智能型电偶温度表将置于被测对象中 热电偶的传感器信号与恒定温度的 给定电压进行比较 构成闭环系统 生成温差电压 Vt PLC 自适应恒温控制电路 根 据 Vt 的大小计算出全通 间接导通和全断的自适应恒温控制电路 并将占空比可调的 控制电平经输出隔离电路去控制可控硅门极的通断 实现自适应的恒温控制 若温度 升的过快 PLC 也将输出关断电平信号转换为可控硅电路相匹配的输入信号 若要快速 减低温度 PLC 可以将输出的关断可控硅的来是实现对电风扇的粗略调速 实现温度控 制的恒定 该方案一个重大的难点是 其红外的遥控的实现比较有难度大 同时成本 也相对高 但是工作较为稳定 单 片 机 显 示 越限报警 键 盘控制器 目标环境 加热器电风扇 数字式温度传感器 智能型 热电耦 温度表 SZ 4 PLC 输出 隔离 电路 可 控 硅 炉 体 给定值 热电耦 Vt 控制电平 电热丝 图 2 2 方案二的系统结构框图 1 1 3 利用模拟的 PID 调节的调温控制系统 基于模拟 PID 调节的恒温控制系统由数字电路部分和模拟电路两部分组成 其控 制系统的机构框图如图 2 3 所示 由按键设定某一温度 单片机对设定温度值进行查 表计算后转换为对应的电压数字值 通过 16 位的数模转换器得到与之精确对应的电压 信号 此电压值于热敏电阻实际测量的电压值进行比较产生一个误差信号 经过 PID 电路后 获得一个控制量给制冷元件构成实时闭环系统 同时实际测量的电压值并显 示在液晶屏上 改方案和方案相差不多 温度测量精度不是很高 硬件电路相对复杂 些 但是测量范围比较大 图 2 3 方案三的系统结构框图 1 2 设计方案 控制模块的选择 数字比较器与模拟控制器相比较 数字比较器具有以下几个优 点 1 模拟调节器调节能力有限 当控制规律较为复杂时 就难以甚至无法实现 而 数字控制器能实现更为复杂控制规律的控制 2 计算机具有分时控制能力 可实现多回路控制 3 数字控制器具有灵活性 而且控制规律可灵活多样 可用一台计算机对不同的 回路实现不同的控制方式 并且修改控制参数或控制方式一般只需改变控制程序即可 使用起来简单方便 可大大的改善调节品质 提高产品的产量和质量 4 采用计算机除实现 PID 数字控制外 还能实现实时监控 数据采集 数字显示 等其他功能 综合考虑 本设计控制模块采用数字 PID 调节器 对于方案一 采用单片机实现恒温控制 虽然该方案成本低 可靠性高 抗干扰 性强 但对于系统的动态性能与稳态性能要求较高的场合是不合适的 而且还不能满 足本次设计的部分要求 而对于方案二 采用 PLC 实现恒温控制 由于 PLC 成本高 且 PLC 是外围系统配置复杂 不利于我们的设计 由于数字 PID 调节 运算量大 只 要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到较好的效果 为了使设计的成本低 抗干扰强 可以遥控设定温度以及启动其他的控制功能 在满足系统动态性能 稳态 液晶显示 复位 E2PROM 单 片 机 DA AD 键盘 PID电路 热敏电 阻及反 馈电路 功放 制冷 元件 性能和在一定精度的前提下 本次设计方案的总体结构框图如图 2 4 所示 通过单片 机对偏差进行 PID 运算 输出控制信号来控制可控硅触发电路 从而控制可控硅通断 率 通过调节加热功率和启动电风扇快速降温即可达到调温的目的 图 2 4 设计总体结构框图 2 调温控制系统的硬件设计 由于考虑到要尽量降低成本和避免复杂的电路 此系统所用到的元器件均为常用 的电子器件 主控器采用低功耗 高性能 片内含 4k byte 可系统编程的 flash 只读 程序存储器 CMOS8 位单片机 兼容标准 8051 指令系统及引脚的 AT89S51 温度传感 器采用 DALLAS 公司生产的单总线数字温度传感器 DS18B20 采用控制端 TTL 电平 即 可实现诸如继电器的开关 使用时完全可以用 NPN 型三极管接成电压跟随器的形式驱 动 单片机所需要的 5V 工作电源是通过 220V 交流电压通过变压 整流 稳压 滤波 得到 红外遥控的发射和接收则用带地址的编码解码集成芯片 PT2262 和 PT2272 实时 控制的显示屏 键盘 通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示 下面是我对本次 硬件电路所作的相关介绍和具体设计 2 1 AT89S51 单片机介绍 2 1 1AT89S51 单片机简介 AT89S51 的结构如图 3 1 所示 由于它的广泛使用使得在市面上价格较 8155 8255 8279 要低 所以说用它是很经济 的 该芯片具有如下功能特性 a 主要特性 与 MCS 51 单片机产品兼容 4K 字节在系统可编程 Flash 存储 器 1000 次擦写周期 全静态工作 0Hz 33MHz 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时器 计数器 图 3 1 AT89S51 单片机及其引脚 6 个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 灵活的 ISP 编程 字或字节模式 4 0 5 5V 电压工作范围 b 内部结构 图 3 2 是单片机 AT89S51 的内部结构总框图 它可以划分为 CPU 存储器 并行口 串行口 定时 计数器和中断逻辑几个部分 CPU 由运算器和控制逻辑构成 其中包括若干特殊功能寄存器 SFR AT89S51 时钟有两种方式产生 即内部方式和外部方式 如图 3 3 所示 AT89S51 在物理上有四个存储空间 片内 片外程序存储大路 片内 片外数 据存储器 片内有 256B 数据存储器 RAM 和 4KB 的程序存储器 ROM 除此之外 还可以在片外扩展 RAM 和 ROM 并且和有 64KB 的寻址范围 AT89S51 内部有一个可编程的 全双工的串行接口 它串行收发存储在特殊 功能寄存器 SFR 的串行数据缓冲器 SBUF 中的数据 图 3 2 AT89S51 内部结构框图 AT89S51 共有 4 个 P0 P1 P2 P3 口 8 位并行 I O 端口 共 32 个引脚 P0 口双向 I O 口 用于分时传送低 8 位地址和 8 位数据信号 P1 P2 P3 口均为准双向 I O 口 其中 P2 口还用于传送高 8 位地址信号 P3 口 每一引脚还具有特殊功能 表 3 1 用于特殊信号的输入输出和控制信号 AT89S51 内部有两个 16 位可编程定时器 计数器 T0 T1 最大计数 值为 216 1 工作方式和定时器或计数器的选择由指令来确定 图 3 3 AT89S51 的时钟电路 表 3 1 P3 口引脚的特殊功能 引脚号第二功能 P3 0 RXD 串行输入 P3 1 TXD 串行输出 P3 2 外部中断 0 0INT P3 3 外部中断 1 1INT P3 4 T0 定时器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 1 外部输入 P3 6 外部数据写存储器写选通 WR P3 7 外部数据写存储器读选通 RD 中断系统允许接受 5 个独立的中断源 即两个外部中断 两个定时器 计数 器中断以及一个串行口中断 c 外部特性 引脚功能 AT89S51 芯片有 40 条引脚 双列直插式封装引脚图如 3 1 所示 Vcc 40 电源 5V Vss 20 接地 XTAL1 19 和 XTAL2 18 使用内部振荡电路时 用来接石英晶体和电 容 使用外部时钟时 用来输入时钟脉冲 P0 口 39 32 双向 I O 口 既可作地址 数据总线口用 也可作普通 I O 口用 P1 口 1 8 准双向通用 I O 口 P2 口 21 28 准双向口 既可作地址总线口输出地址高 8 位 也可作 普通 I O 口用 P3 口 10 17 多用途口 既可作普通 I O 口 也可按每位定义的 第二功能操作 ALE 30 地址锁存信号输出端 在访问片外丰储器时 若 ALE 为PROG 有效高电平 则 P0 口输出地址低 8 位 可以用 ALE 信号作外部地址锁存信号 公式 2 1 fALE 1 6fOSC 也可作系统中其它芯片的时钟源 第二功能是对 EPROMPROG 编程时的编程脉冲输入端 RST VPD 9 复位信号输入端 AT89S51 接能电源后 在时钟电路作用下 该脚上出现两个机器周期以上的高电平 使内部复位 第二功能是 VPD 即备用电源 输入端 当主电源 Vcc 发生故障 降低到低电平规定值时 VPD将为 RAM 提供备用电 源 发保证存储在 RAM 中的信号不丢失 Vpp 31 内部和外部程序存储器选择线 0 时访问外部 ROM 0000H EAEA FFFFH 1 时 地址 0000H 0FFFH 空间访问内部 ROM 地址 1000H FFFFH 空间访EA 问外部 ROM 29 片外程序存储器选通信号 低电平有效 PSEN 2 1 2AT89S51 单片机时钟和复位电路 时钟电路 单片机内部有一个高增益反向放大器 输入端为芯片引脚 输出端为引脚 1 XTAL 而在芯片外部和 之间跨接晶体振荡器和微调电容 从而构成一 2 XTAL 1 XTAL 2 XTAL 个稳定的自激振荡器 晶体震荡频率高 则系统的时钟频率也高 单片机运行速度也 就快 但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高 对印制电路板的工艺要求也高 所以 这里使用震荡频率为 12MHz 的石英晶体 震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是 使用 而是经分频后再为系统所用 震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号 在设计电路板时 振荡器和电容应尽量靠近单片机 以避免干扰 需要注意的是 电 路板时 振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近 以减小寄生电容的存在 更好的 保障振荡器稳定 可靠的工作电路图如图 3 4 所示 图 3 4 时钟电路 复位电路 单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式 1 上电复位 在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的 当的上升时间不超过 CC V 1ms 就可以实现自动上电复位 即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图 RST 上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间 满足复位操作的要求 2 按键复位 程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时 为了摆脱困境 也需按复位键 以重新启动 RST 引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 按键复位又分按 键脉冲复位 图 3 5 和按键电平复位 电平复位将复位端通过电阻与相连 按键 CC V 脉冲复位是利用 RC 分电路产生正脉冲来达到复位的 图 3 5 按键复位电路 3 注意 因为按键脉冲复位是利用 RC 微分电路产生正脉冲来达到复位的 所以电平复位要 将复位端通过电阻与相连 如复位电路中 R C 的值选择不当 使复位时间过长 单 CC V 片机将处于循环复位状态 故本设计采用按键复位 2 2 温度传感器 温度测量转换部分是整个系统的数据来源 直接影响系统的可靠性 传统的温度 测量方法是 利用温度传感器例如 AD590 将测量的温度转换成模拟电信号 再经过 A D 转换器把模拟信号转换成数字信号 单片机再对采集的数字信号进行处理 这种模 拟数字混合电路实现起来比较复杂 滤波消噪难度大系统稳定性不高 鉴于这些考虑 本设计采用了数字式温度传感器 DS18B20 DS18B20 支持 一线总线 接口 测量温度的范围为 55 C 125 C 现场温度直接以 一线总线 的数字式传输 大 大的提高了系统的抗干扰性 DS18B20 为 3 引脚 DQ I O 为数 字信号输入 输出端 GND 为电源地 VDD 为外接供电电源输入 端 引脚如图 3 6 所示 图 3 6 DS18B20 引脚 温度采集电路模块如图 3 7 所示 DS18B20 的 2 脚接系统中单片机的 P2 3 口 用 于将采集到的温度送入单片机中处理 2 脚和 3 脚之间接一个 4 7K 上拉电阻 即可完 成温度采集部分硬件电路 DS18B20 内部结构主要由四部分组成 64 位光刻 ROM 温度传感器 非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL 配置寄存器 图 3 7 DS18B20 温度采样 测量 电路 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 以 12 位转化为例 用 16 位符号扩 展的二进制补码读数形式提供 以 0 0625 LSB 形式表达 其中 S 为符号位 数据转 换如下表 3 2 表 3 2 DS18B20 温度数据转换表 Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0LS Byte232221202 12 22 32 4 Bit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8MS ByteSSSSS262524 这是 12 位转化后得到的 12 位数据 存储在 18B20 的两个 8 位的 RAM 中 二进 制中的前面 5 位是符号位 如果测得的温度大于 0 这 5 位为 0 只要将测到的数值乘 于 0 0625 即可得到实际温度 如果温度小于 0 这 5 位为 1 测到的数值需要取反码后 加 1 即是补码 再乘于 0 0625 即可得到实际温度 16 进制的温度表示如下 其中最 高位为符号位负温度 S 1 正温度 S 0 如 0550H 为 85 0191H 为 25 0625 FC90H 为 55 2 3 电源电路 根据本次的设计需要 可以将电源电路可分为三大块 变压部分 整流滤波部分 稳压部分 完整的电源电路如图 3 8 所示 图 3 8 电源电路 2 3 1 电源变压器 变压部分其实就是一个变压器 变压器作用是将 220V 的交流电压变换成我们所需 的电压 12V 然后再送去整流和滤波 同时 220V 也是本次加热管所使用的供电电源 2 3 2 整流滤波电路 整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压 滤波电路用来滤除整流后单向脉 动电压中的交流成份 合之成为平滑的直流电压 滤波电路常见的有电容滤波电路 电感滤波电路 一般的整流有全波整流 单相半流整流 单相桥式整流 及变压整流 2 3 3 稳压电路 在这里的稳压电路中我使用的是 三端固定输出集成稳压器 稳压电路的作用是 当输入交流电源电压波动 负载和温度变化时 维持输出直流电压的稳定 集成稳压 器 使用方便 性能稳定 更重要的是考虑到它的价格低廉 因而我在此使用三端稳 压集成电路 7805 其应用电路如图 3 8 所示 2 3 4 光电隔离电路 由于本次设计所用的加热管是 220V 的交流电 为了防止其对主控制电路产生破坏 和防止信号干扰 特加设了光耦隔离电路 由于市面上已有相关的光电耦合隔离器 所以我在本次设计中使用了价格低廉的摩托罗拉公司生产的 MOC3021 可控硅光电耦合 器 它一大特点是即时触发 其相关应用电路如图 3 9 图 3 9 光电隔离应用电路 2 4 红外线遥控 红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段 由于红外线遥控装置具有 体积小 功耗低 功能强 成本低等特点 因而 继彩电 录像机之后 在录音机 音响 设备 空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控 在现代工业设备中 也已经广泛在使用 为了能远离距的设定温度及其实现其他 功能 本次设计我采用了红外线遥控器 红光的波长范围为 0 62 m 0 76 m 比红 光波长还长的光叫红外线 红外线遥控器就是利用波长 0 76 m 1 5 m 之间的近红 外线来传送控制信号的 红外线的特点是不干扰其他电器设备工作 也不会影响周边 环境 通常红外遥控器由发射和接收两部分组成 电路的调试相对来 说比较简单 若对发射信号进行编码 可实现多路红外遥控功能 如我们每天都用到 的电视遥控器就是利用红外线遥控的 遥控器的前段有一个 红外发光二极管 按下不同的键时 它可以发射不同的红外线 来实现对电视机的遥控 2 4 1 红外线遥控的工作原理 常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右 外形与普通 5mm 发光 二极管相同 只是颜色不同 一般有透明 黑色和深蓝色等三种 判断红外发光二极 管的好坏与判断普通二极管一样的方法 单只红外发光二极管的发射功率约 100mW 红 外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定 而业余条件下 只能凭经验用拉距法进 行粗略判定 接收电路的红外接收管是一种光敏二极管 使用时要给红外接收二极管加反向偏 压 它才能正常工作而获得高的灵敏度 红外接收二极管一般有圆形和方形两种 由 于红外发光二极管的发射功率较小 红外接收二极管收到的信号较弱 所以接收端就 要增加高增益放大电路 然而现在不论是业余制作或正式的产品 大都采用成品的一 体化接收头 红外线一体化接收头是集红外接收 放大 滤波和比较器输出等的模块 性能稳定 可靠 所以 有了一体化接收头 我们可以不再制作接收放大电路 这样 红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高 2 4 2PT2262 PT2272 红外遥控发射 接收集成芯片 PT2262 PT2272 是台湾普城公司生产的一种 CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用 编解码电路 PT2262 PT2272 最多可有 12 位 A0 A11 三态地址端管脚 悬空 接高电平 接低电平 任意组合可提供 531441 地址码 PT2262 最多可有 6 位 D0 D5 数据端管脚 设定的地址码和数据码从 17 脚串行输出 可用于无线遥控发射电路 编码芯片 PT2262 发出的编码信号由 地址码 数据码 同步码组成一个完整的码字 解码芯片 PT2272 接收到信号后 其地址码经过两次比较核对后 VT 脚才输出高电平 与此同 时相应的数据脚也输出高电平 如果发送端一直按住按键 编码芯片也会连续发射 当发射机没有按键按下时 PT2262 不接通电源 其 17 脚为低电平 所以 315MHz 的 高频发射电路不工作 当有按键按下时 PT2262 得电工作 其第 17 脚输出经调制的 串行数据信号 当 17 脚为高电平期间 315MHz 的高频发射电路起振并发射等幅高频 信号 当 17 脚为低平期间 3 15MHz 的高频发射电路停止振荡 所以高频发射电路完 全受控于 PT2262 的 17 脚输出的数字信号 从而对高频电路完成幅度键控 ASK 调 制 相当于调制度为 100 的调幅 PT2262 PT2272 特点有 1 CMOS 工艺制造 低功耗 2 外部元器件少 3 RC 振荡电阻 4 工作电压范围宽 2 6 15v 5 数据最多可达 6 位 6 地址码最多可达 531441 种 PT2262 引脚如图 3 10 所示 图 3 10 PT2262 引脚图 PT2262 管脚说明如表 3 3 所示 表 3 3 PT2262 管脚功能说明 名称管脚说明 A0 A111 8 10 13地址管脚 用于进行地址编码 可置为 0 1 f 悬空 D0 D57 8 10 13数据输入端 有一个为 1 即有编码发出 内部下拉 Vcc18电源正端 Vss9电源负端 TE14编码启动端 用于多数据的编码发射 低电平有效 OSC116振荡电阻输入端 与 OSC2 所接电阻决定振荡频率 OSC215振荡电阻振荡器输出端 Dout17编码输出端 正常时为低电平 在具体的应用中 外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节 阻值越大振荡频率越 慢 编码的宽度越大 发码一帧的时间越长 PT2272 解码电路引脚如图 3 11 所示 图 3 11 PT2272 引脚图 PT2262 管脚说明如表 3 4 所示 表 3 4 PT2272 管脚功能说明 名称管脚说明 A0 A111 8 10 13 地址管脚 用于进行地址编码 可置为 0 1 f 悬空 必须 与 PT2262 一致 否则不解码 D0 D57 8 10 13 地址或数据管脚 当做为数据管脚时 只有在地址码与 2262 一致 数据管 脚才能输出与 2262 数据端对应的高电平 否则输出为低电平 锁存型只有 在接收到下一数据才能转换 Vcc18电源正端 Vss9电源负端 Din14数据信号输入端 来自接收模块输出端 OSC116振荡电阻输入端 与 OSC2 所接电阻决定振荡频率 OSC215振荡电阻振荡器输出端 VT17解码有效确认 输出端 常低 解码有效变成高电平 瞬态 PT2272 解码芯片有不同的后缀 表示不同的功能 有 L4 M4 L6 M6 之分 其中 L 表示锁存输出 数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态 直到下次遥控数据 发生变化时改变 M 表示非锁存输出 数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否 发射相对应 可以用于类似点动的控制 后缀的 6 和 4 表示有几路并行的控制通道 当采用 4 路并行数据时 PT2272 M4 对应的地址编码应该是 8 位 如果采用 6 路的 并行数据时 PT2272 M6 对应的地址编码应该是 6 位 根据需要本次设计所用的是 PT2272 L4 芯片 在通常使用中 我们一般采用 8 位地址码和 4 位数据码 这时编码电路 PT2262 和解码 PT2272 的第 1 8 脚为地址设定脚 有三种状态可供选择 悬空 接正电源 接地三种状态 3 的 8 次方为 6561 所以地址编码不重复度为 6561 组 只有发射端 PT2262 和接收端 PT2272 的地址编码完全相同 才能配对使用 遥控模块的生产厂家 为了便于生产管理 出厂时遥控模块的 PT2262 和 PT2272 的八位地址编码端全部悬空 这样用户可以很方便选择各种编码状态 用户如果想改变地址编码 只要将 PT2262 和 PT2272 的 1 8 脚设置相同即可 例如将发射机的 PT2262 的第 1 脚接地第 5 脚接 正电源 其它引脚悬空 那么接收机的 PT2272 只要也第 1 脚接地第 5 脚接正电源 其它引脚悬空就能实现配对接收 当两者地址编码完全一致设置地址码的原则是 同 一个系统地址码必须一致 不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分 至于设置什 么样的地址码完全根据自己的喜好选择 2 4 3 红外线信号发射电路 本次的设计采用了 PT2262 红外遥控编码的发射电路将使得的红外发射的电路变得 非常简单易懂 易操作 少了较多编码等步骤 其一般的应用电路如图 3 12 图 3 12 基于 PT2262 的红外遥控发射 为了不与其他的红外线混淆 我把地址码编码设为 A0 A1 高电平 A2 低电平 其 中 P10 P13 分别接 AT89C51 的 P1 0 P1 3 口 作为键码有效值与其他编码一起发射出 去 2 4 4 红外线信号接收电路 与 PT2262 对应的红外接收电路如图 3 13 所示 其中 D2 D5 分别接 AT89S51 的 P2 4 P2 7 口 VT 图中管脚 17 接 P1 5 口 红外接收头可以直接在市场上买 而不用 自己再做相关的滤波 信号放大等电路 减少了工作量 也大大的降低了电路复杂度 PT2262 与 PT2272 工作于各自的振荡频率上 改变 OSC1 15 脚 和 OSC2 16 脚 之间所接的振荡电阻的大小 即可改变 PT2262 和 PT2272 的工作频率 振荡频率 f 2 1000 16 Rosc kHz 其中 Rosc 为振荡电阻 单位为 K 在这里我们选用的是 Rosc 3 3M 故 f 9 69KHz PT2272 的振荡电阻为 PT2262 的 2 5 8 倍 我们使用 Rosc 680k Rosc 的值要通过实验确定 如果工作频率太高 可能对解调不利 图 3 13 基于 PT2272 的红外遥控接收 2 5 键盘和显示电路 由于本次设计的键盘与显示电路不在同一块单片机上 而是通过 AT89C51 扫描键 盘的按键后 经过红外遥控发射 由 AT89S51 单片机处理所接收到的键盘按键信息后 再对其进行实时显示的 故分开论述其相关电路 2 5 1 键盘电路 模块电路如下图 3 14 键盘采用行列式这样有利于节省单片机的有限接口 各按 键的功能定义如下表 3 5 YES NO HOT ICE STOP ON OFF 用四行四列 90 SS 接单片机 P2 口 REST 键为硬件复位键 与 R C 构成复位电路 START 键为硬件启动 调温程序 表 3 5 按键功能 按键键名功能 START启动硬件启动调温程序 REST复位键使系统复位 YES确认键用户设定目标温度后进行确认 NO清除键用户设定温度错误或误按了 YES 键后使用 90 SS 数字键设置用户需要的温度 ON OFF开关机键遥控启动 关闭调温程序 STOP停止键单片机停止动作 进入待机状态 HOT加热键直接启动加热管 关闭电风扇 ICE制冷键直接启动电风扇 关闭加热管 图 3 14 键盘接口电路 2 5 2LMB162A 液晶显示电路 LMB162A 是两行十六字符的字符液晶显示器 与 LED 数码管相比具有体积小 电 路简单 显示字符多 价格便宜等的优点 因此 在单片机和嵌入式即时显示系统中 使用相当广泛 但是 其程序设计相对数码管而言比较复杂 特别是初始化子程序和 字符串显示程序的编写过程中 不易掌握 1 LMB162A 的结构 LMB162A 共有 16 个引脚 见图 3 15 其引脚功能如表 3 6 表 3 6 LMB162A 引脚及功能 引脚符号电平功能 1 接地 2 逻辑电源电路 5V 3 LCD 电路电源 0 2 0 5V 4RSH L寄存器选择 1 数据寄存器 0 指令寄存器 5R WH L读写操作选择 1 读 0 写 6EH HL 使能信号 1 读数据 下降沿写数据 7 10DB0 DB3H L8 位模式时 用于低位次数据总线 4 位模式 开放这些端点 11 14DB4 DB7H L8 位模式时 用于高位次数据总线 4 位模式 用于高和低总线 15LEDA 背景灯电源 5V 16LEDB 背景灯接地 0V 在图 3 15 中 LMBI62A 主要通过 4 5 6 三个引脚控制液晶显示 表 3 5 中 RS R W E 分别与单片机的 P2 0 P2 1 P2 2 三个管脚相连 要显示的数据由 P0 口 并行输出 与液晶显示器 8 位数据口相连 属于非总线控制方式 因此需要在 P0 口外 接 l0k 电阻排作为上拉电阻 否则不会显示数据 图 3 15 LMB162A 与 AT89S51 电路连线图 2 6 温度控制电路 温度控制硬件电路图如下图 3 17 3 18 用于在闭环控制系统中对被控对象实施 控制 被控对象为实验小盒子 采用对放在盒子里的电热管的电压和放置在盒外的电 风扇的电压进行通断的方法进行控制 以实现对实验小盒子内的温度控制 从而达到 对小盒内进行调温的目的 对电热管通断的控制采用 MOC3021 可控硅光电耦合器 它 的使用非常简单 只要在控制端 TTL 上控制电的平的高低 即可实现电热管的通断 当单片机的 P1 3 为低电平时 MOC3021 可控硅光电耦合器接通电热管工作 当单片 机的 P1 3 为高电平时 MOC3021 可控硅光电耦合器关闭 加热器不工作 而电风扇的 启动与停止则用一般的三极管进行开关控制 因为所用的电风扇的电源电压是 5V 的 电压不高 故不需隔离电路 但是需要一个续流二极管 以保护三极管过电压 图 3 17 加热控制电路 图 3 18 制冷 电风扇 控制电路 3 温度控制系统和显示的软件设计 3 1 PID 控制理论 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念 反馈理论的要素包括三个部分 测 量 比较和执行 测量变量值然后与期望值相比较 用这个误差纠正调节控制系统的 响应 即执行 PID 比例 积分 微分 控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年 历史 现在仍然是应用最为广泛的工业控制器 PID 控制器简单易懂 使用中不需精确 的系统模型等先决条件 因而成为目前应用最为广泛的控制器 3 1 1PID 调节控制原理 首先 我将介绍 PID 控